1、X-Y数控工作台机电系统设计 作者： 日期： 目录前言2第一章 课程设计的目的、意义及要求3第二章 课程设计的内容4第三章 数控系统总体方案确实定5第四章 机械局部设计6确定系统脉冲当量64.2. 导轨上移动部件的重量估算64.3 铣削力的计算64.4 滚动导轨副的计算与选型74.5 滚珠丝杠螺母副的计算与选型84.6 步进电动机减速箱的选用104.7 步进电动机的计算与选型114.8 增量式旋转编码器的选用14第五章 工作台控制软件设计15第六章 步进电动机驱动电源的选用17第七章 完毕语18参考文献18 前言课程设计是机床数控系统课程的十分重要实践环节之一。通过课程设计可以初步树立正确的设
2、计思想，了解有关的工业政策，学会运用手册、标准、标准等资料；培养学生分析问题解决问题的实际能力，并在教师的指导下，系统地运用课程和选修课程的知识，独立完成规定的设计任务。一种经济型数控机床的控制系统，包括机床伺服系统和对该伺服系统进展控制的；其特征在于，还包括通过通信接口与通信的触摸屏，所述触摸屏包括：数据输入模块，用于输入、修改被控参数的参数值和操作指令，读取触摸屏的操作界面；数据存储模块，用于存储输入、输出数据；数据处理计算模块，用于对输入、输出参数数据进展处理、计算；包括输入信号的编码运算；输出信号的解码运算；数据存储单元，用于存储移位单元传递来的数据；数据检测单元，用于实时检测坐标轴的
3、当前运动状态参数值，包括距离、速度值，以及控制方式参数值；数据比拟单元，用于将检测单元检测到的坐标轴当前运动状态参数值、控制方式参数值与触摸屏存储模块的设定值进展比拟； X-Y数控工作台机电系统设计采用步进电机作为驱动装置。步进电机是一个将脉冲信号转移成角位移的机电式数模转换器装置。其工作原理是：每给一个脉冲便在定子电路中产生一定的空间旋转磁场；由于步进电机通的是三相交流电所以输入的脉冲数目及时间间隔不同，转子的旋转快慢及旋转时间的长短也是不同的。由于旋转磁场对放入其中的通电导体既转子切割磁力线时具有力的作用，从实现了旋转磁场的转动迫使转子作相应的转动，所以转子才可以实现转子带动丝杠作相应的运
4、动。此题目是步进电机，微型计算机，插补原理，汇编语言的综合应用，此题目设计得到了教师的帮助和支持，最后在此表示感谢。此题目由共分六章，第一章课程设计的目的、意义及要求；第二章课程设计的内容，第三章课程设计总体方案确实定；第四章主要涉及了机械系统设计；第五章主要涉及工作台机械装配图的绘制；第六章主要涉及控制系统软件设计；最后是完毕语和参考文献。因本人水平有限，错误和缺乏之处在所难免，敬请相关教师批评指正。 第一章 课程设计的目的、意义及要求X-Y数控工作台是许多机电一体化设备的根本部件，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、电子元件外表贴装设备等。
5、因此，选择X-Y数控工作台作为机电综合课程设计的内容，对于机电一体化专业的教学具有普遍意义。 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。其外观形式如图1所示。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、Y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，可以选用标准的工业控制计算机，也可以设计专用的微机控制系统。图1 X-Y数控工作台外形?机电一体化?课程设计是一个重要的时间性教学环节，要求学生
6、综合的运用所学的理论知识，独立进展的设计训练，主要目的与要求：1、 通过设计，使学生全面地、系统地了解和掌握数控机床的根本组成及其想怪知识，学习总体的方案拟定、分析与比拟的方法。2、 通过对机械系统的设计，掌握几种典型传动元件与导向元件的工作原理、设计计算及选用的方式3、 通过对机械系统的设计，掌握常用伺服电机的工作原理、计算控制方法与控制驱动方式4、 培养学生独立分析问题和解决问题的能力，学习并树立“系统设计的思想5、 锻炼提高学生应用手册和标准、查阅文献资料及撰写科技论文的能力 第二章 课程设计的内容 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
7、作台，主要参数如下：1立铣刀最大直径d =15 mm；2立铣刀齿数Z=3；3最大铣削宽度ae=15 mm；4最大铣削深度ap=8 mm； 5加工材料为碳素钢或有色金属；6X、Y方向的脉冲当量x =y05mm/脉冲；7X、Y方向的定位精度均为0.01 mm；8工作台面尺寸为230 mm230 mm， 加工范围为250 mm250 mm；9工作台空载最快移动速度vxmax =vymax =4000 mm/min；10工作台进给最快移动速度vxmaxf =vymaxf =350 mm/min。 第三章 数控系统总体方案确实定总体方案确实定 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
8、用来配套轻型的立式数控铣床，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、构造紧凑、安装预紧方便等优点。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，要满足的脉冲当量和 0.01mm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到达。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。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，且应有消间隙机构。为此本
9、例决定采用无间隙齿轮传动减速箱4伺服电动机的选用 任务书规定的脉冲当量尚未到达，定位精度也未到达微米级，空载最快移动速度也只有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，以降低本钱，提高性/价比。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率
10、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一样，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一样的型号与规格。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、两坐标直线插补与圆弧插补的根本功能，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，还需要扩展程序存储器、数据存储器、键盘与显示电路、I/O接口电
11、路、D/A转换电路、串行接口电路等。4选择适宜的驱动电源，与步进电动机配套使用。 第四章 机械局部设计 任务书中所给定的脉冲当量是0.005 mm/脉冲. 导轨上移动部件的重量估算按照下导轨之上移动部件的重量来进展估算。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。4.3 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。那么由表3-7查得立铣时的铣削力计算公式为： 6-11今选择铣刀直径d=15mm，齿数Z=3，为了计算最大铣削力，在不对称铣削情况下，取最大铣削宽度ae=15mm，铣削深度ap=8mmmm
12、，铣刀转速300r/min。那么由式6-11求得最大铣削力： Fc=118151583003 N1463 N采用立铣刀进展圆柱铣削时，各铣削力之间的比值可由表3-5查得，结合图3-4a，考虑逆铣时的情况，可估算三个方向的铣削力分别为：Ff Fc1609N，Fe Fc556N，Ffn Fc366N 图3-4a为卧铣情况，现考虑立铣，那么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，那么纵向铣削力Fx= Ff=1609N，径向铣削力Fy =Ffn= 366N。图3-4 铣削力的分析 a圆柱形铣刀铣
13、削力 b面铣刀铣削力4.4 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当，那么单滑块所受的最大垂向载荷为：Fmax =G/4+F 6-12其中，移动部件重量G800N，外加载荷F= Fz= 556N，代入6-12式得最大工作载荷PC。查表3-41，根据工作载荷PC，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Ca=7.94 kN，额定静载荷C0a=9.5 kN。任务书规定工作台面尺
14、寸为300mm300mm，加工范围为330mm330mm，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。2、距离额定寿命的计算上述选取的KL系列JSA-LG15型导轨副的滚道硬度为HRC60，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3-36表3-40，分别取硬度系数 fH，温度系数fT，接触系数 fC，精度系数fR， 载荷系数fW， 代入式3-33，得距离寿命： 6649 km远大于期望值50km，故距离额定寿命满足要求。4.5 滚珠丝杠螺母副的计算与选型1最大工作载荷Fm的计算 承受最大铣削力时，工作台受到进给
15、方向的载荷与丝杠轴线平行Fx=1609N，受到横向的载荷与丝杠轴线垂直Fy = 366N，受到垂向的载荷与工作台面垂直Fz= 556N。移动部件总重量G=800N，按矩形导轨进展计算，查表3-29，取颠覆力矩影响系数K，滚动导轨上的摩擦因数。求得滚珠丝杠副的最大工作载荷Fm =KFx +Fz+Fy+G=1.11609+0.005(556+366+800)N 1779 N2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=400mm/min，初选丝杠导程Ph =5mm，那么此时丝杠转速n=v/Ph = 80r/min。取滚珠丝杠的使用寿命T=15000 h，代入L0=60nT/10
16、6，得丝杠寿命系数L0=72单位为：106 r。查表3-30，取载荷系数fW ，滚道硬度为HRC60时，取硬度系数fH，代入式3-23，求得最大动载荷： FQ =8881 N3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，选择济宁博特精细丝杠制造生产的G系列2506-4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2mm，导程为6mm，循环滚珠为3圈1列，精度等级取5级，额定动载荷为9309 N，大于FQ，满足要求。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 /
17、tan(+),得传动效率=96.4%。5刚度的验算1X-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，见书后图6-23。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 105 Mpa；查表3-31，得滚珠直径 d2=3.175mm，丝杠底径 =16.2 mm，丝杠截面积 S=d22/4=mm2。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1=Fma/ES=1779500/2.1 105206.12mm mm。2根据公式Z(d0/ Dw)-3,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
18、为31，代入公式：Z =Z圈数列数，得滚珠总数量 Z =60。丝杠预紧时，取轴向预紧力FYJ = Fm/3=593 N。那么由3-27式，求得滚珠与螺纹滚道间的接触变形量26 mm。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23mm。3将以上算出的1和2代入总=1+2，求得丝杠总变形量对应跨度500mm总=218mm=m。由表3-27知,5级精度滚珠丝杠有效行程在315400mm时，行程偏差允许到达25m，可见丝杆刚度足够。6压杆稳定性校核根据公式3-28计算失稳时的临界载荷Fk。查表3-31，取支承系数fk=1；由丝杠底径d2=16.2 mm，求得截面惯性矩 I=
19、d24 /64 mm ；压杆稳定平安系数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Fk 9343N，远大于工作载荷Fm=1779N，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。 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构造，采用图3-8所示的弹簧错齿法消除侧隙。图3-8 双片薄齿轮错齿调
20、整机构1、2、6齿轮 3螺母 4、5螺钉 7拉簧工作台的脉冲当量=0.005 mm/脉冲，滚珠丝杠的导程Ph=6 mm，初选步进电动机的步距角=0.75。根据3-12式，算得减速比： i=(Ph)/(360) =(0.7551)=25:12本设计选用常州市新月电机生产的JBF-3型齿轮减速箱。大小齿轮模数均为1mm，齿数比为75:36，材料为45号调质钢，齿外表淬硬后达55HRC。减速箱中心距为 (75+36)1/2 mm55.5 mm，小齿轮厚度为20mm，双片大齿轮厚度均为10mm 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计算加在步进电动机转轴上的总转动惯量
21、 ：滚珠丝杠的公称直径d0=20mm，总长l=500mm，导程Ph6mm，材料密度10-3 kg/cm3；移动部件总重量G=800N;小齿轮宽度b120mm，直径d1=36 mm;大齿轮宽度b220mm，直径b2 =75 mm；传动比i =25/12。参照表4-1，算得各个零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 JSkgc m2拖板折算到丝杠上的转动惯量Jw =0.517 kgc m2；小齿轮的转动惯量JZ1 kgc m2大齿轮的转动惯量JZ2kgc m2。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，二相四拍驱动时步距角为，从表4-5查得该型
22、号电动机转子的转动惯量Jm =4kgc m2。那么加在步进电动机转轴上的总转动惯量为： = Jm+ JZ1 +( JZ2+ Jw+ JS)/ i2kg/ cm2 2计算加在步进电动机转轴上的等效负载转矩Teq分快速空载起动和承受最大工作负载两种情况进展计算。1快速空载起动时电动机转轴所承受的负载转矩Teq1由式4-8可知，Teq1包括三局部：一局部是快速空载起动时折算到电动机转轴上的最大加速转矩Tamax；一局部是移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩Tf；还有一局部是滚珠丝杠预紧后折算到电动机转轴上的附加摩擦转矩T0。因为滚珠丝杠副传动效率很高，根据4-12式可知，T0 相对于Tamax
23、和Tf很小，可以忽略不计。那么有：Teq1=Tamax+Tf 6-13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上的最大加速转矩： 6-14式中 nm 对应空载最快移动速度的步进电动机最高转速，单位为r/min； ta 步进电动机由静止到加速至nm转速所需的时间，单位为s。其中： 6-15式中 nmax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； 脉冲当量，本例=脉冲。将以上各值代入式6-15，算得nm=1250r/min。设步进电动机由静止到加速至nm转速所需时间ta，传动链总效率=。那么由式6-14求得： Nm由式4-10
24、可知，移动部件运动时，折算到电动机转轴上的摩擦转矩为：6-16那么由式6-16，得： Nm最后由式6-13，求得快速空载起动时电动机转轴所承受的负载转矩： Teq1=Tamax+ Tf =1.422 N 6-172最大工作负载状态下电动机转轴所承受的负载转矩 Teq2由式4-13可知，Teq2 包括三局部：一局部是折算到电动机转轴上的最大工作负载转矩Tt ；一局部是移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩Tf ；还有一局部是滚珠丝杠预紧后折算到电动机转轴上的附加摩擦转矩T0，T0相对于Tt和Tf很小，可以忽略不计。那么有： Teq2=Tt+Tf 6-18其中，折算到电动机转轴上的最大工作负载
25、转矩Tt由4-14式计算。本例中在对滚珠丝杠进展计算的时候，沿着丝杠轴线方向的最大进给载荷Fx=1609N ，那么有： Nm 再由式4-10计算垂直方向承受最大工作负载Fz=556N情况下，移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩： = Nm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为： Teq2 = Tt + Tf = 0.884 Nm 6-19经过上述计算后，得到加在步进电动机转轴上的最大等效负载转矩应为： Teq = maxTeq1 ，Teq2 = 1.422 Nm3 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
26、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，需要考虑平安系数。本例中取平安系数K=4，那么步进电动机的最大静转矩应满足： Tjmax 4 = 41.422 Nm =5.688 Nm (6-20) 上述初选的步进电动机型号为90BYG2602，由表4-5查得该型号电动机的最大静转矩Tjmax = 6 Nm 。可见，满足6-20式的要求。4步进电动机的性能校核1最快工进速度时电动机输出转矩校核 任务书给定工作台最快工进速度 vmaxf=400mm/min，脉冲当量=脉冲由4-16式求出电动机对应的运行频率 fmaxf =400/(600.005)Hz 133
27、3Hz。从90BYG2602电动机的运行矩频特性曲线图6-24可以看出，在此频率下，电动机的输出转矩Tmaxf5.6Nm，远远大于最大工作负载转矩Tmaxf=0.884Nm，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vmax =3000mm/min，仿照4-16式求出电动机对应的运行频率fmax =3000/Hz =10000Hz。从图6-24查得，在此频率下，电动机的输出转矩 Tmax =1.8 Nm，大于快速空载起动时的负载转矩Teq1 = 1.422Nm，满足要求。3最快空载移动时电动机运行频率校核 最快空载移动速vmax =3000mm/min对应的电动机运行频率fmax =10000Hz。查表4-5可知90BYG2602电动机的极限运行频率为20000Hz，可见没有超出上限。4起动频率的计算 电动机转轴上的总转动惯量Jeq kgc m2 电动机转子的转动惯量Jm =4 kgc m2，电动机转轴不带任何负载时的最高起动频率fq=1800Hz.那么由式4-17可以求出步进电动机克制惯性负载的起动频率： =614Hz上式说明，要想保证步进电动机起动时不失
