机电一体化系统课程设计-X-Y工作台X向进给系统设计.doc

此文档收集于网络 如有侵权 请联系网站删除 精品文档 设计题目 X Y 工作台 X 向进给系统设计 作者 卢 陕理工机械工程学院机自 083 班 陕西 汉中 723003 指导老师 摘要 各技术领域得到了广泛应用 对各领域技术的发展起到了极大的推动作用 一个较完善的机电一体化系统 应包含以下几个基本要素 机械本体 动力与驱动部 分 执行机构 传感测试部分 控制及信息处理部分 机电一体化是系统技术 计算 机与信息处理技术 自动控制技术 检测传感技术 伺服传动技术和机械技术等多学 科技术领域综合交叉的技术密集型系统工程 新一代的 CNC 系统这类典型机电一体化 产品正朝着高性能 智能化 系统化以及轻量 微型化方向发展 关键词 X Y 工作台 8031 驱动器 步进电动机 程序存储器 数据存储器 丝 杠 导轨 此文档收集于网络 如有侵权 请联系网站删除 精品文档 目录 1 1 引言 引言 3 2 2 设计任务设计任务 4 3 3 总体方案的确定总体方案的确定 5 3 1 机械传动部件的选择 5 3 1 1 导轨副的选用 5 3 1 2 丝杠螺母副的选用 5 3 1 3 减速装置的选用 5 3 1 4 伺服电动机的选用 5 3 1 5 检测装置的选用 5 3 3 系统组成框图 6 4 4 机械传动部件的计算与选型机械传动部件的计算与选型 7 4 1 导轨上移动部件的重量估算 7 4 2 铣削力的计算 7 4 3 直线滚动导轨副的计算与选型 7 4 3 1 块承受工作载荷的计算及导轨型号的选取 7 4 3 2 距离额定寿命 L 的计算 8 4 4 滚珠丝杠螺母副的计算与选型 8 4 4 1 最大工作载荷 Fm 的计算 8 4 4 2 最大动工作载荷 FQ 的计算 9 4 4 3 初选型号 9 4 4 4 传动效率 的计算 9 4 4 5 刚度的验算 9 4 4 6 压杆稳定性校核 10 4 5 步进电动机减速箱的选用 10 4 6 步进电动机的计算与选型 10 4 6 1 计算加在步进电动机转轴上的总转动惯量 Jeq 10 4 6 2 计算加在步进电动机转轴上的等效负载转矩 Teq 11 4 6 3 步进电动机最大静转矩的选定 13 4 6 4 步进电动机的性能校核 13 5 5 机电一体化系统进给伺服系统设计机电一体化系统进给伺服系统设计 15 6 6 步进电动机的驱动电源选用步进电动机的驱动电源选用 16 7 7 工作台控制系统的设计工作台控制系统的设计 18 致谢致谢 19 参考文献参考文献 20 此文档收集于网络 如有侵权 请联系网站删除 精品文档 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 伺服电动机等部件构成 其中伺服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 滚珠丝杠螺母副和伺服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 1 X Y 工作台实物图 此文档收集于网络 如有侵权 请联系网站删除 精品文档 2 设计任务 题目 数控 X Y 工作台 X 向进给系统设计 任务 设计一种供应式数控铣床使用的 X Y 数控工作台 X 向进给系统 主要参数如下 1 铣刀最大直径的 d 20mm 2 齿数 Z 4 3 最大铣削宽度 20mm e a 4 最大背吃刀量 8mm p a 5 加工材料为钢 6 X 方向的脉冲当量 0 005mm step Y 方向的脉冲当量 0 01mm step 7 加工范围为 400 320 8 最大快速移动速度为 1m min 此文档收集于网络 如有侵权 请联系网站删除 精品文档 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 005mm 冲当量 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 1000mm min 故本设计不必采用高档次的伺服电动机 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 本设计所 选步进电动机采用开环控制 系统工作时 驱动元件将数字脉冲成角度位移 转过的 角度正比于指令脉冲的个数 转动的速度取决于指令脉冲的频率 系统中无位置反馈 此文档收集于网络 如有侵权 请联系网站删除 精品文档 也没有位置检测元件 3 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 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 8031 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 系统组成框图 图 3 1X Y 工作台系统组成框图 此文档收集于网络 如有侵权 请联系网站删除 精品文档 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 立铣 时的铣削力计算公式为 4 11 0 850 750 731 00 13 cezp 118afda nZF 今选择铣刀的直径为 d 20mm 齿数 Z 4 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 背吃刀量 7mm 每齿进给量 铣刀 e a15mm p a z f0 1mm 转速 则由式 6 11 求的最大铣削力 n 300r min N FC 176 20204118 3008201 020 13 0 0 173 0 75 0 85 0 采用立铣刀进行圆柱铣削时 各铣削力之间的比值可由表查得 考虑逆铣时的情况 可估算三个方向的铣削力分别为 N FFCf 22221 1 现考虑立铣 则工作台受到垂N FFce 76838 0 N FFCfn 50525 0 直方向的铣削力 受到水平方向的铣削力分别为和 今将水平N FFeZ 768 f F fn F 方向较大的铣削力分配给工作台的纵向 则纵向铣削力 径向铣削N FFfX 2222 力为 N FFfny 505 4 3 直线滚动导轨副的计算与选型 4 3 1 块承受工作载荷的计算及导轨型号的选取 max F 此文档收集于网络 如有侵权 请联系网站删除 精品文档 工作载荷是影响直线滚动导轨副使用寿命的重要因素 该课程设计中的 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直方向载荷为 4 12 max G FF 4 其中 移动部件重量 800N 外加载荷 代入式 4 12 得最NFF Z 556 大工作载荷 968N 0 968kN max F 查表根据工作载荷 0 968kN 初选直线滚动导轨副的型号为 KL 系列的 JSA max F LG15 型 其额定动载荷 额定静载荷 a C7 94kN 0a C9 5kN 任务书规定加工范围为 400 320 考虑工作行程应留有一定余量 查资料选取 导轨的长度为 820mm 4 3 2 距离额定寿命 L 的计算 上述所取的 KL 系列 JSA LG15 系列导轨副的滚道硬度为 60HRC 工作温度不超过 C 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 分别取硬100 度系数 f 1 0 温度系数 f 1 00 接触系数 f 0 81 精度系数 f 0 9 载荷系 HT c R 数 f 1 5 得距离寿命 w L KM F C f ffff a w rcth 664950 3 max 远大于期望值 50Km 故距离额定寿命满足要求 4 4 滚珠丝杠螺母副的计算与选型 4 4 1 最大工作载荷 Fm 的计算 如前所述 在立铣时 工作台受到进给方向的载荷 与丝杠轴线平行 Fx 2222N 受到横向载荷 与丝杠轴线垂直 Fy 505N 受到垂直方向的载荷 与工作台面垂直 Fz 768N 已知移动部件总重量 G 800N 按矩形导轨进行计算 取颠覆力矩影响系数 K 1 1 滚动导轨上的摩擦系数 0 005 求得滚珠丝杠副的最大工作载荷 此文档收集于网络 如有侵权 请联系网站删除 精品文档 Fm KFx Fz Fy G 1 12222 0 005 768 505 800 N2455N 4 4 2 最大动工作载荷 FQ 的计算 设工作台在承受最大铣削力时的最快进给速度 v 1000mm min 初选丝杠导程 Ph 6mm 则此时丝杠转速 n v Ph 200r min 取滚珠丝杠的使用寿命 T 15000h 代入 L0 60Nt 106 得丝杠寿命系数 L0 180 单 位为 106r 查表 取载荷系数 fw 1 2 滚道硬度为 60HRC 时 取硬度系数 fH 1 0 求得最大动 载荷 FQ NFffL mHw 16634 3 0 4 4 3 初选型号 根据计算出的最大动载荷和初选的丝杠导程 选择济宁博特精密丝杠制造有限公 司生产的 G 系列 3206 4 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 32mm 导程为 6mm 循环滚珠为 4 圈 2 系列 精度等级取 4 级 额定动载荷为 18292N 大于 FQ 满足要求 4 4 4 传动效率 的计算 将公称直径 d0 32mm 导程 Ph 6mm 代入 arctan Ph d0 得丝杠螺旋升角 将摩擦角 10 代入 tan tan 得传动效率 96 4 85 2 4 4 5 刚度的验算 1 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 800mm 钢的 弹性模量 E 2 1 105Mpa 查表得滚珠直径 Dw 3 969mm 丝杠底径 d2 27 2mm 丝杠截面 积 S 4 508 77m 算得丝杠在工作载荷 Fm 作用下产生的拉 压变形量 2 2 d 2 m mmmmESaFm016 0 77 580101 2 8002455 5 1 2 根据公式 求得单圈滚珠数 Z 22 该型号丝杠为单螺母 滚珠的 0 3 W ZdD 圈数 列数为 4 2 代入公式Z 圈数 列数 得滚珠总数量 176 丝杠预紧时 Z Z 此文档收集于网络 如有侵权 请联系网站删除 精品文档 取轴向预紧力 3 818N 求得滚珠与螺纹滚道间的接触变形量 YJm FF mm0016 0 2 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 0 0008mm 2 3 将以上算出的和代入 求得丝杠总变形量 0 0192mm 16 8 1 2 12 总 总m 该课设中 丝杠的有效行程为 600mm 由表知 4 级精度滚珠丝杠有效行程在 500 630mm 时 行程偏差允许达到 22 可见丝杠刚度足够 m 4 4 6 压杆稳定性校核 计算失稳时的临界载荷 FK 取支承系数 1 由丝杠底径 d2 27 2mm 求得截面惯 k f 性矩26855 压杆稳定安全系数 K 取 3 丝杠卧式水平安装 滚动螺 4 2 64Id 4 mm 母至轴向固定处的距离 a 取最大值 800mm 得临界载荷 FK 28960 3N 远大于工作载荷 2455N 故丝杠不会失稳 m F 综上所述 初选的滚珠丝杠副满足使用要求 4 5 步进电动机减速箱的选用 为了满足脉冲当量的的设计要求 增大步进电动机的输出转矩 同时也为了使滚 珠丝杠和工作台的转动惯量折算到电动机轴上尽可能的小 今在步进电动机的输出轴 上安装一套齿轮机减速 采用一级减速 步进电动机的输出轴与齿轮相连 滚珠丝杠 的轴头与大齿轮相连 其中大齿轮设计成双片结构 已知工作台的脉冲当量 0 005mm 脉冲 滚珠丝杠的的导程 Ph 6mm 初选步进 电动机的步距角 0 75 算得减速比 0 755 3600 004 25 12 360 h iP 本设计选用常州市新月电机有限公司生产的 JBF 3 型齿轮减速箱 大小齿轮模数 均为 1mm 齿数比为 75 30 材料为 45 调质钢 齿表面淬硬后达到 55HRC 减速箱中 心距为 75 36 1 2 mm 55 5mm 小齿轮厚度为 20mm 双片大齿轮厚度均为 10mm 4 6 步进电动机的计算与选型 此文档收集于网络 如有侵权 请联系网站删除 精品文档 4 6 1 计算加在步进电动机转轴上的总转动惯量 Jeq 已知 滚珠丝杠的公称直径 d0 32mm 总长 l 800mm 导程 Ph 6mm 材料密度 7 85 10 5kg 移动部件总重力 G 800N 小齿轮齿宽 b1 20mm 直径 d1 36mm 2 cm 大小齿轮齿宽 b2 20mm 直径 d2 75mm 传动比 i 25 12 算得各个零部件的转动惯量如下 2 2 S L R J 2 2 Z R J b 滚珠丝杠的转动惯量 Js 6 462kg cm2 拖板折算到丝杠上的转动惯量 Jw 0 517kg cm2 小齿轮的转动惯量 Jz1 0 259 kg cm2 大齿轮的转动惯量 Jz2 4 877 kg cm2 初选步进电动机的型号为 90YBG2602 为两相混合式 由常州宝马集团公司生产 二相八拍驱动时的步距角为 0 75 从表查得该型号的电动机转子的转动惯量 Jm 4 kg cm2 则加在步进电动机转轴上的总转动惯量为 5 072 kg cm2 2 12 eqmZZWS JJJJJJi 4 6 2 计算加在步进电动机转轴上的等效负载转矩 Teq 分快速空载和承受最大负载两种情况进行计算 1 快速空载起动时电动机转轴所承受的负载转矩包括三部分 一部分是快速空载起 1eq T 动时折算到电动机转轴上的最大加速转矩 一部分是移动部件运动时折算到电动 maxa T 机转轴上的摩擦转矩 还有一部分是滚珠丝杠预紧后折算到电动机转轴上的附加摩 f T 擦转矩 因为滚珠丝杠副传动效率很高 相对于和很小 可以忽略不计 0 T 0 T maxa T f T 则有 4 13 1eq T maxa T f T 考虑传动链的总效率 计算空载起动时折算到电动机转轴上最大加速转矩 4 14 maxa T 2 1 60 eqm a J n t 此文档收集于网络 如有侵权 请联系网站删除 精品文档 其中 416 7r min 4 15 max 360 m v n 式中 空载最快移动速度 任务 max V 书指定为 1000mm min 步进电动机步距角 预选电动机 为 0 75 脉冲当量 本例 0 005mm 脉冲 设步进电机由静止加速至所需时间 传动链总效率 则由式 m n0 4 a ts 0 7 4 14 求得 maxa T 4 25 087 101562 5 0 297 60 0 4 0 7 N m 移动部件运动时 折算到电动机转轴上的摩擦转矩为 4 16 f T 0 005 0800 0 005 0 0018 220 7 25 10 zh FG P N m i 式中 导轨的摩擦因素 滚动导轨取 0 005 垂直方向的铣削力 空载时取 0 z F 传动链效率 取 0 7 最后由式 4 13 求得快速空载起动时电动机转轴所承受的负载转矩 0 2988N m 4 17 1eq T maxa T f T 2 最大工作负载状态下电动机转轴所承受的负载转矩 2eq T 包括三部分 一部分是折算到电动机转轴上的最大工作负载转矩 一部分是 2eq T t T 移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩 还有一部分是滚珠丝杠预紧后折 f T 算到电动机转轴上的附加摩擦转矩 相对于和很小 可以忽略不计 则有 0 T 0 T f T t T 图 4 1 90BYG2602 机的运行 矩频特性曲 此文档收集于网络 如有侵权 请联系网站删除 精品文档 4 18 2eq T t T f T 其中折算到电动机转轴上的最大工作负载转矩由公式计算 有 t T 1408 0 005 0 64 220 7 25 10 fh t F P TN m i 计算在垂直方向承受最大工作负载情况下 移动部件运动时折算到电 556 z FN 动机转轴上的摩擦转矩 0 005 486800 0 005 0 0029 220 7 25 10 zh f FG P TN m i 最后由式 4 18 求得最大工作负载状态下电动机转轴所承受的负载转矩 0 643N m 4 19 2eq T t T f T 最后求得在步进电动机转轴上的最大等效负载转矩为 12 max 0 643 eqeqeq TTTN m 4 6 3 步进电动机最大静转矩的选定 考虑到步进电动机的驱动电源受电网电压影响较大 当输入电压降低时 其输出 转矩会下降 可能造成丢步 甚至堵转 因此 根据来选择步进电动机的最大静转 eq T 矩时 需要考虑安全系数 取 K 4 则步进电动机的最大静转矩应满足 4 20 max 44 0 6432 572 jeq TTN m 初选步进电动机的型号为 90BYG2602 查得该型号电动机的最大静转矩 6N m 可见 满足要求 maxj T 4 6 4 步进电动机的性能校核 1 最快空载移动时电动机输出转矩校核 任务书给定工作台最快空载移动速度 1000mm min 求出其对应运行频率 在此频率 max v z Hf12500 005 0 60 1000 max 下 电动机的输出转矩 1 7N m 大于快速空载起动时的负载转矩 max T 0 2988N m 满足要求 1eq T 此文档收集于网络 如有侵权 请联系网站删除 精品文档 2 最快空载移动时电动机运行频率校核 与快速空载移动速度 1000mm min 对应 max v 的电动机运行频率为 查表知 90BYG2602 电动机的空载运行频率可达 max 12500fHZ 20000 可见没有超出上限 z H 3 起动频率的计算 已知电动机转轴上的总转动惯量 电动机转子 2 5 087 eq Jkg cm 的转动惯量 电动机转轴不带任何负载时的空载起动频率 2 4 m Jkg cm 1800 qz fH 步进电动机克服惯性负载的起动频率为 1194 24 1 q Lz eqm f fH JJ 说明 要想保证步进电动机起动时不失步 任何时候的起动频率都必须小于 实际上 在采用软件升降频时 起动频率选得更低 通常只有 100 1194 24 z H z H 综上所述 本次设计中工作台的进给传动系统选用 90BYG2602 步进电动机 完全 满足设计要求 4 6 5 90BYG2602 步进电动机的详细信息 表 4 1 技术参数 型号相数 步相距电压 电流静转矩 空载启动频 率 转动惯量电感接线图 90BYG2501 2 4 0 9 1 8 5043 50 152 43 51 90BYG2502 2 4 0 9 1 8 10046 0 20461 90BYG2601 2 4 0 75 1 5 5043 50 152 43 51 90BYG2602 2 4 0 75 1 5 10046 0 20461 表 4 2 外形安装尺寸 型号 D D1h1h2 dE bL 键 A D2 d2备 此文档收集于网络 如有侵权 请联系网站删除 精品文档 注 90BYG260190 0 70 0 017 38 0 01 14 0 022 2592100 半圆键 4 16 1076 6 90BYG260290 0 70 0 017 38 0 01 14 0 022 2592134 半圆键 4 16 1076 6 5 机电一体化系统进给伺服系统设计 本设计所选步进电动机采用开环控制 系统工作时 驱动元件将数字脉冲成角度 位移 转过的角度正比于指令脉冲的个数 转动的速度取决于指令脉冲的频率 系统 中无位置反馈 也没有位置检测元件 开环伺服系统的结构简单 控制容易 稳定性好 但精度较低 低速有振动 高 速转矩小 一般用于轻载或负载变化不大的场合 图 5 1 开环伺服系统结构图 此文档收集于网络 如有侵权 请联系网站删除 精品文档 6 步进电动机的驱动电源选用 设计中 X Y 向步进电动机均为 90BYG2602 型 生产厂家为常州宝马集团公司 选 择与之匹配的驱动电源为 BD28Nb 型 输入电压为 100VAC 相电流为 4A 分配方式为 二相八拍 该驱动电源与控制器的接线方式如图所示 此文档收集于网络 如有侵权 请联系网站删除 精品文档 图 6 1 BD28Nb 驱动器实物图 产品特点 BD28NbFb 型驱动器用于驱动 86 90 型二相混合式步进电机 由于采用了先进的控 制技术并实现了电流的精密传感和控制 从而达到了低速运行平稳 高速力矩大 角 度细分均匀的效果 是一种高性能 小体积 低价格的驱动器 适用于精密测量 加 工等领域 如 雕刻机 打粉机 绕线机等 其中 BD28Fb 带细分控制 BD28Nb 不带细 分控制 主要特点 1 双极恒流加细分控制 BD28Fb 2 最大 40 细分的 8 种运行模式 3 四种电流设定 4 节能的半电流锁定模式 5 输入信号 TTL 兼容 6 光电隔离信号输入 此文档收集于网络 如有侵权 请联系网站删除 精品文档 7 过流 过压保护 表 6 1 电气特性 Ti 25 7 工作台控制系统的设计 根据任务书的要求 设计控制系统的硬件电路时主要考虑以下功能 1 接收键盘数据 控制 LED 显示 2 接受操作面板的开关与按钮信息 3 接受铣床限位开关信号 4 控制 X Y 向步进电动机的驱动器 5 控制主轴的正转 反转与停止 6