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六、总体方案的确定 1、机械传动部件的选择 （1）导轨副的选用 要设计的X-Y工作台是用来配套轻型的立式数控铣床，需要承载的载荷不大，但脉冲当量小(?x??y?0.005mm/脉冲)，定位精度高（Vxmax?Vymax?800mm/min），因此，决定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、结构紧凑、安装预紧方便等优点。 （2）丝杠螺母副的选用 伺服电动机的旋转运动需要通过丝杠螺母副转换成直线运动，要满足0.005mm的脉冲当量和?0.01mm的定位精度，滑动丝杠副无能为力，只有选用滚珠丝杠副才能达到。滚珠丝杠副的传动精度高、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，而且滚珠丝杠已经系列化，选用非常方便，有利于提高开发效率。 （3）减速装置的选用 选直线滚动导轨副 选滚动丝杠螺母副 选择了三相交流异步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，拟采用减速箱 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，且应有消除间隙机构。为此，决定采用无间隙齿轮传动减速箱 （4）伺服电动机的选用 任务书规定的脉冲当量为0.005mm，定位精度为?0.01mm，最快移动速度为5000mm/min。由于本次任务的驱动方式为变频器机，由变频器驱动电机的类型以及需要实现的功能，选择普通的三相异步电动机。 （5）检测装置的选用 选用三相交流异步电动机作为伺服电动机后，可选开环控制，也可选闭环控制。任务书所给精度对于伺服电动机来说还是偏高的，为了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步，决定采用全闭环控制，安装光栅尺。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。 空载+电交流伺服电机选择三相交流异步电动机 检测装置的选用：增量式旋转编码器 5
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2、控制系统的设计 （1）设计的X-Y工作台准备用在数控铣床上，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，控制系统应该设计成既可以连续控制也可以点动。 （2）对于步进电动机的全闭环控制，选用MPC-51系列的八位单片机AT89c51作为控制系统的CPU，应该能够满足任务书给定的相关指标。 （3）要设计一台完整的控制系统，在选择CPU之后，还需要转接板作为与其他电器元件连接的枢纽。 （4）选择合适的驱动电源，与伺服电动机配套使用。 连续控制型 控制器选：单片机AT89c51 储存器 自行设计伺服电机驱动电源 四、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 按照上导轨上面的部件的重量来进行估算。包括工件、夹具、工作平台、上层电动机、减速箱、滚珠丝杠副、直线滚动导轨副、导轨座等，估计重量约为400N。 2、铣削力的计算 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2-1查得立铣时的铣削力计算公式为： 表2-1 硬质合金铣刀铣削力的计算公式（单位N）[3]16 铣刀类型 工件材料 碳钢 面铣刀 灰铸铁 可锻铸铁 碳钢 圆柱铣刀 灰铸铁 三面刃铣刀 两面刃铣刀 立铣刀 碳钢 0.90.80?0.901.0Fc?596aefzdapZ 0.90.80?1.11.1?0.1Fc?2560aefzdapnZ G=400N 铣削力公式 .060.88?1.30.90?0.18Fc?11278a1fzdapnZ e.00.74?1.00.90Fc?539a1dapZ efz.10.75?1.31.0?0.20Fc?4825a1dapnZ efz0.880.75?0.871.0Fc?1000aefzdapZ 0.80.70?1.10.85Fc?2746aefzdapZ 0.850.75?0.731.0?0.13Fc?118aefzdapnZ 6
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其中：ap为背吃刀量，mm；ae为最大铣削宽度，mm；fz为每齿进给量，mm/Z；Vf进给速度，mm/min；Z铣刀齿数；d铣刀直径，mm；n铣刀转速，r/min，如图2-1。 0.850.75?0.731.0?0.13Fc?118aefzdapnZ （2-1） 图2-1 铣削用量说明 若铣刀直径d?20mm，齿数Z?3，为了计算最大铣削力，在不对称铣削情况下，取最大铣削宽度ae?15mm，背吃刀量ap?12mm，每齿进给量fz?0.12mm；铣刀转速n?200r/min。则由公式2-1求得最大铣削力： 采用立铣刀进行圆柱铣削时，各铣削力之间的比值可由表2-2。 表2-2 各铣削力之间比值 不对称铣削 逆铣 端铣削 ae=(0.4~0.8)d/mm fz=(0.1~0.2)/(mm.z-1)) 圆柱铣削 ae=0.05 d/mm fz=(0.1~0.2)/(mm.z-1)) Ff / Fc Fe / Fc Ffn / Fc Ff / Fc Ffn / Fc Fe / Fc 0.3～0.4 0.85～0.95 0.50～0.55 0.6～0.9 0.45～0.70 0.50～0.55 1.0～1.2 0.2～0.3 0.35～0.4 顺铣 0.15～0.3 0.9～1.0 0.5～0.55 0.8～0.9 0.75～0.8 0.325～0.4 Fc?118?150.85?0.120.75?20?0.73?121.0?2000.13?3N?1934.77N铣削条件 比值 对称铣削 7
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Fz=677.17N Fx=2128.25N Fy=483.69N 图2-2 铣削力分析 图2-3 顺铣与逆铣 由表2-2，图2-2和图2-3，考虑逆铣情况，可估算出三个方向的铣削力分别为： Ff?1.1Fc?2128.25N,Fe?0.38Fc?677.17N,Ffn?0.25Fc?483.69N 图2-3a为卧铣情况，现考虑立铣，则工作台受到垂直方向的铣削力Fz?Fe?677.17N，受到水平方向的铣削力分别为Ff和Ffn。今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），则纵向铣削力Fx?Ff?2128.25N，径向铣削力Fy?Ffn?483.69N。 3、直线滚动导轨副的计算与选型 （1）滑块承受工作载荷Fmax的计算及导轨型号的选取 导轨副的型号:GB系列的 GGB20AA型 工作载荷是影响直线滚动导轨副使用寿命的重要因素。X-Y工作台采用水平布置，利用双导轨、8
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四滑块的支承形式。考虑最不利的情况，即垂直于台面的工作载荷全部由一个滑块承担，则单滑块所受的最大垂直方向载荷为： 导轨长度为520mm Fmax?G?F4 (2-2) 其中，移动部件重量G=400N，外加载荷F?Fz?677.17N，代入式2-2得最大工作载荷 Fmax?G400?F??677.17?777.17N?0.77717kN 44根据工作载荷Fmax?0.77717kN和查阅相关资料，初选直线滚动导轨副的型号为GB系列的GGB20AA型，其额定动载荷Ca?11.6kN，额定静载荷C0a?14.5kN。 任务书规定工作台面尺寸为230mm?230mm，加工范围为250mm?250mm，考虑工作行程应留有一定余量，查表3-35，按标准系列，选取导轨长度为520mm. (2) 距离额定寿命L的计算 上述选取的GB系列GGB20AA型导轨副的滚道硬度为60HRC，工作温度不超过100℃，每根导轨上配有两只滑块，精度为4级，工作速度较低，载荷不大。查表2-4，表2-5，表2-6，表2-7，表2-8 表2-4 硬度系数 滚道硬度（HRC） 50 55 58~64 距离寿命为19085.55km远大于期望值50km，故距离额定寿命满足要求 fH 0.53 0.8 1.0 表2-5 温度系数 工作温度/℃ <100 100~150 150~200 200~250 fT 1.00 0.90 0.73 0.60 表2-6 接触系数 每根导轨上滑块数 1 2 3 4 5 9