xy數(shù)控工作臺機電系統(tǒng)設計

1、華東交通大學理工學院 課程設計題 目： x-y數(shù)控工作臺機電系統(tǒng)設計 系部名稱： 機電工程系 專業(yè)班級： 機電01班 學生姓名： 鐘明明 學 號： 指導教師： 萬智輝 2014年12月19日摘 要X-Y數(shù)控工作臺機電系統(tǒng)是一個開環(huán)控制系統(tǒng),其結構簡單,實用方便而且能夠保證一定的精度。X-Y數(shù)控工作臺是許多機電一體化設備的基本部件，如數(shù)控車床的縱-橫向進刀機構、數(shù)控銑床和數(shù)控鉆床的X-Y工作臺、激光加工設備的工作臺、電子元件表面貼裝設備等。因此，選擇X-Y數(shù)控工作臺作為畢業(yè)設計的內容，對機械專業(yè)的學生具有普遍意義。 本文結合普通數(shù)控銑床的基本結構，設計了一臺X-Y數(shù)控工作臺，為銑床的數(shù)控化奠定了

2、基礎。首先，確定了X-Y數(shù)控工作臺的總體設計方案，包括機械傳動部件的選擇和數(shù)控系統(tǒng)的設計，機械傳動部件的選擇如導軌副選用，絲桿螺母副的選用，減速裝置的選用，伺服電動機的選擇等。其次，對X-Y數(shù)控工作臺進行機械部分設計，包括直線導軌副的計算與選型，滾珠絲杠螺母副的計算與選型等。最后，對X-Y數(shù)控工作臺系統(tǒng)設計。通過設計能夠滿足設計要求，達到數(shù)控工作臺的基本要求，因本人水平有限，錯誤和不足之處在所難免，敬請老師批評指正。關鍵字：X-Y數(shù)控工作臺，機電系統(tǒng)，滾珠絲杠螺母副，伺服電動機目 錄摘 要I第1章 概述11.1 設計任務1第2章 總體方案的確定12.1 機械傳動部件的選擇12.1.1 導軌副的

3、選用12.1.2 絲杠螺母副的選用12.1.3 減速裝置的選用22.1.4 伺服電動機的選用22.1.5 檢測裝置的選用22.2 控制系統(tǒng)的設計2 第3章 繪制總體方案圖2第4章 機械傳動部件的計算與選型3 4.1 導軌上移動部件的重量估算34.2 銑削力的計算34.3 直線滾動導軌副的計算與選型34.3.1 滑塊承受工作載荷的計算及導軌型號的選取3 距離額定壽命的計算34.4 滾珠絲杠螺母副的計算與選型4 最大工作載荷Fm的計算4 最大動載荷FQ的計算4 初選型號4 傳動效率的計算54.4.5 剛度的驗算54.4.6 壓桿穩(wěn)定性校核64.5 步進電動機減速箱的選用64.6 步進電機的計算與選

4、型64.7 增量式旋轉編碼器的選用10 第5章 工作臺控制系統(tǒng)的設計11 第6章 步進電機驅動電源的使用11結 論12參考文獻13 一、設計任務題目：X-Y數(shù)控工作臺機電系統(tǒng)設計任務：設計一種供立式數(shù)控銑床使用的X-Y數(shù)控工作臺，主要參數(shù)如下： 1）立銑刀最大直徑d=15mm； 2）立銑刀齒數(shù)Z=3； 3）最大銑削寬度ae=15 mm； 4）最大背吃刀量ap=8 mm； 5）加工材料為碳素鋼； 6）X、Y方向的脈沖當量x =y=0.005mm/脈沖； 7）X、Y方向的定位精度均為0.01 mm； 8）工作臺導軌長度為1260mm； 9）工作臺空載最快移動速度； 10）工作臺進給最快移動速度vx

5、max =vymax =3000 mm/min； 11）工作臺尺寸為230 mm230 mm 12）加工范圍偉250 mm250 mm 二、總體方案的確定2.1機械傳動部件的選擇 2.1.1導軌副的選用 要設計的X-Y工作臺是用來配套輕型的立式數(shù)控銑床的，需要承受的載荷不大，但脈沖當量小、定位精度高，因此，決定選用直線滾動導軌副，它具有摩擦系數(shù)小、不易爬行、傳動效率高、結構緊湊、安裝預緊方便等優(yōu)點。 2.1.2絲桿螺母副的選用 伺服電動機的旋轉運動需要通過絲桿螺母副轉換成直線運動，要滿足0.005mm的脈沖當量0.01 mm和的定位精度，滑動滑動絲桿副無能為力，只有選用滾珠絲桿副才能達到。滾珠

6、絲桿副的傳動精度高、動態(tài)響應快、運轉平穩(wěn)、壽命長、效率高，預緊后可消除反向間隙。 軸向間隙的調整和預緊方式 選用墊片調隙式，這種方法結構簡單、剛性好、裝卸方便，適用于一般精度的機構 滾珠絲杠的安裝 采用一端固定，一端游動的方式，因其壓桿穩(wěn)定性和臨界轉速較高。2.1.3減速裝置的選用 選擇了步進電動機和滾珠絲桿副以后，為了圓整脈沖當量，放大電動機的輸出轉矩，降低運動部件折算到電動機轉軸上的轉動慣量，可能需要減速裝置，且應有消間隙結構。為此，決定采用無間隙齒輪傳動減速器。2.1.4伺服電動機的選用 任務書規(guī)定的脈沖當量尚未達到0.001mm，定位精度也未達到微米級，空載最快速度也只有3000mm/

7、min。因此，本設計不必采用高檔次的伺服電動機，如交流伺服電動機或直流伺服電動機等，可以選用性能好一些的步進電動機，如混合式步進電動機，以降低成本，提高性價比。 2.1.5檢測裝置的選用 選用步進電動機作為伺服電動機后，可選開環(huán)控制，也可選閉環(huán)控制。任務書所給的精度對于步進電動機來說還是偏高的，為了確保電動機在運轉過程中不受切削負載和電網(wǎng)的影響而失步，決定采用半閉環(huán)控制，擬在電動機的尾部轉軸上安裝增量式旋轉編碼器，用以檢測電動機的轉角與轉速。增量式旋轉編碼器的分辨力應與步進電動機的步距角相匹配?？紤]到X、Y兩個方向的加工范圍相同，承受的工作載荷相差不大，為了減少設計工作量，X、Y兩個坐標的導軌

8、副、絲桿螺母副、減速裝置、伺服電動機，以及檢測裝置擬采用相同的型號與規(guī)格。2.2控制系統(tǒng)的設計 1)設計的X-Y工作臺準備用在數(shù)控銑床上，其控制系統(tǒng)應該具有單坐標定位、兩坐標直線插補與圓弧插補的基本功能，所以控制系統(tǒng)應該設計成連續(xù)控制型。 2)對于步進電動機的半閉環(huán)控制，選用MCS-51系列的8位單片機AT89C52作為控制系統(tǒng)的CPU，應該能夠滿足任務書給定的相關指標。 3)要設計一臺完整的控制系統(tǒng)，在選擇CPU之后，還需要擴展程序儲存器、數(shù)據(jù)存儲器、鍵盤與顯示電路、I/O接口電路、D/A轉換電路、串行接口電路等。4) 選擇合適的驅動電源，與步進電動機配套使用。 三、繪制總體方案圖 總體方案

9、圖如圖所示 四、機械傳動部件的計算與選型 4.1導軌上移動部件的重量估算 按照下導軌上面移動部件的重量來進行估算。包括工件、夾具、工作平臺、上層電動機、減速箱、滾珠絲杠副、直線滾動導軌副、導軌座等，估計重量約為800N。 4.2銑削力的計算設零件的加工方式為立式銑削，采用硬質合金立銑刀，工件的材料為碳鋼。則由表3-7查得立銑時的銑削力計算公式為： (1) 今選擇銑刀直徑d=15mm，齒數(shù)Z=3，為了計算最大銑削力，在不對稱銑削的情況下，取得最大銑削寬度，背吃刀量，每齒進給量，銑刀轉速n=300r/min。則由(1)式求得最大銑削力： Fc=118150.850.10.7515-0.7381.0

10、3000.133 N1463 N 采用立銑刀進行圓柱銑削時，各銑削力之間的比值可由表查得，考慮逆銑時的情況，可估算三個方向的銑削力分別為 Ff =1.1Fc1609N， Fe =0.38Fc556N，F(xiàn)fn =0.25Fc366N， 工作臺受到垂直方向的銑削力Fz= Fe =556N，受到水平方向的銑削力分別為Ff和Ffn。今將水平方向較大的銑削力分配給工作臺的縱向（絲杠軸線方向），則縱向銑削力Fx= Ff=1609N，徑向銑削力Fy =Ffn= 366N4.3直線滾動導軌副的計算與選型滑塊承受工作載荷的計算及導軌型號的選取 工作載荷是影響直線滾動導軌副使用壽命的重要因素。本設計中的X-Y工作

11、臺為水平布置，采用雙導軌、四滑塊的支承形式?？紤]最不利的情況，即垂直于臺面的工作載荷全部由一個滑塊承擔，則單滑塊所受的最大垂直方向載荷為： 其中，移動部件重量G=800N，外加載荷F= Fz= 556N，得最大工作載荷PC=756N=0.756kN。查表3-41，根據(jù)工作載荷PC=0.756kN，初選直線滾動導軌副的型號為KL系列的JSA-LG15型，其額定動載荷Ca=7.94 kN，額定靜載荷C0a=9.5 kN。距離額定壽命L的計算 上述選取的KL系列JSALG15型導軌副的滾道硬度為HRC60，工作溫度不超過100攝氏度，每根導軌上配有兩只滑塊，精度為4級，工作速度較低，載荷不大。查表3

12、-36表3-40，分別取硬度系數(shù)=1.0、溫度系數(shù)、接觸系數(shù)=0.81、精度系數(shù)=0.9、載荷系數(shù)=1.5，得距離壽命：遠大于期望值50km，故距離額定壽命滿足要求。4.4滾珠絲杠螺母副的計算與選型最大工作載荷的計算 如前頁所述，在立銑時，工作臺受到進給方向的載荷（與絲杠軸線平行）Fx=1609N，受到橫向的載荷（與絲杠軸線垂直）Fy = 366N，受到垂直方向的載荷（與工作臺垂直）Fz= 556N。已知移動部件總重量G=800N，按矩形導軌進行計算，查表3-29，取顛覆力矩影響系數(shù)K=1.1，滾動導軌上的摩擦因數(shù)=0.005 。求得滾珠絲杠副的最大工作載荷：最大動載荷FQ的計算 設工作臺在承

13、受最大銑削力時的最快進給速度v=400mm/min，初選絲杠導程=5 mm，則此時絲杠轉速n=v/Ph = 80 r/min。取滾珠絲杠的使用壽命T=15000h，代入L0=60nT/106，得絲杠壽命系數(shù)L0=72（單位為：106 r）查表3-30，取載荷系數(shù)fW =1.2，滾道硬度為HRC60時，取硬度系數(shù)fH=1.0，求得最大載荷：初選型號 根據(jù)計算出的最大載荷和初選的絲杠導程，查表3-31，選擇濟寧博特精密絲杠制造有限公司生產的G系列2505-4型滾珠絲杠副，為內循環(huán)固定反向器單螺母式，其公稱直徑為20mm，導程為5mm。循環(huán)滾珠為3圈1列，精度等級取5級，額定動載荷為9309N。大于

14、FQ，滿足要求。傳動效率的計算 將公稱直徑，導程，代入= arctanPh/(d0)，得絲杠螺旋升角=4 33將摩擦角=10代入=tan / tan(+)，得傳動效率=96.4%。剛度的驗算 1)X-Y工作臺上下兩層滾珠絲杠副的支承均采用“單推單推”的方式，見書后插頁圖6-23。絲杠的兩端各采用一對推理角接觸球軸承，面對面組配，左、右支承的中心距離約為a=500mm ；鋼的彈性模量E2.1 Mpa；查表3-31，得滾珠直徑D=3.175mm，絲杠底徑，絲杠截面面積。忽略式（3-25）中的第二項，算得絲杠在工作載荷作用下產生的拉/壓變形量. 根據(jù)公式Z( ) -3，求得單圈滾珠數(shù)Z=20；該型號

15、絲杠為單螺母，滾珠的圈數(shù)列數(shù)為，代入公式 Z圈數(shù)列數(shù)，得滾珠總數(shù)量=60。絲杠預緊時，取軸向預緊力。則由式（3-27），求得滾珠與螺紋滾道間的接觸變形量。因為絲杠加有預緊力，且為軸向負載的1/3，所以實際變形量可減小一半，取。將以上算出的和代入，求得絲杠總變形量（對應跨度500mm）0.0218 mm=21.8m。絲杠的有效行程為330mm，由表3-27知，5級精度滾珠絲杠有效行程在315400mm時，行程偏差允許達到25m，可見絲杠剛度足夠。 壓桿穩(wěn)定性校核 根據(jù)公式（3-28）計算失穩(wěn)時的臨界載荷。查表3-34，取支承系數(shù)=1；由絲杠底徑=16.2 mm求得截面慣性矩；壓桿穩(wěn)定安全系數(shù)K取

16、3（絲杠臥式水平安裝）；滾動螺母至軸向固定處的距離a取最大值500mm。代入式（3-28），得臨界載荷，遠大于工作載荷，故絲杠不會失穩(wěn)。綜上所述，初選的滾珠絲杠副滿足使用要求4.5步進電動機減速箱的選用 為了滿足脈沖當量的設計要求，增大步進電動機的輸出轉矩，同時也是為了使?jié)L珠絲杠和工作臺的轉動慣量折算到電動機轉軸上盡可能地小，今在步進電動機的輸出軸上安裝一套齒輪減速箱。采用一級減速，步進電機的輸出軸與小齒輪連接，滾珠絲杠的軸頭與大齒輪連接。其中大齒輪設計成雙片結構，采用圖3-8所以的彈簧錯齒法消除側隙。 已知工作臺的脈沖當量=0.005 mm/脈沖，滾珠絲杠的導程Ph=5 mm，初選步進電機的

17、步進角=0.75。根據(jù)式（3-12），算得減速比： i=(Ph)/(360)=(0.755)/(3600.005)=25/12 本設計選用JBF-3型齒輪減速箱。大小齒輪模數(shù)均為1mm，齒數(shù)比為75：36，材料為45調制剛，齒表面淬硬后達55HRC。減速箱中心距為(75+36)1/2 mm55.5 mm，小齒輪厚度為20mm，雙片大齒輪厚度均10mm。4.6步進電動機的計算與選型 （1）計算加在步進電機轉軸上的總轉動慣量已知：滾珠絲杠的公稱直徑=20 mm，總長l =500mm，導程5mm，材料密度；移動部件總重力G=800N；小齒輪度20mm，直徑=36 mm；大齒輪度20mm，直徑=75

18、mm；轉動比i =25/12。如表4-1所示，算得各個零件部件的轉動慣量如下（具體計算過程從略）：滾珠絲杠的轉動慣量=0.617；拖板折算到絲杠上的轉動慣量=0.517；小齒輪的轉動慣量；大齒輪的轉動慣量=4.877 初選步進電動機型號為90BYG2602，為兩相混合式，二相八拍驅動時步距角0.75，從表4-5查得該型號電動機轉子的轉動慣量。則加在步進電機轉軸上的總轉動慣量為：= +(+)/=30.35 (2)計算加子在步進電機轉軸上的等效負載轉矩 分快速空載起動和承受最大工作負載兩種情況進行計算。1） 快速空載起動時電動機轉軸所承受的負載轉矩由式(4-8)可知，包括三部分：一部分是快速空載起

19、動時折算到電動機轉軸上的最大加速轉矩；一部分是移動部件運動時折算到電動機轉軸上的摩擦轉矩；還有一部分是滾珠絲杠預緊后折算到電動機轉軸上的附加摩擦轉矩。因為滾珠絲杠副傳動效率很高，根據(jù)式(4-12)可知，相對于和很小，可以忽略不計。則有： =+ （3） 根據(jù)式(4-9)，考慮傳動鏈的總效率，計算快速空載起動時折算到電動機轉軸的最大加速轉矩： （4） 式中 對空載最快移動速度的步進電動機最高轉速，單位為r/min；步進電動機由靜止到加速到n轉速所需的時間，單位為s。 其中： （5）式中空載最快移動速度，任務書指定為3000mm/min； 步進電動機步距角，預選電動機為； 脈沖當量， =0.005m

20、m/脈沖。將以上各值代入，算得nm=1250r/min設步進電動機由靜止到加速至n轉速所需時間=0.4s，傳動鏈總效率=0.7。則由式（4）求得：1.42（Nm）由式(4-10)可知，移動部件運動時，折算到電動機轉軸上的摩擦轉矩為： （6） 式中導軌的摩擦因數(shù)，滾動導軌取0.005;垂直方向的銑銷力，空載時取0;傳動鏈總效率，取0.7。則由式(6)，得：最后由式(3)求得快速空載起動時電動機轉軸所承受的負載轉矩： = + = 1.422 N 2)最大工作負載狀態(tài)下電動機轉軸所承受的負載轉矩T由式(4-13)可知，T包括三部：一部分是折算到電動機轉軸上的最大工作負載轉矩T;一部分是移動部件運動時

21、折算到電動機轉軸上的摩擦轉矩T;還有一部分是滾珠絲杠預緊后折算到電動機轉軸上的附加摩擦轉矩T，T相對于T和T很小，可以忽略不計。則有： = Tt + Tf 其中，折算到電動機轉軸上的最大工作負載轉矩T由式(4-14)計算。本例中在對滾珠絲杠進行計算的時候，已知沿著絲杠軸線方向的最大進給載荷Fx=1609N，則有： 0.88（Nm）再由式(4-10)可知，移動部件運動時，折算到電動機轉軸上的摩擦轉矩為： 最后由式(6-18)，求得最大工作負載狀態(tài)下電動機轉軸所承受的負載轉矩為： 經過上述計算后，得到加在步進電動機轉軸上的最大等效負載轉矩應為： （3） 步進電動機最大靜轉矩的選定 考慮到步進電動機

22、的驅動電源受電網(wǎng)電壓影響較大，當輸入電壓降低時，其輸出轉矩會下降，可能造成丟步，甚至堵轉。因此，根據(jù)T來選擇步進電動機的最大靜轉矩時，需要考慮安全系數(shù)。本例中取安全系數(shù)K=4，則步進電動機的最大靜轉矩應滿足： 上述初選的步進電動機型號為90BYG2602，由表4-5查得該型號電動機的最大靜轉矩?？梢?，滿足要求。（4）步進電動機的性能校核1）最快工進速度時電動機輸出轉矩校核 任務書給定工作臺最快工進速度v=400mm/min，脈沖當量 =0.005mm/脈沖，由式(4-16)求出電動機對應的運行頻率f=400/(60*0.005)Hz =1333hz。從90BYG2602電動機的運行矩頻特性曲線

23、圖6-24可以看出，在此頻率下，電動機的輸出轉矩，遠遠大于最大工作負載轉矩，滿足要求。2)最快空載移動時電動機運行頻率校核 與最快空載移動速度v=3000mm/min對應的電動機運行頻率為f=10000Hz。查表4-5可知90BYG2602電動機的空載運行頻率可達20000Hz，可見沒有超出上限。3)起動頻率的計算 已知電動機轉軸上的總轉動慣量，電動機轉子的轉動慣量，電動機轉軸不帶任務負載時的空載起動頻率 (查表4-5)。則由式(4-17)可以求出步進電動機克服慣性負載的起動頻率：上式說明，要想保證步進電動機起動時不失步，任何時候的起動頻率都必須小于614Hz。實際上，在采用軟件升降頻時，起動

24、頻率選得更低，通常只有100Hz(即100脈沖/s)。綜上所述，本例中工作臺的進給傳動選用90BYG2602步進電動機，滿足設計要求。4.7 增量式旋轉編碼器的選用本設計所選步進電動機采用半閉環(huán)控制，可在電動機的尾部轉軸上安裝增量式旋轉編碼器，用以檢驗電動機的轉角與轉速。增量式旋轉編碼器的分辨力應與步進電動機的步距角相匹配由步進電動機的步距角=0。75，可知電動機轉動一轉時，需要控制系統(tǒng)發(fā)出360/=480個步進脈沖?？紤]到增量式旋轉編碼器輸出的A、B相信號，可以送到四倍頻電路進行電子，因此，編碼器的分辨力可選120線。這樣控制系統(tǒng)每發(fā)一個步進脈沖，電動機轉過一個步距角，編碼器對應輸出一個脈沖

25、信號。選擇編碼器型號為ZLKA12005VO10H：盤狀空心型?？讖?0mm，與電動機尾部出軸相匹配，電源電壓+5V。每轉輸出120個A/B脈沖，信號為電壓輸出。 五、工作臺控制系統(tǒng)的設計X-Y數(shù)控工作臺的控制系統(tǒng)設計，在硬件電路上需要考慮步進電機（編碼器）反饋信號的處理，在軟件上實現(xiàn)半閉環(huán)的控制算法 六、步進電機驅動電源的使用本設計中的X、Y向步進電動機均為90BYGC2602型，生產廠家為常州寶馬集團有限公司，查表4-14，選擇與之配套的驅動電源為BD28Nb型，輸入電壓100VAC,相電流為4A，分配方式為二相八拍。該驅動電源與控制 設計總結通過此次課程設計，我不僅把知識融會貫通，而且豐

26、富了大腦，同時在查找資料的過程中也了解了許多課外知識，開拓了視野，認識了將來機械電子的發(fā)展方向，使自己在專業(yè)知識方面和動手能力方面有了質的飛躍。 不管學會的還是學不會的的確覺得困難比較多，真是萬事開頭難，不知道如何入手。最后終于做完了有種如釋重負的感覺。此外，還得出一個結論：知識必須通過應用才能實現(xiàn)其價值！有些東西以為學會了，但真正到用的時候才發(fā)現(xiàn)是兩回事，所以我認為只有到真正會用的時候才是真的學會了。本畢業(yè)論文是在我的指導老師萬智輝老師的親切關懷與細心指導下完成的。從課題的選擇到論文的最終完成，萬老師始終都給予了細心的指導和不懈的支持，并且在耐心指導論文之余，萬老師仍不忘拓展我們的技能掌握。

27、值得一提的是，萬老師對學生認真負責，在他的身上，我們可以感受到一個學者的嚴謹和務實，這些都讓我們獲益菲淺，并且將終生受用無窮。希望借此機會向萬老師表示最衷心的感謝！在此要感謝我們的指導老師萬老師對我悉心的指導，感謝老師們給我的幫助。在設計過程中，我通過查閱大量有關資料，與同學交流經驗和自學，并向老師請教等方式，使自己學到了不少知識，也經歷了不少艱辛，但收獲同樣巨大。在整個設計中我懂得了許多東西，也培養(yǎng)了我獨立工作的能力，樹立了對自己工作能力的信心，相信會對今后的學習工作生活有非常重要的影響。而且大大提高了動手的能力，使我充分體會到了在創(chuàng)造過程中探索的艱難和成功時的喜悅。雖然這個設計做的也不太好，