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1、1机 电 一 体 化课 程 设 计题 目:数控铣床工作台三维运动伺服进给系统设计学生姓名 专 业 机械设计制造及其自动化学 号 班 级 2007 级 2 班 指导教师 成 绩 工程技术学院2010 年 6 月2目 录一、设计任务 .11.1 机电一体化课程设计题目 .11.2 数控铣床工作台等相关部件的基本参数 .1二、系统总体方案框图及分析说明 .12.1 总体方案设计 .12.2 绘制总体方案图 .2三、机械系统设计计算、各部件类型选择说明及进给传动系统的示意图与说明 .23.1 移动部件的重量估算 .23.2 负载的分析计算 .23.3 导轨副的分析计算，选型，效核 .43.4 丝杠螺母
2、副的计算，选型，效核 .53.5 绘制进给传动系统示意图 .83.6 直流伺服电动机的计算，选型，效核 .83.7 减速器的选用 .93.8 验算系统的等效转动惯量 .10四、控制系统硬件电路设计 .114.1 微机的选用 .114.2 存储器的选用与扩展 .124.3 译码电路设计 .154.4 接口电路设计等 .164.5 驱动电路的设计 .174.6 绘制控制系统原理框图 .18五、传感器的选择与设计说明 .195.1 选择传感器 .195.2 传感器与微机的接口电路 .20六、课程设计总结与心得体会 .21七、参考资料 .223一、设计任务1.1 机电一体化课程设计题目数控铣床工作台三
3、维运动伺服进给系统设计1.2 数控铣床工作台等相关部件的基本参数能用键盘输入命令控制工作台的运动方向；能实时显示当前运动位置；具有越程指示报警及停止功能；能有位置检测装置，能进行调节并反馈给控制系统；工作台尺寸：70080050mm工作台 T 型槽：518mm工作台最大承重：800kgXYZ 轴行程：600800350mm电主轴输出功率：15kw变频主轴转速：15000r/min最高位移速度：15m/min最大加工速度：8m/minXYZ 轴最小分辨率（即脉冲当量）：0.001mm定位精度：0.005/300mm重复定位精度：0.005mm二、系统总体方案框图及分析说明2.1 总体方案设计（1
4、）系统的运动方式与伺服系统为了使铣床的性能满足基本要求，选 x、z 轴坐标快进为 15m/min，水平拖力Fx=30kN，则要求电动机功率 P=Fv=（3015/60）kW=7.5 kW，选用步进电机则满足不了要求，例如，200BF001 反应式步进电机，其最大静转矩为 14.7N.m，最高空载运行频率为 11000 step/s，步距角为 =0.16/step，若取最高工作频率下的工作转矩为最大静转矩的 1/4，则高速运行工作状态下所需功率为 PH=1/414.7110000.16（2/360）W=0.1129kW，如果选用步进电机，则会降低快速性要求。但交流电机的控制结构较复杂，技术难度高
5、，而且价格高，故选择直流伺服电机。选择半闭环系统比闭环系统简单，成本低，且能满足机床精度和加工精度基本的要求。综上所述采用直流伺服电机开环控制系统驱动 XYZ 工作台。（2）计算机控制系统本设计采用了与 MCS-51 系列兼容的 AT89S51 单片机控制系统。它的主要特点是集成度高，可靠性好，功能强，速度快，有较高的性价比。控制系统由微机部分、键盘、LED、I/O 接口、光电耦合电路、步进电机、电磁铁功率放大器电路等组成。系统的加工程序和控制命令通过键盘操作实现。LED 显示数控铣床工作台的状态。（3）XYZ 工作台的传动方式为保证一定的传动精度和平稳性，又要求结构紧凑，所以选用精密滚珠丝杠
6、螺母传动4副。为提高传动刚度和消除间隙，采用预加负荷的结构。由于工作台的运动载荷不大，因此采用有预加载荷的双 V 形滚珠导轨。采用精密直线滚动导轨可减少两个相对运动面的动、静摩擦系数之差，从而提高运动平稳性，减小振动。考虑直流电机和丝杆导程只能按标准选取，为达到分辨率的要求，需采用齿轮降速传动。2.2 绘制总体方案图开环控制系统框图图 1 为本开环控制数控铣床工作台三维运动伺服进给系统设计的总体方案图。这种标准的微机数控系统通常采用单板机、单片机、驱动电源、步进电机及专用控制程序组成的开环控制系统，其结构简单、价格低廉。对机床的控制过程是由单片机或者单板机，按照输入的加工程序进行查补运算，由软
7、件或硬件实现脉冲分配，输出一系列脉冲、经功率放大驱动 XYZ 三个坐标轴运动的步进电机来实现。三、机械系统设计计算、各部件类型选择说明及进给传动系统的示意图与说明3.1 移动部件的重量估算工作台重量估算：=218.4 kG220 kG3917.8108501mV工作台最大承载 m2=800kG，总的重量估算如下：M=m1+m2=1020kGG=Mg=10200N=10.2kN。53.2 负载的分析计算（机床设计手册 P498）直流伺服电机的负载有外力负载、摩擦负载和惯性负载，所选直流伺服电机必须克服这些负载才能作正常的进给驱动。这里我们以 Z 轴计算为主，X、Y 轴的相关计算略。（1）切削负载
8、：根据切削原理近似公式计算，有 ，30FkN， 。0.6/0.65XZXF.52YZ（2）摩擦阻力：本数控铣床工作台三维运动伺服进给系统采用滚动导轨副，滚动导轨副的摩擦系数一般 =0.0030.005 之间，这里我们取其中间值 =0.004，摩擦阻力如下：=240.8N0.41.250fZFGkN注：这里取 g=10m/s2，其他的摩擦阻力这里没有计算。（3）等效转动惯量计算： 222119mnjkieqi jkkvJJ式子中 采用最不利于机床启动时的速度，这里选用快速进给速度 =15m/min；iv iv（电动机）=2000r/min； =1020kg（全部直线运动部件的总质量） 。旋转的部
9、件kmni暂时没有计算考虑（因为此时不知道减速器中齿轮的相关尺寸） 。2 2290153.1460.015.keq kgmJ（4）滚珠丝杠摩擦阻力矩（T sm）的计算：由于丝杠承受轴向载荷，又由于采取了一定的预紧措施，故滚珠丝杠会产生摩擦阻力矩，但由于滚珠丝杠的传动效率很高，其摩擦阻力矩相对于其他负载力矩小得多，故一般不予考虑。（5）等效负载转矩 ：mepT311()/5024.815/0.223.46mepZfFvn Nm = 59.70N.（6）启动惯性阻力矩（ ）的计算：T这里以最不利于启动的快进速度进行计算，设启动加速（或制动减速）时间为（一般在 0.31s 之间选取） ，由于电动机转
10、速：.3ts 112/603.14620/209.453mnss取加（减）速曲线为等加（减）速梯形曲线，故角加速度为： 229./.8.7t6则： 0.15698.37.1042.keqmTJNm（7）直流伺服电机输出轴上总负载转矩 ：T.5.61.07N.mmeqT3.3 导轨副的分析计算，选型，效核（机床设计手册 P1109 、P1118）执行机构是伺服系统中的被控对象，是进行实际操作的机构，执行机构中一般含有导向机构，执行机构方案的选择主要是指导向机构的选择，即导轨的选择：这里我们选择直线滚动导轨。它的主要特点是：承载能力大，刚度高。直线滚动导轨副中，滚珠与圆弧沟槽相接触，因为许用载荷和
11、刚度与点接触相比有较大幅度的提高。采用直线滚动导轨副可以简化设计、制造和装配工作。导轨副的安装基面精度和质量要求不高，只要求精铣或精刨。本系统中工作台负载 G=Mg=10200N=10.2kN，F Z=50kN，有效行程 LZ=350mm，每分钟往复次数为 N=4，移动速度 V15m/min ，运动条件为：常温，平稳无冲击和振动。（1）直线运动导轨上负荷的计算：（P1106P1118）计算条件：水平安装，卧式导轨，滑块座移动，工作台质量均匀分布，垂心在中间，外力 F 的作用点偏离中心，不与中心重合。计算负荷如下： 10.25604352041.367416P kN2. 5.310.56043520442161.983P kN4. 5.7在这里，我们选取最大值 P4=15.7833kN 代入计算。（2）额定寿命计算：在这里我们选用使用钢珠的直线滚动导轨，其额定寿命计算公式如下： 3HTCWfLKP式中 L：额定寿命
