X-Y數(shù)控工作臺機電系統(tǒng)設(shè)計綜述綜述

X-Y數(shù)控工作臺是許多機電一體化設(shè)備的基本部件，如數(shù)控車床的縱-橫向進刀機構(gòu)、數(shù)控銑床和數(shù)控鉆床的X-Y工作臺、激光加工設(shè)備的工作臺、電子元件表面貼裝設(shè)備等。X-Y數(shù)控工作臺機電系統(tǒng)設(shè)計完整的機電一體化系統(tǒng)組成：

機械本體

動力與驅(qū)動部分

執(zhí)行機構(gòu)

傳感測試部分

控制及信息處理部分X-Y數(shù)控工作臺機電系統(tǒng)設(shè)計X-Y數(shù)控工作臺機電系統(tǒng)設(shè)計模塊化的X-Y數(shù)控工作臺，通常由導(dǎo)軌座、移動滑塊、工作平臺、滾珠絲杠螺母副以及伺服電動機等部件構(gòu)成。X-Y數(shù)控工作臺外形X-Y數(shù)控工作臺機電系統(tǒng)設(shè)計伺服電動機作為執(zhí)行元件用來驅(qū)動滾珠絲杠，滾珠絲杠的螺母帶動滑塊和工作平臺在導(dǎo)軌上運動，完成工作臺在X、Y方向的直線移動。導(dǎo)軌副、滾珠絲杠螺母副和伺服電動機等均已標(biāo)準(zhǔn)化，由專門廠家生產(chǎn)，設(shè)計時只需根據(jù)工作載荷選取即可?？刂葡到y(tǒng)根據(jù)需要，可以選用標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)控制計算機，也可以設(shè)計專用的微機控制系統(tǒng)。題目：X-Y數(shù)控工作臺機電系統(tǒng)設(shè)計

任務(wù)：設(shè)計一種供立式數(shù)控銑床使用的X-Y數(shù)控工作臺一、設(shè)計任務(wù)主要參數(shù)如下：

（1）立銑刀最大直徑d=15mm；

（2）立銑刀齒數(shù)Z=3；

（3）最大銑削寬度ae=15mm；

（4）最大銑削深度ap=8mm；

（5）加工材料為碳素鋼或有色金屬；（6）X、Y方向的脈沖當(dāng)量δx=δy=0.005mm/脈沖；

（7）X、Y方向的定位精度均為

±0.01mm；

（8）工作臺面尺寸為230mm×230mm，

加工范圍為250mm×250mm；

（9）工作臺空載最快移動速度vxmax=vymax=3000mm/min；

（10）工作臺進給最快移動速度vxmaxf=vymaxf=400mm/min。一、設(shè)計任務(wù)（1）導(dǎo)軌副的選用二、總體方案的確定1．機械傳動部件的選擇應(yīng)用環(huán)境：要設(shè)計的X-Y工作臺是用來配套輕型的立式數(shù)控銑床，需要承受的載荷不大，但脈沖當(dāng)量小、定位精度高。

二、總體方案的確定這樣，決定選用直線滾動導(dǎo)軌副。它具有摩擦系數(shù)小、不易爬行、傳動效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、安裝預(yù)緊方便等優(yōu)點。（2）絲杠螺母副的選用應(yīng)用環(huán)境：伺服電動機的旋轉(zhuǎn)運動需要通過絲杠螺母副轉(zhuǎn)換成直線運動，要滿足0.005mm的脈沖當(dāng)量和±0.01mm的定位精度。二、總體方案的確定滑動絲杠副無能為力，只有選用滾珠絲杠副才能達(dá)到。滾珠絲杠副的傳動精度高、動態(tài)響應(yīng)快、運轉(zhuǎn)平穩(wěn)、壽命長、效率高，預(yù)緊后可消除反向間隙。二、總體方案的確定選擇了步進電動機和滾珠絲杠副以后，為了圓整脈沖當(dāng)量，放大電動機的輸出轉(zhuǎn)矩，降低運動部件折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的轉(zhuǎn)動慣量，可能需要減速裝置，且應(yīng)有消間隙機構(gòu)。為此本例決定采用無間隙齒輪傳動減速箱。（3）減速裝置的選用二、總體方案的確定（4）伺服電動機的選用應(yīng)用環(huán)境：任務(wù)書規(guī)定的脈沖當(dāng)量尚未達(dá)到0.001mm，定位精度也未達(dá)到微米級，空載最快移動速度也只有3000mm/min。二、總體方案的確定因此，本設(shè)計不必采用高檔次的伺服電動機，如交流伺服電動機或直流伺服電動機等，可以選用性能好一些的步進電動機，如混合式步進電動機，以降低成本，提高性/價比。

二、總體方案的確定（5）檢測裝置的選用應(yīng)用環(huán)境：選用步進電動機作為伺服電動機后，可選開環(huán)控制也可選閉環(huán)控制。任務(wù)書所給的精度對于步進電動機來說還是偏高的，需要確保電動機在運轉(zhuǎn)過程中不受切削負(fù)載和電網(wǎng)的影響而失步。二、總體方案的確定本設(shè)計決定采用半閉環(huán)控制，擬在電動機的尾部轉(zhuǎn)軸上安裝增量式旋轉(zhuǎn)編碼器，用以檢測電動機的轉(zhuǎn)角與轉(zhuǎn)速。增量式旋轉(zhuǎn)編碼器的分辨率應(yīng)與步進電動機的步距角相匹配。二、總體方案的確定

考慮到X、Y兩個方向的加工范圍相同，承受的工作載荷相差不大，為了減少設(shè)計工作量，X、Y兩個坐標(biāo)的導(dǎo)軌副、絲杠螺母副、減速裝置、伺服電動機以及檢測裝置擬采用相同的型號與規(guī)格。二、總體方案的確定2．控制系統(tǒng)的設(shè)計二、總體方案的確定（1）設(shè)計的X-Y工作臺準(zhǔn)備用在數(shù)控銑床上，其控制系統(tǒng)應(yīng)該具有單坐標(biāo)定位、兩坐標(biāo)直線插補與圓弧插補的基本功能，所以控制系統(tǒng)應(yīng)該設(shè)計成連續(xù)控制型。（2）對于步進電動機的半閉環(huán)控制，選用MCS-51系列的8位單片機AT89C52作為控制系統(tǒng)的CPU，應(yīng)該能夠滿足任務(wù)書給定的相關(guān)指標(biāo)。二、總體方案的確定（3）要設(shè)計一臺完整的控制系統(tǒng)，在選擇CPU之后，還需要擴展程序存儲器、數(shù)據(jù)存儲器、鍵盤與顯示電路、I/O接口電路、D/A轉(zhuǎn)換電路、串行接口電路等。二、總體方案的確定（4）選擇合適的驅(qū)動電源（功率放大器），與步進電動機配套使用。二、總體方案的確定1.導(dǎo)軌上移動部件的重量估算三、機械傳動部件的計算與選型按照下導(dǎo)軌之上移動部件的重量來進行估算。包括工件、夾具、工作平臺、上層電動機、減速箱、滾珠絲杠副、直線滾動導(dǎo)軌副、導(dǎo)軌座等，估計重量約為800N。設(shè)零件的加工方式為立式銑削，采用硬質(zhì)合金立銑刀，工件的材料為碳鋼。則由表查得立銑時的銑削力Fc計算公式為：2.銑削力的計算三、機械傳動部件的計算與選型ae——最大銑削寬度fz——每齒進給量d——銑刀直徑ap——銑削深度n——銑刀轉(zhuǎn)速Z——齒數(shù)選擇如下參數(shù)：

銑刀直徑：d=15mm，

齒數(shù)：Z=3，

為了計算最大銑削力，在不對稱銑削情況下，取最大銑削寬度：ae=15mm，

銑削深度：ap=8mm，

每齒進給量：fz=0.1mm，

銑刀轉(zhuǎn)速：n=300r/min

。三、機械傳動部件的計算與選型Fc=118×150.85×0.10.75×15-0.73×81.0×3000.13×3N

≈1463N三、機械傳動部件的計算與選型求得最大銑削力：采用立銑刀進行圓柱銑削時，各銑削力之間的比值可查得，考慮逆銑時的情況，可估算三個方向的銑削力分別為：三、機械傳動部件的計算與選型進給力：

Ff=1.1Fc≈1609N，橫向進給力：Fe=0.38Fc≈556N，垂直進給力：Ffn=0.25Fc≈366N考慮立銑，則工作臺受力如下：

垂直方向的銑削力Fz=Fe=556N，

水平方向的銑削力分別為Ff和Ffn。

三、機械傳動部件的計算與選型現(xiàn)將水平方向較大的銑削力分配給工作臺的縱向（絲杠軸線方向），則：

縱向銑削力Fx=Ff=1609N，

徑向銑削力Fy

=Ffn=

366N。3.直線滾動導(dǎo)軌副的計算與選型三、機械傳動部件的計算與選型（1）滑塊承受工作載荷

的計算及導(dǎo)軌型號的選取工作載荷是影響直線滾動導(dǎo)軌副使用壽命的重要因素。本例中的X-Y工作臺為水平布置，采用雙導(dǎo)軌、四滑塊的支承形式?？紤]最不利的情況，即垂直于臺面的工作載荷全部由一個滑塊承擔(dān)，則單滑塊所受的最大垂向載荷為：其中，

移動部件重量：G＝800N，

外加載荷：F=Fz=

556N，

代入得：

最大工作載荷：Fmax=756N=0.756kN。三、機械傳動部件的計算與選型三、機械傳動部件的計算與選型查表，據(jù)工作載荷Fmax=0.756kN，初選直線滾動導(dǎo)軌副的型號為KL系列的JSA-LG15型。其參數(shù)如下：額定動載荷Ca=7.94kN，額定靜載荷C0a=9.5kN。三、機械傳動部件的計算與選型

任務(wù)書規(guī)定：工作臺面尺寸為：230mm×230mm，加工范圍為：250mm×250mm?？紤]工作行程應(yīng)留有一定余量，查表，按標(biāo)準(zhǔn)系列，選取導(dǎo)軌的長度為520mm。（2）距離額定壽命

L的計算三、機械傳動部件的計算與選型

選取的KL系列JSA-LG15型導(dǎo)軌副的相關(guān)參數(shù)：滾道硬度為HRC60，工作溫度不超過100℃，每根導(dǎo)軌上配有兩只滑塊，精度為4級，工作速度較低，載荷不大。三、機械傳動部件的計算與選型查表3-36~3-40，分別取硬度系數(shù)fH

=1.0，溫度系數(shù)fT

=1.00，接觸系數(shù)fC

=0.81，精度系數(shù)fR

=0.9，載荷系數(shù)fW

=1.5，代入，得距離壽命：遠(yuǎn)大于期望值50km，故距離額定壽命滿足要求。（1）最大工作載荷Fm的計算4.滾珠絲杠螺母副的計算與選型三、機械傳動部件的計算與選型承受最大銑削力時，工作臺受到進給方向的載荷（與絲杠軸線平行）:

Fx=1609N，

受到橫向的載荷（與絲杠軸線垂直）Fy=366N，

受到垂向的載荷（與工作臺面垂直）Fz=556N。已知移動部件總重量G=800N，按矩形導(dǎo)軌進行計算，查表3-29，取顛覆力矩影響系數(shù)K=1.1，滾動導(dǎo)軌上的摩擦因數(shù)μ=0.005。求得滾珠絲杠副的最大工作載荷三、機械傳動部件的計算與選型Fm=KFx+μ（Fz+Fy+G）

=[1.1×1609+0.005×(556+366+800)]N

≈1779N三、機械傳動部件的計算與選型（2）最大動載荷FQ的計算設(shè)工作臺在承受最大銑削力時的最快進給速度:v=400mm/min，初選絲杠導(dǎo)程:

Ph=5mm，則此時絲杠轉(zhuǎn)速:n=v/Ph

=80r/min。

取滾珠絲杠的使用壽命T=15000h，代入L0=60nT/106，得絲杠壽命系數(shù):L0=72（單位為：106r）。三、機械傳動部件的計算與選型查表3-30，取載荷系數(shù)fW=1.2，滾道硬度為HRC60時，取硬度系數(shù)fH=1.0，代入，求得最大動載荷：（3）初選型號

三、機械傳動部件的計算與選型

類型：內(nèi)循環(huán)固定反向器單螺母式，

參數(shù)：其公稱直徑為20mm，導(dǎo)程為5mm，循環(huán)滾珠為3圈×1列，精度等級取5級，額定動載荷為9309N，大于FQ，滿足要求。根據(jù)計算出的最大動載荷和初選的絲杠導(dǎo)程.查表，選擇濟寧博特精密絲杠制造有限公司生產(chǎn)的G系列2005-3型滾珠絲杠副.（4）傳動效率η的計算

三、機械傳動部件的計算與選型公稱直徑：d0=20mm，

導(dǎo)程：Ph=5mm，

代入λ=arctan[Ph/(πd0)]，

得絲杠螺旋升角：

λ=433′。

將摩擦角φ=10′，

代入η=tanλ/tan(λ+φ),

得傳動效率：

η=96.4%。絲杠的兩端各采用一對推力角接觸球軸承，面對面組配，左、右支承的中心距離約為：a=500mm；鋼的彈性模量

E=2.1Mpa；三、機械傳動部件的計算與選型（5）剛度的驗算1）X-Y工作臺上下兩層滾珠絲杠副的支承均采用“單推-單推”的方式。查表3-31，得滾珠直徑

Dw=3.175mm，絲杠底徑

d2=16.2mm，絲杠截面積S=

=206.12mm2。三、機械傳動部件的計算與選型算得絲杠在工作載荷Fm作用下產(chǎn)生的拉/壓變形量:δ1=Fma/(ES)

=[1779×500/（2.1×206.12）]mm

≈0.0205mm。2）根據(jù)公式

＝()-3,

求得:單圈滾珠數(shù)

=20；

該型號絲杠為單螺母，滾珠的“圈數(shù)×列數(shù)”為3×1，代入公式：

＝

×圈數(shù)×列數(shù)，

得滾珠總數(shù)量

=60。三、機械傳動部件的計算與選型絲杠預(yù)緊時，取軸向預(yù)緊力：

=/3=593N。

則由（3-27）式，求得滾珠與螺紋滾道間的接觸變形量

：

≈0.0026mm。

因為絲杠加有預(yù)緊力，且為軸向負(fù)載的1/3，所以實際變形量可減小一半，取=0.0013mm。

三、機械傳動部件的計算與選型3）將以上算出的

和

代入

三、機械傳動部件的計算與選型查表3-27,可知5級精度滾珠絲杠有效行程在315~400mm時，行程偏差允許達(dá)到25μm，可見絲桿剛度足夠。求得絲杠總變形量（對應(yīng)跨度500mm）

0.0218mm=21.8μm。三、機械傳動部件的計算與選型（6）壓桿穩(wěn)定性校核根據(jù)公式(3-28)計算失穩(wěn)時的臨界載荷Fk。查表3-34，取支承系數(shù)

=1；由絲杠底徑

=16.2mm，求得截面慣性矩：≈3380.88mm；壓桿穩(wěn)定安全系數(shù)取3（絲杠臥式水平安裝）；滾動螺母至軸向固定處的距離

取最大值500mm。代入，得臨界載荷≈9343N，

遠(yuǎn)大于工作載荷

=1779N，故絲杠不會失穩(wěn)。三、機械傳動部件的計算與選型綜上所述，初選的滾珠絲杠副滿足使用要求。為了滿足脈沖當(dāng)量的設(shè)計要求，增大步進電動機的輸出轉(zhuǎn)矩，同時也為了使?jié)L珠絲杠和工作臺的轉(zhuǎn)動慣量折算到電動機轉(zhuǎn)軸上盡可能地小，今在步進電動機的輸出軸上安裝一套齒輪減速箱。三、機械傳動部件的計算與選型5.步進電動機減速箱的選用三、機械傳動部件的計算與選型采用一級減速，步進電動機的輸出軸與小齒輪聯(lián)接，滾珠絲杠的軸頭與大齒輪聯(lián)接。其中大齒輪設(shè)計成雙片結(jié)構(gòu)，采用彈簧錯齒法消除側(cè)隙。已知工作臺的脈沖當(dāng)量δ=0.005mm/脈沖，滾珠絲杠的導(dǎo)程Ph=5mm，初選步進電動機的步距角α=0.75°。算得減速比：三、機械傳動部件的計算與選型i=(αPh)/(360δ)=(0.75×5)/(360×0.005)=25/12本設(shè)計選用常州市新月電機有限公司生產(chǎn)的JBF-3型齒輪減速箱。三、機械傳動部件的計算與選型減速箱中心距為

[(75+36)×1/2]mm＝55.5mm，小齒輪厚度為20mm，雙片大齒輪厚度均為10mm。大小齒輪模數(shù)均為1mm，齒數(shù)比為75:36，材料為45號調(diào)質(zhì)鋼，齒表面淬硬后達(dá)HRC55。滾珠絲杠的公稱直徑

=20mm，

總長l=500mm，

導(dǎo)程

＝5mm，

材料密度

；

移動部件總重量G=800N;

小齒輪寬度

＝20mm，直徑

=36mm;

大齒輪寬度

＝20mm，直徑=75mm；

傳動比i=25/12。三、機械傳動部件的計算與選型

6.步進電動機的計算與選型（1）計算加在步進電動機轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動慣量已知：大齒輪的轉(zhuǎn)動慣量

=4.877三、機械傳動部件的計算與選型查表4-1，算得各個零部件的轉(zhuǎn)動慣量如下（具體計算過程從略）：滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動慣量

=0.617拖板折算到絲杠上的轉(zhuǎn)動慣量

=0.517小齒輪的轉(zhuǎn)動慣量

=0.259

=++(++)/

=30.35三、機械傳動部件的計算與選型初選步進電動機型號為90BYG2602，為兩相混合式，由常州寶馬集團公司生產(chǎn)，二相四拍驅(qū)動時步距角為0.75o，查表4-5得該型號電動機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量為：

則加在步進電動機轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動慣量為：分快速空載起動和承受最大工作負(fù)載兩種情況進行計算。三、機械傳動部件的計算與選型2）計算加在步進電動機轉(zhuǎn)軸上的等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩

1）快速空載起動時電動機轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩包括三部分：三、機械傳動部件的計算與選型一部分是快速空載起動時折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的最大加速轉(zhuǎn)矩一部分是移動部件運動時折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩

一部分是移動部件運動時折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩三、機械傳動部件的計算與選型因為滾珠絲杠副傳動效率很高，

相對于

和

很小，可以忽略不計。則有：

=+考慮傳動鏈的總效率η，計算快速空載起動時折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的最大加速轉(zhuǎn)矩：三、機械傳動部件的計算與選型nm——對應(yīng)空載最快移動速度的步進電動機最高轉(zhuǎn)速，

單位為r/min；

——步進電動機由靜止到加速至nm轉(zhuǎn)速所需的時間，單位為s。

式中——空載最快移動速度，任務(wù)書指定為3000mm/min；

α——步進電動機步距角，預(yù)選電動機為0.75o；

δ——脈沖當(dāng)量，本例δ=0.005mm/脈沖。

將以上各值代入，算得：三、機械傳動部件的計算與選型式中nm=1250r/min

1.42（N·m）三、機械傳動部件的計算與選型設(shè)步進電動機由靜止到加速至nm轉(zhuǎn)速所需時間

=0.4s，傳動鏈總效率η=0.7。則求得：移動部件運動時，折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩為：

=+=1.422N

三、機械傳動部件的計算與選型代入已知參數(shù)，得：0.002（N·m）最后求得快速空載起動時電動機轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩：三、機械傳動部件的計算與選型2）最大工作負(fù)載狀態(tài)下電動機轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩包括三部分：一部分是折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的最大工作負(fù)載轉(zhuǎn)矩Tt

；一部分是移動部件運動時折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩Tf；一部分是滾珠絲杠預(yù)緊后折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的附加摩擦轉(zhuǎn)矩T0；本例中在對滾珠絲杠進行計算的時候，已知沿著絲杠軸線方向的最大進給載荷Fx=1609N

，則有：三、機械傳動部件的計算與選型T0相對于Tt和Tf很小，可以忽略不計。則有：=Tt+Tf0.88（N·m）計算垂直方向承受最大工作負(fù)載（Fz=556N）情況下，移動部件運動時折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩：

=

0.004（N·m）

三、機械傳動部件的計算與選型

最后求得最大工作負(fù)載狀態(tài)下電動機轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩為：

=Tt

+Tf=0.884N·m

經(jīng)過上述計算后，得到加在步進電動機轉(zhuǎn)軸上的最大等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩應(yīng)為：

=max{，

}=1.422N·m

三、機械傳動部件的計算與選型三、機械傳動部件的計算與選型（3）步進電動機最大靜轉(zhuǎn)矩的選定考慮到步進電動機的驅(qū)動電源受電網(wǎng)電壓影響較大，當(dāng)輸入電壓降低時，其輸出轉(zhuǎn)矩會下降，可能造成丟步，甚至堵轉(zhuǎn)。因此，根據(jù)

來選擇步進電動機的最大靜轉(zhuǎn)矩時，需要考慮安全系數(shù)。上述初選的步進電動機型號為90BYG2602，查表得該型號電動機的最大靜轉(zhuǎn)矩Tjmax=6N·m。，滿足要求。三、機械傳動部件的計算與選型本例中取安全系數(shù)K=4，則步進電動機的最大靜轉(zhuǎn)矩應(yīng)滿足：Tjmax≥4×=4×1.422N·m=5.688N·m三、機械傳動部件的計算與選型（4）步進電動機的性能校核1）最快工進速度時電動機輸出轉(zhuǎn)矩校核給定工作臺最快工進速度

=400mm/min；脈沖當(dāng)量δ=0.005mm/脈沖；三、機械傳動部件的計算與選型求出電動機對應(yīng)的運行頻率：=[400/(60×0.005)]Hz≈1333Hz。從90BYG2602電動機的運行矩頻特性曲線圖可以看出，在此頻率下，電動機的輸出轉(zhuǎn)矩

≈5.6N·m，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于最大工作負(fù)載轉(zhuǎn)矩

=0.884N·m，滿足要求。90BYG2602步進電動機的運行矩頻特性曲線在此頻率下，電動機的輸出轉(zhuǎn)矩

=1.8N·m，大于快速空載起動時的負(fù)載轉(zhuǎn)矩

=1.422N·m，滿足要求。三、機械傳動部件的計算與選型2）最快空載移動時電動機輸出轉(zhuǎn)矩校核給定工作臺最快空載移動速度

=3000mm/min求出電動機對應(yīng)的運行頻率

=[3000/（60×0.005）]Hz=10000Hz。查表4-5可知90BYG2602電動機的極限運行頻率為20000Hz，沒有超出上限。三、機械傳動部件的計算與選型3）最快空載移動時電動機運行頻率校核最快空載移動速度=3000mm/min對應(yīng)的電動機運行頻率=10000Hz。=614Hz三、機械傳動部件的計算與選型4）起動頻率的計算已知電動機轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動慣量Jeq=30.35；電動機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量