目录一、设计说明（一）设计任务（二）总体方案的确定（三）系统总体方案设计二、机械部分设计（一）脉冲当量的选定（二）步进电机的选用（三）计算铣削力（四）滚珠丝杠副的选用（五）工作台尺寸确定:（六）滚珠丝杠长度确定（七）丝杠传动效率计算（八）丝杠稳定性验算（九）丝杠刚度验算（十）计算减速器传动比（十一）齿轮机构设计（十二）传动系统是转动惯量计算（十三）步进电动机负载能力校验（十四）导轨的选型及计算三、控制系统电路设计（一）接口设计（二）伺服系统设计（三）步进电机驱动电路设计（四）运动控制器控制原理四、控制软件结构设计（一）直线插补程序（二）圆弧插补程序参考文献一、设计说明本设计是以PC平台为基础的数控X-Y工作台实验系统，它具有直线插补和圆弧插补等数控系统所使用的常用功能，结构简单，操作方便，控制精度相对较高, 可靠性、稳定性和实用性都很好。

X、Y两方向的运动各由一台步进电机控制。

数控系统每发出一个信号，步进电机就走一步，并通过中间传动机构带动两方向的丝杠旋转，分别使得X、Y工作台进给。

数控系统由单片机、键盘、变频检测系统构成，具有间隙补偿、直线插补、圆弧插补、断丝自动处理等主要功能。

线切割的适用对象主要是难切割材料，如高强度、高韧性、高硬度、高脆性、磁性材料，以及精密细小和形状复杂的零件。

线切割技术、线切割机床正在各行各业中得到广泛的应用。

因此研究和设计数控线切割有很强的现实意义。

微机控制技术正在发挥出巨大的优越性。

（一）设计任务:设计一个数控X-Y工作台及其控制系统,该工作台可安装在铣床上,用于铣削加工.设计参数如下:最在铣削直径： 20mm最在铣削宽度： 8 mm最大铣削深度： 5 mm加工材料：碳钢工作台加工范围： X=250,Y=180最大移动速度： 3 m/min（二）总体方案的确定数控X—Y工作台的总体方案设计应考虑以下几点：1．工作台应具有沿纵向和横向往复运动、暂停等功能，因此数控控制系统采用连续控制系统。

2．在保证一定加工性能的前提下，结构应简单，以求降低成本。

因此进给伺服统采用伺服电机开环控制系统。

3．纵向和横向进给是两套独立的传动链，它们各自由各的伺服电动机、联轴器、丝杠螺母副组成。

4．为了保证进给伺服系统的传动精度和平稳性，选用摩擦小、传动效率高的滚珠丝杠螺母副，并应有预紧装置，以提高传动刚度和消除间隙。

5．为减少导轨的摩擦阻力，选用滚动直线导轨。

（三）系统总体方案设计二、机械部分设计 （一）脉冲当量的选定根据已知条件：X 、Y 方向的脉冲当量 δx 、δy 分别为δx =δy = 0.01mm（二）步进电机的选用即脉冲当量较小，因此这里选用反应式步进电动机。

其特点是：步距角小，运行频率高，价 格较低，但功耗较大。

BF 反应式步进电动机技术参数(指导书表2-18)（1）步进电动机的脉冲频率计算典型工况下，步进电动机的脉冲频率f x 和f y 分别为33max 310105000/8000/60600.01x x x x v f p s f p s σ=⨯=⨯=<=⨯33max 310105000/8000/60600.01y y y yv f p s f p s σ=⨯=⨯=<=⨯（2）90BF001启动矩频特性（3）90BF001运行矩频特性（三）计算铣削力（1）切削力Z F 的请算选用高速钢直柄立铣刀，其铣削力公式为：Z d a a a C F tp feF Z ⨯⨯⨯⨯⨯⨯=-86.072.086.081.9查<<机械制造技术基础课程式设计指导教程>>表5-11得F C ＝68.2，t d ＝20mm ，e a ＝8mm ，f a ＝0.09mm ，p a ＝5mm , Z =5代入公式可知 0.860.72 1.86z F 9.8168.280.0952051345N -=⨯⨯⨯⨯⨯⨯=（2）进给工作台工作载荷的计算进给工作载荷沿铣床工作台运动方向可分解为三个力:工作台纵向进给方向载荷L F ，工作台垂直进给方向载荷V F ，工作台横向进给方向载荷C F 。

（3）工作台载荷与铣削力的经验比算(指导书表2-4)考虑最不利影响L F /Z F =0.9V F /Z F =0.8 C F /Z F =0.4所以L F = 1211 N V F =1076 N C F =538 N（四）滚珠丝杠副的选用（1）丝杠寿命的估算令两方向丝杠的工况均为：每天开机8小时；每年300 个工作日；工作10 年以上。

丝杠材料：CrWMn 钢；滚道硬度为58~62HRC ；丝杠传动精度为± 0.04mm 丝杠寿命 :'83001024000h L h =⨯⨯=初定丝杠的导程为P=5 其平均转速为工作台最大移动速度一半时所对应的转速 故平均转速 10001.51000300/m i n 5v n r p ⨯⨯===（2）计算丝杠工作载荷计算载荷F C 求解,其中取 C F L F 的较大值为F m, 故 F m, =1211 NF C =K F K H K A F m = 1.1×1.0×1.0×=1332 N查《机电一体化设计基础》表2-6；2-7；2-8 得 K F =1.1; K H =1.0; K A =1.0 查表 2-4 取C 级精度。

表2-7 硬度系数（3）额定动载荷计算C a ′计算12479421a C F N ==≈（4）滚珠丝杠副初选假设选用C1 型号，按滚珠丝杠副的额定动载荷C a 等于或稍大于C a 的原则，选初定选用汉江机床生产的 2005-3 C a =10493 N（五）工作台尺寸确定:工作台的行程为X ＝250mm ，Y ＝180mm 。

工作台尺寸一般为工作台行程的1.1倍。

所以：X ＝250×1.1＝275mm, Y ＝180×1.1＝198mm 。

圆整，取X ＝270mm,Y ＝190mm 。

其厚度初定为30mm选择工作台的型槽为T 型槽，查《袖珍机械设计师手册》表3-25可得所选T 型槽的参数： A ＝12mm B ＝21mm C ＝9mm H ＝20mm间距取50mm一取工作台厚度为T 型槽厚度的2倍， 即2×20＝40mm 。

工作台质量：М0＝ρν ＝ 37.8102719416kg -⨯⨯⨯⨯= ,即纵向丝杠所承受的质量。

因工作台有T 型槽，故取М0＝ 15 kg 。

(减去3个t 型槽的重量得到的大概数值)横向丝杠所要承受的质量М为工作台质量加上拖板质量，一般以工作台质量的3.5倍计。

即М＝52.5kg（六）滚珠丝杠长度确定根据经验公式 l l L l =++行程余量 其中L 由2005-3丝杠副中取L=97mm. 故 x l =250+97+50=397mm 圆整 x l =400mm y l =180+97+50=327mm 圆整 y l =330mm（七）丝杠传动效率计算滚珠丝杠螺母副的传动效率η为)(ϕλλη+tg tg ＝见《机电综合设计指导》公式（2-15）P15式中：λ为丝杠螺旋升角，ϕ为摩擦角，滚珠丝杠副的滚动摩擦系数f ＝0.003～0.004,其摩擦角约等于01'。

所以， 94.0)01'552('552)(='+︒︒+tg tg tg tg ＝＝ϕλλη（八）丝杠稳定性验算由于一端轴向固定的长丝杠在工作时可能会发生失稳，所以在设计时应验算其安全系数 S ，其值应大于丝杠副传动结构允许安全系数[S], [S] 是许用稳定性安全系数一般取2.5~4丝杠不会发生失稳的最大载荷称为临界载荷Fcr （N ）按下式计算：2()Acr EI F l πμ=式中，E 为丝杠材料的弹性模量，对于钢，E=206GPa ；l 为丝杠工作长度（m ）；Ia 为丝 杠危险截面的轴惯性矩（m4）；μ 为长度系数.丝杠初定支承方式如下故0.7μ≈ (一端固定.另一端铰支)X 轴受到的临界力: 995223.14206103100.2510()(0.70.40)A xcr EI F N l πμ-⨯⨯⨯⨯===⨯⨯ Y 轴受到的临界力: 995223.14206103100.3610()(0.70.33)A ycr EI F N l πμ-⨯⨯⨯⨯===⨯⨯ 安全系数:50.2510211211xcr x m F s F ⨯===> []s50.3610301211ycry m F s F ⨯===> []s临界载荷与丝杠工作载荷之比称为稳定性安全系数s,如果大于许用稳定性安全系数[s] ,刚该滚珠丝杠不会失稳. 一般取[] 2.54s = ,考虑丝杠自重对水平滚珠丝杠的影响可取[]4s ≥（九）丝杠刚度验算滚珠丝杠在工作负载F （N ）和转矩T (N ⋅m )共同作用下引起每个导程的变形量p ∆22cpF p Tp EA GJ π∆=±±式中，A 为丝杠截面积 1221A=()4d m π，c J 为丝杠的极惯性矩 44c 1J =()32d m πG 为丝杠切变模量，对钢G = 83.3GPa ；T (N ⋅m )为转矩。

2tan()2mD T F λρ=+式中，ρ 为摩擦角，其正切函数值为摩擦系数；m F 为平均工作负载 由所选用选杠有 433'λ=10'ρ=320121110tan(433'10')0.99.2T N m -=⨯⨯⨯+≈ 按最不利的情况取（其中F = F m ）22224114162c pF p T pF p Tp EA GJ Ed Gd πππ∆=+=+332922944510112116(510)0.993.14206100.01679 3.1483.3100.01679--⨯⨯⨯⨯⨯⨯=+⨯⨯⨯⨯⨯⨯ 812.90710m -≈⨯则丝杠在工作长度上的弹性变形所引起的导程误差为:取x l l =进行校验.2312.907100.4010.32510p l l m m p μμ--∆⨯∆==⨯=⨯ 通常要求丝杠的导程误差Δl 应小于其传动精度的1/2，11[]0.040.022022l mm m σμ∆==⨯== []l l ∆<∆ 满足传动精度要求（十）计算减速器传动比减速器传动比：由所选电机型号和丝杠副参数可求得传动比如下:0.9413603600.01b p p i θσ⨯===⨯（十一）齿轮机构设计系统传递的功率很高，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。

（1）选择材料及确定许用应力齿轮材料选择45 钢（表面淬火），硬度为45HRC齿轮的接触疲劳强度极限σlim1 H =1130MP a （淬火处理）安全系数S H 和S F取安全系数 1.1H S =lim1130[]1027.271.1H H HMPa MPa S σσ=== 齿轮的弯曲疲劳强度极限 lim 240F MPa σ= 取 1.3F S =lim240[]184.621.3F F FMPa S σσ=== （2）齿结构参数确定为简化结构选 1220z z ==, 模数m 取1.5, 则121230D D mz mz mm ==== 齿宽 20B mm =（十二）传动系统是转动惯量计算传动系统是转动惯量是一种惯性负载,在电机选用时必须加以考虑。