打印机电一体化课程设计-X-Y数控工作台机电系统设计.doc

目 录1、设计目的和任务11.1设计目的11.2设计任务12、系统总体方案框图及分析说明22.1总体方案设计22.2绘制总体方案图33 机械系统设计计算33.1 移动部件重量估算33.2 外力负载分析43.2.1 外力负载计算43.2.2 摩擦阻力的计算43.3 导轨副的选择43.4 滚珠丝杠螺母副的计算、选型、校核43.4.1 承载能力计算53.4.2 计算额定动载荷53.4.3 丝杠副尺寸的选择53.4.4 压杆稳定性校核63.4.5 刚度的验算63.4.6 效率计算73.5 减速器的选用73.6 步进电机的计算、选型、校核83.6.1 各运动部件的转动惯量计算83.6.2 等效转动惯量的计算83.6.3 等效转矩的计算93.6.4启动惯性阻力矩的计算93.6.5 总负载转矩的计算103.6.6 步进电机的匹配选择103.3进给传动系统示意图104.控制系统工作原理框图与设计说明114.1控制系统硬件电路设计114.2控制系统原理框图124.3步进电机控制原理125总结16参考文献17西南大学工程技术学院课程设计(论文)1、设计目的和任务1.1设计目的机电一体化课程设计是一门实践性教学环节，要求学生综合的运用所学的理论知识，独立的进行设计训练，主要目是：1过课程设计使学生全面地，系统地掌握所学的知识，掌握数控机床的相关组成，学习其改造总体方案的拟定、选择和分析的方法；2过机械系统的设计掌握几种典型的传动元件和导向元件的传动原理；3锻炼提高学生应用书册和标准、查阅文献资料以及撰写科技论文的能力；4学生独立分析问题和解决问题的能力，学习并树立设计思想。1.2设计任务题目：X-Y数控工作台机电系统设计要求：1.能用键盘输入命令控制工作台的运动方向2.能实时显示当前运动位置3.具有越程指示报警及停止功能设计参数：1、床身上最大加工直径200mm；2、最大加工长度300mm；3、X方向的脉冲当量0.01mm/脉冲，Z方向为0.005mm/脉冲；4、X方向最快移动速度2000mm/min，Z方向为5000mm/min；5、X方向最快前进速度400mm/min，Z方向为800mm/min；6、X方向定位精度0.01mm，Z方向0.01mm；7、可以车削柱面、平面、锥面与球面等；8、横向安装限位开关。2、系统总体方案框图及分析说明2.1总体方案设计1.数控车床属于经济型数控机床，在保证一定加工精度的前提下，应简化结构，降低成本。因此，进给伺服系统常采用步进电动机的开环控制系统；2.根据技术指标中的最大加工尺寸。最高控制速度，以及数控系统的经济性要求，决定选用MCS-51系列的8位单片机作为数控系统的CPU。MCS-51系列8位机具有功能多、速度快、抗干扰能力强、性价比高等优点；3.根据系统的功能要求，需要扩展程序存储器、键盘与显示电路、I/O接口电路等；4.为了达到技术指标中的速度和精度要求，纵、横向的进给传动应选用摩擦力小、传动效率高的滚珠丝杠螺丝副；为了消除传动间隙、提高传动刚度，滚珠丝杠的螺母应有预紧机构等；5.计算选择步进电动机，为了圆整脉冲当量，可能需要减速轮副，且应有消间隙机构。2.2绘制总体方案图改造的总体方案图如图2.1所示：微机8053存储器扩展I/O口扩展驱动器光电隔离功率放大电路XZ电动机电动机继电器刀架控制电路电动机刀架回转刀架急停清零按钮等主轴脉冲发生器纵轴等轴限位图2.13 机械系统设计计算3.1 移动部件重量估算由机电一体化教材，纵向（x）进给丝杠滚珠丝杠，基本导程纵向溜板箱及横向工作台与刀架等可移动部件的总质量估算为=400kg.3.2 外力负载分析3.2.1 外力负载计算由教材可知，切削用量范围: =1.75m/s；背吃刀量 = 5mm ；进给量 = 0.3mm/r。其主切削力取纵向切削力，横向切削力。3.2.2 摩擦阻力的计算 因为执行机构的导轨副选用塑料贴面滑动导轨，为滑动摩擦，其摩擦系数取= 0.1，因主切削力压向导轨，则摩擦阻力=（40010 + 30000.1N = 700N（g=10时）（其他摩擦阻力较小，这里可以忽略不计）。 3.3 导轨副的选择 机电一体化系统对导轨的基本要求是：导向精度高，刚性好，运动轻便平稳，耐磨性好，温度变化影响小以及结构工艺性好等。伺服系统应用较多的是塑料贴面滑动导轨和滚动导轨，此处选用塑料贴面滑动导轨副：动导轨采用塑料贴面，支承导轨采用铸铁。导轨的截面形状选择三角形，磨损后能自动补偿，不会产生间隙，导向精度高。 导轨的组合形式选择双三角形，如右图所示：3.4 滚珠丝杠螺母副的计算、选型、校核 已知条件为：工 作 载 荷 ；滚珠丝杠副的使用寿命约为 = 15000h； 滚珠丝杠副的工作长度为=1.2mm；丝杠的平均转速取 =200r/min，最大转速8000 r/min；滚道硬度取HRC=5862；传动精度要求： = 0.01mm；精度要求为2 级；工作台导轨副的摩擦系数为=0.1，丝杠材料为CrWMn钢。 3.4.1 承载能力计算 作用于丝杠轴向最大动载荷可按下面公式计算：。其中：； 为载荷系数，因为载荷冲击小、较平缓运转，故取1.2； 为硬度系数，因为HRC58，故取为1.0；故 ： 3.4.2 计算额定动载荷 3.4.3 丝杠副尺寸的选择 按照满足的原则进行选择滚珠丝杠副尺寸，查得FCZF4006-5 符合条件，其动载荷=23.9kN。公称直径=40mm，导程= 6mm，螺旋角= ，钢球直径 = 3.9688mm，丝杠大径= 38.8mm，滚道半径 = 0.52 =2.064mm，偏心距 e=0.07(/2)=0.07(2.064 3.9688/2) =0.056mm，丝杠内径=+2e2= 40+20.005622.064=35.88mm。 3.4.4 压杆稳定性校核 实际承受载荷能力： 其中：为压杆稳定的支承系数，采用双推 简支式，取为2； E为丝杠材料的弹性模量，对于CrWMn钢，E=206GPa； 为丝杠工作长度， = 1.2m；I为丝杠危险截面的轴； 为安全系数，取K=4。 故 ： ,满足稳定性要求。 3.4.5 刚度的验算 滚珠丝杠在工作负载 F和转矩T共同作用下，引起每个导程的变形量为： （均取拉伸时） 其中: A为丝杠最小截面积，； ； = 6mm； T为丝杠所受转矩，为摩擦角，取摩察0.0025，故 ： 故满足刚度要求。 3.4.6 效率计算 滚珠丝杠副的传动效率为 式中：摩擦角；丝杠螺纹升角。3.5 减速器的选用为了满足脉冲当量的设计要求，增大步进电动机的输出转矩，同时也是为了使滚珠丝杠和工作台的转动惯量折算到电动机转轴上尽可能地小，今在步进电动机的输出轴上安装一套齿轮减速箱。采用一级减速，步进电机的输出轴与小齿轮连接滚珠丝杠的轴头与大齿轮连接。其中大齿轮设计成双片结构，采用弹簧错齿法消除侧隙。已知工作台的脉冲当量脉冲，滚珠丝杠的导程，初选步进电机的的型号是 110BF003，步进角，相数为3，分配方式是三相六拍。为满足进给系统的基本要求，脉冲当量、步距角和丝杠导程之间的匹配关系为：。一级齿轮减速器主动轮(小齿轮)材料选择20CrMnTi,取齿数=20，模数m=1mm，压力角=20,齿宽=25mm，分度圆直径=120mm=20mm，齿顶圆直径= + = 20 + 2 1 1 = 22mm。根据机械设计教材，从动轮(大齿轮)材料选择45钢，齿数=202.5 = 50，为防止大小齿轮因装配误差产生轴向错位而导致啮合齿宽减小，应使小齿轮宽度比大齿轮宽度大 510mm，宽度=20mm，分度圆直径=150mm = 50mm，齿顶圆直径= = 50 +2 11=52mm，减速箱两齿轮中心距。3.6 步进电机的计算、选型、校核 3.6.1 各运动部件的转动惯量计算 （1）齿轮丝杠的转动惯量计算时将齿轮和丝杠看作圆柱体，则小齿轮转动惯量为 （2）大齿轮转动惯量为 （3） 丝杠的转动惯量。因为丝杆型号为FCZF4006-5，则丝杠转动惯量为 （4）步进电机转子转动惯量 由机电一体化系统设计教材可查得，反应式步进电机110BF003型号的转子的转动惯量 3.6.2 等效转动惯量的计算 由等效转动惯量公式： 由于此设计采用滚珠丝杠副，故上述公式可改 其中： ； ； 在此采用最不利于机床起动的速度，这里选用机床快速进给速=2m/min，故电机转速为：； ， ； 故等效转动惯量为： 3.6.3 等效转矩的计算 由于丝杠承受轴向载荷，又由于采取了一定的预紧措施，故滚珠丝杠会产生摩擦阻力距，但由于滚珠丝杠的传动效率很高，可以达到 93%95%，其摩擦阻力距相对于其他负载力矩小的多，故一般不予考虑。故等效转矩计算公式为 3.6.4启动惯性阻力矩的计算 以最不利于启动的快速进给速度进行计算，设启动加速（或制动减速）的时间= 0.5s，由于电动机转速= ,设为等加速（或减速），则角加速度为：则启动惯性阻力矩为 3.6.5 总负载转矩的计算 步进电机轴上的总负载转矩为： 3.6.6 步进电机的匹配选择 考虑机械传动的总传动效率时，设机械系统总传动效率为，则 车削时，由于材料的不均匀等因素的影响，会引起负载转矩的突然增大，为避免计算上的误差以及负载转矩的突然增大引起步进电机丢步而引起加工误差，取安全系数S=1.5。则步进电机可按以下总负载转矩选取 若选用上述预选的电动机110BF003，其最大静转矩= 7.84N m。在三相六拍驱动时，其步距角为0.75/step，为保证带负载能正常起动和定位停止，电动机的起动和制动转矩必须满足下列要求：。 通过查表可得，。因为，故选用该型号的步进电动机满足使用要求。3.3进给传动系统示意图进给传动示意图如图3.1所示，其传动简图中图1为主视图，图2为俯视图：图3.14.控制系统工作原理框图与设计说明4.1控制系统硬件电路设计对X-Y工作台的设计要求：1、 用键盘控制工作台的运动方向，并用LED显示；2、 能实时显示当前的运动位置；3、 具有越程指示报警及停止功能；4、 步进电机选用混合式二相八拍，其脉冲当量为0.01mm/step。4.2控制系统原理框图EPROM芯片W27C512键盘与显示接口芯片8279定时器芯片8253CPU8053单片机并行接口芯片8255并行接口芯片8255隔离放大隔离放大隔离放大X向直流电动机Y向直流电动机操作面板开关、按钮信号隔离放大隔离放大状态指示灯限位信号图4.1该控制系统中CPU采用8053单片机,扩展一片EPROM芯片W27C512用做程序存储器 ,存放系统底层程序；键盘与LED显示采用8279来管理，而显示器采用6位LED数码显示，整数部分为三位，小数部分为三位；输入/输出口得扩展选用了并行接口8255芯片，一些进/出的信号均做了隔离放大。4.3步进电机控制原理以8053单片机、74LS06、光电耦合、光电耦合器、达林顿管为主要控制部件设计步进电机的控制系统，该设计的硬件电路主要包括：单片机最小系统、步进电机控制电路、正反转控制电路。系统框图如下图4.2所示：单片机反向器光电耦合功率放大步进电机正反转停止图4.21、单片机最小系统：单片机的最小系统如下图4.3所示：图4.32、步进电机的控制电路：步进电机的控制是数字控制电路，是数字控制电机，步进电机是否转动时由控制绕组中的输入脉冲的有无来控制的，每一步转过的角度和方向都是由三相控制绕组中的通电方式决定的，也就是说步进电机的控制是要求单片机程序产生按规律变化的时序脉冲。然后通过接口和驱动放大电路来驱动步进电机。单片机的P2.0控制A相，P2.1控制B相，P2.2控制C相。当P2.0输出高压电平时，经74LS06反相为低电平，达林顿管复位截止，当P2.0输出低电平时，经74LS06反相为高电平，达林顿管复位导通。其原理图如下图4.4所示：图4.43、正、反转控制和停止控制电路如图4.5所示：图4.54、 其单片机控制系统工作原理图如图4.6所示：图4.65总结通过此次设计，让我对于理论知识尤其是专业知识有了更深的了解和认识，并能将其进行一次比较全面系统的总结和应用；使我学会了如何查阅现有的技术资料、如何举一反三、如何通过改进并加入自己的想法与观点，使之成为自己的东西，进一步加强了我综合分析解决实际问题和独立思考的能力。同时，该设计不只是单纯的机械设计，因此有了更多的收获和心得体会。在这次设计中，经过查阅资料，从实际应用出发将设计完成的比较合理且具有实际的意义。同时，也发现了一些问题。比如知识