摘要本文主要对X-Y数控工作台机电系统及控制系统进行设计。

X-Y数控工作台是许多机电一体化设备的基本部件，如数控车床的纵-横向进刀机构、数控铣床和数控钻床的X-Y工作台、激光加工设备的工作台、电子元件表面贴装设备等。

模块化的X-Y数控工作台通常由导轨座、移动滑块、工作平台、滚珠丝杠螺母副,以及伺服电动机等部件构成。

其中，伺服电动机作为执行元件用来驱动滚珠丝杠，滚珠丝杠的螺母带动滑块和工作平台在导轨上运动，完成工作台在X、Y方向的直线移动。

导轨副、滚珠丝杠螺母副和伺服电动机等均已标准化，由专门厂家生产，设计时只需根据工作载荷选取即可。

控制系统根据需要选用设计专用的微机控制系统。

关键字：X-Y数控工作台，滚珠丝杠螺母副，伺服电动机，微机控制系统。

目录1设计任务 (3)2总体方案的确定 (3)2．1机械传动部件的选择 (3)2．1．1导轨副的选用 (3)2．1．2丝杠螺母副的选用 (4)2．1．3减速装置的选用 (4)2．1．4伺服电动机的选用 (4)2．1．5检测装置的选用 (4)2．2控制系统的设计 (5)3机械传动部件的计算与选型 (6)3．1导轨上移动部件的重量估算 (6)3．2铣削力的计算 (6)3．3直线滑动导轨副的计算 (7)3．4滚珠丝杠螺母副的计算与选型 (8)3．4．1最大工作载荷Fm的计算 (8)F的计算 (8)3．4．2最大动工作载荷Q3．4．3初选型号 (9)3．4．4传动效率η的计算 (9)3．4．5刚度的验算 (9)3．4．6压杆稳定性校核 (10)3. 5步进电动机减速箱的选用 (11)3．6步进电动机的计算与选型 (11)J............ 错误！未定义书签。

3．6．1计算加在步进电动机转轴上的总转动惯量eqT........ 错误！未定义书签。

3．6．2计算加在步进电动机转轴上的等效负载转矩eq分快速空载和承受最大负载两种情况进行计算： (12)3．6．3步进电动机最大静转矩的选定 (15)3．6．4步进电动机的性能校核 (16)3．7增量式旋转编码器的选用 (18)4步进电动机的驱动电源选用 (18)5控制系统硬件电路设计 (19)6控制系统的部分软件设计 (20)6．1输入输出分配 (20)6.2人机界面设计 (20)6.3控制程序设计 (21)参考文献 (21)附录 (23)1设计任务题目：X-Y 数控工作台机电系统设计任务：设计一种供应式数控铣床使用的X-Y 数控工作台，主要参数如下：1）立铣刀最大直径25d mm =。

2）立铣刀齿数2Z =。

3）最大铣削宽度20e mm α=。

4）最大背吃刀量5p mm α=。

5）X 、Y 方向的脉冲当量0.005/x y mm δδ==脉冲。

6）X 、Y 方向的定位精度均为0.02mm ±。

7）工作台面尺寸为450450mm mm ⨯，加工范围300300mm mm ⨯。

8）工作台最快移动速度1800/min x y v v mm ==。

9）工作台进给移动速度400/min x y v v mm ==。

导轨组合：滚动——滚动支承方式：双推——简支2总体方案的确定2．1机械传动部件的选择2．1．1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的，需要承受的载荷不大，但脉冲当量小，定位精度高，因此，决定选用直线滑动导轨副，它具有刚度高、制造简单、传动效率高、结构简单、安装预紧方便等优点。

2．1．2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，需要满足0.005mm的脉冲当量和0.02mm的定位精度，滑动丝杠副为能为力，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。

2．1．3减速装置的选用选择了步进电动机和滚珠丝杆副以后，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，决定采用无间隙齿轮传动减速箱。

2．1．4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1800mm/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。

2．1．5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动过程中选用直线滑动导轨副选用滚珠丝杠副采用无间隙齿轮传动减速箱选用步进电动机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力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。

2．2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，所以控制系统设计成连续控制型。

2）对于步进电动机的半闭环控制，选用三菱FX3U系列的FX3U-48MT/ESS，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，在选择控制器之后，还要扩展输入输出设备4）选择合适的驱动电源，与步进电动机配套使用。

选用增量式旋转编码器控制系统设计成连续控制型三菱FX3U系列的FX3U-48MT/ESS计算CF计算fF eF fnF计算z F xF yF3机械传动部件的计算与选型 3．1导轨上移动部件的重量估算按照下导轨上面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、直线滑动导轨副、导轨座等,估计重量约1800N 。

3．2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 1.00.13c e z p 118a fd a n Z F -= 今选择铣刀的直径为d=15mm ，齿数Z=2,为了计算最大铣削力，在不对称铣削情况下，取最大铣削宽度为20e mm α=，背吃刀量5p mm α=，每齿进给量zf 0.1mm =，铣刀转速n 300r/min =。

则由上式求的最大铣削力：0.850.750.73 1.00.13118200.12553003804C F N 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：1.1 1.1804884f c F F N ==⨯≈0.380.38804306e c F F N ==⨯≈ 0.250.25804201fn c F F N ==⨯≈图3-4a 为卧铣情况，现考虑立铣，则工作台受到重量约为1800N804c F N ≈884f F N≈306e F N ≈ 201fn F N ≈306z F N =计算max F计算滚珠丝杠副的最大工作垂直方向的铣削力306z eF F N==，受到水平方向的铣削力分别为fF和fnF。

今将水平方向较大的铣削力分配给工作台的纵向，则纵向铣削力884x fF F N==,径向铣削力为201y fnF F N==。

3．3直线滑动导轨副的计算工作载荷是影响直线滑动导轨副使用寿命的重要因素。

本设计中的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直方向载荷为：maxGF F4=+ (3-1)其中，移动部件重量Ｇ＝1800N，外加载荷306zF F N==，代入式（3-1），得最大工作载荷maxF=756N=0.756kN。

查表3-41，根据工作载荷max0.756F KN=，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=7.94KN，额定静载荷C0a=9.5KN。

任务书规定工作台面尺寸为450450mm mm⨯，加工范围300300mm mm⨯，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820mm。

上述选取的KL系列JSA-LG15型导轨副的滚道硬度为60HRC，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3-36~3-40，分别取硬度系数H f=1.0，温度系数884xF N=201yF N=max931F N=选取导轨的长度为820mm载荷m F计算最大动载荷Q FT f =1.00，接触系数c f =0.81，精度系数Rf =0.9， 载荷系数w f =1.5，代入式（3-33）得距离寿命：22176L ≈ km远大于期望值50km ，故距离额定寿命满足要求。

3．4滚珠丝杠螺母副的计算与选型3．4．1最大工作载荷Fm 的计算如前面所述，在立铣时，工作台受到进给方向的载荷（与丝杠轴线平行）884x F N =,受到横向载荷（与丝杠轴线垂直）201y F N =，受到垂直方向的载荷（与工作台面垂直）306z F N =。

已知移动部件总重量G=1800N ，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，滑动导轨上的摩擦系数μ=0.005。

求得滚珠丝杠副的最大工作载荷：()m x z y F KF F F G μ=+++1.18840.005(3062011800)=⨯+⨯++984N ≈3．4．2最大动工作载荷Q F 的计算设工作台在承受最大铣削力时的最快进给速度v=400mm/min ，初选丝杠导程h P =5mm,则此时丝杠转速n=v/h P =80r/min 。

取滚珠丝杠的使用寿命T=15000h,代入66010/150********/60⨯⨯==nT L ,得丝杠寿命系数L 0=81（单位为：106r ）。

984m F N ≈计算传动效率η计算拉/压变形量1δ计算滚珠与螺查表3-30，取载荷系数2.1=wf,滚道硬度为60HRC时，取硬度系数0.1=Hf,代入下式，求得最大动载荷：1.2 1.09845109Q w H mF f F N==⨯⨯=3．4．3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3-31，选择济宁博特精密丝杠制造有限公司生产的GD系列2505-3型滚珠丝杠副，为内循环固定反向器双螺母式，其公称直径为20mm，导程为5mm，循环滚珠为3圈⨯1系列，精度等级取5级，额定动载荷为9309N，大于QF，满足要求。