机电综合课程设计--X-Y数控工作台机电系统设计

北京信息科技大学机电综合课程设计--X-Y数控工作台机电系统设计题目：X-Y数控工作台机电系统设计学院：机电工程学院专业：机械制造及其自动化学生姓名：王小保班级/学号：机械1001/2010010015指导老师：李天剑起止时间：2014/01/05–2014/01/17目录一、设计任务........................................................49二、总体方案的确定............................................491、机械传动部件的选择......................................................................…….49(1)丝杠螺母副的选用..............................................................................49(2)导轨副的选用......................................................................................49(3)伺服电动机的选用..............................................................................502、控制系统的设计.......................................................................................503、绘制总体方案图.........................................错误!未定义书签。四、机械传动部件的计算与选型........................501、导轨上移动部件的重量估算.................................................................502、铣削力的计算...........................................................................................51五、步进电动机的计算与选型............................531、传动计算...................................................................................................532、计算加在步进电动机转轴上的总转动惯量Jeq....................................533、计算加在步进电动机转轴上的等效负载转矩Teq................................544、步进电动机最大静转矩的选定...............................................................56六、直线滚动导轨副的计算与选型错误!未定义书签。1、块承受工作载荷的计算及导轨型号的选取错误!未定义书签。2、距离额定寿命L的计算......................错误!未定义书签。七、绘制进给传动系统示意图..........................58八、控制系统硬件电路设计................................58九、步进电动机的驱动电源选用错误!未定义书签。结束语..................................错误!未定义书签。参考文献...................................................................20一、设计任务题目：X-Y数控工作台机电系统设计任务：1、工作台和工件总重量：W=1310N；2、X-Y行程：400mm；工作台面尺寸300mm×300mm3、进给速度：V=10mm—500mm/min，空载快速移动速度V=2000mm/min，，启动时间T启=0.4s。4、最大切削分力：FZ=3070（垂直方向）；FX=3500（横向）；FY=3500（纵向）；5、定位精度：0.01mm；6、脉冲当量=0.005mm/step7、设计寿命：15000h。二．总体方案的确定1、机械传动部件的选择(1)导轨副的选用要设计数控车床工作台，需要承受的载荷不大，而且定位精度高，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，安装预紧方便好且精度保持性等优点。选滚珠导轨，适合用于导轨上运动部件重量小于200kg的机床，摩擦阻力小，制造容易，成本较低。(2)丝杠螺母副的选用①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±0.001mm的定位精度，滑动丝杠副不能达到要求，因此选用滚珠丝杆副，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。②轴向间隙的调整和预紧方式：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③滚珠丝杠的安装：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(3)伺服电动机的选用任务书规定的定位精度也未达到微米级，空载最快移动速度也只有因此2000mm/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。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。三、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1310N。2、铣削力的计算最大切削分力：FZ=3070（垂直方向）；FX=3500（横向）；FY=3500（纵向）；3直线滚动导轨副的计算与选型1）、滑块承受工作载荷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：maxGFF4其中，移动部件重量Ｇ＝1310N，外加载荷F=Fz=3070N，代入上式，得最大工作载荷maxF=3397.5N=3.3975kN。查表3-41，根据工作载荷maxF=3.3975kN，初选直线滚动导轨副的型号为KL系列的LG35型，其额定动载荷Ca为35.1KN，额定静载荷COa为47.2KN。任务书规定工作台面尺寸为300mm×300mm，加工范围为400mm×400mm，考虑工作行程应留有一定余量，查表3-35，按标准系列，选取导轨的长度为840mm。2、距离额定寿命L的计算上述所取的KL系列LG35系列导轨副的滚道硬度为60HRC，工作温度不超过100C，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至3-40，分别取硬度系数fH=1.0，温度系数fT=1.00，接触系数fc=0.81，精度系数fR=0.9，载荷系数fw=1.5，代入式（3-33），得距离寿命：L=6328.805739Km远大于期望值50Km，故距离额定寿命满足要求。4．滚珠丝杠杠螺母副的计算与选型（1）最大工作载荷Fm的计算在立铣时，工作台受到进给方向的载荷（与丝杠轴线平行）Fx=3500N，受到横向的载荷（与丝杠轴线垂直）Fy=3500N，受到垂直方向的载荷（与工作台面垂直）Fz=3070N。已知移动部件总质量G=1310N，按矩形导轨进行计算，查表3-29，取颠覆力矩影响系数K为1.1，滚动导轨上的摩擦因数为0.005.求得滚珠丝杠副的最大工作载荷：Fm=KFx+(Fz+Fy+G)=[1.13500+0.005(3070+3500+1310)]N3889.4N（2）最大动载荷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=500mm/min，初选丝杠导程Ph=6mm，则此时丝杠转速n=v/Ph=500/6r/min。取滚珠丝杠的使用寿命T=15000h，代入L0=60nT/106，得丝杠寿命系数L0=75(单位为：106r)。查表3-30，取载荷系数fW=1.2，滚道硬度为60HRC时，取硬度系数fH=1.0，求得最大动载荷：FQ≈19682.68205N（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3-32，选3206-5型滚珠丝杠副，为外循环插管埋入式单螺母非预紧，其公称直径d0为32mm，导程Ph为6mm，循环列数CM为2X2.5，精度等级取5级，额定动载荷为24373N，大于FQ满足要求。（4）传动效率η的计算将公称直径d0=32mm，导程Ph=6mm，代入λ=arctan[Ph/(πd0)]，得丝杠螺旋升角λ=3°25′。将摩擦角φ=10′，代入η=tanλ/tan(λ+φ)，得传动效率η=96.3375229%。（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、右支撑的中心距离约为a=800mm；钢的弹性模量E=2.1×105MPa；查表3-32，得滚珠直径DW=3.969mm，丝杠底径d2=27.2mm，丝杠截面积S=πd22/4=581.0689772mm2。忽略式（3-25）中的第二项，算得丝杠在工作载荷Fm作用下产生的拉/压变形量：δ1=Fma/(ES)=3889.4×800/(2.1×105×581.0689772)≈0.025499144mm。2）根据公式Z=(πd0/DW)，求得单圈滚珠数Z=26；该型号丝杠为单螺母，滚珠的圈数×列数为2X2.5，代入公式：Z∑=Z×圈数×列数，得滚珠总数量Z∑=130。丝杠预紧时，取轴向预紧力FYJ=Fm/3=1296.466667N。根据公式（3-27），求得滚珠与螺纹滚道间的接触变形δ2≈0.002458760585mm。因为丝杠加有预紧力,且为轴向负载的1/3，所以实际变形量可减少一半，取δ2=0.001229380293mm。3)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800mm)δ总=0.026728524mm=26.728524μm。本例中，丝杠的有效行程为466mm，由表3-27知，5级精度滚珠丝杠有效行程在400~500mm时，行程偏差允许达到27μm，可见丝杠刚度足够。（6）压杆稳定性校核根据公式（3-28）计算失稳时的临界载荷FK。查表3-34，取支承系数fk为1，由丝杠底径d2=27.2mm，求得截面惯性矩I=26868.62951。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800mm。代入（3-28），得临界载荷FK=29004.36263NFm,故丝杠不会失稳。综上所述，初选滚珠丝杠满足要求。5、步进电动机的计算与选型（1）、计算加在步进电动机转轴上的总转动惯量Jeq由于负载转矩情况不同，负载惯量只能由已计算精确地得到。由电动机驱动的所有运动部件，无论是旋转运动还是直线运动部件，都成为电动机的负载惯量，总的惯量以通过计算各个被驱动部件的