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1、专业课程设计（论文）题目 xy 数控工作台机电系统设计二级学院机械工程学院 专 业 机械设计制造及其自动化 学 号 学生姓名杨 指导教师时 间 2015/6/24目录1设计目的 1二设计任务1三总体方案的确定11机械传动部件的选择21.1丝杠螺母副的选用21.2导轨副的选用21.3伺服电机的选用32控制系统的设计33绘制总体方案图33.1 总体方案的论证33.2.xy 工作台简图5四机械传动部件的计算与选型51，导轨上的重量估计52. 铣削力的计算53滚珠丝杠螺母副的设计计算63.1 最大工作载荷 Fm的计算63.2 最大动载荷的计算63.3 初选型号73.4 传动效率 的计算83.5 刚度的
2、验算83.6 稳定性的验算9 3.7 临界转速的验算103.8 滚珠丝杆的选型及安装尺寸的确定10五步进电机的选型与计算105.1 传动计算105.2 步进电机的计算与选型101、步进电动机转轴上的总转动惯量的计算10 2. 步进电机转矩的计算103. 初选步进电机的型号114. 验算转矩和惯量是否匹配25. 步进电机的性能校核126直线滚动导轨副的计算与选型121.单个滑块承受工作载荷 的计算及导轨型号的选取13maxF2.小时额定工作寿命的计算133.距离额定寿命计算144.额定动载荷计算145.产品选型14七. 其余部件的选择157.1 联轴器的选择157.2 轴承的选择178软件设计的
3、流程图189软件设计的接线图1910程序编辑2011总结2112参考文献22一 设计目的1.学习机电一体化系统总体设计方案的拟定。2.通过对机械系统的设计，掌握几种典型传动元件的工作原理与选用原则。3.通过进给伺服系统的设计，掌握常用伺服电动机的工作原理、计算选择方法与控制驱动方式。4.通过对控制系统的设计，掌握一些典型硬件接口电路和控制软件的设计方法。5.培养学生独立分析问题和解决问题的能力，并培养系统设计的思想。6.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。二设计任务参考课程设计指导书并自行查阅相关资料，设计 XY 数控工作台，要求可以实现启动、停止、急停、正向/反向点动
4、、正向/反向连续运动、软硬限位等功能。设计参数如下:1)立铣刀最大直径 d=20mm；2)立铣刀齿数 z=33）最大铣削宽度 e=15mm4）最大背吃刀量 p=12mm5）加工材料为碳素钢或有色金属；6）XY 方向的脉冲当量 x= y= 0.005 mm /脉冲；7）XY 方向的定位精度为0.01mm；8）工作台台面尺寸 230mm230mm，加工范围为 250mm250mm；9）工作台空载最快移动速度 Vxmax=Vymax=3000mm/min；10）工作台进给最快移动速度 Vxmax=Vymax=400mm/min；11）移动部件总重量为 700N；三总体方案的设计1.机械传动部件的选择
5、1.1.丝杠螺母副的选用伺服电动机的旋转运动需要通过丝杠螺母副转换成直线运动，需要满足0.01mm 的定位精度，滑动丝杠副不能达到要求，因此选用滚珠丝杆副，滚珠丝杆副的传动精度高、动态响应快、运转平稳、寿命长、效率高、预紧后可消除反向间隙。轴向间隙的调整和预紧方式：选用垫片调隙式，这种方法结构简单、刚性好、装卸方便，适用于一般精度的机构滚珠丝杠的安装：采用一端固定，一端游动的方式，因其压杆稳定性和临界转速较高1.2.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
6、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。1.3.伺服电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3000mm/min，故本设计不必采用高档次的伺服电动机，因此可以选用混合式步进电动机。以降低成本，提高性价比。2.控制系统的设计1）设计的 X-Z 工作台准备用在数控车床上，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）对于步进电动机的开环控制，选用 MCS-51 系列的 8 位单片机 AT89S52 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
7、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，与步进电动机配套使用。3系统总体方案图3.1 总体方案论证控制方案的论证：我们选用的是单片机作为控制系统，由于单片机价格低，我们需要的程序并不复杂，所以在编程时不会太难，在看 plc 虽然编程简单，操作方便，但价格太高同样运动控制卡也一样，所以我们选的单片机作为控制系统。运动方案的论证：我们选用的是步进电机。步进电机是开环控制，不受负载影响，我们可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，来达到精确定位。而伺在服驱动器，是闭环，步进电机一般不具有过载
8、能力，所有我们选用的是步进电机作为运动方案。图 1 系统框图简图单片机X 向步进电机驱动器步进电机 联轴器Y 向步进电机驱动器步进电机 联轴器滚珠丝杠副X 向工作台滚珠丝杠副Y 向工作台限位开关限位开关 图 2 Xy 工作台简图四机械传动部件的计算与选型1.导轨上的重量估计y 向工作台长宽高分别为 230mmX230mmX20mm重量估算=230x230x20x10 -3x7.8x10-2=83N按照导轨上面移动部件的重量来进行估算。包括工件、夹具、工作平台、上层电动机、滚珠丝杠副、直线滚动导轨副、导轨座等,估计重量约为 800N。2.铣削力的计算表 1限位开关导轨 滚珠丝杠步进电机联轴器步进
9、电机联轴器采用硬质合金立铣刀，工件的材料为碳钢根据公式 0.85.70.31.0cezp1afdanZF其中铣刀的直径 d=20mm，齿数 Z=3，在不对称铣削情况下，取最大铣削宽度 ae=15mm，背吃刀量 ap=12mm，查切削用量简明手册可得，每齿进给量fz=0.1mm，铣刀转速 n=300/min。则由上公式求得最大铣削力：Fc=1779N根据上表 1 比例可知：Ff=1.1Fc=1957NFe=0.38Fc=676NFfn=0.25Fc=443N工作台受到垂直方向的铣削力 Fz=Fe= 676N,受到水平方向的铣削力分别为Ff和 Ffn。将水平方向较大的铣削力分配给工作台的纵向（丝杠
10、轴线方向），则纵向铣削力 Fx=Ff=1957N，径向铣削力 Fy=Ffn=443N。3.丝杠螺母副的选型与计算 3.1 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（与丝杠轴线平行） Fx=1957N，受到横向的载荷（与丝杠轴线垂直） Fy =443N，受到垂直方向的载荷（与工作台面垂直） Fz =676N。已知移动部件总质量 G=700N，由金属切屑机床126 页公式 17-5 得：Fm=KFx+ (Fz+Fy+G)=1.1 1957+0.005 (676+443+700)N 2162N取摩擦系数 =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为
11、 2162N。3.2 最大动载荷的计算工作台在承受最大铣削力时的最快进给速度 v=400mm/min，初选丝杠导程Ph=5mm，则此时丝杠转速 n=v/Ph=80r/min。由于我们设计的是数控铣床由课本可知取滚珠丝杠的使用寿命 T=15000h，代入 L0=60nT/106，得丝杠寿命系数 L0=72 (单位为： 106r)，由于是轻度或平稳冲击所以取载荷系数 fW=1.1，滚道硬度为 60HRC 时，取硬度系数 fH=1.0，根据公式FQ= H W maxf3LfFQ=9894N3.3 初选型号表 2表 3 滚珠丝杠螺母副名称 符号 计算公式和结果公称直径 0d20螺距 P 5接触角 4o
12、钢球直径 wd3.175螺纹滚道法面半径 R0.521.6wd偏心距 e49丝杠滚道螺纹升角 4.22，丝杠外径 1d19.5丝杠底径 26.丝杆螺杆接触直径 z cos17.5zwbd螺母螺纹外径 D023.12deR丝杠螺母螺母内径（内循环） 1.4根据最大动载荷的计算值参考上表初选滚珠丝杠副的型号为山东博特精工股份有限公司的 G 系列 2005-4，其公称直径 d0=20mm，导程 Ph=5mm，滚珠直径=3.175mm 循环圈数为 4x2，最大动载荷为 11082N 满足要求。3.4 传动效率 的计算由上表可知公称直径 d0=20mm，导程 Ph=5mm，螺旋升角 =422。将摩擦角 =10，代入 =tan/tan(+ )，得传动效率 =96.8%。3.5 刚度的验算 a、 滚珠丝杠滚道间的接触变形量 ，查【4】中相关公式，根据公式，求得单圈滚珠数 Z=20；该型号丝杠为双螺母，
