课程设计XY移动平台

数控工作台机电系统设计X-Y课程设计说明书课题名称X-Y工作平台机电系统设计学院专业机械电子工程班级学号姓名指导教师韩雄飞完成日期日月年2014110；332 80.001 3 算如混合式步进电动机， 与步进电动机配套使用 得各个零部件的转动惯量如下：可见，X DOGX13 A相X0 X轴编码器Y DOG相X14 X1 X 轴编码器BX JOG+ 急停 X15 X2 X JOG-X16 X3 Y 轴编码器 A相Y JOG+X17 X4 Y 轴编码器 B相Y JOG-X20 X5 X轴自动定位 X 正向极限 X6 X21 Y轴自动定位数控工作台机电系统设计X-Y摘要本文主要对X-Y数控工作台机电系统及控制系统进行设计。 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、工作平台、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、丫方向的直线移动。导轨副、滚珠丝杠螺母副和伺服电动机等均已标准化，由专门厂家生产，设计时只需根据工作载荷选取即可。控制系统根据需要选用设计专用的微机 控制系统。关键字：X-Y数控工作台，滚珠丝杠螺母副，伺服电动机，微机控制系统。2数控工作台机电系统设计X-Y目 录1设计任务32总体方案的确定 32. 1机械传动部件的选择 32. 1 . 1导轨副的选用 32. 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.42. 1 . 5检测装置的选用 .42. 2控制系统的设计 .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直线滑动导轨副的计算.73. 4滚珠丝杠螺母副的计算与选型.83. 4. 1最大工作载荷 Fm的计算.8F的计算.8 . 4 . 2最大动工作载荷3Q3 .4 . 3初选型号93. 4 . 4传动效率n的计算 .93. 4 . 5刚度的验算 .93. 4 . 6压杆稳定性校核 103. 5步进电动机减速箱的选用.113. 6步进电动机的计算与选型.11J计算加在步进电动机转轴上的总转动惯量116. 13. eqT 计算加在步进电动机转轴上的等效负载转矩2123. 6 . eq分快速空载和承受最大负载两种情况进行计算：.123. 6 . 3步进电动机最大静转矩的选定153 . 6. 4步进电动机的性能校核163 . 7增量式旋转编码器的选用.184步进电动机的驱动电源选用.185控制系统硬件电路设计.196控制系统的部分软件设计.206.1输入输岀分配 .206.2人机界面设计 .206.3控制程序设计 .21参考文献21附录223数控工作台机电系统设计X-Y1设计任务题目：X-Y数控工作台机电系统设计数控工作任务：设计一种供应式数控铣床使用的X-Y台，主要参数如下：1）立铣刀最大直径。mmd 25）立铣刀齿数。22Z。3）最大铣削宽度 mm 20 e 。4）最大背吃刀量 mm 5 p 。丫方向 的脉冲当量5）X、脉冲/0.005 mm y 。、丫方向的定位精度均为 6）Xmm 0.02 围加工范台面尺寸为，作 7）工mm 450mm450。mm300mm 300）工作台最快移动速度。8min 1800/mmv vyx。9）工作台进给移动速度 minmm/ vv 40导轨组合：滚动一一滚动支承方式：双推简支2总休方案的确定机械传动部件的选择12.导轨副的选用1. 21工作台是用来配套轻型的立式数控要设计的X-Y4数控工作台机电系统设计X-Y铣床的，需要承受的载荷不大，但脉冲当量小，定位精度高，因此，决定选用直线滑动导轨副，它具有刚动选用直线滑 度高、制造简单、传动效率高、结构简单、安装预紧导轨副 方便等优点。.2丝杠螺母副的选用2. 1伺服电动机的旋转运动需要通过丝杠螺母副转换成的脉冲当量和直线运动，需要满足 0.005mnmm 0.02的定位精度，滑动丝杠副为能为力，只有选用滚珠丝杠副才能达到。滚珠丝杠副的传动精度高、动态响应用滚珠丝杠选副快、运转平稳、寿命长、效率高、预紧后可消除反向间隙。减速装置的选用2. 1. 3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，且间隙齿采用无 应有消间隙机构。为此，决定采用无间隙齿轮传动减轮传动减速箱速箱。4伺服电动机的选用2. 1.，定位0.001mm任务书规定的脉冲当量尚未达到精度也未达到微米级，空载最快移动速度也只有。因此，本设计不必采用高档次的伺服电1800mm/mi n动机，如交流伺服电动机或直流伺服电动机等，可以用步进电动选选用性能好一些的步进电动机，机以降低成本，提高性价比。1. 5检测装置的选用.2 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 动机来说还是偏高的，为了确保电动机在运动过程中5数控工作台机电系统设计 X-Y-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量式旋增选用 器，用以检测电动机的转角与转速。增量式旋转编码转编码器器的分辨力应与步进电动机的步距角相匹配。承受的工考虑到X、Y两个方向的加工范围相同， 两个坐Y、作载荷相差不大， 为了减少设计工作量，X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。控制系统的设计22.其控）1设计的X-Y工作台准备用在数控铣床上，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。）对于步进电动机的半闭环控制，选用三菱2 制系统设计控成连续控制型，应该能够满足任务书给 FX3U-48MT/ESSFX3系列的 定的相关指标。系列三菱FX3U的在选择控制器之要设计一台完整的控制系统，3）FX3U-48MT/ESS后，还要扩展输入输出设备选择合适的驱动电源，）46数控工作台机电系统设计X-Y3机械传动部件的计算与选型导轨上移动部件的重量估算3. 1F括工件、夹具、工计算按照下导轨上面移动部件的重量来进行估算。包 作平台、上层电动机、减速箱、滚 C为约重量1800N 估计重量约，珠丝杠副、直线滑动导轨副、导轨座等。1800N铣削力的计算3. 2设零件的加工方式为立式铣削，采用硬质合金立查得立铣时的3-7铣刀，工件的材料为碳钢。则由表铣削力计算公式为：ZnfdaF 118a pecz 为了计算d=15mm齿数Z=2,今选择铣刀的直径为最大铣削力，在不对称铣削情况下，取最大铣削宽度计算 mm 20量齿进给为5mm,背吃刀量每 Fepf 。则由上式求的最，铣刀转速0.1mm f300r/minn = FzeN804F 大铣削力：cFfn NN 5300 F118 20804 0.1 25 3 c采用立铣刀进行圆柱铣削时，各铣削力之间的比值可计算，考虑逆铣时的情况，可3-5查得，结合图3-4a由表Fz估算三个方向的铣削力分别为：N 884FfFN8841.1 804 F 1.1F x cfN 306F eFN 3060.38F 0.38F 804 yceN201 FfnN201804 F0.25F0.25 cfn为卧铣情况，现考虑立铣，则工作台受到 图3-4a306 FN z7数控工作台机电系统设计X-Y-受到水平方向的铣，垂直方向的铣削力 N306F F ez今将水平方向较大的铣削力分配。削力分别为和 FFfnf计算N884F xFN F 884F径向给工作台的纵向，则纵向铣削力max N201F y铣削力为。N201F F耐.3直线滑动导轨副的计算3工作载荷是影响直线滑动导轨副使用寿命的重要 工作台为水平布置，采用双导因素。本设计中的X-Y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：G F F (3-1)_ max4荷载1800N,外加=中，移动部件重量G其)3-1，得最大工作载荷，代入式(NF F 30&N931F max 。=756N=0.756kN=max 初选直根据工作载荷，查表 3-41，KNF 0.756-x型，其额系列的JSA-LG15线滚动导轨副的型号为KLC0a=9.5KN。定动载荷Ca=7.94KN额定静载荷取导轨的长选mm450mm 450加工，任务书规定工作台面尺寸为820mn度为mmmm 300300考虑工作行程应留有一定余量，范围，按标准系列，选取导轨的长度为 820mm查表3-35型导轨副的滚道硬度系列JSA-LG15上述选取的KL每根导轨上配有两C, 60HRC工作温度不超过100为算滚计 杠珠丝级，工作速 度较低，载荷不大。查4只滑块，精度为最副的作大工和，温度系数表，分别取 硬度系数 3-363-40=1.08数控工作台机电系统设计 X-Y-fffF载荷rtc载，精度系数=0.9 ,接触系数=0.81 , =1.00mfw ,代入式（3-33荷系数）得距离寿命：=1.522176 Lkm50km，故距离额定寿命满足要求。远大于期望值3.4滚珠丝杠螺母副的计算与选型的计算3. 4. 1最大工作载荷Fm工作台受到进给方向的载如前面所述，在立铣时，受到横向载荷（与荷（与丝杠轴线平行）,N884F x（与丝杠轴线垂直），受到垂直方向的载荷 NF 201 y工作台面垂直）。N306F z按矩形导轨进行计已知移动部件总重量G=1800N，滑动导，取颠覆力矩影响系数 K=1.13-29算，查表。求得滚珠丝杠副的最大工=0.005轨上的摩擦系数作载荷：最计算载动大 ）G KF （FF F yxmz FNF 984 荷Qm1800） 2011.18840.005（306N9843. 4. 2最大动工作载荷的计算 Fq设工作台在承受最大铣削力时的最快进给速度P=5mm,初选丝杠导程则此时丝杠转速 v=400mm/min hP=80r/min。 n=v/h取滚珠丝杠的使用寿命 T=15000h，代入66,得丝杠寿命系数 10 60 9015000/10nT L60/。6。）rL10 （单位为:=810.数控工作台机电系统设计X-Y滚道硬度为,查表3-30，取载荷系数2.f 1w代入下式，求得最大，60HRC时，取硬度系数01.f hN5109F q动载荷：3 N5109 984fF LfF 81 1.2 1.0 3mQ0Hw3初选型号3. 4.根据计算出的最大动载荷和初选的丝杠导程，查 传算计列系选GD率效动选择 济宁博特精密丝杠制造有限公司生产的 3-31，表型滚珠2505-3 n型滚珠丝杠副, 为内循环固定反向器GD系列2505-3为内循丝杠副，固定反向器环，循环滚双螺母式，其公称直径为 20mm5mm导程为双螺母式 级，额定动载荷为珠为3圈1系列，精度等级取5，满足要求。9309N,大于Fq的计算43. 4传动效率n入代程=5mm,=20mr直将公称径导Pch）dP/（n入arctan, 33。将=4得丝杠螺旋升角入oh=96.4% n 10，代入摩擦角=,得传动效率tan n ）tan（入/入=96.4%。 n.54.刚度的验算3工作台上下两层滚珠丝杠副的支承均采用“双1） X-Y丝杠的一端安装推力轴承与深沟球推-简支”的方式。/计算拉轴承，另一端仅 安装深沟球轴承，面对面组配，左、形变压 量的弹性模约承的中心距为 a=700mm 钢右支S量15D,，得滚珠直径=3.175mmE=2.1x 10MPa查表 3-31 wmm16.2 d积面,底丝杠径丝杠截 222。mm /d Sn 4206.12 2滚计算 忽略式（3-25）中的第二项，算得丝杠在工作载 螺与珠.10数控工作台机电系统设计X-Y道纹滚 荷作用下产生的拉/压变形量：Fm接间的mm0.0113S 1形触变）/（ESF S amiS 量 25 mm 984 500 （/2.1 100.0113 206.12）求得单圈滚珠数Z=202）根据公式，3）D（ d/Z we（3-27），求得滚珠与螺纹，代1该型号丝杠为单螺母，滚珠的圈数列数为 3 。丝=60入公式Z圈数列数，得滚珠总数量 Z Z 。则由式杠预紧时，取轴向预紧力/3=328NF F mYj 滚道间的接触变形量：FmQQ13 S 0.丝计算 221010Z/DF j 变杠总 形量 mm 0.0018 总32/10328 6010 3.175，所以实际因为丝杠有预紧力，且为轴向负载的1/3 =0.0009mm=0.0009m m变形量可以减少一半，取。2求得丝杠总变和，代入3）将以上算出的+= 2121总=12.2 m总=0.0122mm=12.2形量（对应跨度720mm临计算总荷载界级精3-27知，5丝杠的 有效行程为346mrp由表Fk行程偏差允许时，度滚珠丝杠有效行程在 315 400mn丝杠刚度足够，可见丝杠刚度足够。达到25m4. 6压杆稳定性校核3.F。查根据公式（3-28 ）计算失稳时的临界载荷kdf求=2;由丝杠底径，取支承系数表 3-34=16.2mm 2k 44 ；压杆稳定安得截面惯性矩 mm/d643380.88 I 2 ；滚动螺母至轴向K全系数 取（丝杠卧式水平安装）3）求3-28。则由式（500mn取最大值a固定处的距离数控工作台机电系统设计X-Y得临界载荷：2Elf k F k 2Ka NF 64720.92N 64720.92k远大于工作载荷故丝杠不会失稳。N984F , m 综上所述，初选的滚珠丝杠副满足使用要求。丝杠不会失稳步进电动机减速箱的选用3. 5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转轴上尽可能地小，今在步进电动 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，采用图所示的弹簧错齿法消除侧隙。3-8脉冲，滚珠已知工作台的脉冲当量/ mm0.005角距步选进电动机的步导丝杠的程，初 =5mmP h 3-12。根据式()，算得 减速比：1.225/120.008) P)/(360) (1.2 5)/ i(360h型JBF-3本设计选用常州市新月电机有限公司生产的，3675齿轮减速箱。大小齿轮模数均为1mm齿数比： 。减速箱中55HRC材料为45调质钢，齿表面淬硬后达，小齿轮厚度为心距为 mmmm 55.5 (75 36)1 /2滚计算。10mm20mm双片大齿轮厚度均为 杠丝珠动的转3 . 6步进电动机的计算与选型 惯量JsJ 63. . 1计算加在步进电动机转轴上的总转动惯量eq数控工作台机电系统设计X-Y，总长已知：滚珠丝杠的公称直径 mm20d 0度，导程，材料密 mmP 5mml500 h33 ；小；移动部件总重力 G=1800Nm/ 10kg 7.85;大齿轮宽度，直径齿轮宽度 mmd b 20mm36n。直径，传动比 mmdmm 75b 20/1225i 22拖算计如表4-1所示，算板折4 rl杠丝到J s转上的2量惯动2cm0.617kg JS4 3 1 50 7.8510 J22 cm0.617kgkg cm w 2 滚珠丝杠的转动惯量：iW 22P hmJ22cm 0.517kgcm 0.517kgJw加计算 进步在2拖板折算到丝杠上的转动惯量cm 0.517kg JW机电动 上轴转2cm J0.259kg小齿轮的转动惯量：仁转总的 量动惯 2cmkg J 4.877大齿轮的转动惯量：玄山 为三相混合初选步进电动机的型号为 90BYG3502,式，由常州宝马集团公司生产，三相三拍驱动时的步查得该型号的电动机转子的，从表 4-50.75距角为2。转动惯cm4kg J m 则加在步进电动机转轴上的总转动惯量为：22cmkg 30.35 i)J J( J JJJ SWz1 eqm;2 2cmkgJ 30.35 eq T 2计算加在步进电动机转轴上 的等效负载转矩 36 eq分快速空载和承受最大负载两种情况进行计算：13数控工作台机电系统设计X-Y快速空载起动时电动机转轴所承受的负载转矩1） Tleq包括三部分：一部分是快）可知，由式（4-8丁他 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T maxa;还有一部分是滚珠丝杠预紧后折算到的摩擦转矩T f。因为滚珠丝杠副传电动机转轴上的附加摩擦转矩T 0和4-12 ）可知，相对于动效率很高，根据式（TT maxao 很小，可以忽略不计。则有：T f）+=（ 6-13TTT maxafleq，计算空根据式（4-9），考虑传动链的总效率载起动时折算到电动机转轴上最大加速转矩：n J21meq ） （ 6-14=T _ maxa t60a式中：对应空载最快移动速度的步进电动机最高转速，n m r/min;单位为转速所需的时间，一步进电动机由静止到加速至nt-单位为S。vmax n其中： m 36035002800 1.2min r/min/ r 空算计30.008360 动载起 minr/n 600式中：m算折时 动电到v ;空载最快移动速度，任务书指定为1800mm/miimax轴机转大上最?步进电动机步距角，预选电动机为0.75 ；转加速一脉冲当量，本例=0.005mm脉冲。T矩 maxa14数控工作台机电系统设计X-Y，所需时间设步进电机由静止加速至st 0.4nam）求得：。则由式（传动链总效率 6-140.7折计算 电算到nJ21meq=T 转动机_ maxa t60a 的上轴 转摩擦 4 60010230.35 mN N m 0.85lTm 0.851 NT0.7 0.4 60f矩maxa ）知，移动部件运动时，折算到电动由 式（4-10机转轴上的摩擦转矩为：PG）（F hz T快计算 f i2载空速 时起动 0.005 0 18000.005m m 0.005NN 机电动 m T 0.005N /12） （252 07所转轴的受承式中转载负一导轨的摩擦因素，滚动导轨取 0.005 ； T1eq矩垂直方向的铣削力，空载时取 0； F z传动链总效率，取0.7。）求得快速空载起动时电动机转最后由式（6-13轴所承受的负载转矩：T +T=T maxafeq1 m0.856 N T m 0.856 N 0.851 0.005Nm1eq最大工作负载状态下电动机转轴所承受的负载转2）T 矩 2eqT包括三部分：一部分是折由式（4-13 ）可知，2eqT; 一部分是算到电动机转轴上的最大工作负载转矩t算计折T;移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩电算到f转机动还有一部分是滚珠丝杠预紧后 折算到电动机转轴上的 的上轴.15数控工作台机电系统设计X-Y工大最很小，可以忽略不相对于和附加摩擦转矩，TTTTt00f载负作 计。则有：T转 矩t+= TTT tfeq2其中，折算到电动机转轴上的最大工作负载转矩移算计）计算。已知沿着丝杆轴线方向的最 4-14由公式（Tt件部动时动运 有：大进给载荷 N884F，则x至浙算 机电动PFhf T上转轴 t i2擦摩的T0.005 884m T 0.48N f转矩 m m 0.48NN t/12） 0.7 （252最算计）计算垂直方向承受最大工作负载 4-10再由式（作大工移动部件运动时 折算到电动机情况下，（）N306F状载负z电下态 转轴上的摩擦转矩：转动机 承所轴 P G）（Fhz T负的受 f i2 矩载转T0.0051800306 0.005 m 0.006NT 2eqf m 0.006N N m /12）（250.7 2力叶十算进在步，求得最大工作负载状态下电动）最后由式（6-18机电动 机转轴所承受的负载转矩： 上转轴 效等的TTT +=tfeq2转载负 m m 0.486N 0.48 0.006NTm T 0.486N eq矩2eq经过上述计算后，得到加 在在步进电动机转轴上算步计电进动的最大等效负载转矩为：的最机m T 0.856N,maXT T静大转21eqeqecmN 0.856 T eqT max矩3步进电动机最大静转矩 的选定.6. 3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.数控工作台机电系统设计X-YTeq来选择步进电动机成丢步，甚至堵转。因此，根据的最大静转矩时，需要考虑安全系数。取安全系数K=4,则步进电动机的最大静转矩应满足：m 3.424N T 4 0.856N mT 4m 3.424 nt maxjeqmaxj最校核4-5初选步进电动机的型号为 90BYG3502由表选步进电动初进工快。查 得该型号电动机的最大静转矩 mN T 6的型号满足机时速度maxj要求机动电满足要求。岀的输 矩转4步进电动机的性能校核3. 6. Tfmax 1）最快工进速 度时电动机的输出转矩校核度进速台最快工任务书给定工作脉冲,脉冲当量/ min/v 400mmmm 0.005论率行频对电动机应的运（由式 4-16）求出v400 fmaxHz 1333f Hz90BYG3502 fmax 0.0056060 m T 15Nfmax可以看出在此频率1-1电动机的运行矩频特性曲线图远大于最大远工作负载转矩，远远大于最下，电动机的输出转矩mN T 5.6fmax满足要求，满足要求。大工作负载转矩 mN T0.4862eqf/Hz最校核载快空时移动步进电动机的运行矩频特性曲线1-1 90BYG3502图17数控工作台机电系统设计X-Y机动电）最快空载移动时电动机输出转矩校核2转输岀度空载移动速任务书给定工作台最快 T矩max ）求出其对应运行，仿照式（416min/1800mmv maxv1800 maxHz6000Hz f 查 1.1。由图频率max 0.005 6060，得，在此频率下，电动机的输出转矩 m 1.8NT max最校核满足，大于快速空载起动时的负载转矩m 1.8NTm 0.856NT max1eq载快空于快速空载大时动移要求。动时的负载起机电动3）最快空载移动时电动机运行频率 校核满足要求转矩，频运行率对应与最快速空载移动速度 minv 1800mm/max可知。查表的电动机运行频率为 4-5Hz6000f max，可2000090BYG350电动机的空载运行频率可达 Hz见没有超出上限。载运行频率空 起算计4 ）起动频率的计算没有超出上限 率动 频，已知电动机转轴上的总转动惯量fzcmkg J 30.35 Leq2，电动机转轴不电动机转子的转动惯量 cm4J kg m（查表带任何负载时的空载起动频率f1800Hzq）可以求出步进电动机克服惯性负 4-5）。由式（4-17载的起动频率为：f1800qHz fHz 614l4 1J/30.35/J 1meq上式说明，要想保证步进电动机起动时不失步，Hz614 f。实际上，在任何时候的起动频率都必须小于 Hz614l采用软件升降频时，起动频率选得更低，通常只有满足动频率起。Hz100） 100（即脉冲/s要求综上所述，本次设计中工作台的进给传动系统选步90BYG3502步进电动机，完全满足设计要求。用90BYG3502完全电动机进18数控工作台机电系统设计X-Y