十字滑台设计

摘 要

随着世界进入现在代化科技文明至今，现代科学技术的不断发展，极大地推动了不同学科的交叉与渗透，导致了工程领域的技术革命与改造。在近代工业上PLC 的问世给所有工业部分带来飞跃的进步，人们利用PLC 的优点改变传传统工业的控制技术，让工业实现真正的全自动化。

在人类文明至今机械工具不断的改进，到工业革命之后一次又一次的飞跃给现在所有科技生活等部分带来了翻天变化，就现在工业生产中十字滑台是最新科技领先的技术中的一个常应用的工业生产模块。

在科技不断地升级换代，世界各发达国家在各技术部分的技术水平已经非常成熟，然而我国在很多科技部门仍然是空缺众多。就目前关于本文章的十字滑台的精确度就是目前我国一项重大空缺，所以本文章设计是关于如何利用PLC 技术来实现十字滑台的更精确、更方便、更灵活，PLC 的使用可以利用其优点来弥补我国在这些工业技术上的缺陷。

课题研究主要工作就是研究如何PLC 编程进行对十字滑台的精确控制，十字滑台系统主要X 轴方向滑台、Y 轴方向滑台、X-Y 轴定位及划线。在设计中很多方面都涉及机械方面的机械滑轮和齿轮和自动化方面的PLC 控制理论与程序以及相关学科的知识来实现十字滑台的电动机的运转，实现最终十字滑台的设计要求。

关键字：PLC 、十字滑台、X 轴、Y 轴

Abstract Now as the world entered the generation of the civilization of science and technology, the continuous development of modern science and technology, greatly promote the cross of different subjects and penetration, led to the revolution and reform in the field of engineering. In the advent of modern industrial PLC brings all the industrial part of leap progress, people of have a little change the traditional industrial control based on PLC technology, make industry to realize the real full automation.

Machine tools of continual improvement, up to now in human civilization to leap again and again after the industrial revolution brought all technology such as part of life now proud of change, is now in the industrial production cross sliding table is one of the latest technology leading technology in the industrial production of commonly used modules.

In science and technology constantly upgrading, the world's developed countries in the technical part of the technical level is already very mature, however in many departments of science and technology in our country is still many gaps. Now about the accuracy of the cross slide of this article is a big gap in our country at present, so this article design is about how to use PLC technology to realize the cross slide more accurate and more convenient, more flexible, the use of PLC can make use of its advantage to make up the defects of our country on the industrial technology.

Research the main work is to study how to PLC programming for accurate control of cross sliding table, cross sliding table system main X axis direction slippery, Y direction slippery, x-y axis positioning and marking. In many aspects are involved in the design of machinery of pulleys and gears and automation of the theory and application of PLC control and related disciplines of knowledge to realize the cross slide motor operation, to eventually achieve cross slide design requirements. Key words: PLC, cross sliding table, the X axis and Y axis

目录

1、引言： ................................................ 6 2、设计任务 .............................................. 4 3、总体方案的确定 ........................................ 4

3.1 机械传动部件的选择 .......................................... 4

3.1.1导轨副的选用

3.1.2丝杠螺母副的选用

3.1.3减速装置的选用

3.2 控制系统的设计 .............................................. 5

3.3 绘制总体方案图 .............................................. 5 4、机械传动部件的计算与选型 . .............................. 6

4.1 导轨上移动部件的重量估算 .................................... 6

4.2 铣削力的计算 ................................................ 6

5、直线滚动导轨副的计算与选型（纵向）......................6

5.1 块承受工作载荷F max 的计算及导轨型号的选取

5.2 距离额定寿命L 的计算

6、 滚珠丝杠螺母副的计算与选型 ............................... 7

6.1 最大工作载荷Fm 的计算

6.2 最大动工作载荷FQ 的计算

6.3 初选型号

6.4 传动效率η的计算

6.5 刚度的验算

6.6 压杆稳定性校核

7、 步进电动机减速箱的选用 ..................................... 9

8、步进电动机的计算与选型 ...................................... 9

8.1 转矩的计算

8.2.等效转动惯量的计算

8.3速度的验算

9、进给传动系统示图.............................................12 参考文献 ................................................ 12

引 言

1.1课题来源

自选课题：根据生产实际PLC 在工业中的应用及十字滑台与PLC 综合利用的发展前景选定了《PLC 对十字滑台控制系统》这个设计课题。

1.2课题背景

现代科学技术的不断发展，极大地推动了不同学科的交叉与渗透，导致了工程领域的技术革命与改造。在机械工程领域，由于微电子技术和计算机技术的迅速发展及其向机械工业的渗透所形成的机电一体化，使机械工业的技术结构、产品机构、功能与构成、生产方式及管理体系发生了巨大变化，使工业生产由“机械电气化”迈入了“机电一体化”为特征的发展阶段。

当今世界数控技术及装备发展的趋势及我国数控装备技术发展和产业化的现状在我国对外开放进一步深化的新环境下, 发展我国数控技术及装备、提高我国制造业信息化水平和国际竞争能力的重要性, 并从战略和策略两个层面提出了发展我国数控技术及装备的几点看法。装备工业的技术水平和现代化程度决定着整个国民经济的水平和现代化程度, 数控技术及装备是发展新兴高新技术产业和尖端工业的使能技术和最基本的装备, 又是当今先进制造技术和装备最核心的技术。数控技术是用数字信息对机械运动和工作过程进行控制的技术, 而数控装备是以数控技术为代表的新技术对传统制造产业和新兴制造业的渗透形成的机电一体化产品, 其技术范围覆盖很多领域。

这些年来，国外机床工业迅猛发展，其产值仅次于模具工业的产值。随着工业技术的迅速发展，对精密十字滑台的设计和制造要求也越来越高。随着伺服控制技术和传感器技术的进步，在数控系统的控制下，机床可以执行亚微米级的精确运动。在加工精度方面，普通级数控机床的加工精度已由10μm 提高到5μm ，精密级加工中心则从3～5μm ，提高到1～1.5μm ，并且超精密加工精度已开始进入纳米级(0.01μm) 。由于计算机硬件的标准化和模块化，以及软件模块化，开放化技术的日益成熟，数控技术开始进入开放化的阶段。开放式数控系统有更好的通用性、柔性、适应性、扩展性。美国、欧共体和日本等国纷纷实施战略发展计划，并进行开放式体系结构数控系统规范(OMAC、OSACA 、OSEC) 的研究和制定，世界3个最大的经济体在短期内进行了几乎相同的科学计划和技术规范的制定，预示了数控技术的一个新的变革时期的来临。我国在2000年也开始进行中国的ONC 数控系统的规范框架的研究和制定。随着数控系统核心处理器性能的进步，目前高速加工中心进给速度最高可达80m/min，空运行速度可达100m/min左右。世界上许多汽车厂，包括我国的上海通用汽车公司，已经采用

以高速加工中心组成的生产线部分替代组合机床。美国CINCINNATI 公司的HyperMach 机床进给速度最大达60m/min，快速为100m/min，加速度达2g ，主轴转速已达60000r/min。加工一薄壁飞机零件，只用30min ，而同样的零件在我国一般高速铣床加工需3小时，在普通铣床加工需8小时。

对我国数控技术及其产业发展的基本估计我国数控技术起步于1958年, 近50年的发展历程大致可分为三个阶段：第一阶段从1958年到1979年, 即封闭式发展阶段。在此阶段, 由于国外的技术封锁和我国的基础条件的制, 数控技术的发展较为缓慢。第二阶段是在国家的“六五”、“七五”期间以及“八五”的前期, 即引进技术, 消化吸收, 初步建立起国产化体系阶段。在此阶段, 由于改革开放和国家的重视, 以及研究开发环境和国际环境的改善, 我国数控技术的研究、开发以及在产品的国产化方面都取得了长足的进步。第三阶段是在国家的“八五”的后期和“九五”期间, 即实施产业化的研究, 进入市场竞争阶段。纵观我国数控技术近50年的发展历程, 特别是经过4个5年计划的攻关, 总体来看取得的成绩还是不小。但是，目前我国一般的精密十字滑台是滚珠丝杠与伺服电机直接联接，这种联接方式适用于一般的机床，对于本课题的十字滑台来说，这种控制技术是不够平稳、不够精确的。

1.3课题研究的意义

对于本设计针对我国现在在数控机床的前沿的缺陷，具有针对性的给予解决。我国现在的国情可谓是硬件机械方便的材料与硬件技术的不成熟和不完善，同时我国很多人才都在为我国在很多领域的缺陷做出巨大的努力和人力、物力，然而我国的实际情况使得我国在现今以及长远一段时间内都要不断努力摸索，使最终能在各个欠缺的领域内各技术、科学知识达到成熟。目前，国内生产的精密滑台已达到了比较高的水平，但由于数控研磨机的发展还不够成熟，因而应用于数控研磨机的精密滑台还处在萌芽状态，大多数的工作台产品无法满足研磨机的控制要求。

本设计就是基于我国现如今就十字滑台这项技术的欠缺做出进一步的改进，利用现在工业上先进而又通用的PLC 这项控制技术来实现对十字滑台的精确、灵活、多样性的改进，真心希望通过本次设计改变我国现如今在该技术领域的缺陷。

X-Y 数控工作台机电系统设计

1. 引言：

现代科学技术的不断发展，极大地推动了不同学科的交叉与渗透，导致了工程领域的技术革命与改造。在机械工程领域，由于微电子技术和计算机技术的迅速发展及其向机械工业的渗透所形成的机电一体化，使机械工业的技术结构、产品机构、功能与构成、生产方式及管理体系发生了巨大变化，使工业生产由“机械电气化”迈入了“机电一体化”为特征的发展阶段。

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。

模块化的X-Y 数控工作台，通常由导轨座、移动滑块、工作、滚珠丝杠螺母副，以及步进电动机等部件构成。其中步进电动机做执行元件用来驱动滚珠丝杠，滚珠丝杠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、滚珠丝杠螺母副和步进电动机等均以标准化，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，可以选取用标准的工作控制计算机，也可以设计专用的微机控制系统。

图1 X-Y数控工作台外形

2. 设计任务

题目：X-Y 数控工作台机电系统设计

任务：设计一种供应式数控铣床使用的X-Y 数控工作台，主要参数如下：

1. 立铣刀最大直径的d=15mm；

2. 立铣刀齿数Z=3;

3. 最大铣削宽度a e =15mm;

4. 最大背吃刀量a p =8mm;

5. 加工材料为碳素钢。

6. X 、Y 方向的脉冲当量δx =δy =0.002mm;

7. X 、Z 方向的定位精度均为±0. 01mm ;

8. 工作台面尺寸为350mm×350，加工范围为450×450;

9. 工作台空载进给最快移动速度都为2500mm/min;

10. 工作台进给最快移动速度都为400mm/min;

3. 总体方案的确定

3.1 机械传动部件的选择

3.1.1导轨副的选用

要设计数控车床工作台，需要承受的载荷不大，而且脉冲当量小，定位精度高，因此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，安装预紧方便等优点。

3.1.2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，需要满足0.002mm 脉冲当量和±0. 01mm 的定位精度，滑动丝杠副为能为力，只有选用滚珠丝杆副才能达到要求，滚珠丝杆副的传动精度高、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。

3.1.3减速装置的选用

选择了步进电动机和滚珠丝杆副以后，为了圆整脉冲当量，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，可能需要减速装置，且应有消间隙机构，选用无间隙齿轮传动减速箱。

3.1.4伺服电动机的选用

任务书规定的脉冲当量尚未达到0.001mm ，定位精度也未达到微米级，空载最快移动速度也只有因此3000mm/min，故本设计不必采用高档次的私服电动机，因此可以选用混合式步进电动机。以降低成本，提高性价比。

3.1.5检测装置的选用

选用步进电动机作为伺服电动机后，可选开环控制，也可选闭环控制。任务书所给的精度对于步进电动机来说还是偏高，为了确保电动机在运动过程中不受切削负载和电网的影响而失步，决定采用半闭环控制，拟在电动机的尾部转轴上安装增量式旋转编码器，用以检测电动机的转角与转速。增量式旋转编码器的分辨力应与步进电动机的步距角相匹配。

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。

3.2 控制系统的设计

1）设计的X-Z 工作台准备用在数控车床上，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，所以控制系统设计成连续控制型。

2）对于步进电动机的半闭环控制，选用MCS-51系列的8位单片机AT89S52作为控制系统的CPU ，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，还要扩展程序存储器，键盘与显示电路，I/O接口电路，D/A转换电路，串行接口电路等。

4）选择合适的驱动电源，与步进电动机配套使用。

3.3 绘制总体方案图

总体方案图如图3.1所示。

图3.1 总体方案图

4. 机械传动部件的计算与选型

4.1 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。包括工件、夹具、工作台、上层电动机、减速箱、滚珠丝杠副、导轨座等, 估计重量约为800N.

4.2 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3-7查得立铣时的铣削力计算公式为：

0.850.75-0.731.00.13F c =118a e f z d a p n Z (6-11)

今选择铣刀的直径为d=15mm，齿数Z=3,为了计算最大铣削力，在不对称铣削情况下，取最大铣削宽度为a e =15mm ，背吃刀量a p =8mm ，每齿进给量

，铣刀转速n =300r/min。则由式（6-11）求的最大铣削力： f z =0.1mm

F c =118×150.85×0.10.75×15-0.73×81.0×3000.13×3 N≈1463 N

采用立铣刀进行圆柱铣削时，各铣削力之间的比值可由查表，并考虑逆铣时的情

况，可估算三个方向的铣削力分别为：

F f =1.1F c ≈1609N，（1.0~1.2，取1.1）

F e =0.38F c ≈556N，（0.35~0.40，取0.38）

F fn =0.25F c ≈366N，（0.2~0.3，取0.25）

工作台受到垂直方向的铣削力F z = Fe =556N，受到水平方向的铣削力分别为F f 和F fn 。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F x = Ff =1609N，径向铣削力F y =F fn = 366N 。

5. 直线滚动导轨副的计算与选型

5.1滑块承受工作载荷的计算及导轨型号的选取

工作载荷是影响直线滚动导轨副使用寿命的重要因素。本例中的X-Y 工作台为水平布置，采用双导轨、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向载荷为：

G P C =+F （2） 4

其中，移动部件重量G ＝800N ，外加载荷F = F z = 556N ，代入（2）式得最大工作载荷P C =756N=0.756kN。查表，根据工作载荷P C =0.756kN，初选直线滚动导轨副的型号为KL 系列的JSA-LG15型，其额定动载荷C a =7.94 kN，额定静载荷C 0a =9.5 kN。任务书规定工作台面尺寸为350mm×350，加工范围为450×450，考虑工作行程应留有一定余量，选取导轨长度1150。

5.2距离额定寿命的计算

上述选取的KL 系列JSA-LG15型导轨副的滚道硬度为HRC60，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，分别取硬度系数f H =1.0，温度系数f T =1.00，接触系数f C =0.81，精度系数f R =0.9， 载荷系数f W =1.5，得距离寿命：

L =(

远大于期望值50km ，故距离额定寿命满足要求。 f H f T f C f R C a 3⋅) ⨯50≈6649km f W p c

6、滚珠丝杠螺母副的计算与选型

6.1最大工作载荷F m 的计算

当承受最大铣削力时，工作台受到进给方向的载荷（与丝杠轴线平行）F x =1609N，受到横向的载荷（与丝杠轴线垂直）F y = 366N ，受到垂向的载荷（与工作台面垂直）F z = 556N 。已知移动部件总重量G =800N，按矩形导轨进行计算，查表，取颠覆力矩影响系数K =1.1，滚动导轨上的摩擦因数μ=0.005。求得滚珠丝杠副的最大工作载荷：

F m = KF x + μ（F z + F y + G ） = [ 1.1×1609 + 0.005 × ( 556 + 366 + 800 ) ] N ≈ 1779 N

6.2最大动载荷F Q 的计算

设工作台在承受最大铣削力时的最快进给速度v=400mm/min，初选丝杠导程P h =5 mm，则此时丝杠转速n =v /P h = 80 r/min。取滚珠丝杠的使用寿命T =15000 h，

f W =1.2，滚道硬度为HRC60时，取硬度系数f H =1.0，求得最大动

载荷：

F Q =3L 0f W f H F m ≈8881 N

6.3初选型号

根据计算出的最大动载荷和初选的丝杠导程，查表，选择济宁博特精密丝杠

制造有限公司生产的G 系列2005-3型滚珠丝杠副，为内循环固定反向器单螺母

式，其公称直径为32 mm，导程为5 mm，循环滚珠为3圈×1列，精度等级取4

级，额定动载荷为9309 N，大于F Q ，满足要求。

6.4传动效率η的计算

将公称直径d 0=40mm，导程P h =5mm，代入λ= arctan[P h /(πd0)]，得丝杠螺旋

升角λ=2o 50′。将摩擦角φ=10′，代入η=tanλ / tan (λ+φ)，得传动效率 η=94.90%。

6.5刚度的验算

X-Y 工作台上下两层滚珠丝杠副的支承均采用“单推-单推”的方式。丝杠的

两端各采用-对推力角接触球轴承，面对面组配，左、右支承的中心距约为

a=950mm；钢的弹性模量E=2.1х105Mpa; 查表得滚珠直径D w =3.175mm，丝杠底径

2d 2=28.2mm,丝杠截面积S=πd 2/4=624.6mm 2。

算得丝杠在工作载荷Fm 作用下产生的拉/压变形量:

δ1 = Fm*a/(ES)

= [1779×950/（2.1*105 *624.6）] mm

≈ 0.0129mm 。

根据公式Z =(πd 0/D W ) -3，求得单圈滚珠数Z=28；该型号丝杠为单螺母，

滚珠的圈数⨯列数为3⨯1，代入公式Z ∑=Z ⨯圈数⨯列数，得滚珠总数量Z ∑=84。

丝杠预紧时，取轴向预紧力F YJ =F m /3=593N。求得滚珠与螺纹滚道间的接触变形

量 ：

δ2≈ 0.0026 mm。因为丝杠有预紧力，且为轴向负载的1/3，所以实际变形量可

以减少一半，取δ2=0.0013mm。

将以上算出的δ1和δ2代入δ总=δ1+δ2，求得丝杠总变形量（对应跨度950mm ）

δ总=0.0142mm=14.2μm 。

查姜培刚版《机电一体化系统课程设计指导书》表3-7可知5级精度滚珠丝

杠有效行程在400~500mm时，行程偏差允许达到27μm ，大于14.2μm 可见丝

杆刚度足够。

6.6压杆稳定性校核

根据尹志强版《机电一体化系统课程设计指导书》公式（3-28）计算失稳

时的临界载荷F K 。取支承系数f k =1；由丝杠底径d 2=28.2mm求得截面惯性矩

4；滚I =πd 2/64≈31043.19mm 4；压杆稳定安全系数K=3（丝杠卧式水平安装）

f k π2EI 动螺母至轴向固定处的距离L 取最大值950mm 。代入式（3-28）P a =2，得L K

临界载荷P a =23763.86N，远大于工作载荷 Fm =1779N，故丝杠不会失稳。故丝

杠不会失稳。综上所述，初选的滚珠丝杠副满足使用要求。

7、步进电动机减速箱的选用

已知工作台的脉冲当量δ=0.002mm/脉冲，滚珠丝杠的的导程P h =5mm， 初选步进

电动机的步距角α=0.144°，由传动比公式算得：

i =(αP h ) /(360δ) =(0.144⨯5）/（360⨯0.002）=1

由于传动比为1，故不需要减速机构，可以用电机直接驱动丝杆转动。

8、步进电动机的计算与选型

8.1 转矩的计算

8.1.1空载时的摩擦转矩T LF

T LF =μWL 0. 05⨯800⨯0. 005＝0. 033N . m =2π⨯0. 949⨯12πηs i

8.1.2铣削加工时的负载转矩T L

由于铣削加工时阻力很大，所以滚珠丝杆传动副必须先预紧，其预紧力为最

大轴向载荷的1/3时，其刚度增加两倍，变形量减小1/2.

故预紧力 F =1F y =122N 3

取螺母内部的摩擦系数μm =0.3，滚珠丝杆预紧后的摩擦转矩

T1=μm FL/2π=0.029N.m

换算到电机上所需转矩，导轨上的摩擦系数μ=0.05，

T2=[FZ +μ(G+FY )]L/(2πηS i)=0.518N.m

所以T L =T 1+T 2=0.547N.m

8.2. 等效转动惯量的计算

8.2.1 滚动丝杠的转动惯量Js

πd 04lp =8.89x10-4N.m 2 Js=32

8.2.2 拖板运动惯量换算到电动机轴上的转动惯量Jw

Jw=

W L 21() ⨯2=5.17x10-5N.m 2 g 2πi 因此，换算到电动机轴上的总惯性负载 ，

JL =JW +Js =9.407x10-4N.m 2

初选步进电机型号，

已知T L =0.547N.m,JL = 9.407X10-4N.m 2，初选步进电动机为广州数控设

备有限公司的DY3F 系列三相混合式步进电机, 其型号为90BYG350B ，它的参数表

如下表，其最大静扭矩Tmax=4N.m，转子惯量Jm=3x10-4N.m 2. T L 0. 547==0. 137＜0. 5， T max 4

J L 9. 407==3. 14＜4 J W 3

8.3速度的验算

8.3.1快进速度的验算

由上表可得， fmax=12000Hz时，电动机转矩Tm=1.4N.m>Tf=0.033N.m,故可按此频率计算最大

的快进速度，

v 2=L ⨯f max =60000mm /min >2500mm /min

8.3.2 工进速度的验算

当T L =0.547N.m,对应的频率f ≈6000 Hz 故有

1L v 1=⨯δ⨯f ⨯=720mm /min >400mm /min 6i

9、进给传动系统示意图如图所示

参考文献：

[1] 张建民. 机电一体化系统设计. —北京:机械工业出版社.2001

[2] 姜培刚、盖玉先. 机电一体化系统设计. —北京：机械工业出版社.2003

[3] 尹志强. 机电一体化系统设计课程设计指导书. —北京:机械工业出版社.2007

[4] 张立勋等. 机电一体化系统设计[M].—哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社.

[5] 文怀兴、夏田. 数控机床系统设计[M].—北京：化学工业出版社.2008

[6] 李发海、王岩. 电机与拖动基础（第三版）. —北京：清华大学出版社.2005

[7] 张毅刚. 单片机原理及应用. —北京：高等教育出版社.2010