XY数控工作台机电系统设计课程设计(1)

1、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. 总财案的确定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佔算63.2铳削力的计算63.3直线滚动导轨副的计算与选型（纵

2、向）63. 3. 1块承受工作载荷化瘁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n的计算83. 4.5刚度的验算83. 4.6压杆稳定性校孩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. 増量式旋转编

3、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1516W18参考文献1818沈阳理工大学应用技术学院机电一体化课程设计X-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

4、一种供应式数控铳床使用的X-Y数控工作台，外形如下1-1图所示，主 要参数如下：(1) 立铳刀最大直径的d=15mm：(2) 立铳刀齿数Z=3;(3) 最大铳削宽度=15mm;(4) 最大背吃刀量dp=7mm;(5) 加工材料为碳素钢活有色金属。(6) X、Y方向的脉冲当蚩:戈=q.=0.005mnV脉冲；(7) X、Z方向的定位精度均为0.01mm；(8) 工作台而尺寸为230mmx230mm ,加工范围为250mmx250mm;(9) 工作台空载进给最快移动速度：匕吨=匕“=3000mm/min;(10) 工作台进给最快移动速度:Vxnmf =匕=400mm/min ;1-1： X-Y数控

5、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，宦位赭度高， 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0.01 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，滚珠丝杆副的传动稱度高、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

6、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。4沈阳理工大学应用技术学院机电一体化课程设计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. OOlnun,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检测装養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

7、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 星式旋转编码器，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宦位，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

8、满足任务书给左的相关指标。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绘制总体方案图行一 元 件接 口 电 足各机械 传幼 机构功放电路图2.1总体方案图总体方案图如图2. 1所示。机械 执彳亍 机构3. 机械传动部件的计算与选型3.1导轨上移动部件的重最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，佔计重量约为800N.3.2铳削力的计算设零件的加工方式为立式铳削，采用硬质合金立铳刀，

9、工件的材料为碳钢。则 由表3-7 （见参考文献1）查得立铳时的铳削力计算公式为：F = 118a8Sfy5d-73a；ono,3Z（4-1）今选择铳刀的直径为d=15mm,齿数Z=3,为了计算最大铳削力，在不对称铳削 情况下，取垠大铳削宽度为ae = 15mm,背吃刀=7nun ,每齿进给量f2=O.lmm, 铳刀转速n=300r/min 则由式（4-1）求的最大铳削力：=118x15085 x 0.175 x 15-073 x 7,0 x 300 “ x3Nl 280N采用立铳刀进行圆柱铳削时，各铳削力之间的比值可由表3-5 （见参考文献11）查得，结合图3-4a,考虑逆铳时的情况，可佔算三

10、个方向的铳削力分别为： Ff =1.1 耳 U1408N, E=0.38F；u486N, % = 0.25尺=320N。图 3-4a 为卧铳情况， 现考虑立铳，则工作台受到垂直方向的铳削力E = E=486N,受到水平方向的铳 削力分别为Ff和。今将水平方向较大的铳削力分配给工作台的纵向，则纵向铳 削力Fx=Ff =1408N ,径向铳削力为Fy = Ffn = 320N。3.3直线滚动导轨副的计算与选型（纵向）3. 3.1块承受工作载荷入x的计算及导轨型号的选取工作载荷是彩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

11、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：F罟+ F（4-2）其中，移动部件重量G=800N,外加载荷F=FZ =486N，代入式（4-2）,得最 大工作载荷 肚=68620. 686kN。查表3-41 （见参考文献1）,根据工作载荷FO. 686kN,初选直线滚动导 轨副的型号为KL系列的JSA-LG15型，其额怎动载荷Ca=7.94kN,额上静载荷 =9.5kN o任务书规龙工作台而尺寸为230mmx230mm ,加工范围为250mmx250mm , 考虑工作行程应留有一定余星，査表3-35,按标准系列，选取导轨的长度为 520mmo3. 3. 2距离额定

12、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60IIRC,工作温度不超过 100C,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fw=1.0,温度系数fr=1.00, 接触系数fc=0.81,精度系数ff0.9,载荷系数fv=1.5,代入式（3-33）,得距 离寿命：f. x f x f x f C ,L=（几 几 八 X 2-）3 X 50 U 5625K加远大于期望值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，在立铳时，工作台

13、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=l.l,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+/z （Fz+Fy+G） = l. 1x1408+0. 005x （486+320+800） N = 1557N3.4.2最大动工作载荷FQ的计算设工作台在承受最大铳削力时的最快进给速度v=400nim/min,初选丝杠导程沈阳理工大学应用技术学院机电一体化课程设计

14、Ph=5mm,则此时丝杠转速 n=v/Ph=80r/mino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=i. o,代入式，求得最大动载荷：Fq=血T73N3. 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

15、动载荷为9309N,大于Fq,满足要求。3. 4.4传动效率n的计算将公称直径do=20mm,导程Ph=5mm,代入X =arctanPh/(n d0),得丝杠螺旋升 角入=4 33 o将摩擦角屮=10 ,代入n=tanX/tan(X + V),得传动效率 n=96. 4%o3.4.5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. 1 x 105Mpa;査表3-31,得滚珠直径 D=3. 175mm,丝杠底径 d2=16. 2

16、mm,丝杠截面积 Swd； /4=206. 1 加加？。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 量坊=巴a/(ES) = 1557x500/(2.lxl05x206.12)mm=0. 0180mm.。根据公式Z = (/rd/Z).)-3,求得单圈滚珠数Z=20：该型号丝杠为单螺母，滚珠的圈数x列数为3x1,代入公式Zz=Zx圈数x列数，得滚珠总数Ze=60o丝杠 预紧时，取轴向预紧力爲=凡/3=519氐 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爲=0.0024mm。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

17、一半，取2=0. 0012mm。将以上算出的禹和毎代入务=禹+爲，求得丝杠总变形星(对应跨度500mm)(5=0. 0192mm=19. 2 pm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315400mni时，行程偏差允许达到25“刃，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。査表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/ =兀居/64u3380. 88mm4: 压杆稳左安全系数K取3 (丝杠卧式水平安装)：滚动螺母至轴向固怎处的距

18、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屋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 o

19、根据式(3-12)(见参考文献1),算得减速比：i = (aPh)/(360S)= (0. 75x5) / (360x0.004) =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) x l/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Je.已知：滚珠丝杠的公称直径do=2Omni，总长l=500mni,导程Ph=5mm,材料密度q=7. 85x

20、 10-5kg/cm2 ;移动部件总重力G=800N；小齿轮齿宽bROrnm.,直径d尸30nun,大小齿轮齿宽b2=20mni,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：_ 7rLpR2_ jrbpR2s= -2-z= -2-滚珠丝杠的转动惯量Js=0. 617kgcm?;拖板折算到丝杠上的转动惯量J47 = 4x0.643 = 2.572N 加 (4-10)/mixcq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DrnaxhGN.m。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

21、输出转矩校核任务书给定工作台最快工进速度匕s=400mm/min,脉冲当蚩：5 = 0.004加“/脉冲，由式(4-16)求出电动机对应的 运行频率/ =(400/ (60x 0.004)1667H: o从90BYG2602电动机的运行矩频特性沈阳理工大学应用技术学院机电一体化课程设计曲线图4. 1可以看出在此频率下，电动机的输岀转矩6N-m,远远大于最大工作负载转矩7；=0. 643N-m,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怎工作台最快空载移动速度18%=3000mm/min,求出其对应运行频率几x =卩000/(60x0.004)= 12500/Z o 由图4.1查得，

22、在此频率下，电动机的输岀转矩7广1.7爪11）,大于快速空载起动时的负载转矩7=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i=3000mm/min对1）可知应的电动机运行频率为入=12500血。查表4-5 （见参考文献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人=5.087蚣5宀电动机 转子的转动惯量=4級，电动机转轴不带任何负载时的空载起动频率 人=1800/=（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)f,=厂_人

23、=1194.24乩丿+人/厶-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1194.24H. o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 比。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a = 0.75,可知电动机转动一转时，需要控制系统发出 360/a = 480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

24、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-120-05V0-10-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,每秒输岀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. 控制系统硕件电路设计根据任务书的要求，设计控制系统的硕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）接受操作而板的开关与按钮信息：（3）接受车床限位开关

25、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。腔7C512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

26、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。CPUAT89S52单片机坤畅步进电硼IW椅放人I彳直步进电功和I哉离权人屮棗电洲lb电功札D/A转換 芯片 DAC0832操作面板开关/按钮信号W离放夫來禹蚁K IT疗刀架位猛 I书癥大图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1000VA

27、C,相电流为4A,分配方了图7-17. 1所示。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是一个整体。如果单方面考虑其中一项必左是做不出来的。这次课程设计涉及到机电一体化的知识，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机电一体化系统设计的一些基本方法。加深了对机 电一体化系统设计的理解，初步了解了一些

28、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深地意识到理论与实践相结合的重要性，任何一个都 不能单独存在。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，经过复习整理所学得专业知识使得设计思路淸晰系统。通过设计使我更加接 近生产实际，锻炼了将理论运用于实际的分析和解决实际问题的能力，巩固、加深 了有关机械设计方而的知识。还有很重要的一点是让我体会到了一个设计者的精神。在设计过程中既要自 己不断思考、创造，又要注意借用现有的资料，掌握了査阅和使用标准、规范、手 册、图册、及相关技术资料的基本技能以及计算、绘图、数据处理等方而的能力。通过对通用机械零件、常用机械传动或简单机械的设计，使我掌握了一般机 电一体化的程序设计和基本方法，有助于树立正确的工程设计思想，培养独立、全 面、科学的设计能力