数控钻床X—Y数控工作台设计

数控钻床X—Y数控工作台设计

一：设计任务及基本参数

1：设计任务

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、数控铣床的和数控钻床的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。因此，选择X-Y数控工作台作为机电综合课程设计的内容，对于机电一体化专业的教学具有普遍意义。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。其外观形式如图1所示。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，可以选用标准的工业控制计算机，也可以设计专用的微机控制系统。

本次设计是针对用于数控钻床的X-Y两自由度运动平台结构及其控制系统的设计。

图1

2：基本参数

数控钻床的X-Y两自由度运动平台主要参数如下：

1.钻头最大直径d=12 mm；

2.钻头转速n=300r/min；

3.每转进给量f=0.1mm/r；

4.刀具材料为高速钢；

5.工件材料为钢σb=650 MPa；

6.X、Y方向的脉冲当量δx=δy=0.01 mm/脉冲；

7.X、Y方向的定位精度均为±0.01 mm；

8.工作台面尺寸为300×500 mm，加工范围为350×550 mm；

9.工作台最快移动速度v xmax=v ymax=1500 mm/min。

3：最后提交的材料

课程设计说明书一份；装配图.

X-Y数控工作台机电系统设计说明书

目录

1. 课程设计任务： (5)

2. 总体方案设计 (5)

1)机械传动部件的选择 (5)

(1)导轨副的选用 ...................................................................................................................................... 5 (2)丝杠螺母副的选用 .............................................................................................................................. 5 (3)减速装置的选用 .................................................................................................................................. 5 (4)伺服电动机的选用 .............................................................................................................................. 5 (5)检测装置的选用 .................................................................................................................................. 6 2) 控制系统的设计 (6)

(1)采用半闭环位置负反馈控制 .............................................................................................................. 6 (2）步进电动机的半闭环控制 ................................................................................................................ 6 (3）选择驱动电源 (6)

3.机械传动部件的计算与选型 (6)

1)导轨上移动部件的重量估算 ........................................................................................................................ 6 2)直线导轨副的计算与选型 . (6)

(1)滑块承受工作载荷的计算及导轨型号的选取 .................................................................................. 6 (2)距离额定寿命L 的计算 ...................................................................................................................... 7 3)滚珠丝杠螺母副的计算与选型 .. (7)

(1)最大工作载荷m F 的计算 .................................................................................................................... 7 (2)最大动载荷的

Q

F 计算 (7)

(3)初选型号 .............................................................................................................................................. 8 (4)传动效率 的计算 (8)

(5)刚度的验算 .......................................................................................................................................... 8 (6)压杆稳定性校核 ................................................................................................................................... 9 4)步进电动机减速箱的选用 ............................................................................................................................ 9 5)步进电动机的计算与选型 . (9)

(1)计算加在步进电动机转轴上的总转动惯量J ..................................................................................... 9 (2)计算加在步进电动机转轴上的等效负载转矩T .............................................................................. 10 (3)步进电动机最大静转矩的选定 ......................................................................................................... 10 (4 )步进电动机的性能校核 .................................................................................................................... 10 (5)步进电动机的驱动电源选用 ........................................................................................................ - 10 - 6）增量式旋转编码器的选用 ................................................................................................................... - 10 - 4.工作台机械示意图的绘制（见附录） ..............................................................................- 11 -

5.工作台控制系统的设计 ......................................................................................................- 11 -

6.感想总结 ..............................................................................................................................- 12 -

参考文献 ..............................................................................................................................- 13 -

1. 课程设计任务：

设计一个X-Y 两自由度运动平台，主要参数如下： 额定负载20kg ；

工作台面积尺寸为mm

500mm 300?

XY 的定位精度均为0.1mm ±=δ

XY 方向的脉冲当量

脉冲

mm/005.0y x ==δδ 工作台最快移动速度

min

3000y x mm v v ==

额定负载时XY 向的最大运行加速度

2m s 1m

a =

2. 总体方案设计

1)机械传动部件的选择

(1)导轨副的选用 选用直线滚动导轨副。 (2)丝杠螺母副的选用

选用滚珠丝杆副，其传动精度高、运转平稳，可满足设计所要求的定位精度。 (3)减速装置的选用

为了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，选用无间隙齿轮传动减速箱。 (4)伺服电动机的选用

选用混合式步进电动机。

(5)检测装置的选用

采用半闭环控制，将增量式旋转编码器安装在电动机的尾部转轴上，用以检测电动机的转角与转速。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)采用半闭环位置负反馈控制

(2）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 ，能够满足任务书给定的相关指标。

(3）选择驱动电源

与步进电动机配套使用。

3.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

按照下导轨上面移动部件的重量来进行估算。包括工作平台、上层电动机、减速箱、滚动丝杠副、直线滚动导轨副、导轨座等，估计重量G=780N 。 2)直线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

采用双导轨、四滑块的支承形式。则单滑块所受的最大垂直方向载荷为：4F max F G +=

其中，移动部件重量G=780N ，额定负载20kg,估算为F=20N,得最大工作载荷KN N 2.0200F max ==根据最大工作载荷KN

N 2.0200F max ==，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:9.5kN 。

任务书规定工作台面积尺寸为mm 500mm 300?X 向和Y 向最大位移为

mm

550mm 350?，考虑工作行程应留有一定余量，按标准系列，选取导轨的长度为

520mm 。

(2)距离额定寿命L 的计算

上述选取的KL 系列JSA —LG15型导轨副的滑道硬度为60HRC ，工作温度不超过100摄氏度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。分别取硬度系数

0.1f H =，温度系数

00

.1f T =、接触系数

81

.0f C =、精度系数

9

.0f R =、载荷系数

5

.1f W =，得距离寿命km 35950F C f f f f f L max a W R C T H ≈?????

?

??=，远大于期望值50km ，故距离额定寿命满足要求。

3)滚珠丝杠螺母副的计算与选型

(1)最大工作载荷m F 的计算

由于只考虑工作台的移动，不考虑加工时刀具对工件的载荷，因而Fx=0,Fy=0,Fz=20N(工

件的重量)

已知移动部件总重量G=800N ，按矩形导轨进行计算，取颠覆力矩影响系数K=1.1，导轨上的摩擦因数u=0.15.求得滚珠丝杠副在匀速转动时的工作载荷：

N

1207802015.0G F F KF F y z x =+?=+++=）（）（μ，由额定负载时X 、Y 向的最

大运行加速度

2m s 1m a =，得：Fm-F=m

m

a , Fm=202N

(2)最大动载荷的Q

F 计算

工作台最快移动速度

min

3000y x mm v v ==，初选丝杠导程Ph=4mm ，则此时丝杠转速

n=v/Ph=750r/min 。取滚珠丝杠的使用寿命T=15000h ，代入6

010/n 60L T =,得丝杠寿命

系数L0=675（单位为

r

610）。取载荷系数

2

.1f W =，滚道硬度为60HRC 时，取硬度系数

.1f H =，求得最大动载荷：

N

2126f f L F H W 30Q ≈=m F

(3)初选型号

根据计算出的最大动载荷和初选的丝杠导程，选择济宁博特精密丝杠制造有限公司生产的G 系列1064-3型滚珠丝杠副，为内循环固定器单螺母式，其公称直径为16mm ，导程为4mm ，循环滚珠为3圈?

1列，精度等级取5级，额定动载荷为4612N ，大于Fq ，满足要求。

(4)传动效率η的计算

将公称直径d0=16mm ，导程Ph=4mm ，代入

?

????

?

=）（0

h d P arctan πλ，得丝杠螺旋升角

33'

4?=λ。将摩擦角

。

得传动效率代入96.4%),/tan(tan ,10'=+==η?λλη? (5)刚度的验算

X-Y 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

一对推力接触球轴承，面对面组配，左、右支承的中心距离约为a=500mm ，

钢的弹性模量E=2.1х105

Mpa;查得滚珠直径D w =2.381mm ，丝杠底径d 2=13.1mm,丝杠截面积

S=22d π/4=134.78m 2

m .丝杠在工作台加速运行时的拉/压变形量

mm

mm ES 00356.0)78.134101.2/(500202)/(a F 5m 1≈???==δ

根据公式

，

）（3D d Z w 0-=π求得单圈滚珠数Z=19，该型号丝杠为单螺母，滚珠的圈数

?

列数为3?

1，代入公式：

。

列数，得滚珠总数量圈数57Z Z Z =??=∑∑丝杠预紧时，

取轴向预紧力

3

F F m YJ ==68N 。由

32YJ w m

210

Z F D 10F 0013

.0∑=δ，求得滚珠与螺纹滚道间的接触变形量

m m

0007.02=δ。因为丝杠加有预紧力，且为轴向负载的1/3，所以

实际变形量可减小一半，取

m m

00035.02=δ将以上算出的

m

91.3m m 00391.02121μδδδδδδ==+=总总，求得丝杠总变形量代入和，丝杠的

有效行程为300mm ，查表得，5级精度滚珠丝杠有效行程小于315mm 时，行程偏差允许达

到23um ，可见丝杠刚度足够。

(6)压杆稳定性校核 查

表

得

支

承

系

数

，

，求得截面惯性矩，由丝杠底径4422k mm 62.144564d I mm 1.13d 1f ≈===π压

杆稳定性安全系数K 取3，滚珠螺母至轴向固定处的距离a 取最大值500mm 。代入式

N

202F N 10949F Ka EI

f F m k 22k k =≈=，远大于工作载荷，得临界载荷π，故丝杠不会

失稳。

综上所述，初选的滚珠丝杠副满足使用要求。

4)步进电动机减速箱的选用

采用一级减速器，步进电动机的输出轴与小齿轮联接，滚珠丝杠的轴头与大齿轮联接。 已知工作台的脉冲当量

?

===75.0m m 4P /m m 005.0h αδ角，初选步进电动机步距脉冲，滚珠丝杠的导程算得减速比：

()35005.0360475.0360P i h =

??==）（）（）（δα 选用常州新月电机有限公司生产的JBF —3型齿轮减速箱。大小齿轮模数均为1mm ，齿数

比为75：45，材料为45调制钢，齿表面淬硬后达55HRC 。减速箱中心距为[(75+45)/2]=60mm,小齿轮厚度为20mm ，大齿轮厚度为20mm 。

5)步进电动机的计算与选型

(1)计算加在步进电动机转轴上的总转动惯量J

滚珠丝杠的转动惯量8

D m J 2

j s =

，已知滚珠丝杠的公称直径d0=16mm ，总长l=500mm ，导程

Ph=4mm

，

材

料

密

度

2

s 33cm kg 253.0J cm kg 1085.7?=?=-量，得滚珠丝杠的转动惯ρ托板折算到丝

杠上的转动惯量m

2P J 2

h w ??

?

??=π，移动部件总重力F+G=800N ，得2w cm kg 331.0J ?=大小齿轮转动惯量8

D m J 2

j =

，小齿轮宽度b1=20mm ，直径d1=45mm ，大齿轮宽度b2=20mm ，

直径

d2=75mm ，传动比

i=5/3,于是得小齿轮转动惯量

2

2z 2z1cm kg 877.4J cm kg 632.0J ?=?=，大齿轮转动惯量

初选步进电动机型号为90BYG2602，二项八拍驱动时步距角为0.75°，查表得该型号电动机转子的转动惯量

2

m cm kg 4J ?=，则加在步进电动机转轴上的总转动惯量为

2

2w 2z 1z m 60.6/J J J J J cm kg i J s ?=++++=）（

(2)计算加在步进电动机转轴上的等效负载转矩T

快速启动时电动机转轴所承受的负载转矩T ，包括三部分：一部分是快速空载启动时折算到电动机轴上的最大加速转矩Tamax ；一部分是移动部分运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩Tf ；还有一部分是滚珠丝杠预紧后折算到电动机转轴上的附加摩擦转矩T0，因滚珠丝杠副传动效率很高，T0可忽略。则有：T=Tamax+Tf

Tamax=ηπ1

60t Jn 2a m ?,min r

1250005

.036075.03000360v n max m =??==δα其中,设步进电动机由静止到加速至

7

.0s 25.0t n a m ==η，传动链总效率转速所需时间，于是Tamax=0.5Nm.

移动部件运动时，折算到电动机转轴上的摩擦转矩为：

m

N 082.0m N 3

57.02004

.07802015.0i

2P G F T h f ?≈????+?=+=

）

（）（）（ππημ求得快速启动时电动机转轴所承受的负载转矩：T=Tamax+Tf=0.582Nm (3)步进电动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。因此，根据eq T 来选择步进电动机的最大静转矩时，需要考虑安全系数。取K=4, 则步进电动机的最大静转矩应满足：

m N T eq ?=?=≥328.2582.044T jmax

初选步进电动机的型号为90BYG2602，查得该型号电动机的最大静转矩max j T =6N ?m (4 )步进电动机的性能校核

a ）最快空载移动时电动机输出转矩校核 任务书给定工作台最快空载移动速度

max v =3000mm/min ，求出其对应运行频率Hz Hz 10000)]005.060/(3000[f max =?=。在

此频率下，电动机的输出转矩max T =1.8N ?m ，大于快速空载起动时的负载转矩

1eq T =0.582N ?m ，满足要求。

b ）最快空载移动时电动机运行频率校核 与快速空载移动速度max v =3000mm/min 对应的电动机运行频率为Hz Hz 10000)]005.060/(3000[f max =?=。查表知90BYG2602电动机

的空载运行频率可达20000z H ，可见没有超出上限。

c ）起动频率的计算 已知电动机转轴上的总转动惯量2

6.6cm kg J ?=，电动机转子的转

动惯量2

4m J kg cm =?，电动机转轴不带任何负载时的空载起动频率1800q z f H =。可知

步进电动机克服惯性负载的起动频率为：Hz J J f m

q 1106/1f L =+=

说明：要想保证步进电动机起动时不失步，任何时候的起动频率都必须小于1106Hz 。 综上所述，本次设计中工作台的进给传动系统选用90BYG2602步进电动机，完全满足设计要求。

(5)步进电动机的驱动电源选用

设计中X 、Y 向步进电动机均为90BYG2602型，生产厂家为常州宝马集团公司。选择与之匹配的驱动电源为BD28Nb 型，输入电压为1000VAC ，相电流为4A ，分配方式为二相八拍。该驱动电源与控制器的接线方式如图所示。

6）增量式旋转编码器的选用

本设计所选步进电动机采用半闭环控制，可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

α=，可知电动机转动一转时，需要控制步进电动机的步距角相匹配,为0

0.75

α=个步进脉冲。考虑到增量式旋转编码器输出的A、B相信系统发出360/480

号，可以送到四倍频电路进行电子四细分，因此，编码器的分辨力可选120线。这样控制系统每发一个步进脉冲，电动机转过一个步距角，编码器对应输出一个脉冲信号。

此次设计选用的编码器型号为：ZLK-A-120-05VO-10-H 盘状空心型，孔径10mm，与电动机尾部出轴相匹配，电源电压+5V，每秒输出120个A/B脉冲，信号为电压输出。

4.工作台机械示意图的绘制（见附录）

5.工作台控制系统的设计

根据任务书的要求，设计控制系统的硬件电路时主要考虑以下功能：

(1) 接收键盘数据，控制LED显示

(2) 接受操作面板的开关与按钮信息；

(3) 接受车床限位开关信号；

(4) 接受电动卡盘夹紧信号与电动刀架刀位信号；

(5) 控制X，Z向步进电动机的驱动器；

(6) 控制主轴的正转，反转与停止；

(7) 控制多速电动机，实现主轴有级变速；

(8) 控制交流变频器，实现主轴无级变速；

(9) 控制切削液泵启动/停止；

(10) 控制电动卡盘的夹紧与松开；

(11) 控制电动刀架的自动选刀；

(12) 与PC机的串行通信。

CPU选用MCS-51系列的8位单片机AT89S52，采用8279，和W27C512，6264芯片做为I/O

和存储器扩展芯片。W27C512用做程序存储器，存放监控程序；6264用来扩展AT89S52的RAM 存储器存放调试和运行的加工程序；8279用做键盘和LED 显示器借口，键盘主要是输入工作台方向，LED 显示器显示当前工作台坐标值；系统具有超程报警功能，并有越位开关和报警灯；其他辅助电路有复位电路，时钟电路，越位报警指示电路。

控制系统原理框图如图7.1所示。

复位电路晶振电路

螺纹光栅信号

操作面板开关/按钮信号

隔离放大隔离放大

隔离放大隔离放大隔离放大隔离放大隔离放大隔离放大

向步进电动机向步进电动机刀架电动机卡盘电动机主轴电动机切削电动机方刀架位信号限位开关信号

交流变频器主轴电动机

单片机

并行接口芯片8255

/转换

芯片0832芯片

芯片6264

键盘与显示接口芯片8279串行口芯片233

图7.1 控制系统原理框图

控制电动机的运动管理程序

采用硬件环分。步进电动机的通电节拍由硬件电路来决定，编制软件时可以不考虑。控制器与硬件环分电路的链接只需两根信号线：一根方向线，一根脉冲线。如下图：

步进脉冲

方向电平

步进电动机驱动器 P1.1 P1.0

AT89C52 硬件环分电路 功率驱动电路 步进电动机

6.感想总结

首先感谢帮助我的同学和老师，这次课程设计的完成，离不开老师和同学的指导、帮助和鼓励。通过这次的课程设计，我对学习了机电一体化系统设计方案的拟定有了一定的认识，对传动元件和导向元件如滚珠丝杠螺母副等的工作原理，设计计算方案的工作原理，设计计算的选用原则，电动机的工作原则，选择控制驱动方式都有了一定的认识。在今后的学习生活中，这次课程设计的经历将起到重要帮助作用,对数控机床的机械结构及控制原理有了更加深入的理解。通过对机械结构的设计，掌握了直线滚动导轨副、滚珠丝杠螺母副、减速装置、步进电动机等结构的计算方法及选用原则；通过对控制系统的设计，掌握了一些典型软硬件的设计思路及方法。不过，在这次课程设计过程中，我们也遇到了许多困难。到图书馆、去网上查了很多资料，但都很有限，丝杠、导轨等很多零部件的产品型号在网上都查不到，加之个人能力有限，因而此次课程设计有很多不足之处，望老师谅解。

参考文献

[1] 文怀兴等编著.《数控机床系统设计》.化工工业出版社.

[2]《机电一体化技术设计》.机械工业出版社

[3] 毛昕等主编，《画法几何及机械制图》.高等教育出版社

[4]《机械设计手册（2）》.机械工业出版社

[5] 艾兴肖诗纲编.《切削用量简明手册》机械工业出版社

[6]《互换性与技术测量》中国计量出版社

[7] 韩荣第编《金属切削原理与刀具》哈尔滨工业大学出版社

[8]<现代实用机床设计手册>PDF版

附录：主视图：

俯视图：