课程设计（论文）-xy数控工作台机电系统设计.doc

专业课程设计（论文）题目 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11204020332 学生姓名杨 指导教师 时 间 2015/6/24目录1 设计目的1二设计任务1三总体方案的确定11机械传动部件的选择21.1丝杠螺母副的选用21.2导轨副的选用21.3伺服电机的选用32控制系统的设计33绘制总体方案图33.1总体方案的论证33.2.xy工作台简图5四机械传动部件的计算与选型51，导轨上的重量估计52. 铣削力的计算53滚珠丝杠螺母副的设计计算6 3.1最大工作载荷fm的计算63.2最大动载荷的计算6 3.3初选型号73.4传动效率的计算83.5刚度的验算83.6稳定性的验算9 3.7临界转速的验算103.8滚珠丝杆的选型及安装尺寸的确定10五步进电机的选型与计算105.1传动计算10 5.2步进电机的计算与选型101、步进电动机转轴上的总转动惯量的计算10 2. 步进电机转矩的计算10 3. 初选步进电机的型号11 4. 验算转矩和惯量是否匹配2 5. 步进电机的性能校核126 直线滚动导轨副的计算与选型121.单个滑块承受工作载荷的计算及导轨型号的选取13 2.小时额定工作寿命的计算13 3.距离额定寿命计算14 4.额定动载荷计算14 5.产品选型14七. 其余部件的选择15 7.1联轴器的选择15 7.2 轴承的选择178 软件设计的流程图189 软件设计的接线图1910 程序编辑2011 总结2112 参考文献22一 设计目的1.学习机电一体化系统总体设计方案的拟定。2.通过对机械系统的设计，掌握几种典型传动元件的工作原理与选用原则。3.通过进给伺服系统的设计，掌握常用伺服电动机的工作原理、计算选择方法与控制驱动方式。4.通过对控制系统的设计，掌握一些典型硬件接口电路和控制软件的设计方法。5.培养学生独立分析问题和解决问题的能力，并培养系统设计的思想。6.提高学生应用手册和标准、查阅文献资料以及撰写科技论文的能力。二设计任务参考课程设计指导书并自行查阅相关资料，设计xy数控工作台，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。设计参数如下:1)立铣刀最大直径d=20mm；2)立铣刀齿数z=33）最大铣削宽度e=15mm4）最大背吃刀量p=12mm5）加工材料为碳素钢或有色金属；6）xy方向的脉冲当量x=y= 0.005 mm /脉冲；7）xy方向的定位精度为0.01mm；8）工作台台面尺寸230mm230mm，加工范围为250mm250mm；9）工作台空载最快移动速度vxmax=vymax=3000mm/min；10）工作台进给最快移动速度vxmax=vymax=400mm/min；11）移动部件总重量为700n；三总体方案的设计 1.机械传动部件的选择1.1.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0.01mm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。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1.2.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。1.3.伺服电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3000mm/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）对于步进电动机的开环控制，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系统总体方案图 3.1总体方案论证控制方案的论证：我们选用的是单片机作为控制系统，由于单片机价格低，我们需要的程序并不复杂，所以在编程时不会太难，在看plc虽然编程简单，操作方便，但价格太高同样运动控制卡也一样，所以我们选的单片机作为控制系统。运动方案的论证：我们选用的是步进电机。步进电机是开环控制，不受负载影响，我们可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，来达到精确定位。而伺在服驱动器，是闭环，步进电机一般不具有过载能力，所有我们选用的是步进电机作为运动方案。单片机x向步进电机驱动器步进电机联轴器y向步进电机驱动器步进电机联轴器滚珠丝杠副x向工作台滚珠丝杠副y向工作台限位开关限位开关 图1系统框图简图限位开关联轴器步进电机导轨滚珠丝杠联轴器步进电机 图2 xy工作台简图四机械传动部件的计算与选型1.导轨上的重量估计y向工作台长宽高分别为230mmx230mmx20mm重量估算=230x230x20x10-3x7.8x10-2=83n按照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、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 表1采用硬质合金立铣刀，工件的材料为碳钢根据公式其中铣刀的直径d=20mm，齿数z=3，在不对称铣削情况下，取最大铣削宽度ae=15mm，背吃刀量ap=12mm，查切削用量简明手册可得，每齿进给量fz=0.1mm，铣刀转速n=300/min。则由上公式求得最大铣削力：fc=1779n根据上表1比例可知：ff=1.1fc=1957nfe=0.38fc=676nffn=0.25fc=443n工作台受到垂直方向的铣削力fz=fe= 676n,受到水平方向的铣削力分别为ff和ffn。将水平方向较大的铣削力分配给工作台的纵向（丝杠轴线方向），则纵向铣削力fx=ff=1957n，径向铣削力fy=ffn=443n。 3.丝杠螺母副的选型与计算 3.1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=1957n，受到横向的载荷（与丝杠轴线垂直）fy =443n，受到垂直方向的载荷（与工作台面垂直）fz =676n。已知移动部件总质量g=700n，由金属切屑机床126页公式17-5得：fm=kfx+(fz+fy+g)=1.11957+0.005(676+443+700)n2162n取摩擦系数=0.005。取颠覆力矩影响系数k=1.1,求得滚珠丝杠副的最大工作载荷为2162n。 3.2最大动载荷的计算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ph=5mm，则此时丝杠转速n=v/ph=80r/min。由于我们设计的是数控铣床由课本可知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=72 (单位为：106r)，由于是轻度或平稳冲击所以取载荷系数fw=1.1，滚道硬度为60hrc时，取硬度系数fh=1.0，根据公式fq=hwmaxfq=9894n3.3初选型号 表2 表3 滚珠丝杠螺母副名称符号计算公式和结果丝杠滚道公称直径20螺距p5接触角钢球直径3.175螺纹滚道法面半径偏心距螺纹升角4.22，丝杆丝杠外径19.5丝杠底径螺杆接触直径丝杠螺母螺母螺纹外径螺母内径（内循环）根据最大动载荷的计算值参考上表初选滚珠丝杠副的型号为山东博特精工股份有限公司的g系列2005-4，其公称直径d0=20mm，导程ph=5mm，滚珠直径=3.175mm循环圈数为4x2，最大动载荷为11082n满足要求。3.4传动效率的计算由上表可知公称直径d0=20mm，导程ph=5mm，螺旋升角=422。将摩擦角=10，代入=tan/tan(+)，得传动效率=96.8%。3.5刚度的验算a、 滚珠丝杠滚道间的接触变形量，查【4】中相关公式，根据公式，求得单圈滚珠数z=20；该型号丝杠为双螺母，滚珠的圈数列数为4x2，代入公式z圈数列数，得滚珠总数量=160。丝杠预紧时，取轴向预紧力/3=720n。查【4】中相关公式，得，滚珠与螺纹滚道间接触变形式中 pa=。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=0.0008mm。b、 丝杠在工作载荷作用下的抗拉压变形丝杠采用的是一端采用深沟球轴承，一端采用一对背对背角接触球轴承的配置形式，轴承的中心距a=400mm,钢的弹性模量e=2.110mpa,由表3中可知，滚珠直径=3.175mm,丝杠底径=19.5mm，则丝杠的截面积s=298.65,有公式其中，最大工作载荷=2162n中心距a=400mm弹性模量e=2.110mpa截面积s=298.65代入以上数据，得=0.0138mm则总=1+2=0.0008+0.0138=0.0146mm=14.6根据网络版机械设计手册查得表4设计任务要求加工范围为250mm250mm，所以取丝杠有效行程为350mm，由上图表4可知，5级精度的丝杠有效行程大于315mm小于400mm时，行程偏差允许到25，可见丝杠刚度满足。3.6稳定性的验算根据【5】p115公式4-18，对于细长丝杆，不会发生失稳的最大压缩载荷为临界力 式中m；为丝杆公称直径=0.02m；为滚珠丝杠直径=3.175x10-3m；为丝杠最大受压长度0.35m；滚动螺母至轴向固定处的距离l取最大值600mm。为丝杠支承方式系数。当一端固定一段游动的时。代入相应数字得fer =38138n取压杆稳定系数k为3（丝杆卧式水平安装）则pa=fer/k=38138/3=12713n,临界力大于额定动载荷fq=9894n，所以满足使用要求。3.7临界转速的验算对于丝杠有可能发生共振，需验算其临界转速，不会发生共振的最高转速为临界转速，由【5】中p115式4-19得：其中 20-1.23.175=16.2mm为临界转速计算长度为丝杠支承方式系数，一端固定，一端游动时=2.0代入数据得：nc =2445r/min临界转速远大于丝杠所需转速，故不会发生共振。3.8滚珠丝杠的选型及安装连接尺寸的确定通过以上验算可知初选的山东博特精工股份有限公司的gd2005-4型丝杠是完全满足要求的，故确认选用该型号，其安装方式为一端固定一端游动。其安装连接尺寸可由以上表2中得出5 步进电机5.1传动计算根据设计任务要求，机床加工精度为0.01mm，选用脉冲当量为0.005 mm/hz，丝杠导程为5mm，又由于初定方案中不用减速箱，而用联轴器直接将电动机与丝杠连接，所以取减速比为i=1算的电机步距角：=360i/pb=0.365.2步进电机的计算及选型1、步进电动机转轴上的总转动惯量的计算。总转动惯量j主要包括电动机转子的转动惯量、滚珠丝杠上一级移动部件等折算到电动机轴上的转动惯量。、滚珠丝杠的转动惯量j由【3】中p134式5-28得：式中 d为丝杠公称直径d=20mm l为丝杠长度=450mm为丝杠密度=7.8x103kg/m2 代入数据得j=5.5x10-5kg.m2、工作台折算到电动机轴上的转动惯量由【3】中p134式5-29得：其中 m为工作台的（包括工件）的质量m=70kg 代入数据，得：、初选常州宝马前杨电机电器有限公司的90yg5502型混合式步进电动机，可知其转子的转动惯量所以=5.5x10-5+4.4x10-5+4x10-4=4.99x10-4kg.m22. 步进电机转矩的计算 2.1空载是的摩擦转矩 根据公式其中n为摩擦系数=0.005，w为工作台重量=800n，ph为导程=5mm，i为传动比=1，为滚珠丝杠传动效率=0.968。由上式可知空载是的摩擦转矩为0.003n.m2.2 铣削加工时的等效负载转矩由公式可以算出加工时的等效负载转矩tl=1.62n.m3. 初选步进电机的型号 表5由上表5根据步距角和最大静转矩选择常州宝马前杨电机电器有限公司的90yg5502型混合式步进电动机。4. 验算转矩和惯量是否匹配 jl=9.3x10-5+25x10-5=34.3x10-5jl/jm=1.4 kxtl=2x1.62=3.240;k-) for(i=20;i0;i-) for(j=230;j0;j-); void int1()interrupt 0 a=1; void int2()interrupt 2 a=2; void int_init(void) ie=0x85; tcon=0x00; void main(void) a=0; int_init(); while(1)if(a=1)for_led=0;rev_led=1;for(m=0;m8;m+) p0=tab1m; delay(); else if(a=2) for_led=1; rev_led=0; for(m=0;m8;m+) p0=tab2m; delay(); else p0=tab2m; 11 总结这次课程设计是对过去所学专业知识的一个全面的综合运用。在设计的过程中我全面地再一次加深了以前所学过的知识，包括机械设计基础和机械制图方面的基础知识，进一步掌握了整个设计的步骤，通过设计使我更加接近生产实