機電系統(tǒng)課程設計XY水平數(shù)控滑臺機電系統(tǒng)設計全套圖紙

1、機電系統(tǒng)課程設計設計說明書設計題目：x-y數(shù)控工作臺設計 者： 班 級：指導老師：完成時間：cad圖紙加153893706目錄一.設計任務書二.方案的分析與撰寫三.機械系統(tǒng)設計 3.1.結構設計3.2.導軌的選擇3.3.絲桿的選擇與校核3.4.步進電機與聯(lián)軸器選擇四.控制系統(tǒng)設計4.1.控制系統(tǒng)總體設計4.2.電機的選擇與校核4.3.驅動器的選擇4.4.控制器的選擇五.控制軟件設計六.設計小結七.參考資料八.設計日志九.參考公式一.設計任務書設計題目：x-y數(shù)控工作臺機電系統(tǒng)設計任務：設計一種供立式數(shù)控銑床使用的x-y數(shù)控工作臺，主要參數(shù)如下：1）立銑刀最大直徑d=12mm；2）立銑刀齒數(shù)z=

2、2；3）最大銑削寬度；4）最大背吃刀量；5）加工材料為碳鋼；6）x、y方向的脈沖當量/脈沖；7）x、y方向的定位精度均為；8）臺面尺寸為200mm×200mm，加工范圍為100mm×100mm；9）最快移動速度；10）最大中心負載n=15kg；11）重復定位精度小于0.005mm；12）傳動方式：絲桿直連；13）結構形式：中心驅動、側邊驅動。二.方案的分析與撰寫經過組內討論，我們決定選二維水平滑臺作為我們的設計題目，其三維圖形如下：總體方案圖：總體方案的確定：、機械傳動部件的選擇、 絲杠螺母副的選擇步進電動機的旋轉運動需要通過絲杠螺母副轉換成直線運動，需要滿足初選0.01m

3、m脈沖當量，因為定位精度±0.02mm，對于機械傳動要有一定的精度損失，大約是1/3-1/2的定位精度，現(xiàn)取為1/2，即是±0.01mm和±0.02mm的定位精度，滑動絲杠副無法做到，只有選用滾珠絲桿副才能達到要求，滾珠絲桿副的傳動精度高、動態(tài)響應快、運轉平穩(wěn)、壽命長、效率高、預緊后可消除反向間隙。同時選用內循環(huán)的形式，因為這樣摩擦損失小，傳動效率高，且徑向尺寸結構緊湊，軸向剛度高。由于定位精度不高，故選擇的調隙方式是墊片調隙式，這種調隙方式結構簡單，剛性好，裝卸方便。由于工作臺最快的移動速度40mm/s，所需的轉速不高，故可以采用一般的安裝方法，即一端固定，一端

4、游動的軸承配置形式。、導軌副的選用要設計數(shù)控銑床工作臺，需要承受的載荷不大，而且脈沖當量小，定位精度高，因此選用直線滾動導軌副，它具有摩擦系數(shù)小，不易爬行，傳動效率高，結構緊，安裝預緊方便等優(yōu)點。、伺服電機的選用選用步進電動機作為伺服電動機后，可選開環(huán)控制，也可選閉環(huán)控制。任務書所給的精度對于步進電動機來說還是偏低，為了確保電動機在運動過程中不受切削負載和電網的影響而失步，決定采用開環(huán)控制，任務書初選的脈沖當量尚未達到0.001mm，定位精度也未達到微米級，空載最快移動速度也只有3000mm/min,故本設計不必采用高檔次的伺服電機，因此可以選用混合式步進電機，以降低成本，提高性價比。、減速裝

5、置的選用選擇了步進電動機和滾珠絲桿副以后，為了圓整脈沖當量，放大電動機的輸出轉矩，降低運動部件折算到電動機轉軸上的轉動慣量，可能需要減速裝置，且應有消間隙機構，如果要選用減速裝置，則應選用無間隙齒輪傳動減速箱。、控制系統(tǒng)的設計 、設計的x-y工作臺準備用在數(shù)控銑床上，其控制系統(tǒng)應該具有輪廓控制，兩坐標直線插補與圓弧插補的基本功能，所以控制系統(tǒng)設計成連續(xù)控制型。、對于步進電動機的開環(huán)控制系統(tǒng)，選用mcs-51系列的8位單片機at89s52作為控制系統(tǒng)的cpu，能夠滿足任務書給定的相關指標。、要設計一臺完整的控制系統(tǒng)，在選擇cpu之后，還要擴展程序存儲器，i/o接口電路，d/a轉換電路，串行接口電

6、路等。、選擇合適的驅動電源，與步進電動機配套使用。三.機械系統(tǒng)設計機械系統(tǒng)設計包括電機、絲桿、導軌、聯(lián)軸器等標準器件的選擇；底板、軸承座、電機座等零件的設計。具體設計計算過程如下：3.1.結構設計工作臺總體結構的確定初步采用（1）、步進電機2個（x、y向分別控制）（2）、滾珠絲桿2套（3）、滾動導軌：雙導軌、四滑塊（分別為x、y向，長短選擇不同）（4）、帶有三條“”槽的工作臺面3.2.導軌的選擇 設 計 計 算 與 說 明主要結果1.銑削力的計算設零件的加工方式為立式銑削，采用硬質合金立銑刀，工件的材料為碳鋼。則由表3-7查得立銑時的銑削力計算公式為： (1) 今選擇銑刀直徑d=12mm，齒數(shù)

7、z=2，為了計算最大銑削力，在不對稱銑削的情況下，取得最大銑削寬度，背吃刀量，每齒進給量，銑刀轉速n=300r/min。則由(1)式求得最大銑削力：采用立銑刀進行圓柱銑削時，各銑削力之間的比值可由表3-5查得，結合圖3-4a，考慮逆銑時的情況，可估算三個方向的銑削力分別為：，。圖3-4a為臥銑情況，現(xiàn)在考慮立銑，則工作臺受到垂直方向的銑削力，受到水平方向的銑削力分別和。今將水平方向較大的銑削力分配給工作臺的縱向（絲桿軸線方向），則縱向銑削力，徑向銑削力。2.直線滾動導軌副的計算與選型（1）滑塊承受工作載荷的計算及導軌型號的選取 工作載荷是影響直線滾動導軌副使用壽命的重要因素。本設計中的x-y工

8、作臺為水平布置，采用雙導軌、四滑塊的支承形式。考慮最不利的情況，即垂直于臺面的工作載荷全部由一個滑塊承擔，則單滑塊所受的最大垂直方向載荷為： (2)950ng=600nf=361n設 計 計 算 與 說 明主要結果其中，移動部件重量g=600n，外加載荷，代入式（2），得最大工作載荷。查表3-41，根據工作載荷，初選直線滾動導軌副的型號為kl系列的jsa-lg15型，其額定動載荷，額定靜載荷。本設計規(guī)定工作臺面尺寸為200mm×200mm，加工范圍為100mm×100mm?？紤]工作行程應留有一定余量，查表3-35，按標準系列，選取導軌長度為340mm。（2）距離額定壽命l的

9、計算 上述選取的kl系列jsalg15型導軌副的滾道硬度為60hrc，工作溫度不超過100攝氏度，每根導軌上配有兩只滑塊，精度為4級，工作速度較低，載荷不大。查表3-36表3-40，分別取硬度系數(shù)、溫度系數(shù)、接觸系數(shù)、精度系數(shù)、載荷系數(shù)，代入式（3-33），的距離壽命：遠大于期望值50km，故距離額定壽命滿足要求。3.3絲桿的選擇與校核設 計 計 算 與 說 明主要結果3.滾珠絲杠螺母副的計算與選型（1）最大工作載荷的計算 如前頁所述，在立銑時，工作臺受到進給方向的載荷（與絲杠軸線平行），受到橫向的載荷（與絲杠軸線垂直），受到垂直方向的載荷（與工作臺垂直）。已知移動部件總重量g=600n，按矩

10、形導軌進行計算，查表3-29，取顛覆力矩影響系數(shù)k=1.1，滾動導軌上的摩擦因數(shù)=0.005 。求得滾珠絲杠副的最大工作載荷：（2）最大動載荷的計算 設工作臺在承受最大銑削力時的最快進給速度v=400mm/min，初選絲杠導程，則此時絲杠轉速。取滾珠絲杠的使用壽命t=15000h，代入，得絲杠壽命系數(shù)(單位為r) 。查表3-30，取載荷系數(shù)，滾道硬度為60hrc時，取硬度系數(shù)，代入式（3-23），求得最大載荷：（3）初選型號 根據計算出的最大載荷和初選的絲杠導程，查表3-31，選擇濟寧博特精密絲杠制造有限公司生產的g系列2500-3型滾珠絲杠副，為內循環(huán)固定反向器單螺母式，其公稱直徑為20mm

11、，導程為5mm。循環(huán)滾珠為3圈×1列，精度等級取5級，額定動載荷為9309n。大于，滿足要求。（4）傳動效率的計算 將公稱直徑，導程，代入，得絲杠螺旋升角。將摩擦角=10代入，得傳動效率。（5）剛度的驗算1)x-y工作臺上下兩層滾珠絲杠副的支承均采用“單推單推”的方式，見書后插頁圖6-23。絲杠的兩端各采用一對推理角接觸球軸承，面對面組配，左、右支承的中心距離約為a=320mm ；鋼的彈性模量；查表3-31，得滾珠直徑，絲杠底徑，絲杠截面面積1155nv=400mm/mint=15000h5766n設 計 計 算 與 說 明主要結果。忽略式（3-25）中的第二項，算得絲杠在工作載荷作

12、用下產生的拉/壓變形量。2）根據公式，求得單圈滾珠數(shù)z=17；該型號絲杠為單螺母，滾珠的圈數(shù)×列數(shù)為3×1，代入公式，得滾珠總數(shù)量。絲杠預緊時，取軸向預緊力。則由式（3-27），求得滾珠與螺紋滾道間的接觸變形量。因為絲杠加有預緊力，且為軸向負載的1/3，所以實際變形量可減小一半，取。3)將以上算出的和代入，求得絲杠總變形量（對應跨度320mm）。本例中，絲杠的有效行程為180mm，由表3-27知，5級精度滾珠絲杠有效行程在315mm時，行程偏差允許達到23m，可見絲杠剛度足夠。（6）壓桿穩(wěn)定性校核 根據公式（3-28）計算失穩(wěn)時的臨界載荷。查表3-34，取支承系數(shù)；由絲杠底

13、徑求得截面慣性矩；壓桿穩(wěn)定安全系數(shù)k取3（絲杠臥式水平安裝）；滾動螺母至軸向固定處的距離a取最大值320mm。代入式（3-28），得臨界載荷，遠大于工作載荷，故絲杠不會失穩(wěn)。綜上所述，初選的滾珠絲杠副滿足使用要求。385n3.4.步進電機和聯(lián)軸器的選擇設 計 計 算 與 說 明主要結果 4 初定步進電機型號以及聯(lián)軸器型號 由設計要求可知，絲杠直連需滿足。已知工作臺的脈沖當量，滾珠絲杠的導程，則。該步距角可由驅動電源的細分功能來實現(xiàn)。考慮到步進電機尺寸等因素，今選擇步距角為的90byg2502型號步進電機。聯(lián)軸器初選zdjm-01型帶錐套單型彈性膜片聯(lián)軸器。聯(lián)軸器具體參數(shù)：公稱扭矩33，許用轉速

14、10000r/min，重量1.10kg，轉動慣量即。5步進電動機的計算與選型與聯(lián)軸器的計算與選型（1）計算加在步進電機轉軸上的總轉動慣量 已知：滾珠絲杠的公稱直徑，總長，導程，材料密度；移動部件總重力，聯(lián)軸器轉動慣量。如表4-1所示，算得各個零件部件的轉動慣量如下（具體計算過程從略）：滾珠絲杠的轉動慣量；拖板折算到絲杠上的轉動慣量；聯(lián)軸器轉動慣量。 初選步進電動機型號為90byg2502，為兩相混合式，由常州寶馬集團公司生產，四相驅動時步距角，從表4-5查得該型號電動機轉子的轉動慣量。則加在步進電機轉軸上的總轉動慣量為： (2) 計算加子在步進電機轉軸上的等效負載轉矩 分快設 計 計 算 與

15、說 明主要結果速空載起動和承受最大工作負載兩種情況進行計算。 1） 快速空載起動時電動機轉軸所承受的負載轉矩由式(4-8)可知，包括三部分：一部分是快速空載起動時折算到電動機轉軸上的最大加速轉矩；一部分是移動部件運動時折算到電動機轉軸上的摩擦轉矩；還有一部分是滾珠絲杠預緊后折算到電動機轉軸上的附加摩擦轉矩。因為滾珠絲杠副傳動效率很高，根據式(4-12)可知，相對于和很小，可以忽略不計。則有： (3)根據式(4-9)，考慮傳動鏈的總效率，計算快速空載起動時折算到電動機轉軸的最大加速轉矩： （4）式中對空載最快移動速度的步進電動機最高轉速，單位為r/min；步進電動機由靜止到加速到n轉速所需的時間

16、，單位為s。其中： （5）式中空載最快移動速度，任務書指定為2400mm/min； 步進電動機步距角，預選電動機步距角細分為； 脈沖當量，本設計中脈沖。設 計 計 算 與 說 明主要結果將以上各值代入式(5)，算得r/min設步進電動機由靜止到加速至n轉速所需時間t=0.2s，傳動鏈總效率=0.7。則由式(4)求得：由式(4-10)可知，移動部件運動時，折算到電動機轉軸上的摩擦轉矩為： （6）式中導軌的摩擦因數(shù)，滾動導軌取0.005;垂直方向的銑銷力，空載時取0;傳動鏈總效率，取0.7。則由式(6)，得：最后由式(3)求得快速空載起動時電動機轉軸所承受的負載轉矩： （7）2) 最大工作負載狀態(tài)

17、下電動機轉軸所承受的負載轉矩由式(4-13)可知，包括三部：一部分是折算到電動機轉軸上的最大工作負載轉矩;一部分是移動部件運動時折算到電動機轉軸上的摩擦轉矩;還有一部分是滾珠絲杠預緊后折算到電動機轉軸上的附加摩擦轉矩，相對于和很小，可以忽略不計。則有： （8）其中，折算到電動機轉軸上的最大工作負載轉矩由式r/min設 計 計 算 與 說 明主要結果(4-14)計算。本設計中在對滾珠絲杠進行計算的時候，已知沿著絲杠軸線方向的最大進給載荷，則有： 再由式(4-10)計算垂直方向承受最大工作負載（）情況下，移動部件運動時，折算到電動機轉軸上的摩擦轉矩為：最后由式(8)，求得最大工作負載狀態(tài)下電動機轉

18、軸所承受的負載轉矩為：經過上述計算后，得到加在步進電動機轉軸上的最大等效負載轉矩應為： （9）（3） 步進電動機最大靜轉矩的選定以及聯(lián)軸器的校核 考慮到步進電動機的驅動電源受電網電壓影響較大，當輸入電壓降低時，其輸出轉矩會下降，可能造成丟步，甚至堵轉。因此，根據來選擇步進電動機的最大靜轉矩時，需要考慮安全系數(shù)。本設計中取安全系數(shù)k=4，則步進電動機的最大靜轉矩應滿足：（10）上述初選的步進電動機型號為90byg2602，由表4-5查得該型號電動機的最大靜轉矩?？梢姡瑵M足式(10)的要求。查表3-44，取聯(lián)軸器工作情況系數(shù)，則上述初選聯(lián)軸器型號為zdjm-01，最大轉速為10000rpm， 設

19、計 計 算 與 說 明主要結果，滿足，的要求。故聯(lián)軸器符合設計要求。（4）步進電動機的性能校核1）最快工進速度時電動機輸出轉矩校核 設工作臺最快工進速度v=600mm/min，脈沖當量=0.0025mm/脈沖，由式(4-16)求出電動機對應的運行頻率hz =4000hz。從90byg2502電動機的運行矩頻特性曲線圖可以看出，在此頻率下，電動機的輸出轉矩，大于最大工作負載轉矩，滿足要求。2)最快空載移動時電動機輸出轉矩校核 任務書給定工作臺最快空載移動速度v=2400mm/min，仿照式(4-16)求出電動機對應的運行頻率hz=16000hz。從90byg2502電動機的運行矩頻特性曲線圖可以看出，在此頻率下，電動機的輸出轉矩，大于快速空載起動時的負載轉矩，滿足要求。設 計 計 算 與 說 明主要結果 3）最快空載移動時電動機運行頻率校核 與最快空載移動速度，對應的電動機運行頻率為