1、 重庆理工大学机电一体化课程设计X-Y 水平十字滑台说明书班级： 学号： 专业：机械设计制造及其自动化姓名： 教师： 时间：2015 年 6 月 22 日-7 月 10 日机电一体化课程设计- 0 -目 录一、设计目的 .2二、设计任务 .2三、总体方案的确定 .31、机械传动部件的选择.32、控制系统的设计.4四、机械传动部件的计算与选型 .41、导轨上移动部件的重量估算.42、铣削力的计算.43、直线滚动导轨副的计算与选型.74、滚珠丝杠螺母副的计算与选型.95、步进电动机减速箱的选用.136、步进电动机的计算与选型.137、增量式旋转编码器的选用.198、步进电机驱动器的选择.199、联
2、轴器的选择.21五、工作台机械装配图的绘制 .226、工作台控制系统的设计.227、十字滑台运动控制程序的编制.228、结语 .25参考文献.26机电一体化课程设计11、设计目的课程设计是一个重要的时间性教学环节，要求学生综合的运用所学的理论知识，独立进行设计训练，主要目的：1、通过设计，使学生全面地、系统地了解和掌握数控机床的基本组成及其思想知识，学习总体的方案拟定，分析与比较的方法。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、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4、锻炼提高学生应用手册和标准、查阅文献资料及撰写科
3、技论文的能力2、设计任务1、设计题目X-Y 数控工作台机电系统设计2、任务设计一种供立式数控铣床使用的 X-Y 数控工作台。要求可以设定工作台的运动速度，实现正向/反向点动、正向/反向连续运动、启动、停止、急停、软硬限位等功能。3、主要设计参数1. 立铣刀最大直径 d=16mm2. 立铣刀齿数 Z=33. 最大铣削宽度 ac=10mm4. 最大铣削深度 ap=8mm5. 加工材料为碳素钢6. X，Y 方向的脉冲当量都为 0.01mm/脉冲7. X，Y 方向的定位精度都为0.02mm8. 工作台面尺寸为 350mm350mm,加工范围为 450mm450mm9. X,Y 方向工作台空载最快移动速
4、度都为 2500mm/min10. X，Y 方向工作台进给速度都为 400mm/min机电一体化课程设计2三、总体方案的确定1、机械传动部件的选择（1）导轨副的选用要设计的 X-Y 工作台是用来配套轻型的立式数控铣床，需要承载的载荷不大，但脉冲当量小( )，pmyx/01.定位精度高（ ） ，因此，决定选用直线滚动导轨副，它具有maxax4/infyfv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。选直线滚动导轨副（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 0.01mm 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
5、滚珠丝杠副才能达到。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，而且滚珠丝杠已经系列化，选用非常方便，有利于提高开发效率。选滚动丝杠螺母副（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，且应有消除间隙机构。 拟采用减速器（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 2500mm/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
6、步进电动机，如混合式步进电动机，以降低成本，提高性价比。伺服电机选步进电机（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，并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应与步进电动机的步距角相匹配。 检测装置的选用：增量式旋转编码器机电一体化课程设计3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
7、，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。 连续控制型（2）对于步进电动机的半闭环控制，选用 MPC2810 运动控制卡，应该能够满足任务书给定的相关指标。控制器选：MPC2810 运动控制卡（3）要设计一台完整的控制系统，在选择运动控制卡之后，还需要转接板作为与其他电器元件连接的枢纽。 需要转接板（4）选择合适的驱动电源，与步进电动机配套使用，我们将自行设计。 自行设计步进电机驱动电源整体方案设计系统总体方案图四、机械传动部件的计算
8、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，估计重量约为 900N。 G=900N2、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 2-1查得立铣时的铣削力计算公式为：硬质合金铣刀铣削力的计算公式（单位 N） 316铣刀类型 工件材料 铣削力公式机电一体化课程设计4碳钢 ZnadfFpzec 18.09.318.06.127灰铸铁 z.74.59面铣刀可锻铸铁 fpzec 20.135.018碳钢 ZadaFz.87.8.圆柱铣刀灰铸铁 fp
9、zec 0.19.0.956三面刃铣刀 nz.8.2两面刃铣刀 ZadfFpzec 85.017.04立铣刀碳钢 az3.3.5.8.1期中：a p 为背吃刀量 mm；a e 为侧吃刀量 mm；f z 为每齿进给量 mm/Z；v f 进给速度mm/min；Z 铣刀齿数；d 铣刀直径 mm；n 铣刀转速 r/min，见图 2-1。（2-1）ZfFpzec 13.0.73.05.8.01图 2-1 铣削用量说明若铣刀直径 d=16mm，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=10mm，背吃刀量 ap=8，每齿进给量 fz=0.1mm/Z；铣刀转速 n=300r/
10、min。则由公式 2-1 求得最大铣削力： 0.85.70.731.0.13116898cF N采用立铣刀进行圆柱铣削时，各铣削力之间的比值可由表 2-2。表 2-2 各铣削力之间比值机电一体化课程设计5不对称铣削铣削条件 比值 对称铣削逆铣 顺铣Ff / Fc 0.30.4 0.60.9 0.150.3Fe / Fc 0.850.95 0.450.70 0.91.0端铣削ae=(0.40.8)d/mmfz=(0.10.2)/(mm.z-1) Ffn / Fc 0.500.55 0.500.55 0.50.55Ff / Fc 1.01.2 0.80.9Ffn / Fc 0.20.3 0.750
11、.8圆柱铣削ae=0.05 d/mmfz=(0.10.2)/(mm.z-1) Fe / Fc 0.350.4 0.3250.4图 2-2 铣削力分析图 2-3 顺铣与逆铣由表 2-2，图 2-2 和图 2-3，考虑逆铣情况，可估算出三个方向的铣削力分别为：1.08376.254fcefncFN图 2-3a 为卧铣情况，现考虑立铣，则工作台受到垂直方向的铣削力 Fz=Fe=376N，受到水平Fz=376NFx=1088N机电一体化课程设计6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） ，则纵向铣削力 Fx=Ff=1088N，径向铣削力 Fy=F
12、fn=247N。Fy=247N3、直线滚动导轨副的计算与选型（1）滑块承受工作载荷 Fmax 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。X-Y 工作台采用水平布置，利用双导轨、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：(2-2)FG4max其中，移动部件重量 G=900N，外加载荷 F=FZ=376N，代入式 2-2 得最大工作载荷max9037610.64Nk查表 3-41【3】48，根据工作载荷 Fmax=0.609kN，初选直线滚动导轨副的型号为 ZL 系列的JSA-LG15 型，其额定动载
13、荷 Ca=7.94kN，额定静载荷 C0a=9.5kN。任务书规定工作台面尺寸为 350mm350mm，加工范围为 450mm450mm，考虑工作行程应留有一定余量，查表 3-35345，按标准系列，选取导轨长度为 820mm.表 3-35 JSA 型导轨长度系列导轨型号 导轨长度系JSA-LG15 280 340 400 460 520 580 640 700 760 820 940JSA-LG20 340 400 520 580 640 760 820 940 1000 1120 1240JSA-LG25 460 640 800 1000 1240 1360 1480 1600 1840
14、1960 3000JSA-LG35 520 600 840 1000 1080 1240 1480 1720 2200 2440 3000JSA-LG45 550 65 750 850 950 1250 1450 1850 2050 2550 3000JSA-LG55 660 780 900 1020 1260 1380 1500 1980 2220 2700 3000JSA-LG65 820 970 1120 1270 1420 1570 1720 2020 2320 2770 3000导轨副的型号:ZL 系列的 JSA-LG15 型导轨长度为820mm机电一体化课程设计7(2) 距离额定寿
15、命 L 的计算上述选取的 ZL 系列 JSA-LG15 型导轨副的滚道硬度为 60HRC，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。查表表 2-4 硬度系数滚道硬度（HRC） 50 55 5864fH 0.53 0.8 1.0表 2-5 温度系数工作温度/ 100 100150 150200 200250fT 1.00 0.90 0.73 0.60表 2-6 接触系数每根导轨上滑块数 1 2 3 4 5fC 1.00 0.81 0.72 0.66 0.61表 2-7 精度系数精度等级 2 3 4 5fR 1. 1.0 0.9 0.9表 2-8 载荷
16、系数工况无外部冲击或震动的低速场合，速度小于 15m/min无明显冲击或振动的中速场合，速度为1560m/min有外部冲击或振动的高速场合，速度大于 60m/minfW 11.5 1.52 23.5分别取硬度系数 fH=1.0、温度系数 fT=1.00、接触系数 fC =0.81、精度系数 fR =0.9、载荷系数 fW =1.5，代入式 2-3【3】 46，得所选丝杠的距离寿命为 180km。距离寿命为180km 远大于期望值 50km，故距离额定寿命满足要求机电一体化课程设计8（2-3）503maxFCfLWRTH即31.0.8197.412658560km结论：所选导轨的距离寿命远大于期
17、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 Fm 的计算在立铣时，工作台受到进给方向的载荷（与丝杠轴线平行）Fx=2082N，受到横向的载荷（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=900N，按矩形导轨进行计算，查表 2-9【3】38，表 2-9 最大工作载荷 Fm 实验计算公式及参考系数导轨类型 实验公式 K 矩形导轨 )(GFKFyzxm1.1 0.15燕尾导轨 )2(yzx 1.4 0.2三角形或综合导轨 )(GFKzxm1.15 0.150.8注：表中摩擦因数 均为滑动导轨。对于贴塑导轨 =0.030.05，滚动导轨=0.0030.005。表中，Fx 为进给方向载荷，Fy 为横向载荷，Fz 为垂直载荷，单位均为 N；G 为移动部件总重力，单位为 N；K 为颠覆力矩影响系数； 为导轨的摩擦系数。取移动部件总重量 G=900N，按矩形导轨进行计算，查表 2-9，取颠覆力矩影响系数K=1.1，滚动导轨上的摩擦因素 =0.005。求得滚珠丝杠副的最大工作载荷：、 ()1.08.52473690124mxzyFFG最大工作载荷： 1204mFN（2）最大动载荷 FQ 的计算
