机械专业课程设计XY工作台滚珠丝杠.doc

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1、本 科 生 专 业 课 程 设 计（ 2007 届）学生姓名： 学 号： 专业名称： 机械设计制造及其自动化 班 级： 071 指导教师： 2010年 12 月 1 日目 录任 务 书2二、总体方案的确定3三、机械传动部件的计算与选型5四、工作台机械装配图的绘制17五、工作台控制系统的设计18参考文献20附件121附件222附件323附件424任 务 书设计题目：X-Y数控工作台机电系统设计设计任务：设计一台微机控制XY两坐标工作台，供立式数控铣床使用。具体内容如下：1、 机械系统设计：通过计算,正确选择传动机构、导向机构、执行机构、驱动电机等，根据计算说明，绘制机械系统装配图。2、 控制系统

2、设计：根据系统要求，选择正确的控制策略，设计合理的控制系统，并绘制控制系统电路图。3、 主要程序设计：在机械系统设计与控制系统设计的基础上，进行控制系统的主程序设计，列出程序清单。4、 设计说明书撰写。系统主要参数：1、 立铣刀最大直径d=20mm2、 立铣刀齿数Z=33、 最大铣削宽度4、 最大背吃刀量5、 加工材料为碳素钢或有色金属6、 X,Y方向的脉冲当量7、 X,Y方向的定位精度均为0.01mm8、 工作台面尺寸为400mm500mm，加工范围为200mm200mm9、 工作台空载最快移动速度10、 工作台进给最快移动速度时间安排及任务：一、系统功能介绍、总体方案设计（1天）1. 机电

3、一体化产品设计的基本过程介绍；2. XY工作台功能介绍；3. 总体方案的确定二、单元功能模块介绍和设计任务的落实（1天）三、详细设计（8天）1机械系统装配图设计；2控制各部分原理图的设计；3主功能程序的编制二、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()，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。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0.01m

4、m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。为此，系统中决定采用无间隙齿轮传动减速箱。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2000mm/min。因此，本设计不

5、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。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。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

6、、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。检测装置的选用：增量式旋转编码器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MCS-51系列的8位单片机AT89S52作为控制系统的CPU，应该能够满足任务书给定的相关指标。单片机选：AT89S52（3）要设计一台完整的控制系统，在选择CPU之后，还需要扩展程序存贮器、数据存贮器、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。需要电路扩展（4）选择合适的

7、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步进电动机减速器滚珠丝杠步进电动机减速器工作台滚珠丝杠X方向传动机构Y方向传动机构微型机机电接口驱动电路人机接口图2-1 系统总体方案结构框图系统总体方案图三、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：表2-1 硬质合金铣刀铣削力的

8、计算公式（单位N）316铣刀类型工件材料铣削力公式面铣刀碳钢灰铸铁可锻铸铁圆柱铣刀碳钢灰铸铁三面刃铣刀碳钢两面刃铣刀立铣刀期中：ap为背吃刀量mm；ae为侧吃刀量mm；fz为每齿进给量mm/Z；vf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）图2-1 铣削用量说明若铣刀直径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，背吃刀量ap=8，每齿进给量fz=0.1mm/Z；铣刀转速n=300r/min。则由公式2-1求得最大铣削力：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

9、各铣削力之间比值铣削条件比值对称铣削不对称铣削逆铣顺铣端铣削ae=(0.40.8)d/mmfz=(0.10.2)/(mm.z-1)Ff / Fc0.30.40.60.90.150.3Fe / Fc0.850.950.450.700.91.0Ffn / Fc0.500.550.500.550.50.55圆柱铣削ae=0.05 d/mmfz=(0.10.2)/(mm.z-1)Ff / Fc1.01.20.80.9Ffn / Fc0.20.30.750.8Fe / Fc0.350.40.3250.4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

10、的铣削力分别为：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=719N，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），则纵向铣削力Fx=Ff=2082N，径向铣削力Fy=Ffn=473N。Fz=719NFx=2082NFy=473N3、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

11、-2)其中，移动部件重量G=900N，外加载荷F=FZ=719N，代入式2-2得最大工作载荷查表3-41【3】48，根据工作载荷Fmax=1.169kN，初选直线滚动导轨副的型号为ZL系列的JSA-LG45型，其额定动载荷Ca=7.94kN，额定静载荷C0a=9.5kN。任务书规定工作台面尺寸为400mm500mm，加工范围为200mm200mm，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750mm.表3-35 JSA型导轨长度系列导轨型号导轨长度系JSA-LG15280340400460520580640700760820940JSA-LG2034040052

12、0580640760820940100011201240JSA-LG2546064080010001240136014801600184019603000JSA-LG3552060084010001080124014801720220024403000JSA-LG4555065750850950125014501850205025503000JSA-LG5566078090010201260138015001980222027003000JSA-LG65820970112012701420157017202020232027703000导轨副的型号:ZL系列的 JSA-LG45型导轨长度为75

13、0mm(2) 距离额定寿命L的计算上述选取的ZL系列JSA-LG45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）50555864fH0.530.81.0表2-5 温度系数工作温度/90%，合格。（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=550mm；钢的弹性模量E=2.1105MPa；查附件3，得滚珠直径DW=3.175mm，丝杠底径d2=21.2mm，丝杠截面积。丝杠

14、的拉伸或压缩变形量1在总变形量中的比重较大，可按下式计算： (2-5)341式中：Fm丝杠的最大工作载荷，单位为N a丝杠两端支承间的距离，单位为mm E丝杠材料的弹性模量，钢的E=2.1105MPa S丝杠按底径d2确定的截面积，单位为mm2 M转矩，单位为Nmm I丝杠按底径d2确定的截面积惯性矩（），单位为mm4 滚珠与螺纹滚道间的接粗变形量2 无预紧时 (2-6)341 有预紧时 (2-7)341式中 DW滚珠直径，mm Z滚珠总数量，Z=Z圈数列数 Z单圈滚珠数，（外循环），（内循环） FYJ预紧力，单位N忽略式2-5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=0.0

15、124mm即 2）根据公式，求得单圈滚珠数Z=22；该型号丝杠为单螺母，滚珠的圈数列数为42，代入公式：Z=Z圈数列数，得滚珠总数量Z=176。丝杠预紧时，取轴向预紧力FYJ=Fm/3=767N。则由式2-7，滚珠与螺纹滚道间的接触变形量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，2=0.0005mm。3）将以上算出的1和2代入。 丝杠的有效行程为400mm，由表3-27【3】35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，可见丝杠刚度足够。丝杠刚度足够（6）压杆稳定性校核 滚珠丝杠是属于受轴向力的细长杆，如果轴向负载过大，则可能产生失

16、稳现象。失稳时的临界载荷Fk应满足： （2-8）【3】42式中 Fk临界载荷，单位N fk丝杠支承系数，如表所示 K压杆稳定安全系数，一般取2.54，垂直安装时取小值； A滚珠丝杠两端支承间的距离，单位为mm。表2-11 丝杠支承系数【3】42方式双推-自由双推-简支双推-双推单推-单推fk0.25241查表2-11，取fk=1；由丝杠底径d2=16.2mm，求得截面惯性矩：；压杆稳定系数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550mm。代入式2-8，得临界载荷Fk22611N，远大于工作载荷Fm=2301N，故丝杠不会失稳。丝杠不会失稳综上所述，初选的滚珠丝杠副满足

17、使用要求。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小，决定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结构，采用右图所示的弹簧错齿法消除侧隙。(1) 计算减速器传动比 已知工作台的脉冲当量=0.01mm/P，滚珠丝杠的导程Ph=5mm，初选步进电动机的步距角=0.9，算得减速比： 按图5-33，选一级齿轮传动(2) 齿轮机构设计机械传动效率概略值（供参考）类型V带传动

18、联轴器传动圆柱齿轮传动一对滚动轴承丝杠螺母副符号vcgbs效率0.940.970.970.9950.960.990.980.9950.900.95初选效率为0.98。可见，系统传递的功率很小，在要求不高时，以后各步的计算可省略。并采用经验法来设计各元部件。但为练习计算过程，本次设计采用分析计算来设计。(3) 齿轮传动机构的基本参数传递功率(w)小齿轮转速n1 (r/min)传动比一天运转时间(h)工作寿命（年）传动效率转向工况3.575/4850.975不变平稳其中小齿轮转速：(4) 选择材料及确定许用应力小齿轮材料选择45钢（表面淬火），硬度为45HRC大齿轮材料为45钢（调质）硬度为220

19、HBS小齿轮的接触疲劳强度极限（淬火处理）大齿轮的接触疲劳强度极限安全系数和安全系数软齿面硬齿面重要的传动、渗碳淬火齿轮或铸造齿轮1.01.11.11.21.31.31.41.41.61.62.2取安全系数小齿轮的弯曲疲劳强度极限大齿轮的弯曲疲劳强度极限取(5) 按齿面接触强度设计设齿轮按7级精度制造。取载荷系数1.1，齿宽系数，取；大齿轮齿数：模数；按实际取 m=0.9确定中心距齿宽： b=取(6) 验算轮齿弯曲强度齿形系数 校验结果：安全。(7) 齿轮的圆周速度选用7级精度是安全的。传递功率：7.14W小齿轮转速：n=87.5r/min中心距：a=32.4校验结果：安全6、步进电动机的计算

20、与选型（1）计算加在步进电动机转轴上的总转动惯量Jeq 已知：滚珠丝杠的公称直径d0=25mm； 总长l=580mm 导程Ph=20mm； 材料密度=7.8510-3kg/cm3移动部件总重力G=900N；小齿轮宽度b1=10mm，直径d1=28.8mm；大齿轮宽度b2=10mm，直径d2=36mm；传动比i=5/41）滚珠丝杠转动惯量： 小齿轮转动惯量：大齿轮转动惯量：托板折算到丝杠上的转动惯量：初选步进电动机型号为110BYG2502，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为0.9，从附件4表4-5【3】65查得该型号电动机转子的转动惯量Jm=15kg.cm2。则加在步

21、进电动机转轴上的总转动惯量为：滚珠丝杠转动惯量=1.75kg.cm2小齿轮转动惯量=0.053kg.cm2大齿轮转动惯量=0.129kg.cm2托板折算到丝杠上的转动惯量=0.582kg.cm2步进电动机转轴上的总转动惯量=17.1kg.cm2（2）计算加在步进电动机转轴上的等效负载转矩Teq分快速空载启动和承受最大工作负载两种情况进行计算。 快速空载启动时电动机转轴所承受的负载转矩Teq1 （2-9）式中：Tamax快速空载启动时折算到电动机转轴上的最大加速转矩，Nm Tf移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩，Nm T0滚珠丝杠预紧后折算到电动机转轴上的附加摩擦转矩，Nm （2-10）

22、式中： Jeq步进电动机转轴上的总转动惯量，kg.m2 电动机转轴的角加速度，rad/s2 nm电动机转速，r/min ta电动机加速所用时间，s,一般在0.31s之间选取。(这里取0.4s)齿轮组总效率，取=0.9式中 vmax空载最快移动速度，任务书指定为2000mm/min; 步进电机步距角，预选电动机为0.9 脉冲当量，任务书指定为0.01mm/P由式2-10得 （2-11）式中 F摩导轨的摩擦力，N Ph滚珠丝杠导程，m 齿轮总效率，取=0.9 i总的传动比，i=nm/ns，其中nm为电动机转速，ns为丝杠的转速。 导轨摩擦因数（滑动导轨取0.150.18）,滚动导轨取0.0030.

23、005）；这里取0.005 Fz垂直方向的工作载荷，空载时Fz=0 （2-12）式中： 导轨摩擦因数（滑动导轨取0.150.18）,滚动导轨取0.0030.005）； Fc垂直方向的工作载荷，车削时为Fc，立铣时为Fz单位为N，空载时Fc=0； G运动部件的总总量，单位为N （2-13）式中 FYJ滚珠丝杠的预紧力，一般取滚珠丝杠工作载荷Fm的1/3，单位为N；0滚珠丝杠未预紧时的传动效率，一般取00.9 由于滚珠丝杠副的传动效率很高，所以T0值一般很小，与Tamax和Tf比起来，通常可以忽略不计。由式2-9得快速空载启动时电动机转轴所承受的负载转矩：电动机转速=500r/min快速空载启动时

24、折算到电动机转轴上的最大加速转矩=0.249Nm移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩=0.003Nm滚珠丝杠预紧后折算到电动机转轴上的附加摩擦转矩=0(即忽略)快速空载启动时电动机转轴所承受的负载转矩=0.252Nm2）最大工作负载状态下电动机转轴所承受的负载转矩Teq2 （2-14）式中：Tf和T0分别按式2-11和2-13计算。 Tt折算到电动机转轴上的最大工作负载转矩 （2-15）式中 Ff进给方向最大工作载荷，单位N。本设计对滚珠丝杠进行计算的时候，已知沿着丝杠轴线方向的最大进给载荷Fx=2802N。由式2-11得：垂直方向承受最大工作负载(Fz=719N)情况下，移动部件运动时

25、折算到电动机转轴上的摩擦转矩：则由式2-14得：综上计算，得到加在步进电动机转轴上的最大等效负载转矩应为：折算到电动机转轴上的最大工作负载转矩=1.326Nm移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩=1.146Nm最大工作负载状态下电动机转轴所承受的负载转矩Teq2=2.472Nm综上计算，得到加在步进电动机转轴上的最大等效负载转矩应为：2.472Nm（3）步进电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，其输出转矩会下降，可能造成丢步，甚至堵转。因此，根据Teq选择步进电动机的最大静转矩时，需要考虑安全系数。这里取安全系数K=4，则步进电动机的最大静转

26、矩应满足：上述初选的步进电动机型号为110BYG2502，由附件4表4-5查得该型号电动机的最大静转矩。可见，满足要求。步进电机最大静转矩满足要求。（4）步进电机性能校核1）最快工作速度时电动机输出转矩校核任务书给定工作台最快加工进给速度，脉冲当量，则电动机对应的运行频率为： 图2-2 110BYG2502步进电机运行距频特性曲线从图2-2查得，在此频率下，电动机的输出转矩Tmaxf=18.6Nm，大于最大工作负载转矩Teq2=2.472Nm，满足要求。最快工作速度时电动机输出转矩满足要求。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，则电动机对应的运行频率为：从图2-

27、2查得，在此频率下，电动机的输出转矩Tmax=6Nm，大于快速空载启动时的负载转矩Teq1=0.252Nm，满足要求。最快空载移动时电动机输出转矩校核满足要求3）最快空载移动时电动机运行频率校核 与最快空载移动速度对应的电动机运行频率可达10000Hz。查附件4表4-5可知110BYG2502电动机的空载运行频率可达20000Hz，可见没有超出上限。最快空载移动时电动机运行频率校核满足要求4）启动频率计算已知电动机转轴上的总转动惯量，电动机转子的转动惯量，电动机转轴不带任何负载时的空载启动频率（查附件4表4-5）。则可以求出步进电动机克服惯性负载的启动频率：因此，要保证步进电动机启动时不失步，

28、任何时候的启动频率都必须小于1095Hz。实际上，在采用软件升降频时，启动频率选的更低，通常只有100Hz。综上所述，工作台选用110BYG2502电动机完全满足设计要求。110BYG2502电动机完全满足设计要求7、增量式旋转编码器的选用本设计所选步进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率应与电动机的步距角匹配。由步进电动机的步距角，可知电动机旋转1转，需要控制系统发出360/=480个步进脉冲。考虑到增量式旋转编码器输出的A、B相信号，可以送到四倍频电路进行电子四细分，因此，编码器的分辨力可选120线，。这样控

29、制系统每发一个步进脉冲，电动机转过一个步距角，编码器对应输出一个脉冲信号。这里我们选用编码器型号为ZLK-A-100-05VO-10-H：盘状空心型，孔径10mm，与电动机尾部出轴相匹配，电源电压+5V，每转输出120个A/B脉冲，信号为电压输出，生产厂家为长春光机数显技术有限公司。编码器型号为ZLK-A-120-05VO-10-H按钮控制显示程序ORG 00HMOV SP，30HMOV 46H，#4MOV 20H，#00HACALL XSMAIN：M3：JB 01H，M4LCALL KEYAJMP M3M4：CLR01HCPLP3.4CPLP3.7AJMP MAIN按键控制程序KEY： SE

30、TB P3.5MOV C，P3.5MOV 00H，CSETB P3.5LCALL DL_20MOV C，P3.5ORL C，00HJC KEY_ENDSETB 01HMOV 05，CKEY1： LCALL 01HMOV C，P3.5ORL C，00HJC KEY2AJMP KEY1KEY2： SETB 01HINC 46HMOV A，46HCJNE A，#10，KEY3MOV 46H，#0KEY3： LCALL XSKEY_END：RET显示程序XS： MOV A，46HMOV DPTR，#SEGTABMOVC A，A+DPTRMOV P1，ARETSEGTAB： DB0C0H，0F0H，0A4H，0B0H，99H，92H，82H，0F8H，80H，90H，0FFH，0BFH延时DL_20： MOV R0，#80DL_20_1： MOV R1，#125DJNZ R1，$DJNZ R0，DL_20_1RETEND