機電一體化課程設計

1、機電一體化系統(tǒng)設計課程設計報告設計題目： CNC二維工作平臺的設計學 院： 機電工程學院 姓 名： 福利 學 號： XXXXXXXXXXXX 指導老師： XXXX XXX XXX XXXX 時 間： 2016年9月2日 目錄一、總體方案設計11.1、設計任務11.2、總體方案確定1二、工作臺的尺寸及其重量的初步確定4 2.1、 工作臺（X向托板）4 2.2、 工作臺（Y向托板）4 2.3、上導軌座（連電機）重量4三、滾動導軌的計算與選擇53.1、滑塊承受工作載荷的計算及導軌型號的選取53.2、導軌的壽命計算53.3、導軌額定動負載的核算6四、滾珠絲杠的設計計算及選擇64.1、滾珠絲杠最大工作載

2、荷的計算6 4.2、滾珠絲杠靜載荷的計算7 4.3、滾珠絲杠動載荷的計算74.4、絲杠型號的確定84.5、絲杠壓桿穩(wěn)定性核算84.6、絲杠剛度的驗算9五、電機的計算與選擇105.1、電機步距角的計算105.2、負載慣量的計算105.3、負載轉矩的計算115.4、步進電動機最大靜轉矩的計算六、聯(lián)軸器的選擇146.1、聯(lián)軸器的介紹146.2、聯(lián)軸器的選擇14七、軸承的選擇15八、控制系統(tǒng)硬件設計15九、控制系統(tǒng)的設計21十、參考文獻28一、設計任務設計一個用于在水平面內（XOY平面）進行切割的CNC二維工作平臺。切割刀位于Y方向工作臺上面，其受力點（X、Y方向的軸向載荷）到Y方向絲杠軸心線的距離為

3、100mm。XY方向行程：500×300mmX絲杠轉速n1：120r/minY絲杠轉速n1：120r/min理論定位精度：20mX方向軸向載荷F1：3500NY方向軸向載荷F1：2500NX方向工作臺滑板及組件重量：700NY方向工作臺滑板及組件重量：400N二、總體方案設計2.1、設計思路該工作臺設計主要分為機械系統(tǒng)部件和控制系統(tǒng)部件，其中機械系統(tǒng)部件主要包括導軌副、絲杠螺母副、減速裝置、伺服電動機和檢測裝置等，控制系統(tǒng)部件則包括CPU控制電路、電源設計電路、輸入信號電路、輸出信號電路、步進電機驅動控制電路等?？紤]在滿足設計要求的前提下，應盡可能采用簡潔輕便的結構設計和廉價實用的可

4、選材料，符合綠色環(huán)保的現(xiàn)代機械設計理念，由此來確定最終方案。因X向和Y向機械結構基本相同，故只繪制X向機械系統(tǒng)部分的結構簡圖，如下2.2、方案設計2.2.1 螺旋傳動機構設計CNC二維工作平臺傳動方案有兩類：傳動方案可分為滑動螺旋傳動和滾動螺旋傳動兩種：（1）滑動絲杠螺母機構（滑動螺旋傳動）滑動絲杠螺母機構具有結構簡單，運動平穩(wěn)，傳動精度高，螺紋導程小，降速比大，牽引力大等優(yōu)點。其缺點是摩擦阻力大，傳動效率低，螺紋中有側向間隙，故反向有空行程。由于動靜摩擦差別大，低速時可能出現(xiàn)爬行現(xiàn)象。（2）滾珠絲杠螺母機構（滾動螺旋傳動）滾珠絲杠就是在具有螺旋滾道的絲杠和螺母間充滿滾珠。這些滾珠作為中間傳動

5、件，在螺母閉合的回路中循環(huán)滾動，使絲杠螺母副的運動由滑動變成滾動，以減小摩擦。滾珠絲杠的傳動效率很高，當雙螺母預緊后，軸向剛度好，傳動副爬行小，具有較高的定位精度，啟動轉矩小，傳動靈敏，同步性好。其缺點是結構復雜，制造較困難，價格昂貴，以及不能自鎖。根據(jù)CNC二維工作平臺的要求，參看兩種傳動的特點，對于臥式CNC我們設計選擇滾珠絲杠螺母傳動。由于滾珠絲杠螺母機構不具有自鎖性，故應增加電磁制動裝置，以達到精確定位的目的。2.2.2 導軌的選擇與設計導軌副類型的選擇常用的導軌副組合形式有以下幾種：（1）雙三角形導軌 ：導向性和精度保持性高，接觸剛度好。但工藝性差。用于精度要求較高的機床設備。（2）

6、矩形和矩形組合: 制造調整簡單。（3）三角形和矩形組合：導向性好，制造方便，剛性好，但是磨損不均勻。（4）三角形和平面導軌組合：摩擦阻力不一致，容易產生力矩，造成三角形導軌對角接觸，影響運動的導向精度，不能克服顛覆力矩。（5）燕尾形導軌及其組合：A、整體式燕尾導軌：B、裝配式燕尾導軌：制造調試方便。C、燕尾與矩形組合式導軌：調整方便、承受力矩大。根據(jù)CNC二維工作平臺的要求以及設計思路，參看多種導軌副組合的特點，對于臥式CNC我們設計選擇三角形和矩形組合的導軌副。導軌副材料的選擇根據(jù)設計思路以及工作情況，對于臥式CNC我們設計選擇導軌副的材料為鑄鐵，因為鑄鐵具有耐磨性和減振性好，熱穩(wěn)定性高，易

7、于鑄造和切削加工，成本低等特點。2.2.3 機架的設計根據(jù)設計思路，選用廉價實用的材料，降低成本，滿足要求即可，故我們選用機架的材料是45剛。2.2.4 伺服系統(tǒng)的選用根據(jù)任務書規(guī)定參數(shù)以及設計思路。只需要選用性能較好的步進電動機即可滿足要求，故在本設計中選用勵磁式步進電動機，以降低成本，提高性價比。2.2.5 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

8、的分辨率應與步進電動機的步距角相匹配。2.2.6 減速裝置的設計選擇了步進電動機和滾珠絲杠副以后，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，且應有消間隙機構。但本設計中要求系統(tǒng)結構緊湊，且依靠步進電動機和滾珠絲杠副已經(jīng)可以達到所需的脈沖當量，因此不使用減速箱?？紤]到X、Y兩個方向的加工范圍相差不大，承受的工作載荷也相差不大，為了減少設計工作量，X、Y兩個坐標的導軌副、絲杠螺母副、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。2.3、方案確定綜合考慮設計任務和設計思路，因系統(tǒng)定位精度和最快移動速度相對并不是很高，故選用性能較好而

9、性價比較高的混合式步進電動機已經(jīng)足夠，下層電機固定在機座上，上層電動機固定在工作臺滑板上；為了避免爬行現(xiàn)象，同時節(jié)約生產成本，且因該設計載荷較低，故選用直線滾動導軌副；滑動絲杠副在低速或微調時可能產生爬行顯現(xiàn)，且為了能夠滿足定位精度，故選用滾珠絲杠副；控制系統(tǒng)選用AT89C51單片機，足以滿足設計要求且較為廉價；由于本設計中要求系統(tǒng)結構緊湊，且依靠步進電動機和滾珠絲杠副已經(jīng)可以達到所需的脈沖當量，因此可以不使用減速箱。三、滾珠絲杠副與控制電機的設計與計算3. 1 X和Y方向絲杠的具體設計3.1.1 Y方向的絲杠螺母副及其步進電機由CNC題目（臥式）可知：Y方向的軸向工作載荷F22500N ；理

10、論定位精度20m ；絲杠轉速n2120r/min；y方向工作臺滑板及其組件重量W2400 N ；參考同類型的設備，選擇電機和絲杠通過聯(lián)軸器直接相連，則i=1（步進電機到絲杠間的傳動比）。這樣選取的好處是不要中間件，減少了傳動件，有利于提高精度，安裝等較為方便1、Y方向絲杠受力分析及絲杠軸向力計算Y方向工作臺滑板及其組件重量W2以及X方向的軸向工作載荷主要由導軌承擔，而絲杠主要承受Y方向的軸向力F。Y方向絲杠所受的總軸向力F由兩部分組成：一是刀具所受的Y方向軸向工作載荷Fa2；二是Y方向工作臺滑板及其組件重量W2和X方向的軸向載荷在導軌上產生的合成摩擦力FN兩部分組成：F=FN+Fa2FN=&#

11、215;Fa12+W22式中 F絲杠所受的總軸向力 N ； FN導軌與工作臺滑板之間的摩擦力 N ； Fa2Y方向軸向工作載荷 N 導軌與工作臺滑板之間的摩擦系數(shù)，由于導軌與工作臺滑板處于邊界潤滑狀態(tài)（脂潤滑或油潤滑），可取0.050.2 ；W2Y方向工作臺滑板及組件重量 N ；Fa1X方向的軸向工作載荷 N將W2400N、Fa22500N、Fa13500N、取0.1 帶入上式得Y方向絲杠所受的總軸向力F（臥式CNC）：F=FN+Fa2=352.325002852.3 N2、絲杠設計計算及尺寸選擇由于絲杠為低速傳動，所以應按壽命和額定靜載荷兩種方法確定其尺寸，然后選擇其中較大的。（1）按額定靜

12、載荷選擇：因為Y方向絲杠所受的總軸向力 F2852.3N，按CoaF的原則查附表1選擇絲杠尺寸。這里選外循環(huán)滾珠絲杠,公稱直徑do16mm、導程L04mm ，2.5圈×1列，Coa=14100N；（2）按疲勞壽命選擇：式中 運轉系數(shù)，查表45（平穩(wěn)或輕度沖擊時為1.01.2，取載荷系數(shù)=1.2）硬度系數(shù)，查表46（滾道硬度為60HRC時，取硬度系數(shù)=1.0） F軸向工作載荷（N）Ca最大（基本）額定動載荷（N），其值可查書末附表1、2 Ca計算額定動載荷L'預期使用壽命L'=60×n×T106式中 n滾珠絲杠副的轉速（r/min）；T預期使用壽命時

13、間（h）取滾珠絲杠的使用壽命取滾珠絲杠副轉速n=120r/min得 : L'=138.24 Ca17697.8N查附表1滾珠絲杠副的設計表，并參考同類型設備的實際情況，設計選用： 外循環(huán)滾珠絲杠，公稱直徑d025mm，導程L06mm，3.5圈×1列，Ca=18950 N，鋼球直徑（db）Dw=3.969mm,=4.36666 ,精度等級為E，基本導程極限偏差為±6m。顯然，最后應選擇d025的絲杠。3、控制電機的選擇(1)、計算電機所需要的最小轉矩Tmin由Y方向的總軸向力F和絲杠的公稱直徑d0，及=4.3666°計算電機所需要的最小轉矩： 式中 d為絲杠

14、螺紋大徑，由表4-1公式計算得 d24.11d1為絲杠螺紋小徑 ，由表4-1公式計算得 d121d2為絲杠中徑 ，d222.55為當量摩擦角， 這里取0。按照電機額定輸出轉矩T電機所需的最小轉矩Tmin=2.4Nm的原則，在網(wǎng)上查看步進電機類型及參數(shù)有兩種型號可選，轉矩為2.5N.m的電機在以后的校核中被淘汰，故選擇型號110BYGH2501永磁感應子式二相四拍步進電機。在網(wǎng)上查得：其轉矩是9.8N·m，步進電機的步距角為0.9°。當取脈沖發(fā)生頻率為800個/秒時，步進電機的轉數(shù)為：n60×800/(360/0.9)=120r/min。與題目要求相符合，可行。4、

15、計算理論定位精度、絲杠步距角和絲杠軸向移動速度V：計算出理論定位精度（即直線脈沖當量）和絲杠的步距角2 。2=360/ L01 / i （°）理論定位精度（即為直線脈沖當量），是指一個脈沖，螺母相對于絲杠的直線位移量 mm。1電機步距角（°）2絲杠步距角（當傳動比i1時，絲杠與電機的步距角不相等）（°）L0絲杠基本導程（mm）i電機到絲杠之間的傳動比，這里因為電機與絲杠是直接聯(lián)接，故傳動比為1。將參數(shù)代入理論定位精度公式計算可得，=15m。因為絲杠的步距角20.9°，則由800脈沖/秒和=0.015mm得絲杠的軸向移動速度：V=1000/(360/步距角

16、)×L0=12mm/s（屬于低速運動）。由以上參數(shù)可知，滿足設計題目要求。3.1.2 設計X方向的滾珠絲杠螺母機構及其步進電機由CNC題目（臥式）可知：X方向的軸向工作載荷F13500N ；理論定位精度20m ；絲杠轉速n1120r/min；y方向工作臺滑板及其組件重量W1700 N ；參考同類型的設備，選擇電機和絲杠通過聯(lián)軸器直接相連，則i=1（步進電機到絲杠間的傳動比）。這樣選取的好處是不要中間件，減少了傳動件，有利于提高精度，安裝等較為方便1、X方向絲杠受力分析及絲杠軸向力計算X方向工作臺滑板及其組件重量W1以及Y方向的軸向工作載荷主要由導軌承擔，而絲杠主要承受X方向的軸向力F

17、。X方向絲杠所受的總軸向力F由兩部分組成：一是刀具所受的X方向軸向工作載荷Fa1；二是X方向工作臺滑板及其組件重量W1和Y方向的軸向載荷在導軌上產生的合成摩擦力FN兩部分組成：F=FN+Fa1FN=×Fa22+W22式中 F絲杠所受的總軸向力 N ； FN導軌與工作臺滑板之間的摩擦力 N ； Fa2Y方向軸向工作載荷 N 導軌與工作臺滑板之間的摩擦系數(shù)，由于導軌與工作臺滑板處于邊界潤滑狀態(tài)（脂潤滑或油潤滑），可取0.050.2 ；W1X方向工作臺滑板及組件重量 N ；Fa1X方向的軸向工作載荷 N將W1700N、Fa22500N、Fa13500N、取0.1 帶入上式得X方向絲杠所受的

18、總軸向力F（臥式CNC）：F=FN+Fa1=259.635006096.15N2、絲杠設計計算及尺寸選擇由于絲杠為低速傳動，所以應按壽命和額定靜載荷兩種方法確定其尺寸，然后選擇其中較大的。（1）按額定靜載荷選擇：因為X方向絲杠所受的總軸向力 F6096.15N，按CoaF的原則查附表1選擇絲杠尺寸。這里選外循環(huán)滾珠絲杠,公稱直徑do25mm、導程L04mm ，2.5圈×1列，Coa=14100N；（2）按疲勞壽命選擇：式中 運轉系數(shù)，查表45（平穩(wěn)或輕度沖擊時為1.01.2，取載荷系數(shù)=1.2）硬度系數(shù)，查表46（滾道硬度為60HRC時，取硬度系數(shù)=1.0） F軸向工作載荷（N）Ca

19、最大（基本）額定動載荷（N），其值可查書末附表1、2 Ca計算額定動載荷L'預期使用壽命L'=60×n×T106式中 n滾珠絲杠副的轉速（r/min）；T預期使用壽命時間（h）取滾珠絲杠的使用壽命取滾珠絲杠副轉速n=120r/min得 : L'=138.24 Ca37825.2N查附表1滾珠絲杠副的設計表，并參考同類型設備的實際情況，設計選用： 外循環(huán)滾珠絲杠，公稱直徑d063mm，導程L08mm，3.5圈×1列，Ca=37900 N，鋼球直徑（db）Dw=4.763mm,=2.32 ,精度等級為E，基本導程極限偏差為±6m。顯然

20、，最后應選擇d025的絲杠。3、控制電機的選擇(1)、計算電機所需要的最小轉矩Tmin由Y方向的總軸向力F和絲杠的公稱直徑d0，及=2.32°計算電機所需要的最小轉矩： Tmin=F×d22×tan+=7.42Nm式中 d為絲杠螺紋大徑，由表4-1公式計算得 d62.05mmd1為絲杠螺紋小徑 ，由表4-1公式計算得 d158.18mmd2為絲杠中徑 ，d260.12mm為當量摩擦角， 這里取0。按照電機額定輸出轉矩T電機所需的最小轉矩Tmin=7.42Nm的原則，在網(wǎng)上查看步進電機類型及參數(shù)有兩種型號可選，轉矩為7.5Nm的電機在以后的校核中被淘汰，故選擇型號1

21、10BYGH2501永磁感應子式二相四拍步進電機。在網(wǎng)上查得：其轉矩是9.8N·m，步進電機的步距角為0.9°。當取脈沖發(fā)生頻率為800個/秒時，步進電機的轉數(shù)為：n60×800/(360/0.9)=120r/min。與題目要求相符合，可行。4、計算理論定位精度、絲杠步距角和絲杠軸向移動速度V：計算出理論定位精度（即直線脈沖當量）和絲杠的步距角2 。2=360/ L01 / i （°）理論定位精度（即為直線脈沖當量），是指一個脈沖，螺母相對于絲杠的直線位移量 mm。1電機步距角（°）2絲杠步距角（當傳動比i1時，絲杠與電機的步距角不相等）（&#

22、176;）L0絲杠基本導程（mm）i電機到絲杠之間的傳動比，這里因為電機與絲杠是直接聯(lián)接，故傳動比為1。將參數(shù)代入理論定位精度公式計算可得，=15m。因為絲杠的步距角20.9°，則由800脈沖/秒和=0.015mm得絲杠的軸向移動速度：V=800/(360/步距角)×L0=12mm/s（屬于低速運動）。由以上參數(shù)可知，滿足設計題目要求。故X方向和Y方向選擇相同的電動機，有關參數(shù)見下表型號步距角相數(shù)電壓（V）電流（A）靜轉矩（Nm）空載運行頻率（KHZ）轉動慣量（Kgcm2）機身長（mm）110BYG25010.9/1.821104121511144四、導軌的設計根據(jù)任務書要

23、求XY方向行程為500×300mm，故初步取導軌座的長600mm，寬為400mm，采用三角形和矩形組合的導軌副，材料為鑄鐵，因為鑄鐵具有耐磨性和減振性好，熱穩(wěn)定性高，易于鑄造和切削加工，成本低等特點，五、軸承的設計與選用5.1 X方向的軸承選用根據(jù)滾珠絲桿的公稱直徑 63mm，額定動載荷Ca=37900N和額定靜載荷F6096.15以及軸承所承受的最大載荷700N，查機械零件設計手冊，以確定所選軸承的型號。所選的軸承為深溝球軸承6013，有關參數(shù)見下表：基本尺寸安裝尺寸基本額定載荷極限轉速dDB動載荷靜載荷脂潤滑油潤滑65120230.6741111.557.240.05000630

24、05.2 Y方向的軸承選用根據(jù)滾珠絲桿的公稱直徑 25mm，額定動載荷Ca=17697.8N和額定靜載荷F2782N以及軸承所承受的最大載荷400N，查機械零件設計手冊，以確定所選軸承的型號。所選的軸承為深溝球軸承6206，有關參數(shù)見下表：基本尺寸安裝尺寸基本額定載荷極限轉速dDB動載荷靜載荷脂潤滑油潤滑3062160.63656119.511.5950013000六、控制系統(tǒng)硬件設計X-Y數(shù)控工作臺控制系統(tǒng)硬件主要包括CPU、傳動驅動、傳感器、人機交互界面。硬件系統(tǒng)設計時，應注意幾點：電機運轉平穩(wěn)、響應性能好、造價低、可維護性、人機交互界面可操作性比較好。6.1 CPU的選擇隨著微電子技術水平的不斷提高，單片微型計算機有了飛躍的發(fā)展。單片機的型號很多，而目前市場上應用MCS-51芯片及其派生的兼容芯片比較多，如目前應用最廣的8位單片機89C51，價格低廉，而性能優(yōu)良，功能強大。在一些復雜的系統(tǒng)中就不得不考慮使用16位單片機，MCS-96系列單片機廣泛應用于伺服系統(tǒng)，變頻調速等各類要求實時處理的控制系統(tǒng)，它具有較強的運算和擴展能力。但是定位合理的單片機可以節(jié)約資源，獲得較高的性價比。從要設計的系統(tǒng)來看，選用較老的8051單片機需要拓展程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器，無疑提高了設計價格，而選用高性能的16位MCS-