数控铣床XY工作台设计.docx
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数控铣床XY工作台设计
机电一体化课程设计
说明书
设计题目：
数控铣床X-Y工作台设计
班级：
机制三班
设计者：
陈钦元
学号：
********
*******
重庆交通大学
2010年12月
一.系统总体方案设计…………………………………………………………3
（一）机械系统…………………………………………………………………3
（二）接口设计…………………………………………………………………4
（三）伺服系统设计……………………………………………………………4
（四）控制系统设计……………………………………………………………4
二.机械系统的设计计算………………………………………………………5
（一）初选步进电动机…………………………………………………5
（二）计算减速器传动比………………………………………………………6
（三）齿轮机构设计………………………………………………………7
（四）滚珠丝杠的选型设计……………………………………………10
（五）滚动直线导轨的选型与计算…………………………………………………14
（六）计算系统转动惯量………………………………………………………15
（七）光电开关的选择………………………………………………………17
（八）接近开关的选择………………………………………………………18
三控制系统设计………………………………………………………………18
（一）.操作面板的布置图…………………………………………………………18
（二）.操作面板功能介绍…………………………………………………………19
（三）.控制系统原理框图…………………………………………………………22
（四）、电动机控制原理…………………………………………………………22
（五）、键盘、显示器接口电路分析……………………………………………23
四参考文献……………………………………………………………………24
原始数据
设计一台微机控制XY两坐标工作台，采用MCS-51单片机控制,控制方式采用步进电机开环控制。
其他参数如下
设计任务:
X方向行程:
610mmY方向行程:
350mm
工作台面的参考尺寸:
800X320mm
平均切削力:
1100N
最高运动速度:
5m/min
定位精度:
0.03mm
台上最大重物质量500kg
脉冲当量0.005mm/step
一.系统总体方案设计
由设计任务书知,本次设计可采用如下方案
（一）机械系统
1.传动机构采用滚珠丝杠副
2.导向机构采用滚动直线导轨
3.执行机构采用步进电机
（二）接口设计
1.人机接口
（1）采用键盘作为输入
（2）采用LED作为指示标志
（3）采用数码管作为显示器
2.机电接口
采用光电耦合器作为微型机与步进电动机驱动电路的接口,实现电气隔离.
（三）伺服系统设计
采用开环控制
（四）控制系统设计
1、控制部分方案选择
控制方案不外乎三种：
开环控制、半闭环控制、闭环控制。
上图为最简单的开环控制，若在机械传动机构中引出反馈给控制部分，再经过比较放大器的则为半闭环控制。
如若是在机械执行机构中引出反馈则为闭环控制。
采用步进电机来实现驱动，一般情况下多采用开环控制。
因为步进电机的输出转角与控制器提供的脉冲数有着正比关系，电机转速与控制器提供的脉冲频率成正比。
一次通常在精确度要求很高时，采用步进电机是合理的。
当然，由于步进电机具有高频失步，负载能力不强的缺点。
二.机械系统的设计计算
（本次设计若未作特殊说明，其中的表与图均来自：
由郑堤主编的《机电一体化设计基础》）
（一）初选步进电动机
根据已知条件：
X、Y方向的脉冲当量均为0.005mm/step
即脉冲当量较小，因此这里选用反应式步进电动机。
其特点是：
步距角小，运行频率高，价格较低，但功率大。
结论：
初选步进电机型号为：
130BF001其相关参数如下：
相数
电压
电流
步距角（度）
步距角误差（秒）
空在运行频率
空载启动频率
转动惯量
5
80/12V
10A
0.75
10
16000HZ
3000HZ
0.00046kg.m.m
并采用单双相通电方式，因此步距角°α=0.75
1、步进电动机的脉冲频率计算
典型工况下，步进电机的脉冲频率均为：
（取XY方向的速度都为5m/s）
2、步进电动机的驱动转矩计算
典型工况下，步进电机的驱动转矩均为：
T均为0.8N/m
3、步进电动机的驱动力计算
典型工况下，步进电机的驱动力均为：
代入数据得1851N
驱动力远大于进给抗力，所以所选步进电动机满足使用要求。
（二）计算减速器传动比
减速器传动比：
初选滚珠丝杠：
公称直径（mm）
导程（mm）
20
4
此时：
i=0.75×4/（360×0.005）=5/3
按图5-33，选一级齿轮传动。
（三）齿轮机构设计
传动链效率=工作台移动速度工作台进给抗力/传递功率
初选效率为0.85
传递功率=1100×5/（60×0.85）=107.8W
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部件。
但为练习计算过程，本次设计采用分析计算来设计。
1、齿轮传动机构的基本参数
传递
功率
小齿轮转（r/min）
传动比
一天运转时间
工作寿命
传动效率
转向
工况
107.8w
1250
5/3
8h
5年
0.975
不变
平稳
其中小齿轮的转速:
代入数据得2083r/min
2、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220HBS
小齿轮的接触疲劳强度极限
大齿轮的接触疲劳强度极限
3、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ψ=0.3
代入数据得0.49N.M
带入数据得20.5mm
取小齿轮z=18，大齿轮齿数：
z=iz=5/3×18=30
模数代入数据得m=0.85；取标准值m=0.8确定中心距
代入数据得a=19.2mm。
齿宽：
b=0.3×19.2=5.76mm
取小齿轮宽为：
10mm大齿轮宽为：
6mm
4、验算轮齿弯曲强度
5、齿轮的圆周速度
带如数据得1.57
（四）滚珠丝杠的选型与计算
1、滚珠丝杠工作长度计算
由技术要求,平均载荷F=1100N,丝杠工作长度L=1460mm,
传动精度要求0.03,令两方向丝杠的工况均为：
每天开机6小时；每年300个工作日；工作8年以上丝杠材料：
CRWMN钢；滚道硬度为58-62HRC；
设导程P=4mm,则平均转速n=1250r/min（n=5×1000/4=1250r/min）
2.求计算载荷
由条件,查《机电一体化系统设计》表2-6取=1.2,查表2-6取=1.2,表2-4取D精度,查表2-6取=1.0,
3.计算额定动载荷计算值Ca`
寿命为：
6×300×5=9000
代入数据得5758N
4.根据选择滚珠丝杠副
假设选用SFE型号,按滚珠丝杠副的额定动载荷Ca等于或稍大于的原则,查找得选以下型号规格
SFE50-6Ca=7260
公称直径D=50导程p=4mm螺旋角滚珠直径d=7.938mm
按表2-1中尺寸计算
滚道半径R=0..52=0.527.938=4.126mm
偏心距
丝杠内径
5.稳定性验算
〈1〉由于一端轴向固定的长丝杠在工作时可能会发生失稳,所以在设计时应验算其安全系数S,其值应大于丝杠副传动结构允许安全系数
丝杠不会发生失稳的最大载荷称为临界载荷
其中E=206Gpa
L=1.46m
依题意得
取则
安全系数
查表2-10[S]=2.5-3.3S>[S]丝杠是安全的,不会失稳
〈2〉高速长丝杠工作时可能发生共振,因此需验算其不会发生共振的最高转速----临界转速,要求丝杠的最大转速
所以丝杠不会发生共振
〈3〉此外滚珠丝杠副还受值的限制,
通常要求Dn<70000mm.r/min
（6）刚度验算
滚珠丝杠在工作负载F（N）和转矩T（Nm）共同作用下引起每个导程的变形量为
式中,A为丝杠截面积,A=为丝杠的极惯性矩,G为丝杠切变模量,对钢G=83.3GPa;T（Nm）为转矩.
式中,为摩擦角,其正切函数值为摩擦系数;为平均工作载荷.取摩擦系数为
则得
按最不利的情况取（F=）
则丝杠在工作长度上的弹性变形所引起的导程误差为
通常要求丝杠的导程误差小于其传动精度的1/2,即
该丝杠的满足上式,所以其刚度可满足要求.
（7）效率验算
要求在90%---95%之间,所以该丝杠副合格.
经上述计算验证,SFE50--6各项性能均符合题目要求,可选用.
（五）滚动直线导轨的选型与计算
（1）已知参数
滑坐上载荷F
滑坐个数
单向行程l
每分钟往复次数
4900N
2
1460
4次
每天工作
一年工作日
寿命
6小时
300天
9年
F=mg=500×9.8=4900N
（2）导轨额定寿命计算
X方向导轨
由所给条件得,该导轨的额定工作时间为14400h
由得
因滑座数M=4,所以每根导轨上使用2个滑座,由表2-15----2-18确定
则由式2-9,
得N
选用HJD系列滚动直线导轨,查表得,其中HJG-DZ452c型号的导轨的Ca值为170KN,能满足八年的使用要求.
（六）计算系统转动惯量
1.电动机轴上总当量负载转动惯量计算
小齿轮转动惯量：
大齿轮转动惯量：
代入数据得1.97×10-6
丝杠的转动惯量：
带入得0.00084kg。
m.m
将各传动惯量及工作台质量折算到电动机轴上，得总当量负载转动惯量。
代入数据得0.00022kg.m.m
2.惯量匹配验算
，满足要求。
3.步进电机负载能力校验
（1）步进电动机轴上得总惯量：
（2）空载启动时，电动机轴上得惯性转矩：
代入数据得3.5kg.m.m
（3）电动机轴上得当量摩擦转矩：
（4）设滚动丝杠螺母副得预紧力为最大轴向载荷得,则因预紧力而引起的、折算到电动机轴上的附加摩擦转矩为
代入数据得0.033N.M
（5）工作台上的最大轴向载荷折算到电动机轴上的负载转矩为3
代入数据得0.52N.M
（6）于是空载启动时电动机轴上的总负载转矩为
代入数据得3.97N.M
（7）在最大外载荷下工作时，电动机轴上的总负载转矩为
代入数据得1.02N.M
（8）按表得空载启动时所需电动机最大静转矩为
按式5-39可求得在最大外载荷下工作时所需电动机最大静转矩为
因此选择的电动机满足要求。
（七）光电开关的选择
产品简介
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（-40~+200℃），实现了0.5mm的高重复精度。
采用了防止液体的结构。
应用范围
能为制造过程提供高性能的目标探测、定位和高分辨率检测,适用于半导体工业中的目标检测等应用
产品性能
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