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X-Y数控工作台机电系统设计,数控,工作台,机电,系统,设计
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机电一体化系统设计课程设计 说 明 书 设计题目：简易数控X-Y工作台机电系统的设计 专 业：机械设计制造及其自动化 班 级： 姓 名： 学 号： 指导老师： 1 课程设置目的、课程设计要求及注意事项1.1 课程设置目的机电一体化系统设计课程设计是大学生在完成机电一体化系统设计等专业课学习后,进行综合性实践性教学环节，总的目的是在老师的指导下,使学生通过课程设计,对所学课程理论知识进行一次系统的回顾检查复习和提高,并运用所学理论,通过调研,设计一个机电控制方面的课题,受到从理论到实践应用的综合训练，培养学生独立运用所学理论解决具体问题的能力,具体有以下几点：1）通过检索查阅运用有关手册、标准及参考资料，培养起学生检索查阅资料、使用资料的方法和能力。 2）通过回顾查阅课程理论知识、运用所学的基础课,专业技术课和专业课知识，培养学生根据实际问题正确设计总体方案, 分析具体问题、进行工程设计的能力。课程设计将机电专业课程的相关内容有机结合起来，学生受到完整的设计训练过程，使学生掌握机电工程设计的基本方法，提高其分析和解决实际工程问题的能力，培养学生的整体观念，并将整个课程内容有机而系统地结合起来。通过拟定的设计方案、结构方案到结合生产和使用条件，独立完成精密机构部件的设计，全面考虑设计内容及过程，熟悉和运用设计资料，如国家及行业标准、设计规范等，加深对机电一体化系统设计的认识。1.2课程设计要求1、综合地考虑使用、经济、工艺等方面的设计要求，确定合理设计方案；2、通过分析比较吸取现有结构中的优点，并在此基础上发挥自己的创造性；3、仔细计算和认真作图，力求设计图纸和计算说明书达到实际生产水平。1.3课程设计注意事项1、设计开始之前应认真研究题目，明确设计要求，参阅相关资料；2、设计方案确定后，将确定的结构方案用A4的图纸绘制成正式的设计图纸；3、按规定编制课程设计计算说明书，将设计计算说明书和图纸交老师查阅；4、认真做好准备进行答辩。2课程设计说明书的内容编写课程设计说明书是学生对课程设计的总结，主要内容包括：课程设计题目（包括设计条件和要求），设计与运动方案的确定，系统框图的分析、机械运动分析，动力分析及传动设计计算、电气执行元件的选用说明及计算，画出程序框图，写出自编程序，对机械和电气其它部分（如传感器反馈、测量等）的说明，表格列出必要的计算式和计算结果，绘出主要的曲线对结果进行分析和讨论列出主要的参考资料并编号等。课程设计说明书简明扼要，文理通顺，内容完整，由于要求学生对所进行的设计能系统明确的表达，说明书一般不少于10页。2.1课程设计题目简易数控X-Y工作台机电系统的设计2.2.设计参数内容及要求设计一个数控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CBH145mm160mm12mm；底座外形尺寸C1B1H1210mm220mm140mm；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。2.3 提交材料整理课程设计说明书，准备答辩。3 课程设计说明书要求课程设计说明书是项目设计的理论依据，是设计计算的整理和总结，是审核设计的技术文件之一，编写设计计算说明是课程设计的一个重要组成部分，它按次序包括以下几个方面内容：1）目录（标题及页次）；2）摘要与前言3）课程设计的目的及意义4）课程设计的要求5）课程设计的内容6）课程设计总体方案的设计7）机械传动部分设计计算8）步进电动机的选择计算9）系统硬件接口电路设计10系统软件件电路设计11）个人总结与结论12）结束语与致谢13）参考摘要本文主要对X-Y数控工作台机电系统进行设计。X-Y数控工作台是许多机电一体化设备的基本条件。如数控车床的纵-横向进刀机构，数控机床和数控钻床X-Y工作台，激光加工设备的工作台，滚珠丝杆螺母副，以及步进电机等部件构成，其中，步进电机作为执行元件用来驱动滚珠丝杠，滚珠丝杠的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，滚珠丝杠副和步进电机等均已标准化，有专门厂家生产，设计时只需根据工作载荷选取即可。控制系统根据需要选用设计专用的微机控制系统。关键词：X-Y数控工作台 步进电机 滚珠丝杠副目录一、总体方案设计51.1 设计任务51.2 总体方案确定5二、机械系统设计62.1、工作台外形尺寸及重量估算62.2、滚动导轨的参数确定62.3、滚珠丝杠的设计计算7三、步进电机的选用103.1、步进电机的步距角103.2步进电机启动力矩的计算103.3步进电机的最高工作频率113.4步进电机惯性负载的计算11四、控制系统硬件设计124.1 CPU板124.1.1 CPU的选择124.1.2 CPU接口设计124.2 驱动系统144.2.1 步进电机驱动电路和工作原理144.2.2 电磁铁驱动电路154.2.3 电源设计154.3 X轴电机点动正转程序流程图15五、总结17六、参考文献18一、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CBH145mm160mm12mm；底座外形尺寸C1B1H1210mm220mm140mm；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 14516050重量：按重量=体积材料比重估算NY向拖板（下拖板）尺寸： 重量：约90N。上导轨座（连电机）重量：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、导轨型式：圆形截面滚珠导轨、导轨长度上导轨（X向）取动导轨长度 动导轨行程 支承导轨长度 下导轨（Y向） 选择导轨的型号：GTA16 、直线滚动轴承的选型上导轨下导轨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。、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；当导轨移动到位置或时，两端滚动体受力不相等，变形不一致，使工作台倾斜角，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。、最大动负载Q的计算查表得系数，寿命值查表得使用寿命时间T=15000h，初选丝杠螺距t=4mm，得丝杠转速所以 mmX向丝杠牵引力 Y向丝杠牵引力所以最大动负荷X向 Y向 查表，取滚珠丝杠公称直径 ，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。、滚珠丝杠螺母副几何参数计算螺纹滚道:公称直径=10mm 螺距=4mm,接触角=,钢球直径=2mm 螺纹滚道法面半径mm 偏心距 螺纹升角螺杆：螺杆外径mm 螺杆内径mm 螺杆接触直径mm螺母：螺母螺纹外径mm 螺母内径（外循环）mm、传动效率计算式中：摩擦角；丝杠螺纹升角。、刚度验算滚珠丝杠受工作负载P引起的导程的变化量Y向所受牵引力大，故应用Y向参数计算 所以 丝杠因受扭矩而引起的导程变化量很小，可以忽略。所以导程总误差查表知E级精度的丝杠允许误差，故刚度足够。、稳定性验算由于丝杠两端采用止推轴承，故不需要稳定性验算三、步进电机的选用3.1、步进电机的步距角取系统脉冲当量，初选步进电机步距角。3.2步进电机启动力矩的计算设步进电机等效负载力矩为T，负载力为P，根据能量守恒原理，电机所做的功与负载力做功有如下关系式中： 电机转角； 移动部件的相应位移； 机械传动效率。若取 ，则，且，所以式中： 移动部件负载（N）；G移动部件重量（N）； 与重量方向一致的作用在移动部件上的负载力（N）； 导轨摩擦系数；步进电机步距角，（rad）；T电机轴负载力矩（）本例中，取（淬火钢滚珠导轨的摩擦系数），为丝杠牵引力，。考虑到重力影响，Y向电机负载较大，因此取，所以若不考虑启动时运动部件惯性的影响，则启动力矩取安全系数为0.3，则 对于工作方式为三相六拍的三相步进电机 3.3步进电机的最高工作频率查表选用两个45BF005-型步进电机3.4步进电机惯性负载的计算根据等效转动惯量的计算公式，得式中： 折算到电机轴上的惯性负载（）； 步进电机转轴的转动惯量（）；齿轮的转动惯量（）；齿轮 的转动惯量（）；滚珠丝杠的转动惯量（）；M移动部件质量（）。对材料为钢的圆柱零件转动惯量可按下式估算式中：D圆柱零件直径（cm）；L零件长度（cm）。所以电机轴转动惯量很小，可以忽略，则+3.9 四、控制系统硬件设计X-Y工作台控制系统硬件主要包括CPU、传动驱动、传感器、人机交互界面。硬件系统设计时，应注意几点：电机运转平稳、响应性能好、造价低、可维护性、人机交互界面可操作性比较好。4.1 CPU板4.1.1 CPU的选择随着微电子技术水平的不断提高，单片微型计算机有了飞跃的发展。单片机的型号很多，而目前市场上应用MCS-51芯片及其派生的兼容芯片比较多，如目前应用最广的8位单片机89C51，价格低廉，而性能优良，功能强大。在一些复杂的系统中就不得不考虑使用16位单片机，MCS-96系列单片机广泛应用于伺服系统，变频调速等各类要求实时处理的控制系统，它具有较强的运算和扩展能力。但是定位合理的单片机可以节约资源，获得较高的性价比。从要设计的系统来看，选用较老的8051单片机需要拓展程序存储器和数据存储器，无疑提高了设计价格，而选用高性能的16位MCS-96又显得过于浪费。生产基于51为内核的单片机的厂家有Intel、ATMEL、Simens，其中在CMOS器件生产领域ATMEL公司的工艺和封装技术一直处于领先地位。ATMEL公司的AT89系列单片机内含Flash存储器，在程序开发过程中可以十分容易的进行程序修改，同时掉电也不影响信息的保存；它和80C51插座兼容，并且采用静态时钟方式可以节省电能。因此硬件CPU选用AT89S51，AT表示ATMEL公司的产品，9表示内含Flash存储器，S表示含有串行下载Flash存储器。AT89S51的性能参数为：Flash存储器容量为4KB、16位定时器2个、中断源6个（看门狗中断、接收发送中断、外部中断0、外部中断1、定时器0和定时器1中断）、RAM为128B、14位的计数器WDT、I/O口共有32个。4.1.2 CPU接口设计CPU接口部分包括传感器部分、传动驱动部分、人机交互界面三部分。示意图如下所示： 图3-1 CPU外部接口示意图 图3-2 AT89S51控制系统图4.2 驱动系统传动驱动部分包括步进电机的驱动和电磁铁的驱动，步进电机须满足快速急停、定位和退刀时能快速运行、工作时能带动工作台并克服外力（如切削力、摩擦力）并以指令的速度运行。在定位和退刀时电磁铁吸合使绘笔抬起，绘图时能及时释放磁力使笔尖压下。4.2.1 步进电机驱动电路和工作原理步进电机的速度控制比较容易实现，而且不需要反馈电路。设计时的脉冲当量为0.01mm，步进电机每走一步，工作台直线行进0.01mm。步进电机驱动电路中采用了光电偶合器，它具有较强的抗干扰性，而且具有保护CPU的作用，当功放电路出现故障时，不会将大的电压加在CPU上使其烧坏。图3-4 步进电机驱动电路图该电路中的功放电路是一个单电压功率放大电路，当A相得电时，电动机转动一步。电路中与绕组并联的二极管D起到续流作用，即在功放管截止是，使储存在绕组中的能量通过二极管形成续流回路泄放，从而保护功放管。与绕组W串联的电阻为限流电阻，限制通过绕组的电流不至超过额定值，以免电动机发热厉害被烧坏。由于步进电机采用的是三相六拍的工作方式（三个线圈A、B、C），其正转的通电顺序为：A-AB-B-BC-C-CA-A，其反转的通电顺序为：A-AC-C-CB-B-BA-A。4.2.2 电磁铁驱动电路 该驱动电路也采用了光电偶合器，但其功放电路相对简单。其光电偶合部分采用的是达林顿管，因为驱动电磁铁的电流比较大。图3-6 电磁铁驱动电路4.2.3 电源设计两电机同时工作再加上控制系统用电，所需电源容量比较大，需要选择大容量电源。此系统中用到的电源电压为27V、12V、5V，为了便于管理和电源容量需求，就采用了标准的27V电源作为基准，通过芯片进行电压转换得到所需的12V和5V电压。4.3 X轴电机点动正转程序流程图X+EN： CLR P1.6 MOV A，PA MOV DPTR，A MOVX A，DPTR JNB ACC.0，LOOP2MOTOR0： MOV DIRX，#01H ACALL XMOTOR0 MOV A，PC MOV DPTR，A MOV A，DPTR JNB ACC.0，MOTOR0LOOP2： AJMP LOOP1这是X轴电机点动正转的程序，其他的X轴电机点动反转、Y轴电机点动正转、Y轴电机点动反转依次类推。五、总结本次课程设计是综合大学所有学科的一次练习，是最大的一次课程设计。这次课程设计跨越机械和电气两大学科。在设计时要联系机械部分和电气控制部分作为一个有机的整体来考虑，本次设计是一个机械和电气有机组合的系统是一个整体。如果单方面考虑其中一项必定是做不出来的。这次课程设计时我又一次亲手设计东西，与以前单纯的机械设计不一样，有了更多的收获，体会也很多。在这次设计中我也学会了很多新东西，包括一些软件的应用。当然最重要的是学到了基于运动控制卡的几点一体化系统设计的一些基本方法。加深了对机械系统设计的理解，初步了解了一些常用工业控制元器件和掌握它们的使用方法。知道了设计一个机电一体化的系统需要考虑到哪些方面，做个部分设计时应该先哪里后哪里的先后顺序，让我在以后的设计中会有一个清晰地思路，而避免走太多弯路。这次设计中那我了解了运动控制卡、驱动器、步进电机的基本特性、使用方法，以及它们之间所需要的匹配关系。通过这次课程设计我深刻的感到了理论和时间之间巨大的差别及其之间的联系。平时理论知识学的很好，但是在课程设计中并不能得心应手，会遇到很多不能解决的实际问题，这就需要加强实践能力，一个同学的知识变成多个同学的知识，多个同学的知识变成一个同学的知识，这样才能互相促进、相互提高。另外，理论与实践也存在必然的联系，在老师的帮助下才能使课程设计最终成功。在这里特别感谢老师对我们的悉心指导，正是应为有了你梦的指导和帮助，我的设计才能进行并顺利结束。六、参考文献1 郑学坚,周斌.微型计算机原理及应用.清华大学出版社,20032 李广弟,朱月秀，王秀山.单片机基础.北京航空航天大学出版社,20013 房小翠.单片微型计算机与机电接口技术.国防工业出版社,20024 王小明. 电动机的单片机控制. 北京航空航天大学出版社,20025 李建勇.机电一体化技术.科学出版社.20046 王爱玲，白恩远，赵学良.现代数控机床.国防工业出版社,20017 徐灏.机械设计手册（3）.机械工业出版社,20038 张建民.机电一体化系统设计.北京理工出版社,20049 徐灏等.机械设计手册M.北京:机械工业出版社,2000沈阳理工大学应用技术学院机电一体化课程设计沈 阳 理 工 大 学机电一体化课程设计计算说明书题 目： X-Y数控工作台机电系统设计 所属系部： 机械运载学院 专 业： 机械设计制造及其自动化 学生姓名： 徐占生 指导教师： 刘长吉 2011年 6 月 12 日目录摘要31.设计任务32.总体方案的确定42.1 机械传动部件的选择42.1.1导轨副的选用42.1.2丝杠螺母副的选用42.1.3减速装置的选用42.1.4伺服电动机的选用52.1.5检测装置的选用52.2 控制系统的设计52.3 绘制总体方案图53.机械传动部件的计算与选型63.1 导轨上移动部件的重量估算63.2 铣削力的计算63.3 直线滚动导轨副的计算与选型（纵向）63.3.1 块承受工作载荷的计算及导轨型号的选取63.3.2 距离额定寿命L的计算73.4 滚珠丝杠螺母副的计算与选型73.4.1 最大工作载荷Fm的计算73.4.2 最大动工作载荷FQ的计算73.4.3 初选型号83.4.4 传动效率的计算83.4.5 刚度的验算83.4.6 压杆稳定性校核93.5 步进电动机减速箱的选用93.6 步进电动机的计算与选型103.6.1 计算加在步进电动机转轴上的总转动惯量Jeq103.6.2 计算加在步进电动机转轴上的等效负载转矩Teq113.6.3 步进电动机最大静转矩的选定.123.6.4 步进电动机的性能校核.124. 增量式旋转编码器的选用135. 绘制进给传动系统示意图146 控制系统硬件电路设计147. 步进电动机的驱动电源选用.15心得体会.16致谢.18参考文献.18附录.18X-Y数控工作台机电系统设计摘要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。1.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，外形如下1-1图所示，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=15mm;（4）最大背吃刀量=7mm;（5）加工材料为碳素钢活有色金属。（6）X、Y方向的脉冲当量=0.005mm/脉冲;（7）X、Z方向的定位精度均为mm;（8）工作台面尺寸为，加工范围为;（9）工作台空载进给最快移动速度：;（10）工作台进给最快移动速度:; 1-1：X-Y 数控工作台外形图2.总体方案的确定2.1 机械传动部件的选择2.1.1导轨副的选用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。2.1.2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0.004mm冲当量和mm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。2.1.3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。2.1.4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。2.1.5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。2.2 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。2.3 绘制总体方案图总体方案图如图2.1所示。图2.1 总体方案图3.机械传动部件的计算与选型3.1 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.3.2 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（见参考文献 1）查得立铣时的铣削力计算公式为： (4-1)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，背吃刀量=7mm ，每齿进给量，铣刀转速。则由式（4-1）求的最大铣削力：采用立铣刀进行圆柱铣削时，各铣削力之间的比值可由表3-5（见参考文献 1）查得，结合图3-4a，考虑逆铣时的情况，可估算三个方向的铣削力分别为：,，。图3-4a为卧铣情况，现考虑立铣，则工作台受到垂直方向的铣削力，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，径向铣削力为。3.3 直线滚动导轨副的计算与选型（纵向）3.3.1 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直方向载荷为： (4-2)其中，移动部件重量800N，外加载荷，代入式（4-2），得最大工作载荷=686N=0.686kN。查表3-41（见参考文献 1），根据工作载荷=0.686kN，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，额定静载荷。任务书规定工作台面尺寸为，加工范围为，考虑工作行程应留有一定余量，查表3-35，按标准系列，选取导轨的长度为520mm。3.3.2 距离额定寿命L的计算上述所取的KL系列JSA-LG25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。查表3-36表3-40（见参考文献 1），分别取硬度系数f=1.0，温度系数f=1.00，接触系数f=0.81，精度系数f=0.9，载荷系数f=1.5，代入式（3-33），得距离寿命：L=远大于期望值50Km，故距离额定寿命满足要求。3.4 滚珠丝杠螺母副的计算与选型3.4.1 最大工作载荷Fm的计算如前页所述，在立铣时，工作台受到进给方向的载荷（与丝杠轴线平行）Fx=1408N,受到横向载荷（与丝杠轴线垂直）Fy=320N，受到垂直方向的载荷（与工作台面垂直）Fz=486N.已知移动部件总重量G=800N，按矩形导轨进行计算，查表3-29，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：Fm=KFx+(Fz+Fy+G)=1.11408+0.005(486+320+800)N1557N3.4.2 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=400mm/min，初选丝杠导程Ph=5mm,则此时丝杠转速n=v/Ph=80r/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=72（单位为：106r）。查表3-30（见参考文献 1），取载荷系数fw=1.2,滚道硬度为60HRC时，取硬度系数fH=1.0,代入式FQ=，求得最大动载荷：FQ=3.4.3 初选型号根据计算出的最大动载荷和初选的丝杠导程，查表3-31（见参考文献 1），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20mm，导程为5mm，循环滚珠为3圈*1系列，精度等级取5级，额定动载荷为9309N，大于FQ，满足要求。3.4.4 传动效率的计算将公称直径d0=20mm,导程Ph=5mm,代入=arctanPh/(d0)，得丝杠螺旋升角=433。将摩擦角=10，代入=tan/tan(+),得传动效率=96.4%。3.4.5 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，见书后插页图6-23。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=500mm；钢的弹性模量E=2.1105Mpa;查表3-31，得滚珠直径Dw=3.175mm，丝杠底径d2=16.2mm,丝杠截面积S=/4=206.12m。忽略式（3-25）中的第二项，算得丝杠在工作载荷Fm作用下产生的拉/压变形量mm=0.0180mm.。(2) 根据公式，求得单圈滚珠数Z=20；该型号丝杠为单螺母，滚珠的圈数列数为31，代入公式Z圈数列数，得滚珠总数量=60。丝杠预紧时，取轴向预紧力/3=519N。则由式（3-27）（见参考文献 1），求得滚珠与螺纹滚道间的接触变形量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=0.0012mm。(3) 将以上算出的和代入，求得丝杠总变形量（对应跨度500mm）=0.0192mm=19.2本例中，丝杠的有效行程为330mm，由表3-27（见参考文献 1）知，5级精度滚珠丝杠有效行程在315400mm时，行程偏差允许达到25，可见丝杠刚度足够。3.4.6 压杆稳定性校核根据公式（3-28）计算失稳时的临界载荷FK。查表3-34（见参考文献 1），取支承系数=1；由丝杠底径d2=16.2mm求得截面惯性矩3380.88；压杆稳定安全系数K取3（丝杠卧式水平安装）；滚动螺母至轴向固定处的距离a取最大值500mm。代入式（3-28）（见参考文献 1），得临界载荷FK=1557N，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。3.5 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，采用图3-8所示的弹簧错齿法消除侧隙。已知工作台的脉冲当量=0.004mm/脉冲，滚珠丝杠的的导程Ph=5mm， 初选步进电动机的步距角=0.75。根据式（3-12）（见参考文献 1），算得减速比：=（0.755）/（3600.004）=25/10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+30）1/2mm=57mm,小齿轮厚度为20mm，双片大齿轮厚度均为10mm。3.6 步进电动机的计算与选型3.6.1 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=20mm，总长l=500mm，导程Ph=5mm，材料密度=7.8510-5kg/;移动部件总重力G=800N；小齿轮齿宽b1=20mm.，直径d1=30mm，大小齿轮齿宽b2=20mm，直径d2=75mm；传动比i=25/10。如表4-1所示，算得各个零部件的转动惯量如下： 滚珠丝杠的转动惯量Js=0.617kgcm2;拖板折算到丝杠上的转动惯量Jw=0.517kgcm2;小齿轮的转动惯量Jz1=0.125 kgcm2；大齿轮的转动惯量Jz2=4.877 kgcm2。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（4-5）（见参考文献 1）查得该型号的电动机转子的转动惯量Jm=4 kgcm2。则加在步进电动机转轴上的总转动惯量为：=5.087 kgcm23.6.2 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由式（4-8）（见参考文献 1）可知，包括三部分;一部分是快速空载起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擦转矩。因为滚珠丝杠副传动效率很高，根据式（4-12）可知，相对于和很小，可以忽略不计。则有：=+ （4-3）根据式（4-9），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：= (4-4)其中： =1562.5r/min (4-5)式中空载最快移动速度，任务书指定为3000mm/min；步进电动机步距角，预选电动机为0.75；脉冲当量，本例=0.004mm/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（6-14）求得：=由式（4-10）知，移动部件运动时，折算到电动机转轴上的摩擦转矩为： = (4-6)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传动链效率，取0.7最后由式（6-13）（见参考文献 1）求得快速空载起动时电动机转轴所承受的负载转矩： =+=0.2988Nm (4-7) 2) 最大工作负载状态下电动机转轴所承受的负载转矩由式（4-13）（见参考文献 1）可知，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： =+ （4-8）其中折算到电动机转轴上的最大工作负载转矩由公式（4-14）计算。有：再由式（4-10）（见参考文献 1）计算垂直方向承受最大工作负载情况下， 图3-1移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩：最后由式（6-18），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 （4-9）最后求得在步进电动机转轴上的最大等效负载转矩为：3.6.3 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： （4-10）初选步进电动机的型号为90BYG2602，由表4-5查得该型号电动机的最大静转矩=6Nm。可见，满足要求。3.6.4 步进电动机的性能校核1)最快工进速度时电动机的输出转矩校核 任务书给定工作台最快工进速度=400mm/min，脉冲当量/脉冲，由式（4-16）求出电动机对应的运行频率。从90BYG2602电动机的运行矩频特性曲线图4.1可以看出在此频率下，电动机的输出转矩5.6Nm，远远大于最大工作负载转矩=0.643Nm，满足要求。2）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=3000mm/min，求出其对应运行频率。由图4.1查得，在此频率下，电动机的输出转矩=1.7Nm，大于快速空载起动时的负载转矩=0.2988Nm，满足要求。3）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=3000mm/min对应的电动机运行频率为。查表4-5（见参考文献 1）可知90BYG2602电动机的空载运行频率可达20000，可见没有超出上限。4）起动频率的计算 已知电动机转轴上的总转动惯量，电动机转子的转动惯量，电动机转轴不带任何负载时的空载起动频率（查表4-5）（见参考文献 1）。由式（4-17）可知步进电动机克服惯性负载的起动频率为： (4-11)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。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.增量式旋转编码器的选用本设计所选步进电动机采用半闭环控制，可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，可知电动机转动一转时，需要控制系统发出个步进脉冲。考虑到增量式旋转编码器输出的A、B相信号，可以送到四倍频电路进行电子四细分，因此，编码器的分辨力可选120线。这样控制系统每发一个步进脉冲，电动机转过一个步距角，编码器对应输出一个脉冲信号。此次设计选用的编码器型号为：ZLK-A-120-05VO-10-H 盘状空心型，孔径10mm，与电动机尾部出轴相匹配，电源电压+5V，每秒输出120个A/B脉冲，信号为电压输出。5. 绘制进给传动系统示意图进给传动系统示意图如图5.1所示。图5.1 进给传动系统示意图6控制系统硬件电路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） 接受车床限位开关信号；（4） 接受电动卡盘夹紧信号与电动刀架刀位信号；（5） 控制X，Z向步进电动机的驱动器；（6） 控制主轴的正转，反转与停止；（7） 控制多速电动机，实现主轴有级变速；（8） 控制交流变频器，实现主轴无级变速；（9） 控制切削液泵启动/停止；（10） 控制电动卡盘的夹紧与松开；（11） 控制电动刀架的自动选刀；（12） 与PC机的串行通信。 CPU选用MCS-51系列的8位单片机AT89S52，采用8279，和W27C512，6264芯片做为I/O和存储器扩展芯片。W27C512用做程序存储器，存放监控程序；6264用来扩展AT89S52的RAM存储器存放调试和运行的加工程序；8279用做键盘和LED显示器借口，键盘主要是输入工作台方向，LED显示器显示当前工作台坐标值；系统具有超程报警功能，并有越位开关和报警灯；其他辅助电路有复位电路，时钟电路，越位报警指示电路。控制系统原理框图如图6.1所示。图6.1 控制系统原理框图7.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。查表4-14，选择与之匹配的驱动电源为BD28Nb型，输入电压为1000VAC，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7.1所示。图7-1图8.1 BD28Nb型驱动电源接线图心得体会 本次课程设计是综合性的课程设计，将以前所学到的机械与电气的知识结合到一起，可以说是综合性的训练。这次课程设计跨越机械和电气两大学科。在设计时要联系机械部分和电气控制部分作为一个有机的整体来考虑，本次设计是一个机械和电气有机组合的系统
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