X-Y数控工作台机电系统设计任务书(

1、数控机床课程设计说明书设计题目 ：XY 数控工作台机电系统设计班级：姓名：指导教师：机电一体化教研室2010年 6 月目录一、设计目的3二、设计任务4三总体方案的确定41、机械传动部件的选择.4(1)丝杠螺母副的选用5(2)导轨副的选用5(3)伺服电动机的选用52、控制系统的设计53、绘制总体方案图6四、机械传动部件的计算与选型61、 导轨上移动部件的重量估算62、铣削力的计算6五、步进电动机的计算与选型101、传动计算102、计算加在步进电动机转轴上的总转动惯量Jeq103、计算加在步进电动机转轴上的等效负载转矩Teq114、步进电动机最大静转矩的选定13六、直线滚动导轨副的计算与选型151

2、、块承受工作载荷的计算及导轨型号的选取. 152、距离额定寿命L 的计算15七、绘制进给传动系统示意图16八、控制系统硬件电路设计16九、步进电动机的驱动电源选用19结 束 语19参考文献20一、设计目的数控机床课程设计是一个很重要的实践性教学环节，要求学生综合运用所学的理论知识，独立进行设计训练，主要目的：1）通过本设计，使学生全面地，系统地了解和掌握数控机床得基本组成及其相关基本知识， 学习总体方案拟定、 分析与比较的方法。2） 通过对机械系统的设计，掌握几种典型传动元件与导向元件得工作原理、设计计算方法及选用原则。3）通过伺服系统得设计，掌握常用伺服电机得工作原理、计算选择方法与控制驱动

3、方式。4）培养学生独立分析问题和解决问题的能力，学习并初步树立 “系统设计”的思想。5） 锻炼提高学生应用手册和标准、查阅文献资料以及撰写科技论文的能力。二、设计任务任务 ：设计一种立式数控铣床使用的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 ae =15mm;4. 最大背吃刀量 a p =8mm;5. 加工材料为碳素钢活有色金属。6. X、Y 方向的定位精度均为 0.02mm;7. 工作台尺寸 230mm 230 ，加工范围为 250mm 250mm8. 工作台空载进给最快移动速度： Vxmax =Vymax =30

4、00mm/min;9. 工作台进给最快移动速度: V xmax =Vymax =400mm/min;10. 加减速 0.4s三总体方案的确定1、机械传动部件的选择(1) 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 0.02 mm的定位精度，滑动丝杠副不能达到要求， 因此选用滚珠丝杆副，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。轴向间隙的调整和预紧方式：选用垫片调隙式，这种方法结构简单、刚性好、装卸方便，适用于一般精度的机构滚珠丝杠的安装：采用一端固定，一端游动的方式，因其压杆稳定性和临界转速较高(2) 导轨副的选用要

5、设计数控车床工作台，需要承受的载荷不大，而且定位精度高，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，安装预紧方便好且精度保持性等优点。选滚珠导轨，适合用于导轨上运动部件重量小于200kg 的机床，摩擦阻力小，制造容易，成本较低。(3) 伺服电动机的选用任务书规定的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。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

6、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、绘制总体方案图总体方案图如图3.1 所示。微接功执机械机械口放行型传动执行电电元机机构机构路路件图 3.1总体方案图四、机械传动部件的计算与选型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、工作平台、上层电动机、减速箱、

7、滚珠丝杠副、直线滚动导轨副、导轨座等 , 估计重量约为 800N。2、铣削力的计算采用硬质合金立铣刀，工件的材料为碳钢，根据金属切屑原理与刀具 200 页表 15-5得硬质合金立铣刀铣削力经验公式F0.850.75 -0.731.0n0.1C=118efzdap其中 铣刀的直径 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ae=15mm，背吃刀量 ap=8mm，查 切削用量简明手册可得，每齿进给量fz=0.1mm，铣刀转速 n=300/min。则由上公式求得最大铣削力：FC=118x0.85 x 0.1 0.75 x 15 -0.73 x 8 1.0 x

8、300 0.1 x1 =1233 N考虑逆铣时的情况，可估算三个方向的铣削力分别为：Ff=1Fc=1356N，Fe=0.38Fc=308 N，Ffm =469 N 则工作台受到垂直方向的铣削力Fz=Fe=308N，受到水平方向的铣削力分别为Ff 和 Ffn。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Fx =Ff =1356N，径向铣削力 Fy =Ffn=469N。3杠螺母副的计算与选型（ 1）最大工作载荷 Fm 的计算在立铣时，工作台受到进给方向的载荷（与丝杠轴线平行）Fx=1356N，受到横向的载荷（与丝杠轴线垂直）Fy =308N，受到垂直方向的载荷（与工作台

9、面垂直） Fz =469N。已知移动部件总质量G=800N，按矩形导轨进行计算，由金属切屑机床126 页公式 17-5 得：Fm=KFx+ (Fz+Fy+G)=1.11356+0.00 5 ( 469+308+500)N1498N取摩擦系数 =0.005。取颠覆力矩影响系数 K=1.1,求得滚珠丝杠副的最大工作载荷：（2）最大动载荷 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： 10

10、6r)。查课本 110 页表 5-1,5-2，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：FQ7478 N（3）初选型号根据计算出的最大动载荷和初选的丝杠导程，查现代实用机床设计手册（上册）967 页，选择南京工艺装备制造有限公司生产的 FF2005-3 型滚珠丝杠副，为内循环浮动式反向器螺母无预紧滚珠丝杠副，其公称直径为20mm，导程为 5mm，循环滚珠总圈数为 3 圈，精度等级取 5 级，额定动载荷为9100N，大于 FQ 满足要求。（ 4）传动效率 的计算将公称直径d0=20mm，导程Ph=5mm，代入=arctanPh/(d0)

11、， 得 丝 杠 螺 旋 升 角=433。 将 摩 擦 角=10， 代 入=tan/tan(+)，得传动效率 =96.4%。（5）刚度的验算1） X-Y 工作台上下两层滚珠丝杠副的支撑均采用“单推 -单推 ”的方式。丝杠的两端各采用一对推力角接触球轴承，面对面组配，左、右支撑的中心距离约为a=500mm；钢的弹性模量E=2.1 105MPa；查现代实用机床设计手册 （上册）967 页，得滚珠直径 DW =3.5mm，丝杠底径 d2=16.9mm，丝杠截面积 S= d22/4=224.2mm2。则丝杠在工作载荷Fm 作用下产生的拉 /压变形量：1=Fma/(ES)= 1498 500/(2.1 1

12、05224.2) 0.0159mm。2）根据公式 Z=(d0/DW )-3，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 = Z圈数 列数，得滚珠总数量Z=60。丝杠预紧时，取轴向预紧力FYJ =Fm/3=631。则求得滚珠与螺纹滚道间的接触变形20.0027。因为丝杠加有预紧力 ,且为轴向负载的1/3，所以实际变形量可减少一半，取2=0.0013mm。17.23)将以上算出的 和 代入总 = ，求得丝杠总变形量( 对应跨度121+ 2500mm)总=0.0172mm=17.2m。本例中，丝杠的有效行程为350mm，由表 3-27 知， 5 级精度滚珠丝

13、杠有效行程在 315400mm 时，行程偏差允许达到25m，可见丝杠刚度足够。（6）压杆稳定性校核根据公式计算失稳时的临界载荷F er 。查现代实用机床设计手册 （上册）944、953 页，知当滚珠丝杠的安装方式为一端固定，一端游动时，取压杆稳定安全系数 f1=0.25 （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：4F er3.410f 1 d 2得临界载荷F er=4.324 3KN，10210FmL0故丝杠不会失稳。（ 7） 临界转速的验算：f2查表得临界转速公式为：nc2 d299102Lc式中 f2 丝杠支撑方式系数，一端固定一端游动时f2=1.8

14、75Lc=500mm=0.5md2=d0-1.2Dw=15.8查机床设计手册图5.7-93 ，3当支撑方式为 GT 时 nc 9.423 10 长度 L=500mm时交点在 D=20的左侧，所以临界转速验算合格 .（ 8） 滚珠丝杠的选型以及安装尺寸的确定丝杠工作长度 L，应满足控制中的行程要求。L 应为丝杠工作长度：L=（1.05 1.1 ）行程 +（1014）Ph所以丝杠： L=1.1 250+14+5=350 mm 安装方式为一端固定，一端游动。综上所述，初选的滚珠丝杠副满足使用要求。故滚珠丝杠的型号为 FF2005-3型滚珠丝杠副内循环浮动式反向器螺母无预紧滚珠丝杠副。五、步进电动机的

15、计算与选型1、传动计算为了满足加工精度在0.01-0.02范围内时，数控铣床、钻床车床的脉冲当量可取 0.005-0.01mm/Hz, 因此取脉冲当量=0.01mm/脉冲，滚珠丝杠的的导程 Ph =5mm， 初选步进电动机的步距角 =0.72 越高。 因为步距角越小， 数控机床的控制精度。根据数控机床系统设计式（5-18 ），算得减速比：i ( Ph ) /(360 ) （0.725） / （3600.01 ）=1=由此可见本机构不必要选减速箱。2、计算加在步进电动机转轴上的总转动惯量Jeq由数控机床系统设计 134 页得：由于负载转矩情况不同，负载惯量只能由已计算精确地得到。由电动机驱动的所

16、有运动部件，无论是旋转运动还是直线运动部件，都成为电动机的负载惯量，总的惯量以通过计算各个被驱动部件的惯量，并以一定规律将其加起来即可。滚珠丝杠的公称直径d0=20mm，总长l=500mm，导程 Ph=5mm，材料密度=7.8510-5 kg/ cm2 ; 移动部件总重力G=800N； 圆柱体惯量，当圆柱体围绕其中心轴线旋转时，其惯量可由下述公式计算：M D2J 16810对于钢材：412J1=0.431242J1 0.77 D L 10代入数据得：10 kg m2 沿直线轴移动物体的惯量：J2s10642M5.169410 kgm2 n初选步进电动机的型号为 90BYG5502,由常州市德利

17、来电器有限公司生产，五相混合式步进电动机，驱动时的步距角为 0.72 ，从表查得该型号的电动机转子的转动惯量 Jm=4kgcm2。 总的转动惯量为：J = J1 + J2 + J0。其中 J0 为初选电动机的转子转动惯量，为 4 kg cm2。2代入数据得：J=9.48 kgcm3、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Teq1 由式（4-8 ）可知， Teq1 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Ta max ；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Tf

18、 ；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T0 。因为滚珠丝杠副传动效率很高，根据式（ 4-12 ）可知，则有：Teq1 =Tamax +Tf +T0（6-13 ）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：2 Jeqnm1(6-14)Ta max =60ta其中：nm vmax=600r/min(6-15)360式中 Vm ax 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 0.72；脉冲当量，本例=0.01mm/脉冲。设步进电机由静止加速至 nm 所需时间 ta0.4s ，传动链总效率0

19、.7 。则由式求得：Ta max =J n39.6T13.03 10 N m由式知，移动部件运动时，折算到电动机转轴上的摩擦转矩为：Tf =Fz G ph0.0050 8000.00532 ni20.714.55 10 N m式中 导轨的摩擦因素，滚动导轨取 0.005 Fz 垂直方向的铣削力，空载时取 0传动链效率，取0.7由式知，由于丝杠预紧引起的折算到电动机轴上的附加摩擦力矩为：F amax S (1)33760.005 1230.07113 N mT2 i21020.7 10.9101000最后由式（ 6-13 ）求得快速空载起动时电动机转轴所承受的负载转矩：Teq1 =Tamax +

20、T f +T0 =0.1765N m(6-17)2) 最大工作负载状态下电动机转轴所承受的负载转矩Teq2由式（ 4-13 ）可知， Teq2 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 Tt ；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Tf ；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T0 ，T0 相对于Tf 和 Tt 很小，可以忽略不计。则有：Teq2 =Tt +Tf（6-18 ）其中折算到电动机转轴上的最大工作负载转矩Tt 由公式（ 4-14 ）计算。有：T tF t ph1656 0.0051.88Nm2 i2 0.7 1.0再由式（ 4-10 ）

21、计算垂直方向承受最大工作负载(Fz 556N ) 情况下，移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩：Tf = F zG Ph0.0055728000.005 0.007N m2i20.71.0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：Teq 2 =Tt +Tf =1.887Nm（6-19 ）最后求得在步进电动机转轴上的最大等效负载转矩为：T eqmax T eq1T eq2 =1.887 N m4、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Teq 来选择步进电动

22、机的最大静转矩时， 需要考虑安全系数。 取 K=3, 则步进电动机的最大静转矩应满足：T jmax4T eq =3 1.887=5.661 N.m初选步进电动机的型号为110BYG550B，由表查得该型号电动机的最大静转矩 Tj max =6.8N m。可见，满足要求。5、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Vmax f =400mm/min，脉冲当量=0.01mm/脉冲，电动机对应的运行频率为f max f 400 /( 60 0.01) 667H Z 。从 90BYG5002电动机的运行矩频特性曲线图可以看出在此频率下，电动机的输出转矩T

23、max f 4.5N m，远远大于最大工作负载转矩 T=1.887N m，满足要求。eq22）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vmax =3000mm/min，求出其对应运行频率f max30005000Hz。由矩频特性曲线600.01图查得，在此频率下，电动机的输出转矩Tmax =6.0N m，大于快速空载起动时的负载转矩 Teq1 =0.1765N m，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vmax =3000mm/min对应的电动机运行频率为f max30005000Hz。由矩频特性曲线图查得600.0190BYG5002电动机的

24、空载运行频率可达10000H z ，可见没有超出上限。4）启动频率的计算已知电动机转轴上的总转动惯量 J=9.48 kg cm2，电动机转子的转动惯量Tj ma x =4N m，电动机转轴不带任何负载时的空载起动频率fq 1800 H z（查表 4-5 ）。由式（4-17 ）可知步进电动机克服惯性负载的起动频率为：f Lf q1000Hz1JJ m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 1000Hz。实际上，在采用软件升降频时， 起动频率选得更低， 通常只有 100H z 。综上所述，本次设计中工作台的进给传动系统选用110BYG550B步进电动机，完全满足设计要求

25、。六、直线滚动导轨副的计算与选型1、块承受工作载荷Fmax 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：FmaxGF4其中，移动部件重量800N，外加载荷F=Fz=469，代入上式，得最大工作载荷 Fmax =669N=0.669kN。根据工作载荷 Fmax =0.669kN，初选直线滚动导轨副的型号为KL 系列的 LG15型，其额定动载荷为7.94KN，额定静载荷 9.5 KN 。任务书规定工作台面尺寸为230

26、mm230mm ，加工范围为 250mm 250mm ，考虑工作行程应留有一定余量，按标准系列，选取导轨的长度为520mm。2、距离额定寿命L 的计算上述所取的 KL系列 LG15系列导轨副的滚道硬度为60HRC，工作温度不超过 100 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。查机电一体化系统设计手册表2.9-132.9-16 ，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 fa=0.9 ，载荷系数 f w =1.5 ，代入式（3-33），得距离寿命：L=50 1 1 0.81 8.70.669 1.53172

27、04Km远大于期望值 50Km，故距离额定寿命满足要求。七、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。工作台伺服电动机滚珠丝杠图 5.1进给传动系统示意图八、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 /

28、 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。X-Y 数控工作台的控制系统设计，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。本设计 CPU选用 ATMEL公司的 8 位单片机 AT89S52，由于 AT89S52本身资源有限， 所以扩展了一片 EPROM芯片 W27C512用做程序存储器，存放系统底层程序；扩展了一片 SRAM芯片 6264用做数据存储器，存放用户程序；由于数控工作台还需要加入铣刀运动控制和程序输入等指令，所以除设置了 XY方向的控制指令键，操作开停键，急停键和复位键等外还采用

29、 8279 来管理扩展多种按键。 8279 是一种通用的可编程键盘显示器接口芯片，它能完成键盘输入和显示控制两种功能。键盘部分提供扫描工作方式，可与 64 个按键的矩阵键盘进行连接，能对键盘实行不间断的自动扫描，自动消除抖动，自动识别按键并给出键值。显示部分包括一组数码显示管和七只发光二极管。与 PC机的串行通信经过 MAX233，可以采用 PC机将编好的程序送入本系统。控制步进电动机的转动需要三个要素：方向转角和转速。对于含有硬件环形分配器的驱动电源，方向取决于控制器送出的方向电频的高低，转角取决于控制送出的步进脉冲个数，而转速则取决于控制器发出的步进脉冲的频率。在步进电动的控制中，方向和转

30、角控制简单，而转速控制则比较复杂。由于步进电动的转速正比于控制脉冲的频率，所以对步进电动机脉冲频率的调节，实质上就是对步进电动机的速度的调节。步进电动机的调频的软件延时和硬件定时。采用软件延时法实现速度的调节，程序简单，不占用其他硬件资源；缺点是控制电动机转动的过程中， CPU不能做其他事。硬件定时要占用一个定时器。本设计没有从硬件上布置，由于单片机功能强大，采用软件延时。当步进电动机的运行频率低于它本身的起动频率时，步进电动机可以用运行频率直接起动，并以该频率连续运行；需要停止的时候，可以从运行频率直接降到零，无需升降频控制。当步进电动机的运行频率 （为步进电动机有载起动时的起动频率）时，若直接用 起动，由于频率太高，步进电动机会失步，甚至会丢步，甚至停转；同样在 频率下突然停止，步进电动机会超程。因此，当步进电动机在运行频率 下工作时，就需要采用升降频控制，以使步进电动机从起动频率开始，逐渐加速升到运行频率 ，然后进入匀速运行，停止前的降频可以看