X-Y数控工作台系统设计

专业课程设计PAGE1目录一、任务书 2二、总体方案的确定 31、机械传动部件的选择 32、控制系统的设计 4三、机械传动部件的计算与选型 51、导轨上移动部件的重量估算 52、铣削力的计算 53、直线滚动导轨副的计算与选型 74、滚珠丝杠螺母副的计算与选型 95、步进电动机减速箱的选用 136、步进电动机的计算与选型 137、三菱PLC控制X-Y工作台电气连接图 188、三菱PLC控制X-Y工作台程序: 19参考文献 20全套图纸加V信153893706或扣3346389411一、任务书设计题目：X-Y数控工作台机电系统设计设计任务：设计一台微机控制XY两坐标工作台，供立式数控铣床使用。具体内容如下：机械系统设计：通过计算,正确选择传动机构、导向机构、执行机构、驱动电机等，根据计算说明，绘制机械系统装配图。控制系统设计：根据系统要求，选择正确的控制策略，设计合理的控制系统，并绘制控制系统电路图。主要程序设计：在机械系统设计与控制系统设计的基础上，进行控制系统的主程序设计，列出程序清单。设计说明书撰写。系统主要参数：立铣刀最大直径d=15mm立铣刀齿数Z=3最大铣削宽度最大背吃刀量加工材料为碳素钢或有色金属X,Y方向的脉冲当量X,Y方向的定位精度均为±0.01mm工作台面尺寸为240mm×254mm，加工范围为300mm×250mm工作台空载最快移动速度工作台进给最快移动速度时间安排及任务：一、系统功能介绍、总体方案设计（1天）1.机电一体化产品设计的基本过程介绍；2.XY工作台功能介绍；3.总体方案的确定二、单元功能模块介绍和设计任务的落实（1天）三、详细设计（10天）1．机械系统装配图设计；2．控制各部分原理图的设计；3．主功能程序的编制-二、总体方案的确定1、机械传动部件的选择（1）导轨副的选用要设计的X-Y工作台是用来配套轻型的立式数控铣床，需要承载的载荷不大，但脉冲当量小()，定位精度高（），因此，决定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、结构紧凑、安装预紧方便等优点。选直线滚动导轨副（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，要满足0.005mm的脉冲当量和±0.02mm的定位精度，滑动丝杠副无能为力，只有选用滚珠丝杠副才能达到。滚珠丝杠副的传动精度高、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，而且滚珠丝杠已经系列化，选用非常方便，有利于提高开发效率。选滚动丝杠螺母副（3）减速装置的选用选择了步进电动机和滚珠丝杠副以后，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，且应有消除间隙机构。为此，系统中决定采用无间隙齿轮传动减速箱。拟采用减速器（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2000mm/min。因此，本设计不必采用高档次的伺服电动机，如交流伺服电动机或直流伺服电动机等，可以选用性能好一些的步进电动机，如混合式步进电动机，以降低成本，提高性价比。伺服电机选步进电机（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。任务书所给精度对于步进电动机来说还是偏高的，为了确保电动机在运转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，并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率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。检测装置的选用：增量式旋转编码器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，所以控制系统应该设计成连续控制型。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，应该能够满足任务书给定的相关指标。单片机选：AT89S52（3）要设计一台完整的控制系统，在选择CPU之后，还需要扩展程序存贮器、数据存贮器、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。需要电路扩展（4）选择合适的驱动电源，与步进电动机配套使用，我们将自行设计。自行设计步进电机驱动电源步进电动机步进电动机减速器滚珠丝杠步进电动机减速器工作台滚珠丝杠X方向传动机构Y方向传动机构微型机机电接口驱动电路人机接口图2-1系统总体方案结构框图系统总体方案图三、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、滚珠丝杠副、直线滚动导轨副、导轨座等，估计重量约为800N。G=800N2、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2-1查得立铣时的铣削力计算公式为：表2-1硬质合金铣刀铣削力的计算公式（单位N）[3]16铣刀类型工件材料铣削力公式面铣刀碳钢灰铸铁可锻铸铁圆柱铣刀碳钢灰

铁三面刃铣刀碳钢两面刃铣刀立铣刀期中：ap为背吃刀量mm；ae为侧吃刀量mm；fz为每齿进给量mm/Z；vf进给速度mm/min；Z铣刀齿数；d铣刀直径mm；n铣刀转速r/min，见图2-1。（2-1）图2-1铣削用量说明若铣刀直径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=8，每齿进给量fz=0.1mm/Z；铣刀转速n=300r/min。则由公式2-1求得最大铣削力：采用立铣刀进行圆柱铣削时，各铣削力之间的比值可由表2-2。表2-2各铣削力之间比值铣削条件比值对称铣削不对称铣削逆铣顺铣端铣削ae=(0.4~0.8)d/mmfz=(0.1~0.2)/(mm.z-1))Ff/Fc0.3～0.40.6～0.90.15～0.3Fe/Fc0.85～0.950.45～0.700.9～1.0Ffn/Fc0.50～0.550.50～0.550.5～0.55圆柱铣削ae=0.05d/mmfz=(0.1~0.2)/(mm.z-1))Ff/Fc1.0～1.20.8～0.9Ffn/Fc0.2～0.30.75～0.8Fe/Fc0.35～0.40.325～0.4图2-2铣削力分析图2-3顺铣与逆铣由表2-2，图2-2和图2-3，考虑逆铣情况，可估算出三个方向的铣削力分别为：图2-3a为卧铣情况，现考虑立铣，则工作台受到垂直方向的铣削力Fz=Fe=556N，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=1609N，径向铣削力Fy=Ffn=700N。Fz=556NFx=1609NFy=366N3、直线滚动导轨副的计算与选型（1）滑块承受工作载荷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。X-Y工作台采用水平布置，利用双导轨、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：(2-2)其中，移动部件重量G=900N，外加载荷F=FZ=719N，代入式2-2得最大工作载荷查表3-41[3]48，根据工作载荷Fmax=0.7kN，初选直线滚动导轨副的型号为ZL系列的JSA-LG15型，其额定动载荷Ca=7.94kN，额定静载荷C0a=9.5kN。任务书规定工作台面尺寸为240mm×254mm，加工范围为300mm×250mm，考虑工作行程应留有一定余量，查表3-35[3]45，按标准系列，选取导轨长度为520mm.表3-35JSA型导轨长度系列导轨型号导轨长度系

SA-LG15280340400460520580640700760820940JSA-LG203404005205806407608209401000

1201240JSA-LG25460640800100012401360148016001840

9603000JSA-LG3552060084010001080124014801720220024403000JSA-LG4555065

750850950125014501850205025503000JSA-LG5566078090010201260138015001980222027003000JSA-LG65820970112012701420157017202020232027703000导轨副的型号:ZL系列的JSA-LG15型导轨长度为520mm(2)距离额定寿命L的计算上述选取的ZL系列JSA-LG15型导轨副的滚道硬度为60HRC，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。查表表2-4硬度系数滚道硬度（HRC）505558~64fH0.530.81.0表2-5温度系数工作温度/℃<100100~150150~200200~250fT1.000.900.730.60表2-6接触系数每根导轨上滑块数12345fC1.000.810.720.660.61表2-7精度系数精度等级2345fR1

1.00.90.9表2-8载荷系数工况无外部冲击或震动的低速场合，速度小于15m/min无明显冲击或振动的中速场合，速度为15～60m/min有外部冲击或振动的高速场合，速度大于60m/minfW1~1.51.5~22~3.5分别取硬度系数fH=1.0、温度系数fT=1.00、接触系数fC=0.81、精度系数fR=0.9、载荷系数fW=1.5，代入式2-3【3】46，得所选丝杠的距离寿命为180km。（2-3）即结论：所选导轨的距离寿命远大于期望值50km，故距离额定寿命满足要求。距离寿命为180km远大于期望值50km，故距离额定寿命满足要求4、滚珠丝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=2082N，受到横向的载荷（与丝杠轴线垂直）Fy=473N，受到垂直方向的载荷（与工作台面垂直）Fz=719N。已知移动部件总重量G=800N，按矩形导轨进行计算，查表2-9【3】38，表2-9最大工作载荷Fm实验计算公式及参考系数导轨类型实验公式Kμ矩形导轨1.10.15燕尾导轨1.40.2三角形或综合导轨1.150.15~0

8注：表中摩擦因数μ均为滑动导轨。对于贴塑导轨μ=0.03～0.05，滚动导轨μ=0.003～0.005。表中，Fx为进给方向载荷，Fy为横向载荷，Fz为垂直载荷，单位均为N；G为移动部件总重力，单位为N；K为颠覆力矩影响系数；μ为导轨的摩擦系数。取移动部件总重量G=900N，按矩形导轨进行计算，查表2-9，取颠覆力矩影响系数K=1.1，滚动导轨上的摩擦因素μ=0.005。求得滚珠丝杠副的最大工作载荷：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=1000mm/min，初选丝杠导程Ph=5mm，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2-10[3]39，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2-4【3】38（2-4）即：式中：L0——滚珠丝杠副的寿命，单位（106r）。L0=60nT/106，（其中T为使用寿命，普通机械取T=5000~10000h，数控机床及一般机电设备取T=15000h；n为丝杠每分钟转速）；fW——载荷系数，由表2-10查得。fH——硬度系数（≥58HRC时，取1.0；等于55HRC时，取1.11；等于52.5HRC时，取1.35；等于50HRC时，取1.56；等于45HRC时，取2.40）；Fm——滚珠丝杠副的最大工作载荷，单位为N。表2-10滚珠丝杠载荷系数运转状态载荷系数fW平稳或轻度冲击1.0～1.2中等冲击1.2～1.5较大冲击或振动1.5～2.5最大动载荷FQ=9698N（3）初选型号根据计算出的最大动载荷和初选的丝杠导程，查附件3表3-31【3】39，选择济宁博特精密丝杠制造有限公司生产的GD系列3205-4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5mm，循环滚珠为4圈×1列，精度等级取4级，额定动载荷为13675N，大于FQ，满足要求。GD系列3205-4型滚珠丝杠副（4）传动效率η的计算将公称直径d0=32mm，导程Ph=5mm，代入，得丝杠螺旋升角。将摩擦角，代入，得传动效率。效率要求大于90%，该丝杠副合格。>90%，合格。（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。丝杠的两端各采用一对推力角接触球轴承，面对面组配，左、右支承的中心距离约为a=500mm；钢的弹性模量E=2.1×105MPa；查附件3，得滚珠直径DW=3.175mm，丝杠底径d2=28.2mm，丝杠截面积。丝杠的拉伸或压缩变形量δ1在总变形量中的比重较大，可按下式计算：(2-5)[3][4]式中：Fm——丝杠的最大工作载荷，单位为Na——丝杠两端支承间的距离，单位为mmE——丝杠材料的弹性模量，钢的E=2.1×105MPaS——丝杠按底径d2确定的截面积，单位为mm2M——转矩，单位为N·mmI——丝杠按底径d2确定的截面积惯性矩（），单位为mm4滚珠与螺纹滚道间的接粗变形量δ2无预紧时(2-6)[3]41有预紧时(2-7)[3]41式中DW——滚珠直径，mmZ∑——滚珠总数量，Z∑=Z×圈数×列数Z——单圈滚珠数，（外循环），（内循环）FYJ——预紧力，单位N忽略式2-5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=0.0124mm即2）根据公式，求得单圈滚珠数Z=17；该型号丝杠为单螺母，滚珠的圈数×列数为4×1，代入公式：ZΣ=Z×圈数×列数，得滚珠总数量ZΣ=51。丝杠预紧时，取轴向预紧力FYJ=Fm/3=593N。则由式2-7，滚珠与螺纹滚道间的接触变形量δ2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小一半，δ2=0.000148mm。3）将以上算出的δ1和δ2代入。丝杠的有效行程为300mm，由表3-27【3】35知，4级精度滚珠丝杠有效行程在250～400mm时，行程偏差允许达到16μm，可见丝杠刚度足够。丝杠刚度足够（6）压杆稳定性校核滚珠丝杠是属于受轴向力的细长杆，如果轴向负载过大，则可能产生失稳现象。失稳时的临界载荷Fk应满足：（2-8）【3】42式中Fk——临界载荷，单位Nfk——丝杠支承系数，如表所示K——压杆稳定安全系数，一般取2.5～4，垂直安装时取小值；A——滚珠丝杠两端支承间的距离，单位为mm。表2-11丝杠支承系数【3】42方式双推-自由双推-简支双推-双推单推-单推fk0.25241查表2-11，取fk=1；由丝杠底径d2=28.2mm，求得截面惯性矩：；压杆稳定系数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550mm。代入式2-8，得临界载荷Fk≈22611N，远大于工作载荷Fm=1779N，故丝杠不会失稳。丝杠不会失稳综上所述，初选的滚珠丝杠副满足使用要求。5、步进电动机减速箱的选用为了满足脉冲当量的设计要求，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小，决定在步进电动机的输出轴上安装一套齿轮减速箱。采用一级减速，步进电动机的输出轴与小齿轮联接，滚珠丝杠的轴头与大齿轮联接。其中大齿轮设计成双片结构，采用右图所示的弹簧错齿法消除侧隙。计算减速器传动比已知工作台的脉冲当量δ=0.01mm/P，滚珠丝杠的导程Ph=5mm，初选步进电动机的步距角α=0.75°，算得减速比：由于传动比约等1，故不需要减速箱由于传动比约等1，故不需要减速箱6、步进电动机的计算与选型（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=500mm导程Ph=5mm；材料密度ρ=7.85×10-3kg/cm3移动部件总重力G=800N；滚珠丝杠转动惯量：托板折算到丝杠上的转动惯量：初选步进电动机型号为90BYG2602，为两相混合式，由常州宝马集团公司生产，二相八拍驱动时步距角为0.75°，从附件4表4-5【3】65查得该型号电动机转子的转动惯量Jm=4kg.cm2。则加在步进电动机转轴上的总转动惯量为：滚珠丝杠转动惯量=3.14kg.cm2托板折算到丝杠上的转动惯量=0.317kg.cm2步进电动机转轴上的总转动惯量=13.916kg.cm2（2）计算加在步进电动机转轴上的等效负载转矩Teq分快速空载启动和承受最大工作负载两种情况进行计算。快速空载启动时电动机转轴所承受的负载转矩Teq1（2-9）式中：Tamax——快速空载启动时折算到电动机转轴上的最大加速转矩，NmTf——移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩，NmT0——滚珠丝杠预紧后折算到电动机转轴上的附加摩擦转矩，Nm（2-10）式中：Jeq——步进电动机转轴上的总转动惯量，kg.m2ε——电动机转轴的角加速度，rad/s2nm——电动机转速，r/minta——电动机加速所用时间，s,一般在0.3～1s之间选取。(这里取0.4s)η——齿轮组总效率，取η=0.9式中vmax——空载最快移动速度，任务书指定为1000mm/min;α——步进电机步距角，预选电动机为0.75°δ——脉冲当量，任务书指定为0.01mm/P由式2-10得（2-11）式中F摩——导轨的摩擦力，NPh——滚珠丝杠导程，mη——齿轮总效率，取η=0.9i——总的传动比，i=nm/ns，其中nm为电动机转速，ns为丝杠的转速。μ——导轨摩擦因数（滑动导轨取0.15~0.18）,滚动导轨取0.003～0.005）；这里取0.005Fz——垂直方向的工作载荷，空载时Fz=0（2-12）式中：μ——导轨摩擦因数（滑动导轨取0.15~0.18）,滚动导轨取0.003～0.005）；Fc——垂直方向的工作载荷，车削时为Fc，立铣时为Fz单位为N，空载时Fc=0；G——运动部件的总总量，单位为N（2-13）式中FYJ——滚珠丝杠的预紧力，一般取滚珠丝杠工作载荷Fm的1/3，单位为N；η0——滚珠丝杠未预紧时的传动效率，一般取η0≥0.9由于滚珠丝杠副的传动效率很高，所以T0值一般很小，与Tamax和Tf比起来，通常可以忽略不计。由式2-9得快速空载启动时电动机转轴所承受的负载转矩：电动机转速=208r/min快速空载启动时折算到电动机转轴上的最大加速转矩=0.1084Nm移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩=0.004Nm滚珠丝杠预紧后折算到电动机转轴上的附加摩擦转矩=0(即忽略)快速空载启动时电动机转轴所承受的负载转矩=0.1124Nm2）最大工作负载状态下电动机转轴所承受的负载转矩Teq2（2-14）式中：Tf和T0分别按式2-11和2-13计算。Tt——折算到电动机转轴上的最大工作负载转矩（2-15）式中Ff——进给方向最大工作载荷，单位N。本设计对滚珠丝杠进行计算的时候，已知沿着丝杠轴线方向的最大进给载荷Fx=2802N。由式2-11得：垂直方向承受最大工作负载(Fz=719N)情况下，移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩：则由式2-14得：综上计算，得到加在步进电动机转轴上的最大等效负载转矩应为：折算到电动机转轴上的最大工作负载转矩=1.76Nm移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩=0.008Nm最大工作负载状态下电动机转轴所承受的负载转矩Teq2=1.768Nm综上计算，得到加在步进电动机转轴上的最大等效负载转矩应为：1.768Nm（3）步进电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选择步进电动机的最大静转矩时，需要考虑安全系数。这里取安全系数K=4，则步进电动机的最大静转矩应满足：上述初选的步进电动机型号为90BYG2602，由附件4表4-5查得该型号电动机的最