XY数控工作台的机电系统设计.doc

重庆理工大学课程设计X-Y数控工作台的机电系统设计学院： 重庆汽车学院 专业： 机械设计制造及其自动化 班级： 机 电 1班 教师： 张晓宇 学号： 10904020112 学生： 黄小梅 目录第1章 引言：3第2章 设计任务3第3者 总体方案的确定43.1 机械传动部件的选择43.1.1导轨副的选用3.1.2丝杠螺母副的选用3.1.3减速装置的选用3.1.4伺服电动机的选用3.1.5检测装置的选用3.2 控制系统的设计43.3 绘制总体方案图5第4章 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4.3.2 距离额定寿命L的计算4.4 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4.4.2 最大动工作载荷FQ的计算4.4.3 初选型号4.4.4 传动效率的计算4.4.5 刚度的验算4.4.6 压杆稳定性校核4.5 伺服电动机减速箱的选用84.6 伺服电动机的计算与选型84.6.1 计算加在伺服电动机转轴上的等效负载转矩Teq4.6.2 计算加在伺服电动机转轴上的总转动惯量q4.6.3 伺服电机的选定和参数确定4.6.4 伺服电动机的性能校核第5章 增量式旋转编码器的选用12第6章 绘制进给传动系统示意图12第7章 工作台控制系统的设计要求12第8章 控制程序及其面板的设计15第10章 总结17参考文献18第1章 前言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。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。图1 X-Y数控工作台外形第2章 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数控工作台主要设计参数：1， 立铣刀最大直径d=10mm2， 立铣刀齿数Z=33， 最大铣削宽度ac=10mm4， 最大铣削深度ap=6mm5， 加工材料为碳素钢6， X，Y方向的脉冲当量都为0.001mm/脉冲7， X，Y方向的定位精度都为±0.01mm8， 工作台面尺寸为200mm×200mm,加工范围为230mm×230mm9， X,Y方向工作台空载最快移动速度都为2500mm/min 10，X，Y方向工作台进给速度都为300mm/min 设计内容： 1，机械传动部件的计算、选型与设计： a,导轨上移动部件的重量估算 b,铣削力的计算 c,直线滚动导轨副的计算与选型 d,滚珠丝杆螺母副的计算与选型 e,伺服电机减速箱的选用 f,伺服电机的计算与选型 g,驱动器与驱动电源选择 2，绘制工作台X或Y方向进给传动机构装配图一张 3，工作台的进给控制系统设计（控制器选用运动控制卡）；使用VB完成工作台快速移动速度、进给速度和移动距离的控制程序设计 4，进给控制系统硬件配置图一张 第3章 总体方案确定3.1 机械传动部件的选择3.1.1导轨副的选用要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。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0.001mm脉冲当量和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。3.1.3减速装置的选用选择了伺服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，需要减速装置，且应有消间隙机构，因此本设计中可能决定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为0.001mm。定位精度为0.01mm，也未达到微米级，空载最快移动速度也只有2500mm/min，故本设计可考虑选用直流伺服电动机，其稳定性好，能在较宽的速度范围内稳定运行，可控性也很好，能快速启动、增速、减速和停止，且输出转矩大。3.1.5检测装置的选用选用直流伺服电动机作为电机后，采用电枢控制。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直流伺服电动机相匹配。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-Y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）选择合适的驱动电源，与直流伺服电动机配套使用。3.3 绘制总体方案图总体方案图如图所示。总体方案图第4章 机械传动部件的计算和选型4.1 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800N4.2 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： (6-11)今选择铣刀的直径为d=10mm，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ae=10mm，背吃刀量=6mm ，每齿进给量，铣刀转速。则由式（6-11）求的最大铣削力：Fc=118×100.85×0.10.75×10-0.73×61.0×3000.13×3 N1045N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：Ff =1.1Fc1150N，Fe =0.38Fc397N，Ffn =0.25Fc261N ,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Fz= Fe =397N，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Fx= Ff=1150N，径向铣削力为Fy =Ffn=261 N。a）圆柱形铣刀铣削力 b）面铣刀铣削力图3-4 铣削力的分析 4.3 直线滚动导轨副的计算与选型（纵向）4.3.1 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： (6-12)其中，移动部件重量800N，外加载荷，代入式（6-12），得最大工作载荷=597N=0.597kN。查表根据工作载荷=0.597kN，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。任务书规定加工范围为230×230，台面尺寸范围为200×200mm,考虑工作行程应留有一定余量，查表按标准系列，选取导轨的长度为520mm。4.3.2 距离额定寿命L的计算上述所取的KL系列JSA-LG15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。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。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=1150N,受到横向载荷（与丝杠轴线垂直）Fy=261N，受到垂直方向的载荷（与工作台面垂直）Fz=397N.已知移动部件总重量G=800N，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数=0.005。求得滚珠丝杠副的最大工作载荷：Fm=KFx+(Fz+Fy+G)=1.11150+0.005(397+261+800)N1272N4.4.2 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=300mm/min，初选丝杠导程Ph=5mm,则此时丝杠转速n=v/Ph=60r/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=54（单位为：106r）。查表，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（3-23），求得最大动载荷：FQ=4.4.3 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。4.4.4 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=4°33。将摩擦角=10，代入=tan/tan(+),得传动效率=96.4%。4.4.5 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a=500mm；钢的弹性模量E=2.1105Mpa;查表得滚珠直径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1=Fma/（ES）=1272×500/（2.1 ×206.12） mm 0.0147mm.。(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=424N。则由式（3-27），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=0.0010mm。(3) 将以上算出的和代入，求得丝杠总变形量（对应跨度500mm）=0.0157mm=15.7本例中，丝杠的有效行程为330mm，由表知，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。4.4.6 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）：得临界载荷FK=9343N>Fm=1272N，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。4.5 直流伺服电动机减速箱的选用为了满足脉冲当量的的设计要求，增大伺服电动机的输出转矩，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，今在直流伺服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。已知工作台的脉冲当量=0.001mm/脉冲，滚珠丝杠的的导程Ph=5mm，可以知当丝杆转动一个导程时候需要的脉冲为L/=5/0.001=5000,故初步选定编码器的分辨率为s=5000,已知工作台的脉冲当量=0.001mm/脉冲，滚珠丝杠的的导程Ph=5mm，根据式（3-12），算得减速比：i=L/s =5/0.001*5000=1由于传动比为1，故不需要减速机构，可以用电机直接驱动丝杆转动。4.6 伺服电动机的计算与选型4.6.1 计算加在伺服电动机转轴上的等效负载转矩Teq已知丝杆的导程是L=5mm所需电机转速计算，已知导轨快进的速度为2500mm/min，则所需电机的转速是 n1=v/L=2500/5=500r/min同时可知编码器轴上的转速为n2=n1=500r/min等效负载转矩的计算已知整个工作台（包括工件、移动体）的总重力W=800N，贴塑导轨上的摩擦系数=0.06,移动时候的摩擦力F1=W=52N，滚珠丝杆传动副的效率=0.9，根据机械效率公式，换算到电动机轴上所需的转矩T1=Fz+(W+Fy)L/2si=397+0.06*(800+261)*0.005/2*0.8*0.5=0.916N*m由于加工时候阻力很大，滚珠丝杆传动副必须先预紧，其预紧力最大为轴向载荷的1/3时，其刚度增加2倍，变形量减小1/2。预紧力F2=1/3F1=1/3*261=87,取螺母内部的摩擦系数m=0.3,因此，滚珠丝杆预紧后的摩擦转矩T2=mF2L/2=0.3*87*0.005/2=0.02N*m。在电动机轴上的等效负载TL=T1+T2=0.916+0.02=1.017N*m4.6.2 计算加在电动机转轴上的总转动惯量q换算到电动机轴上的移动体J1，根据运动惯量换算的动能相等原则，J1为J1= 换算到电机上的总转动惯量=J1=4.6.3 伺服电机的选定和参数确定初选伺服电机的型号，由于=1.017N*m和= ,故查表选取日本山洋直流伺服电动机C-200-20其规格主要参数如下:额定输出功率：0.23kw 额定电枢电压：60v额定转矩：2.25Nm额定电枢电流：5.8A额定转速：1000r/min连续失速转矩：2.9Nm瞬时最大转矩：26Nm最大转速：2000r/min比功率：2.92kw/s转矩常数：0.46Nm./A感应电压常数：47.5VKr/min转子惯量：0.00174.6.4 伺服电动机的性能校核(1) 计算电动机需要的转矩，已知加速时间=0.5s，电动机转速=500r/mim,滚珠丝杆的传动效率=0.9，根据力学公式，电机所需的转矩为：=1.57N*M由于伺服电机由于该电动机的安全系数较大，所以不需检查电动机的温度。第5章 增量式旋转编码器的使用本设计所选伺服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伺服电动机脉冲当量0.001mm，丝杆的螺距为5mm，可知电动机转动一转时，需要控制系统发出5/0.001=5000个脉冲。考虑到增量式旋转编码器输出的A、B相信号,每项信号能够传出2500个脉冲，因此，编码器的分辨力由A、B两项共同传出为5000个脉冲。与电动机尾部出轴相匹配，电源电压+5V，信号为电压输出。第6章 绘制进给传动系统示意图进给传动系统示意图如图所示。 进给传动系统示意图第7章 工作台控制系统的设计要求 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） 控制X，Y伺服电动机的驱动器；（5） 控制丝杆的正转，反转与停止；（6） 控制多速电动机，实现主轴有级变速；（7） 与PC机的串行通信。X-Y数控工作台的控制系统设计，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。本设计CPU选用ATMEL公司的8位单片机AT89S52，由于AT89S52本身资源有限，所以扩展了一片EPROM芯片W27C512用做程序存储器，存放系统底层程序；扩展了一片SRAM芯片6264用做数据存储器，存放用户程序；由于数控工作台还需要加入铣刀运动控制和程序输入等指令，所以除设置了XY方向的控制指令键，操作开停键，急停键和复位键等外还采用8279来管理扩展多种按键。运动控制卡选用AMPCI9102型号 控制系统原理框图如图所示。第8章 控制程序及其面板的设计运用VB软件对运动控制卡进行编程，在PC机上实现软件对工作台的控制，达到预定的运动目的。下图为PC机上控制面板的设计：以下为上图vb程序设计代码:Option ExplicitDim txtAxesNum As LongDim txtAxesNum1 As LongDim txtAxesNum2 As LongDim kjulixy As Long '定义变量Private Sub Command4_Click()End SubPrivate Sub Command5_Click()End SubPrivate Sub Form_Load()'该函数对板卡进行设置，可在窗体加载时调用Private Function SetBoard() As Integer Dim Rtn As Integer, i As IntegerRtn = auto_set() '对板卡进行自动设置 If Rtn <= 0 Then '若自动设置错误则返回0 SetBoard = -1 glTotalAxes = Rtn Exit Function End If glTotalAxes = Rtn Rtn = init_board If Rtn <= 0 Then SetBoard = -2 glTotalCards = Rtn Exit Function End If glTotalCards = Rtn For i = 1 To glTotalAxes set_sd_logic i, 0 set_el_logic i, 0 set_org_logic i, 0 set_alm_logic i, 0 Next i SetBoard = 0End FunctionEnd SubPrivate Sub Option1_Click()GetParamEnd SubPrivate Sub Option2_Click()GetParamEnd SubPrivate Sub Option3_Click()GetParamEnd SubPrivate Sub Text1_Change()kjulixy = Val(txtAxesNum.Text)End SubPrivate Sub Text2_Change()kjulixy = Val(txtAxesNum1.Text)End SubPrivate Sub Text3_Change()kjulixy = Val(txtAxesNum2.Text)End SubPrivate Sub Text4_Change()Dim pos As Long Dim data As Long Dim speed As Double, dbPos As Double Dim lEnc As Long get_abs_pos AxesNum, dbPos '读取位置 pos = Int(dbPos) labPos.Caption = pos '显示位置End SubPrivate Sub Text5_Change()Dim pos As Long Dim data1 As Long Dim speed1 As Double, dbPos1 As Double Dim lEnc1 As Long get_abs_pos1 AxesNum, dbPos1 '读取位置 pos1 = Int(dbPos1) labPos1.Caption = pos1 '显示位置End SubPrivate Sub Timer1_Timer()End Sub第10章 总结通过本次对X-Y数控工作台的机电系统设计，由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。这是一个比较具有实际意义的设计演练，不光是针对毕业设计前的一次预演，更是进入社会前的一次实际生产设计。在本次设计中让我进一步的理解到机械与电子联系的紧密性，初步掌握了机电一体化产品的设计过程。就本次机电一体化产品设计来谈谈设计思路：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，伺服电机减速箱的选用，伺服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，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；然后分析选用了伺服电动机的驱动电源。在老师的指导下和与同学的讨论中，最后通过自己的努力终于完成了本次设计任务，尽管在本次设计中间遇到了不少问题，如滚珠丝杠螺母副的选择与电动机的选择，通过一次次的调整，最后终于得到了满意的结果。通过这样的一个过程，让我们不仅锻炼了自己的能力，检验了自己所学的知识，还让我们认识到了自己的不足。有了这个经验对以后我们完善自己的不足是很具有指导意义的；另外，也会让我们更快的适应以后的工作。参考文献：1 张建民.机电一体化系统设计.北京:机械工业出版社.20012 姜培刚、盖玉先. 机电一体化系统设计.北京：机械工业出版社.20033 尹志强. 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.20074 张立勋等.机电一体化系统设计M.哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社.5 文怀兴、夏田.数控机床系统设计M.北京：化学工业出版社.20086 李发海、王岩.电机与拖动基础（第三版）.北京：清华大学出版社.20057 张毅刚.单片机原理及应用.北京：高等教育出版社.2010: