机电一体化系统课程设计报告.docx

1、机电一体化系统课程设计报告机电一体化系统课程设计设计说明书设计题目：X 丫数控工作台机电系统设计院校: 班级: 姓名: 学号:2011年12 月 24日机电一体化系统设计课程设计任务书1 总体方案1.1导轨副的选用1.2丝杆螺母副的选用1.3减速装置的选用1.4伺服电动机的选用1.5检测装置的选用2.控制系统的设计3.机械传动部件的计算与选型3.1导轨上移动部件的重量估算3.2铳削力的计算3.3直线滚动导轨副的计算与选型3.4滚珠丝杠螺母副的计算与选型3.5步进电动机减速箱的选用3.6步进电动机的计算与选型3.7增量式旋转编码器的选用4工作台机械装配图的绘制5.工作台控制系统的设计6.步进电动

2、机驱动电源的选用7.设计总结参考文献1张建民.机电一体化系统设计第三版.高等教育出版社2尹志强.系统设计课程设计指导书.机械工业出版社设计计算与说明主要结果设计任务：题目：X-Y数控工作台机电系统设计任务：设计一种供立式数控铣床使用的 X-Y数控工作台，主要 参数如下：1） 立铣刀最大直径d=15mm ；2） 立铣刀齿数Z=3;3） 最大铣削宽度a。=15mm ；4） 最大背吃刀量ap = 8mm ；5） 加工材料为碳钢；6） X、丫方向的脉冲当量r= 0.005mm/脉冲；7） X、丫方向的定位精度均为-.1mm;8） 工作台导轨长度为1260mm ；9） 工作台空载最快移动速度 Vx =V

3、y = 3000mm/min ；10） 工作台进给最快移动速度 Vxmaxf =Vymaxf = 400mm/min ;11） 移动部件总重量为800N；12） 丝杆有效行程为920mm。一、总体方案的确定1机械传动部件的选择1.1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的，需要承受的载荷不大，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。1.2丝杆螺母副的选用 伺服电动机的旋转运动需要通过丝杆螺母副转换成直线运动，要满足0.005mm的脉冲当量一 0.01mm 和的定位精度，滑动滑动丝杆

4、副无能为力，只有选用滚珠丝杆副 才能达到。滚珠丝杆副的传动精度高、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。1.3减速装置的选用 选择了步进电动机和滚珠丝杆副以后，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，且应有消设计计算与说明主要结果间隙机构。为此，决定米用无间隙齿轮传动减速箱。1.4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，空载最快速度也只有 3000mm/min。因此，本设计不必米用咼档次的伺服电动机，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

5、电动机，如混合式步进电动机，以降低成本，提咼性价比。1.5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。任务书所给的精度对于步进电 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，决定米用半闭环控制，拟在电动机的尾 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力应与步进电动机的步距角相匹配。考虑到X、丫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、丫两个坐标的导轨副、丝杆螺 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。2.控制系统的设计1） 设

6、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。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AT89C52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，还需要扩展程序储存器、数据存储器、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，与步进电动机配套使用。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

7、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 800N。设计计算与说明主要结果2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3-7查得立铣时的铣削力计算公式为：l 一 c 0.85 上 0.75 | _0.73 1.0 0.13-,Fc =118鬼 fz d ap n Z 今选择铣刀直径d=15mm，齿数Z=3，为了计算最大铣削力， 在不对称铣削的情况下，取得最大铣削宽度 ae=15mm，背吃刀量ap =8mm，每齿进给量fz -0.1mm，铣刀转速n=300r/min 。则由(1)式求得最大铣削力：Fc = 118

8、50.85 汉 0.10.75 汉 15.73 汉 81.0 汇 300.13 汉 3N 463 NFc “463N米用立铣刀进行圆柱铣削时，各铣削力之间的比值可由表3-5查得，结合图3-4a，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 肚 1609N ， Fe =0.38Fc %556N ，Ff 肚1609NFm =0.25Fc生366N。图3-4a为卧铣情况，现在考虑立铣，则工Fe 龟 556N作台受到垂直方向的铣削力 Fz=Fe=556N，受到水平方向的铣Ff. Y66N削力分别Ff和Ffn。今将水平方向较大的铣削力分配给工作台的 纵向(丝杆轴线方向)，贝U纵向铣

9、削力Fx = Ff=1609N，径向铣Fz = 556N削力 f y = F 加=366 N 。Fx =1609N3.直线滚动导轨副的计算与选型Fy =366N(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。本设计中的 X-Y工作台为水平布置，采用双导轨、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：GFmax = +FG=800N4 (2)F=556N其中，移动部件重量G=800N,外加载荷F二Fz =556N，代入式(2)，得最大工作载荷 Fmax =756N =0

10、.756kN。查表3-41，根据工作载荷Fmax=0756KN，初选直线滚动导 轨副的型号为KL系列的JSA-LG15型，其额定动载荷 Ga =7.94kN，额定静载荷 Goa =9.5kN。(2)距离额定寿命L的计算上述选取的KL系列JSA-LG15 型导轨副的滚道硬度为60HRC,工作温度不超过100摄氏度，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3-36表3-40，分别取硬度系数fH .、温度系数fT =1.00、接触系数fC =0.81、精度系数fR 9、载荷系数fW =1.5，代入式（3-33），的距离寿命:3JfTfcfR GaL x 50 怎 6649

11、km. fW F max远大于期望值50km，故距离额定寿命满足要求。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 如前页所述，在立铣时，工作台受到进给方向的载荷(与丝杠轴线平行) Fx=1609N，受到横向的载荷(与丝杠轴线垂直) Fy =366N，受到垂直方向的载荷(与工作台垂直)Fz =556N。已知移动部件总重量 G=800N，按矩形导轨进行计算，查表3-29，取颠覆力矩影响系数 K=1.1，滚动导轨上的摩擦因数尸0.005。求得滚珠丝杠副的最大工作载荷：Fm =KFx(Fz Fy G)-1.1 1609 0.005 (556 366 800) N 1779NFmax =

12、0.756kNGa =7.94kNG0a = 9.5kNL 6649kmFm =1779N(2)最大动载荷Fq的计算设工作台在承受最大铣削力时的设计计算与说明主要结果 主要结口果最快进给速度v=400mm/min，初选丝杠导程Ph =5mm，贝U此E = 5mm时丝杠转速n = v/Ph =80r/min。v=400mm/minn = 80r/min6取滚珠丝杠的使用寿命T=15000h，代入L60nT/10 ,只6T=15000h得丝杠寿命系数L=72 （单位为10 r）。L = 72 .查表3-30，取载荷系数fW 1.2，滚道硬度为60HRC时，fW = =2取硬度系数fH 1.0，代入

13、式（3-23），求得最大载荷：Fq=8881NFq =fW fH Fm 吒 8881N（3）初选型号 根据计算出的最大载何和初选的丝杠导程，查表3-31，选择济宁博特精密丝杠制造有限公司生产的 G系列2504-3型滚珠丝杠副，为内循环固定反向器单螺母式，其公称直径为20mm，导程为5mm。循环滚珠为3圈X 1列，精度等级取4级，额定动载荷为9309N。大于Fq，满足要求。（4 ）传动效率n的计算 将公称直径 D=20mm，导程Do = 20mmPh=5mm，代入眦仙Ph/5d。）1，得丝杠螺旋升角E = 5mm九=4 55，。将摩擦角 =10代入口 nMtan （九+），得传动丸= 4%3，n

14、 = 96 4%效率耳=96.4%。（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米用“单推单推”的方式，见书后插页图6-23。丝杠的两端各米用一对推理角接触球轴承，面对面组配，左、右支承的中心距离约为E =2.1 05MPa5a=500mm ;钢的弹性模量E 2.10 MPa ；查表3-31，得滚珠直径Dw =3.1/5mm，丝杠丿氐径d2 = 16.2mm，丝杠截面面d2 =16.2mm积 S5；/4 =206.12mm2。忽略式（3-25）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5、i 二 Fma/(ES)二1779 500/(2.1 105 206.12

15、)mm = 0.0205mm。2）根据公式Z珂二do/Dw） 3 ,求得单圈滚珠数Z=20;该型 号丝杠为单螺母，滚珠的圈数x列数为 3x1，代入公式Zv二Z圈数 列数，得滚珠总数量Z60。丝杠预紧时， 取轴向预紧力Fyj =FJ3 =593N。则由式（3-27），求得滚珠与螺纹滚道间的接触变形量2 0.0026 mm。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，取2 : 0.0013 mm。3）将以上算出的1和2代入总二，2，求得丝杠总变 形量（对应跨度 500mm）、总二 0.0218mm = 21.8m。本例中，丝杠的有效行程为670mm，由表3-27知，5级

16、精度滚珠丝杠有效行程在 315400mm时，行程偏差允许达 到25 pm，可见丝杠刚度足够。（6）压杆稳定性校核 根据公式（3-28）计算失稳时的临 界载荷Fk。查表3-34，取支承系数fk =1 ;由丝 杠底径 d2 =16.2mm求得截面惯性矩I =喇；/ 64、3380.88mm4;压杆 稳定安全系数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500mm。代入式（3-28），得临界载 f 兀 2ei荷Fk二L 2 =9343N，远大于工作载荷Fm =1779N，故丝Ka2杠不会失稳。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Z60FYj = 5

17、93N 总二 21.8mFk =9343NFm =1779N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，同时也是为了使滚珠丝杠和工作台的转动惯量折算到电动 机转轴上尽可能地小，今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，步进电机的输出轴与小齿轮连接，设计计算与说明主要结果 主要结口果滚珠丝杠的轴头与大齿轮连接。其中大齿轮设计成双片结构， 采用图3-8所以的弹簧错齿法消除侧隙。已知工作台的脉冲当量6-0.005mm/脉冲，滚珠丝杠的导程Ph =5mm ,初选步进电机的步进角u 0.75。根据式(3-12)， 算得减速比：i =(o(Ph)/(3606) =(0.75x

18、5)/(360x0.005) = 25/12本设计选用常州市新月电机有限公司生产的 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调制刚，齿表面淬硬后达 HRC55。减速箱中心距为(75 +36)汇25/12mm=55.5mm，小齿轮厚度为 20mm，双片大齿轮厚度均10mm。6步进电动机的计算与选型步进电动机的计算与选型参见第四章第三节相关内容。(1)计算加在步进电机转轴上的总转动惯量 Jeq已知： 滚珠丝杠的公称直径 d 20mm，总长丨=500mm，导程3 3Ph =5mm，材料密度 =7.850 kg/cm ；移动部件总重力 G =800N ;小齿轮

19、度bi =20mm，直径di =36mm ；大齿轮度 b2 20mm，直径 d2 =75mm ;转动比 i =25/12。如表4-1所示，算得各个零件部件的转动惯量如下(具 体计算过程从略)：滚珠丝杠的转动惯量Js =0.617 kg.cm2 ； 拖板折算到丝杠上的转动惯量Jw =0.517kg.cm2 ；小齿轮的转2动惯量JZ1 =.259kg.cm ；大齿轮的转动惯量2Jz2 =4.877kg.cm。初选步进电动机型号为90BYG2602，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 0.75 从表4-5a = 0.75 =i = 25/12do = 20 mm丨=500m

20、mFh = 5mmb1 = 20mmb2 = 20mm2J s = 0.617 kg .cm2Jz1 = 0.259 kg.cm2JZ2 = 4.877kg.cm设计计算与说明主要结果 主要结口果查得该型号电动机转子的转动惯量Jm = 4kgQm 。2Jm =4kg.cm则加在步进电机转轴上的总转动惯量为：2 2Jeq = Jm + Jz1 + Jz2 + Jw + Js)/i = 30.35kg .Cm2J eq = 30 .35 kg .cm(2)计算加子在步进电机转轴上的等效负载转矩 Teq分快速空载起动和承受最大工作负载两种情况进行计算。1)快速空载起动时电动机转轴所承受的负载转矩 e

21、q1由式(4-8)可知，Teq1包括三部分：一部分是快速空载起动时折算到电动机转轴上的最大加速转矩 Tamax; 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 Tf ;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T0。因为滚珠丝杠副传动效率很高，根据式(4-12)可知，相对于Tamax和Tf很小，可以忽略不计。则有：T =T +T1 ecfl 1 amax 1 f(6-13)根据式(4-9)，考虑传动链的总效率 ，计算快速空载起动时折算至V电动机转轴的最大加速转矩：2兀Jeq门皿1Tamax - _ X n60ta (6-14)式中nm 对空载最快移动速度的步进电动机最咼转

22、速，单位为r/min ；步进电动机由静止到加速到 n转速所需的时间，单位为S。其中：Vmax “nm 一 3606(6-15)设计计算与说明主要结果式中Vmax 空载最快移动速度，任务书指定为3000mm/min ；a 步进电动机步距角，预选电动机为 0.75 ；冠 脉冲当量，本例6 -0.005mm/脉冲。nm =1250 r/min将以上各值代入式(6-15)，算得nm =1250 r/min设步进电动机由静止到加速至n转速所需时间t=0.4s，传动链总效率口 =0.7。则由式(6-14)求得：Tamax42N m 2兀江30.5乂10鼻汇1250 “Tamax 一 “ c c N m .

23、42N m60 X0.4X0.7由式(4-10)可知，移动部件运动时，折算到电动机转轴上的摩擦转矩为：丁 _A(Fz+G)Ph1 f 2內 (6-16)式中卩 导轨的摩擦因数，滚动导轨取 0.005;Fz 垂直方向的铣销力，空载时取 0;传动链总效率，取0.7。则由式(6-16)，得：丁 0.005X(0 +1000)X0.005 “ Tf = N.m 跆 0.002 N .mTf瘁2兀汇0.7江25/120.002N.m最后由式(6-13)求得快速空载起动时电动机转轴所承受的负载转矩：Teq1 = 1.422 N .mTeq1 =Tam ax +Tf =1.422 N.m2)最大工作负载状态

24、下电动机转轴所承受的负载转矩 T由式(4-13)可知，T包括三部：一部分是折算到电动机转轴上的最大工作负载转矩T; 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T;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 T，T相对于T和T很小，可以忽略不计。则有：设计计算与说明主要结果 主要结口果Teq2 = Tt +Tf其中，折算到电动机转轴上的最大工作负载转矩 T由式(4-14)计算。本例中在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 F=1609N.m，则有：nm =1250将以上各值代入式(6-15)，算得nm =1250 r/minr/mi n设步进电动机

25、由静止到加速至n转速所需时间t=0.4s，传动链总效率口 =0.7。则由式(6-14)求得： 2 兀沢30.35 00* 250 “Ta max = N m a： 1.422 N m60 汇0.40.7由式(4-10)可知，移动部件运动时，折算到电动机转轴上Tamax 叱 1 -422的摩擦转矩为：N m丁 _H(Fz+G)Ph1 f2妙i式中卩 导轨的摩擦因数，滚动导轨取 0.005;Fz 垂直方向的铣销力，空载时取 0;口 传动链总效率，取0.7。则由式(6-16)，得：丁 0.005汉(0+800) 7.005 ,Tf = N.m 化 0.002 N.m2兀 X 0.7汉 25/12最后

26、由式(6-13)求得快速空载起动时电动机转轴所承受的负载转矩：T 1 eq1 Teq1 =Tamax *Tf =1.422 N.m1.422 N .m2)最大工作负载状态下电动机转轴所承受的负载转矩 T由式(4-13)可知，T包括三部：一部分是折算到电动机转轴上的最大工作负载转矩T; 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T;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 T，T相对于T和T很小，可以忽略不计。则有：Teq2 =Tt +Tf设计计算与说明主要结果 主要结口果(6-18)其中，折算到电动机转轴上的最大工作负载转矩 T由式(4-14)计算。本例中在对滚珠丝杠

27、进行计算的时候，已知沿着 丝杠轴线方向的最大进给载荷 F=913N.m，则有：丁 FfR 1609x0.005 M _ QQMTt 一 N.m 畑 0.88N.m2i 2x0.7x25/12再由式(4-10)可知，移动部件运动时，折算到电动机转轴 上的摩擦转矩为：丁 巴Fz+G)R 0.005汇(556 +800)汉0.005 “ c “小Tf = z 丿 h = ) N.m.004N.m2兀叫 2x0.7x25/12最后由式(6-18)，求得最大工作负载状态下电动机转轴所 承受的负载转矩为：Teq2 =Tt +Tf =0.884 N.m经过上述计算后，得到加在步进电动机转轴上的最大等效 负载

28、转矩应为：T eq = max Teq1,Teq2 =1.422 N .m(3) 步进电动机最大静转矩的选疋 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 T来选 择步进电动机的最大静转矩时，需要考虑安全系数。本例中取 安全系数K=4,则步进电动机的最大静转矩应满足：Tjmax 启 4Teq=4 汉1.422N.m=5.688N.m(6-20)上述初选的步进电动机型号为 90BYG2602，由表4-5查 得该型号电动机的最大静转矩 max =6N.m。可见，满足式(6-20)的要求。(4)步进电动机的性能校核1)最快工

29、进速度时电动机输出转矩校核 任务书给定工作Tt 肚 0.88N .mT f 常 0 . 004 N . mTeq2 =0.884N.mTeq = 1.422N.mTjmax5.688N.mT jmax = 6N.m6 =0.005mm/台取快工进速度 v=400mm/min，脉冲当量 =0.005mm/脉冲， 由式（4-16）求出电动机对应的运行频率设计计算与说明主要结果 主要结口果f=400/(60*0.005)Hz =1333hz。从 90BYG2602 电动机的运行矩频特性曲线图6-24可以看出，在此频率下，电动机的输出转矩Tmaxf応5.6N.m，远远大于最大工作负载转矩Tmaxf 密 5.6N.mTeq2 =0.884 N.m，满足要求。Teq2 = 0.884 N .m2）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v=3000mm/min，仿照式（4-16）求出电动机对应的运行频率 f=3000