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1、机电系统课程设计设计说明书设计题目：X-Y数控工作台设计 者： 班 级：指导老师：完成时间：CAD图纸加153893706目录一.设计任务书二.方案的分析与撰写三.机械系统设计 3.1.结构设计3.2.导轨的选择3.3.丝杆的选择与校核3.4.步进电机与联轴器选择四.控制系统设计4.1.控制系统总体设计4.2.电机的选择与校核4.3.驱动器的选择4.4.控制器的选择五.控制软件设计六.设计小结七.参考资料八.设计日志九.参考公式一.设计任务书设计题目：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=12mm；2）立铣刀齿数Z=
2、2；3）最大铣削宽度；4）最大背吃刀量；5）加工材料为碳钢；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）台面尺寸为200mm200mm，加工范围为100mm100mm；9）最快移动速度；10）最大中心负载N=15kg；11）重复定位精度小于0.005mm；12）传动方式：丝杆直连；13）结构形式：中心驱动、侧边驱动。二.方案的分析与撰写经过组内讨论，我们决定选二维水平滑台作为我们的设计题目，其三维图形如下：总体方案图：总体方案的确定：、机械传动部件的选择、 丝杠螺母副的选择步进电动机的旋转运动需要通过丝杠螺母副转换成直线运动，需要满足初选0.01mm脉冲当量，因为定位精度
3、0.02mm，对于机械传动要有一定的精度损失，大约是1/3-1/2的定位精度，现取为1/2，即是0.01mm和0.02mm的定位精度，滑动丝杠副无法做到，只有选用滚珠丝杆副才能达到要求，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。同时选用内循环的形式，因为这样摩擦损失小，传动效率高，且径向尺寸结构紧凑，轴向刚度高。由于定位精度不高，故选择的调隙方式是垫片调隙式，这种调隙方式结构简单，刚性好，装卸方便。由于工作台最快的移动速度40mm/s，所需的转速不高，故可以采用一般的安装方法，即一端固定，一端游动的轴承配置形式。、导轨副的选用要设计数控铣床工作台，需要
4、承受的载荷不大，而且脉冲当量小，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，安装预紧方便等优点。、伺服电机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低，为了确保电动机在运动过程中不受切削负载和电网的影响而失步，决定采用开环控制，任务书初选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3000mm/min,故本设计不必采用高档次的伺服电机，因此可以选用混合式步进电机，以降低成本，提高性价比。、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，
5、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，且应有消间隙机构，如果要选用减速装置，则应选用无间隙齿轮传动减速箱。、控制系统的设计 、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轮廓控制，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。、对于步进电动机的开环控制系统，选用MCS-51系列的8位单片机AT89S52作为控制系统的CPU，能够满足任务书给定的相关指标。、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，I/O接口电路，D/A转换电路，串行接口电路等。、选择合适的驱动电源，与步进电动机配套使用。三.机械系
6、统设计机械系统设计包括电机、丝杆、导轨、联轴器等标准器件的选择；底板、轴承座、电机座等零件的设计。具体设计计算过程如下：3.1.结构设计工作台总体结构的确定初步采用（1）、步进电机2个（X、Y向分别控制）（2）、滚珠丝杆2套（3）、滚动导轨：双导轨、四滑块（分别为X、Y向，长短选择不同）（4）、带有三条“”槽的工作台面3.2.导轨的选择 设 计 计 算 与 说 明主要结果1.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： (1) 今选择铣刀直径d=12mm，齿数Z=2，为了计算最大铣削力，在不对称铣削的情况下，取得最大铣
7、削宽度，背吃刀量，每齿进给量，铣刀转速n=300r/min。则由(1)式求得最大铣削力：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：，。图3-4a为卧铣情况，现在考虑立铣，则工作台受到垂直方向的铣削力，受到水平方向的铣削力分别和。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），则纵向铣削力，径向铣削力。2.直线滚动导轨副的计算与选型（1）滑块承受工作载荷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
8、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)950NG=600NF=361N设 计 计 算 与 说 明主要结果其中，移动部件重量G=600N，外加载荷，代入式（2），得最大工作载荷。查表3-41，根据工作载荷，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，额定静载荷。本设计规定工作台面尺寸为200mm200mm，加工范围为100mm100mm。考虑工作行程应留有一定余量，查表3-35，按标准系列，选取导轨长度为340mm。（2）距离额定寿命L的计算 上述选取的KL系列JSALG15型导轨副的滚道硬度为60HRC，工作温度不超过
9、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、温度系数、接触系数、精度系数、载荷系数，代入式（3-33），的距离寿命：远大于期望值50km，故距离额定寿命满足要求。3.3丝杆的选择与校核设 计 计 算 与 说 明主要结果3.滚珠丝杠螺母副的计算与选型（1）最大工作载荷的计算 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），受到横向的载荷（与丝杠轴线垂直），受到垂直方向的载荷（与工作台垂直）。已知移动部件总重量G=600N，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=0
10、.005 。求得滚珠丝杠副的最大工作载荷：（2）最大动载荷的计算 设工作台在承受最大铣削力时的最快进给速度v=400mm/min，初选丝杠导程，则此时丝杠转速。取滚珠丝杠的使用寿命T=15000h，代入，得丝杠寿命系数(单位为r) 。查表3-30，取载荷系数，滚道硬度为60HRC时，取硬度系数，代入式（3-23），求得最大载荷：（3）初选型号 根据计算出的最大载荷和初选的丝杠导程，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2500-3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1列，精度等级取5级，额定动载荷为9309N。大于，满
11、足要求。（4）传动效率的计算 将公称直径，导程，代入，得丝杠螺旋升角。将摩擦角=10代入，得传动效率。（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，见书后插页图6-23。丝杠的两端各采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a=320mm ；钢的弹性模量；查表3-31，得滚珠直径，丝杠底径，丝杠截面面积1155Nv=400mm/minT=15000h5766N设 计 计 算 与 说 明主要结果。忽略式（3-25）中的第二项，算得丝杠在工作载荷作用下产生的拉/压变形量。2）根据公式，求得单圈滚珠数Z=17；该型号丝杠为单螺母，滚珠的圈数列数
12、为31，代入公式，得滚珠总数量。丝杠预紧时，取轴向预紧力。则由式（3-27），求得滚珠与螺纹滚道间的接触变形量。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。3)将以上算出的和代入，求得丝杠总变形量（对应跨度320mm）。本例中，丝杠的有效行程为180mm，由表3-27知，5级精度滚珠丝杠有效行程在315mm时，行程偏差允许达到23m，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。查表3-34，取支承系数；由丝杠底径求得截面惯性矩；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320mm。代入式（3
13、-28），得临界载荷，远大于工作载荷，故丝杠不会失稳。综上所述，初选的滚珠丝杠副满足使用要求。385N3.4.步进电机和联轴器的选择设 计 计 算 与 说 明主要结果 4 初定步进电机型号以及联轴器型号 由设计要求可知，丝杠直连需满足。已知工作台的脉冲当量，滚珠丝杠的导程，则。该步距角可由驱动电源的细分功能来实现。考虑到步进电机尺寸等因素，今选择步距角为的90BYG2502型号步进电机。联轴器初选ZDJM-01型带锥套单型弹性膜片联轴器。联轴器具体参数：公称扭矩33，许用转速10000r/min，重量1.10kg，转动惯量即。5步进电动机的计算与选型与联轴器的计算与选型（1）计算加在步进电机转
14、轴上的总转动惯量 已知：滚珠丝杠的公称直径，总长，导程，材料密度；移动部件总重力，联轴器转动惯量。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；拖板折算到丝杠上的转动惯量；联轴器转动惯量。 初选步进电动机型号为90BYG2502，为两相混合式，由常州宝马集团公司生产，四相驱动时步距角，从表4-5查得该型号电动机转子的转动惯量。则加在步进电机转轴上的总转动惯量为： (2) 计算加子在步进电机转轴上的等效负载转矩 分快设 计 计 算 与 说 明主要结果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由式(4-8
15、)可知，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；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；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。因为滚珠丝杠副传动效率很高，根据式(4-12)可知，相对于和很小，可以忽略不计。则有： (3)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到电动机转轴的最大加速转矩： （4）式中对空载最快移动速度的步进电动机最高转速，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： （5）式中空载最快移动速度，任务书指定为2400mm/min； 步进电动机步距角，预选电动机步距角细
16、分为； 脉冲当量，本设计中脉冲。设 计 计 算 与 说 明主要结果将以上各值代入式(5)，算得r/min设步进电动机由静止到加速至n转速所需时间t=0.2s，传动链总效率=0.7。则由式(4)求得：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： （6）式中导轨的摩擦因数，滚动导轨取0.005;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)，得：最后由式(3)求得快速空载起动时电动机转轴所承受的负载转矩： （7）2) 最大工作负载状态下电动机转轴所承受的负载转矩由式(4-13)可知，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;一部分是移动部
17、件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩;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，相对于和很小，可以忽略不计。则有： （8）其中，折算到电动机转轴上的最大工作负载转矩由式r/min设 计 计 算 与 说 明主要结果(4-14)计算。本设计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，则有： 再由式(4-10)计算垂直方向承受最大工作负载（）情况下，移动部件运动时，折算到电动机转轴上的摩擦转矩为：最后由式(8)，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：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转矩应为： （9）（3） 步进电动机最大静转
18、矩的选定以及联轴器的校核 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，根据来选择步进电动机的最大静转矩时，需要考虑安全系数。本设计中取安全系数K=4，则步进电动机的最大静转矩应满足：（10）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。可见，满足式(10)的要求。查表3-44，取联轴器工作情况系数，则上述初选联轴器型号为ZDJM-01，最大转速为10000rpm， 设 计 计 算 与 说 明主要结果，满足，的要求。故联轴器符合设计要求。（4）步进电动机的性能校核1）最快工进速度时电动机输
19、出转矩校核 设工作台最快工进速度v=600mm/min，脉冲当量=0.0025mm/脉冲，由式(4-16)求出电动机对应的运行频率Hz =4000Hz。从90BYG2502电动机的运行矩频特性曲线图可以看出，在此频率下，电动机的输出转矩，大于最大工作负载转矩，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v=2400mm/min，仿照式(4-16)求出电动机对应的运行频率Hz=16000Hz。从90BYG2502电动机的运行矩频特性曲线图可以看出，在此频率下，电动机的输出转矩，大于快速空载起动时的负载转矩，满足要求。设 计 计 算 与 说 明主要结果 3）最快
20、空载移动时电动机运行频率校核 与最快空载移动速度，对应的电动机运行频率为。查表4-5可知90BYG2502电动机的空载运行频率可达20000Hz，可见没有超出上限。4)起动频率的计算 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起动频率 (查表4-5)。则由式(4-17)可以求出步进电动机克服惯性负载的起动频率：上式说明，要想保证步进电动机起动时不失步，任何时候的起动频率都必须小于614Hz。实际上，在采用软件升降频时，起动频率选得更低，通常只有100Hz(即100脉冲/s)。综上所述，本设计中工作台的进给传动选用90BYG2502步进电动机，满足设计要求
21、。90BYG2502步进电动机综上所述：选定零件型号如下表所示：零件参数导轨直线滚动导轨，KL系列JSA-LG15，Ca=7.94KN，Coa=9.5KN丝杆济宁博特精密丝杠制造有限公司生产的G系列2500-3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1列，精度等级取5级，额定动载荷为9309N联轴器ZDJM-01型带锥套单型弹性膜片联轴器。联轴器具体参数：公称扭矩33，许用转速10000r/min，重量1.10kg，转动惯量即步进电机90BYG2502，为两相混合式，由常州宝马集团公司生产，四相驱动时步距角，从表4-5查得该型号电动机转子的转动惯量由以上选取零件，算得减速比i=(Ph)/(360)=0.1853600.0025=1.因此，不用减速装置。 21
机电系统课程设计XY水平数控滑台机电系统设计（全套图纸）
