机电一体化课程设计

1、机电一体化课程设计学号：10704020421姓名：蒲汪洋指导教师：袁冬梅 张明德成绩：日期：X-Y数控工作台机电系统设计引言X-Y数控工作台是许多机电一体化设备的基本部件，如数控车床的纵-横向进给刀机构、数控铣床和数控转床的X-Y工作台、激光加工设备的工作台、电子元件表面贴装设备等。如此，选择X-Y数控工作台作为机电综合课程设计的内容，对于机电一体化专业教学具有普通意义。模块化的X-Y数控工作台，通常由导轨座、移动模块、工作平台、滚珠丝杠螺母副，以及伺服电动机等部件构件。其外观形式如图1所示。其中，伺服电机作为执行元件用来驱动滚珠丝杠，滚珠丝杠的螺母带动滑块和工作台在导轨上运动，完成工作台在

2、X、Y方向的直线移动。导轨副、滚珠丝杠螺母副和伺服电机等均已标准化，由专门厂家生产，设计时只需要根据工作载荷选取即可。控制系统根据需要，可以选取标准的工业控制计算机，也可以设计专用的微机控制系统。 机电一体化课程设计是一个重要的实践教学环节，要求学生综合应用所学过的机械、电子、计算机和自动控制等方面的知识，独立进行一次机电结合的设计训练。一、设计题目确定及要求 1学习机电一体化系统总体设计方案的拟定。2通过机械系统的设计，掌握几种典型传动元件与导向元件的工作原理、设计计算方法与选用原则。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通过控制系统的设计，掌

3、握一些典型控制系统的设计方法和控制软件的设计思路。5培养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=10mm；2）立铣刀齿数Z=3；3）最大铣削宽度ae=15mm；4）最大背吃刀量ap=10mm；5）加工材料为碳素钢；6）X、Y方向的脉冲当量x=y=0.005mm/脉冲；7）X、Y方向的定位精度均为±0.01mm；8）工作台面尺寸为230mmX230mm，加工范围为250mmX250mm；9）工作台空载最快移动速度Vxm

4、ax=Vymax=2000mm/min；10）工作台进给最快移动速度Vxmaxf=Vymaxf=300mm/min。11) 每齿进给量F=0.1mm12）铣刀转速n=250-1500r/min三、总体方案的确定 1、总体方案设计 （1） 机械传动部件的选择1）导轨副的选用 需承受载荷不大，但脉冲当量小、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、结构紧凑、安装预紧方便等优点。2）丝杠螺母副的选用 由旋转运动转为直线运动可通过丝杠螺母副，要满足0.005mm的脉冲当量和±0.01mm的定位精度，滑动丝杠副无能为力，故只有选用滚珠丝杠副才能达到。滚珠丝杠

5、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。3）减速装置的选用 步进电动机和滚珠丝杠副以后，为了圆整脉冲当量，放大电动机的输出转矩，降低运动部件折算到电动机转轴上的转动惯量，可能需要减速装置，且应有消除间隙机构。为此，本例采用无间隙齿轮传动定比减速箱。4）电动机的选用 脉冲当量达到0.005mm，定位精度也未达到微米级，空载最快移动速度也只有2000mm/min。因此，本例设计不必采用高档次的伺服电动机，如交流电动机或直流伺服电动机等，可选用性能好的步进电动机，如混合式步进电动机，以降低成本，提高性价比。5）检测装置的选用 在直线导轨副滑台上运动为了有效的防止冲

6、击和控制，在导轨两端选用限位开关。（2）控制系统的设计 设计的工作台用在铣床上，其控制系统运动采用运动控制卡（MPC07）,采用开环控制能满足任务要求。2、绘制总体方案图 四、 伺服系统机械传动部件设计 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、切削力计算 设零件的加工方式为立式铣削，采用硬质合金立铣刀，工件的材料为碳钢。则由查表1（机电一体系统设计课程设计，尹志强合肥工业大学，机械工业出版社）表1 硬质合金铣刀铣削力的计算公式查得立铣时的铣削力计算公式为:

7、Fc=118afd-0.73ap1.0n0.13z (1-1) 今选择铣刀直径d=10mm，齿数Z=3，为了计算最大铣削力，在不对称铣削情况下，取最大铣削宽度ae=15mm，背吃刀量ap=10mm，每齿进给量fz=0.05mm，铣刀转速n=300r/min。则由式（1-1）求得最大铣削力：Fc=118150.850.110-0.73101.03000.1332540N·············采用立铣刀进行圆柱铣削时，各铣削力之间的比值可由表2查得，结合图2. 表2

8、 各铣削力之间的比值图2 铣削力分析a） 圆柱形铣刀铣削力 b）面铣刀铣削力考虑逆铣时的情况，可估算三个方向的铣削力分别为：进给力Ff=1.1Fc2794N,总切削力F在纵向进给方向上的分力；横向进给力Fe=0.38Fc966N,总切削力F在横向进给方向上的分力；垂直进给力Ffn=0.25Fc635N,总切削力在垂直进给方向上的分力。各进给力和切削力Fc具有一定比例关系，如表3-5所示，可计算出各分力。铣刀总切削力的大小为: F=3024N(1-2)图2为卧铣情况，现考虑立铣，则工作台受到垂直方向的铣削力FZ=Fe=966N····，受到水平方向的铣削力

9、分别为Ff和Ffn。今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=2794N···········，经向铣削力Fy=Ffn=635N········。3、直线滚动导轨副的计算与选型(1) 滑块承受工作载荷Fmax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、四滑块的支撑形式。考虑最不利的情况，即垂直于

10、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: Fmax=G/4+F ············（1-3）其中，移动部件重量G=800N，外加载荷F=Fz=966N ，代入式（1-3），得最大工作载荷Fmax=1166N.查表3以济宁博特公司产品为例参考网址（表3 直线滚动导轨副参数任务书规定工作台面尺寸为230mm X 230mm，加工范围为250mm X 250mm，考虑工作行程应留一定余量，查表4，按标准系列，选取导轨的长度为520mm。表4 JSA

11、型导轨长度系列（2） 距离额定寿命L的计算 上述选取的KL系列JSA-LG15型导轨副的滚道硬度为60HRC，工作温度不超过100oC,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5下列各系数表. 温度系数 硬度系数接触系数每根导轨滑块数12345fc1.000.810.720.660.61精度系数精度等级2345fR1.01.00.90.9载荷系数工况无外部冲击或振动的低速场合速度小于15m/min无明显冲击或振动的中速场合速度小于15-60m/min有外部冲击或振动的高速场合，速度大于60m/minfw1-1.51.5-22-3.5（3）分别取硬度系数fH=1.0、温度

12、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，代入式得距离寿命： 远大于期望值50km，故距离额定寿命满足要求。4、滚动丝杠螺母副的计算与选型 （1） 最大工作载荷Fm的计算 如前页所述，在立铣时，工作台受到进给方向的载荷（与丝杠轴线平行）Fx=2794N，受到横向的载荷（与丝杠轴线垂直）Fy=635N，受到垂直方向的载荷（与工作台面垂直）FZ=966N。已知移动部件重量G=800N，按矩形导轨进行计算，查表6-3-29.表6 Fm试验计算公式及参考系数取颠覆力矩影响系数K=1.1，滚动导轨上的摩擦因数u=0.005。求得滚珠丝杠副的最大工作载荷：Fm

13、=KFx+u（Fz+Fy+G）=3086N(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经给速度v=300mm/min,初选丝杠导程Ph=6mm，则此时丝杠转速n=v/Ph=50r/min。取滚珠丝杠的使用寿命T=15000h，代入LO=60nT/106,取丝杠寿命系数LO=45（单位为：106r）查表7，取载荷系数fw=1.2，滚道硬度为60HRC时，取硬度系数fH=1.0，代入式求得最大动载荷： FQ=13171N表7 载荷系数工况无外部冲击或振动的低速场合速度小于15m/min无明显冲击或振动的中速场合速度小于15-60m/min有外部冲击或振动的高速场合，速度大于60m

14、/minfw1-1.51.5-22-3.5（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8，选择济宁博特精密丝杠制造有限公司生产参考网址（表8 G GD系列滚珠丝杠参数（4） 传动效率的计算 将公称直径do=32mm，导程ph=6mm，代入=arctanph/do，得丝杠螺旋升角=3.41o。将摩擦角代入=tan/tan（+）得传动效率=95.16%。（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、右支承的中心距离约为a=500mm；刚的弹性模量E=2.1 X 105Mpa；查表8，得

15、滚珠直径DW=3.969mm，丝杠低经d2=27.2mm，丝杠截面积s=d2/4=580.7744mm2。忽略1=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）0.0127mm。2） 根据公式Z=（do/DW）-3,求得单圈滚珠数Z=23；该型号丝杠为单螺母，滚珠的圈数X列数3X1，代入公式：Z=ZX圈数X列数，得滚珠总数量Z=66。丝杠预紧时，取轴向预紧力FYJ=Fm/3=1029N。则由式2=0.0013求得滚珠与螺纹滚道间的接触变形量2=0.0033mm。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小一半，取2=0.00165mm。3）

16、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500mm）总=0.01435mm=14.35um。根据有效行程330mm，查表9符合要求。表9 行程偏差及变动量 （6） 压杆稳定性校核 根据公式FK=计算失稳时的临界载荷FK，查表10.表10 丝杠支撑系数方式双推-自由双推-双推双推-简支单推-单推fk0.25421取得支承系数fk=1（单推-单推）；由丝杠低经d2=37.2mm，求得截面惯性矩I=；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。代入式FK=，得临界载荷FK=74138N,远大于工作载荷Fm=3089N，故丝杠不会失稳

17、。综上所述，初选的滚珠丝杠副满足使用要求。5、 步进电机减速箱的选用为了脉冲当量的设计的要求，增大步进电动机的输出转矩，同时也为了使滚珠丝杠和工作台的转动惯量折算到电动机的输出轴上尽可能地小，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，步进电动机的输出轴与小齿轮联接，滚珠丝杠的轴头与大齿轮联接。其中大齿轮设计成双片结构，采用图3所示的弹簧错齿法消除侧隙。图3 双片薄齿轮错齿调整机已知工作的脉冲当量=0.005mm/脉冲，滚珠丝杠导程ph=6mm，初选步进电动机的步距角=0.75o。根据式i=ph/360o算得减速比i=5/2.本设计采用一级齿轮减速箱。大小齿轮模数均为1mm，齿数

18、比为75：36，材料为45调质钢，齿面淬硬后达55HRC。减速箱中心距为（75+36）X1/2mm=55.5mm,小齿轮厚度为20mm，双片大齿轮厚度均为10mm。6、步进电机的计算与选型步进电动机的计算与选型参见（机电一体系统设计课程设计，尹志强合肥工业大学，机械工业出版社）第四章第三节。（1） 计算加在步进电动机转轴上的总转动惯量Jeq 已知：滚珠丝杠的公称直径do=32mm，总长l=500mm，材料密度=7.85X10-3kg/cm3；移动部件总重力G=800N;小齿轮宽度b1=20mm，直径d1=30mm，大齿轮宽度b2=20mm，直径d2=75mm；传动比i=5/2。如表11所示，算

19、得各个部件的转动惯量如下：滚珠丝杠的转动惯量JS=0.404kg·cm2；托板折算到丝杠上的转动惯量JW=0.292kg·cm2；小齿轮的转动惯量JZ1=0.259kg·cm2；大齿轮的转动惯量JZ2=4.877kg·cm2。表11 常用部件转动惯量计算初选步进电动机型号为90BYG2602,为两相混合式，由常州宝马集团公司生产参考网址（http:/www.cz-表12 电动机型号及参数则加在步进电动机转轴上的总转动惯量为：Jeq=Jm+JZ1+(JZ2+Jw+Js)/i2=5.15 kg·cm2（2）计算加在步进电动机转轴上的等效负载转矩Te

20、q 分快速空载起动和承受最大工作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Teq1由式Teq1= Tamax+ Tf+ To可知，Teq1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Tamax；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Tf ；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To。因为滚珠丝杠副传动效率很高，根据式To可知，TO相对于Tamax和Tf很小，可以忽略不计。则有：Teq1= Tamax+ Tf·········&

21、#183;······（1-3）根据式Tamax=Jeq= ，考虑传动链的总效率，计算快速空载起动时折算到电动机转轴上的最大加速转矩： Tamax=···············（1-4）式中nm对应空载最快移动速度的步进电动机最高速度，单位r/minTa步进电动机由静止到加速至nm转速所需时间，单位s。 nm=······&#

22、183;······（1-5）式中Vmax空载移动最快速度，任务书指定2000mm/min； 步进电动机步距角，预选电动机0.75o； 脉冲当量，本例=0.005mm/脉冲；将以上各值代入（1-5），算得nm =833.33r/min。 设步进电机由静止到加速至nm转速所需时间ta=0.4s，传动链=0.7。则由式（1-4）求得： Tamax=0.16N·m由式可知，移动部件运动时，折算到电动机转轴上的摩擦转矩为： ·········&

23、#183;··（1-6）式中导轨摩擦因数，滚动导轨取0.005； Fz垂直方向的铣削力，空载时取0；传动链总效率，取0.7。则由式（1-6）得: 0.005N·m 最后由式（1-3），求得快速空载起动时电动机转轴所承受的负载转矩： Teq1= Tamax+ Tf=0.165N·m········（1-7）2）最大工作负载状态下电动机转轴所承受的负载转矩Teq2 由式Teq2= Tt+ Tf+T0可知Teq2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Tt；一部分是

24、移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩Tf ；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To，To相对与Tt和Tf很小，可以忽略不计。则有： Teq2= Tt+ Tf··········（1-8） 其中，折算到电动机转轴上的最大工作负载Tt由式Tt=计算 。本例中在对滚珠丝杠进行计算的时候，一直沿着丝杠轴线方向的最大进给载荷Fc=2794N,则有：Tt=1.27N·m再由式计算垂直方向承受最大工作负载（Fx=966N）情况下，移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转

25、矩：0.004N·m最后由式（1-8），求得最大工作负载状态下电动机转轴的最大负载转矩为：Teq2= Tt+ Tf=1.275N·m··········（1-9）经过上述计算后，得加在步进电机转轴上的最大等效负载转矩为:Teq= maxTeq1, Teq2=1.275Nm（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，其输出转矩下降，可能造成丢步，甚至堵转。因此，根据Teq来选取步进电动机的最大静转矩时，需要考虑安全系数。本

26、例中取安全系数K=4，则步进电动机的最大静转矩应满足:Tjmax4 Teq5N·m·········（1-10）上述初选步进电动机型号为90BYG2602,由表12查得该型号电动机的最大静转矩Tjmax=6N·m。可见，满足式（1-10）的要求。(4) 步进电动机的性能校核1) 最快工进速度时电动机输出转矩校核 任务书给定工作台最快工进速度Vxmaxf=Vymaxf=300mm/min ，脉冲当量x=y=0.005mm/脉冲；由式得电动机对应的运行频率fmaxf=300/(60X0.0

27、05)Hz999.75Hz。从90BYG2602电动机的运行距频特性曲线图4可以看出，在此频率下，电动机的输出转矩Tmaxf5.6N·m，远远大于最大工作负载转矩Teq2=1.275N·m。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Vmax=2000mm/min，仿照式求出电动机对应的运行频率fmax=3000/(60X0.005)Hz6667Hz。从图4查得，在此频率下，电动机的输出转矩Tmax=1.8N·m，大于快速空载起动时的负载转矩Teq1=0.17N·m，满足要求。3） 最快空载移动时电动机运行频率校核 与最快空载

28、移动速度Vmax=2000mm/min对应的电动机运行频率fmax6667Hz。查表12可知90BYG2602电动机的空载运行频率可达20000Hz，可见没超出上线。4） 起动频率的计算 已知电动机转轴上的总转动惯量Jeq=5.15kg·cm2，电动机转轴上不带任何负载时的空载起动频率fq=1800Hz（查表12-4-5）。则由式fL=可以求出步进电机克服惯性负载的起动频率：fL=1323Hz上式说明，要求保证步进电动机起动时不失步 任何时候的起动频率都必须小于1323Hz。实际上，采用软件升降频时，起动频率选得更低，通常只有100Hz（即100脉冲/s）。综上所述，本例中工作台的经

29、给传动选用90BYG2602步进电动机，完全满足设计要求。7、机械传动结构设计（X轴的机械装配图见附页） 五、 控制系统硬件电路设计 （1）驱动器选用 选用森创两相混合式驱动器（2）运动控制卡选用 采用leetro乐创自动化有限公司MPC07 控制卡是基于PC 机PCI 总线的步进电机或数字式伺服电机的上位控制 单元，它与PC 机构成主从式控制结构：PC 机负责人机交互界面的管理和控制系统 的实时监控等方面的工作（例如键盘和鼠标的管理、系统状态的显示、控制指令的 发送、外部信号的监控等等）；MPC07卡完成运动控制的所有细节（包括脉冲和方 向信号的输出、自动升降速的处理、原点和限位等信号的检测

30、等等）。 每块MPC07 卡可控制4 轴步进电机或数字式伺服电机；每轴均可输出脉冲和方 向信号，以控制电机的运转；同时，可外接原点、减速、限位等开关信号，以实现 回原点、保护等功能，这些开关信号由MPC07 卡自动检测并作出反应。另外，MPC07 卡提供了的通用I/O 接口，用于开关量控制。 MPC07 配备了功能强大、内容丰富的 Windows 驱动程序、DLL 函数库及示例 程序。MPC07 在插补算法和运动函数的执行效率方面采用了更有效的方法，提高了 插补精度、插补速度和实时性。利用 MPC07 的示例程序既可以很快地熟悉MPC07 控制卡的软、硬件功能，又可以方便快捷地测试执行电机及驱

31、动系统在完成各种运 动时的性能特性。MPC07 运动函数库用于二次开发，用户只要用 VC或 Visual Basic 等支持Windows标准32 位动态链接库（DLL ）调用的开发工具编制所需的用 户界面程序，并把它与MPC07 运动库链接起来，就可以开发出自己的控制系统，例如：数控系统、检测设备、自动生产线等。MPC07 的运动函数库能够完成与运动控 制有关的复杂细节（比如：升降速、直线插补等），这样就可以大大缩短控制系统的 开发周期。转接板P37接口定义如下：两轴步进控制系统典型接线图：(3） 工作台接线图见附页(4) 程序 实现点动参考程序代码如下：set_conspeed AxesN

32、um, lowspeed '设置常速运动参数 set_conspeed AxesNum + 1, lowspeed set_profile AxesNum, lowspeed, highspeed, Accel '设置梯形速度运动参数End SubPrivate Sub Command1_MouseDown(Button As Integer, Shift As Integer, X As Single, Y As Single) GetParam con_vmove AxesNum, 1End SubPrivate Sub Command1_MouseUp(Button As Integer, Shift As Integer, X As Single, Y As Single) GetParam sudden_stop AxesNumEnd SubPrivate Sub Command2_MouseDown(Button As Integer, Shift As Integer, X As Single, Y As Single) GetParam