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1、(完整版)XY数控工作台设计说明书 一、总体方案设计 1.1 设计任务 题目：X Y 数控工作台的机电系统设计 任务：设计一种供立式数控铣床使用的X Y 数控工作台，主要参数如下： 1）工作台面尺寸C B H mm mm mm ； 2）底座外形尺寸C1B1H1mm mm mm ； 3）工作台加工范围X=mm ，Y=mm ； 4） X 、Y 方向的脉冲当量均为0.005mm/脉冲；X 、Y 方向的定位精度均为0.01mm ； 5）夹具与工件质量M=kg ； 6）工作台空载最快移动速度为3m/min ；工作台进给最快移动速度为0.5m/min 。 7）立铣刀的最大直径d=20mm ； 8）立铣刀齿
2、数Z=3； 9）最大铣削宽度20e a mm =； 10）最大被吃刀量10p a mm =。 1.2 总体方案确定 （1）机械传动部件的选择 导轨副的选择 丝杠螺母副的选择 减速装置的选择 伺服电动机的选择 （2）控制系统的设计 伺服电机启动、停止、调速、正反转的控制 PLC 控制电机的梯形图编程 XY 数控工作台结构 1.3 设计的基本要求 （1）按照机械系统设计的步骤进行相关计算，完成手写设计说明书。 （2）计算结果作为装配图的尺寸和零部件选型的依据，通过AutoCAD 软件绘制XY 数控工作台的总装配图，并绘制AO 图纸。 （3）按照电气控制系统的步骤进行设计，完成电机启动、停止、正反转
3、、电动等基本工作状态控制的硬件连线图，并通过PLC 协调控制XY 电机运动，绘制相关梯形图。 步进电动机 减速器 滚珠丝杠 步进电动机 减速器 工作台 滚珠丝杠 X 方向传动机构 Y 方向传动机构 微型机 机电接口 驱动电路 人机接口 系统总体方案结构框图 二、机械系统设计 2.1 导轨上移动部件的重量估算 质量：按质量=体积（由尺寸求得）密度进行估算 （45钢密度7.85g/立方厘米） 工作台面质量= 上导轨座（连电机）质量= 夹具及工件质量= X-Y 工作台运动部分的总重量G=Mg= 2.2 铣削力的计算 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。查表得立铣刀的铣削力
4、计算公式为： 0.850.750.73 1.00.13118c e z p F a f d a n Z -= 其中，取最大铣削宽度，最大背吃刀量，每齿进给量0.1z f mm =，铣刀转速 500/min n r =，可直接带入计算。采用立铣刀进行圆柱铣削时，各铣削力之间的比值可查表得出，考虑逆铣时的情况，可估算三个方向的铣削力分别为： 1.1f c F F =； 0.38e c F F =；0.25fn c F F =。 现考虑立铣，则工作台受到垂直方向的铣削力z e F F =，受到水平方向的铣削力 分别为纵向铣削力x f F F =（丝杠轴线方向）=，径向铣削力y fn F F = 2.
5、3 直线滚动导轨的参数确定 （1）滑块承受工作载荷的计算及导轨型号的选取 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max 4 G F F = +=。 其中，移动部件重量为G ，外加载荷z F F = 根据计算出的工作载荷，初选符合要求的*公司生产的*系列*型直线滚动导轨副。 根据任务规定工作台面尺寸，加工范围及工作台整体尺寸的要求，选择导轨的长度。 所选直线滚动导轨副的几何参数（由厂家说明书确定） （2）额定寿命的L 的校核计算 根据上述所选导轨副，查表，分别取硬度系数H f
6、=1.0、温度系数T f =1.0、接触系数 C f =0.81、精度系数R f =0.9、载荷系数W f =1.5，代入以下公式，得距离寿命（期望值 为50KM ）。 3 max ( )50H T C R a W f f f f C L f F =?= 2.4 滚珠丝杠的设计计算 滚珠丝杠的负荷包括铣削力及运动部件的重量所引起的进给抗力。应按铣削时的情况计算。 （1）最大工作载荷m F 的计算 在立铣时，工作台受到进给方向的载荷（与丝杠轴线平行）为x F ，受到横向的载荷（与丝杠轴线垂直）为y F ，受到垂直方向的载荷（与工作台面垂直）为z F 。 根据移动部件的总重量G ，按矩形导轨进行计
7、算，查表，取倾覆力矩影响系数K=1.1，滚动导轨上的摩擦因数0.005=。求得滚珠丝杠副的最大工作载荷为： ()m x z y F KF F F G =+= （2）最大动载荷Q F 的计算 工作台在承受最大铣削力时的最快进给速度500/min v mm =，初选丝杠导程h P （自己选择如4、5、6mm 等），则此时丝杠转速/h n v P = 取滚珠丝杠的使用寿命T=15000h ，代入6060/10L nT =，得丝杠寿命系数0L 查表，取载荷系数 1.2W f =，滚道硬度为60HRC 时，取硬度系数 1.0H f = ，代入式 Q W H m F f F =，求得最大动载荷Q F 。
8、（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，选择*公司生产的*系列*型，其额定动载荷为，大于Q F ，满足要求。 所选滚珠丝杠螺母副几何参数 （4）传动效率的计算 将公称直径0d ，导程h P ，代入0arctanP /(d )h =，得丝杠螺旋升角。将摩擦角 10?=，代入tan /tan()?=+，得到传动效率。 （5）刚度的验算 XY 工作台上下两层滚珠丝杠副的支承均采用“单推-单推”的方式。丝杠的两端各采用一个或一对推力角接触球轴承，面对面组配，左、右支承的中心距离约为a ，钢的弹性模量52.110E MPa =?，由所选滚珠丝杠螺母副可得，滚珠直径w D ，丝杠底径
9、2d ， 丝杠截面积2 2 /4S d = 算的丝杠在工作载荷m F 作用下产生的拉/压变形量1/(ES)m F a = 滚珠与螺纹滚道间的接触变形量2=其中，丝杠预紧时， 取轴向预紧力/3YJ m F F =，Z 为滚珠总数量。因为丝杠有预紧力，且为轴向负载的1/3， 所以实际变形量2可减小一半。 将以上计算出的1和2代入12=+总，求得丝杠总变形量总。通过查表，得出 总是否在行程的偏差允许值内。 （6）压杆稳定性校核 查表，取支承系数1k f =，由丝杠底径2d ，求得截面惯性矩42/64I d =；压杆稳 定性安全系数K 取3，a 为滚动螺母至轴向固定处的距离最大值。根据公式2k 2 =
10、k f EI F Ka ,计算失稳时的临界载荷k F ,远大于工作载荷m F 即不会失稳。 2.5 确定齿轮传动比 初选步进电机步距角0.75=o （可自选），滚珠丝杠的导程h P ，要实现脉冲当量 0.005/p mm step =，在传动系统中应加一对齿轮降速传动。齿轮传动比 123600.005360120.75525 p h Z i Z P ?=?o （此计算假设导程为5mm ） 选 112Z =，225Z = 。 因传递的扭距较小，取模数1m mm =。 采用一级减速，步进电机的输出轴与小齿轮连接，滚珠丝杠的轴头与大齿轮连接，其中大齿轮设计成双片结构，采用弹簧错齿法消除齿侧间隙。本设
11、计选用*公司生产的*系列*型齿轮减速箱。 所选齿轮箱中齿轮尺寸参数 2.6 步进电机的选用 （1）步进电机的步距角 根据系统脉冲当量0.005/p mm =脉冲，根据所选滚珠丝杠的导程h P ，初选步进电机步距角（可自选）。 （2）计算加在步进电机转轴上的总转动惯量eq J （3）步进电机快速空载启动时转轴所承受的负载转矩1eq T 的计算 1max eq a f T T T =+ 其中max a T 是快速空载启动时折算到电动机转轴上的最大加速转矩；f T 是移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩。 max 21 60eq m a a J n T t = ? ()2 2 10123218
12、0p eq Z J J J J J M Z ? ? =+ ? ? ? 式中：eq J 折算到电机轴上的惯性负载（2kg cm g ）； 0J 步进电机转轴的转动惯量（2kg cm g ）；1J 齿轮1的转动惯量（2kg cm g ）；2J 齿轮2的转动惯量（2kg cm g ）； 3J 滚珠丝杠的转动惯量（2kg cm g ）；M 移动部件质量（kg ）。 对材料为钢的圆柱零件转动惯量可按下式估算 ()3420.7810J D L kg cm -=?g 式中：D 圆柱零件直径（cm ）；L 零件长度（cm ）。 所以根据滚珠丝杠的公称直径0d ，总长l ，导程h P ，材料密度327.8510
13、/kg cm -=?，移动部件总重G ，小齿轮宽度1b ，直径1d ，大齿轮宽度2b ，直径2d ，传动比i 。计算出 ()21J kg cm =g ()22J kg cm =g ()23J kg cm =g 电机轴转动惯量很小，可以忽略。 max 360m p v n = 设步进电机由静止到加速至m n 所需时间为0.4a t s =，传动链总效率为 ()2z h f F G P T i += 步进电机最大工作负载状态下转轴所承受的负载转矩2eq T 的计算 2eq t f T T T =+ t T 是折算到电动机转轴上的最大工作负载转矩；f T 是移动部件运动时折算到电动机 转轴上的摩擦转
14、矩。 2f h t F P T i = ()2z h f F G P T i += 12max,eq eq eq T T T = （3）步进电机最大静转距的选定 考虑到步进电机的驱动电源受电网影响较大，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。因此，根据eq T 来选择步进电机的最大静转距时，需要考虑安全系数。本设计取安全系数K=4，则步进电机的最大静转距应满足 max T 4j eq T = （4）步进电机的最高工作频率 max max 100010003 60600.005 p V f HZ ?= =? 综上，选用*公司生产的*系列*型步进电。电机的有关参数如下 所选步进
15、电机参数 三、控制系统设计 以下内容仅提供单电机的主电路及控制电路图，请必须自行完成双电机（XY轴电机）的硬件电气控制图。 3.1 电动机控制电气原理图 电动机控制主电路 电动机长动和点动控制电气原理图 以上所用低压电器为：停止按钮SB1（常闭），长动按钮SB2（常开），点动按钮SB3（常开）；一个热继电器KH；一个继电器KA（至少含两对常开辅助触点）；一个接触器KM（对辅助触点数量无要求）。 电动机正反转控制电气原理图 以上所用低压电器为：停止按钮SB1（常闭），正传按钮SB2（组合按钮），反转按钮SB3（组合按钮）；一个热继电器KH；两个接触器KM（分别至少含一对辅助触点）。 3.2 PLC分项控制电动机的接线图 PLC控制电机正反转外部接线图 PLC控制电机点动和长动外部接线图 3.3 PLC总体控制接线图 3.3 PLC梯形图的绘制 根据自己设计的需要，通过查阅相关文献进行梯形图的编程设计，（至少包括实现电机的启动、停止、正反转、电动四项基本功能），以下仅为各单项工作的参考。