专业课程设计
数控钻床X—Y数控工作台设计
一：设计任务及基本参数
1：设计任务
X-Y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-横向进刀机构、数控铣床的和数控钻床的X-Y工作台、激光加工设备的工作台、电子元件表面贴装设备等。因此，选择X-Y数控工作台作为机电综合课程设计的内容，对于机电一体化专业的教学具有普遍意义。模块化的X-Y数控工作台，通常由导轨座、移动滑块、工作平台、滚珠丝杠螺母副，以及伺服电动机等部件构成。其外观形式如图1所示。其中，伺服电动机作为执行元件用来驱动滚珠丝杠，滚珠丝杠的螺母带动滑块和工作平台在导轨上运动，完成工作台在X、Y方向的直线移动。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。
本次设计是针对用于数控钻床的X-Y两自由度运动平台结构及其控制系统的设计。
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图1
2：基本参数
数控钻床的X-Y两自由度运动平台主要参数如下： 1. 钻头最大直径d=12 mm； 2. 钻头转速n=300r/min； 3. 每转进给量f=0.1mm/r；
4. 刀具材料为高速钢；
5. 工件材料为钢σb=650 MPa；
6. X、Y方向的脉冲当量δx=δy=0.01 mm/脉冲； 7. X、Y方向的定位精度均为±0.01 mm；
8. 工作台面尺寸为300×500 mm，加工范围为350×550 mm； 9. 工作台最快移动速度vxmax=vymax=1500 mm/min。
3：最后提交的材料
课程设计说明书一份；装配图.
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X-Y数控工作台机电系统设计说明书
目录
1. 课程设计任务：
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2. 总体方案设计 ........................................................................................................................5
1)机械传动部件的选择.................................................................................................................... 5
(1)导轨副的选用 ..................................................................................................................... 5 (2)丝杠螺母副的选用 .............................................................................................................. 5 (3)减速装置的选用 .................................................................................................................. 5 (4)伺服电动机的选用 .............................................................................................................. 5 (5)检测装置的选用 .................................................................................................................. 6 2) 控制系统的设计 ......................................................................................................................... 6
(1)采用半闭环位置负反馈控制 ................................................................................................ 6
(2）步进电动机的半闭环控制 .................................................................................................. 6 (3）选择驱动电源.................................................................................................................... 6
3.机械传动部件的计算与选型 ................................................................................................6
1)导轨上移动部件的重量估算 ......................................................................................................... 6 2)直线导轨副的计算与选型 ............................................................................................................. 6
(1)滑块承受工作载荷的计算及导轨型号的选取 ........................................................................ 6 (2)距离额定寿命L的计算 ....................................................................................................... 7 3)滚珠丝杠螺母副的计算与选型...................................................................................................... 7
(1)最大工作载荷Fm的计算 ...................................................................................................... 7 (2)最大动载荷的
FQ计算 ......................................................................................................... 7
(3)初选型号 ............................................................................................................................ 8 (4)传动效率?的计算............................................................................................................... 8 (5)刚度的验算 ......................................................................................................................... 8 (6)压杆稳定性校核 ................................................................................................................... 9 4)步进电动机减速箱的选用............................................................................................................. 9 5)步进电动机的计算与选型............................................................................................................. 9
(1)计算加在步进电动机转轴上的总转动惯量J .......................................................................... 9
(2)计算加在步进电动机转轴上的等效负载转矩T .....................................................................10 (3)步进电动机最大静转矩的选定 .............................................................................................10 (4 )步进电动机的性能校核.......................................................................................................10 (5)步进电动机的驱动电源选用.............................................................................................- 10 - 6）增量式旋转编码器的选用 ......................................................................................................- 11 - 4.工作台机械示意图的绘制（见附录） ..............................................................................- 11 -
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5.工作台控制系统的设计 ......................................................................................................- 11 -
6.感想总结 ..............................................................................................................................- 13 -
参考文献 14 -
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1. 课程设计任务：
设计一个X-Y两自由度运动平台，主要参数如下： 额定负载20kg；
工作台面积尺寸为300mm?500mm
XY的定位精度均为???0.1mm
???y?0.005mm/脉冲XY方向的脉冲当量x 工作台最快移动速度
vx?vy?3000mmmin
2s
额定负载时XY向的最大运行加速度
am?1m2. 总体方案设计
1)机械传动部件的选择
(1)导轨副的选用 选用直线滚动导轨副。 (2)丝杠螺母副的选用
选用滚珠丝杆副，其传动精度高、运转平稳，可满足设计所要求的定位精度。 (3)减速装置的选用
为了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，选用无间隙
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齿轮传动减速箱。 (4)伺服电动机的选用
选用混合式步进电动机。 (5)检测装置的选用
采用半闭环控制，将增量式旋转编码器安装在电动机的尾部转轴上，用以检测电动机的转角与转速。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) 控制系统的设计
(1)采用半闭环位置负反馈控制
(2）步进电动机的半闭环控制
选用MCS-51系列的8位单片机AT89C52作为控制系统的CPU，能够满足任务书给定的相关指标。
(3）选择驱动电源
与步进电动机配套使用。
3.机械传动部件的计算与选型
1)导轨上移动部件的重量估算
按照下导轨上面移动部件的重量来进行估算。包括工作平台、上层电动机、减速箱、滚动丝杠副、直线滚动导轨副、导轨座等，估计重量G=780N。
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