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1、本 科 生 专 业 课 程 设 计（ 2007 届）学生姓名： 学 号： 专业名称： 机械设计制造及其自动化 班 级： 071 指导教师： 2010年 12 月 1 日专业课程设计洪目 录任 务 书2二、总体方案的确定3三、机械传动部件的计算与选型5四、工作台机械装配图的绘制17五、工作台控制系统的设计18参考文献20附件121附件222附件323附件424- 1 -任 务 书设计题目：X-Y数控工作台机电系统设计设计任务：设计一台微机控制XY两坐标工作台，供立式数控铣床使用。具体内容如下：1、 机械系统设计：通过计算,正确选择传动机构、导向机构、执行机构、驱动电机等，根据计算说明，绘制机械系
2、统装配图。2、 控制系统设计：根据系统要求，选择正确的控制策略，设计合理的控制系统，并绘制控制系统电路图。3、 主要程序设计：在机械系统设计与控制系统设计的基础上，进行控制系统的主程序设计，列出程序清单。4、 设计说明书撰写。系统主要参数：1、 立铣刀最大直径d=20mm2、 立铣刀齿数Z=33、 最大铣削宽度4、 最大背吃刀量5、 加工材料为碳素钢或有色金属6、 X,Y方向的脉冲当量7、 X,Y方向的定位精度均为0.01mm8、 工作台面尺寸为400mm500mm，加工范围为200mm200mm9、 工作台空载最快移动速度10、 工作台进给最快移动速度时间安排及任务：一、系统功能介绍、总体方
3、案设计（1天）1. 机电一体化产品设计的基本过程介绍；2. XY工作台功能介绍；3. 总体方案的确定二、单元功能模块介绍和设计任务的落实（1天）三、详细设计（8天）1机械系统装配图设计；2控制各部分原理图的设计；3主功能程序的编制二、总体方案的确定1、机械传动部件的选择（1）导轨副的选用要设计的X-Y工作台是用来配套轻型的立式数控铣床，需要承载的载荷不大，但脉冲当量小()，定位精度高（），因此，决定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、结构紧凑、安装预紧方便等优点。选直线滚动导轨副（2）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，要满足0.01m
4、m的脉冲当量和0.01mm的定位精度，滑动丝杠副无能为力，只有选用滚珠丝杠副才能达到。滚珠丝杠副的传动精度高、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，而且滚珠丝杠已经系列化，选用非常方便，有利于提高开发效率。选滚动丝杠螺母副（3）减速装置的选用 选择了步进电动机和滚珠丝杠副以后，为了圆整脉冲当量，放大电动机的输出转矩，降低运动部件折算到电动机转轴上的转动惯量，可能需要减速装置，且应有消除间隙机构。为此，系统中决定采用无间隙齿轮传动减速箱。拟采用减速器（4）伺服电动机的选用 任务书规定的脉冲当量尚未达到0.001mm，定位精度也未达到微米级，空载最快移动速度也只有2000mm
5、/min。因此，本设计不必采用高档次的伺服电动机，如交流伺服电动机或直流伺服电动机等，可以选用性能好一些的步进电动机，如混合式步进电动机，以降低成本，提高性价比。伺服电机选步进电机（5）检测装置的选用选用步进电动机作为伺服电动机后，可选开环控制，也可选闭环控制。任务书所给精度对于步进电动机来说还是偏高的，为了确保电动机在运转过程中不受切削负载和电网的影响而失步，决定采用半闭环控制，并在电动机的尾部转轴上安装增量式旋转编码器，用以检测电动机的转角与转速。增量式旋转编码器的分辨率应与步进电动机的步距角相匹配。考虑到X、Y两个方向的加工范围相同，承受的工作载荷相差不大，为了减少设计工作量，X、Y两个
6、坐标的导轨副、丝杠螺母副、减速装置、伺服电动机，以及检测装置拟采用相同的型号与规格。检测装置的选用：增量式旋转编码器2、控制系统的设计（1）设计的X-Y工作台准备用在数控铣床上，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，所以控制系统应该设计成连续控制型。连续控制型（2）对于步进电动机的半闭环控制，选用MCS-51系列的8位单片机AT89S52作为控制系统的CPU，应该能够满足任务书给定的相关指标。单片机选：AT89S52（3）要设计一台完整的控制系统，在选择CPU之后，还需要扩展程序存贮器、数据存贮器、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。需要
7、电路扩展（4）选择合适的驱动电源，与步进电动机配套使用，我们将自行设计。自行设计步进电机驱动电源步进电动机减速器滚珠丝杠步进电动机减速器工作台滚珠丝杠X方向传动机构Y方向传动机构微型机机电接口驱动电路人机接口图2-1 系统总体方案结构框图系统总体方案图三、机械传动部件的计算与选型1、导轨上移动部件的重量估算 按照下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、减速箱、滚珠丝杠副、直线滚动导轨副、导轨座等，估计重量约为900N。 G=900N2、铣削力的计算设零件的加工方式为立式铣削，采用硬质合金立铣刀，工件的材料为碳钢。则由表2-1查得立铣时的铣削力计算公式为：表2-
8、1 硬质合金铣刀铣削力的计算公式（单位N）316铣刀类型工件材料铣削力公式面铣刀碳钢灰铸铁可锻铸铁圆柱铣刀碳钢灰铸铁三面刃铣刀碳钢两面刃铣刀立铣刀期中：ap为背吃刀量mm；ae为侧吃刀量mm；fz为每齿进给量mm/Z；vf进给速度mm/min；Z铣刀齿数；d铣刀直径mm；n铣刀转速r/min，见图2-1。 （2-1）图2-1 铣削用量说明若铣刀直径d=15mm，齿数Z=3，为了计算最大铣削力，在不对称铣削情况下，取最大铣削宽度ae=15mm，背吃刀量ap=8，每齿进给量fz=0.1mm/Z；铣刀转速n=300r/min。则由公式2-1求得最大铣削力：采用立铣刀进行圆柱铣削时，各铣削力之间的比值
9、可由表2-2。表2-2 各铣削力之间比值铣削条件比值对称铣削不对称铣削逆铣顺铣端铣削ae=(0.40.8)d/mmfz=(0.10.2)/(mm.z-1)Ff / Fc0.30.40.60.90.150.3Fe / Fc0.850.950.450.700.91.0Ffn / Fc0.500.550.500.550.50.55圆柱铣削ae=0.05 d/mmfz=(0.10.2)/(mm.z-1)Ff / Fc1.01.20.80.9Ffn / Fc0.20.30.750.8Fe / Fc0.350.40.3250.4图2-2 铣削力分析图2-3 顺铣与逆铣由表2-2，图2-2和图2-3，考虑逆
10、铣情况，可估算出三个方向的铣削力分别为：图2-3a为卧铣情况，现考虑立铣，则工作台受到垂直方向的铣削力Fz=Fe=719N，受到水平方向的铣削力分别为Ff和Ffn。今将水平方向较大的铣削力分配给工作台的纵向（丝杠轴线方向），则纵向铣削力Fx=Ff=2082N，径向铣削力Fy=Ffn=473N。Fz=719NFx=2082NFy=473N3、直线滚动导轨副的计算与选型（1）滑块承受工作载荷Fmax的计算及导轨型号的选取工作载荷是影响直线滚动导轨副使用寿命的重要因素。X-Y工作台采用水平布置，利用双导轨、四滑块的支承形式。考虑最不利的情况，即垂直于台面的工作载荷全部由一个滑块承担，则单滑块所受的最
11、大垂直方向载荷为： (2-2)其中，移动部件重量G=900N，外加载荷F=FZ=719N，代入式2-2得最大工作载荷查表3-41【3】48，根据工作载荷Fmax=1.169kN，初选直线滚动导轨副的型号为ZL系列的JSA-LG45型，其额定动载荷Ca=7.94kN，额定静载荷C0a=9.5kN。任务书规定工作台面尺寸为400mm500mm，加工范围为200mm200mm，考虑工作行程应留有一定余量，查表3-35345，按标准系列，选取导轨长度为750mm.表3-35 JSA型导轨长度系列导轨型号导轨长度系JSA-LG15280340400460520580640700760820940JSA-
12、LG20340400520580640760820940100011201240JSA-LG2546064080010001240136014801600184019603000JSA-LG3552060084010001080124014801720220024403000JSA-LG4555065750850950125014501850205025503000JSA-LG5566078090010201260138015001980222027003000JSA-LG65820970112012701420157017202020232027703000导轨副的型号:ZL系列的 JSA-LG45型导轨长度为750mm(2) 距离额定寿命L的计算上述选取的ZL系列JSA-LG45型导轨副的滚道硬度为60HRC，工作温度不超过100，每根导轨上配有两只滑块，精度为4级，工作速度较低，载荷不大。查表表2-4 硬度系数滚道硬度（HRC）50555864fH0.530.81.0表2-5 温度系数工作温度/100100150150200200250fT1.000.900.730.60表2-6 接触系数每根导轨上滑块数12345fC1.000.810.720.660.61表2-7 精度系数精度等级2345fR1.1.00.90.9表2-8 载荷系数工况无外部冲击或震动的低速场合，速度小于
