XY數(shù)控工作臺機電系統(tǒng)設計 尹志強 合肥工業(yè)大學說課講解

1、Good is good, but better carries it.精益求精，善益求善。XY數(shù)控工作臺機電系統(tǒng)設計 尹志強 合肥工業(yè)大學目錄TOCo1-3huHYPERLINKl_Toc32131一、設計目的PAGEREF_Toc321313HYPERLINKl_Toc30335二、設計任務PAGEREF_Toc303354HYPERLINKl_Toc5617三總體方案的確定PAGEREF_Toc56174HYPERLINKl_Toc257561、機械傳動部件的選擇.PAGEREF_Toc257564HYPERLINKl_Toc19722(1)絲杠螺母副的選用PAGEREF_Toc1972

2、25HYPERLINKl_Toc17440(2)導軌副的選用PAGEREF_Toc174405HYPERLINKl_Toc1195(3)伺服電動機的選用PAGEREF_Toc11955HYPERLINKl_Toc278602、控制系統(tǒng)的設計PAGEREF_Toc278605HYPERLINKl_Toc95833、繪制總體方案圖PAGEREF_Toc95836HYPERLINKl_Toc7436四、機械傳動部件的計算與選型PAGEREF_Toc74366HYPERLINKl_Toc132711、導軌上移動部件的重量估算PAGEREF_Toc132716HYPERLINKl_Toc42912、銑削

3、力的計算PAGEREF_Toc42916HYPERLINKl_Toc26156五、步進電動機的計算與選型PAGEREF_Toc2615610HYPERLINKl_Toc14981、傳動計算PAGEREF_Toc149810HYPERLINKl_Toc115052、計算加在步進電動機轉軸上的總轉動慣量JeqPAGEREF_Toc1150510HYPERLINKl_Toc115773、計算加在步進電動機轉軸上的等效負載轉矩TeqPAGEREF_Toc1157711HYPERLINKl_Toc296744、步進電動機最大靜轉矩的選定PAGEREF_Toc2967413HYPERLINKl_Toc42

4、63六、直線滾動導軌副的計算與選型PAGEREF_Toc426315HYPERLINKl_Toc209171、塊承受工作載荷的計算及導軌型號的選取PAGEREF_Toc2091715HYPERLINKl_Toc193752、距離額定壽命L的計算PAGEREF_Toc1937515HYPERLINKl_Toc23941七、繪制進給傳動系統(tǒng)示意圖PAGEREF_Toc2394116HYPERLINKl_Toc17192八、控制系統(tǒng)硬件電路設計PAGEREF_Toc1719216HYPERLINKl_Toc12673九、步進電動機的驅動電源選用PAGEREF_Toc1267319HYPERLINKl

5、_Toc30365結束語PAGEREF_Toc3036519參考文獻20一、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：立銑刀最大直徑的d=15mm；立銑刀齒數(shù)Z=3；最大銑削寬度=15mm；最大背吃刀量=8mm；加工材料為碳素鋼活有色金屬；X、Y方向的脈沖當量x=y=0.005mm/脈沖；X、Y方向的定位精度均為0.01mm；工作臺尺寸230mm230，加工范圍為250mm250mm；工作臺空載進給最快移動速度：Vxmax=Vymax=3000mm/min；工作臺進給最快移動速度:Vxmax=Vymax=400mm/min；二總體

6、方案的確定1、機械傳動部件的選擇(1)導軌副的選用要設計數(shù)控車床工作臺，需要承受的載荷不大，而且定位精度高，因此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，安裝預緊方便好且精度保持性等優(yōu)點。選滾珠導軌，適合用于導軌上運動部件重量小于200kg的機床，摩擦阻力小，制造容易，成本較低。(2)絲杠螺母副的選用伺服電動機的旋轉運動需要通過絲杠螺母副轉換成直線運動，需要滿足0.001mm的定位精度，滑動絲杠副不能達到要求，因此選用滾珠絲桿副，滾珠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

7、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(3)伺服電動機的選用任務書規(guī)定的定位精度也未達到微米級，空載最快移動速度也只有因此3000mm/min，故本設計不必采用高檔次的伺服電動機，因此可以選用混合式步進電動機。以降低成本，提高性價比。2、控制系統(tǒng)的設計1）設計的X-Z工作臺準備用在數(shù)控車床上，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)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AT89S52作為控制系統(tǒng)的CPU，能夠滿足任務書給定的相關指標。3

8、）要設計一臺完整的控制系統(tǒng)，在選擇CPU之后，還要擴展程序存儲器，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、機械傳動部件的計算與選型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。2、銑削力的計算采用硬質合金立銑刀，工件的材料為碳鋼，根據金屬切屑原理與刀具200頁表15-5得硬質合金立銑刀銑削力經驗公式FC=118e0.85fz0.75d-0.73ap1.0n0.1其中銑刀的直徑d=15mm，齒數(shù)Z

9、=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=15mm，背吃刀量ap=8mm，查切削用量簡明手冊可得，每齒進給量fz=0.1mm，銑刀轉速n=300/min。則由上公式求得最大銑削力：FC=118x0.85x0.10.75x15-0.73x81.0 x3000.1x1=1233N考慮逆銑時的情況，可估算三個方向的銑削力分別為：Ff=1Fc=1356N，F(xiàn)e=0.38Fc=308N，F(xiàn)fm=469N則工作臺受到垂直方向的銑削力Fz=Fe=308N，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=135

10、6N，徑向銑削力Fy=Ffn=469N。3直線滾動導軌副的計算與選型1）、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。本例中的X-Y工作臺為水平布置，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800N，外加載荷F=Fz=469，代入上式，得最大工作載荷=669N=0.669kN。根據工作載荷=0.669kN，初選直線滾動導軌副的型號為KL系列的LG15型，其額定動載荷為7.94KN，額定靜載荷9.5KN。任務書規(guī)定工作臺面尺寸為，加工范圍為，考慮工作行程

11、應留有一定余量，按標準系列，選取導軌的長度為520mm。2、距離額定壽命L的計算上述所取的KL系列LG15系列導軌副的滾道硬度為60HRC，工作溫度不超過C，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。查機電一體化系統(tǒng)設計手冊表2.9-132.9-16，分別取硬度系數(shù)f=1.0，溫度系數(shù)f=1.00，接觸系數(shù)f=0.81，精度系數(shù)fa=0.9，載荷系數(shù)f=1.5，代入式（3-33），得距離壽命：L=遠大于期望值50Km，故距離額定壽命滿足要求。4滾珠絲杠杠螺母副的計算與選型（1）最大工作載荷Fm的計算在立銑時，工作臺受到進給方向的載荷（與絲杠軸線平行）Fx=1356N，受到橫向

12、的載荷（與絲杠軸線垂直）Fy=308N，受到垂直方向的載荷（與工作臺面垂直）Fz=469N。已知移動部件總質量G=800N，按矩形導軌進行計算，由金屬切屑機床126頁公式17-5得：Fm=KFx+(Fz+Fy+G)=1.11356+0.005(469+308+500)N1498N取摩擦系數(shù)=0.005。取顛覆力矩影響系數(shù)K=1.1,求得滾珠絲杠副的最大工作載荷：（2）最大動載荷FQ的計算設工作臺在承受最大銑削力時的最快進給速度v=400mm/min，初選絲杠導程Ph=5mm，則此時絲杠轉速n=v/Ph=80r/min。取滾珠絲杠的使用壽命T=15000h，代入L0=60nT/106，得絲杠壽命

13、系數(shù)L0=72(單位為：106r)。查課本110頁表5-1,5-2，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，求得最大動載荷：FQ7478N（3）初選型號根據計算出的最大動載荷和初選的絲杠導程，查現(xiàn)代實用機床設計手冊（上冊）967頁，選擇南京工藝裝備制造有限公司生產的FF2005-3型滾珠絲杠副，為內循環(huán)浮動式反向器螺母無預緊滾珠絲杠副，其公稱直徑為20mm，導程為5mm，循環(huán)滾珠總圈數(shù)為3圈，精度等級取5級，額定動載荷為9100N，大于FQ滿足要求。（4）傳動效率的計算將公稱直徑d0=20mm，導程Ph=5mm，代入=arctanPh/(d0)，得絲杠螺旋升角=

14、433。將摩擦角=10，代入=tan/tan(+)，得傳動效率=96.4%。（5）剛度的驗算1）X-Y工作臺上下兩層滾珠絲杠副的支撐均采用“單推-單推”的方式。絲杠的兩端各采用一對推力角接觸球軸承，面對面組配，左、右支撐的中心距離約為a=500mm；鋼的彈性模量E=2.1105MPa；查現(xiàn)代實用機床設計手冊（上冊）967頁，得滾珠直徑DW=3.5mm，絲杠底徑d2=16.9mm，絲杠截面積S=d22/4=224.2mm2。則絲杠在工作載荷Fm作用下產生的拉/壓變形量：1=Fma/(ES)=1498500/(2.1105224.2)0.0159mm。2）根據公式Z=(d0/DW)-3，求得單圈滾

15、珠數(shù)Z=20；該型號絲杠為單螺母，滾珠的圈數(shù)列數(shù)為31，代入公式：Z=Z圈數(shù)列數(shù)，得滾珠總數(shù)量Z=60。絲杠預緊時，取軸向預緊力FYJ=Fm/3=631。則求得滾珠與螺紋滾道間的接觸變形20.0027。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少一半，取2=0.0013mm。17.23)將以上算出的1和2代入總=1+2，求得絲杠總變形量(對應跨度500mm)總=0.0172mm=17.2m。本例中，絲杠的有效行程為350mm，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。（6）壓桿穩(wěn)定性校核根據公式計算失穩(wěn)時的臨界載荷

16、。查現(xiàn)代實用機床設計手冊（上冊）944、953頁，知當滾珠絲杠的安裝方式為一端固定，一端游動時，取壓桿穩(wěn)定安全系數(shù)f1=0.25（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：得臨界載荷=4.324KNFm，故絲杠不會失穩(wěn)。6、步進電動機的計算與選型（1）、計算加在步進電動機轉軸上的總轉動慣量Jeq由數(shù)控機床系統(tǒng)設計134頁得：由于負載轉矩情況不同，負載慣量只能由已計算精確地得到。由電動機驅動的所有運動部件，無論是旋轉運動還是直線運動部件，都成為電動機的負載慣量，總的慣量以通過計算各個被驅動部件的慣量，并以一定規(guī)律將其加起來即可。滾珠絲杠的公稱直徑d0=20mm，

17、總長l=500mm，導程Ph=5mm，材料密度=7.8510-5kg/;移動部件總重力G=800N；圓柱體慣量，當圓柱體圍繞其中心軸線旋轉時，其慣量可由下述公式計算：對于鋼材：代入數(shù)據得：J1=0.4312沿直線軸移動物體的慣量：初選步進電動機的型號為90BYG5502,由常州市德利來電器有限公司生產，五相混合式步進電動機，驅動時的步距角為0.72，從表查得該型號的電動機轉子的轉動慣量Jm=4kgcm2?？偟霓D動慣量為：J=J1+J2+J0。其中J0為初選電動機的轉子轉動慣量，為4kgcm2。代入數(shù)據得：J=9.48kgcm2（2）、計算加在步進電動機轉軸上的等效負載轉矩Teq分快速空載和承受

18、最大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，根據式（4-12）可知，則有：=+T0（6-13）根據式（4-9），考慮傳動鏈的總效率，計算空載起動時折算到電動機轉軸上最大加速轉矩：=(6-14)其中：=1200r/min(6-15)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0.72；脈沖當量，本例=0.

19、005mm/脈沖。設步進電機由靜止加速至所需時間，傳動鏈總效率。則由式求得：=由式知，移動部件運動時，折算到電動機轉軸上的摩擦轉矩為：式中導軌的摩擦因素，滾動導軌取0.005垂直方向的銑削力，空載時取0傳動鏈效率，取0.7最后由式（6-16）求得快速空載起動時電動機轉軸所承受的負載轉矩：=+=0.002Nm最后由式（6-13）求得快速空載起動時電動機轉軸所承受的負載轉矩：=+=0.01535Nm(6-17)2)最大工作負載狀態(tài)下電動機轉軸所承受的負載轉矩由式（4-13）可知，包括三部分：一部分是折算到電動機轉軸上的最大工作負載轉矩；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

20、是滾珠絲杠預緊后折算到電動機轉軸上的附加摩擦轉矩，相對于和很小，可以忽略不計。則有：=+（6-18）其中折算到電動機轉軸上的最大工作負載轉矩由公式（4-14）計算。有：再由式（4-10）計算垂直方向承受最大工作負載情況下，移動部件運動時折算到電動機轉軸上的摩擦轉矩：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：=+=0.9435Nm（6-19）最后求得在步進電動機轉軸上的最大等效負載轉矩為：=0.9435Nm（3）、步進電動機最大靜轉矩的選定考慮到步進電動機的驅動電源受電網電壓影響較大，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，根據來選擇步進電

21、動機的最大靜轉矩時，需要考慮安全系數(shù)。取K=3,則步進電動機的最大靜轉矩應滿足：=30.9435=2.831N.m初選步進電動機的型號為90BYG550B，由表查得該型號電動機的最大靜轉矩=3Nm?？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的輸出轉矩校核任務書給定工作臺最快工進速度=400mm/min，脈沖當量=0.005mm/脈沖，電動機對應的運行頻率為從90BYG550B電動機的運行矩頻特性曲線圖可以看出在此頻率下，電動機的輸出轉矩4.5Nm，遠遠大于最大工作負載轉矩=0.9435Nm，滿足要求。2）最快空載移動時電動機輸出轉矩校核任務書給定工作臺最快空載移動速度

22、=3000mm/min，求出其對應運行頻率。由矩頻特性曲線圖查得，在此頻率下，電動機的輸出轉矩=6.0Nm，大于快速空載起動時的負載轉矩=0.01535Nm，滿足要求。3）最快空載移動時電動機運行頻率校核與快速空載移動速度=3000mm/min對應的電動機運行頻率為。由矩頻特性曲線圖查得90BYG550B電動機的空載運行頻率可達10000，可見沒有超出上限。4）起動頻率的計算已知電動機轉軸上的總轉動慣量J=9.48kgcm2，電動機轉子的轉動慣量=4Nm，電動機轉軸不帶任何負載時的空載起動頻率（查表4-5）。由式（4-17）可知步進電動機克服慣性負載的起動頻率為：上述說明：要想保證步進電動機起

23、動時不失步，任何時候的起動頻率都必須小于2000Hz。實際上，在采用軟件升降頻時，起動頻率選得更低，通常只有100。綜上所述，本次設計中工作臺的進給傳動系統(tǒng)選用90BYG550B步進電動機，完全滿足設計要求。七、繪制進給傳動系統(tǒng)示意圖進給傳動系統(tǒng)示意圖如圖5.1所示。伺服電動機工作臺滾珠絲杠圖5.1進給傳動系統(tǒng)示意圖八、控制系統(tǒng)硬件電路設計根據任務書的要求，設計控制系統(tǒng)的硬件電路時主要考慮以下功能：接收鍵盤數(shù)據，控制LED顯示；接受操作面板的開關與按鈕信息；接受車床限位開關信號；接受電動卡盤夾緊信號與電動刀架刀位信號；控制X，Z向步進電動機的驅動器；控制主軸的正轉，反轉與停止；控制多速電動機，

24、實現(xiàn)主軸有級變速；控制交流變頻器，實現(xiàn)主軸無級變速；控制切削液泵啟動/停止；（10）控制電動卡盤的夾緊與松開；（11）控制電動刀架的自動選刀；（12）與PC機的串行通信。X-Y數(shù)控工作臺的控制系統(tǒng)設計，控制系統(tǒng)根據需要，可以選取用標準的工作控制計算機，也可以設計專用的微機控制系統(tǒng)。本設計CPU選用ATMEL公司的8位單片機AT89S52，由于AT89S52本身資源有限，所以擴展了一片EPROM芯片W27C512用做程序存儲器，存放系統(tǒng)底層程序；擴展了一片SRAM芯片6264用做數(shù)據存儲器，存放用戶程序；由于數(shù)控工作臺還需要加入銑刀運動控制和程序輸入等指令，所以除設置了XY方向的控制指令鍵，操作開停鍵，急停鍵和復位鍵等外還采用8279來管理擴展多種按鍵。8279是一種通用的可編程鍵盤顯示器接口芯片，它能完成鍵盤輸入和顯示控制兩種功能。鍵盤部分提供掃描工作方式，