课程设计数控立式铣床XY工作台机电系统设计说明书16.docx
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课程设计数控立式铣床XY工作台机电系统设计说明书16
《机电一体化》
课程设计
数控立式铣床XY工作台机电系统设计
院系：
汽车学院
专业：
机械设计制造及其自动化
班级：
机电一班
组长：
雷博文
组员：
金亮、黄明亮、夏佳、熊秀成
******
参考文献...................................................................22
一、设计目的
课程设计是一个很重要的实践性教学环节，要求学生综合运用所学的理论知识，独立进行设计训练，主要目的：
1）通过本设计，使学生全面地，系统地了解和掌握数控机床得基本组成及其相关基本知识，学习总体方案拟定、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得工作原理、设计计算方法及选用原则。
3）通过伺服系统得设计，掌握常用PLC及电机的工作原理、计算选择方法与控制驱动方式。
4）培养学生独立分析问题和解决问题的能力，学习并初步树立“系统设计”的思想。
5）锻炼提高学生应用手册和标准、查阅文献资料以及撰写科技论文的能力。
二、设计任务
任务：
设计一种供立式数控铣床使用的数控工作台。
主要参数如下：
1）立铣刀最大直径d=30mm；
2）立铣刀齿数Z=4；
3）最大铣削宽度
；
4）最大背吃刀量
；
5）加工材料为碳素钢；
6）X、Y方向的脉冲当量
/脉冲；
7）X、Y方向的定位精度均为
；
8）工作台尺寸280mmX280mm,加工范围为300mmX300mm；
9）工作台空载最快移动速度
；
10）工作台进给最快移动速度
；
11）移动部件总重量为900N；
12）每齿进给量
13）铣刀转速n=500r/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
要设计数控车床工作台，需要承受的载荷不大，而且定位精度高，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，安装预紧方便好且精度保持性等优点。
选滚珠导轨，适合用于导轨上运动部件重量小于200kg的机床，摩擦阻力小，制造容易，成本较低。
（2）伺服电动机的选用
任务书规定的定位精度也未达到微米级，空载最快移动速度也只有因此2000mm/min，故本设计不必采用高档次的伺服电动机，决定采用直线电机，可以省去丝杆传动副，减少传动过程，提高传动精度。
（3）工作台的选用
设计只要求X-Y轴方向的运动，并选用的电机为直线电机，故选用工作台为十字交叉二维直线电机平台。
二维直线电机平台机械上由直线伺服电机驱动的X-Y轴运动平台构成，可同时对两台直线伺服电机进行同步控制，是一个先进的有直线电机驱动的的实用化的实验平台。
直线电机直接驱动的X-Y平台系统，以其快速的响应、准确的定位和高可靠性而广泛应用于高速自动化设备、精密测量系统、电子与半导体加工设备，激光加工设备等领域。
2、控制系统的设计
1）设计的X-Z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，所以控制系统设计成连续控制型。
2）对于直线电动机的闭环控制，选用三菱PLC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，与直线电动机配套使用。
3、绘制总体方案图
总体方案图如图3.1所示。
图3.1总体方案图
四、直线电动机的计算与选型
1、导轨上移动部件的重量
设计要求所给移动部件总重量为900N。
2、铣削力的计算
工件的材料为碳素钢，根据《金属切屑原理与刀具》200页表15-5得硬质合金立铣刀铣削力经验公式
FC=118e0.85fz0.75d-0.73ap1.0n0.1
其中铣刀的直径d=30mm，齿数Z=4，为了计算最大铣削力，在不对称铣削情况下，最大铣削宽度ae=18mm，背吃刀量ap=10mm，，每齿进给量fz=0.1mm，铣刀转速n=500r/min。
则由上公式求得最大铣削力：
FC=118e0.85x0.10.75x30-0.73x101.0x5000.1x1
=1422N
考虑逆铣时的情况，可估算三个方向的铣削力分别为：
Ff=1.1Fc=1564N，Fe=0.38Fc=540N，Ffm=0.25FC=355N则工作台受到垂直方向的铣削力Fz=Fe=540N，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，则纵向铣削力Fx=Ff=1564N，径向铣削力Fy=Ffn=355N。
3．载荷的计算
（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X线平行）Fx=1564N，受到横向的载荷（与Y轴线垂直）Fy=355N，受到垂直方向的载荷（与工作台面垂直）Fz=540N。
已知移动部件总质量G=900N，按矩形导轨进行计算，由《金属切屑机床》126页公式17-5得：
Fm=KFx+
（Fz+Fy+G）=[1.1
1564+0.005
（540+355+900）]N
1730N
取摩擦系数μ=0.005。
取颠覆力矩影响系数K=1.1,求得滚珠丝杠副的最大工作载荷：
（2）启动载荷FQ的计算
工作台空载最快移动速度
空载是移动部件的总质量为900N，取静摩擦系数μ0=0.01
假定在0.1mm内要加速到最大移动速度，有公式：
F·S=mgμ·s+1/2mv2
FQ=F+mgμ0
推算出：
FQ=1280.5N，小于最大载荷，故选择电机时只需要考虑最大载荷即可。
4．初选型号
（1）根据推力选型
根据计算出的最大工作载荷Fm=1730N，查三菱直线电机手册。
表4-1
初选三菱LM-U2P2C-60M-2SSO直线电机，最大推力为2400N。
冷却方式为：
自冷。
（2）次级侧（磁体）长度选择
工作台尺寸280mmX280mm,加工范围为300mmX300mm；
初级侧长度=406mm
根据，
次级侧总长≥300+406=706mm
查表4-1，次级侧长度选择300+480mm=780mm。
（3）电机最终选择
由以上数据，最终选型：
三菱LM-U2P2C-60M-2SSO直线电机，次级侧长度为780mm
5.电机可用性验算
查三菱电机使用说明书，LM-U2P2C-60M-2SSO直线电机输出效率为97%。
最大载荷为Fm=1730N，
则电机最大额定载荷为Fm/97%=1783N，
所选的电机最大推力为2400，符合要求。
五、直线滚动导轨副的计算与选型
1、直线滚动导轨的选取理由
滚动直线导轨副是在滑块与导轨之间放入适当的钢球，使滑块与导轨之间的滑动摩擦变为滚动摩擦，大大降低二者之间的运动摩擦阻力。
考虑到滚动直线导轨的诸多优点如下：
1．动、静摩擦力之差很小，随动性极好，即驱动信号与机械动作滞后的时间间隔极短，有益于提高数控系统的响应速度和灵敏度。
2．驱动功率大幅度下降，只相当于普通机械的十分之一。
3．与V型十字交叉滚子导轨相比，摩擦阻力可下降约40倍。
4．适应高速直线运动，其瞬时速度比滑动导轨提高约10倍。
5．能实现高定位精度和重复定位精度。
6．能实现无间隙运动，提高机械系统的运动刚度。
7．成对使用导轨副时，具有“误差均化效应”，从而降低基础件（导轨安装面）的加工精度要求，降低基础件的机械制造成本与难度。
8．导轨副滚道截面采用合理比值的圆弧沟槽，接触应力小，承接能力及刚度比平面与钢球点接触时大大提高，滚动摩擦力比双圆弧滚道有明显降低。
2、距离额定寿命L的计算和选型
工作寿命为5年，一年365天，每天工作8小时，因此得到小时额定工作寿命
由公式
，从而得到
式中：
为小时额定工作寿命。
n为移动件每分钟往复次数6
S为移动件行程长度，取300
代入数据得：
L=2500km.
由公式
、
每个滑块的工作载荷
=
=580N
去硬度系数
=0.53
=1
=0.81
=2
带入以上数据可得
=5000N
选取导轨型号GGB25AAL额定载荷为20.7KN大于5KN可以满足
的要求
查表5.1，得H=42mmW=31mm导轨长度选800mm
表5.1
3、光栅尺的选择
由设计任务书可知加工范围为300mmX300mm，定位精度均为
。
所以本设计我们采用威海三丰电子有限公司的光栅尺（型号：
ST741A）具体参数如下
1、测量范围：
50mm~15000mm
2、测量准确度：
+-6um/m~10um/m
3、测量基准：
光栅周期20um的光栅玻璃尺
4、光学测量系统：
透射式红外线光测量系统，红外线波长880mm
5、反应速度：
60m/min（0.005mm）25m/min（0.001mm）
6、读数头滑动系统：
垂直式五轴承
7、输出讯号：
TTL/EIA-422-A
8、讯号传达周期：
20um
9、讯号线长度：
3mm~20mm
10、供应电压：
DC5V+-5%
这个型号光栅尺满足本设计所需的加工范围和测量精度。
4、工作台的选型
根据最大切屑力需要选用M8的螺钉，然后查《机电一体化设计手册》根据（GB/T158-1996）选工作台T型槽尺寸如下
深度H=20mm
槽底宽度B=18mm
槽宽A=10mmC==8mm
槽数=7间距=40mm
表5.2
所以工作台厚度选25mm
六、PLC选型
（1）输入输出点的估算：
输入点：
操作开关（2个）、限位开关（4个）、位移（2个）、电位器（2个）
输出点：
电机（4个）继电器、指示灯、晶闸管触发信号、计算机接口、数字显示器
（2）估算存储量：
在1.5KB到4KB之间，可选着4KB规格的存储器
Fx1s系列考虑成本和安装空间
人机界面GOT1000（GT11/GT15）GOT900（GOT-F900/GOT-A900）
连接计算机用得转换器：
FX-USB-AWUSB用
输入扩展：
FX1N-4EX-BD输入扩展板（DC24V4点）
基本单元：
型号：
FX1s-30MR（AC电源）（输入16点，输出14点（继电器））
外形尺寸：
W*H*D（mm）100x90x750.45kg
显示模块：
FX1n-5DM
存储器盒：
FX1n-EEPROM-8L
电压、电流用输入输出设备
模拟量扩展板（A/D、D/A转换）
FX1n-2AD-BD（2通道）FX1n-1DA-BD（1通道）
高速计数器：
FX1sPLC双相双计数C252
伺服电机连接电缆：
E-GMH-200CAB
编程工具：
MELSFOTGX系列（顺序编程工具）GXDeveloper型号：
SWD5C-GPPW
GOT作图软件、定位模块用得软件
MELSOFTGT系列型号：
SWD5C-GTD2-CL（GTDesigner2）
定位模块用的软件型号：
FX-PCS-VPS/WIN
手持式编程器（HPP）
电源：
端子排列：
定位控制：
七、伺服放大器选型
设计中X、Y向电动机均为三菱LM-U2P2C-60M-2SSO直线伺服电机，生产厂家为三菱集团公司。
查表7.1，选择与之匹配的驱动电源为MR-J3-60B-RJ004U□型，输入电压为三相200～230VAC50/60Hz，相电流为4A，控制系统为：
正弦波PWM控制/电流控制系统。
连线图如图7.1所示。
表7.1
图7.1
八、控制系统硬件电路设计
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）接受铣床限位开关信号；
（4）接受电动卡盘夹紧信号与电动刀架刀位信号；
（5）控制X，Y向直线电动机的驱动器；
（6）控制主轴的正转，反转与停止；
（7）控制多速电动机，实现主轴有级变速；
（8）控制交流变频器，实现主轴无级变速；
（9）控制切削液泵启动/停止；
（10）控制电动卡盘的夹紧与松开；
（11）控制电动刀架的自动选刀；
（12）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选用三菱公司的Fx1s系列PLC；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X﹑Y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。
8279是一种通用的可编程键盘显示器接口芯片，它能完成键盘输入和显示控制两种功能。
键盘部分提供扫描工作方式，可与64个按键的矩阵键盘进行连接，能对键盘实行不间断的自动扫描，自动消除抖动，自动识别按键并给出键值。
显示部分包括一组数码显示管和七只发光二极管。
与PC机的串行通信经过MAX233，可以采用PC机将编好的程序送入本系统。
图8.1电气控制回路原理图
结束语
经过三周充实的时间，我们终于完成了这次的课程设计。
在本次的课程设计中，我首次完成从计算分析到绘制成图的全过程，在这过程中，是我们把所学的由理论知识转变到实践的一个过程。
通过本次设计，进一步提高了我对计算机辅助设计的认识，加强了我们对各个软件特点的掌握。
课程设计中，我们充分利用各个软件的优势进行设计，提高了设计速度，同时达到了我们的设计目的。
此次课程设计中主要采用CAXA进行绘图。
充分感受设计前沿软件的设计思想。
课程设计的完成也提高了我自学软件的能力，通过这次的课程设计，我对学习了机电一体化系统设计方案的拟定有了一定的认识，对传动元件和导向元件如滚珠丝杠螺母副等的工作原理，设计计算方案的工作原理，设计计算的选用原则，电动机的工作原则，选择控制驱动方式都有了一定的认识。
在今后的学习生活中，这次课程设计的经历将起到重要帮助作用。
参考文献
[1]文怀兴等编著.《数控机床系统设计》.化工工业出版社.
[2]《机电一体化技术设计》.机械工业出版社
[3]毛昕等主编，《画法几何及机械制图》.高等教育出版社
[4]《机械设计手册
（2）》.机械工业出版社
[5]艾兴肖诗纲编.《切削用量简明手册》机械工业出版社
[6]《互换性与技术测量》中国计量出版社
[7]韩荣第编《金属切削原理与刀具》哈尔滨工业大学出版社
[8]<现代实用机床设计手册>PDF版
[9]三菱直线电机手册
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