铣床X-Y数控工作台机电系统设计

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：专 业：学生姓名：指导教师：2016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清晰系统。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面的知识。 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，掌握了查阅和使用标准、规范、手册、图册、及相关技术资料的基本技能以及计算、绘图、数据处理等方面的能力。 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。机电一体化设计中遇到问题及解决方案如下：首先，在绘制装配图过程中，有些绘图尺寸不够详细导致无法绘制。我们无奈之下利用手工测量的方式，一个点，一条线细致入微的以1:1的比例测量，最终攻克了难关。其次，我们在绘制电气原理图的过程中遇到一些问题不知道那个系列的单片机最适合用在数控工作台上面，后来我们通过查阅相关技术资料和参考书最终我们在机电一体化系统设计及实践一书中得到答案。本次设计中我们采用MCS-51系列8031单片机为主控器。扩展存储器电路为1片2732EPROM和一片6264RAM。程序存储器拓展为4K数据存储器拓展为8K.另外，我们在绘制装配图过程中轴承内径的选择遇到啦困难，后来我们通过机械设计手册和机电一体化课程设计一书得知器轴承内径的选择是根据主轴大径的尺寸来基本确定的，而且有些特殊地方还需找正校验，合理之后才能与之相匹配。才能合理的设计出完整精准的思路，从而使之整体设计又拉更具权威性的知识体系。最后，我们对课程设计说明书的排版，设计格式，和具体设计项目思路不清，后来我们请教老师，经过刘老师的耐心细致的讲解我们很快就写好啦X-Y数控工作台课程设计书明书。从此次课程设计中，我学到拉好多关于机电一体化的相关知识，也尝试了平时课堂上从未学到的设计理念和思路，希望在以后的学习中不断锻炼自己在机电一体化方面的相关知识。丰富业余生活。 致谢在此感谢帮助我的同学和老师，这次课程设计的完成，离不开老师和同学的指导、帮助和鼓励。通过这次的课程设计，我对学机电一体化系统设计方案的拟定有了一定的认识，对传动元件和导向元件如滚珠丝杠螺母副等的工作原理，设计计算方案的工作原理，设计计算的选用原则，电动机的工作原则，选择控制驱动方式都有了一定的认识。在今后的学习生活中，这次课程设计的经历将起到重要帮助作用。最后对在整个设计过程中对老师认真、耐心辅导表示衷心的感谢参考文献【1】 尹志强编著.， 机电一体化系统设计课程设计指导书 . 北京 ： 机械工业出版社 ，2007.5.【2】 王田苗， 丑武圣编著， .机电控制基础理论及应用. 北京：清华大学出版社，2003.【3】 侯力， 樊庆文等编著， 机电一体化系统设计. 北京：高等教育出版社，2004.【4】 张君安编著， 机电一体化系统设计. 北京：兵器工业出版社，1997.附录19