机电综合课程设计--X-Y数控工作台机电系统设计

1、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4二、总体方案的确定41、机械传动部件的选择.4(1)丝杠螺母副的选用5(2)导轨副的选用5(3)伺服电动机的选用52、控制系统的设计53、绘制总体方案图6四、机械传动部件的计算与选型61、 导轨上移动部件的重量估算62、铣削力的计算6五、步进电动机的计算与选

2、型101、传动计算102、计算加在步进电动机转轴上的总转动惯量Jeq103、计算加在步进电动机转轴上的等效负载转矩Teq114、步进电动机最大静转矩的选定13六、直线滚动导轨副的计算与选型151、块承受工作载荷的计算及导轨型号的选取152、距离额定寿命L的计算15七、 绘制进给传动系统示意图16八、控制系统硬件电路设计16九、步进电动机的驱动电源选用19结 束 语19参考文献.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= 1310 N ；2、 X-Y行程：400mm；工作台面尺寸300 mm ×300 mm3、 进给速度：V=10mm500

3、mm /min，空载快速移动速度V=2000 mm /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

4、本较低。(2)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±0.001mm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。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 (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

5、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

6、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： 其中，移动部件重量1310N，外加载荷F=Fz=3070N，代入上式，得最大工作载荷=3397.5N=3

7、.3975kN。查表3-41，根据工作载荷=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35.1 KN，额定静载荷COa为47.2 KN。任务书规定工作台面尺寸为300 mm ×300 mm，加工范围为400 mm ×400 mm，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C，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f=1.0，温度系数f=1

8、.00，接触系数f=0.81，精度系数fR=0.9，载荷系数f=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

9、+Fy+G)=1.13500+0.005(3070+3500+1310)N3889.4N（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=500/6 r/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： FQ19682.68205N（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

10、，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）传动效率的计算 将公称直径d0=32mm，导程Ph=6mm，代入=arctanPh/(d0)，得丝杠螺旋升角=3°25。将摩擦角=10，代入=tan/tan(+)，得传动效率=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=2.1×105MP

11、a；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= d22/4=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：1=Fma/(ES)= 3889.4×800/(2.1×105×581.0689772)0.025499144mm。2）根据公式Z=(d0/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=1

12、296.466667N。根据公式（3-27），求得滚珠与螺纹滚道间的接触变形20.002458760585mm。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2=0.001229380293mm。3)将以上算出的1和2代入总=1+2，求得丝杠总变形量(对应跨度800mm)总=0.026728524mm=26.728524m。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400500mm时，行程偏差允许达到27m，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

13、径d2=27.2 mm，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=29004.36263 N >Fm,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惯量，并以一定规律将其加起来即可。滚珠丝杠的公称直径d0=32mm，

14、总长L=800mm，导程Ph=6mm，材料密度=7.8510-3kg/;移动部件总重力G=1310N；查表4-1可知： 圆柱体惯量，当圆柱体围绕其中心轴线旋转时，其惯量：J1=6.464864867 kg·cm2 沿直线轴移动物体的惯量： J2=1.218955873 kg·cm2初选步进电动机的型号为110BYG2602,由常州市德利来电器有限公司生产，五相混合式步进电动机，驱动时的步距角为0.75°，从表查得该型号的电动机转子的转动惯量J0=15kg·cm2。 总的转动惯量为： Jeq = J1 +J2 +J0。其中J0为初选电动机的转子转动惯量，为

15、15 kg·cm2。 代入数据得： Jeq=22.68380454 kg·cm2（2）、计算加在步进电动机转轴上的等效负载转矩Teq 分快速空载和承受最大负载两种情况进行计算。1) 快速空载起动时电动机转轴所承受的负载转矩由式（4-8）可知，包括三部分;一部分是快速空载起动时折算到电动机转轴上的最大加速转矩；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；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。因为滚珠丝杠副传动效率很高，根据式（4-12）可知，相对于和很小，可以忽略不计。则有：=+T0 （6-13）根据式（4-9），考虑传动链的总效率，计算空载起动

16、时折算到电动机转轴上最大加速转矩：= (6-14)其中： =833.33333333r/min (6-15)式中空载最快移动速度，任务书指定为2000mm/min；步进电动机步距角，预选电动机为0.75；脉冲当量，本例=0.005mm/脉冲。设步进电机由静止加速至所需时间T=0.4s，传动链总效率。则由式(6-14)求得：=0.706976921 Nm由式知，移动部件运动时，折算到电动机转轴上的摩擦转矩为： 式中导轨的摩擦因素，滚动导轨取0.005垂直方向的铣削力，空载时取0传动链效率，取0.7最后由式（6-16）,得： =0.008935413234 Nm 最后由式（6-13）求得快速空载起

17、动时电动机转轴所承受的负载转矩： =+=0.715912334 Nm (6-17)2) 最大工作负载状态下电动机转轴所承受的负载转矩由式（4-13）可知，包括三部分：一部分是折算到电动机转轴上的最大工作负载转矩；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；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，相对于和很小，可以忽略不计。则有： =+ （6-18）其中折算到电动机转轴上的最大工作负载转矩由公式（4-14）计算。本次设计任务中对滚珠丝杠进行计算的时候，已知沿着丝杠轴线方向的最大进给载荷FX=3500 N，则有： Tt=4.774648293 N再由式（4-10）计算垂

18、直方向承受最大工作负载（Fz=3070 N）情况下，移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩： Tf=0.029875656 N最后由式（6-18），求得最大工作负载状态下电动机转轴所承受的负载转矩： =+=4.804523949 N·m （6-19）最后求得在步进电动机转轴上的最大等效负载转矩为：Teq =maxTeq1,Teq2=4.804523949N·m（3）、步进电动机最大静转矩的选定 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，根据来选择步进电动机的最大静转矩时，需要考虑安全系数。取K=4,

19、则步进电动机的最大静转矩应满足：=3×0.9435=19.2180958 N.m初选步进电动机的型号为110BYG2602，由表查得该型号电动机的最大静转矩=20Nm。可见，满足要求。（4）、步进电动机的性能校核1)最快工进速度时电动机的输出转矩校核任务书给定工作台最快工进速度=500mm/min，脉冲当量=0.005mm/脉冲，电动机对应的运行频率为fmaxf=【500/（60X0.005）】Hz=1666.66667 Hz 。 从110BYG2602步进电动机的运行矩频特性表（4-7）可以看出在1000Hz频率下，电动机的输出转矩=15.0 Nm，在2000Hz频率下，=14 N

20、m，所以在频率1666.66667Hz下，远远大于最大工作负载转矩=4.804523949 Nm，满足要求。2）最快空载移动时电动机输出转矩校核 任务书给定工作台最快空载移动速度=2000mm/min，求出其对应运行频率fmax=【2000/（60X0.005）】Hz=6666.666667 Hz。从110BYG2602步进电动机的运行矩频特性表（4-7）可以看出在6000Hz频率下，电动机的输出转矩=10.0 Nm，在8000Hz频率下，=8 Nm，所以在6666.666667 Hz频率下，电动机的输出转矩远远大于快速空载起动时的负载转矩=0.715912334 Nm，满足要求。3）最快空载

21、移动时电动机运行频率校核 与快速空载移动速度=2000mm/min对应的电动机运行频率为fmax=6666.666667 Hz。从步进电动机的运行矩频特性表（4-7）可以看出在110BYG2602电动机的空载运行频率可达6666.66667，可见没有超出上限。4）起动频率的计算 已知电动机转轴上的总转动惯量J=22.68380454 kg·cm2，电动机转子的转动惯量=15 Nm，电动机转轴不带任何负载时的空载起动频率fq=1800Hz（查表4-5）。由式（4-17）可知步进电动机克服惯性负载的起动频率为：fL=1135.640215 Hz上述说明：要想保证步进电动机起动时不失步，任

22、何时候的起动频率都必须小于1135.640215 Hz。实际上，在采用软件升降频时，起动频率选得更低，通常只有100 Hz。综上所述，本次设计中工作台的进给传动系统选用110BYG2602步进电动机，完全满足设计要求。6、增量式螺旋编码器的选用本设计所选步进电动机采用半闭环控制，可在电动机的尾部转轴上安装增量式螺旋编码器，用以检测电动机的转角和转速。增量式螺旋编码器的分辨力应与步进电动机的步距角相匹配。由步进电动机的步距角为0.75°，可知电动机转动一转时，需要控制系统发出480个步进脉冲。考虑到增量式旋转编码器输出的A、B相信号，可以送到四倍频电路进行电子四细分，因此，编码器的分辨

23、力可选120线。这样控制系统每发一个步进脉冲，电动机转过一个步距角，编码器对应输出一个脉冲信号。本任务中选择编码器的型号为ZLK-A-120-05VO-10-H:盘状空心型，孔径10 mm，与电动机尾部出轴匹配，电源电压+5V，每转输出120个A/B脉冲，信号为电压输出。四、工作台机械装配图的绘制在完成直线滚动导轨副，滚珠丝杠螺母副，步进电动机，以及编码器的计算与选型后，就可以着手绘制工作台的机械装配图了。七、 绘制进给传动系统示意图进给传动系统示意图如图5.1所示。伺服电动机工作台滚珠丝杠图5.1 进给传动系统示意图八、控制系统硬件电路设计控制系统原理框图如图6.1所示。 图6.1 控制系统

24、原理框图 六、步进电动机驱动电源的选用 本例中X、Y向步进电动机均为110BYG2602型。查表4-14，选择与之配套的驱动电源为BD28Nb型，输入电压100VAC，相电流4A ,分配方式为二相八拍。该驱动电源与控制器的连线方式如图6-25所示。 目 录第一章 概述1第二章 课程设计目的及任务2第三章 课程设计内容与步骤3.1 程序流程图及分析3 3.2 开环运动控制模块功能分析；及注意事项43.3 编程思路与独特设计53.4 控制软件与显示屏的分工63.5 人机界面设计83.6 其他编程中发现和解决的问题10第四章 调试手段、过程及结果说明11第五章 课设总结.12第一章 概述PLC是一种

25、数字运算的电子系统，专为工业环境下应用而设计。它采用可编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、定时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器及其有关的外围设备，都应按照易于与工业控制系统形成一个整体、易于扩展其功能的原则而设计。单轴往复运动控制，要求可以实现设定最少三段多行程的控制工作台前后运动；可以实现手动控制工作台前后运动；人机界面设计有相应操作手段（左右按钮、手动自动切换按钮、回原点等），有当前位置实时显示（动画）人机界面设计有相应输入界面。1第二章 课程设计目的及任务2.1 设计要求：1要求可以实现设

26、定最少三段多行程的控制工作台前后运动，且具有回原点功能2. 要求可以实现手动控制工作台前后运动3人机界面设计有相应操作手段（左右按钮、手动自动切换按钮、回原点等），有当前位置实时显示（动画）人机界面设计有相应输入界面。2.2 课程设计目的及要求：1完成运动控制系统方案规划与硬件选型。2完成控制软件编程与调试。3完成人机界面规划与设计，实现在线仿真。4完成课程设计任务说明书编写：含接线原理图，程序流程图，人机界面说明及设计说明书 。2第三章 课程设计内容与步骤3.1程序流程图及分析： 实验要求分别实现以下功能：（1）在自动循环中，实现工作台三段进给运动并返回原点的循环运动；（2）实现自动循环和手

27、动控制的功能；（3）在手动控制下，利用人机界面实现工作台左行和右行功能，并具有回原点的功能；（4）在手动和自动控制下，能够利用人机界面输入脉冲数实现工作台运动的功能；（5）通过人机界面可以实时监控工作台的运动状态；33.2开环运动控制模块功能分析及注意事项 ： 通过主程序调用子程序以实现各种功能，子程序如下：包络1，包络2，包络3，回程包络，自动循环，手动控制，手动向右，手动向左，脉冲计数，回原点，回原点2。脉冲计数，记录当前所走的脉冲数43.3控制软件与显示屏的分工 以V4.0 STEP 7 MicroWIN SP6为主要编程软件，编写单轴运动控制程序，另用PanelMaster，设计人机界

28、面来实现显示控制功能。53.4编程思路与独特设计：下面是主程序，网络2将高速脉冲计数器HC0赋予VD100，网络4与网络5通过I0.2 来控制工作台的自动循环和手动控制，网络6网络7和网络8通过位存储器M0.7控制工作台回原点，网络9和网络10 完成设定值输入功能。673.5人机界面设计： 如上图，人机界面共有3个按钮，分别为控制工作台回原点、左行、右行；3个状态显示灯，分别为控制工作台手动自动显示灯、启动显示灯、缓停显示灯；用柱状图实时显示工作台位置。83.6其他编程中发现和解决的问题 （1）问题:高速计数器的加计数和减计数的使用 解决方案：正确查表，查得加计数2#10011000对应的16#98和减计数2#10010000对应的