機(jī)電一體化課程設(shè)計

1、1.1 設(shè)計任務(wù)題目：X-Y數(shù)控工作臺機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計任務(wù)：設(shè)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=36mm；2） 立銑刀齒數(shù) Z=3；3） 最大銑削寬度 ae=36mm；4） 最大背吃刀量ap=8mm；5） 加工材料為碳素鋼或有色金屬；6） X、Y方向的脈沖當(dāng)量x=y=0.0075mm脈沖；7） X、Y方向的定位精度均為±0.015mm；8） 工作臺面尺寸為230mm×230mm，加工范圍為600mm×230mm；9） 工作臺空載最快移動速度Vxmax=Vymax=2360mmmin；10） 工作臺進(jìn)給最快移動速度Vxm

2、axf=Vymaxf=560mmmin。1.2 總體方案的確定1. 機(jī)械傳動部件的選擇（1） 導(dǎo)軌副的選用 要設(shè)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(dāng)量小、定位精度高，因此，決定選用直線滾動導(dǎo)軌副，它具有摩擦系數(shù)小、不宜爬行、傳動效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、安裝預(yù)緊方便等優(yōu)點。（2） 絲桿螺母副的選用 伺服電動機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動需要通過絲桿螺母副轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動，要滿足0.005mm的脈沖當(dāng)量和±0.002mm的定位精度，滑動絲桿副無能為力，只有選用滾珠絲桿副才能達(dá)到。滾珠絲桿副的傳動精度高、動態(tài)響應(yīng)快、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、壽命長、效率高，預(yù)緊后可消除反向間隙。（3） 減速

3、裝置的選用 選擇了步進(jìn)電動機(jī)和滾珠絲桿副以后，為了圓整脈沖當(dāng)量，放大電動機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩，降低運(yùn)動部件折算到電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的轉(zhuǎn)動慣量，可能需要減速裝置，且應(yīng)有消間隙機(jī)構(gòu)。為此，決定采用無間隙齒輪傳動減速箱。（4） 伺服電動機(jī)的選用 任務(wù)書規(guī)定的脈沖當(dāng)量尚未達(dá)到0.001mm，定位精度也未達(dá)到微米級，空載最快移動速度也只有1540mmmin。因此，本設(shè)計不必采用高檔次的伺服電動機(jī)，如交流伺服電動機(jī)或直流伺服電動機(jī)等，可以選用性能好一些的步進(jìn)電動機(jī)，如混合式步進(jìn)電動機(jī)，以降低成本，提高性價比。（5） 檢測裝置的選用 選用步進(jìn)電動機(jī)作為伺服電動機(jī)后，可選開環(huán)控制，也可選閉環(huán)控制。任務(wù)書所給的精度對于步進(jìn)電

4、動機(jī)來說還是偏高的，為了確保電動機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中不受切削負(fù)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(jī)的尾部轉(zhuǎn)軸上安裝增量式旋轉(zhuǎn)編碼器，用以檢測電動機(jī)的轉(zhuǎn)角與轉(zhuǎn)速。增量式旋轉(zhuǎn)編碼器的分辨力應(yīng)與步進(jìn)電動機(jī)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(shè)計工作量，X、Y兩個坐標(biāo)的導(dǎo)軌副、絲桿螺母副、減速裝置、伺服電動機(jī)，以及檢測裝置擬采用相同的型號與規(guī)格。2. 控制系統(tǒng)的設(shè)計1） 設(shè)計的X-Y工作臺準(zhǔn)備用在數(shù)控銑床上，其控制系統(tǒng)應(yīng)該具有單坐標(biāo)定位、兩坐標(biāo)直線插補(bǔ)與圓弧插補(bǔ)的基本功能，所以控制系統(tǒng)應(yīng)該設(shè)計成連續(xù)控制型。2） 對于步進(jìn)電動機(jī)的半閉環(huán)控制，選用

5、MCS-51系列的8位單片機(jī)AT89C52作為控制系統(tǒng)的CPU，應(yīng)該能夠滿足任務(wù)書給定的相關(guān)指標(biāo)。3） 要設(shè)計一臺完整的控制系統(tǒng)，在選擇CPU之后，還需要擴(kuò)展程序存儲器、數(shù)據(jù)存儲器、鍵盤與顯示電路、I/O接口電路、D/A轉(zhuǎn)換電路、串行接口電路等。4） 選擇合適的驅(qū)動電源，與步進(jìn)電動機(jī)配套使用。3. 機(jī)械傳動部件的計算與選型1. 導(dǎo)軌上移動部件的重量估算按照下導(dǎo)軌上面移動部件的重量來進(jìn)行估算。包括工件、夾具、工作平臺、上層電動機(jī)、減速箱、滾珠絲桿副、直線滾動導(dǎo)軌副、導(dǎo)軌座等，估計重量約為1000N。2. 銑削力的計算設(shè)零件的加工方式為立式銑削，采用硬質(zhì)合金立銑刀，工件的材料為碳鋼。則有表3-7查

6、得立銑時的銑削力計算公式為：Fc=今選擇銑刀直徑d=50mm，齒數(shù)Z=3，為了計算最大銑削力，在不對稱銑削情況下，取最大銑削寬度ae=50mm，背吃刀量ap=8mm，每齒進(jìn)給量fz=0.1mm，銑刀轉(zhuǎn)速n=1500rmin。則由公式求得最大銑削力：Fc=采用立銑刀進(jìn)行圓柱銑削時，各銑削力之間的比值可由表3-5查得3-4a，考慮逆銑時的情況，可估算三個方向的銑削力分別為：Ff=1.1Fc1771N，F(xiàn)e=0.38Fc611.8N，F(xiàn)fn=0.25Fc402.5N。圖3-4a為臥銑情況，現(xiàn)考慮立銑，則工作臺收到垂直方向的銑削力Fz=Fe=611.8N，受到水平方向的銑削力分別為Ff和Ffn。今將水

7、平方向較大的銑削力分配給工作臺的縱向（絲桿軸線方向），則縱向銑削力Fx=Ff=1771N，徑向銑削力Fy=Ffn=402.5N。3. 直線滾動導(dǎo)軌副的計算與選型（1） 滑塊承受工作載荷Fmax的計算及導(dǎo)軌型號的選取 工作載荷是影響直線滾動導(dǎo)軌副使用壽命的重要因素。設(shè)計中的X-Y工作臺為水平布置，采用雙導(dǎo)軌、四滑塊的支承形式。考慮最不利的情況，即垂直于臺面的工作載荷全部由一個滑塊承擔(dān)，則單滑塊所受的最大垂直方向載荷為：Fmax=G4+F 其中，移動部件重量G=800N，外加載荷F=Fz=611.8N，代入上式，得最大工作載荷Fmax=811.8N。查表3-41，根據(jù)工作載荷Fmax=811.8N

8、，初選直線滾動導(dǎo)軌副的型號為KL系列的JSA-LG15型，其額定動載荷Ca=7.94kN，額定靜載荷C0a=9.5kN。任務(wù)書規(guī)定工作臺面尺寸為230mm×230mm，加工范圍為600mm×230mm，考慮工作行程應(yīng)留有一定余量，查表3-35，按標(biāo)準(zhǔn)系列，選取導(dǎo)軌的長度為640mm。（2） 距離額定壽命L的計算 上述選取的KL系列的JSA-LG15型導(dǎo)軌副滾道硬度為60HRC，工作溫度不超過100，每根導(dǎo)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3-36表3-40，分別取硬度系數(shù)fH=1.00、接觸系數(shù)fc=0.81、精度系數(shù)fR=0.9、載荷系數(shù)fW=1.

9、5，代入式子得距離壽命： L=遠(yuǎn)大于期望值50Km，故距離額定壽命滿足要求。4. 滾珠絲桿螺母副的計算與選型（1） 最大工作載荷Fm的計算 如上所述，在立銑時，工作臺受到進(jìn)給方向的載荷（與絲桿軸線平行）Fx=1771N，受到橫向的載荷（與絲桿軸線垂直）Fy=402.5N，受到垂直方向的載荷（與工作臺面垂直）Fz=611.8N。已知移動部件總重量G=800N，按矩形導(dǎo)軌進(jìn)行過計算，查表3-29，取顛覆力矩影響系數(shù)K=1.1，滾動導(dǎo)軌上的摩擦因數(shù)=0.005。求得滾珠絲桿副的最大工作載荷：Fm=KFx+（Fz+Fy+G）=1.1×1771+0.005×（611.8+402.5+

10、800）1957N(2) 最大動載荷FQ的計算 設(shè)工作臺在承受最大銑削力時的最快進(jìn)給速度v=560mmmin，初選絲桿導(dǎo)程Ph=5mm，則此時絲桿轉(zhuǎn)速n=vPh=120r/min。取滾珠絲桿的使用壽命T=15000h，代入L0=60nT/10 , 得絲桿壽命系數(shù)L0=108（單位為：10 r）。查表3-30，取載荷系數(shù)fW=1.2，滾道硬度為60HRC時，取硬度系數(shù)fH=1.0，代入式子求得最大動載荷： FQ=（3） 初選型號 根據(jù)計算出的最大動載荷和初選的絲桿導(dǎo)程，查表3-31，選擇濟(jì)寧博特精密絲桿制造有限公司生產(chǎn)的CM3205-4型滾珠絲桿副，為內(nèi)循環(huán)固定反向器單螺母式，其公稱直徑為32m

11、m，導(dǎo)程為5mm，循環(huán)滾珠為4圈×1列，精度等級取5級，額定動載荷為13675N，大于FQ，滿足要求。（4） 傳動效率的計算 將公稱直徑d0=32mm，導(dǎo)程Ph=5mm，代入=arctanPh(d0)，得絲桿螺旋升角=2.85°。將摩擦角=10，代入=tantan（+），得傳動效率=94.4。（5） 剛度的演算 1）X-Y工作臺上下兩層滾珠絲桿副的支承均采用“單推-單推”的方式。絲桿的兩端各采用一對推力角接觸球軸承，面對面組配，左、右支承的中心距離約為a=500mm；鋼的彈性模量E=2.1×10 MPa；查表3-31，得滾珠直徑Dw=3.175mm，絲桿底徑d2=

12、28.2mm，絲桿截面積S=d24=624.26mm²。算得絲桿在工作載荷Fm作用下產(chǎn)生的拉/壓變形量1=Fma/（ES）=1957×5002.1×10 ×624.26=0.0075mm。 2）根據(jù)公式Z=（d0Dw）3，求得單圈滾珠數(shù)Z=30；該型號絲桿為單螺母，滾珠的圈數(shù)×列數(shù)為3×1，代入公式：Z=Z×圈數(shù)×列數(shù)，得滾珠總數(shù)量Z=90。絲桿預(yù)緊時，取軸向預(yù)緊力Fyj=Fm/3=652N。則由公式得滾珠與螺紋滾道間的接觸變形量 20.0021mm。因為絲桿加有預(yù)緊力，且為軸向負(fù)載的1/3，所以實際變形量可減少一

13、半，取 2=0.0011mm。 3）將以上算出的1和2代入總=1+2，求得絲桿總變形量（對應(yīng)跨度500mm） 總0.0086mm=8.6m。 設(shè)計中，絲桿的有效行程為230mm，由表3-27知，5級精度滾珠絲桿有效行程在<=315mm時，行程偏差允許達(dá)到23m，可見絲桿剛度足夠。（6） 壓桿穩(wěn)定性校核 根據(jù)公式計算失穩(wěn)時的臨界載荷Fk。查表3-34，支承系數(shù)fK=1；由絲桿底徑d2=28.2mm，求得截面積慣性矩I=d26431027.45mm 壓桿穩(wěn)定安全系數(shù)K取3（絲桿臥式水平安裝）；滾動螺母至軸向固定處的距離a取最大值500mm。代入公式得臨界載荷Fk85657.1N，遠(yuǎn)大于工作載

14、荷Fm=1771N，故絲桿不會失穩(wěn)。 綜上所述，初選的滾珠絲桿副滿足使用要求。5. 步進(jìn)電動機(jī)減速箱的選用為了滿足脈沖當(dāng)量的設(shè)計要求，增大步進(jìn)電動機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩，同時也為了使?jié)L珠絲桿和工作臺的轉(zhuǎn)動慣量折算到電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上盡可能地小，今在步進(jìn)電動機(jī)的輸出軸上安裝一套齒輪減速箱。采用一級減速，步進(jìn)電動機(jī)的輸出軸與小齒輪聯(lián)接，滾珠絲桿的軸頭與大齒輪聯(lián)接。其中大齒輪設(shè)計成雙片結(jié)構(gòu)，采用彈簧錯齒法消除側(cè)隙。已知工作臺的脈沖當(dāng)量=0.0075mm脈沖，滾珠絲桿的導(dǎo)程Ph=5mm，初選步進(jìn)電動機(jī)的步距角=0.75°。根據(jù)公式算得減速比：i=（·Ph）（360）=（0.75×5）（3

15、60×0.0075）=25/18本設(shè)計選用常州市新月電機(jī)有限公司生產(chǎn)的JBF-3型齒輪減速箱。大小齒輪模數(shù)均為1mm，齒數(shù)比為50:36，材料為45調(diào)質(zhì)鋼，齒表面淬硬后達(dá)55HRC。減速箱中心距為（50+36）/2mm=43mm，小齒輪厚度為20mm，雙片大齒輪厚度均為10mm。6. 步進(jìn)電動機(jī)的計算與選型（1） 計算加在步進(jìn)電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動慣量Jeq已知：滾珠絲桿的公稱直徑d0=32mm，總長l=500mm，導(dǎo)程Ph=5mm，材料密度=7.85×10 kgcm³；移動部件總重力G=800N；小齒輪寬度b1=20mm，直徑d1=36mm；大齒輪寬度b2=20m

16、m，直徑d2=50mm；傳動比i=25:18。如表4-1所示，算得各個零部件的轉(zhuǎn)動慣量如下：滾珠絲桿的轉(zhuǎn)動慣量Js=拖板折算到絲桿上的轉(zhuǎn)動慣量Jw=小齒輪的轉(zhuǎn)動慣量Jz1=大齒輪的轉(zhuǎn)動慣量Jz2=初選步進(jìn)電動機(jī)型號為90BYG2602，為兩相混合式，由常州寶馬集團(tuán)公司生產(chǎn)，二相八拍驅(qū)動時步距角為0.75°，從表4-5查得該型號電動機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量Jm=4kg·cm²。則加在步進(jìn)電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動慣量為： Jeq=Jm+Jz1+（Jz2+Jw+Js）i²=7.12kg·cm²（2） 計算加在步進(jìn)電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩Teq（分快速

17、空載起動和承受最大工作載荷兩種情況進(jìn)行計算。）1） 快速空載起動時電動機(jī)轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩Teq1由式子可知，Teq1包括三部分：一部分是快速空載起動時折算到電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大加速轉(zhuǎn)矩Tamax；一部分是移動部件運(yùn)動時折算到電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩Tf；還有一部分是滾珠絲桿預(yù)緊后折算到電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的附加摩擦轉(zhuǎn)矩T0。因為滾珠絲桿副傳動效率很高，根據(jù)公式可知T0相對于Tamax和Tf很小，可以忽略不計。則有： Teq1=Tamax+Tf根據(jù)公式，考慮傳動鏈的總效率，計算快速空載起動時折算到電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大加速轉(zhuǎn)矩： Tamax=（2Jeq·nm）（60ta·）式中 nm對應(yīng)

18、空載最快移動速度的步進(jìn)電動機(jī)最高轉(zhuǎn)速，單位為rmin； Ta步進(jìn)電動機(jī)由靜止到加速度至nm轉(zhuǎn)速所需的時間，單位為s。其中： nm=（Vmax·）（360）式中 Vmax空載最快移動速度，任務(wù)書指定為1540mm/min； 步進(jìn)電動機(jī)步距角，預(yù)選電動機(jī)為0.75°； 脈沖當(dāng)量，=0.005mm脈沖。將上式各值代入式子算得nm=641.67rmin。設(shè)步進(jìn)電動機(jī)由靜止到加速至nm轉(zhuǎn)速所需時間ta=0.4s，傳動鏈總效率=0.7。則由式子求得：Tamax= 由式子可知，移動部件運(yùn)動時，折算到電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩為：Tf=（Fz+G）Ph（2i）式中 導(dǎo)軌的摩擦因數(shù)，滾動導(dǎo)軌取0

19、.005； Fz垂直方向的銑削力，空載時取0； 傳動鏈總效率，取0.7。則由式子得： Tf= 最后由式子求得快速空載起動時電動機(jī)轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩：Teq1=Tamax+Tf=0.173N·m2） 最大工作負(fù)載狀態(tài)下電動機(jī)轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩Teq2 由式子可知，Teq2包括三部分：一部分是折算到電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大工作負(fù)載轉(zhuǎn)矩Tt；一部分是移動部件運(yùn)動時折算到電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩Tf；還有一部分是滾珠絲桿預(yù)緊后折算到電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的附加摩擦轉(zhuǎn)矩T0，T0相對于Tt和Tf很小，可以忽略不計。則有：Teq2=Tt+Tf 其中，折算到電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大工作負(fù)載轉(zhuǎn)矩Tt由式子計算。本設(shè)計中

20、對滾珠絲桿進(jìn)行計算的時候，已知沿著絲桿軸線方向的最大進(jìn)給載荷Fx=2291.87N，則有： Tt=再由式子計算垂直方向承受最大工作負(fù)載（Fz=791.74N）情況下，移動部件運(yùn)動時折算到電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩： Tf=最后由式子求得最大工作負(fù)載狀態(tài)下電動機(jī)轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩為： Teq2=Tt+Tf=1.456N·m經(jīng)過上述計算后，得到加在步進(jìn)電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩應(yīng)為： Teq=maxTeq1，Teq2= 1.456N·m（3） 步進(jìn)電動機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩的選定 考慮到步進(jìn)電動機(jī)的驅(qū)動電源受電網(wǎng)電壓影響較大，當(dāng)輸入電壓降低時，其輸出轉(zhuǎn)矩會下降，可能造成丟步，甚至堵轉(zhuǎn)。因此，根據(jù)Teq來選擇步進(jìn)電動機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩時，需要考慮安全系數(shù)。本設(shè)計中安全系數(shù)K=4，則步進(jìn)電動機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩應(yīng)滿足： Tjmax4Teq=4×1.456N·m=5.824N·m上述初選的步進(jìn)電動機(jī)型號為90BYG2602，由表4-5查得該型號電動機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩Tjmax=6N·m。可見滿足要求。（4） 步進(jìn)電動機(jī)的性能校核1） 最快工進(jìn)速度時電動機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩校核 任務(wù)書給定工作臺最快工進(jìn)速度Vmaxf=560mmmin，脈沖當(dāng)量=0.0075mm脈沖，由式子求出電動機(jī)對應(yīng)的運(yùn)行頻率f