机电一体化系统课程设计
X-Y数控工作台设计说明书
学校名称：湖北文理学院
班级学号：2013279129
学生姓名：张亮
班级：机电1321
2015年11月
一、总体方案设计
1.1 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±0.01mm，定位精度为0.025mm。
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。
1.2 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
2.1、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
3214516050107.81090--⨯⨯⨯⨯⨯≈N
Y 向拖板（下拖板）尺寸： 14516050⨯⨯ 重量：约90N 。
上导轨座（连电机）重量：
223(2201403821558)7.81010 1.110107π--⨯⨯+⨯⨯⨯⨯⨯⨯+⨯≈()N
夹具及工件重量：约150N 。
X-Y 工作台运动部分的总重量：约287N 。
2.2、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 100B l = 动导轨行程 55l =
支承导轨长度 155B L l l =+= ②下导轨（Y 向）
50l = 100B l = 150L =
选择导轨的型号：GTA16 ⑶、直线滚动轴承的选型 ①上导轨
240()X G N =
②下导轨
287()Y G N =
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。
2.3、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
H Q f P ω
查表得系数1f ω=，1H f =，寿命值
6
6010nT
L =
查表得使用寿命时间T=15000h ，初选丝杠螺距t=4mm ，得丝杠转速
max 100010001
250(/min)4
V n r t ⨯=
== 所以 6
6025015000
22510L ⨯⨯=
=
X 向丝杠牵引力
1.414x x P f G =当 ()f 当——当量摩擦系数
1.4140.01240 3.39()N =⨯⨯=
Y 向丝杠牵引力
1.4141.4140.01287 4.06()
y y
P f G N ==⨯⨯=当
所以最大动负荷
X 向 11 3.3920.6()x Q N =⨯⨯=
Y 向 11 4.0624.7()y Q N =
⨯⨯=
查表，取滚珠丝杠公称直径 010d mm =，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
0.52=9.5d =见表2-1。
⑶、传动效率计算
7.26
0.973()(7.260.2)
tg tg tg tg γηγϕ=
==++
式中：ϕ——摩擦角；γ——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0L 的变化量
1PL L EF
=±
Y 向所受牵引力大，故应用Y 向参数计算
24.7()P N = 00.4()L cm = 6220.610(/)E N cm =⨯ ()材料为钢
()2
22
0.7983.140.52F R cm π⎛⎫=== ⎪⎝⎭
所以 6
16
24.70.5 1.210()20.6100.5
L cm -⨯=±
=±⨯⨯⨯
