机电一体化课程设计 X

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1、机电一体化课程设计X-Y数控工作台机电系统设计院系专业班级姓名学号指导教师目录目录 1前言 2第一章 课程设计的目的 3第二章 课程设计内容 4第三章 数控系统总体方案确定 4第四章 机械部分设计 6第五章 系统控制软件设计 14第六章 结束语 18参考文献 18前言课程设计是机床数控系统课程的十分重要实践环节之一。通过课程设计可以 初步树立正确的设计思想，了解有关的工业政策，学会运用手册、标准、规范等 资料；培养学生分析问题解决问题的实际能力，并在教师的指导下，系统地运用 课程和选修课程的知识，独立完成规定的设计任务。一种经济型数控机床的控制系统，包括机床伺服系统和对该伺服系统进行控 制的P

2、LC；其特征在于，还包括通过通信接口与PLC通信的触摸屏，所述触 摸屏包括：数据输入模块，用于输入、修改被控参数的参数值和操作指令，读取 触摸屏的操作界面；数据存储模块，用于存储输入、输出数据；数据处理计算模 块，用于对输入、输出参数数据进行处理、计算；包括输入信号的编码运算；输 出信号的解码运算；数据存储单元，用于存储移位单元传递来的数据；数据检测 单元，用于实时检测坐标轴的当前运动状态参数值，包括距离、速度值，以及控 制方式参数值；数据比较单元，用于将检测单元检测到的坐标轴当前运动状态参 数值、控制方式参数值与触摸屏存储模块的设定值进行比较；X-Y 数控工作台机电系统设计采用步进电机作为驱

3、动装置。步进电机是一个 将脉冲信号转移成角位移的机电式数模转换器装置。其工作原理是：每给一个脉 冲便在定子电路中产生一定的空间旋转磁场；由于步进电机通的是三相交流电所 以输入的脉冲数目及时间间隔不同，转子的旋转快慢及旋转时间的长短也是不同 的。由于旋转磁场对放入其中的通电导体既转子切割磁力线时具有力的作用，从 实现了旋转磁场的转动迫使转子作相应的转动，所以转子才可以实现转子带动丝 杠作相应的运动。本题目是步进电机，微型计算机，插补原理，汇编语言的综合 应用，本题目设计得到了老师的帮助和支持，最后在此表示感谢。本题目由共分 六章，第一章课程设计的目的、意义及要求；第二章课程设计的内容，第三章课

4、程设计总体方案的确定；第四章主要涉及了机械系统设计；第五章主要涉及工作 台机械装配图的绘制；第六章主要涉及控制系统软件设计；最后是结束语和参考 文献。因本人水平有限，错误和不足之处在所难免，处理问题也有不妥之处，敬 请相关老师批评指正。第一章 课程设计的目的、意义及要求X-Y 数控工作台是许多机电一体化设备的基本部件，如数控车床的纵 -横向 进刀机构、数控铣床和数控钻床的 X-Y 工作台、激光加工设备的工作台、电子元 件表面贴装设备等。因此，选择 X-Y 数控工作台作为机电综合课程设计的内容， 对于机电一体化专业的教学具有普遍意义。模块化的 X-Y 数控工作台，通常由导轨座、移动滑块、工作平台

5、、滚珠丝杠 螺母副以及伺服电动机等部件构成。其外观形式如图 1 所示。其中，伺服电动机 作为执行元件用来驱动滚珠丝杠，滚珠丝杠的螺母带动滑块和工作平台在导轨上 运动，完成工作台在X、Y方向的直线移动。导轨副、滚珠丝杠螺母副和伺服电 动机等均已标准化，由专门厂家生产，设计时只需根据工作载荷选取即可。控制 系统根据需要，可以选用标准的工业控制计算机，也可以设计专用的微机控制系 统。图 1 X-Y 数控工作台外形机电一体化课程设计是一个重要的时间性教学环节，要求学生综合的运用所学的理论知识，独立进行的设计训练，主要目的与要求：1、通过设计，使学生全面地、系统地了解和掌握数控机床的基本组成及其想怪知识

6、，学习总体的方案拟定、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的工作原理、设 计计算及选用的方式3、通过对机械系统的设计，掌握常用伺服电机的工作原理、计算控制方法与控 制驱动方式4、培养学生独立分析问题和解决问题的能力，学习并树立“系统设计”的思想5、锻炼提高学生应用手册和标准、查阅文献资料及撰写科技论文的能力第二章 课程设计的内容设计任务题目：X-Y数控工作台机电系统设计任务：设计一种供立式数控铣床使用的X-Y数控工作台，主要参数如下：(1) 立铣刀最大直径d =15 mm；(2) 立铣刀齿数Z=3；(3) 最大铣削宽度a =15 mm；e(4) 最大铣削深

7、度a =8 mm；p(5) 加工材料为碳素钢或有色金属；(6) X、Y方向的脉冲当量6 =6 =0.005mm/脉冲；xy(7) X、Y方向的定位精度均为土0.01 mm；(8) 工作台面尺寸为230 mmX230 mm,加工范围为300 mmX200 mm；(9) 工作台空载最快移动速度v =v =3000 mm/min；xmax ymax(10) 工作台进给最快移动速度v=v=1200 mm/min。xmaxf ymaxf第三章数控系统总体方案的确定二、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， 需要承受的载荷不大，但脉

8、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。(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0.005mm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。(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，且应有消间隙机构。为此本例决定采用无间

9、隙齿轮传动减速 箱(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3000mm/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。(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。任务书所给的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， 拟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

10、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。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。(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 AT89C52 作为控制系统的CPU,应该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

11、CPU之后，还需要扩展程序存储器、 数据存储器、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。第四章机械部分设计4.1确定系统脉冲当量任务书中所给定的脉冲当量是0.005mm4.2.导轨上移动部件的重量估算按照下导轨之上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 800N。4.3 滚动导轨副的计算与选择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3-7查得立铣时的铣削力计算公式为：F = 118ao.85fo.75dv

12、.73ai.ono.ioZc e z p(6-11)今选择铣刀直径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a=15mm，铣削深度a =8mm，每齿进给量fz=0.1mm，铣刀转速 ep300r/min。则由式(6-11)求得最大铣削力：F =118 X 150.85 X 0.10.75X 15-0.73 X 81.。cX 3000.13X3 N1463 N采用立铣刀进行圆柱铣削时，各铣削力之间的比值可由表3-5查得，结合图3-4a，考虑逆铣时的情况，可估算三个方向的铣削力分别为：F=1.1F 1609N，fcF =0.38F 556N，F =0.25F

13、 366N图3-4a为卧铣情况，现考虑立铣，则工作ecfnc台受到垂直方向的铣削力F= F =556N，受到水平方向的铣削力分别为F和F。z ef fn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 F= F=1609N，径向铣削力 F 二F= 366N。x fy fn图3-4铣削力的分析a）圆柱形铣刀铣削力b）面铣刀铣削力（1）、滑块承受工作载荷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。本例中的X-Y工作台 为水平布置，采用双导轨、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，则单滑块所受的最大垂向载荷

14、为：Fmax =G/4+F（6-12）其中，移动部件重量G=800N，外加载荷F=F= 556N，代入（6-12）式得最z大工作载荷P =756N=0.756kN。C查表3-41，根据工作载荷P=0.756kN，初选直线滚动导轨副的型号为KL系C列的JSA-LG15型，其额定动载荷C =7.94 kN，额定静载荷C =9.5 kN。a0a任务书规定工作台面尺寸为230mmX230mm，加工范围为300mmX200mm，考 虑工作行程应留有一定余量，查表3-35,按标准系列，选取导轨的长度为520mm。（2）、距离额定寿命的计算上述选取的KL系列JSA-LG15型导轨副的滚道硬度为HRC60，工

15、作温度不超 过100r，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3-36表3-40，分别取硬度系数f=1.0，温度系数f=1.00，接触系数HTf =0.81，精度系数f=0.9，载荷系数f=1.5， 代入式（3-33），得距离寿命:CRWL = i f f f f 50 6649 kmI f P丿远大于期望值50km，故距离额定寿命满足要求。4. 滚珠丝杠螺母副的计算与选型（1）最大工作载荷F的计算 承受最大铣削力时，工作台受到进给方向的m载荷（与丝杠轴线平行）F=1609N,受到横向的载荷（与丝杠轴线垂直）F =366N, xy受到垂向的载荷（与工作台面垂直）F= 556N。z已知移动部件总重量G=800N，按矩形导轨进行计算，查表3-29，取颠覆力 矩影响系数K=l.l,滚动导轨上的摩擦因数卩=0.005。求得滚珠丝杠副的最大工 作载荷F 二KF + “ （F+F+G）二l.lX1609+0.005X（556+366+800）N 1779 Nm x z y（2）最大动载荷F的计算Q设工作台在承受最大铣削力时的最快进给速度v=