机电一体化课程设计方案

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1、机电一体化系统设计课程设计报告设计题目：CNC二维工作平台的设计学 院： 机电工程学院姓 名：福利学 号：XXXXXXXXXXXX指导老师：XXXX XXX XXX XXXX时 间： 2016 年9月2日目录一、总体方案设计 11.1、设计任务 11.2、总体方案确定 1二、工作台的尺寸及其重量的初步确定 42.1 、工作台（X向托板） 42.2 、工作台（丫向托板） 42.3 、上导轨座（连电机）重量 4三、滚动导轨的计算与选择 53.1、滑块承受工作载荷F的计算及导轨型号的选取53.2、导轨的寿命计算 53.3、导轨额定动负载的核算6四、滚珠丝杠的设计计算及选择 64.1、滚珠丝杠最大工作

2、载荷Fmax的计算64.2、滚珠丝杠静载荷 Fc的计算 74.3、滚珠丝杠动载荷Fq的计算74.4、丝杠型号的确定 84.5、丝杠压杆稳定性核算 84.6、丝杠刚度的验算 9五、电机的计算与选择 105.1、电机步距角的计算 105.2、负载惯量的计算 105.3、负载转矩的计算 115.4、步进电动机最大静转矩的计算六、联轴器的选择 146.1、联轴器的介绍 146.2、联轴器的选择 14七、轴承的选择 15八、控制系统硬件设计 15九、控制系统的设计 21十、参考文献 28、设计任务设计一个用于在水平面内 （XOY平面）进行切割的CNL维工作平台。切割刀位于Y方100mm。向工作台上面，其

3、受力点（X、Y方向的轴向载荷）至U Y方向丝杠轴心线的距离为XY方向行程：500 x 300mmX 丝杠转速 n1 ：120r/minY丝杠转速n1：120r/min理论定位精度3:20卩mX方向轴向载荷F1:3500NY方向轴向载荷F1:2500NX方向工作台滑板及组件重量：700NY方向工作台滑板及组件重量：400N、总体方案设计2.1、设计思路该工作台设计主要分为机械系统部件和控制系统部件，其中机械系统部件主要包括导轨副、丝杠螺母副、减速装置、伺服电动机和检测装置等，控制系统部件则包括CPU控制电路、电源设计电路、输入信号电路、输出信号电路、步进电机驱动控制电路等。考虑在满足设计要求的前

4、提下，应尽可能采用简洁轻便的结构设计和廉价实用的可选材料，符合绿色环保的现代机械设计理念，由此来确定最终方案。2.2、方案设计2.2.1螺旋传动机构设计CNC二维工作平台传动方案有两类：传动方案可分为滑动螺旋传动和滚动螺旋传动两种：（1）滑动丝杠螺母机构（滑动螺旋传动）滑动丝杠螺母机构具有结构简单，运动平稳，传动精度高，螺纹导程小，降速比大，牵 引力大等优点。其缺点是摩擦阻力大，传动效率低，螺纹中有侧向间隙，故反向有空行程。 由于动静摩擦差别大，低速时可能出现爬行现象。（2）滚珠丝杠螺母机构（滚动螺旋传动）滚珠丝杠就是在具有螺旋滚道的丝杠和螺母间充满滚珠。这些滚珠作为中间传动件，在螺母闭合的回

5、路中循环滚动，使丝杠螺母副的运动由滑动变成滚动，以减小摩擦。滚珠丝杠的传动效率很高，当双螺母预紧后，轴向刚度好，传动副爬行小，具有较高的定位精度， 启动转矩小，传动灵敏，同步性好。其缺点是结构复杂，制造较困难，价格昂贵，以及不能 自锁。根据CNC二维工作平台的要求，参看两种传动的特点，对于卧式CNC我们设计选择滚珠丝杠螺母传动。由于滚珠丝杠螺母机构不具有自锁性，故应增加电磁制动装置， 以达到精 确定位的目的。2.2.2 导轨的选择与设计导轨副类型的选择常用的导轨副组合形式有以下几种：（ 1）双三角形导轨 ：导向性和精度保持性高，接触刚度好。但工艺性差。用于精度要 求较高的机床设备。（ 2）矩形

6、和矩形组合 : 制造调整简单。（3）三角形和矩形组合：导向性好，制造方便，刚性好，但是磨损不均匀。（4）三角形和平面导轨组合：摩擦阻力不一致，容易产生力矩，造成三角形导轨对角 接触，影响运动的导向精度，不能克服颠覆力矩。（5）燕尾形导轨及其组合：A、整体式燕尾导轨：B、装配式燕尾导轨：制造调试方便。C燕尾与矩形组合式导轨：调整方便、承受力矩大。根据 CNC 二维工作平台的要求以及设计思路，参看多种导轨副组合的特点，对于卧式CNC我们设计选择三角形和矩形组合的导轨副。导轨副材料的选择根据设计思路以及工作情况， 对于卧式CNC我们设计选择导轨副的材料为铸铁，因为铸铁具有耐磨性和减振性好，热稳定性高

7、，易于铸造和切削加工，成本低等特点。2.2.3 机架的设计根据设计思路， 选用廉价实用的材料，降低成本， 满足要求即可， 故我们选用机架的材 料是 45 刚。2.2.4 伺服系统的选用 根据任务书规定参数以及设计思路。只需要选用性能较好的步进电动机即可满足要求，故在本设计中选用励磁式步进电动机，以降低成本，提高性价比。2.2.5 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， 决定采用半闭环控制， 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

8、电动机的转角与转速。增量式旋转编码器的分辨率应与步进电动机的步距角相匹配。2.2.6 减速装置的设计选择了步进电动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， 且应有消间隙机构。 但本 设计中要求系统结构紧凑，且依靠步进电动机和滚珠丝杠副已经可以达到所需的脉冲当量， 因此不使用减速箱。考虑到 X、 Y 两个方向的加工范围相差不大，承受的工作载荷也相差不大，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、 伺服电动机以及检测装置拟采 用相同的型号与规格。2.3、方案确定综合考虑设计任

9、务和设计思路， 因系统定位精度和最快移动速度相对并不是很高， 故选 用性能较好而性价比较高的混合式步进电动机已经足够， 下层电机固定在机座上， 上层电动 机固定在工作台滑板上； 为了避免爬行现象， 同时节约生产成本， 且因该设计载荷较低，故 选用直线滚动导轨副； 滑动丝杠副在低速或微调时可能产生爬行显现， 且为了能够满足定位 精度，故选用滚珠丝杠副；控制系统选用AT89C51 单片机，足以满足设计要求且较为廉价；由于本设计中要求系统结构紧凑， 且依靠步进电动机和滚珠丝杠副已经可以达到所需的脉冲 当量，因此可以不使用减速箱。三、滚珠丝杠副与控制电机的设计与计算3. 1 X 和 Y 方向丝杠的具体

10、设计3.1.1 Y 方向的丝杠螺母副及其步进电机由CNC题目（卧式）可知：Y方向的轴向工作载荷? = 2500N ;理论定位精度3W 20卩m ；丝杠转速n2 = 120r/min ; y方向工作台滑板及其组件重量 W2 = 400 N ;参考同类型的 设备，选择电机和丝杠通过联轴器直接相连， 则 i=1 （步进电机到丝杠间的传动比） 。这样选 取的好处是不要中间件，减少了传动件，有利于提高精度，安装等较为方便1 、 Y 方向丝杠受力分析及丝杠轴向力计算Y方向工作台滑板及其组件重量 W2以及X方向的轴向工作载荷主要由导轨承担，而丝 杠主要承受Y方向的轴向力F。Y方向丝杠所受的总轴向力F由两部分

11、组成：一是刀具所受的Y方向轴向工作载荷？?2二是丫方向工作台滑板及其组件重量 W2和X方向的轴向载荷在 导轨上产生的合成摩擦力F?两部分组成：F= ?+ ?2F?= ?XV?+ ?2式中 F丝杠所受的总轴向力N ;F?导轨与工作台滑板之间的摩擦力N ;?2Y方向轴向工作载荷 N卩一一导轨与工作台滑板之间的摩擦系数，由于导轨与工作台滑板处于边界润滑状态（脂润滑或油润滑），可取卩=0.050.2 ;W2Y方向工作台滑板及组件重量N ;?1 X方向的轴向工作载荷 N将W2 = 400N ? 2500N、？?尸3500N、取？?= 0.1带入上式得 Y方向丝杠所受的总轴向力 F （卧式 CNC： F=

12、 ?+ ?2= 352.3 + 2500 = 2852.3 N2、丝杠设计计算及尺寸选择由于丝杠为低速传动，所以应按寿命和额定静载荷两种方法确定其尺寸，然后选择其中较 大的。（1）按额定静载荷选择：因为Y方向丝杠所受的总轴向力F= 2852.3N，按Coa F的原则查附表1选择丝杠尺寸。这里选外循环滚珠丝杠 ，公称直径do= 16mm导程L0= 4mm, 2.5圈x 1列，Ga=14100N;（2）按疲劳寿命选择：Ca C a= fw fH F 弓 L式中fw 运转系数，查表 4 5 （平稳或轻度冲击时为 1.01.2，取载荷系数fw=1.2）fH 硬度系数，查表 4 6 （滚道硬度为60HR

13、C时，取硬度系数fH =1.0）?轴向工作载荷（N）?最大（基本）额定动载荷（N）,其值可查书末附表 1、2C计算额定动载荷?预期使用寿命60 x ?x ?= 一106式中 n 滚珠丝杠副的转速（r/min ）;T预期使用寿命时间（h）取滚珠丝杠的使用寿命 T 5 300 16 0.819200h取滚珠丝杠副转速 n=120r/mi n得：？= 138.24? 17697.8N查附表1滚珠丝杠副的设计表，并参考同类型设备的实际情况，设计选用：外循环滚珠丝杠，公称直径 do= 25mm导程Lo= 6mm 3.5圈x 1列，Ca=18950 N,钢球直径（db） DW=3.969mm, =4.36

14、666 ,精度等级为E,基本导程极限偏差为土 6卩m显然，最后应选择d。 =25的丝杠。3、控制电机的选择（1）、计算电机所需要的最小转矩？?？由Y方向的总轴向力 F和丝杠的公称直径 do,及“ =4.3666 计算电机所需要的最小转矩：TminFd22ta n() 2455.7(N.mm)d d1d2-2式中d为丝杠螺纹大径，由表4-1公式计算得d = 24.11d1为丝杠螺纹小径由表4-1公式计算得 d 1 = 21d2为丝杠中径，d2= 22.55P为当量摩擦角，这里取p= 0。按照电机额定输出转矩TA电机所需的最小转矩 ？?= 2.4?勺原则，在网上查看步进电机类型及参数有两种型号可选

15、，转矩为2.5N.m的电机在以后的校核中被淘汰，故选择型号110BYGH2501永磁感应子式二相四拍步进电机。在网上查得：其转矩是9.8N m步进电机的步距角为0.9 。当取脉冲发生频率为800个/秒时，步进电机的转数为：n = 60x 800/（360/0.9）=120r/min。与题目要求相符合，可行。4、计算理论定位精度3、丝杠步距角B和丝杠轴向移动速度V：计算出理论定位精度3（即直线脉冲当量）和丝杠的步距角B2。1L0360i3 2=360 3 / L 0=3 1 / i （）3理论定位精度（即为直线脉冲当量），是指一个脉冲，螺母相对于丝杠的直线位移量mm。3 1电机步距角（）3 2丝

16、杠步距角（当传动比 i工1时，丝杠与电机的步距角不相等）（）Lo丝杠基本导程（mmi电机到丝杠之间的传动比，这里因为电机与丝杠是直接联接，故传动比为1。将参数代入理论定位精度公式计算可得，3=15卩因为丝杠的步距角B 2= 0.9。，则由800脉冲/秒和3 =0.015mm得丝杠的轴向移动速度：V=1000/（360/步距角）x L0=12mm/s （属于低速运动）。由以上参数可知，满足设计题目要求。3.1.2 设计X方向的滚珠丝杠螺母机构及其步进电机由CNC题目（卧式）可知：X方向的轴向工作载荷？?= 3500N ;理论定位精度3W 20 卩m ;丝杠转速n1 = 120r/min ; y方

17、向工作台滑板及其组件重量W1 = 700 N ;参考同类型的设备，选择电机和丝杠通过联轴器直接相连，则i=1 （步进电机到丝杠间的传动比）。这样选取的好处是不要中间件，减少了传动件，有利于提高精度，安装等较为方便1、X方向丝杠受力分析及丝杠轴向力计算X方向工作台滑板及其组件重量 W1以及Y方向的轴向工作载荷主要由导轨承担，而丝 杠主要承受X方向的轴向力F。X方向丝杠所受的总轴向力F由两部分组成：一是刀具所受的X方向轴向工作载荷？?1；二是X方向工作台滑板及其组件重量W1和Y方向的轴向载荷在导轨上产生的合成摩擦力F?两部分组成：F= ?+ ?1F?= ?x V + ?罗式中 F丝杠所受的总轴向力

18、N ;F?导轨与工作台滑板之间的摩擦力N ;?2Y方向轴向工作载荷 N卩一一导轨与工作台滑板之间的摩擦系数，由于导轨与工作台滑板处于边界润滑状态（脂润滑或油润滑），可取卩=0.050.2 ;W1X方向工作台滑板及组件重量N ;?1 X方向的轴向工作载荷 N将W1 = 700N、？?尸2500N、？?= 3500N、取？= 0.1带入上式得 X方向丝杠所受的总轴向力 F （卧式 CNC： F= ?+ ?1= 259.6 + 3500 = 6096.15N2、丝杠设计计算及尺寸选择由于丝杠为低速传动，所以应按寿命和额定静载荷两种方法确定其尺寸，然后选择其中较 大的。（1）按额定静载荷选择:因为X方

19、向丝杠所受的总轴向力F= 6096.15N，按GaA F的原则查附表1选择丝杠尺寸。这里选外循环滚珠丝杠，公称直径do= 25mm 导程 L0= 4mm, 2.5 圈x 1 列，Coa=14100N;（2）按疲劳寿命选择:CaCa= fw fH F 3 L式中fw 运转系数，查表（平稳或轻度冲击时为1.01.2，取载荷系数fw=1.2）fH 硬度系数，查表（滚道硬度为60HRC时，取硬度系数 fH =1.0）?轴向工作载荷（N)?最大（基本）额定动载荷N）,其值可查书末附表1、2Ca计算额定动载荷?预期使用寿命60 x ?x ? ?=-106式中 n 滚珠丝杠副的转速（r/min ）;T预期使

20、用寿命时间（h）19200h取滚珠丝杠的使用寿命 T 5 300 16 0.8取滚珠丝杠副转速n=120r/min?= 138.24? A 37825.2N外循环滚查附表1滚珠丝杠副的设计表，并参考同类型设备的实际情况，设计选用:珠丝杠，公称直径 d0= 63mm导程L0= 8mm 3.5圈x 1列，Ca=37900 N,钢球直径（db）DW=4.763mm, =2.32 ,精度等级为E,基本导程极限偏差为土6卩m显然，最后应选择d。=25的丝杠。3、控制电机的选择（1）、计算电机所需要的最小转矩？?由Y方向的总轴向力F和丝杠的公称直径 d。，及“ =2.32 计算电机所需要的最小转矩:? ?

21、x xtan(?+ ? = 7.42Nm式中d为丝杠螺纹大径，由表4-1公式计算得d = 62.05mmd1为丝杠螺纹小径，由表4-1公式计算得d 1 = 58.18mmd2为丝杠中径 ，d2= 60.12mmP为当量摩擦角，这里取p= 0。按照电机额定输出转矩TA电机所需的最小转矩 ?= 7.42?勺原则，在网上查看步进电机类型及参数有两种型号可选， 转矩为7.5Nm的电机在以后的校核中被淘汰， 故选择型 号110BYGH2501永磁感应子式二相四拍步进电机。 在网上查得：其转矩是9.8N m步进电 机的步距角为0.9 。当取脉冲发生频率为 800个/秒时，步进电机的转数为：n = 60x

22、800/(360/0.9)=120r/min。与题目要求相符合，可行。4、计算理论定位精度3、丝杠步距角B和丝杠轴向移动速度V：计算出理论定位精度3(即直线脉冲当量)和丝杠的步距角B2。丄0360i3 2=360 3 / L 0=3 1 / i ()3理论定位精度(即为直线脉冲当量)，是指一个脉冲，螺母相对于丝杠的直线位移量mm3 1电机步距角()3 2丝杠步距角(当传动比i工1时，丝杠与电机的步距角不相等)()5丝杠基本导程(mr)ii电机到丝杠之间的传动比，这里因为电机与丝杠是直接联接，故传动比为1。将参数代入理论定位精度公式计算可得，3=15卩因为丝杠的步距角32= 0.9 ，则由800

23、脉冲/秒和3 =0.015mm得丝杠的轴向移动速度：V=800/(360/步距角)x L0=12mm/s (属于低速运动)。由以上参数可知，满足设计题目要求。故X方向和Y方向选择相同的电动机，有关参数见下表型号步距角相数电压(V)电流(A)静转矩(Nm)空载运行频率(KHZ转动惯量(Kgcm2)机身长(mm)110BYG25010.9/1.82110412 1511144四、导轨的设计根据任务书要求 XY方向行程为500 x 300mm ,故初步取导轨座的长 600mm ,宽为400mm ,采用三角形和矩形组合的导轨副，材料为铸铁，因为铸铁具有耐磨性和减振性好，热稳定性高，易于铸造和切削加工，

24、成本低等特点，五、轴承的设计与选用5.1 X方向的轴承选用根据滚珠丝杆的公称直径63mm，额定动载荷Ca=37900N和额定静载荷F= 6096.15以及轴承所承受的最大载荷 700N，查机械零件设计手册，以确定所选轴承的型号。所选的轴承为深沟球轴承6013 ,有关参数见下表：基本尺寸安装尺寸基本额定载荷极限转速dDBrsdaDaras动载荷静载荷脂润滑油润滑65120230.6741111.557.240.0500063005.2 Y方向的轴承选用根据滚珠丝杆的公称直径25mm ,额定动载荷 Ca=17697.8N和额定静载荷F= 2782N以及轴承所承受的最大载荷 400N，查机械零件设计

25、手册，以确定所选轴承的型号。所选的轴承为深沟球轴承 6206，有关参数见下表：基本尺寸安装尺寸基本额定载荷极限转速ddbrsdaDaras动载荷静载荷脂润滑油润滑3062160.63656119.511.5950013000六、控制系统硬件设计X-Y数控工作台控制系统硬件主要包括CPU传动驱动、传感器、人机交互界面。硬件系统设计时，应注意几点：电机运转平稳、响应性能好、造价低、可维护性、人机交互界面可操作性比较好。6.1 CPU的选择随着微电子技术水平的不断提高，单片微型计算机有了飞跃的发展。单片机的型号很多，而目前市场上应用 MCS-51芯片及其派生的兼容芯片比较多，如目前应用最广的8位单片

26、机89C51,价格低廉，而性能优良，功能强大。在一些复杂的系统中就不得不考虑使用16位单片机，MCS-96系列单片机广泛应用于伺它具有较强的运算和扩展能力。但是定服系统，变频调速等各类要求实时处理的控制系统, 位合理的单片机可以节约资源，获得较高的性价比。从要设计的系统来看，选用较老的8051单片机需要拓展程序存储器和数据存储器，无疑提高了设计价格，而选用高性能的16位MCS-96又显得过于浪费。生产基于51为内核的单片机的厂家有Intel、ATMEL Sime ns，其中在CMOS#件生产领域ATMEL公司的工艺和封装技 术一直处于领先地位。ATMEL公司的AT89系列单片机内含 Flash

27、存储器，在程序开发过程 中可以十分容易的进行程序修改，同时掉电也不影响信息的保存；它和80C51插座兼容，并且采用静态时钟方式可以节省电能。因此硬件 CPU选用AT89C51, AT表示ATMEL公司的产品，9表示内含Flash存储器，S 表示含有串行下载 Flash存储器。AT89C51的性能参数为：Flash存储器容量为4KB 16位定时器2个、中断源6个（看 门狗中断、接收发送中断、外部中断 0、外部中断1、定时器0和定时器1中断）、RAM为 128B、14位的计数器 WDT I/O 口共有32个。6.2 CPU接口设计CPU接 口部分包括传感器部分、传动驱动部分、人机交互界面三部分。示

28、意图如下所示：七、控制系统软件设计7.1、总体方案对于AT89S51的程序设计，由于所需实现的功能较简单，采用汇编的形式。编译器采用Keil 7.02b 。该编译器是51系列单片机程序设计的常用工具，既可用汇编，也支持C语言编译。同时具有完善的调试功能。八、参考文献1 郑学坚，周斌.微型计算机原理及应用.M.清华大学出版社,20032 房小翠.单片微型计算机与机电接口技术M.国防工业出版社,20023 王小明.电动机的单片机控制M.北京航空航天大学出版社,20024 李建勇 .机电一体化技术 .M. 科学出版社 .20045 张建民 .机电一体化系统设计 M. 北京理工出版社 ,2004 徐灏等.机械设计手册M.北京:机械工业出版社，20007 濮良贵 ,记名刚 .机械设计 M. 北京 :高等教育出版社 ,2003，20008 . 杨入清 .现代机械设计系统与结构 M. 上海 :上海科学技术文献出版社 ，20009 . 张立勋 ，孟庆鑫 ，张今瑜 .机电一体化系统设计 M. 哈尔滨 :哈尔滨工程大学出版社