双坐标工作台设计说明书.docx
《双坐标工作台设计说明书.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《双坐标工作台设计说明书.docx（34页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
双坐标工作台设计说明书
机自专业课程设计III
双坐标数控工作台设计
一、设计目的
二、设计任务
三、设计内容和步骤
（一）总体方案设计
1导轨副的选用
2丝杠螺母的选用
3减速装置的选用
4伺服电机的选用
5检测装置的选用
（二）机械传动部件的计算和选型
1导轨上移动部件的重量估算
2铳削力的计算
3直线滚动导轨副的计算和选型
4滚珠丝杠副螺母副的计算和选型
5步进电动机减速箱的计算
6步进电机的计算与选型
7编码器的选择
（三）工作台控制系统的设计
（四）步进电机驱动电源的选用
四、设计总结
五、参考文献
-、设计目的
双坐标数控工作台是许多机电一体化设备的基木部件，如数控车床的纵-横向进刀机构，数控铳床和数控钻床的的双坐标工作台，激光加工设备的工作台、电子元件表面贴装设备等。
因此，双坐标数控工作台作为机电综合课程设计的内容，对于机电一体化专业的教学具有普遍建议，通过这次课设，使我们全而系统的了解了数控机床的基本内容和基本知识，初步掌握设计方法，并学会应用手册标准等技术资料，同时培养我们的创新意识、工程意识和动手能力。
二、设计任务
三、题目：
双坐标数控工作台设计
四、要求：
设计一台双坐标数控工作台并开发其控制、驱动系统,主要参数：
五、1）两坐标分辨率脉冲当量6=step；
2）最大轴向载荷Fxmax=800N,Fymax=750N：
3）工作台进给最快移动速度Vxmax=Vymax=1m/min：
4）采用滚珠丝杠、滚动导轨必要时增加减速机。
具体任务：
1）确定总体方案，绘制系统组成框图；
2）进行必要的匹配计算，选择适当的元器件；
3）机械部分装配图；
4）控制电路设计，绘制电器原理图1张；
5）编写设计说明书。
六、设计内容和步骤
七、
（一）总体方案设计
八、1、机械传动部件选择
九、①导轨副的选用要设计的双坐标工作台是用来配套立式数控铳床的，需要承受的载荷不大，但脉冲当量小，所以定位精度高，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。
十、②丝杠螺母副的选用电动机的旋转运动需要通过丝杠螺母副转换成直线运动，要满足的脉冲当量，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、运动平稳、寿命长、效率高、预紧后可以消除反向间隙。
3减速装置的选用选择了步进电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，且应该有消间隙机构。
为此，试采用无间隙齿轮传动减速箱。
4电动机的选用任务书规的脉冲当量达到，工作台最大移动速度也只有lm/min。
因此，木设计不必采用高档次的伺服电机，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。
5检测装置的选用选用步进电动机后，可选开环控制，也可以选用闭环控制、半闭环控制。
任务书所给的要求对于步进电机来说还是有些偏高的，为了确保电动机再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，拟在电动机的尾部旋转轴上安装旋转编码器，用以检测电动机的转角和转速。
旋转式编码器应与步进电机的步距角相匹配。
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、电动机，以及检测装置拟采用相同型号和规格。
2、控制系统的设计
1设计的X-Y工作台准备用在数控铳床上，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木功能，所以控制系统应该设计成连续控制型。
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。
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。
4选择合适的驱动电源，与步进电动机配套使用。
（二）机械传动部件的计算和选型
1、导轨上移动部件的重量估算
工作台外形尺寸：
300X300X50材料：
铸铁
重量G=300x300x50x10-3x7.4x10-2S33N按照下导轨上而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
G=1000No
2、铳削力的计算
设零件的加工方式为立式铳削，采用硬质合金立铳刀，工件材料
为碳钢，则由表1-1查得立铳是得铳削力计算公式为：
表1・1硬质合金铳刀铳削力的计算公式（单位N）⑶"
铳刀类型
工件材料
铳削力公式
面铳刀
碳钢
Fc=1127&*06/0叫厂％驚八吃
灰铸铁
Fc=53%：
/7严〃70£吆
可锻铸铁
Fc=482对曽才％;。
/严Z
圆柱铳刀
碳钢
作=100（疋乌严八
灰铸铁
Fc=59&*9芒叫/7%；,oz
三面刃铳刀
碳钢
F（=256Ott®7_080*Z
两而刃铳刀
F=274&严
立铳刀
巧.=11&严£叫严％加严吃
其中：
幻,为背吃刀量mm；ae为侧吃刀量mm；厶为每齿进给量mm/Z；乙进给速度mm/min；Z铳刀齿数；d铳刀直径mm；n铳刀转速r/minF（=11&严讪切必卅吃（1-1）
采用立铳刀进行铳削时，各铳削力之间的比值可由表1-2查得，考虑到逆铳的情况，可估算三个方向的铳削力分别为：
Ff=\AFc,巧=0.3込，5=0.25巧立铳时，贝9工作台受到水平方向的铳削力分别
为仔和。
则纵向铳削力Fx=Ff=800N,径向铳削力Fy=Ffil=750N,故近.amax[代/I丄FJ0.25],则工作台受到垂直方向的铳削力
•）立铁b）e）端铁
表1-2各铳削力之间比值
铳削条件
比值
对称铳削
不对称铳削
逆铳
顺铳
端铳削
Ff'F.
ae=〜d/mm
FJFC
/:
=~/
F"
圆柱铳削
Pf/Pc
ae=d/mm
F严
二〜/
F」人
3、直线滚动导轨副的计算与选型
①滑块承受工作载荷尺和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：
仏斗+F（1-2）
4
其中，移动部件重量G=1000N,外加载荷F=Fz=1140N,代入式
1-2得最大工作载荷Fmax=1390N=1.390kN。
则由表13根据Fnvdx=1390N=1.390册初选直线滚动导轨副的型号为ZL系列的JSA-LG20型，其额定动载荷Ca=,额定静载荷Coa==。
②工作台而尺寸为300X300,加工范围为800X400,考虑工作行程应留有一定余量，查表1-4,按标准系列，选取导轨长度为1240mm.
1-4JSA型导轨长度系列
导轨型
号
导轨长度系
JSA-L
G15
280
340
400
460
520
580
640
700
760
820
940
JSA-L
340
400
520
580
640
760
820
940
100
112
124
G20
0
0
0
JSA-L
460
640
800
100
124
136
148
160
184
196
300
G25
0
0
0
0
0
0
0
0
JSA-L
520
600
840
100
108
124
148
172
220
244
300
G35
0
0
0
0
0
0
0
0
JSA-L
550
65
750
850
950
125
145
185
205
255
300
G45
0
0
0
0
0
0
JSA-L
660
780
900
102
126
138
150
198
222
270
300
G55
0
0
0
0
0
0
0
0
JSA-L
820
970
112
127
142
157
172
202
232
277
300
G65
0
0
0
0
0
0
0
0
0
3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°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。
查表1-3~表1-9,分别取硬度系数fH=＞温度系数歼=、接触系数fc=、精度系数fR=＞载荷系数fw=，代入式1-3,得距离寿命：
表1-5硬度系数
滚道硬度
（HRC）
50
55
58〜64
表1-6温度系数
工作温度/°c
<100
100-150
150-200
200~250
/h/t/c/r
fw
Gr
max
）3
x50
a3248km
（1-3）
表1-7接触系数
每根导轨上滑
块数
1
2
3
4
5
表1-8精度系数
精度等级
2
3
4
5
A
1.
表1-9载荷系数
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15〜60m/min
有外部冲击或振动
的高速场合，速度
大于60m/min
fw
1~
〜2
2~
常见球导轨的距离期望寿命为50km,滚子导轨为100km,由上式可知所选导轨的距离寿命远远大于期望值50km,故距离额定寿命满足设计要求。
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
在立铳时，工作台受到进给方向的载荷（与丝杠轴线平行）
Fx=800N,受到横向的载荷（与丝杠轴线垂直）Fv=750N,受到垂直
方向的载荷（与工作台而垂直）F7=1140No
表2-1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
凡=KF’+“（F：
+FV+G）
燕尾导轨
Fm=KFx+/i（Fz+2Fy+G）
三角形或综合
导轨
Fm=KFx+^Fz+G）
~0.
8
注：
表中摩擦因数卩均为滑动导轨。
对于贴塑导轨u=〜，滚动导轨U=~。
表中，行为进给方向载荷，Fy为横向载荷，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；U为导轨的摩擦系数。
己知移动部件总重量G=1000N,按矩形导轨进行计算，查表2-1,取颠覆力矩影响系数K=,滚动导轨上的摩擦因素u=o求得滚珠丝杠副的最大工作载荷：
你=KF、+“（F+Fv+G）=[1.1x800+0.005X（750+1390+1000）]q895.7N
2最大动载荷Fq的计算
匸作台在承受最大铳削力时，最快进给速度V=1000mm/min,初选丝杠导程Phfn,则丝杠转速晋1=罟匕=200「/価，取滚珠丝杠的使用寿命为T=15000h,则丝杠寿命系数：
厶产60%6=竺晋空2七0
（2）
查表2-2,取载荷系数A=1.2,滚道硬度为60HRC时，取硬度系数二，代入式1・4,求得最大动载荷：
表2-2滚珠丝杠载荷系数
运转状态
载荷系数九，
卩稳或轻度冲击
中等冲击
较大冲击或振动
fH——硬度系数（M58HRC时，取；等于55HRC时，取；等于时,
取；等于50HRC时，取；等于45HRC时，取）：
Fq=麵九fn%=V180x1.2x1.0x896q6070N（1-4）
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G系列2005-3型滚珠丝杠副，其公称直径为20mm,导程仇为5mm,循环列数为3圈XI列，精度等级取5级，额定动载荷为9309N,大于①，满足要
求。
4传动效率n的计算
将公称直径d（）=20mm,导程Ph=5mm,代入/l=arctan［加（创））］,得丝杠螺旋升角2=4°33。
将摩擦角0=10，,代入/］=tanA/tan（2+^）,得传动效率n=96.4%,效率要求大于90%,该丝杠副合格。
5刚度的验算
X-YI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，而对面组配，左、右支承的中心距离约为a=1100mm；钢的弹性模量E=X105MPa；查附件3,得滚珠直径久二，丝杠底径d2=,丝杠截面积S=^j/4=206.12讪2。
Ma2
丝杠的拉伸或压缩变形量61在总变形量中的比重较大，可按下式计算：
d-5）
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=X105MPa
S——丝杠按底径d2确定的截面积，单位为mm?
M转矩，单位为N•mm
I——丝杠按底径d2确定的截而积惯性矩（/=加/；/64）,单位为mm4
由于转矩M—般较小，谷第2项在计算时可忽略不计，则得:
（1-6）
滚珠与螺纹滚道间的接粗变形量岛:
无预紧：
5=0.0038讣岛|（1-7）
有预紧时：
52=0.0013—「負亍（1-8）
10牡）』肿；/10
式中：
Dw滚珠直径，mm
zz——滚珠总数量，ZL=ZX圈数X列数
Z——单圈滚珠数，Z=^/（＞/Dw（外循环），Z=（加。
/久）-3（内循环）
Fyj——预紧力，单位N
因为选择为内循环，故Z=（^/o/Z）J-3=20
Zz=Zx圈数x列数=20x3x1=60
故:
仔。
.003珂磊（冷）"003伽
（1-9）
丝杠预紧时，取轴向预紧力Fyj=F/h/3=2992V,因为丝杠加有预紧力，且为轴向载荷的1/3,所以实际变形量可减小一半，取岛=。
将以上算出的§和①代入第=可+6，求得丝杠总变形量
=0.0017+0.0228=0.0245mm=24.5//mo
本设计中，丝杠的有效行程为1000mm,由查表得，5级精度滚珠丝杠有效行程在800-1000有效行程的允差为40可见丝杠的刚度足够。
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：
Fk=f^L>F
kKu2m
式中Fk——临界载荷，单位N
A——丝杠支承系数，如表所示
K——压杆稳定安全系数，一般取〜4,垂直安装时取小值
A——滚珠丝杠两端支承间的距离，单位为mim
表2-3丝杠支承系数
方式
双推■自由
双推-简支
双推■双推
单推■单推
./I-
2
4
1
查表2-11,取fk=l；由丝杠底径d2=,求得截面惯性矩：
/=^«3380.88w//?
4压杆稳定系数K取3（丝杠卧式水平安装）；滚64
动螺母至轴向固定处的距离a取最大值1100mmo则得临界载荷：
=.X.xz.izmx.^u.661928N>896N,故丝杠不会失稳。
人3xll002
综上所述，初选的滚珠丝杠副满足使用要求。
5、步进电动机的减速箱的选用
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，采用弹簧错齿法消除侧隙。
己知工作台的脉冲当量J=step,滚珠丝杠的导程P/j=5mm,初选步进电动机的步距角a=。
，算得减速比：
i=（昭）/（360。
5）=（0.15x5）/（360x0.001）=2茹
图5-33传动级数选择曲线
（:
机电一体化设计基础》
按图，选一级齿轮传动
本设计选用JBF-3型齿轮减速箱，大小齿轮模数均为1mm,齿数比为75:
36,材料为45钢，齿表面淬硬后达55HRC。
减速箱中心距为a=[（75+36）/2]=,小齿轮厚度为20mm,双片大齿轮厚度均为lOmino
6、步进电动机的计算和选型
7、①计算加在步进电动机转轴上的总转动惯量人
己知：
滚珠丝杠的公称直径d（）=20mm,总长1=1240mm,导程Ph=5mm,材料密度P=XW3kg/cm3,移动部件总重力G=1000N,小齿轮宽度bi=20mm,直径d]=36mm,大齿轮宽度b2=20mm,直径d2=75mm,传动比i=25/12o
滚珠丝杠的转动惯量：
=1.4789kg•cm2
7rx7・85xl0・x24xl20Qxl0"
32
小齿轮的转动惯量:
严鹫里=兀x7.85x"、（3[妙如曲
32
32
大齿轮的转动惯量:
_^2_,x7.85xlO-3x（75xIO-rx2OxlO->=個7如曲
32
32
拖板这算到丝杠上的转动惯量:
M*
1000
~lo~
=0.634kg•cnr
初选电动机型号为90BYGH3501,为三相混合式步进电机，由南京华兴电机制造有限公司，查的该型号电动机转子的转动惯量儿=4如肘o
则加在步进电机转轴上的总转动惯量为：
=Jm+打+（厶2+儿+4）心34.59畑•cm2（2-1）
2计算加在步进电动机转轴上的等效负载转矩7；
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7；十
^=Tam^T/+T0（2-1）
式中：
Tam.dX快速空载启动时折算到电动机转轴上的最大加速转矩
移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩
To——滚珠丝杠预紧后折算到电动机转轴上的附加摩擦转矩
由式2-1可知，匚训包括三部分：
一部分是快速空载启动时折算到电动机转轴上的最大加速转矩7；max;一部分是移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩7；;还有一部分是滚珠丝杠于预紧后折算到电动机转轴上的附加摩擦转矩7；。
因为滚珠丝杆副传动效率很高，因为%相对于巧叭和7；很小，所以可以忽略不计。
2刃d
60/““
考虑传动链的总效率H,计算快速空载启动时折算到电动机转轴上的最大加速转矩：
（2-2）
式中：
Jeq——步进电动机转轴上的总转动惯量,
€——电动机转轴的角加速度，口d/s2
电动机转速，r/min
ta——电动机加速所用时间，S,—般在〜1S之间选取。
（这里取
Q齿轮组总效率，取几=
其中:
（2-3）
式中空载最快移动速度，任务书指定为1000mm/min;
a——步进电机步距角，预选电动机为。
&——脉冲当量，任务书指定为step
将以上各值代入式2-3中，算得n,„=416r/min
设步进电动机由静止到加速至“，”转速所需时间「严，传动链总效率n
=0则由式2-2求得：
^max
2”><34.89x107x416
60x0.4x0.7
移动部件运动时，折算到电动机轴上的摩擦转矩为:
（2-4）
式中F廉——导轨的摩擦力，N
Ph——滚珠丝杠导程，m
H齿轮总效率，取H=
i总的传动比，i=nn/ns,其中％为电动机转速，砥为丝杠
的转速。
u——导轨摩擦因数（滑动导轨取~），滚动导轨取〜）；这里取
Fz——垂直方向的工作载荷，空载时形=0。
则由式（2-4）,得:
Tf=
0.005x（0+1000）x0.005
2^x0.7x25/12
N•ma0.0032•m
最后由式（2-1）,求得快速空载起动时电动机转轴所承受的负载转矩:
Teq}=Tamax+7}=0.542+0.003=0.545N•加
最大工作负载状态下电动机转轴所承受的负载转矩〈2
由式（2-1）可知，為2包括三部分：
一部分是折算到电动机转轴上的最大工作载荷转矩7；;一部分是移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩7；;还有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人，仏相对于7；和7}很小，可以忽略不计。
则有：
心胡+7>（2-5）
其中，折算到电动机转轴上的最大工作载荷转矩7；由式（2-6）计算,在木设计中在对滚珠丝杠进行计算的时候，己知沿着丝杠轴线方向的最大进给载荷F严800N,则有：
T,=^-=800x0005_n・mqO.436N•加（2-6）
2^x0.7x25/12
再由式（2-7）计算垂直方向承受最大工作负载（F严114ON）情况下,移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩：
心窖=0.005x（1140+1000）x0.005（2-7）
2m]i2^x0.7x25/12
最后由式（2-5）,求得最大工作载荷状态下电动机转轴所承受的负载转矩为：
Teq2=T,+Tf=0.436+0.006=0.442N•m
经过上述计算后，得到加在步进电机转轴上的最大等效负载转矩为：
Teq=max{Teql,Q}=0.545N•m
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，其输岀转矩会下降，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：
TJm.dX>47；
上述初选的步进电机型号为90BYGH3501,对应的该型号电动机的最大静转矩T]m.^=3N•m,可见满足式（2-8）的耍求。
4步进电机性能校核
最快工进速度时电动机输出转矩校核
任务书给定的是工作台最快进给速度为1000mm/min,脉冲当量&=step,则电动机对应的运行频率为：
'‘max/
~60J
1000
'60x0.001
216666Hz
从90BYGH3501电动机的运行矩频特性曲线可以看出，在此频率下,电动机的输岀转矩几呵3.6N
升级会员 