數控臺銑x-y工作台進給伺服系統設計
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第一章系統的總體方案設計2
第二章機械系統設計3
2.1 脈衝當量和傳動比的確定3
2.2 傳動系統等效轉矩慣量計算3
2.3 工作載荷分析及計算4
2.4 滾珠絲槓螺母副的選型和校核5
2.5 導軌的選型和計算8
2.6 驅動電機的選擇9
第三章控制系統設計12
3.1 控制系統硬體的基本組成12
3.2 介面程式初始化及步進電機控制程式15
3.3 直線圓弧插補程式設計16
參考文獻23
原始資料
設計乙個數控xy工作台及其控制系統。該工作台可安裝在銑床上，用於銑削加工。設計引數如下：
第一章系統的總體方案設計
圖1-1 系統總體方案
由設計任務書可知，本次設計可以採取一下方案：
1.1 機械系統
1.1.1 傳動系統採用滾珠絲槓和聯軸器傳動
1.1.2 導向系統採用滾珠直線導軌
1.1.3 執行電機採用步進電動機
1.2 感測系統
本次設計的系統精度不高，載荷不大，因此採用開環控制。
1.3 控制系統
採用步進電機來實現驅動，一般情況下多採用開環控制。因為步進電機的輸出轉角與控制器提供的脈衝數有著正比關係，電機轉速與控制器提供的脈衝頻率成正比。因此通常在精確度要求不是很高時，採用步進電機是合理的。
當然，由於步進電機具有高頻易失步，負載能力不強的缺點。
圖1-2開環控制流程圖
第二章機械系統設計
2.1 脈衝當量和傳動比的確定
根據工具機或工作台進給系統所需要的定位精度來選定脈衝當量。考慮到機械傳動系統的誤差存在，脈衝當量值必須小於定位精度值。本次設計給定脈衝當量為0.01mm。
根據脈衝當量和系統總體方案，還有混合式步進電動機的優點，在網上（暫選57byg4504型的步進電動機。其具體引數如下：
步距角 =0.6°，相數選擇4相。滾珠絲槓初選導程的滾珠絲槓，型號為1604-2。
根據傳動比計算公式：
傳動比為1時，直接用聯軸器將電機和絲槓直接連線，有利於簡化結構，提高精度。
2.2 傳動系統等效轉矩慣量計算
傳動系統的轉動慣量食一種慣性負載，選用電機時必須加以考慮。由於傳動系統的各傳動部件並不都是與電機軸同軸線，還存在各轉動部件轉動慣量向電機軸的折算問題。最後，要計算整個傳動系統折算到電機軸上的總轉動慣量，即傳動系統等效轉動慣量。
各部件的等效轉動慣量如下：
2.2.1 電機等效轉動慣量
根據初選電機型號,查得轉子轉動慣量為:
2.2.2 聯軸器等效轉動慣量
3 聯軸器轉動慣量
選用深圳威遠精密技術****的溝槽式夾持型連軸器： l為短型：
轉動慣量為
其中聯軸器直徑，長度
3.2.1 滾珠絲槓等效轉動慣量
其中絲槓直徑，初步估計絲槓長度。
3.2.2 工作台等效轉動慣量
工作台估計體積則其質量
由於除工作台以外還有其他，例如導軌，電機等因數，故取
3.2.3 傳動系統總的轉動慣量
j∑=js＋jd＋j聯＋jg
=0.749＋1.4＋0.02496＋0.081
=2.25496 kf·cm2
3.3 工作載荷分析及計算
3.3.1 銑削力的分析與計算
銑削運動的特徵是主運動為銑刀繞自身軸線高速迴轉，進給運動為工作台帶動工件在垂直於銑刀軸線方向緩慢進給（鍵槽銑刀可沿軸線進給）。銑刀的型別很多，但以圓柱銑刀和端銑刀為基本形式。圓柱銑刀和端銑刀的且學部分都可看做車道到頭的演變，銑刀的每一刀齒相當於一把車刀。
通常假定銑削時銑刀受到的銑削力是作用在刀尖的某點上。設刀齒上受到切削力的合理為f，將f沿銑刀軸線、徑向和切向經行分解，則分別為軸向銑削力 ，徑向銑削力和切向銑削力 。其中切向銑削力是沿銑刀主運動方向的分離，它消耗銑床電機功率（即銑削功率）最多。
根據《機械製造技術基礎課程設計指導教程》選銑刀。由表3－16，根據最大銑刀直徑d＝32mm，最大銑削寬度，最大銑削深度選擇莫氏錐柄立銑刀，立銑刀各引數如下：
根據工件材料為碳鋼可確定銑削力的計算公式：
fz=9.81cfz·ae0.86·af0.72·d0-0.86·ap·z
式中各引數如下:
cfz———銑削力係數，cfz=68.2（表2-3）；
ae ———最大銑削寬度，本設計為16mm；
ap ———最大銑削深度，本設計為6mm；
z ———銑刀齒數，齒數取5；
d0 ———圓柱銑刀直徑，查得d0=32mm(《機械製造技術基礎課程設計指導教程》)；
af ———每齒進給量（mm/齒），即銑刀每轉乙個齒間角時，工件與銑刀的相對移動量，查得af=0.1mm/齒（《機械製造技術基礎課程設計指導教程》）；
故 fz=9.81×68.2×160.86×0.10.72×132-0.866×4
=1113.39 n
3.3.2 進給工作台工作載荷計算
作用在工作台上的合力與銑刀刀齒上受到的銑削力的合力f大小相同，方向相反，合力就是設計和校核工作台進給系統時要考慮的工作載荷，它可以沿著銑床工作台運動方向分解為三個力：工作台縱向進給力方向載荷，工作台橫向進給方向載荷和工作台垂直進給方向載荷。
工作台工作載荷、和與銑刀的切向銑削力之間有一定的經驗比值。因此，求出後，即可計算出工作台的計算載荷、和。
3.4 滾珠絲槓螺母副的選型和校核
3.4.1 滾珠絲槓螺母副型別選擇
選用內迴圈，墊片式預緊方式的滾珠絲槓螺母副。預選系列的3206-2.5絲槓，表面硬度58~64hrc。
其引數具體如下：
3.4.2 滾珠絲槓螺母副的校核
3.4.2.1 最大工作載荷
滾珠絲槓上的工作載荷是指滾珠四缸富在驅動工作台時滾珠絲槓所承受的軸向力，也叫進給牽引力。它包括滾珠絲槓的走刀抗力及與移動體重力和作用在導軌上的其他切削分力相關的摩擦力。綜合導軌的工作載荷，式中：
，，分別為工作台進給方向載荷、垂直載荷和橫向載荷（n）；g為移動部件的重力（n）；k和分別為考慮顛覆力矩影響的實驗係數和導軌上的摩擦係數，隨導軌形式的不同。
工作載荷的計算公式：
fm=kfl＋f，(fv＋g)
式中k———考慮顛覆力矩影響的實驗係數，矩形導軌k=1.15;
———滾動導軌摩擦係數:0.0025～0.005；這裡取0.004
g———移動部件的重力（n）：
fl———工作台縱向進給方向載荷;
fc———工作台橫向進給方向載荷
fv———工作台垂直進給方向載荷;
fm=1.15×1113.39＋0.004×（445.356＋20x9.8）
=1282.96n
2.4.2.2 最大動負載c的計算及主要尺寸初選
滾動絲槓最大動載荷c可用下式計算：，式中：l為工作壽命，單位為，；n為絲槓轉速，；v為最大切削力條件下的進給速度，為所預選的滾珠絲槓的導程，待剛度驗算後再確定；t為額定使用壽命（h），可取t=15000h；為運轉狀態係數，無衝擊取1~1.
2，一般情況取1.2~1.5，有衝擊振動取1.
5~2.5；為滾珠絲槓工作載荷（n）。
初選滾珠絲槓副的尺寸規格，相應的個定動載荷不得小於最大動載荷c；。
滾珠絲槓最大動載荷可用下式計算
c=fmfm
l=n=
v=afzn，
式中：l———工作壽命、以106轉為單位。
fm———運轉係數,按一般運轉取fm =1.2～1.5;這裡取fm =1.1。
fm-———滾珠絲槓工作載荷（n）
t———使用壽命，按15000h；
n———絲槓的轉速
l0———滾珠絲槓導程，初選l0=6mm；
v———最大切削力下的進給速度
af———每齒進給量（mm/齒）af=0.07mm/齒
z———銑刀齒數，z=4
n———銑刀轉速，區別與以上絲槓轉速n，n，取為600r/min
v=0.07×4×600=0.168 r/min
n==(1000×0.168)/6=28
l==(60×28×15000)/106=25.2(106r)
c=fmfm=×1.1×1282.96=4137.51 kn
因為，所以所選滾珠絲槓螺母副符合最大動載荷要求。
3.4.2.2 傳動效率計算
滾珠絲槓螺母副的傳動效率為
3.4.2.3 剛度驗算
滾珠絲槓計算滿載時拉壓形量
其中l取400mm，，
滾珠與螺紋滾道間的接觸變形
其中：，，，，
滾珠絲槓副剛度驗算：
絲槓的總變形量應小於允許的變形量。一般不應大於工具機進給系統規定的定位精度值的一半。或者，由絲槓精度等級查出規定長度上允許的螺距誤差，則相應長度上的變形量應該比它曉。
否則，應考慮選用較大公稱直徑的滾珠絲槓。
工具機的定位精度為0.04mm，。因此所選的滾珠絲槓副剛度符合要求。
數控X Y工作台及其控制系統
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