本科生专业课程设计( 201１届）学生姓名：学号:专业名称：班级:指导教师：201０年11月20日目录任务书....................................................................................................... 错误!未定义书签。

二、总体方案的确定....................................................................................... 错误!未定义书签。

三、机械传动部件的计算与选型................................................................... 错误!未定义书签。

四、工作台机械装配图的绘制ﻩ错误!未定义书签。

五、工作台控制系统的设计........................................................................... 错误!未定义书签。

参考文献........................................................................................................... 错误!未定义书签。

附件1 ............................................................................................................... 错误!未定义书签。

附件2ﻩ错误!未定义书签。

附件3ﻩ错误!未定义书签。

附件4 ............................................................................................................... 错误!未定义书签。

任 务 书设计题目:X-Y 数控工作台机电系统设计 设计任务：设计一台微机控制X Ｙ两坐标工作台，供立式数控铣床使用。

具体内容如下: 1、 机械系统设计:通过计算，正确选择传动机构、导向机构、执行机构、驱动电机等,根据计算说明，绘制机械系统装配图。

2、 控制系统设计：根据系统要求,选择正确的控制策略，设计合理的控制系统，并绘制控制系统电路图。

3、 主要程序设计：在机械系统设计与控制系统设计的基础上,进行控制系统的主程序设计,列出程序清单。

4、 设计说明书撰写。

系统主要参数:1、 立铣刀最大直径ｄ=20m ｍ2、 立铣刀齿数Z ＝３3、 最大铣削宽度mm a e 20=4、 最大背吃刀量mm a p 10=5、 加工材料为碳素钢或有色金属6、 X,Ｙ方向的脉冲当量p mm y x /01.0==δδ7、 X,Y 方向的定位精度均为±0．01ｍm8、 工作台面尺寸为4０0ｍm ×500mm ，加工范围为200mm ×2０0mm 9、 工作台空载最快移动速度min /2000max max mm v v y x == 10、 工作台进给最快移动速度min /350max max mm v v f y f x == 时间安排及任务:一、系统功能介绍、总体方案设计(1天）1. 机电一体化产品设计的基本过程介绍;２. XY 工作台功能介绍；3. 总体方案的确定二、单元功能模块介绍和设计任务的落实(１天） 三、详细设计(8天）1.机械系统装配图设计；２．控制各部分原理图的设计；3．主功能程序的编制二、总体方案的确定 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，需要承载的载荷不大,但脉冲当量小(p mm y x /01.0==δδ)，定位精度高（min /350max max mm v v f y f x ==），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。

选直线滚动导轨副 (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0．01mm 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，而且滚珠丝杠已经系列化,选用非常方便,有利于提高开发效率。

选滚动丝杠螺母副（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，且应有消除间隙机构。

为此,系统中决定采用无间隙齿轮传动减速箱。

拟采用减速器 （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2００0ｍm/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。

伺服电机选步进电机(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,并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。

检测装置的选用：增量式旋转编码器查得立铣时的铣削力计算公式为:表2-1 硬质合金铣刀铣削力的计算公式（单位Ｎ）[3]16铣刀类型工件材料 铣削力公式面铣刀碳钢Z n a d f a F p z ec 18.090.03.188.006.111278--= 灰铸铁 Z ad f a F p ze c 90.00.174.00.1539-= 可锻铸铁 Z n a d f a F p ze c 20.00.13.175.01.14825--= 圆柱铣刀碳钢Z a d f a F p z e c 0.187.075.088.01000-=灰铸铁Z a d f a F p z e c 0.190.080.09.0596-= 三面刃铣刀 碳钢Z n a d f a F p z e c 1.01.11.180.09.02560--= 两面刃铣刀 Z a d f a F p z e c 85.01.170.08.02746-= 立铣刀Z n a d f a F p z e c 13.00.173.075.085.0118--=期中:a p 为背吃刀量mm ；a ｅ为侧吃刀量mm;f z 为每齿进给量m ｍ／Ｚ;v f 进给速度ｍm/mi ｎ；Z 铣刀齿数;d 铣刀直径ｍm ；ｎ铣刀转速r/m ｉｎ,见图２-1。

Z n a d f a F p z e c 13.00.173.075.085.0118--= (2-１)图2-１ 铣削用量说明若铣刀直径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a e =１5mm,背吃刀量ａp ＝８，每齿进给量ｆz =0.1mm/Z ；铣刀转速n ＝3０0r ／min 。

则由公式2－1求得最大铣削力：N F c 189333008201.02011813.00.173.075.085.0≈⨯⨯⨯⨯⨯⨯=-采用立铣刀进行圆柱铣削时，各铣削力之间的比值可由表2-2。

F y ＝473N表2-２各铣削力之间比值铣削条件比值对称铣削不对称铣削逆铣顺铣端铣削a e=(0.4~0.8)d/mmf z=(0.1~0.2)/(mm.z-1))F f / F c0.3～0.4 0.6～0.9 0.15～0.3F e / F c0.85～0.95 0.45～0.70 0.9～1.0F fn / F c0.50～0.55 0.50～0.55 0.5～0.55圆柱铣削a e=0.05 d/mmf z=(0.1~0.2)/(mm.z-1))F f / F c 1.0～1.2 0.8～0.9F fn / F c0.2～0.3 0.75～0.8F e / F c0.35～0.4 0.325～0.4图２-2 铣削力分析图2-３顺铣与逆铣由表2－2,图2-2和图2-３，考虑逆铣情况,可估算出三个方向的铣削力分别为:NFFNFFNFFcfncecf47325.071938.020821.1≈=≈=≈=图2-3a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=719N,受到水平方初选步进电动机的步距角α=0.9°，算得减速比:4501.0360575.0=⨯⨯=︒δh()()()mm mm p p 工作台运动的脉冲当量丝杠导程步进电机步距角--︒-δα按图5-33,选一级齿轮传动传动链效率工作台移动速度工作台进给抗力传递功率/⨯=机械传动效率概略值（供参考）类型 V 带传动联轴器传动圆柱齿轮传动一对滚动轴承丝杠螺母副符号 ηvηcηgηbηs效率0.94~0.970.97~0.9950.96~0.990.98~0.9950.90~0.95初选效率为0．９８。

w 14.798.0/120071200=⨯=传递功率 可见,系统传递的功率很小，在要求不高时,以后各步的计算可省略。

并采用经验法来设计各元部件。

但为练习计算过程，本次设计采用分析计算来设计。

传递功率(w) 小齿轮转速n 1 (r/min)传动比一天运转时间(h) 工作寿命（年） 传动效率转向 工况3.5787.55/4 85 0.975 不变 平稳(2) 齿轮机构设计(3) 齿轮传动机构的基本参数轴上的摩擦转矩：()Nm i P G F iP F T h z h f 146.125.19.02005.0900719005.02)(2≈⨯⨯⨯+⨯=+==ππημπη摩则由式2-１4得:Nm T T T T T T f t f t eq 472.202=+≈++=综上计算，得到加在步进电动机转轴上的最大等效负载转矩应为：{}Nm T T T eq eq eq 472.2,max 21==２．４7２N ｍ综上计算,得到加在步进电动机转轴上的最大等效负载转矩应为:2.472Nm（3）步进电机最大静转矩的选定考虑到步进电动机的驱动电源受电网电压影响较大，当输入电压降低时,其输出转矩会下降，可能造成丢步,甚至堵转。