机电一体化系统课程设计方案.doc

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1、机电一体化系统课程设计设计说明书设计题目：XY 数控工作台机电系统设计院校： 班级： 姓名： 学号： 2011 年 12 月 24 日目 录机电一体化系统设计课程设计任务书1总体方案1.1 导轨副的选用1.2 丝杆螺母副的选用1.3 减速装置的选用1.4 伺服电动机的选用1.5 检测装置的选用2.控制系统的设计 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3.2 铣削力的计算3.3 直线滚动导轨副的计算与选型3.4 滚珠丝杠螺母副的计算与选型3.5 步进电动机减速箱的选用3.6 步进电动机的计算与选型3.7 增量式旋转编码器的选用4工作台机械装配图的绘制5.工作台控制系统的设计

2、6.步进电动机驱动电源的选用7.设计总结参考文献1张建民.机电一体化系统设计第三版.高等教育出版社2尹志强.系统设计课程设计指导书. 机械工业出版社设 计 计 算 与 说 明 主要结果设计任务：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 d=15mm；2）立铣刀齿数 Z=3；3）最大铣削宽度 ；mae154）最大背吃刀量 ；p85）加工材料为碳钢；6）X、Y 方向的脉冲当量 /脉冲；yx05.7）X、Y 方向的定位精度均为 ；m18）工作台导轨长度为 1260mm；9）工作台空载最快移动速度 ；in/30vyx1

3、0）工作台进给最快移动速度 ；mi/4maxaff11）移动部件总重量为 800N；12）丝杆有效行程为 920mm。一、总体方案的确定1 机械传动部件的选择1.1 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。1.2 丝杆螺母副的选用 伺服电动机的旋转运动需要通过丝杆螺母副转换成直线运动，要满足 0.005mm 的脉冲当量和的定位精度，滑动滑动丝杆副无能为力，只有选用m01.滚珠丝杆副才能达到。滚珠丝杆副的传动精度高、动态响

4、应快、运转平稳、寿命长、效率高，预紧后可消除反向间隙。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，且应有消设 计 计 算 与 说 明 主要结果间隙机构。为此，决定采用无间隙齿轮传动减速箱。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，空载最快速度也只有3000mm/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。1.5 检测

5、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，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、丝杆螺母副、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.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

6、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。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 AT89C52 作为控制系统的 CPU，应该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，还需要扩展程序储存器、数据存储器、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。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

7、重量约为 800N。设 计 计 算 与 说 明 主要结果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 查得立铣时的铣削力计算公式为：(1) ZnadfaFpzec13.07.5.08.1今选择铣刀直径 d=15mm，齿数 Z=3，为了计算最大铣削力，在不对称铣削的情况下，取得最大铣削宽度 ，背吃刀me5量 ，每齿进给量 ，铣刀转速 n=300r/min。map8fz1.0则由(1)式求得最大铣削力： NFc 1463385.151.0.173.0708.0 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 查得，结合图 3-4a，考虑

8、逆铣时的情况，可估算三个方向的铣削力分别为： ， ，NFcf1609.Fce5638.。图 3-4a 为卧铣情况，现在考虑立铣，则NFcfn3625.0工作台受到垂直方向的铣削力 ，受到水平方向的ez5铣削力分别 和 。今将水平方向较大的铣削力分配给工作台ffn的纵向（丝杆轴线方向） ，则纵向铣削力 ，径向NFfx1609铣削力 。NFfny363.直线滚动导轨副的计算与选型（1）滑块承受工作载荷 的计算及导轨型号的选取 工max作载荷是影响直线滚动导轨副使用寿命的重要因素。本设计中的 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

9、块承担，则单滑块所受的最大垂直方向载荷为：(2)FG4max1463NcFNf1609Fe5fn3Fz56Nx109y36G=800NF=556N设 计 计 算 与 说 明 主要结果其中，移动部件重量 G=800N，外加载荷 ，代入式NFz56（2） ，得最大工作载荷 。kNF7.056max查表 3-41，根据工作载荷 ，初选直线滚动Kax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 。kNGa94.7kGa5.90（2）距离额定寿命 L 的计算 上述选取的 KL 系列 JSALG15型导轨副的滚道硬度为 60HRC，工作温度不超过 100 摄氏度，每根导轨上

10、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，分别取硬度系数 、温度系数0.1Hf、接触系数 、精度系数 、载荷系数0.1Tf 81.0Cf 9R，代入式（ 3-33） ，的距离寿命：5W kmFGfLaWRCTH649503mx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 的计算 如前页所述，在立铣时，工m作台受到进给方向的载荷（与丝杠轴线平行） ，受NFx1609到横向的载荷（与丝杠轴线垂直） ，受到垂直方向的y3载荷（与工作台垂直） 。NFz56已知移动部件总重量 G=800N，按矩形导轨进行计算，查

11、表3-29，取颠覆力矩影响系数 K=1.1，滚动导轨上的摩擦因数=0.005 。求得滚珠丝杠副的最大工作载荷： NGFKFyzxm 179)80365(0.169.)（2）最大动载荷 的计算 设工作台在承受最大铣削力时的QkF756.0maxkNGa94.750kmL6491779NmF设 计 计 算 与 说 明 主要结果最快进给速度 v=400mm/min，初选丝杠导程 ，则此mPh5时丝杠转速 。80r/minv/Pnh取滚珠丝杠的使用寿命 T=15000h，代入 ，601/nTL得丝杠寿命系数 (单位为 r) 。720L61查表 3-30，取载荷系数 ，滚道硬度为 60HRC 时，2.W

12、f取硬度系数 ，代入式（3-23） ，求得最大载荷：.1Hf NFfLmHWQ8130（3）初选型号 根据计算出的最大载荷和初选的丝杠导程，查表 3-31，选择济宁博特精密丝杠制造有限公司生产的 G 系列 2504-3 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 列，精度等级取 4 级，额定动载荷为 9309N。大于 ，满足要求。QF（4）传动效率 的计算 将公称直径 ，导程mDo20，代入 ，得丝杠螺旋升角mPh50h/Parctnd。将摩擦角 =10代入 ，得传动，,4)/tan(效率 。96.%（5）刚度的验算1)X-Y 工作台

13、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。丝杠的两端各采用一对推理角接触球轴承，面对面组配，左、右支承的中心距离约为 a=500mm ；钢的弹性模量 ；查表 3-31，MPa102.E5得滚珠直径 ，丝杠底径 ，丝杠截3.175mDwm.6d面面积 。22064/Sd忽略式（3-25）中的第二项，算得丝杠在工作载荷 作用下产生mF的拉/压变形量mPh5v=400mm/min80r/inT=15000h.720L1Wf8881NQFmDo20Ph5，,3496.%MPa102.E5m2.16d设 计 计 算 与 说 明 主要结果mESaFm 025.)1.206.

14、/(50179)/( 51 。2）根据公式 ，求得单圈滚珠数 Z=20；该3)(wDdZ型号丝杠为单螺母，滚珠的圈数列数为 31，代入公式，得滚珠总数量 。丝杠预紧时，列 数圈 数 Z60Z取轴向预紧力 。则由式（3-27） ，求得滚珠N593/FmYJ与螺纹滚道间的接触变形量 。m2.2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，取 。013.23)将以上算出的 和 代入 ，求得丝杠总变121总形量（对应跨度 500mm） 。m8.总本例中，丝杠的有效行程为 670mm，由表 3-27 知，5 级精度滚珠丝杠有效行程在 315400mm 时，行程偏差允许达到25m，

15、可见丝杠刚度足够。（6）压杆稳定性校核 根据公式（3-28）计算失稳时的临界载荷 。查表 3-34，取支承系数 ；由丝杠底径kF1kf求得截面惯性矩 ；压杆md2.1 4428.306/mdI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） ，得临界载荷 ，远大于工作载荷 ，故丝NEIfFk942 NFm179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，同时也是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

16、输出轴上安装一套齿轮减速箱。采用一级减速，步进电机的输出轴与小齿轮连接，60Z593NYJFm8.21总 NFk934m17设 计 计 算 与 说 明 主要结果滚珠丝杠的轴头与大齿轮连接。其中大齿轮设计成双片结构，采用图 3-8 所以的弹簧错齿法消除侧隙。已知工作台的脉冲当量 脉冲，滚珠丝杠的导程/05.m，初选步进电机的步进角 。根据式（ 3-mph57.12） ，算得减速比：12/5)0.36/()5.0()36/( hPi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 ，齿数比为 75： 36，材m1料为 45 调制刚，齿表面淬硬后达 HRC55。减速

17、箱中心距为，小齿轮厚度为 20 ，双片5.12/5)367( m大齿轮厚度均 。06 步进电动机的计算与选型步进电动机的计算与选型参见第四章第三节相关内容。（1）计算加在步进电机转轴上的总转动惯量 已知：eqJ滚珠丝杠的公称直径 ，总长 ，导程md20ml50，材料密度 ；移动部件总重mPh533/185.7ckg力 ；小齿轮度 ，直径 ；大齿NG80bd61轮度 ，直径 ；转动比 。b2d7522/5i如表 4-1 所示，算得各个零件部件的转动惯量如下（具体计算过程从略）：滚珠丝杠的转动惯量 ；2.617.0cmkgJs拖板折算到丝杠上的转动惯量 ；小齿轮的25.ckJW转动惯量 ；大齿轮的

18、转动惯量21.590cmkgJZ。22.874Z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 ，从表 4-575.075.012/5imd20l5Phb012.67.cmkgJs21.590Z2874ckgJ设 计 计 算 与 说 明 主要结果查得该型号电动机转子的转动惯量 。2.4cmkgJ则加在步进电机转轴上的总转动惯量为：2221 .350/)(iJJswzzmeq (2) 计算加子在步进电机转轴上的等效负载转矩 eqT分快速空载起动和承受最大工作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)可

19、知， 包括三部分：一部分是快速空载eqT1eqT起动时折算到电动机转轴上的最大加速转矩 ；一部分maxT是移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩 ；还f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)0T可知， 相对于 和 很小，可以忽略不计。则有：maxfT(6-faeqx113)根据式(4-9)，考虑传动链的总效率 ，计算快速空载起动时折算到电动机转轴的最大加速转矩：（6-1602maxameqtnJT14）式中 对空载最快移动速度的步进电动机最高转速，mn单位为 r/min；步进电动机由静止到加速到 n 转速所需的时间，at单位为 s。其中：（6-360maxvn15）2.4cmkgJ2.350