1、工程技术学院课程设计（论文） 1 X-Y 数控工作台机电系统设计 xxxxx xxxxxxxxxxxxxxx 摘要 当今世界电子技术迅速发展，微处理器、微型计算机在各技术领域得到了广泛应用，对各领域技术的发展起到了极大的推动作用。一个较完善的机电一体化系统，应包含以下几个基本要素：机械本体、动力与驱动部分、执行机构、传感测试部分、控制及信息处理部分。机电一体化是系统技术、计算机与信息处理技术、自动控制技术、检测传感技术、伺服传动技术和机械技术等多学科技术领域综合交叉的技术密集型系统工程。新一代的 CNC 系统这类典型机电一体化产品正朝着高性 能、智能化、系统化以及轻量、微型化方向发展。 关键字
2、： 机电一体化的基础 控制 自动化 系统化 1 引言 机电一体化是多学科领域综合交叉的技术密集型系统工程，它是融合检测传感技术，信息处理技术、自动控制技术、伺服驱动技术、精密机械技术、计算机技术和系统总体技术等多种技术于一体的新兴综合性学科。随着机电一体化技术的产生和发展，在世界范围内掀起的机电一体化热潮，使机电一体化越来越显示出强大的威力，它使机械产品向着高技术密集 机电一体化的方向发展。 机电一体化 课程 设计在机电一体化专业教学中占有重要位置，它 关系到学生知识的综合运用和学生动手能力的培养及机电产品开发的能力。因此设计内容选择很重要。基于微型计算机控制的 X-Y 工作台是典型的机电一体
3、化系统，以此为设计内容有较强的教学研究意义。 培 养我们理论联系实际，解决生产实际问题能力的重要步骤，它起到了 设计的作用。 通过对 X-Y 工作台的 设计总体方案的拟定，进给伺服系统机械部分结构设计 .计算控制系统硬件电路的设计以及数控机床加工程序的编制，使我们综合运用所学的机械 .电子和微机的知识 ,进行一次机电结合的全面训练。从而培养了我们具有加工编程工 程技术学院课程设计（论文） 2 能力，初步设计计算的能力 以及分析和处理生产中所遇到的机电方面技术问题的能力。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
4、方便，控制精度相对较高 , 可靠性、稳定性和实用性都很好。 2 X Y 工作台 总体方案的 设计 2.1 总体 方案的分析 X Y 精密 工作台的总体方案设计应考虑以下几点： A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。 B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步进电机开环控制系统。 C 8031系列微机处理机的配套并行接口芯片 ,由于它是可编程的，可以通过软件来设置芯片的工作方式。 D 根据系统的功能要求，微机数控系统中除了 CPU 外，还应包括扩展程序存储器扩展数据存储器、 I/O 接口电路；包括电隔离电路和步进电机驱
5、动电路。 E 纵向和横向进给是两套独立的传动链，它们各自由各的步进电动机、联轴器、丝杠螺母副组成。 F 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。 G 为减少导轨的摩擦阻力，选用矩形滚动直 线导轨。 2.2 总体方案的确定 由于 设计要求 X-Y工作台具有 定位、直线插补、圆弧插补、暂停、循环加工、螺纹加工等功能，所以应该选用连续控制系统。考虑到加工精度要求不高，为了简化结构、降低成本，采用步进电机开环控制系统。 根据机床要求，采用 8 位机。由于 MCS 51 系列单片机的特点之一是硬件设计简单，系统结构紧凑。对
6、于简单的应用场合， MCS 51系统的最小系统用一片 8031 外工 程技术学院课程设计（论文） 3 扩一片 EPROM 就能满足功能的要求，对于复杂的应用场合，可以利用 MCS 51 的扩展功能，构成功能强、规模较大的系统。所以应选用 8031单片机。 为了实现机床所要求的分辨率，采用步进电机经齿轮减速再传动丝杠。为了保证一定的传动精度和平稳性，尽量减小摩擦力，选用滚珠丝杠螺母副。同时，为了提高传动刚度和消除间隙，采用有预加负载荷的结构。传动齿轮也要采用消除齿侧间隙的结构。 开环伺服系统结构原理图 ： 图 1 开环伺服系统结构原理图 2.3 机械传动系统简图 X 轴与 Y 轴的传动系统简图都
7、如图所示 图 2 传动系统简图 3 系统脉冲当量 和给定参数 由于 X、 Y两方向的脉冲当量一样，所以设计时只计算一个方向。 3.1 确定系统脉冲当量 脉冲当量 p是一个进给指令时工作 台的位移量，应小于等于工作台的位置精度，由于定位精度为 0.01mm 因此选择脉冲当量为 0.01mm。 工 程技术学院课程设计（论文） 4 3.2 工作台外形尺寸及重量初步估算 根据给定的有效行程，画出工作台简图，估算 X 向和 Y 向工作台承载重量 WX和WY。取 X向导轨支撑钢球的中心距为 410mm,Y 向导轨支撑钢球的中心距为 400mm,设计工作台简图如下 : 图 3 数控工作台简图 X 向拖板 (
8、上拖板 )尺寸为 : 4 2 0 4 1 0 5 0 长 宽 高 重量 :按重量 =体积 *材料比重估算为 : xW = 324 2 0 4 1 0 5 0 1 0 7 . 8 1 0 6 7 1 . 5 8 N Y 向拖板 (下拖板 )尺寸为 : 420 400 50 重量 YW = 324 2 0 4 0 0 5 0 1 0 7 . 8 1 0 6 5 5 . 2 N 上导轨 (含电机 )重量为 23( 9 0 0 4 8 0 8 2 8 0 0 3 5 5 0 ) 7 . 8 1 0 1 0 4 8 7 . 9 7 N 夹具及工件重量 :约 155N X-Y工作台运动部分总重量为 : 4
9、 8 7 . 9 7 6 5 5 . 2 6 7 1 . 5 8 1 5 5 2 0 0 0WN 工 程技术学院课程设计（论文） 5 4 滚动导轨副的计算、选择 根据给定的工作载荷 Fz和估算的 Wx和 Wy计算导轨的静安全系数 fSL=C0/P，式中：C0为导轨的基本静额定载荷；工作载荷 P=0.5(Fz+W)； fSL=1.0 3.0(一般运行状况 )，3.0 5.0（运动时受冲击、振动）。根据计算结果查有关资料初选导轨： 因系统受中等冲击 ,因此取 4.0sLf ,O SL X YC f P ,0 .5( )X Y Z X YP F W x Z XP = 0 . 5 ( F + W )
10、= 0 . 5 ( 2 0 0 0 + 6 7 1 . 5 8 ) = 1 3 3 5 . 7 9 N Y Z YP = 0 . 5 ( F + W ) = 0 . 5 ( 2 0 0 0 + 6 5 5 . 2 ) = 1 3 2 7 . 6 N O X S L XC = f P = 4 1 3 3 5 . 7 9 = 5 3 4 3 . 1 6 N O Y S L YC = f P = 4 1 3 2 7 . 6 = 5 3 1 0 . 4 N 根据计算额定静载荷初选导轨 : 选择汉机江机床厂 HJG-D系列滚动直线导轨 ,其型号为 :HJG-D25 基本参数如 表 1 所示 : 表 1
11、滚动直线导轨基本参数 额定载荷 /N 静态力矩 /N*M 滑座重量 导轨重量 导轨长度 动载荷 aC 静载荷 oC AT BT CT gK /gKm L/(mm) 17500 26000 198 198 288 0.60 3.1 760 滑座个数 单向行程长度 每分钟往复次数 M Sl n 4 0.6 4 导轨的额定动载荷 17500NaC 依据使用速度 v（ m/min）和初选导轨的基本动额定载荷 aC (kN)验算导轨的工作寿命 Ln： 工 程技术学院课程设计（论文） 6 额定行程长度寿命 : 3H T C aSWf f f CTK fF 2000 5004MFF M 1 , 2 , 0
12、.8 1 , 1T W C Hf f f f 0 50RK d 3 31 1 0 . 8 1 1 7 5 0 05 0 1 4 2 4 0 9 . 5 8 k m2 5 0 0H T C aS Wf f f CTK fF 导轨的额定工作时间寿命 : 3 3010 1 4 2 4 0 9 .5 8 1 0 4 9 4 4 7 7 1 5 0 0 02 2 0 .6 4 6 0SHTT h T hln 导轨的工作寿命足够 . 5 滚珠丝杠螺母副的设计、计算、和选型 珠丝杠滚副的预紧方法有：双螺母垫片式预紧，双螺母螺纹式预紧，双螺母齿差式预紧，单螺母变导程预紧以及过盈滚珠预紧等几种。 5.1 计算进
13、给牵引力 作用在滚珠丝杠上的进给牵引力主要包括切屑时的走刀抗力以及移动件的重量和切屑分力作用在导轨上的摩擦力。因而其数值大小和导轨的形式有关。 纵向进给为三角形导 轨 m Z YF kF f F G （ 5-1） 1 . 1 5 1 8 0 0 0 . 0 4 5 0 0 0 2 0 0 0 4 1 5 0 N 式中 : K 考虑颠覆力矩影响的实验系数 .三角形导轨取 1.15k f 贴塑导轨摩擦系数 :0.03 0.05 G 溜板及刀架重力 ,取 2 0 0 k g 1 0 N / k g 2 0 0 0 N 工 程技术学院课程设计（论文） 7 5.2 计算最大动 载荷 选用滚珠丝杠副的直径
14、时，必须保证在一定 轴向负载作用下，丝杠在回转 100万（ 106）转后，在它的滚道上不产生点蚀现象。这个轴向负载的最大值即称为该滚珠丝杠能承受的最大动负载 C，计算如下： wmC f F （ 5-2） 60 / 106L nT（ ） （ 5-3） 1000 /son V L（ ） （ 5-4） Lo 为滚珠丝杠导程 ,选丝杠名义直径为 40mm,查滚珠丝杠转动惯量表 ,初选出Lo=6mm Vs 最大切削力下的进给速度 ,可取最高进给速度的 1/2 1/3,此处为0.15m/min; T 使用寿命 ,按 15000h; fw 运转系数 ,如 下 表所示 ， 按一般运转取 1.2 1.5; 表
15、2 电机运转状态与运转系数 L 寿命以转 106 为 1单位 . 根据（ 5-2）（ 5-3）（ 5-4）公式可知： 1 0 0 0 / 1 0 0 0 0 . 5 5 5 0 . 1 5 / 6 1 2 . 5 r / m inson V L 6 0 / 1 0 6 6 0 1 2 . 5 1 5 0 0 0 / 1 0 6 1 1 . 2 5L n T 1 . 2 1 7 7 5 4 7 7 2 . 7 NwmC f F 5.3 滚珠丝杠螺母副的选型 查 表，可采用 W1L4006 外循环螺纹调整预紧的双螺母滚珠丝杠副， 1 列 2.5 圈 ,其额定动负载为 16400N,精度等级按滚珠丝
16、杠行程公差表，选为 3 级 运转状态 运转系数 无冲击运转 1.01.2 一般运转 1.21.5 有冲击运转 1.52.5 工 程技术学院课程设计（论文） 8 5.4 传动效率计算 /tan tan （ 5-5） 式中 ： 螺旋升角 1 4 0 0 6 2 4 4WL ， 摩擦角取 10 ， 滚动摩擦系数 0.003 0.004 根据（ 5-5）公式可知： / 2 4 4 / 2 4 4 1 0 0 . 9 4ta n ta n ta n ta n 5.5 稳定性校核 滚珠丝杠两端采用推力球轴承 ,不会产生失稳现象 ,不需作稳定性校核 . 6 进给伺服系统传动计算 6.1 齿轮传动比计算 (纵
17、向进给齿轮箱传动比计算 ) 纵向进给脉冲当量 0.01p ,滚珠丝杠导程 6mmoL ,初选 步进电机步距角0.75, 可计算出传动比 i / 36 0 0. 75 6 / 36 0 0. 01 1. 25b o piL （ 6-1） 6.2 齿轮齿数及技术参数 计算出传动比 i后 ,降速级数决定采用一对齿轮降速 ,因为进给伺服系统传递功率不大 ,一般取 =1 2,数控车床 ,铣床取 =2。 为了消除齿轮侧隙，采用双片齿轮。 7 步进电机的计算和选用 7.1 初选步进电机 7.1.1 计算步进电机负载转矩 3 6 0 / 2m m bT p F （ 7-1） 3 6 0 0 . 0 1 1 7
18、 7 5 / 2 3 . 1 4 0 . 7 2 0 . 9 8 0 . 9 9 0 . 9 9 1 4 1 . 2 6N m m N c m 式中 : p 脉冲当量 (mm/step); 工 程技术学院课程设计（论文） 9 mF 进给牵引力 (N); b 步距角 ,初选双拍制为 0.72; 电机 -丝杠的传动效率为齿轮 ,轴承 ,丝杠效率之积，分别为0.98,0.99,0.99; 7.1.2 估算步进电机起动 转矩 / 0. 3 0. 5qmTT （ 7-2） 1 4 1 2 . 5 / 0 . 3 4 7 0 8 . 6 4 7 0 . 8N m m N m m N c m 7.1.3 计
19、算最大静转矩 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 来选择步进电动机的最大静转矩时，需要考虑安全系数。本例中取安全系数 K=1.5，则步进电动机的最大静转矩应满足： 1 . 5 1 . 5 4 7 0 . 8 7 0 6 . 2jm a xT N c m N c m (7-3) 7.1.4 初选步进电机型号 根据估算出的最大静转矩 Tjmax 在国产 BF 反应式步进电机技术数据表中查出130BF001 最大静转矩为 931 jmaxN cm T， 可以满足要求 .考虑到此经济型数控车床有可能使用较大的切削用量 ,
20、应该选稍大转矩的步进电机以留有一定的余量 .另一方面 ,与国内同类型机床进行类比 ,决定采用 150BF002 步进电机 . 7.2 根据草图校核步进电机转矩 前面所述初选步进电机的转矩计算 ,均为估算 ;初选之后应该进行校核计算 . 7.2.1 等效转动惯量计算 运动件的转动惯量 J 可由下式计算 : 21 1 2 2/ / 2 2 /soJ J Z Z J J G L g （ 7-4） 式中 ： J1,J2 齿轮 Z1,Z2的转动惯量 Js 滚珠丝杠转动惯量 221 1 4 10 . 7 8 1 0 3 0 . 7 8 1 0 3 6 . 4 4 2 2 . 6 2J d L k g c
21、m k g c m 222 2 4 20 . 7 8 1 0 3 0 . 7 8 1 0 3 8 4 2 6 . 3 9J d L k g c m k g c m 工 程技术学院课程设计（论文） 10 220 . 7 8 1 0 3 4 4 1 7 0 3 3 . 9 5sJ k g c m k g c m 2000GN 齿轮惯量计算 对于刚材 :J=0.78D4L10 -3 刚材的密度为 37.8 10 3 /kg cm 式中 ： D 圆柱体直径 (cm)； L 圆柱体长度 (cm)； 刚材的密度为 37.8 10 3 /kg cm 代入 （ 7-4） 式 : 21 1 2 22 22/ /
22、 2 2 /2.62 32 / 40 6.39 33.9 5 200 0 0.6 / 2 2 / 1029.6soJ J Z Z J J G L gk g c mk g c m 1 4JJ电 机 N 取 2 电机惯量 : 22 2 2 9 . 6 5 9 . 2J J k g c m 电 机 总惯量 : 25 9 . 2 2 9 . 6 8 8 . 8J J J k g c m 电 机 7.2.2 电机转矩计算 机床在不同的工况下 ,在 ,下面分别按各阶段计算 : 1) 快速空载起动惯性矩 2 1 0 2 / 6 0m a xT J J n ta 惯 （ 7-5） / / 360)m ax m ax p bn （ 7-6） 将前面数据代入 （ 7-6）式 , / / 36 0 40 00 / 0. 01 0) .7 5 / 36 0 83 3. 3 /m ax m ax p bn r m in 起动加速时间 ta=200ms 2 10 2 / 60 88.8 2 833 .3 10 2 / 60 0.2 387 .31m axT J n ta N c m N c m 惯 快速空载起动 1 foT T T T 惯负 （ 7-7） 折算到电机轴上的摩擦转矩 Tf
