1、* * 理工大学课程设计X-Y 数控工作台的机电系统设计学院： 机 械 工 程 学 院 专业： 机械设计制造及其自动化 班级： 机 电 * 班 教师： * * * 学号： * 学生： * * * 1摘要本文主要是进行 X-Y 数控工作台的机电系统设计，根据设计任务给定的工作尺寸，设计一种供应式数控铣床的 X-Y 数控工作台。首先，确定总体设计方案：其中主要对导轨副、丝杠螺母副、减速装置、检测装置的选用及控制系统的设计进行初步分析，再绘制总体方案图。其次，进行机械传动部件的计算与选择：主要进行导轨上移动部件的重量估算，铣削力的计算，直线滚动导轨副的计算与选型，滚珠丝杠螺母副的计算与选型，步进电机
2、减速箱的选用，步进电动机的计算与选型。本部分作为此设计重点，进行了大量的分析、计算及验算，最后得到了满足任务规定尺寸的工作要求。再次，选用检测装置。本设计中选用了增量式旋转编码器，确定电路为观电隔离电路，以此来对工作台的运动状态进行检测，从而在反馈后对工作台进行实时调整。最后，控制系统的设计。此处主要通过进给传动系统来对硬件电路进行设计，并绘制控制系统原理框图；然后分析选用了步进电动机的驱动电源。关键字：X-Y 数控工作台 机电系统 导轨 滚珠丝杠螺母副 控制系统2目录1.引言32.设计任务 33.总体方案的确定 33.1 机械传动部件的选择33.1.1 导轨副的选用 33.1.2 丝杠螺母副
3、的选用 43.1.3 减速装置的选用 43.1.4 伺服电动机的选用 43.1.5 检测装置的选用 43.2 控制系统的设计43.3 绘制总体方案图44.机械传动部件的计算与选型54.1 导轨上移动部件的重量估算54.2 铣削力的计算54.3 直线滚动导轨副的计算与选型（纵向）64.3.1 块承受工作载荷 的计算及导轨型号的选取 64.3.2 距离额定寿命 L 的计算 64.4 滚珠丝杠螺母副的计算与选型 74.4.1 最大工作载荷 Fm 的计算74.4.2 最大动工作载荷 FQ 的计算74.4.3 初选型号74.4.4 传动效率 的计算74.4.5 刚度的验算74.4.6 压杆稳定性校核84
4、.5 步进电动机减速箱的选用84.6 步进电动机的计算与选型84.6.1 计算加在步进电动机转轴上的总转动惯量 Jeq 84.6.2 计算加在步进电动机转轴上的等效负载转矩 Teq 94.6.3 步进电动机最大静转矩的选定 104.6.4 步进电动机的性能校核 115. 增量式旋转编码器的选用116. 绘制进给传动系统示意图127. 工作台控制系统的设计127.1 数控系统硬件控制电路设计127.2 辅助电路设计1437.3 系统控制软件设计158步进电动机的驱动电源选用 168.1 电动机特性分析及细分驱动控制168.2 步进电机电源驱动选用17总结 18参考文献 181.引言现代科学技术的
5、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。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、滚珠丝杠螺母副，以及伺服电动机等部件构成。其中伺服电动机做执行元件用
6、来驱动滚珠丝杠，滚珠丝杠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以标准化，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，可以选取用标准的工作控制计算机，也可以设计专用的微机控制系统。2.设计任务题目：X-Y 数控工作台的机电系统设计任务：设计 X-Y 数控工作台的机电系统设计，其主要参数如下：1. 立铣刀最大直径的 ；md202. 立铣刀齿数 ；3Z3. 最大铣削宽度 ；ae4. 最大背吃刀量 p15. 加工材料为碳素钢活有色金属；6. X、Y 方向的脉冲当量 ；myx05.7. X、Z 方向的定位精度
7、均为 ；8. 工作台面尺寸为 ，加工范围为 ；3210m30689. 工作台空载进给最快移动速度： ；in/2maxaxvy10.工作台进给最快移动速度： 。7mvffx3.总体方案的确定43.1 机械传动部件的选择3.1.1 导轨副的选用要设计 X-Y 数控车床工作台用来配套立式数控铣床，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。3.1.2 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 0.005mm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
8、杆副才能达到01.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。3.1.3 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。3.1.4 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 2300mm/min，故本设计不必采用高档次的伺服电动机，因此可以选用混合式步进电动机。以降低成本，提高性价比。3.1.5 检测装置的选用选用步进电动机作为伺服电
9、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。3.2 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
10、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。3.3 绘制总体方案图5微型 机 光电隔离光电隔离 功率放大功率放大 步 进电 机步 进电 机 联 轴 器联 轴 器 X向 工 作 台Y向 工 作 台图一 总体方案图4.机械传动部件的计算与选型4.1 导轨上移动部件的重量估算按照下导轨上面移
11、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,来进行重量估算。根据给定的有效行程，画出工作台简图，估算 X 向和 Y 向工作台承载重量 和xW。yW设计工作台示意图如下:图二 工作台示意图重量估算按:重量=体积*材料比重X 向拖板(上拖板) 重量估算为:NWx 24018.70435203Y 向拖板(下拖板) 重量估算为: y 5.8236工作台面重量估算：NW108.710321023电机重量估算为：120N夹具及工件等重量:130NX-Y 工作台运动部分总重量为:4501320185024总4.2 铣削力的计算设零件的加工方式为立式铣削，采用硬质
12、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）ZnadfaFpzec 13.07.5.08.1由设计任务知铣刀的直径为 d，齿数 ,为了计算最大铣削力，在不m2对称铣削情况下，取最大铣削宽度为 ；背吃刀量 ，每齿进给量e map10，铣刀转速 。则由（1）式求的最大铣削力：mfz1.0in/30rNFc 8933102.2181.0.73.7505. 采用立铣刀进行圆柱铣削时，各铣削力之间的比值可由表查得，考虑逆铣时的情况，可估算三个方向的铣削力分别为： , ，Fcf 8.Fce71.。考虑立铣，工作台受到垂直方向的铣削力 ，受到NFcfn47325.0 e
13、z9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，fFfn则纵向铣削力 ，径向铣削力为 。fx208NFfny4734.3 直线滚动导轨副的计算与选型4.3.1 块承受工作载荷 的计算及导轨型号的选取maxF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：（2G4max）其中，移动部件重量 ，外加载荷 ，代入式N50NFz719z=486（2） ，得最大工作载荷 。kF8.1max根据工作载荷 =0.686k
14、N，工作台面尺寸为 ，加工范围为m3207等数值，并考虑一定的余量；查表初选直线滚动导轨副的型号为 KL 系m3068列，其中 X 向导轨为 JSA-LG35 型，长度为 2200m m，其额定动载荷 ，额定kNCa1.35静载荷 ；Y 向导轨为 JSA-LG20 型，长度为 760m m；其额定动载荷kNCa2.470，额定静载荷 。a.1kNCa3.204.3.2 距离额定寿命 L 的计算上述所取的 KL 系列导轨副的滚道硬度为 60HRC，工作温度不超过 C，每根导轨10上配有两只滑块，精度为 4 级，工作速度较低，载荷不大。由上可知，JSA-LG20 系列所允许的静载荷值更小，所以此处
15、只需对它进行验算即可。分别取硬度系数 ，.Hf温度系数 ，接触系数 ，精度系数 ，载荷系数 ，代入0.1Tf 81.0Cf 9.0Rf 5W下式，得距离寿命： kmFffLaWRTH235)(3mx远大于期望值 50km，故距离额定寿命满足要求。4.4 滚珠丝杠螺母副的计算与选型4.4.1 最大工作载荷 Fm 的计算如前所述，在立铣时，工作台受到进给方向的载荷（与丝杠轴线平行）Fx=2082N,受到横向载荷（与丝杠轴线垂直）Fy=473N，受到垂直方向的载荷（与工作台面垂直）Fz=719N。已知移动部件总重量 G=4500N，按矩形导轨进行计算，取颠覆力矩影响系数K=1.1，滚动导轨上的摩擦系
16、数 =0.005。求得滚珠丝杠副的最大工作载荷：NGFKFyzxm23184.4.2 最大动工作载荷 的计算Q设工作台在承受最大铣削力时的最快进给速度 ，初选丝杠导程min/70v,则此时丝杠转速 。Ph5 in/140/rPvnh取滚珠丝杠的使用寿命 ,代入 ,得丝杠寿命系数T561/TL（单位为：10 6r） 。1260L查表，取载荷系数 ,滚道硬度为 60HRC 时，取硬度系数 ,代入下式，2.Wf 0.1Hf求得最大动载荷： NFfLmHQ13945304.4.3 初选型号根据计算出的最大动载荷和初选的丝杠导程，选择 CDM 系列 3205-5 型滚珠丝杠副，为外循环插管埋入式反向器双
17、螺母预紧式，其公称直径为 32mm，导程为 5mm，循环滚珠为 系列，精度等级取 5 级，额定动载荷为 17998N，大于 ，满足要求。25. QF4.4.4 传动效率 的计算将公称直径 ,导程 ,代入 ，得丝杠螺旋升md30Ph)/(arctn0dPh8角 。将摩擦角 ，代入 ,得传动效率 。512o10)tan(/%954.4.5 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。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；钢的弹性模量 ；查表得滚珠直径 Dw=3.175mm，丝杠底ma20MPaE510.2径 d2=28.2m
18、m,丝杠截面积 。28.64/mdS忽略式下中的第二项，算得丝杠在工作载荷 作用下产生的拉/压变形量FaFm35.)/(1（2）根据公式 ，求得单圈滚珠数 Z=28；该型号丝杠为单螺母，0WZdD滚珠的圈数 列数为 ，代入公式 Z 圈数 列数，得滚珠总数量 =280。25.Z丝杠预紧时，取轴向预紧力 /3=773N。由下式求得滚珠与螺纹滚道间的接触变YJmF形量 mZFDYJwm01./103.2 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=0.0005mm。2（3）将以上算出的 和 代入 ，求得丝杠总变形量（对应跨度1212总500mm） =0.0358mm=3
19、5.8 。总 m本例中丝杠的有效行程为 850mm，查表知 5 级精度滚珠丝杠有效行程在8001000mm 时，行程偏差允许达到 40 ，可见丝杠刚度足够。4.4.6 压杆稳定性校核取支承系数 =1；由丝杠底径 d2=28.2mm 求得截面惯性矩 31043 ；压kf 42/6Id4m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 2000mm。代入下式 mkKFaEIfF2得临界载荷 ，故 丝杠不会失稳。NK5362综上所述，初选的滚珠丝杠副满足使用要求。4.5 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
20、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。9已知工作台的脉冲当量 =0.005mm/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） ，算得减速比：=（0.75 5）/（360 0.005）=25/12()/360hiP本设计选用 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 调质钢，齿表面淬硬后达到 55HRC。减速箱中心距为（75+36） 1/2m
21、m=55.5mm,小齿轮厚度为 20mm，双片大齿轮厚度均为 10mm。4.6 步进电动机的计算与选型4.6.1 计算加在步进电动机转轴上的总转动惯量 eqJ已知：滚珠丝杠的公称直径 d0=32mm，总长 l=2000mm，导程 ，材料密度mPh5，移动部件总重力 G=800N，小齿轮齿宽 b1=20mm，直径33/1085.7cmkgd1=30mm，大小齿轮齿宽 b2=20mm，直径 d2=75mm，传动比 i=25/12。计算得各个零部件的转动惯量如下：， ， /4RLJS/4RJZ24365gnGVJW滚珠丝杠的转动惯量 ，拖板折算到丝杠上的转动惯量21.6cmkS，小齿轮的转动惯量 ，
22、大齿轮的转动惯量2910.cmkgW 21.0ckZ。2874JZ初选步进电动机的型号为 110BC380F,为三相混合式，三相六拍驱动时的步距角为0.75，从表查得该型号的电动机转子的转动惯量 。29cmkgJ则加在步进电动机转轴上的总转动惯量为：=14.643 kgcm2212()/eqmZWSJJi4.6.2 计算加在步进电动机转轴上的等效负载转矩 ：eqT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 ，其中 包括三部分：一部分是1eq1eq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max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fT上的附加摩擦转矩 。因为滚珠丝杠副传动效率很高，其中 相对于 和 很小，0T 0TmaxfT可以忽略不计。则有：
