数控铣床X-Y工作台设计_数控x-y工作台设计说明书

时间：2019-02-03 05:29:45 来源：千叶帆本文已影响人

　　[摘要] 本设计是在数控机床工作原理之上设计一台简单的、经济型的x-y数控铣床工作台。X-Y数控工作台的机电系统设计是一个开环控制系统,其结构简单，实现方便而且能够保证一定的精度。它充分的利用了微机的软件与硬件功能以实现对机床的控制,使机床的加工范围扩大,精度和可靠性进一步得到提高。设计任务是完全围绕数控机床工作原理而展开的，本设计充分体现了数控机床机械设备部分与电气设备部分的紧密结合。
　　[关键词] X-Y数控工作台设计任务机械传动部件控制系统
　　【中图分类号】G42 【文献标识码】A
　　
　　一.引言
　　数控机床集计算机技术、电子技术、自动控制、传感测量、机械制造、网络通信技术于一体，是典型的机电一体化产品。
　　现代科学技术的不断发展，极大地推动了不同学科的交叉与渗透，计机技术的迅速发展及其向机械工业的渗透所形成的机电一体化，使机械工业的技术结构、产品机构、功能与构成、生产方式及管理体系发生了巨大变化，使工业生产由“机械电气化”迈入了“机电一体化”为特征的发展阶段。
　　二.总体方案的确定
　　2.1 机械传动部件的选择
　　1.伺服电动机的选用：本设计选用混合式步进电动机。以降低成本，提高性价比。
　　2.导轨副的选用：选用直线滚动导轨副，它具有摩擦系数小，不易爬行，传动效率高，结构紧，安装预紧方便等优点。
　　3.丝杠螺母副的选用：选用滚珠丝杠副,它的传动精度高、动态响应快、运转平稳、寿命长、效率高、预紧后可消除反向间隙。
　　4.减速装置的选用：选择了步进电动机和滚珠丝杠副以后，为了圆整脉冲当量，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，可能需要减速装置，且应有消间隙机构，选用无间隙齿轮传动减速箱。
　　5.检测装置的选用：采用半闭环控制，拟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步进电动机的步距角相匹配。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。
　　2.2 控制系统的设计
　　1）设计的X-Z工作台准备用在数控铣床，其控制系统应该具有单坐标定位，两坐标直线插补与圆弧插补的基本功能，所以控制系统设计成连续控制型。
　　2）对于步进电动机的半闭环控制，选用MCS-51系列的8位单片机AT89S52作为控制系统的CPU。
　　3）要设计一台完整的控制系统，在选择CPU之后，还要扩展程序存储器，键盘与显示电路，I/O接口电路，D/A转换电路，串行接口电路等。
　　4）选择合适的驱动电源，与步进电动机配套使用。
　　2.3 绘制总体方案图
　　总体方案图如图1所示。
　　三、机械传动部件的计算与选型
　　3.1 导轨上移动部件的重量估算
　　按照导轨上面移动部件的重量来进行估算。包括工件、夹具、工作台、上层电动机、减速箱、滚珠丝杠副、导轨座等,估计重量约为800N.
　　远大于期望值50Km，故距离额定寿命满足要求。
　　3.4 滚珠丝杠螺母副的计算与选型
　　1.最大工作载荷Fm的计算
　　如前所述，在立铣时，工作台受到进给方向的载荷（与丝杠轴线平
　　行）Fx=1610N,受到横向载荷（与丝杠轴线垂直）Fy=366N，受到垂直方向的载荷（与工作台面垂直）Fz=556N.
　　已知移动部件总重量G=800N，按矩形导轨进行计算，根据情况取颠覆
　　2.最大动工作载荷FQ的计算
　　设工作台在承受最大铣削力时的最快进给速度v=400mm/min，初选丝杠导程Ph=5mm,则此时丝杠转速n=v/Ph=80r/min。
　　取滚珠丝杠的使用寿命T=15000h,代入L0=60Nt/106,得丝杠寿命系数L0=72（单位为：106r）。
　　取载荷系数fw=1.2,滚道硬度为60HRC时，取硬度系数fH=1.0,代入下式求得最大动载荷：
　　3.初选型号
　　根据计算选择济宁博特精密丝杠制造有限公司生产的G系列2005-3型滚珠丝杠副，为内循环固定反向器单螺母式，其公称直径为20mm，导程为5mm，循环滚珠为3圈*1系列，精度等级取5级，额定动载荷为9309N，大于FQ，满足要求。
　　4.传动效率η的计算
　　3.5 步进电动机减速箱的选用
　　本设计选用常州市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75：30，材料为45调质钢，齿表面淬硬后达到55HRC。减速箱中心距为[（75+30）×1/2]mm=57mm,小齿轮厚度为20mm，双片大齿轮厚度均为10mm。
　　3.6 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Jeq
　　初选步进电动机的型号为90YBG2602,为两相混合式，由常州宝马集团公司生产，二相八拍驱动时的步距角为0.75°，该型号的电动机转子的转动惯量Jm=4 kg・cm2。
　　则加在步进电动机转轴上的总转动惯量为：

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