山东科技大学毕业设计（论文）X-Y数控工作台的机电系统设计学生：王振学号：0903216219专业：机电一体化技术班级：机电一体化2009.1指导教师：张山山东科技大学电气信息系二O一二年六月山东科技大学毕业设计（论文）任务书设计（论文）题目：X-Y数控工作台的机电系统设计学院：电气信息系专业：机电一体化班级 09.1 学号：0903216219学生：王振指导教师：张山接受任务时间 2012年月3日教研室主任（签名）院长（签名）1．毕业设计（论文）的主要内容及基本要求1、立铣刀最大直径的d=15mm，立铣刀齿数Z=3，最大铣削宽度a=15mmc最大背吃刀量p a=8mm，加工材料为碳素钢或有色金属。
2、XY方向的脉冲当量为0.005mm/脉冲。
3、X、Y方向的定位精度均为±0.01mm。
4、工作台面尺寸为230mmx230mm，加工范围为250mmx250mm。
5、工作台空载进给最快移动速度：mm/minVymaxVxmax，3000工作台进给最快移动速度:mm/minVxmaxf。
Vymaxf4002．指定查阅的主要参考文献及说明张建民.机电一体化系统设计[M].北京：高等教育出版社.2001张训文.机电一体化系统设计与应用[M].北京：北京理工大学出版社.2006张立勋等.机电一体化系统设计[M].哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社.文怀兴、夏田.机电一体化系统设计[M].北京：化学工业出版社.2008目录一、设计目的 (5)二、设计任务 (5)三、设计主要步骤 (6)1、机械传动部件的选择 (6)（1）、导轨副的选用 (6)（2）、丝杠螺母副的选用 (6)（3）减速装置的选用 (6)（4）伺服电动机的选用 (6)（5）检测装置的选用 (7)2、控制系统的设计 (7)3、机械传动部件的计算与选型 (8)（1）、导轨上移动部件的重量估算 (8)（2）、切削力的计算 (8)（3）、滚珠丝杠传动的设计计算及选型 (9)（4）滚珠丝杠螺母副的计算与选型 (10)（5）、步进电动机减速箱的选用 (13)（6）步进电动机的计算与选型 (14)（7）增量式旋转编码器的选用 (20)四、工作台机械装配图的绘制 (21)五、总结体会 (21)六、参考文献 (22)一、设计目的《数控机床》课程设计是一个重要的实践性教学环节，要求学生综合的运用所学的理论知识，独立进行的设计训练，主要目的：1、通过设计，使学生全面地、系统地了解和掌握数控机床的基本组成及其思想知识，学习总体的方案拟定、分析与比较的方法。
2、通过对机械系统的设计，掌握几种典型传动元件与导向元件的工作原理、设计计算及选用的方式3、通过对机械系统的设计，掌握常用伺服电机的工作原理、计算控制方法与控制驱动方式4、培养学生独立分析问题和解决问题的能力，学习并树立“系统设计”的思想5、锻炼提高学生应用手册和标准、查阅文献资料及撰写科技论文的能力二、设计任务设计一套供立式数控铣床使用的X-Y数控工作台，主要参数如下：1、立铣刀最大直径的d=15mm，2、立铣刀齿数Z=3，3、最大铣削宽度c a=15mm4、最大背吃刀量a=8mm，p5、加工材料为碳素钢或有色金属。
6、XY方向的脉冲当量为0.005/脉冲。
7、X、Y方向的定位精度均为±0.01mm。
8、工作台面尺寸为230mm×230mm，加工范围为250mm×250mm。
9、工作台空载进给最快移动速度：mm/mminVymaxVxmax，300010、工作台进给最快移动速度:mm/minVxmaxf。
Vymaxf400三、设计主要步骤1．机械传动部件的选择（1）导轨副的选用要设计的X-Y工作台是用来配套轻型的立式数控铣床，需要承受的载荷不大，但脉冲当量小、定位精度高，因此，决定选用直线滚动导轨副。
它具有摩擦系数小、不易爬行、传动效率高、结构紧凑、安装预紧方便等优点。
（2）丝杠螺母副的选用伺服电动机的旋转运动需要通过丝杠螺母副转换成直线运动，要满足0.005mm的脉冲当量和±0.01mm 的定位精度，滑动丝杠副无能为力，只有选用滚珠丝杠副才能达到。
滚珠丝杠副的传动精度高、动态响应快、运转平稳、寿命长、效率高，预紧后可消除反向间隙。
（3）减速装置的选用选择了步进电动机和滚珠丝杠副以后，为了圆整脉冲当量，放大电动机的输出转矩，降低运动部件折算到电动机转轴上的转动惯量，可能需要减速装置，且应有消间隙机构。
为此本例决定采用无间隙齿轮传动减速箱。
（4）伺服电动机的选用任务书规定的脉冲当量尚未达到0.001mm，定位精度也未达到微米级，空载最快移动速度也只有3000mm/min。
因此，本设计不必采用高档次的伺服电动机，如交流伺服电动机或直流伺服电动机等，可以选用性能好一些的步进电动机，如混合式步进电动机，以降低成本，提高性/价比。
（5）检测装置的选用选用步进电动机作为伺服电动机后，可选开环控制也可选闭环控制。
任务书所给的精度对于步进电动机来说还是偏高的，为了确保电动机在运转过程中不受切削负载和电网的影响而失步，决定采用半闭环控制，拟在电动机的尾部转轴上安装增量式旋转编码器，用以检测电动机的转角与转速。
增量式旋转编码器的分辨率应与步进电动机的步距角相匹配。
考虑到X、Y两个方向的加工范围相同，承受的工作载荷相差不大，为了减少设计工作量，X、Y两个坐标的导轨副、丝杠螺母副、减速装置、伺服电动机以及检测装置拟采用相同的型号与规格。
2．控制系统的设计（1）设计的X-Y工作台准备用在数控铣床上，其控制系统应该具有单坐标定位、两坐标直线插补与圆弧插补的基本功能，所以控制系统应该设计成连续控制型。
（2）对于步进电动机的半闭环控制，选用MCS-51系列的8位单片机AT89C52作为控制系统的CPU，应该能够满足任务书给定的相关指标。
（3）要设计一台完整的控制系统，在选择CPU 之后，还需要扩展程序存储器、数据存储器、键盘与显示电路、I/O 接口电路、D/A 转换电路、串行接口电路等。
（4）选择合适的驱动电源，与步进电动机配套使用。
机械传动部件的计算与选型1. 导轨上移动部件的重量估算按照下导轨之上移动部件的重量来进行估算。
包括工件、夹具、工作平台、上层电动机、减速箱、滚珠丝杠副、直线滚动导轨副、导轨座等，估计重量约为800N 。
2. 铣削力的计算设零件的加工方式为立式铣削，采用硬质合金立铣刀，工件的材料为碳钢。
则由表3-7查得立铣时的铣削力计算公式为：0.850.750.73 1.00.10ce zp118af da nZ F （6-11）今选择铣刀直径d=15mm ，齿数Z=3，为了计算最大铣削力，在不对称铣削情况下，取最大铣削宽度ae=15mm ，铣削深度ap=8mm ，每齿进给量fz=0.1mm ，铣刀转速n=300r/min 。
则由式（6-11）求得最大铣削力：Fc=118×150.85×0.10.75×15-0.73×81.0×3000.13×3 N≈1463 N采用立铣刀进行圆柱铣削时，各铣削力之间的比值可由表3-5查得，结合图3-4a，考虑逆铣时的情况，可估算三个方向的铣削力分别为：Ff =1.1Fc≈1609N，Fe =0.38Fc≈556N，Ffn =0.25Fc≈366N 图3-4a为卧铣情况，现考虑立铣，则工作台受到垂直方向的铣削力Fz= Fe=556N，受到水平方向的铣削力分别为Ff和Ffn。
今将水平方向较大的铣削力分配给工作台的纵向（丝杠轴线方向），则纵向铣削力Fx= Ff=1609N，径向铣削力Fy =Ffn= 366N。
3. 直线滚动导轨副的计算与选型（1）滑块承受工作载荷的计算及导轨型号的选取工作载荷是影响直线滚动导轨副使用寿命的重要因素。
本例中的X-Y工作台为水平布置，采用双导轨、四滑块的支承形式。
考虑最不利的情况，即垂直于台面的工作载荷全部由一个滑块承担，则单滑块所受的最大垂向载荷为：= F （6-12）其中，移动部件重量G＝800N，外加载荷F= Fz= 556N，代入（6-12）式得最大工作载荷PC=756N=0.756kN。
查表3-41，根据工作载荷PC=0.756kN，初选直线滚动导轨副的型号为KL系列的JSA-LG15型，其额定动载荷Ca=7.94 kN，额定静载荷C0a=9.5 kN。
任务书规定工作台面尺寸为230mm×230mm，加工范围为250mm×250mm，考虑工作行程应留有一定余量，查表3-35，按标准系列，选取导轨的长度为520mm 。
（2）距离额定寿命的计算上述选取的KL 系列JSA-LG15型导轨副的滚道硬度为HRC60，工作温度不超过100℃，每根导轨上配有两只滑块，精度为4级，工作速度较低，载荷不大。
查表3-36～表3-40，分别取硬度系数=1.0，温度系数=1.00，接触系数=0.81，精度系数=0.9，载荷系数=1.5，代入式（3-33），得距离寿命：≈6649 km远大于期望值50km ，故距离额定寿命满足要求。
4. 滚珠丝杠螺母副的计算与选型（1）最大工作载荷Fm 的计算如图3-20所示，承受最大铣削力时，工作台受到进给方向的载荷（与丝杠轴线平行）Fx=1609N ，受到横向的载荷（与丝杠轴线垂直）Fy = 366N ，受到垂向的载荷（与工作台面垂直）Fz= 556N 。
已知移动部件总重量G=800N ，按矩形导轨进行计算，查表3-29，取颠覆力矩影响系数K=1.1，滚动导轨上的摩擦因数μ=0.005。
求得滚珠丝杠副的最大工作载荷Fm = KFx + μ（Fz + Fy + G ）= [ 1.1×1609 + 0.005 ×( 556 + 366 + 800 ) ] NWf Tf Rf≈1779 N（2）最大动载荷FQ的计算设工作台在承受最大铣削力时的最快进给速度=400mm/min，初选丝杠导程=5 mm，则此时丝杠转速n=v/Ph = 80 r/min。
取滚珠丝杠的使用寿命T=15000 h，代入L0=60nT/106，得丝杠寿命系数L0=72（单位为：106 r）。
查表3-30，取载荷系数fW =1.2，滚道硬度为HRC60时，取硬度系数fH=1.0，代入式（3-23），求得最大动载荷：FQ ≈8881 N（3）初选型号根据计算出的最大动载荷和初选的丝杠导程，查表3-32，选择济宁博特精密丝杠制造有限公司生产的G系列2005-3型滚珠丝杠副，为内循环固定反向器单螺母式，其公称直径为20 mm，导程为5 mm，循环滚珠为3圈×1列，精度等级取4级，额定动载荷为9309 N，大于FQ，满足要求。