课程设计(数控立式铣床XY工作台机电系统设计)说明书

《机电一体化》课程设计数控立式铳床XY工作台机电系统设计院系:汽车学院专业:机械设计制造及其自动化班级:机电一班组长:雷博文组员：金亮、黄明亮、夏佳、熊秀成指导教师：蒋强TOC\o"1-5"\h\z一、设计目的 3二、设计任务 3三、总体方案的确定 41、机械传动部件的选择 ••:•….3导轨副的选用 4伺服电动机的选用 4工作台的选用 42、 控制系统的设计 53、 绘制总体方案图 5四、 直线伺服电机的计算与选型 51、 导轨上移动部件的重量 52、 铣削力的计算 53、 载荷的计算 7\o"CurrentDocument"4、 初选型号 75、 直线伺服电机可用性验算 8五、 直线滚动导轨副的计算与选型 81、 直线滚动导轨选择理由 82、 直线导轨额定寿命L的计算和选型 10\o"CurrentDocument"3、 光栅尺的选择 114、 工作台的选型 12\o"CurrentDocument"六、 PLC选型 13七、伺服放大器选型 18八、控制系统硬件电路设计 20结束语 21参考文献 22一、 设计目的课程设计是一个很重要的实践性教学环节，要求学生综合运用所学的理论知识，独立进行设计训练，主要目的：通过本设计，使学生全面地，系统地了解和掌握数控机床得基本组成及其相关基本知识，学习总体方案拟定、分析与比较的方法。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得工作原理、设计计算方法及选用原则。通过伺服系统得设计，掌握常用PLC及电机的工作原理、计算选择方法与控制驱动方式。培养学生独立分析问题和解决问题的能力，学习并初步树立“系统设计”的思想。锻炼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、 设计任务任务：设计一种供立式数控铣床使用的数控工作台。主要参数如下：立铣刀最大直径d=30mm立铣刀齿数Z=4;最大铣削宽度a^l8mm；最大背吃刀量ap=10mm；加工材料为碳素钢；X、丫方向的脉冲当量 y=0.005mm/脉冲;X、Y方向的定位精度均为—O.01mm；工作台尺寸280mmX280mm工范围为300mmX300mm工作台空载最快移动速度V"y=2000mm/min;工作台进给最快移动速度Vxmaxf=Vymaxf=200mm/min；移动部件总重量为900N;每齿进给量fz=0.imm13)铣刀转速n=500r/min总体方案的确定1、机械传动部件的选择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。⑵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，决定采用直线电机，可以省去丝杆传动副，减少传动过程，提高传动精度。(3)工作台的选用设计只要求X-Y轴方向的运动，并选用的电机为直线电机，故选用工作台为十字交叉二维直线电机平台。 二维直线电机平台机械上由直线伺服电机驱动的X-Y轴运动平台构成，可同时对两台直线伺服电机进行同步控制，是一个先进的有直线电机驱动的的实用化的实验平台。直线电机直接驱动的 X-Y平台系统，以其快速的响应、准确的定位和高可靠性而广泛应用于高速自动化设备、精密测量系统、电子与半导体加工设备，激光加工设备等领域。2、 控制系统的设计1） 设计的X-Z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，所以控制系统设计成连续控制型。2） 对于直线电动机的闭环控制，选用三菱PLC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，与直线电动机配套使用。3、 绘制总体方案图总体方案图如图3.1所示。微型口电功放一由执行元机械传动一机械执行机路路件机构机构图3.1总体方案图四、直线电动机的计算与选型1、 导轨上移动部件的重量设计要求所给移动部件总重量为900N2、 铣削力的计算工件的材料为碳素钢，根据《金属切屑原理与刀具》 200页表15-5得硬质合金立铣刀铣削力经验公式0.850.75「0.73 1.00.1F c=118efzd apn其中铣刀的直径d=30mm齿数Z=4,为了计算最大铣削力，在不对称铣削情况下，最大铣削宽度ae=18mm背吃刀量ap=10mm,每齿进给量fz=0.1mm铣刀转速n=500r/min。则由上公式求得最大铣削力：0.85 0.75 -0.73 1.0 0.1 /Fc=118ex0.1x30x10x500x1=1422N考虑逆铣时的情况，可估算三个方向的铣削力分别为： Ff=1.1Fc=1564NFe=0.38Fc=540N,Ffm=0.25Fc=355N则工作台受到垂直方向的铣削力 Fz=Fe=540N受到水平方向的铣削力分别为Ff和Ffn。今将水平方向较大的铣削力分配给工作台的纵向，则纵向铣削力Fx=Ff=1564N径向铣削力Fy=Ffn=355NL载荷的计算最大工作载荷Fm的计算在立铣时，工作台受到进给方向的载荷(与X线平行)Fx=1564N,受到横向的载荷(与丫轴线垂直)Fy=355N,受到垂直方向的载荷(与工作台面垂直)Fz=540M已知移动部件总质量3900N按矩形导轨进行计算，由《金属切屑机床》126页公式17-5得：Fm=KFx+(Fz+Fy+G)=[1.1 1564+0.005(540+355+900)]N 1730N取摩擦系数卩=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：启动载荷Fq的计算工作台空载最快移动速度Vx=Vy=2000mm/min空载是移动部件的总质量为900N,取静摩擦系数卩0=0.01假定在0.1mm内要加速到最大移动速度，有公式：F・S=mgi-s+1/2mvF q二F+mgi0推算出：Fq=1280.5N,小于最大载荷，故选择电机时只需要考虑最大载荷即可初选型号（1）根据推力选型根据计算出的最大工作载荷Fm=1730N查三菱直线电机手册。表4-1•LM-U2系列証何服电机型号LM-U2理阴卜:鼠沪5收FSB^TM-ISSOPBF饷熾P2B-iCM-2SS0P2D-&：lb2SS0猷器型号 MR-J3-好R」肌化7：BWL?'恥我二曲-亍3)MWU511映丽购A）0.50.90.90.51,01.33.55,57.5翎方式銅力（N）5010015075150225400600800耿唯力（N）150300450225450675160024003200最大速度何議注2.00MMg[lb]}0.3(0.67)0.6(1.4)as（18）0.4(0.89)0J(1,8)1.1(2,5)29(阿4,2(93)5.5(13)（磁体｝240mm 20(44)300mm2.5(5.6)420mm/Jfe:3.5(7.8J24Cmm/^2.6(5.8)300mm缺:3.2(7.1)420mm4.5(10)300mm9.6(22}480mm15.3(34)齡他型号LM・U2SA0-2-DSS0SBO-^-lS$OS20-3-2SS0推荐负靈/电机重豈比聲倚服电机初级也肓量30倍以下开故｛賠等歎IP00）0*40032704旧仟结冰)，帰菸-15-70eC(5'15flfiP)怀结游80%RHtATff®结）,繇：90%阳以下杯農结）空气杲件窒内儒归光直射）；菇性性气臥无可蹴頤粛无汩勲无灰尘4帥肿以下海菽100咪以下初选三菱LM-U2P2C-60M-2SS直线电机，最大推力为2400M冷却方式为：自冷。（2）次级侧（磁体）长度选择工作台尺寸280mmX280m加工范围为300mmX300mm初级侧长度=406mm根据,（次级侧（破体）总崔度）M（最大进给距關）+（初圾髓长屢（线僵）｝初圾割（強■） 初缠極（域鬣）一--A-j1 1 11细长度的厦的Y蛊大进给距需1/2||IIdI ■ y IIU-iTH1—1L^U次级侧总长》300+406=706mm查表4-1，次级侧长度选择300+480mm=780mm（3）电机最终选择由以上数据，最终选型：三菱LM-U2P2C-60M-2SS直线电机，次级侧长度为780mm电机可用性验算查三菱电机使用说明书，LM-U2P2C-60M-2SS直线电机输出效率为97%最大载荷为Fm=1730N则电机最大额定载荷为Fm/97%=1783N所选的电机最大推力为2400，符合要求。五、直线滚动导轨副的计算与选型1、直线滚动导轨的选取理由滚动直线导轨副是在滑块与导轨之间放入适当的钢球，使滑块与导轨之间的滑动摩擦变为滚动摩擦，大大降低二者之间的运动摩擦阻力考虑到滚动直线导轨的诸多优点如下:1动、静摩擦力之差很小，随动性极好，即驱动信号与机械动作滞后的时间间隔极短，有益于提高数控系统的响应速度和灵敏度。驱动功率大幅度下降，只相当于普通机械的十分之一。与V型十字交叉滚子导轨相比，摩擦阻力可下降约40倍。适应高速直线运动，其瞬时速度比滑动导轨提高约 10倍。能实现高定位精度和重复定位精度。能实现无间隙运动，提高机械系统的运动刚度。成对使用导轨副时，具有“误差均化效应”，从而降低基础件（导轨安装面）的加工精度要求，降低基础件的机械制造成本与难度。8导轨副滚道截面采用合理比值的圆弧沟槽，接触应力小，承接能力及刚度比平面与钢球点接触时大大提高，滚动摩擦力比双圆弧滚道有明显降低。2、距离额定寿命L的计算和选型工作寿命为5年，一年365天，每天工作8小时，因此得到小时额定工作寿命Lh=14400h由公式-=，从而得到L二儿馬3602nS汇60 103式中：Lh为小时额定工作寿命。n为移动件每分钟往复次数6S为移动件行程长度，取300代入数据得：L=2500km.由公式L=50（〈fffC）3、Fkfw每个滑块的工作载荷Fh=¥=580N去硬度系数fH=0.53 fT=1fC=0.81fw=2带入以上数据可得Ca=5000N选取导轨型号GGB25AA额定载荷为20.7KN大于5KN可以满足Ca的要求查表5.1，得H=42mmW=31m导轨长度选800mm表表5.1GGB^A/AAL四方向等载荷型滚动直线导轨副:Bi创〕:Bi创〕亠 BsT,4-Mi~5_ L _5悽用说明：当鼠标移至M下表格中参数部分‘箭头会变成u*b"‘这时按住左誰‘即可上下移动表格‘叠看所有内容. 单位:mm导轨副尺寸滑块尺寸釉杯尺寸导轨尺寸颔定动我型号HW»1%KT«1LiGNdXDXhF最丈c(KN)&(KH)haQT.m)Hu%n)Or.miGGBI6U2415.5■V153319.47L1■55640.5302.5■J4416L54.5X7.5X5.35005.DT6S5555558S.8GGB20AA3021.563532410107050in11M66201ft6X9.5X8.5fin14001L6山5%,4924154GGB2OAAL866613.620.3121.8121.8203GGB25**3T23.5TO6.55730.512L679.5594511M67.2237X11X0EO3000IT.722.6149.8149.8246OSJ9S.576ZO.T3197244.eZ44.8402斯揶从42319012351D18miiin95.27011M67269X14X12RP|300027.£制4311.33LL3546GGB30AAL117.29233.445.a560560745.23、光栅尺的选择由设计任务书可知加工范围为300mmX300mn定位精度均为-O.01mm。所以本设计我们采用威海三丰电子有限公司的光栅尺(型号： ST741A具体参数如下1、 测量范围：50mm~15000mm2、 测量准确度：+-6um/m~10um/m3、 测量基准：光栅周期20um的光栅玻璃尺4、光学测量系统：透射式红外线光测量系统，红外线波长 880mm5、 反应速度：60m/min(0.005mm)25m/min(0.001mm)6、 读数头滑动系统：垂直式五轴承7、 输出讯号：TTL/EIA-422-A&讯号传达周期：20um9、 讯号线长度：3mm~20mm10、 供应电压：DC5V+-5%这个型号光栅尺满足本设计所需的加工范围和测量精度。4、工作台的选型根据最大切屑力需要选用M8的螺钉，然后查《机电一体化设计手册》根据(GB/T158-1996)选工作台T型槽尺寸如下深度H=20mm槽底宽度B=18mm槽宽A=10mmC==8mm槽数=7间距=40mm

表5.2A8CHEFQdSK基本最小垠小垠人最小最大最大皋大金大尺寸尺寸尺寸尺、」尺寸尺刖尺寸尺寸尺寸尺寸尺寸尺寸尺寸51011X54.53109361112.55611nM5104814.516731618L0.61M61361016谊781721MS15&12192]82025MJO187142325g112328L6M122230哉12143036L6M162810223740161838451M2034204650202248562.5M244318T形榊螺拎又部所以工作台厚度选25mm六、PLC选型（1）输入输出点的估算:输入点：操作开关（2个）、限位开关（4个）、位移（2个）、电位器（2个）输出点：电机（4个）继电器、指示灯、晶闸管触发信号、计算机接口、 数字（2）估算存储量：在1.5KB到4KB之间，可选着4KB规格的存储器Fx1s系列 考虑成本和安装空间人机界面GOTIOOO（GT11/GT15） GOT900（GOT-F900/GOT-A900）连接计算机用得转换器：FX-USB-AWUSB用

项自規格概辱规搐AC电連妙AC100V-240VDC电譚型匸X24V犠入输出输入规格X24V7mA/5mA无电Si^NPNtft电tS臥低管(t人■出4格址电器输出型：2A/1A,&A.'4^C0MAC250V,0030*下品律管梢出型：D5W1点*D.0|W4jSCOMDC5V^DC30V出扩屠、通过SMMfiTJS#・可，扩展少“数的強入持出或喜扩展模期■第扎輪出性龍内畳2000爭（狂阪电迪支掛的EEPR0M）.注輝輪人.pTRUN中写入可安裏帯崭序传送功艇的存臂前（姬大ND00歩｝内置实«SS＞（有时间设定摘令、时何比戦播令）基本齢27个、步50梯矗期樹令0=应同檔令的押运基农祸普；0.55-0.7m 应用稻令；37、如00」$備令有輪入歸出晞新画令、*Aj£iS调整疥令、輪入中斷功能、际肿祐程功配30点強〕诵过功龍扩屐扳扩廉少畳点.数）辅助绘电器、宦时器辅助蜒庖器；5吃点、定時番：64点-ftfflWWftK：32点高連冃32忖塩计芥”迪计数甌［怎｝60kH琥恵、WKHzM点必箱）30补切1.氣5kHEl点数攜寄睜溜 1一股用256点、吏址用帖点、文件用尊务可迎罡到1.500点模肚电位器内也点、ifiilFXiN^AVBD型的劝能扩屐机口幵扩展吕点功當芹展檢叩T?c«FXiN-LJJU-BDS^ft扩展扳可F通过FKzCNV-BD理搏歸黙可内IFXUJ-5DV可外装FX-100紳也可卜系艸人机界面）通宿对RS-232C.RS485.RS422.N:N网络、井联直拯、计;!机琏榕外匿址备的灰犁选择WFX1S］ 1FX2J個是.世样［FX2」时金有使用限期输入扩展：FX1N-4EX-BD 输入扩展板（DC24V4点）基本单元：型号：FX1s-30MR（AC电源）（输入16点，输出14点（继电器））外形尺寸：W*H*D(mm)100x90x75 0.45kg单元（AC电源7C输入型）祝电源•叽输人型的基水单元巾4种卩个执型｝,内axsiwsa用供辭电制4畑）翌号合计勺S.输人精岀酬・擁入嶽出施式外矗尺寸^xHxDimm）¥flUAFXis-IDWl10ADC24V4A60k90x7503kgFXis-IOMTBWFXiS-141^14ADC24V堆电暑60xM)x7503kgFX1S-14MTBM祢缺20阍2DA吃点DC34VMt増甩署75x90x750.4kgFX1S-20MTFXiS-30^30点诵点DCZ4V14AtM1Q0k90k750.45kgFX1S-30MT型号W{mm)生同kg｝FXis10MFXis14M600.3(0.22]FXis^20M75O4[O3OIFX1S-30M1000.45[0.35]显示模块：FX1n-5DMFXih^DU眠k珂異稍en諭申斷ft#師示和as可矫五郴崔蒯執越0nmn

存储器盒：FX1n-EEPR0M-8L荆H騷FXih-ELPROM<庄PROM㈱2妙也ssmct,内1H斥懈能电压、电流用输入输出设备模拟量扩展板（A/D、D/A转换）FX1n-2AD-BD(2通道)FX1n-1DA-BD(1通道)•模拟屋扩展扳（/VD转换、DA转换）活用的可黑昇阳舗弄崙扎电压養扎电潼FX1SFXiRfFX»FXauFXiiw：FX2NCFXajcFXiw-2A^®(2M)UCO-10V储h电阻aookd)DC4*20n*A1雑h电凰250Di内豁-過道间；不器頁騎道1见0(V2.00f±)O阳00r±)XKKXX15mV(10V/4000IfipA[閻4HAJZ20C0]1遗道扣MltflOiSff!的闻輪秤叵制舀g目僚出电Ji童出电潼FX1SRimFXwFXjncfx?nchum：FX1N-1IM-ED■出范HiOCO^IOV(OWkn-iMOjDC4-20mAIBAWIRSVO)内希-绻迪冋：不IM0(V2400F上)0(V200獻上)U通世i2.5mV(10W4OOO)8MA((2Q-4mA)u&QOO)各通道阿IXX*MX高速计数器：FX1sPLC 双相双计数 C252型号种类僅用省谨处刊特翎swaifttsnst高理计计tt赛黑功FXxMWKACP较■忆曹fltM建弭蛊趣区间比（IKS洞Milt较高連ttIK*BEmttv计散申o*•sttaFX1SPLCFXif+acFXihcFLC单相C23轧C236划玄噹：SSHJkHif90kH尹-单计啟8M246最大4点：IBlOkHz41lOkHi^-gm单袒C24C»*1jS：星髙BOkHT30kHi,J*inoX^JL煎计迪C247-G250量咖;■高愀疋10kHz'1-LJXXXXC251划刘盘吳扇30kHz"15kHzJ■1Kit*02522255■大蚊•：鼻高BkHTSkHz'7-X•内的编号和分呢内置詩連讣独器使II】迪用的楡心此外，棍据便用的墨叩和.収相址是带启功*MJJyfiL的汁敷器，笹入匝代凶變惰人瑞于汨号杠已经俺光迅対f.IFXis,FXin.FX2NrFXinc.FX^ncPLC]第心号津相星计戲軸出期相5®ttir・入0235C336CZJ7C23SCZ39CJ40C241C34E0243C244U345C24603*7C248CE4日C2S0C251C252C253G254C255TO0QUiDIMJLbDuuuAAAXD01u®RRDDDBBBXD02bL：USDRRRRXDO3umiRRuAA>□«g呃D□BB)0005LWRRFlHHXD06SSSXD07SSS

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表7.1骨*8JK春却号 MR-J3-材4^」二应sui離刚制口WWUJ时训叱3M-m»«UL5«e-IUWUL( UKHJOMJUiMADHOL生砒U电国妙誓13=1)=®2OO-230MAC5ft«0Hz«单相2咖23OJWC5CN60HZ三f@2(X>230W^S(W60Hz=S380-SDfBOHl三IR29卜230皿F相"血753施甲10盼23tRflC:单相f血三书17CH2耳=®323-2MC允许频平玻湖週*5%U内mjpi閒电源电FEiK牢单牺2OD-23CK叱50E0HJ«oo-删wcSJSDHz*1fi170"2S3\tfC5WC允许频稚动岂ffi)±5%WM击晦M30 45JMVD匚科D%怖需吧黑容■：150mA1注：1"狂冷：.串行逵口三畫电"洼辭行ii讯BMat口■為世号200nsJI咖詛脚utst内HFJt电K1101Q102Q1001W130170———外部吟強电SOOfSODj8^0(13^0!&50(1W)ma动奇n动内Jt | ?bSStt保护由艇£i电海Si欝i清生过砲压if轉日迂凰6?谿电孑晤理电翼!^月餐电机过淘保护_脂确总耳常摆护，两生界琳保护r如Mft討爺电保户"芒速探护.谟曲大肆护tr构自帶JFHK.IPQO)S^开玫(POO)环境祁逞腹(出》0-&5LC(32-131T)rffiTT：20-6?匚卜4-149节帶结馀"JKK9KM%RHiaT(¥»e),W：90%RHJT(T®£)至"件宣内(无阳比直聖r：无性％t,无可崗i",天湖i,换t.«sio(mciT振动5.9nVs^T!■kg[ibD0.8(1.8)1.0(2.211.0(2.251.4(31)2.3(5.1)2.3(5.1)J.6(10)|62<i4)[18(40)18W»1ft(42)主回曲胆制回路也煤连披(注朝»ISWlt«J«AGlN1!A'■'E心\电啊朋・E忱控制器•Q1/3CX：Ptl•Q17?[X?PU•Q173HCRJ•Q172HCPLJ•QOZ&MHCN3茎回踣屯毎揑制冋銷电S5OS?)伺®fi£X»MR-J3-aB^)-RJ004UDCi±?]^SMF-.l^..lF；-!Mft4«MnLU*.!r.-iM«43嗣11(注朝»ISWlt«J«AGlN1!A'■'E心\电啊朋・E忱控制器•Q1/3CX：Ptl•Q17?[X?PU•Q173HCRJ•Q172HCPLJ•QOZ&MHCN3茎回踣屯毎揑制冋銷电S5OS?)伺®fi£X»MR-J3-aB^)-RJ004UDCi±?]^SMF-.l^..lF；-!