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1、第七章第七章 X-Y数控工作台机电系统设计数控工作台机电系统设计机电一体化系统设计机电一体化系统设计1 设计任务设计任务2 总体方案的确定总体方案的确定 引言引言第七章第七章 X-Y数控工作台机电系统设计数控工作台机电系统设计3 具体设计具体设计机电一体化系统设计机电一体化系统设计 X-Y数控工作台是许多机电一体化设备的基本部数控工作台是许多机电一体化设备的基本部件，如数控车床的纵件，如数控车床的纵-横向进刀机构、数控铣床和数横向进刀机构、数控铣床和数控钻床的控钻床的X-Y工作台、激光加工设备的工作台、电子工作台、激光加工设备的工作台、电子元件表面贴装设备等。元件表面贴装设备等。X-Y数控工作
2、台机电系统设计 机电一体化系统设计机电一体化系统设计完整的机电一体化系统组成：完整的机电一体化系统组成：机械本体机械本体动力与驱动部分动力与驱动部分执行机构执行机构传感测试部分传感测试部分控制及信息处理部分控制及信息处理部分X-Y数控工作台机电系统设计 机电一体化系统设计机电一体化系统设计X-Y数控工作台机电系统设计 模块化的模块化的X-Y数控数控工作台，通常由工作台，通常由导轨导轨座、移动滑块、工作座、移动滑块、工作平台、滚珠丝杠螺母平台、滚珠丝杠螺母副以及伺服电动机副以及伺服电动机等等部件构成。部件构成。X-Y数控工作台外形机电一体化系统设计机电一体化系统设计X-Y数控工作台机电系统设计
3、伺服电动机作为执行元伺服电动机作为执行元件用来驱动滚珠丝杠，滚珠件用来驱动滚珠丝杠，滚珠丝杠的螺母带动滑块和工作丝杠的螺母带动滑块和工作平台在导轨上运动，完成工平台在导轨上运动，完成工作台在作台在X、Y方向的直线移方向的直线移动。动。导轨副、滚珠丝杠螺母副和伺服电动机等均已标导轨副、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。制计算机，也可以设计专用的微机控制系统。机电一体化系统设计
4、机电一体化系统设计题目题目：X-Y数控工作台机电系统设计数控工作台机电系统设计任务任务：设计一种供立式数控铣床使用的：设计一种供立式数控铣床使用的X-Y数控工作台数控工作台 一、设计任务 主要参数如下：主要参数如下：（1）立铣刀最大直径）立铣刀最大直径d=15 mm；（2）立铣刀齿数）立铣刀齿数Z=3；（3）最大铣削宽度）最大铣削宽度ae=15 mm；（4）最大铣削深度）最大铣削深度ap=8 mm；（5）加工材料为碳素钢或有色金属；）加工材料为碳素钢或有色金属；机电一体化系统设计机电一体化系统设计（6）X、Y方向的脉冲当量方向的脉冲当量x=y=0.005mm/脉冲；脉冲；（7）X、Y方向的定位
5、精度均为方向的定位精度均为 0.01 mm；（8）工作台面尺寸为）工作台面尺寸为230 mm230 mm，加工范围为加工范围为250 mm250 mm；（9）工作台空载最快移动速度）工作台空载最快移动速度vxmax=vymax=3000 mm/min；（10）工作台进给最快移动速度）工作台进给最快移动速度vxmaxf=vymaxf=400 mm/min。一、设计任务机电一体化系统设计机电一体化系统设计（1）导轨副的选用）导轨副的选用二、总体方案的确定1机械传动部件的选择机械传动部件的选择应用环境应用环境：要设计的要设计的X-Y工作台是工作台是用来配套轻型的立式数控用来配套轻型的立式数控铣床，需
6、要承受的载荷不铣床，需要承受的载荷不大，但脉冲当量小、定位大，但脉冲当量小、定位精度高。精度高。机电一体化系统设计机电一体化系统设计二、总体方案的确定 这样，决定选用这样，决定选用直线直线滚动导轨副滚动导轨副。它具有摩擦系数小、它具有摩擦系数小、不易爬行、传动效率高、不易爬行、传动效率高、结构紧凑、安装预紧方便结构紧凑、安装预紧方便等优点。等优点。机电一体化系统设计机电一体化系统设计（2）丝杠螺母副的选用）丝杠螺母副的选用应用环境应用环境：伺服电动机的旋转运伺服电动机的旋转运动需要通过丝杠螺母副转动需要通过丝杠螺母副转换成直线运动，要满足换成直线运动，要满足0.005mm的脉冲当量和的脉冲当量
7、和 0.01mm的定位精度。的定位精度。二、总体方案的确定机电一体化系统设计机电一体化系统设计 滑动丝杠副无能为滑动丝杠副无能为力，只有选用力，只有选用滚珠丝杠滚珠丝杠副副才能达到。才能达到。滚珠丝杠副的传动滚珠丝杠副的传动精度高、动态响应快、精度高、动态响应快、运转平稳、寿命长、效运转平稳、寿命长、效率高，预紧后可消除反率高，预紧后可消除反向间隙。向间隙。二、总体方案的确定机电一体化系统设计机电一体化系统设计 选择了步进电动机选择了步进电动机和滚珠丝杠副以后，为了和滚珠丝杠副以后，为了圆整脉冲当量，放大电动圆整脉冲当量，放大电动机的输出转矩，降低运动机的输出转矩，降低运动部件折算到电动机转轴
8、上部件折算到电动机转轴上的转动惯量，可能需要减的转动惯量，可能需要减速装置，且应有消间隙机速装置，且应有消间隙机构。为此本例决定采用构。为此本例决定采用无无间隙齿轮传动减速箱。间隙齿轮传动减速箱。（3）减速装置的选用）减速装置的选用二、总体方案的确定机电一体化系统设计机电一体化系统设计（4）伺服电动机的选用）伺服电动机的选用应用环境应用环境：任务书规定的脉冲当任务书规定的脉冲当量尚未达到量尚未达到0.001mm，定，定位精度也未达到微米级，位精度也未达到微米级，空载最快移动速度也只有空载最快移动速度也只有3000mm/min。二、总体方案的确定机电一体化系统设计机电一体化系统设计 因此，本设计
9、不必采用因此，本设计不必采用高档次的伺服电动机，如交高档次的伺服电动机，如交流伺服电动机或直流伺服电流伺服电动机或直流伺服电动机等，可以选用性能好一动机等，可以选用性能好一些的步进电动机，如些的步进电动机，如混合式混合式步进电动机步进电动机，以降低成本，以降低成本，提高性提高性/价比。价比。二、总体方案的确定机电一体化系统设计机电一体化系统设计（5）检测装置的选用）检测装置的选用应用环境应用环境：选用步进电动机作为伺服选用步进电动机作为伺服电动机后，可选开环控制也可电动机后，可选开环控制也可选闭环控制。选闭环控制。任务书所给的精度对于步任务书所给的精度对于步进电动机来说还是偏高的，需进电动机来
10、说还是偏高的，需要确保电动机在运转过程中不要确保电动机在运转过程中不受切削负载和电网的影响而失受切削负载和电网的影响而失步。步。二、总体方案的确定机电一体化系统设计机电一体化系统设计 本设计决定采用本设计决定采用半闭半闭环控制环控制，拟在电动机的，拟在电动机的尾部转轴上安装增量式尾部转轴上安装增量式旋转编码器，用以检测旋转编码器，用以检测电动机的转角与转速。电动机的转角与转速。增量式旋转编码器的分增量式旋转编码器的分辨率应与步进电动机的辨率应与步进电动机的步距角相匹配。步距角相匹配。二、总体方案的确定机电一体化系统设计机电一体化系统设计 考虑到考虑到X、Y两个方向两个方向的加工范围相同，承受的
11、的加工范围相同，承受的工作载荷相差不大，为了工作载荷相差不大，为了减少设计工作量，减少设计工作量，X、Y两两个坐标的导轨副、丝杠螺个坐标的导轨副、丝杠螺母副、减速装置、伺服电母副、减速装置、伺服电动机以及检测装置拟采用动机以及检测装置拟采用相同的型号与规格。相同的型号与规格。二、总体方案的确定机电一体化系统设计机电一体化系统设计2控制系统的设计控制系统的设计二、总体方案的确定 （1）设计的）设计的X-Y工作台工作台准备用在数控铣床上，其准备用在数控铣床上，其控制系统应该具有单坐标控制系统应该具有单坐标定位、两坐标直线插补与定位、两坐标直线插补与圆弧插补的基本功能，所圆弧插补的基本功能，所以控制
12、系统应该设计成连以控制系统应该设计成连续控制型。续控制型。机电一体化系统设计机电一体化系统设计 （2）对于步进）对于步进电动机的半闭环控电动机的半闭环控制，选用制，选用MCS-51系列的系列的8位单片机位单片机AT89C52作为控制作为控制系统的系统的CPU，应该，应该能够满足任务书给能够满足任务书给定的相关指标。定的相关指标。二、总体方案的确定机电一体化系统设计机电一体化系统设计 （3）要设计一台完整的）要设计一台完整的控制系统，在选择控制系统，在选择CPU之之后，还需要后，还需要扩展程序存储扩展程序存储器、数据存储器、键盘与器、数据存储器、键盘与显示电路、显示电路、I/O接口电路、接口电路
13、、D/A转换电路、串行接口转换电路、串行接口电路等电路等。二、总体方案的确定机电一体化系统设计机电一体化系统设计（4）选择合适的）选择合适的驱动电驱动电源源（功率放大器），与（功率放大器），与步进电动机配套使用。步进电动机配套使用。二、总体方案的确定机电一体化系统设计机电一体化系统设计1.导轨上移动部件的重量估算导轨上移动部件的重量估算三、机械传动部件的计算与选型 按照下导轨之上移按照下导轨之上移动部件的重量来进行估动部件的重量来进行估算。算。包括工件、夹具、包括工件、夹具、工作平台、上层电动机工作平台、上层电动机、减速箱、滚珠丝杠副、减速箱、滚珠丝杠副、直线滚动导轨副、导、直线滚动导轨副、导
14、轨座等，估计重量约为轨座等，估计重量约为800N。机电一体化系统设计机电一体化系统设计 设零件的加工方式为立式铣削，采用硬质合金设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。则由表查得立铣时的立铣刀，工件的材料为碳钢。则由表查得立铣时的铣削力铣削力Fc计算公式为：计算公式为：2.铣削力的计算铣削力的计算三、机械传动部件的计算与选型0.850.750.731.00.13cezP118Fafdanzae最大铣削宽度最大铣削宽度fz每齿进给量每齿进给量d铣刀直径铣刀直径ap铣削深度铣削深度n铣刀转速铣刀转速Z齿数齿数机电一体化系统设计机电一体化系统设计选择如下选择如下参数参数：铣
15、刀直径：铣刀直径：d=15mm，齿数：齿数：Z=3，为了计算最大铣削力，在不为了计算最大铣削力，在不对称铣削情况下，取最大铣对称铣削情况下，取最大铣削宽度：削宽度：ae=15mm，铣削深度：铣削深度：ap=8mm，每齿进给量：每齿进给量：fz=0.1 mm，铣刀转速：铣刀转速：n=300r/min。三、机械传动部件的计算与选型机电一体化系统设计机电一体化系统设计Fc=118150.850.10.7515-0.7381.03000.133 N 1463 N三、机械传动部件的计算与选型求得求得最大铣削力最大铣削力：机电一体化系统设计机电一体化系统设计 采用立铣刀进行圆柱铣削时，各铣削力之间的采用立
16、铣刀进行圆柱铣削时，各铣削力之间的比值可由表比值可由表3-5查得，考虑逆铣时的情况，可估算查得，考虑逆铣时的情况，可估算三个方向的铣削力分别为：三个方向的铣削力分别为：三、机械传动部件的计算与选型进给力：进给力：Ff=1.1Fc1609N，横向进给力：横向进给力：Fe=0.38Fc556N，垂直进给力：垂直进给力：Ffn=0.25Fc366N机电一体化系统设计机电一体化系统设计 考虑立铣，则工作台受力如下：考虑立铣，则工作台受力如下：垂直方向垂直方向的铣削力的铣削力Fz=Fe=556N，水平方向水平方向的铣削力分别为的铣削力分别为Ff和和Ffn。三、机械传动部件的计算与选型 现将水平方向较大的铣削力分配给工作台的现将水平方向较大的铣削力分配给工作台的纵向（丝杠轴线方向），则：纵向（丝杠轴线方向），则：纵向铣削力纵向铣削力Fx=Ff=1609N，径向铣削力径向铣削力Fy=Ffn=366N。机电一体化系统设计机电一体化系统设计 3.直线滚动导轨副的计算与选型直线滚动导轨副的计算与选型max4GFF三、机械传动部件的计算与选型（1）滑块承受工作载荷）滑块承受工作载荷 的计算及导轨型号的选取的
