机电一体化课程设计说明书

1目录一、设计的目的………………………………………………………………………1二、设计任务…………………………………………………………………………1三、总体方案的确定…………………………………………………………………1四、机械传动部件的计算与选型……………………………………………………3五、控制系统设计……………………………………………………………………14六、总结………………………………………………………………………………17七、附录………………………………………………………………………………172一、设计的目的课程设计是一个重要的时间性教学环节，要求学生综合的运用所学的理论知识，独立进行的设计训练，主要目的：1、通过设计，使学生全面地、系统地了解和掌握数控机床的基本组成及其想怪知识，学习总体的方案拟定、分析与比较的方法。2、通过对机械系统的设计，掌握几种典型传动元件与导向元件的工作原理、设计计算及选用的方式3培养学生独立分析问题和解决问题的能力，学习并树立“系统设计”的思想4锻炼提高学生应用手册和标准、查阅文献资料及撰写科技论文的能力二、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=4；3）最大铣削宽度mmae15；4）最大背吃刀量mmap12；5）加工材料为碳素钢；6）X、Y方向的脉冲当量mmyx005.0/脉冲；7）X、Y方向的定位精度均为mm01.0；8）工作台尺寸230mmX230mm,加工范围为250mmX250；9）工作台空载最快移动速度min/2000mmvvyx；10）工作台进给最快移动速度min/300maxmaxmmvvfyfx；11）移动部件总重量为800N；12）每齿进给量mmfz1.013）铣刀转速n=300r/min三、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mm01.0和的定位精度，滑动滑动丝3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。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，为了使机床精度更高决定不使用减速装置，而选择步距角较小的步进电机或用运动控制卡进行细分。1.4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2000mm/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。2.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。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，工件的材料为碳素钢。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)今选择铣刀直径d=20mm，齿数Z=4，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mmae15，背吃刀量mmap12，每齿进给量mmfz1.0，铣刀转速n=300r/min。则由(1)式求得最大铣削力：4NNFc2353430012201.01511813.00.173.075.085.0采用立铣刀进行圆柱铣削时，各铣削力之间的比值可由表3-5查得，结合图3-4a，考虑逆铣时的情况，可估算三个方向的铣削力分别为：NFFcf25881.1，NFFce89438.0，NFFcfn58825.0。图3-4a为卧铣情况，现在考虑立铣，则工作台受到垂直方向的铣削力NFFez894，受到水平方向的铣削力分别fF和fnF。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NFFfx2588，径向铣削力NFFfny588。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。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G=800N，外加载荷NFFz894，代入式（2），得最大工作载荷kNNF094.11094max。（1）查表3-41，根据工作载荷KNF094.1max，初选直线滚动导轨副的型号为KL系列的JSA-LG20型，其额定动载荷kNGa5.11，额定静载荷kNGa5.140。（2）由于工作台面尺寸为mmmm230230，加工范围为mmmm250250，考虑工作行程应留有一定余量，查表3-35得，选取导轨的长度为520mm。（3）距离额定寿命L的计算上述选取的KL系列JSA—LG20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，查表分别取，硬度系数5.19.081.000.10.1WRcTHfffff、载荷系数、精度系数、接触系数、温度系数，得距离寿命:5kmFCfffffLaWRcTH17650)(3max远大于期望值50km，故距离额定寿命满足要求。4滚珠丝杠螺母副的计算与选型（1）最大工作载荷mF的计算已知工作台受到进给方向的载荷NFx2588，受到横向方向的载荷NFy588，受到垂直方向的载荷NFz894。已知移动部件的总重量G=800N，按矩形导轨进行计算，查表，取颠覆力矩影响系数K=1.1，滚动导轨上的摩擦因数005.0。求得滚珠丝杠副的最大载荷：NNGFFKFFyzxm2858)]800588894(005.025881.1[)(（2）最大动载荷QF的计算工作台在承受最大铣削力时的最快进给速度min/300mmv，初选丝杠导程mmPh6，则此时丝杠转速min/50rPvnh取滚珠丝杠的使用寿命T=15000h，代入6010/60nTL，得丝杠寿命系数450L（单位为r610）。查表得载荷系数2.1Wf，滚道硬度为60HRC时，取硬度系数0.1Hf，代入NFffLFmHWQ1219930(3）初选型号6根据计算出的最大动载荷和初选的丝杠导程，查表得，选择深圳市赛瑞德精工机械技术有限公司G系列内循环单螺母滚珠丝杠G3206-3，其公称直径为32mm，导程为6mm，丝杠底径mmd2.273，循环滚珠为列圈23，额定动载荷为14283N，大于QF，满足要求。（4）传动效率的计算将公称直径mmmmdh6P,320导程，代入)]/(arctan[0dPh，得丝杠螺旋升角'253，将摩擦角'12代入)tan(/tan，得传动效率%46.94（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轴承，面对面组配，左右支撑的中心距离约为a=500mm，钢的弹性模量MPaE5101.2，丝杠截面积22306.5814/mmdS。丝杠在工作载荷mF作用下产生的拉/压变形量mmESaFm0117.0)]06.581101.2/(5002858[)/(51。2）查表得滚珠直径mmDW969.3，所以根据公式3)/(0WDdZ，求得单圈7滚珠数Z=23，该型号丝杠为单螺母，滚珠的圈数x列数为3x2，代入公式列数圈数ZZ，得滚珠总数量为138。丝杠预紧时，取轴向预紧力NFFmYJ9533/，则由式mmZFDFYJWm0019.010/100013.0322。因为丝杠存在预紧力，且为轴向负载的1/3，所以实际变形量可减小一半，取mm0009.02。将以上算出的mmmmmmm6.120126.00009.00117.02121总代入和。丝杠的有效行程为330mm，查上表得5级精度滚珠丝杠有效行程在315~400mm时，行程偏差允许达到m25，可见丝杠刚度足够。（6）压杆稳定性核对根据公式22KaEIfFkk计算失稳时的临界载荷，查表得，取支撑系数1kf；由丝杠底径mmd2.273，求得截面惯性矩44363.2686864/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500mm，得临界载荷NFk74251，远大于工作载荷NFm2858，故丝杠不会失稳。综上所述，初选的滚珠丝杠副满足使用要求。6.步进电机的计算和选型8（1）根据最大工作负载状态下电机转轴所承受的负载转矩初选步进电机型号最大工作负载状态下电机转轴所承受的负载转矩1eqT包括三部：一部分是折算到电动机转轴上的最大工作负载转矩tT;一部分是移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩fT;还有一部分是滚珠丝杠预紧后折算到电动机转轴上的附加摩擦转矩0T，0T相对于tT和fT很小，可以忽略不计。则有：fteqTTT1其中NmmNiPFThft53.3.17.02006.025882mNmNiPGFThzf.012.0.17.02006.0)800894(006.02)(则NmTTTfteq542.31考虑到步进电动机的驱动电源受电网电压影响较大，当输入电压降低时，其输出转矩会下降，可能造成丢步，甚至堵转。因此需要考虑安全系数，取安全系数K=4，则步进电动机的最大静转矩应满足mNmNTTeq.168.14.542.3441max考虑到最初决定不用减速箱取减速比i=1算的电机步距角：α=360iδ/Pb=0.3°初选步进电动机型号为110BYG5602,为五相混合式，由大地数控集团公司生产，步距角为0.3°9110BYG5602的矩频特性：由表查得该型号电动机转子的转动惯量Jm=15.8kg·cm2。计算各零部件的转动惯量滚动丝杆的转动惯量：223440s04.4321085.75072.232cmkgcmkgldJ（式中长度单位均为cm）拖板折算到丝杆上的转动惯量：2222744.026.08.98002cmkgcmkgPgWJhw（式中长度单位均为