X-Y数控工作台的机电系统设计

**理工大学课程设计X-Y数控工作台的机电系统设计学院：机械工程学院专业：机械设计制造及其自动化班级：机电***班教师：***学号：***********学生：***1摘要本文主要是进行X-Y数控工作台的机电系统设计，根据设计任务给定的工作尺寸，设计一种供应式数控铣床的X-Y数控工作台。首先，确定总体设计方案：其中主要对导轨副、丝杠螺母副、减速装置、检测装置的选用及控制系统的设计进行初步分析，再绘制总体方案图。其次，进行机械传动部件的计算与选择：主要进行导轨上移动部件的重量估算，铣削力的计算，直线滚动导轨副的计算与选型，滚珠丝杠螺母副的计算与选型，步进电机减速箱的选用，步进电动机的计算与选型。本部分作为此设计重点，进行了大量的分析、计算及验算，最后得到了满足任务规定尺寸的工作要求。再次，选用检测装置。本设计中选用了增量式旋转编码器，确定电路为观电隔离电路，以此来对工作台的运动状态进行检测，从而在反馈后对工作台进行实时调整。最后，控制系统的设计。此处主要通过进给传动系统来对硬件电路进行设计，并绘制控制系统原理框图；然后分析选用了步进电动机的驱动电源。关键字：X-Y数控工作台机电系统导轨滚珠丝杠螺母副控制系统2目录1.引言…………………………………………………………………………………………32.设计任务……………………………………………………………………………………33.总体方案的确定……………………………………………………………………………33.1机械传动部件的选择………………………………………………………………33.1.1导轨副的选用…………………………………………………………………33.1.2丝杠螺母副的选用……………………………………………………………43.1.3减速装置的选用………………………………………………………………43.1.4伺服电动机的选用……………………………………………………………43.1.5检测装置的选用………………………………………………………………43.2控制系统的设计……………………………………………………………………43.3绘制总体方案图……………………………………………………………………44.机械传动部件的计算与选型………………………………………………………………54.1导轨上移动部件的重量估算………………………………………………………54.2铣削力的计算………………………………………………………………………54.3直线滚动导轨副的计算与选型（纵向）…………………………………………64.3.1块承受工作载荷的计算及导轨型号的选取………………………………64.3.2距离额定寿命L的计算………………………………………………………64.4滚珠丝杠螺母副的计算与选型…………………………………………………74.4.1最大工作载荷Fm的计算………………………………………………………74.4.2最大动工作载荷FQ的计算……………………………………………………74.4.3初选型号………………………………………………………………………74.4.4传动效率η的计算……………………………………………………………74.4.5刚度的验算……………………………………………………………………74.4.6压杆稳定性校核………………………………………………………………84.5步进电动机减速箱的选用…………………………………………………………84.6步进电动机的计算与选型…………………………………………………………84.6.1计算加在步进电动机转轴上的总转动惯量Jeq……………………………84.6.2计算加在步进电动机转轴上的等效负载转矩Teq…………………………94.6.3步进电动机最大静转矩的选定……………………………………………104.6.4步进电动机的性能校核……………………………………………………115.增量式旋转编码器的选用………………………………………………………………116.绘制进给传动系统示意图………………………………………………………………127.工作台控制系统的设计…………………………………………………………………127.1数控系统硬件控制电路设计………………………………………………………127.2辅助电路设计………………………………………………………………………147.3系统控制软件设计…………………………………………………………………158．步进电动机的驱动电源选用……………………………………………………………168.1电动机特性分析及细分驱动控制…………………………………………………168.2步进电机电源驱动选用……………………………………………………………17总结…………………………………………………………………………………………18参考文献……………………………………………………………………………………1831.引言现代科学技术的不断发展，极大地推动了不同学科的交叉与渗透，导致了工程领域的技术革命与改造。在机械工程领域，由于微电子技术和计算机技术的迅速发展及其向机械工业的渗透所形成的机电一体化，使机械工业的技术结构、产品机构、功能与构成、生产方式及管理体系发生了巨大变化，使工业生产由“机械电气化”迈入了“机电一体化”为特征的发展阶段。X-Y数控工作台是许多机电一体化设备的基本部件，如数控车床的纵—横向进刀机构、数控铣床和数控钻床的X-Y工作台、激光加工设备的工作台、电子元件表面贴装设备等。模块化的X-Y数控工作台，通常由导轨座、移动滑块、工作、滚珠丝杠螺母副，以及伺服电动机等部件构成。其中伺服电动机做执行元件用来驱动滚珠丝杠，滚珠丝杠螺母带动滑块和工作平台在导轨上运动，完成工作台在X、Y方向的直线移动。导轨副、滚珠丝杠螺母副和伺服电动机等均以标准化，由专门厂家生产，设计时只需根据工作载荷选取即可。控制系统根据需要，可以选取用标准的工作控制计算机，也可以设计专用的微机控制系统。2.设计任务题目：X-Y数控工作台的机电系统设计任务：设计X-Y数控工作台的机电系统设计，其主要参数如下：1.立铣刀最大直径的mmd20；2.立铣刀齿数3Z；3.最大铣削宽度mmae20；4.最大背吃刀量mmap105.加工材料为碳素钢活有色金属；6.X、Y方向的脉冲当量mmyx005.0；7.X、Z方向的定位精度均为mm01.0；8.工作台面尺寸为mmmm3201320，加工范围为mmmm330680；9.工作台空载进给最快移动速度：min/2300maxmaxmmvvyx；10.工作台进给最快移动速度：min/770maxmaxmmvvfyfx。3.总体方案的确定3.1机械传动部件的选择3.1.1导轨副的选用要设计X-Y数控车床工作台用来配套立式数控铣床，需要承受的载荷不大，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。3.1.2丝杠螺母副的选用伺服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0.005mm冲4当量和01.0mm的定位精度，滑动丝杠副为能为力，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。3.1.3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，且应有消间隙机构，选用无间隙齿轮传动减速箱。3.1.4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，空载最快移动速度也只有因此2300mm/min，故本设计不必采用高档次的伺服电动机，因此可以选用混合式步进电动机。以降低成本，提高性价比。3.1.5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，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、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。3.2控制系统的设计1）设计的X-Z工作台准备用在数控车床上，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AT89S52作为控制系统的CPU，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，还要扩展程序存储器，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。3.3绘制总体方案图微型机光电隔离光电隔离功率放大功率放大步进电机步进电机联轴器联轴器X向工作台Y向工作台图一总体方案图54.机械传动部件的计算与选型4.1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、工作台、上层电动机、减速箱、滚珠丝杠副、导轨座等,来进行重量估算。根据给定的有效行程，画出工作台简图，估算X向和Y向工作台承载重量xW和yW。设计工作台示意图如下:图二工作台示意图重量估算按:重量=体积*材料比重X向拖板(上拖板)重量估算为:NNWx2400108.71040350220023Y向拖板(下拖板)重量估算为:NNWy850108.7104035080023工作台面重量估算：NNW1000108.71030320132023电机重量估算为：120N夹具及工件等重量:130NX-Y工作台运动部分总重量为:NNW4500130120100008502400总4.2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：ZnadfaFpzec13.00.173.075.085.0118（1）由设计任务知铣刀的直径为mmd20d，齿数3Z,为了计算最大铣削力，在不对6称铣削情况下，取最大铣削宽度为mmae20；背吃刀量mmap10，每齿进给量mmfz1.0，铣刀转速min/300rn。则由（1）式求的最大铣削力：NFc1893330010201.02011813.00.173.075.085.0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：NFFcf20821.1,NFFce71938.0，NFFcfn47325.0。考虑立铣，工作台受到垂直方向的铣削力NFFez719，受到水平方向的铣削力分别为fF和fnF。今将水平方向较大的铣削力分配给工作台的纵向，则纵向铣削力NFFfx2082，径向铣削力为NFFfny473。4.3直线滚动导轨副的计算与选型4.3.1块承受工作载荷maxF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。本例中的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：FGF4max（2）其中，移动部件重量NG4500，外加载荷NFFz719zF=F486N，代入式（2），得最大工作载荷kNF844.1max。根据工作载荷maxF=0.686kN，工作台面尺寸为mmmm3201320，加工范围为mmmm330680等数值，并考虑一定的余量；查表初选直线滚动导轨副的型号为KL系列，其中X向导轨为JSA-LG35型，长度