机电一体化优秀课程设计.docx

机电一体化系统设计课程设计汇报设计题目： CNC二维工作平台设计学 院： 机电工程学院 姓 名： 福利 学 号： XXXXXXXXXXXX 指导老师： XXXX XXX XXX XXXX 时 间： 9月2日 目录一、总体方案设计11.1、设计任务11.2、总体方案确定1二、工作台尺寸及其重量初步确定4 2.1、 工作台（X向托板）4 2.2、 工作台（Y向托板）4 2.3、上导轨座（连电机）重量4三、滚动导轨计算和选择53.1、滑块承受工作载荷计算及导轨型号选择53.2、导轨寿命计算53.3、导轨额定动负载核实6四、滚珠丝杠设计计算及选择64.1、滚珠丝杠最大工作载荷计算6 4.2、滚珠丝杠静载荷计算7 4.3、滚珠丝杠动载荷计算74.4、丝杠型号确实定84.5、丝杠压杆稳定性核实84.6、丝杠刚度验算9五、电机计算和选择105.1、电机步距角计算105.2、负载惯量计算105.3、负载转矩计算115.4、步进电动机最大静转矩计算六、联轴器选择146.1、联轴器介绍146.2、联轴器选择14七、轴承选择15八、控制系统硬件设计15九、控制系统设计21十、参考文件28一、设计任务设计一个用于在水平面内（XOY平面）进行切割CNC二维工作平台。切割刀在Y方向工作台上面，其受力点（X、Y方向轴向载荷）到Y方向丝杠轴心线距离为100mm。XY方向行程：500300mmX丝杠转速n1：120r/minY丝杠转速n1：120r/min理论定位精度：20mX方向轴向载荷F1：3500NY方向轴向载荷F1：2500NX方向工作台滑板及组件重量：700NY方向工作台滑板及组件重量：400N二、总体方案设计2.1、设计思绪该工作台设计关键分为机械系统部件和控制系统部件，其中机械系统部件关键包含导轨副、丝杠螺母副、减速装置、伺服电动机和检测装置等，控制系统部件则包含CPU控制电路、电源设计电路、输入信号电路、输出信号电路、步进电机驱动控制电路等。考虑在满足设计要求前提下，应尽可能采取简练轻便结构设计和廉价实用可选材料，符合绿色环境保护现代机械设计理念，由此来确定最终方案。因X向和Y向机械结构基础相同，故只绘制X向机械系统部分结构简图，以下2.2、方案设计2.2.1 螺旋传动机构设计CNC二维工作平台传动方案有两类：传动方案可分为滑动螺旋传动和滚动螺旋传动两种：（1）滑动丝杠螺母机构（滑动螺旋传动）滑动丝杠螺母机构含有结构简单，运动平稳，传动精度高，螺纹导程小，降速比大，牵引力大等优点。其缺点是摩擦阻力大，传动效率低，螺纹中有侧向间隙，故反向有空行程。因为动静摩擦差异大，低速时可能出现爬行现象。（2）滚珠丝杠螺母机构（滚动螺旋传动）滚珠丝杠就是在含有螺旋滚道丝杠和螺母间充满滚珠。这些滚珠作为中间传动件，在螺母闭合回路中循环滚动，使丝杠螺母副运动由滑动变成滚动，以减小摩擦。滚珠丝杠传动效率很高，当双螺母预紧后，轴向刚度好，传动副爬行小，含有较高定位精度，开启转矩小，传动灵敏，同时性好。其缺点是结构复杂，制造较困难，价格昂贵，和不能自锁。依据CNC二维工作平台要求，参看两种传动特点，对于卧式CNC我们设计选择滚珠丝杠螺母传动。因为滚珠丝杠螺母机构不含有自锁性，故应增加电磁制动装置，以达成正确定位目标。2.2.2 导轨选择和设计导轨副类型选择常见导轨副组合形式有以下多个：（1）双三角形导轨 ：导向性和精度保持性高，接触刚度好。但工艺性差。用于精度要求较高机床设备。（2）矩形和矩形组合: 制造调整简单。（3）三角形和矩形组合：导向性好，制造方便，刚性好，不过磨损不均匀。（4）三角形和平面导轨组合：摩擦阻力不一致，轻易产生力矩，造成三角形导轨对角接触，影响运动导向精度，不能克服颠覆力矩。（5）燕尾形导轨及其组合：A、整体式燕尾导轨：B、装配式燕尾导轨：制造调试方便。C、燕尾和矩形组合式导轨：调整方便、承受力矩大。依据CNC二维工作平台要求和设计思绪，参看多个导轨副组合特点，对于卧式CNC我们设计选择三角形和矩形组合导轨副。导轨副材料选择依据设计思绪和工作情况，对于卧式CNC我们设计选择导轨副材料为铸铁，因为铸铁含有耐磨性和减振性好，热稳定性高，易于铸造和切削加工，成本低等特点。2.2.3 机架设计依据设计思绪，选择廉价实用材料，降低成本，满足要求即可，故我们选择机架材料是45刚。2.2.4 伺服系统选择依据任务书要求参数和设计思绪。只需要选择性能很好步进电动机即可满足要求，故在本设计中选择励磁式步进电动机，以降低成本，提升性价比。2.2.5 检测装置选择选择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，为了确保电动机在运转过程中不受切削负载和电网影响而失步，决定采取半闭环控制，拟在电动机尾部转轴上安装增量式旋转编码器，用以检测电动机转角和转速。增量式旋转编码器分辨率应和步进电动机步距角相匹配。2.2.6 减速装置设计选择了步进电动机和滚珠丝杠副以后，为了圆整脉冲当量，放大电动机输出转矩，降低运动部件折算到电动机转轴上转动惯量，可能需要减速装置，且应有消间隙机构。但本设计中要求系统结构紧凑，且依靠步进电动机和滚珠丝杠副已经能够达成所需脉冲当量，所以不使用减速箱。考虑到X、Y两个方向加工范围相差不大，承受工作载荷也相差不大，为了降低设计工作量，X、Y两个坐标导轨副、丝杠螺母副、减速装置、伺服电动机和检测装置拟采取相同型号和规格。2.3、方案确定综合考虑设计任务和设计思绪，因系统定位精度和最快移动速度相对并不是很高，故选择性能很好而性价比较高混合式步进电动机已经足够，下层电机固定在机座上，上层电动机固定在工作台滑板上；为了避免爬行现象，同时节省生产成本，且因该设计载荷较低，故选择直线滚动导轨副；滑动丝杠副在低速或微调时可能产生爬行显现，且为了能够满足定位精度，故选择滚珠丝杠副；控制系统选择AT89C51单片机，足以满足设计要求且较为廉价；因为本设计中要求系统结构紧凑，且依靠步进电动机和滚珠丝杠副已经能够达成所需脉冲当量，所以能够不使用减速箱。三、滚珠丝杠副和控制电机设计和计算3. 1 X和Y方向丝杠具体设计3.1.1 Y方向丝杠螺母副及其步进电机由CNC题目（卧式）可知：Y方向轴向工作载荷F22500N ；理论定位精度20m ；丝杠转速n2120r/min；y方向工作台滑板及其组件重量W2400 N ；参考同类型设备，选择电机和丝杠经过联轴器直接相连，则i=1（步进电机到丝杠间传动比）。这么选择好处是不要中间件，降低了传动件，有利于提升精度，安装等较为方便1、Y方向丝杠受力分析及丝杠轴向力计算Y方向工作台滑板及其组件重量W2和X方向轴向工作载荷关键由导轨负担，而丝杠关键承受Y方向轴向力F。Y方向丝杠所受总轴向力F由两部分组成：一是刀具所受Y方向轴向工作载荷Fa2；二是Y方向工作台滑板及其组件重量W2和X方向轴向载荷在导轨上产生合成摩擦力FN两部分组成：F=FN+Fa2FN=Fa12+W22式中 F丝杠所受总轴向力 N ； FN导轨和工作台滑板之间摩擦力 N ； Fa2Y方向轴向工作载荷 N 导轨和工作台滑板之间摩擦系数，因为导轨和工作台滑板处于边界润滑状态（脂润滑或油润滑），可取0.050.2 ；W2Y方向工作台滑板及组件重量 N ；Fa1X方向轴向工作载荷 N将W2400N、Fa22500N、Fa13500N、取0.1 带入上式得Y方向丝杠所受总轴向力F（卧式CNC）：F=FN+Fa2=352.325002852.3 N2、丝杠设计计算及尺寸选择因为丝杠为低速传动，所以应按寿命和额定静载荷两种方法确定其尺寸，然后选择其中较大。（1）按额定静载荷选择：因为Y方向丝杠所受总轴向力 F2852.3N，按CoaF标准查附表1选择丝杠尺寸。这里选外循环滚珠丝杠,公称直径do16mm、导程L04mm ，2.5圈1列，Coa=14100N；（2）按疲惫寿命选择：式中 运转系数，查表45（平稳或轻度冲击时为1.01.2，取载荷系数=1.2）硬度系数，查表46（滚道硬度为60HRC时，取硬度系数=1.0） F轴向工作载荷（N）Ca最大（基础）额定动载荷（N），其值可查书末附表1、2 Ca计算额定动载荷L预期使用寿命L=60nT106式中 n滚珠丝杠副转速（r/min）；T预期使用寿命时间（h）取滚珠丝杠使用寿命取滚珠丝杠副转速n=120r/min得 : L=138.24 Ca17697.8N查附表1滚珠丝杠副设计表，并参考同类型设备实际情况，设计选择： 外循环滚珠丝杠，公称直径d025mm，导程L06mm，3.5圈1列，Ca=18950 N，钢球直径（db）Dw=3.969mm,=4.36666 ,精度等级为E，基础导程极限偏差为6m。显然，最终应选择d025丝杠。3、控制电机选择(1)、计算电机所需要最小转矩Tmin由Y方向总轴向力F和丝杠公称直径d0，及=4.3666计算电机所需要最小转矩： 式中 d为丝杠螺纹大径，由表4-1公式计算得 d24.11d1为丝杠螺纹小径 ，由表4-1公式计算得 d121d2为丝杠中径 ，d222.55为当量摩擦角， 这里取0。根据电机额定输出转矩T电机所需最小转矩Tmin=2.4Nm标准，在网上查看步进电机类型及参数有两种型号可选，转矩为2.5N.m电机在以后校核中被淘汰，故选择型号110BYGH2501永磁感应子式二相四拍步进电机。在网上查得：其转矩是9.8Nm，步进电机步距角为0.9。当取脉冲发生频率为800个/秒时，步进电机转数为：n60800/(360/0.9)=120r/min。和题目要求相符合，可行。4、计算理论定位精度、丝杠步距角和丝杠轴向移动速度V：计算出理论定位精度（即直线脉冲当量）和丝杠步距角2 。2=360/ L01 / i （）理论定位精度（即为直线脉冲当量），是指一个脉冲，螺母相对于丝杠直线位移量 mm。1电机步距角（）2丝杠步距角（当传动比i1时，丝杠和电机步距角不相等）（）L0丝杠基础导程（mm）i电机到丝杠之间传动比，这里因为电机和丝杠是直接联接，故传动比为1。将参数代入理论定位精度公式计算可得，=15m。因为丝杠步距角20.9，则由800脉冲/秒和=0.015mm得丝杠轴向移动速度：V=1000/(360/步距角)L0=12mm/s（属于低速运动）。由以上参数可知，满足设计题目要求。3.1.2 设计X方向滚珠丝杠螺母机构及其步进电机由CNC题目（卧式）可知：X方向轴向工作载荷F13500N ；理论定位精度20m ；丝杠转速n1120r/min；y方向工作台滑板及其组件重量W1700 N ；参考同类型设备，选择电机和丝杠经过联轴器直接相连，则i=1（步进电机到丝杠间传动比）。这么选择好处是不要中间件，降低了传动件，有利于提升精度，安装等较为方便1、X方向丝杠受力分析及丝杠轴向力计算X方向工作台滑板及其组件重量W1和Y方向轴向工作载荷关键由导轨负担，而丝杠关键承受X方向轴向力F。X方向丝杠所受总轴向力F由两部分组成：一是刀具所受X方向轴向工作载荷Fa1；二是X方向工作台滑板及其组件重量W1和Y方向轴向载荷在导轨上产生合成摩擦力FN两部分组成：F=FN+Fa1FN=Fa22+W22式中 F丝杠所受总轴向力 N ； FN导轨和工作台滑板之间摩擦力 N ； Fa2Y方向轴向工作载荷 N 导轨和工作台滑板之间摩擦系数，因为导轨和工作台滑板处于边界润滑状态（脂润滑或油润滑），可取0.050.2 ；W1X方向工作台滑板及组件重量 N ；Fa1X方向轴向工作载荷 N将W1700N、Fa22500N、Fa13500N、取0.1 带入上式得X方向丝杠所受总轴向力F（卧式CNC）：F=FN+Fa1=259.635006096.15N2、丝杠设计计算及尺寸选择因为丝杠为低速传动，所以应按寿命和额定静载荷两种方法确定其尺寸，然后选择其中较大。（1）按额定静载荷选择：因为X方向丝杠所受总轴向力 F6096.15N，按CoaF标准查附表1选择丝杠尺寸。这里选外循环滚珠丝杠,公称直径do25mm、导程L04mm ，2.5圈1列，Coa=14100N；（2）按疲惫寿命选择：式中 运转系数，查表45（平稳或轻度冲击时为1.01.2，取载荷系数=1.2）硬度系数，查表46（滚道硬度为60HRC时，取硬度系数=1.0） F轴向工作载荷（N）Ca最大（基础）额定动载荷（N），其值可查书末附表1、2 Ca计算额定动载荷L预期使用寿命L=60nT106式中 n滚珠丝杠副转速（r/min）；T预期使用寿命时间（h）取滚珠丝杠使用寿命取滚珠丝杠副转速n=120r/min得 : L=138.24 Ca37825.2N查附表1滚珠丝杠副设计表，并参考同类型设备实际情况，设计选择： 外循环滚珠丝杠，公称直径d063mm，导程L08mm，3.5圈1列，Ca=37900 N，钢球直径（db）Dw=4.763mm,=2.32 ,精度等级为E，基础导程极限偏差为6m。显然，最终应选择d025丝杠。3、控制电机选择(1)、计算电机所需要最小转矩Tmin由Y方向总轴向力F和丝杠公称直径d0，及=2.32计算电机所需要最小转矩： Tmin=Fd22tan+=7.42Nm式中 d为丝杠螺纹大径，由表4-1公式计算得 d62.05mmd1为丝杠螺纹小径 ，由表4-1公式计算得 d158.18mmd2为丝杠中径 ，d260.12mm为当量摩擦角， 这里取0。根据电机额定输出转矩T电机所需最小转矩Tmin=7.42Nm标准，在网上查看步进电机类型及参数有两种型号可选，转矩为7.5Nm电机在以后校核中被淘汰，故选择型号110BYGH2501永磁感应子式二相四拍步进电机。在网上查得：其转矩是9.8Nm，步进电机步距角为0.9。当取脉冲发生频率为800个/秒时，步进电机转数为：n60800/(360/0.9)=120r/min。和题目要求相符合，可行。4、计算理论定位精度、丝杠步距角和丝杠轴向移动速度V：计算出理论定位精度（即直线脉冲当量）和丝杠步距角2 。2=360/ L01 / i （）理论定位精度（即为直线脉冲当量），是指一个脉冲，螺母相对于丝杠直线位移量 mm。1电机步距角（）2丝杠步距角（当传动比i1时，丝杠和电机步距角不相等）（）L0丝杠基础导程（mm）i电机到丝杠之间传动比，这里因为电机和丝杠是直接联接，故传动比为1。将参数代入理论定位精度公式计算可得，=15m。因为丝杠步距角20.9，则由800脉冲/秒和=0.015mm得丝杠轴向移动速度：V=800/(360/步距角)L0=12mm/s（属于低速运动）。由以上参数可知，满足设计题目要求。故X方向和Y方向选择相同电动机，相关参数见下表型号步距角相数电压（V）电流（A）静转矩（Nm）空载运行频率（KHZ）转动惯量（Kgcm2）机身长（mm）110BYG25010.9/1.821104121511144四、导轨设计依据任务书要求XY方向行程为500300mm，故初步取导轨座长600mm，宽为400mm，采取三角形和矩形组合导轨副，材料为铸铁，因为铸铁含有耐磨性和减振性好，热稳定性高，易于铸造和切削加工，成本低等特点，五、轴承设计和选择5.1 X方向轴承选择依据滚珠丝杆公称直径 63mm，额定动载荷Ca=37900N和额定静载荷F6096.15和轴承所承受最大载荷700N，查机械零件设计手册，以确定所选轴承型号。所选轴承为深沟球轴承6013，相关参数见下表：基础尺寸安装尺寸基础额定载荷极限转速dDB动载荷静载荷脂润滑油润滑65120230.6741111.557.240.0500063005.2 Y方向轴承选择依据滚珠丝杆公称直径 25mm，额定动载荷Ca=17697.8N和额定静载荷F2782N和轴承所承受最大载荷400N，查机械零件设计手册，以确定所选轴承型号。所选轴承为深沟球轴承6206，相关参数见下表：基础尺寸安装尺寸基础额定载荷极限转速dDB动载荷静载荷脂润滑油润滑3062160.63656119.511.5950013000六、控制系统硬件设计X-Y数控工作台控制系统硬件关键包含CPU、传动驱动、传感器、人机交互界面。硬件系统设计时，应注意几点：电机运转平稳、响应性能好、造价低、可维护性、人机交互界面可操作性比很好。6.1 CPU选择伴随微电子技术水平不停提升，单片微型计算机有了飞跃发展。单片机型号很多，而现在市场上应用MCS-51芯片及其派生兼容芯片比较多，如现在应用最广8位单片机89C51，价格低廉，而性能优良，功效强大。在部分复杂系统中就不得不考虑使用16位单片机，MCS-96系列单片机广泛应用于伺服系统，变频调速等各类要求实时处理控制系统，它含有较强运算和扩展能力。不过定位合理单片机能够节省资源，取得较高性价比。从要设计系统来看，选择较老8051单片机需要拓展程序存放器和数据存放器，无疑提升了设计价格，而选择高性能16位MCS-96又显得过于浪费。生产基于51为内核单片机厂家有Intel、ATMEL、Simens，其中在CMOS器件生产领域ATMEL企业工艺和封装技术一直处于领先地位。ATMEL企业AT89系列单片机内含Flash存放器，在程序开发过程中能够十分轻易进行程序修改，同时掉电也不影响信息保留；它和80C51插座兼容，而且采取静态时钟方法能够节省电能。所以硬件CPU选择AT89C51，AT表示ATMEL企业产品，9表示内含Flash存放器，S表示含有串行下载Flash存放器。AT89C51性能参数为：Flash存放器容量为4KB、16位定时器2个、中止源6个（看门狗中止、接收发送中止、外部中止0、外部中止1、定时器0和定时器1中止）、RAM为128B、14位计数器WDT、I/O口共有32个。6.2 CPU接口设计CPU接口部分包含传感器部分、传动驱动部分、人机交互界面三部分。示意图以下所表示：七、控制系统软件设计7.1、总体方案对于AT89S51程序设计，因为所需实现功效较简单，采取汇编形式。编译器采取Keil 7.02b。该编译器是51系列单片机程序设计常见工具，既可用汇编，也支持C语言编译。同时含有完善调试功效。八、参考文件1 郑学坚,周斌.微型计算机原理及应用.M.清华大学出版社,2 房小翠.单片微型计算机和机电接口技术M.国防工业出版社,3 王小明. 电动机单片机控制M. 北京航空航天大学出版社,4 李建勇.机电一体化技术.M.科学出版社.5 张建民.机电一体化系统设计M.北京理工出版社,6 徐灏等.机械设计手册M.北京:机械工业出版社,7 濮良贵 ,记名刚.机械设计M.北京:高等教育出版社,8.杨入清.现代机械设计系统和结构M.上海:上海科学技术文件出版社,9.张立勋,孟庆鑫,张今瑜.机电一体化系统设计M.哈尔滨:哈尔滨工程大学出版社,