十字滑台系统设计 课程设计.doc

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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日目 录一、设计目的2二、设计任务2三、总体方案的确定3 1、机械传动部件的选择.3 2、控制系统的设计.4四、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.4 2、铣削力的计算.4 3、直线滚动导轨副的计算与选型.7 4、滚珠丝杠螺母副的计算与选型.9 5、步进电动机减速箱的选用.13 6、步进电动机的计算与选型.13 7、增量式旋转编码器的选用.19 8、步进电机驱动器的选择.19 9、联轴器的选择.21五、工作台机械装配图的

2、绘制22六、 工作台控制系统的设计.22七、 十字滑台运动控制程序的编制.22八、 结语.25参考文献.26一、 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技论文的能力二、 设计任务1、设计题目X-Y数控

3、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度都为2500mm/min 10. X，Y方向工作台进给速度都为400

4、mm/min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()，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0.01mm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

5、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

6、。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、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

7、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

8、、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=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=

9、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 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 / Fc0.20.30.750.8F

10、e / 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=376N，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=1088N，径向铣削力Fy=Ffn=247N。Fz=376NFx=1088NFy=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

11、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)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

12、导轨长度系列导轨型号导轨长度系JSA-LG15280340400460520580640700760820940JSA-LG20340400520580640760820940100011201240JSA-LG2546064080010001240136014801600184019603000JSA-LG3552060084010001080124014801720220024403000JSA-LG4555065750850950125014501850205025503000JSA-LG5566078090010201260138015001980222027003000JSA-LG6

13、5820970112012701420157017202020232027703000导轨副的型号:ZL系列的 JSA-LG15型导轨长度为820mm(2) 距离额定寿命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）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

14、离约为a=550mm；钢的弹性模量E=2.1105MPa；查附件3，得滚珠直径DW=2.381mm，丝杠底径d2=22.1mm，丝杠截面积。丝杠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

15、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=0.0124mm即 2）根据公式，求得单圈滚珠数Z=30；该型号丝杠为单螺母，滚珠的圈数列数为32，代入公式：Z=Z圈数列数，得滚珠总数量Z=180。丝杠预紧时，取轴向预紧力FYJ=Fm/3=1204/3401N。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=0.00055mm。3）将以上算出的1和2代入。 丝杠的有效行程为528mm，由表3-27【3】35知，5级精度滚珠丝杠有效行程在5

16、00630mm时，行程偏差允许达到32m，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

17、离a取最大值780mm。代入式2-8，得临界载荷Fk13297N，远大于工作载荷Fm=1204N，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已知工作台脉冲当量=0.01mm/脉冲，滚珠丝杠导程Ph=4mm，初选步进电机步距角=0.9，由公式，传动比为1时达不到减速的效果，故本次设计不需要减速器。 6、步进电动机的计算与选型（1）初选步进电机的型号1）空载状态下电机转轴所受负载包括三部分，一部分是电动机空载启动时折算到转轴上最大加速度转矩Tmax，一部分是移动部件运动时折算到计算机转轴上的摩擦转矩Tf，还有

18、一部分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。则有： 由公式式中：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)总效率，取=0.7 式中 vmax空载最快移动速度，任务书指定为2500mm/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由式得 （2-11）式中 F摩导轨的摩擦力，N Ph滚珠丝杠导程，m 总传动效率，取=0.7 i总的传动比，i=nm/ns，其中nm为

19、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0.0030.005）；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

20、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：考虑到不用减速箱，取减速比i=1算步距角 所以初选步进电机型号为110BYG250A型，为两相混合式，由杭州日升电气设备有限公司生产，两相八拍的步距角为0.9。其参数如下表所示：查表得该型号电机转子的转动惯量Jm=（式中长度单位均为cm）托板折算到转轴上的总转动惯量则步进电机转轴上的总转动惯量电动机转速=625r/min快速空载启动时折算到电动机转轴上的最大加速转矩=0.2599Nm移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩=0.0058Nm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

21、转矩=0.266Nm2）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=0.99Nm移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩=0

22、.007Nm最大工作负载状态下电动机转轴所承受的负载转矩Teq2=0.997Nm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：0.997Nm（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矩应满足：上述初选的步进电动机型号为110BYG250A，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

23、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=17Nm，大于最大工作负载转矩Teq2=0.997Nm，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2-2查得，在此频率下，电动机的输出转矩Tmax=9Nm，大于快速空载启动时的负载转矩Teq1=0.266Nm，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

24、动速度对应的电动机运行频率可达4167Hz。查附件4表4-5可知110BYG250A电动机的空载运行频率超过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）起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，任何时候的启动频率都必须小于3936Hz。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110BYG250A电动机完全满足设计要求。110BYG250A电动机完全满足设计

25、要求7、增量式旋转编码器的选用本设计步进电机采用半闭环控制，在电机尾座轴上安装增量式旋转编码器，用于检测步进电机的转角与转速，电动机步距角，可知电动机转动一转时系统发出360/0.9=400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。本例选择编码器型号为ZLK-A-400-05VO-16H:盘状空心型，孔径16mm，与电动机尾部出轴相匹配，电源电压+5V，每转输出400个A/B脉冲，信号为电压输出，生产厂家为长春光机数显有限公司。编码器型号为ZLK-A-400-05VO-16H:盘状空心型8、步进电机驱动器的选择本设计选择的步进电机为110BYG250A型，生产厂家为杭州日升

26、电气设备有限公司，根据厂家推荐其，配套型号的步进电机驱动器为HB206S两相混合式步进电机驱动器，其主要参数及接线图如下所示： 步进电机驱动器选择HB206S两相混合式步进电机驱动器9、联轴器的选择由于十字滑台的工作转速比较低，冲击低，为了提高精度稳定性选用可以补偿微小平行位移和角位移的十字滑块联轴器，这里选用广州菱科自动化设备有限公司生产的LK4十字滑块联轴器。联轴器选择LK4十字滑块联轴器。五、 工作台机械装配图的绘制在完成直线滚动导轨副、滚珠丝杠螺母副、步进电机以及旋转编码器的计算与选型后，就可以着手绘制工作台的装配图了，绘制后的X-Y工作台机械装配图见附页装配图。六、 工作台控制系统的

27、设计X-Y工作台的控制系统，按照教师要求，统一选用MPC2810运动控制卡作为控制系统，MPC2810控制卡作为开发运动控制系统的平台，其结构是开放式的。该卡插在PC机PCI扩展槽内使用，通过转接板与步进电机驱动器、编码器、限位开关等元器件连接，实现对十字滑台有效的运动控制。其电气接线图见附页。MPC2810运动控制卡作为控制系统七、十字滑台运动控制程序的编制本次设计采用VB编程，结合运动控制卡的编程指导书，其程序框图及程序编制如下：Option ExplicitDim i As LongDim k As LongDim j As LongDim a As LongDim m As LongD

28、im p As LongPrivate Function SetBoard() As Integer 初始化函数Dim Rtn As Integer, i As Integer Rtn = auto_set() 对板卡进行自动设置Rtn = init_board set_sd_logic 1, 0 set_el_logic 1, 0 set_org_logic 1, 0 set_alm_logic 1, 0End FunctionPrivate Sub a_Change()End SubPrivate Sub axiex_Click()j = 1End SubPrivate Sub axleY

29、_Click()j = 2End SubPrivate Sub GetParam() set_maxspeed j, 2500 set_conspeed j, k End SubPrivate Sub Command1_Click()EndEnd SubPrivate Sub Form_Load() j = 1 If SetBoard 0 Then MsgBox 初始化错误,未检测到板卡！, vbExclamation, MPC2810演示 End IfEnd SubPrivate Sub jt_Click()move_pause jEnd SubPrivate Sub start_Click() GetParam con_pmove j, aEnd SubPrivate Sub stop_Click()sudden_stop jEnd SubPrivate Sub Text3_Change() a = Val(Text3)End SubPrivate Sub Text4_Change() a = Val(Text4)End SubPrivate Sub Xdis_Change()k = Val(Xdis)End SubPrivate Sub xjsd_Change()p = Val(xjsd)End SubPrivate Sub xmax_Change()m = Val(xma