课程设计-XY工作台数控系统设计

专业课程设计（论文）XY数控工作台机电系统设计二级学院机械工程学院专业机械设计制造及其自动化学号11204020322学生姓名唐加林指导教师袁冬梅时间2015.6.24-7.9目录1.设计任务………………………………………………………………………12.总体方案设计…………………………………………………………………12.1设计目的意义…………………………………………………………………12.2总体方案………………………………………………………………………12.2.1任务分析…………………………………………………………………12.2.2总方案的确定………………………………………………………………13.机械传动部件的计算与选型…………………………………………………33.1工作台外形尺寸及重量初步估计……………………………………………33.2铣削力的计算…………………………………………………………………33.3直线滚动导轨副的计算与选型………………………………………………43.4滚珠丝杆螺母副的计算与选型………………………………………………53.5传动比计算……………………………………………………………………73.6角接触球轴承的选用及校核…………………………………………………84.步进电动机的计算与选型……………………………………………………94.1步进电动机简介及原理……………………………………………………94.2步进电机的计算与选型……………………………………………………94.3步进电动机驱动电源的选用………………………………………………124.4联轴器的选用………………………………………………………………135.工作台控制系统的设计……………………………………………………145.1控制系统硬件选用……………………………………………………………145.2控制系统程序设计……………………………………………………………145.3控制系统硬件电路设计………………………………………………………17体会与总结………………………………………………………………………17参考文献…………………………………………………………………………18重庆理工大学课程设计11.设计任务1.要求：可以实现启动、停止、急停、正向/反向点动、正向/反向连续运动、软硬限位等功能。2.已知技术参数如下:1)立铣刀最大直径d=20mm；2)立铣刀齿数z=33）最大铣削宽度αe=15mm4）最大背吃刀量αp=12mm5）加工材料为碳素钢或有色金属；6）XY方向的脉冲当量δx=δy=0.005mm/脉冲；7）XY方向的定位精度为±0.01mm；8）工作台台面尺寸230mm×230mm，加工范围为250mm×250mm；9）工作台空载最快移动速度Vxmax=Vymax=3500mm/min；10）工作台进给最快移动速度Vxmax=Vymax=500mm/min；11）移动部件总重量为800N；2.总体方案设计2.1设计目的及意义本次设计研制的是基于单片机的XY工作台数控系统，能够有效的改善人机界面、提高加工速度、方便操作人员编写用户加工程序，对改善工人的工作环境有很大的意义。而且能有效的适应多种品种，更有效的发挥经济效益。2.2总体方案2.2.1任务分析：1）设计对象：数控铣床XY工作台机电系统（典型的机电一体化产品）2）根据设计任务，确定总体方案。3）机械传动部件的计算与选型，包括工作台、减速器、滚珠丝杠副、直线滚动导轨副等。4）步进电机及驱动器的选型。5）最后绘制进给传动机构的装配图以及各部件间的接线图。2.2.2总体方案的确定：1）系统的运动形式：应用点位控制系统，因为工件在移动的过程中没有进行切削定位。2）驱动方案：由于要满足工作台的快速、急停、定位，需要较小步距角和较大的转矩，以及0.005mm脉冲当量和±0.01mm定位精度,故要选择混合型步进电机驱动。为了简化结构，降低成本，采用步进电机开环伺服系统驱动X-Y重庆理工大学课程设计2工作台。3）X-Y工作台的传动方案：考虑电机步距角和丝杠副导程只能按标准选取，为达到分辨率的要求，需采用减速器降速传动。保证一定的传动精度和平稳性，又要求结构紧凑，所以选用丝杠螺母传动副。为有一定的预紧力和消除间隙，采用双螺母齿差预紧调整式。并确定滚珠循环方式，丝杠副支承方式。4）控制方案：采用与MCS-51系列兼容的AT89S51单片机控制系统。它的主要特点是集成度高，可靠性好，功能强，速度快，有较高的性价比。正反向的点/连续运动可以利用电机通电信号来控制。系统的加工程序和控制命令通过键盘操作实现。LED显示数控工作台的状态。利用软件和限位开关实现限位控制。5）XY工作台系统设计结构示意图：图2.1XY工作台系统设计结构示意图由图1可知，XY工作台系统设计结构为：通过步进电机经减速器减速后带动滚珠丝杠副旋转，在分别由XY向滚珠丝杠副旋转带动XY向工作台的直线运动。工作台安装在滑动导轨副上，并在两端安装限位开关，起硬件限位作用。6）XY工作台系统设计总体框图：重庆理工大学课程设计3图2.2XY工作台系统设计总体框图3.机械传动部件的计算与选型机械部分设计内容包括：选择步进电机，传动及导向元件的设计、计算与选择，绘制机械部分装配图等。3.1工作台外形尺寸及重量初步估算上拖板（X向拖板）尺寸：长×宽×高=500×200×30下拖板（Y向拖板）尺寸：长×宽×高=500×200×30上导轨及电机重量G为：（500×200×30+2×500×30×50）×7.8×10-2×10-3=421.2N移动部件总重量W为：800N3.2铣削力的计算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。立铣刀的铣削力计算公式为：0.850.750.731.00.13118eezpFafdanZ铣削力：Fe=118×150.85×0.10.75×20-0.73×121.0×3000.13×3=1779N表3.1各切削力比值重庆理工大学课程设计4各铣削力之间的比值可由表表3.1查得，假如是逆铣时的情况，可估算三个方向的铣削力分别为：垂直方向的铣削力：Fv=Fc=0.35Fe≈623N纵向方向的铣削力：Fx=Ff=1.0Fe≈1779N径向方向的铣削力：Fy=Ffn=0.25Fe≈445N3.3直线滚动导轨副的计算与选型（Y方向）（1）滑块承受工作载荷Fmax的计算及导轨型号的选取由于XY工作台为水平布置，采用双导轨、四滑块的支承形式。若考虑最不利的情况，全部载荷有一块滑块承担，则一块滑块的最大垂直方向载荷为：Fmax=(W+G)/4+F其中，移动部件重量W=800N，上导轨及电机重量G=421.2N,外加载荷F=Fy=445N，带入式中得Fmax=（1221.2/4+445）=750.3N。所以根据工作载荷Fmax=750.3N，小于X方向工作载荷。所以Y方向直线滚动导轨副与X方向直线滚动导轨副相同，可初选直线滚动导轨副的型号LG15KL型，生产厂家为昆山春本自动化设备有限公司。其额定动载荷Ca=8.7kN,额定静载荷C0a=14.5kN。表3.2LG15KL型直线滚动导轨副参数重庆理工大学课程设计5图3.1直线滚动导轨副的型号LG15KL型任务书规定有效行程为Lx=250㎜，Ly=250㎜，工作台面尺寸230×230㎜，考虑工作行程应留有一定余量，查表按标准系列，选取导轨的长度为500㎜。（2）距离额定寿命L的计算[1]上述所选的KL系列JSA-LG51系列导轨副的滚到硬度为60HRC，工作温度不超过100℃，每根导轨上配有两只滑块，精度为5级，工作速度较低，载荷不大。分别取硬度系数fH=1.0，温度系数ft=1.00,接触系数fC=0.18，精度系数fg=0.9，载荷系数fa=1.5,代入式，得距离寿命：L=｛(fH×ft×fC×fg)÷fg)×(Ca/Fmax)｝3×44.5≈｛(1.0×1.0×0.89×0.9÷1.5)×(8.7÷0.823｝3×44.5≈4587km工作寿命的计算Lh=（L×103)/Insin60=4587×106/(2×4×7×60)≈1365178H设数控机床滚珠丝杠及导轨使用寿命为15000H。工作寿命远远大于使用寿命。故导轨工作寿命足够。3.4滚珠丝杆螺母副的计算与选型（1）最大工作载荷Fa的计算[2]如前所述，在立铣时，工作台收、受到进给方向的载荷（与丝杆轴线平行）Fy=445N，受到横向载荷（与丝杆轴线垂直）Fx=1779N。已知移动部件总重量W=800N，上导轨及电机重量G=421.2N,按矩形导轨进行计算，取颠覆力矩影响系数K=1.1，滚动导轨上的摩擦系数μ=0.005，求得滚珠丝杆副的最大工作载荷：Fm=KFy+μ(FV+Fx+W)=[1.1×445+0.005×(623+1779+800+421.2]=507.6N1966.24N重庆理工大学课程设计6所以，Y方向滚珠丝杆螺母副型号可与X方向滚珠丝杆螺母副型号一致，G系列2505-4型滚珠丝杠副。（2）最大动工作载荷FQ的计算设工作台在承受最大铣削力时的最快进给速度v=500㎜/min,初选丝杆导程ph=5㎜则此时丝杆转速n=v/ph=500/5=100r/min滚珠丝杠的使用寿命T=15000h，代入66010nTL，得丝杠寿命系数La=120×106r查表，取载荷系数fa=1.2,滚道硬度为60HRC时，取硬度系数fH=1.0，代入式子，求得最大动载荷：3HQLffP=3√120×1.2×1.0×1966.24≈11638N（3）初选型号根据计算出的最大动载荷和初选的丝杠导程，查表3.3选择G系列2505-4型滚珠丝杠副，生产厂家为江苏大安机械有限公司。为内循环固定器反向单螺母式，其公称直径D=25㎜，导程ph=5㎜，循环滚珠为4圈×1系列，精度等级取5级，额定动载荷Ca=12553N，大于FQ，满足要求。表3.3滚珠丝杆螺母副型号图3.2G系列2505-4型滚珠丝杠副（4）传动效率η的计算重庆理工大学课程设计7将公称直径da=25㎜,导程ph=5㎜,代入λ=arctan[Ph/(πdo]，得丝杠螺旋升角λ=3º39´,摩擦角Φ=10´，代入传动效率公式计算η=tanλ/tan(λ+φ)，得传动效率η=95.5%。（5）刚度的验算1)X-Y工作台上下两层滚珠丝杠副的支撑均采用“单推-单推”的方式。丝杠的两端各采用一对推力角接触球轴承，面对面组配，左右支承的中心距约为a=400㎜，刚的弹性模量E=2.1×105Mpa，查表得滚珠直径Dw=3.175㎜，丝杠底径d=24.5㎜,丝杠截面积S=πd22/4=471.1㎜2丝杠的拉伸或压缩变形量δ在总变形量中占得比重较大，算得丝杠在工作载荷Fm作用下产生的拉/压变形量δ1=Fma/ES=1966.24×600/（2.1×105×471.4）≈0.012㎜根据公式3)πd/D(wz,得Z=22该型号丝杠为单螺母，滚珠的圈数列数为4×1,代入公式，滚珠总数量Z∑=Z×圈数×列数=22×4×1=88。丝杠预紧时，取轴向预紧力FY=Fm/3=655.4N滚珠与螺纹滚道间的接触变形量δ2=10/D0010F0013.0wmZZFY≈0.002㎜,因为丝杠有预紧力，且为轴向负载的1/3，所以实际变形量可以减少一半，取δ2=0.001㎜。2)将以上算出的δ1和δ2代入δ总=δ1+δ2，求得丝杠总变形量（对应跨度400㎜）δ总=0.012+0.001=0.013㎜任务中，丝杠的有效行程为250㎜，由表知，5级精度滚珠丝杠有效行程在200-250㎜时，行程偏差允许达到20μm，可见丝杠刚度足够。（6）压杆稳定性校核[3]根据公式mkkFkaEIfF22计算失稳时的临界载荷kF。取支承系数1kf；由丝杠底径mmd4.222求得截面惯性矩4424.1235864/mmdI；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600.代入式中，得临界载荷