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1、机电一体化课程设计数控立式铳床XY工作台机电系统设计院系：汽车学院专业：机械设计制造及其自动化班级：机电一班组长：雷博文组员：金亮、黄明亮、夏佳、熊秀成指导教师：蒋强一、设计目的3二、设计任务3三.总体方案的确定41、机械传动部件的选择.3(1)导轨副的选用4(2)伺服电动机的选用4(3)工作台的选用42、控制系统的设计53、绘制总体方案图5四、直线伺服电机的计算与选型51、导轨上移动部件的重量52、铳削力的计算53、载荷的计算74、初选型号75、直线伺服电机可用性验算8五、直线滚动导轨副的计算与选型81、直线滚动导轨选择理由82、直线导轨额定寿命L的计算和选型103、光栅尺的选择114、工作
2、台的选型12六、PLC选型13七、伺服放大器选型18八、控制系统硬件电路设计20结束语21参考文献22#一、设计目的课程设计是一个很重要的实践性教学环节，要求学生综合运用所学的理论知识，独立进行设计训练，主要目的：1) 通过本设计，使学生全面地，系统地了解和掌握数控机床得基本组成及其相关基本知识，学习总体方案拟定、分析与比较的方法。2) 通过对机械系统的设计，掌握几种典型传动元件与导向元件得工作原理、设计计算方法及选用原则。3) 通过伺服系统得设计，掌握常用PLC及电机的工作原理、计算选择方法与控制驱动方式。4) 培养学生独立分析问题和解决问题的能力，学习并初步树立“系统设计”的思想。5) 锻
3、炼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、设计任务任务：设计一种供立式数控铳床使用的数控工作台。主要参数如下：1)立铳刀最大直径d=30mm2)立铳刀齿数Z=4;3)最大铳削宽度ae=18mm；4)最大背吃刀量ap=10mm;p5)加工材料为碳素钢；6) X、Y方向的脉冲当量一=%=0.005mm/脉冲;7) X、Y方向的定位精度均为0.01mm；8）工作台尺寸280mmX280mmX范围为300mmX300mm9）工作台空载最快移动速度Vx=Vy=2000mm/min；10）工作台进给最快移动速度Vxmaxf=Vymaxf=200mm/min；11）移动部件总重量为9
4、00N;12）每齿进给量fz=0.imm13）铳刀转速n=500r/min三.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。伺服电动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2000mm/min故本设计不必采用高档次的伺服电动机，决定采用直线电机，可以省去丝杆传动副，减少传动过程，提高传动精度。（3）工作台
5、的选用设计只要求X-Y轴方向的运动，并选用的电机为直线电机，故选用工作台为十字交叉二维直线电机平台。二维直线电机平台机械上由直线伺服电机驱动的X-Y轴运动平台构成，可同时对两台直线伺服电机进行同步控制，是一个先进的有直线电机驱动的的实用化的实验平台。直线电机直接驱动的X-Y平台系统，以其快速的响应、准确的定位和高可靠性而广泛应用于高速自动化设备、精密测量系统、电子与半导体加工设备，激光加工设备等领域。2、控制系统的设计1）设计的X-Z工作台准备用在数控铳床上，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）对于直线电动机的闭环控制，选用三菱P
6、LC作为控制系统的CPU能够满足任务书给定的相关指标。3）要设计一台完整的控制系统，在选择CPU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，与直线电动机配套使用。3、绘制总体方案图总体方案图如图3.1所示。接 口 电 路功 放 电 路执 行 元 件机械 传动 机构械行构机执机图3.1总体方案图四、直线电动机的计算与选型1、导轨上移动部件的重量设计要求所给移动部件总重量为900N2、铳削力的计算工件的材料为碳素钢，根据金属切屑原理与刀具200页表15-5得硬质合金立铳刀铳削力经验公式Fc=11&0.85fz0.75d0.73ap
7、1.0n0.1其中铳刀的直径d=30mm齿数Z=4,为了计算最大铳削力，在不对称铳削情况下，最大铳削宽度ae=18mm背吃刀量ap=10mm,每齿进给量fz=0.1mm铳刀转速n=500r/min。则由上公式求得最大铳削力：Fc=118e0.85x0.10.75x30-0.73x101.0x5000.1x1=1422N考虑逆铳时的情况，可估算三个方向的铳削力分别为：Ff=1.1Fc=1564NFe=0.38Fc=540N,Ffm=0.25Fc=355N则工作台受到垂直方向的铳削力FZ=Fe=540N受到水平方向的铳削力分别为Ff和Ffn。今将水平方向较大的铳削力分配给工作台的纵向，则纵向铳削力
8、Fx=Ff=1564N径向铳削力Fy=Ffn=355N3 .载荷的计算(1)最大工作载荷Fm的计算在立铳时，工作台受到进给方向的载荷(与X线平行)Fx=1564N,受到横向的载荷(与Y轴线垂直)Fy=355N,受到垂直方向的载荷(与工作台面垂直)Fz=540N已知移动部件总质量G900N,按矩形导轨进行计算，由金属切屑机床126页公式17-5得：Fm=KFx+(Fz+Fy+G)=1.11564+0.005(540+355+900)N1730N取摩擦系数w=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：(2)启动载荷Fq的计算工作台空载最快移动速度Vx=Vy=2000m
9、m/min空载是移动部件的总质量为900N取静摩擦系数w0=0.01假定在0.1mm内要加速到最大移动速度，有公式：FS=mgis+1/2mvq=F+mgi0推算出：Fq=1280.5N,小于最大载荷，故选择电机时只需要考虑最大载荷即可4 .初选型号（1）根据推力选型根据计算出的最大工作载荷Fm=1730N查三菱直线电机手册。表4-1LM-U2系列直线伺服电机型号LM-U2PABHJ5H6S0闪ATSSQPBF您HSSO唯-附。P2F酬KS5。献器型号MR-J3r泰山黑儿阻期TJW好?期-R腓E5魂-叮阖非7：BWL?徵包工燃三三二,丁瞅播咖糊嘴解做A）0.5Q90.90.51,01.3&55
10、,57.5领方式推力鹤邱）5010015075150225400600800联推力（N）150300450225450675160024003200最大速篇水）住1）2.0翻力时0M蚓曲初级Q.（线囹）0.3(0.67)0.6(1.4)0.4(0.89)Q.8(1.8J1.1(2,5)29(M4.2(93)5.5(13)次级到微体）240mm20(44)300mm2,5(5.6)420nlm映345f7.8)24cmm/块26(5.8)300mm映3.2忆1)420mm版4.5(10)300mm9.6(221480mm15,3(34)婢例型号LM-U2SA0-2-DSS0SBO-lS$OS20
11、-3-2SS0篇负曩/电腱量比麒同暇电机初级灯直量3（倍以下造构开放啼噂缎:IP00）砌雕040也3270的卷冰），SS；T5、2a57即F）Gm）朦湿度80%RH以下坏鬟结）保存：90%RH以下坏靛结）要求的条件室内优阳光直射）；无息性性螺甑无可傩性气体无河鼠无灰尘阚领源奸高度海拔100跳以下初选三菱LM-U2P2C-60M-2SSO线电机，最大推力为2400N冷却方式为：自冷（2）次级侧（磁体）长度选择工作台尺寸280mmX280mm工范围为300mmX300mm初级侧长度=406mm根据,（次级侧（磁体）总长度）口（最大进给距鹿） + （初皴窗长度（线费）初毁例（瓯）初皴破I或便）母大迸
12、给距离线题长 度的1/2线电长 度的 1/2次级能大坦叁与体I次级侧总长A300+406=706mm查表4-1,次级侧长度选择300+480mm=780mm（3）电机最终选择由以上数据，最终选型：三菱LM-U2P2C-60M-2SSO线电机，次级侧长度为780mm5 .电机可用性验算查三菱电机使用说明书，LM-U2P2C-60M-2SSO线电机输出效率为97%最大载荷为Fm=1730N则电机最大额定载荷为Fm/97%=1783N所选的电机最大推力为2400,符合要求。五、直线滚动导轨副的计算与选型1、直线滚动导轨的选取理由滚动直线导轨副是在滑块与导轨之间放入适当的钢球，使滑块与导轨之间的滑动摩
13、擦变为滚动摩擦，大大降低二者之间的运动摩擦阻力。考虑到滚动直线导轨的诸多优点如下:1 .动、静摩擦力之差很小，随动性极好，即驱动信号与机械动作滞后的时间间隔极短，有益于提高数控系统的响应速度和灵敏度。2 .驱动功率大幅度下降，只相当于普通机械的十分之一。3 .与V型十字交叉滚子导轨相比，摩擦阻力可下降约40倍。4 .适应高速直线运动，具瞬时速度比滑动导轨提高约10倍。5 .能实现高定位精度和重复定位精度。6 .能实现无间隙运动，提高机械系统的运动刚度。7 .成对使用导轨副时，具有“误差均化效应”，从而降低基础件（导轨安装面）的加工精度要求，降低基础件的机械制造成本与难度。8 .导轨副滚道截面采
14、用合理比值的圆弧沟梢，接触应力小，承接能力及刚度比平面与钢球点接触时大大提高，滚动摩擦力比双圆弧滚道有明显降低。2、距离额定寿命L的计算和选型工作寿命为5年，一年365天，每天工作8小时，因此得到小时额定工作寿命Lh=1440Oh3一_一由公式L丹,从而得到L=T式中：Lh为小时额定工作寿命。n为移动件每分钟往复次数6S为移动件行程长度，取300代入数据得：L=2500km.由公式L=50（金fHfTfC）3、Fkfw每个滑块的工作载荷Fh=G_E=580N4去硬度系数fH=0.53fT=1fC=0.81fw=2带入以上数据可得Ca=5000N的要求选取导轨型号GGB25AA额定载荷为20.7KN大于5KN可以满足Ca查表5.1,得H=42mmW=31mm轨长度选800mm表5.1GGBA/AAL四方向等载荷型滚动直线导轨副使用说明：当鼠标移至以下表格中参数部分,箭头金变成x+13,这时按住左跳,即可上下移动表格,查看所有内容.隼位：mm型号导轨副尺寸滑块尺寸油杯尺寸导轨尺寸驰定动载asl睚额定城HW1即KT
