课程设计_X-Y数控工作台设计说明书.doc

一、总体方案设计
设计任务
设计一个数控X-Y工作台及其控制系统。该工作台可用于铣床上坐标孔的加工和腊摸、塑料、铝合金零件的二维曲线加工,重复定位精度为±,。
设计参数如下:负载重量G=150N;台面尺寸C×B×H=145mm×160mm×12mm;底座外形尺寸C1×B1×H1=210mm×220mm×140mm;最大长度L=388mm;工作台加工范围X=55mm,Y=50mm;工作台最大快移速度为1m/min。
总体方案确定
(1)系统的运动方式与伺服系统
由于工件在移动的过程中没有进行切削,故应用点位控制系统。定位方式采用增量坐标控制。为了简化结构,降低成本,采用步进电机开环伺服系统驱动X-Y工作台。
(2)计算机系统
本设计采用了与MCS-51系列兼容的AT89S51单片机控制系统。它的主要特点是集成度高,可靠性好,功能强,速度快,有较高的性价比。
控制系统由微机部分、键盘、LED、I/O接口、光电偶合电路、步进电机、电磁铁功率放大器电路等组成。系统的加工程序和控制命令通过键盘操作实现。LED显示数控工作台的状态。
(3)X-Y工作台的传动方式
为保证一定的传动精度和平稳性,又要求结构紧凑,所以选用丝杠螺母传动副。为提高传动刚度和消除间隙,采用预加负荷的结构。
由于工作台的运动载荷不大,因此采用有预加载荷的双V形滚珠导轨。采用滚珠导轨可减少两个相对运动面的动、静摩擦系数之差,从而提高运动平稳性,减小振动。
考虑电机步距角和丝杆导程只能按标准选取,为达到分辨率的要求,需采用齿轮降速传动。
图1-1 系统总体框图
二、机械系统设计
、工作台外形尺寸及重量估算
X向拖板(上拖板)尺寸:
长宽高 145×160×50
重量:按重量=体积×材料比重估算
N
Y向拖板(下拖板)尺寸:
重量:约90N。
上导轨座(连电机)重量:
夹具及工件重量:约150N 。
X-Y工作台运动部分的总重量:约287N。
、滚动导轨的参数确定
⑴、导轨型式:圆形截面滚珠导轨
⑵、导轨长度
①上导轨(X向)
取动导轨长度
动导轨行程
支承导轨长度
②下导轨(Y向)

选择导轨的型号:GTA16
⑶、直线滚动轴承的选型
①上导轨
②下导轨
由于本系统负载相对较小,查表后得出LM10UUOP型直线滚动轴承的额定动载荷为370N,大于实际动负载;但考虑到经济性等因素最后选择LM16UUOP型直线滚动轴承。并采用双排两列4个直线滚动轴承来实现滑动平台的支撑。
⑷、滚动导轨刚度及预紧方法
当工作台往复移动时,工作台压在两端滚动体上的压力会发生变化,受力大的滚动体变形大,受力小的滚动体变形小。当导轨在位置Ⅰ时,两端滚动体受力相等,工作台保持水平;当导轨移动到位置Ⅱ或Ⅲ时,两端滚动体受力不相等,变形不一致,使工作台倾斜α角,由此造成误差。此外,滚动体支承工作台,若工作台刚度差,则在自重和载荷作用下产生弹性变形,会使工作台下凹(有时还可能出现波浪形),影响导轨的精度。

、滚珠丝杠的设计计算
滚珠丝杠的负荷包括铣削力及运动部件的重量所引起的进给抗力。应按铣削时的情况计算。
⑴、最大动负载Q的计算
查表得系数,,寿命值
查表得使用寿命时间T=15000h,初选丝杠螺距t=4mm,得丝杠转速
所以
X向丝杠牵引力

Y向丝杠牵引力
所以最大动负荷
X向
Y向
查表,取滚珠丝杠公称直径,选用滚珠丝杠螺母副的型号为 SFK1004,其额定动载荷为390N,足够用。
⑵、滚珠丝杠螺母副几何参数计算
表2-1 滚珠丝杠螺母副几何参数
名称
符号
计算公式和结果
螺纹滚道
公称直径
10
螺距
接触角
钢球直径
螺纹滚道法面半径
偏心距
螺纹升角
螺杆
螺杆外径
螺杆内径
螺杆接触直径
螺母
螺母螺纹外径
螺母内径(外循环)
见表2-1。
⑶、传动效率计算
式中:——摩擦角;——丝杠螺纹升角。
⑷、刚度验算
滚珠丝杠受工作负载P引起的导程的变化量
Y向所受牵引力大,故应用Y向参数计算


所以
丝杠因受扭矩而引起的导程变化量很小,可以忽略。
所以导程总误差
查表知E级精度的丝杠允许误差,故刚度足够。
⑸、稳定性验算
由于丝杠两端采用止推轴承,故不需要稳定性验算。
、步进电机的选用
⑴、步进电机的步距角
取系统脉冲当量,初选步进电机步距角。
⑵、步进电机启动力矩的计算
设步进电机等效负载力矩为T,负载力为P,根据能量守恒原理,电机所做的功与负载力做功有如下关系
式中: ——电机转角; ——移动部件的相应位移