机电一体化课程设计

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1、目 录机电一体化系统设计课程设计任务书1.总体方案1.1 丝杆螺母副的选用1.2 减速装置的选用1.3 伺服电动机的选用1.4 检测装置的选用2工作台切削力的计算3.直线滚动导轨副的计算与选型3.1滑块承受工作载荷Fmax的计算与型号选择3.2距离额定寿命L的计算4滚珠丝杆螺母副的计算与选型4.1最大工作载荷Fm的计算4.2最大动载荷FQ的计算4.3初选丝杆型号4.4丝杆传动效率的计算4.5丝杆刚度的验算4.6丝杆压杆稳定性的校核5.步进电机减速箱的选用6.步进电机的计算与选型6.1步进电机转轴上加载的总转动惯量Jeq6.2步进电机转动轴上总的等效负载转矩Teq6.3步进电机最大静转矩的选择6

2、.4步进电机性能校核7.反馈检测装置的选用8.步进电机驱动器的选用9.设计总结参考文献1张建民.机电一体化系统设计第三版.高等教育出版社2尹志强.系统设计课程设计指导书.机械工业出版社普通车床（如C616,C618,C620,CA6140，C630）是金属切削加工常用的一类机床。总体设计方案（1）卧式车床数控化改造后应具有单坐标定位，两坐标直线插补、圆弧插补以及螺纹插补的功能。因此，数控系统应设计成连续控制型。（2）卧式车床经数控化改造后属于经济型数控机床，在保证一定加工精度的前提下，应简化结构，降低成本。（3）根据普通车床的最大加工尺寸、加工精度、控制速度、以及经济性要求一般采用8位微机MC

3、S-51。（4）根据系统的功能要求，需要扩展程序存储器、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。还要选择步进电动机的驱动电源以及主轴电动机的交流变频器等。（5）设计自动回转刀架及其控制电路。（6）纵向和横向是两套独立的传动链，他们由步进电机、齿轮副、丝杆螺母组成，其传动比应满足机床所要求的分辨。（7）采用滚珠丝杆螺母副，并有预紧机构（8）采用贴塑导轨，以减少导轨摩擦2、设计参数最大加工直径：床面上：630； 床鞍上：350；最大加工长度：1400；快进速度：纵向：2.0横向：1.0最大切削进给速度： 纵向：0.5m/min， 横向：0.25 m/min；溜板板和刀架的重

4、力： 纵向：1200N 横向：800N主电动机功率：10KW；代码 ISO脉冲分配方式：逐点比较法， 定位精度：0.015启动加速时间：35；输入方式：增值式、绝对式 控制坐标数：2刀具补偿是0-99mm进给传动链间隙补偿是： 纵向： 横向：进给伺服系统机械部分设计与计算（1） 进给系统机械结构改装设计1、进给系统机械设计需要改动主要部件有挂轮架、溜板箱、溜板、刀架等。2、挂轮架系统：全部拆除，在该处安装光电脉冲发生器。3、进给箱部分：全部拆除，在该处安装纵向进给步进电机与齿轮减速箱总成、丝杆、光杆和操作杆，拆去齿轮箱连接滚珠丝杆，滚珠丝杆的另一端支承安装在车床尾座端原来的装轴承座部位4、溜板

5、箱部分：全部拆除，在原来处安装滚珠丝杆中间支承架及螺母以及部分操作按钮5、横溜板部分：将原横溜板中丝杆螺母拆除，改装横向进给滚珠丝杆螺母副，横向进给步进电机与齿轮减速箱总成安装在横溜板后部并与滚珠丝杆相连6、刀架：拆除原刀架，改装自动回转四方刀架总成（2）进给伺服系统机械部分的计算选型 确定脉冲当量，计算切削力，滚珠丝杆螺母副的设计、计算与齿型、齿轮传动计算，步进电机计算与选型1、 确定脉冲当量常采用的脉冲当量为 纵向： 0.01mm/脉冲 横向：0.005mm/脉冲2、 切削力计算 纵切外回时 =0.67式中为车床床面加工最大直径横切端时，主切削力约为=走刀方向的切削力和垂直走刀方向切削力按

6、：=1：0.25：0.4Z切削力计算纵切外圆=0.67N=0.67*=10594.62N：=1：0.25：0.4=2648.66N =4237.848N横切端面=*10594.62=5297.3N：=1：0.25：0.4=1324.33N =2118.92N3、 滚珠丝杆螺母副的计算和选型计算牵引力横向进给为三角形式综合导轨、分别为工作台进给方向载荷和横向载荷（N）G为移动部件重力G=2000N , K=1.15 =1324.33=2118.92N=1.15*1324.33+0.15(5297.31+1200)=2497.6N计算最大动载C 本车床Z向承受最大切削力条件下最快进给速度V=2m/

7、min，先选基本导程为1=V=0.5 =1000， 为快进速度，丝杆最大转速初选=6mm, t=15000h =1.15n=83.3(r/min)L=75=12112.7N计算最大静载荷=1.5*2617.58=3926.3为静态安全系数，一般运动=1-2，有冲击=2-3，丝杆最大进给初选型号，根据计算出最大动载荷，查表3-33选择启东润泽机床附件有限公司生产的FL4006型滚珠丝杆副。其公称直径为40min，导程为6min，双螺母滚珠总圈数位3*2=6圈，精度等级取4级，额定动载荷为13200N，满足要求，（4）传动效率的计算将公称直径=40min，基本导程=6mm，代入摩擦角， 得传动效率

8、=94.2%（5）刚度的验算1)采用一端轴向固定，一端简支的方式，固定端采用一对推力角接触球轴承，面对面组配。，查表3-33，得=3.9688mm，算得丝杠底径=公称直径-=36.0312 =1019.64mm忽略式3-256中的第二项，算得丝杠在工作载荷作用下产生的拉/压变形量2)根据公式,求得单圈滚珠数目Z=29，该型号丝杆为双螺母，滚珠圈数3*2=6，则滚珠总数量29*6=174 滚珠丝杆预紧时，取轴向预紧力滚珠与螺纹滚道间的接触变形量3)将和代入 ，因为丝杠加有预紧力，且为轴向负载的1/3，所以实际变形量可减少一半，取=0.000755 =0.01744+0.000755=0.0177

9、5由表3-27知，4级精度滚珠丝杆任意1200mm轴向行程的变动量允许24，而对于跨度为1497mm的滚珠丝杆，总的变形量只有17.75，可见丝杆刚度足够。6）压杆稳定性校核 得临界载荷=50959.897N，远大于工作载荷=2497.6N故丝杆不会失稳，综上所述，初选的滚珠丝杆副满足使用要求5、 步进电动机的技术和选型已知滚珠丝杆的公称直径=32mm，总长1560mm，导程=6mm，材料密度,移动部件重力G=1200N，小齿轮宽度b=20mm，=64mm，大齿轮宽度 b=20mm =80mm，传动比i=1.25初选步进电机型号为110BY2602，查4-5表得传子传动惯量= 15kg/c=1

10、50N. c 则加在步进电机轴的总传动惯量为 工作台折算到电动机周上的传动惯量丝杆的传动惯量 （2） 计算加子在步进电机转轴上的等效负载转矩分快速空载起动和承受最大工作负载两种情况进行计算。1） 快速空载起动时电动机转轴所承受的负载转矩 由式(4-8)可知，包括三部分：一部分是快速空载起动 时折算到电动机转轴上的最大加速转矩；一部分是移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩 ；还有一 部分是滚珠丝杠预紧后折算到电动机转轴上的附加摩擦转矩。因为滚珠丝杠副传动效率很高，根据式(4-12)可知， 相对于和 很小，可以忽略不计。则有=+根据式(4-9)，考虑传动链的总效率h，计算快速空载起动时折算到

11、电动机转轴的最大加速转矩：式中对空载最快移动速度的步进电动机最高转速，单位为r/min；步进电动机由静止到加速到n转速所需的时间，单位为s。其中： 式中 空载最快移动速度，为500mm/min；步进电动机步距角，预选电动机为； 纵向脉冲当量，0.001mm/脉冲=将以上各值代入上式，算得=416.7r/min 设步进电动机由静止到加速至n转速所需时间t=0.4s，传动链总效率h=0.7。则由式(6-2)求得：由式(4-10)可知，移动部件运动时，折算到电动机转轴上的摩擦转矩为：导轨的摩擦因数，滚动导轨取0.016垂直方向的铣销力，空载时取0;传动链总效率，取0.7最后由式(6-13)求得快速空

12、载起动时电动机转轴所承受的负载转矩：=+2)最大工作负载状态下电动机转轴所承受的负载转矩由式(4-13)可知，包括三部：一部分是折算到电动机转轴上的最大工作负载转矩;一部分是移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩;还有一部分是滚珠丝杠预紧后折算到电动机转轴上的附加摩擦转矩，相对于和很小，可以忽略不计。则有：其中，折算到电动机转轴上的最大工作负载转矩T由式(4-14)计算。本例中在对滚珠丝杠进行计算的时候，已知沿着丝杠轴线方向的最大进给载荷F=1324.33N.m，则有：再由式(4-10)可知，计算承受最大工作负载状态(=5297.13N)的情况下，移动部件运动时，折算到电动机转轴上的摩擦转

13、矩为：最后由式(6-6)，求得最大工作负载状态下电动机转轴所承受的负载转矩为： （2） 步进电动机最大静转矩的选定考虑到步进电动机的驱动电源受电网电压影响较大，当输入电压降低时，其输出转矩会下降，可能造成丢步，甚至堵转。因此，根据来选择步进电动机的最大静转矩时，需要考虑安全系数。本例中取安全系数K=4，则步进电动机的最大静转矩应满足：上述初选的步进电动机型号为110BYG2602，由表4-5查得该型号电动机的最大静转矩=20 。可见，满足上式的要求。 （4）步进电动机的性能校核 1）最快工进速度时电动机输出转矩校核 任务书给定工作台最快工进速度v=500mm/min，脉冲当量 mm/脉冲，由式

14、(4-16)求出电动机对应的运行频率从110BYG2602电动机的运行矩频特性曲线图6-4可以看出，在此频率下，电动机的输出转矩，远远大于最大工作负载转矩，满足要求。2)最快空载移动时电动机输出转矩校核任务书给定工作台最快空载移动速度，仿照式(4-16)求出电动机对应的运行频率。从图6-24查得，在此频率下，电动机的输出转矩，大于快速空载起动时的负载转矩=，满足要求。3)最快空载移动时电动机运行频率校核 与最快空载移动速度v=2000mm/min对应的电动机运行频率为。查表4-5可知110BYG2602电动机的空载运行频率可达20000Hz，可见没有超出上限。4)起动频率的计算 已知电动机转轴上的总转动惯量，电动机转子的转动惯量 ，电动机转轴不带任务负载时的空载起动频率 (查表4-5)。则由式(4-17)可以求出步进电动机克服惯性负载的起动频率：上式说明，要想保证步进电动机起动时不失步，任何时候的起动频率都必须小于905Hz。实际上，在采用软件升降频时，起动频率选得更低，通常只有100Hz(即100脉冲/s)。综上所述，本例中工作台的进给传动选用110BYG2602步进电动机，满足设计要求。6. 增量式旋