机电一体化系统设计课程设计--X-Y数控工作台机电系统设计.doc
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1、 课程设计题 目 : X-Y数控工作台机电系统设计 专 业 : 姓 名 : 学 号 : 指导教师 : 完成时间 : 2014-12-18 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工作台铣削力的计算3.直线滚动导轨副的计算与选型3.1滑块承受工作载荷Fmax的计算与型号选择3.2距离额定寿命L的计算4滚珠丝杆螺母副的计算与选型4.1最大工作载荷Fm的计算4.2最大动载荷FQ的计算4.3初选丝杆型号4.4丝杆传动效率的计算4.5丝杆刚度的验算4.6丝杆压杆稳定性的校核5.步进电机减速
2、箱的选用6.步进电机的计算与选型6.1步进电机转轴上加载的总转动惯量Jeq6.2步进电机转动轴上总的等效负载转矩Teq6.3步进电机最大静转矩的选择6.4步进电机性能校核7.反馈检测装置的选用8.步进电机驱动器的选用9.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.机械工业出版社目 录 设计任务1一. 总体方案的确定21. 机械传动部件的选择21.1 导轨副的选用21.2 丝杠螺母副的选用21.3 减速装置的选用21.4 伺服电动机的选用21.5 检测装置的选用2二. 控制系统的设计3三. 绘制总体方案图3四. 机械传动部件的计算与选型31
3、. 导轨上移动部件的重量估算32. 铣削力的计算33. 直线滚动导轨副的计算与选型4(1). 滑块承受工作载荷的计算及导轨型号的选取4(2). 距离额定寿命的计算44. 滚珠丝杠螺母副的计算与选型4(1). 最大工作载荷Fm的计算4(2). 最大动载荷FQ的计算5(3). 初选型号5(4). 传动效率的计算5(5). 刚度的验算55. 步进电动机减速箱的选用76. 步进电机的计算与选型77. 增量式旋转编码器的选用11五. 工作台控制系统的设计12六. 步进电机驱动电源的使用12七. 设计总结13目录计算过程结果设计任务题目: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
4、数控工作台,主要参数如下:1)立铣刀最大直径d=20mm;2)立铣刀齿数Z=3;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)工作台导轨长度为1260mm;9)工作台空载最快移动速度;10)工作台进给最快移动速度;11)丝杠的有效行程为330mm;12)工作台尺寸200mmX200mm加工范围230mmX230mm 。数控工作台外形如下图1所示图1 X-Y数控工作台外形一、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
5、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的脉冲当量和的定位精度,滑动丝杆副无能为力,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。选用垫片调隙式,这种方法结构简单、刚性好、装卸方便,适用于一般精度的机构。丝杆螺母副采用一端固定,一端游动的方式,因其压杆稳定性和临界转速较高。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,
6、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,且应有消间隙结构。为此,决定采用无间隙齿轮传动减速器。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,本设计不必采用高档次的伺服电动机,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电动机,如混合式步进电动机,以降低成本,提高性价比。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,决定采用半闭环
7、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、Y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、Y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。二.控制系统的设计 (1)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
8、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、绘制总体方案图 总体方案图如图所示四、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。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: 今选择铣刀直径d=20mm
9、,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,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查得,考虑逆铣时的情况,可估算三个方向的铣削力分别为、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。3.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。
10、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:其中,移动部件重量G=800N,外加载荷,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。(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。4
11、.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=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=0.005 。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
12、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2505-4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25mm,导程为5mm。循环滚珠为4圈2列,精度等级取5级,额定动载荷为11921N。大于,满足要求。(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=50
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