单轴数控工作台机电系统设计---副本.doc

重庆理工大学机电一体化课程设计单轴数控工作台机电系统设计说明书班级：113120110 学号：11312011036 专业：机械设计制造及其自动化姓名：刘畅 教师：张晓宇 时间：2016年8月29日-2016年9月19日机电一体化课程设计目 录一、课程设计目的2二、课程设计任务2三、课程时间安排四、设计任务要求五、设计参数六、总体方案的确定5 1、机械传动部件的选择.2、控制系统的设计.四、机械传动部件的计算与选型6 1、导轨上移动部件的重量估算. 2、铣削力的计算. 3、直线滚动导轨副的计算与选型. 4、滚珠丝杠螺母副的计算与选型. 5、交流伺服电动机减速机构的计算与选用6、 交流伺服电动机的计算与选择7、 减速器的选择与计算8、 轴承的选择与计算9、控制方式的选择五、工作台机械装配图的绘制19六、 工作台控制系统的设计.19七、 结语.21参考文献.2120 机电一体化课程设计是一个重要的实践教学环节，要求学生综合运用所学过的机械、电子计算机和自动控制等方面的知识，独立进行一次机电结合的设计训练。一、课程设计目的1.学习机电一体化系统总体设计方案的拟定。2.通过对机械系统的设计，掌握几种典型传动元件的工作原理与选用原则。3.通过进给伺服系统的设计，掌握常用伺服电动机的工作原理、计算选择方法与控制驱动方式。4.通过对控制系统的设计，掌握一些典型硬件接口电路和控制软件的设计方法。5.培养学生独立分析问题和解决问题的能力，并培养系统设计的思想。6.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、课程设计内容 1、课程设计题目：单轴数控工作台机电系统设计 2、设计任务： 参考课程设计指导书并自行查阅相关资料，设计一种供立式数控铣床使用的单轴数控工作台。 3、设计内容具体要求： 单坐标数控工作台总体方案设计，要求绘制总体方案图（A3图纸1张） 控制系统设计，包括控制器选型、I/O通道设计，操作台设计、软件流程设计，条件允许时，尽可能进行调试实验。 检测系统设计，按要求对检测元器件进行选型。 驱动系统设计，按要求对驱动元器件进行设计选型。任务2-4要求绘制电气/电路原理图（A2图1张） 机械系统设计，按要求对传动部件、导向支承部件等进行计算和选型，绘制机构简图。（A3图1张） 设计说明书（一份） 要求清楚地叙述整个设计过程和详细的设计内容，包括总体方案设计分析，机械系统的结构设计，主要零部件的计算与选型，控制系统、检测系统、驱动系统的设计选型分析，软件设计流程和程序。说明书字数不少于5000字，要求内容丰富，条理清晰，图文并茂，符合国标。三、课程设计的时间安排 课程设计时间为3周，建议进度安排如下： 1.分析设计任务，总体方案论证：1-2天 2.检测系统设计：1-2天 3.驱动系统设计：1-2天 4.控制系统硬件设计：3-4天 5.控制系统软件设计：3-4天 6.机械系统设计：3-4天 7.编写说明书：2-3天四、设计任务要求 参考课程设计指导书并自行查阅相关资料，设计一种供立式数控铣床使用的单轴数控工作台，要求实现功能： 启动停止急停 正向/反向的快速/慢速点动 正向/反向的快速/慢速连续运动 软硬件限位 速度及位置信息反馈五、设计参数 1）立铣刀最大直径d=20mm 2)立铣刀齿数z=3 3)最大铣削宽度=15mm 4)最大背吃刀量=12mm 5)加工材料为碳素钢或有色金属 6)XY方向的脉冲当量=0.005/脉冲 7)XY方向的定位精度为 8)工作台台面尺寸，加工范围为 9)工作台空载最快移动速度 10)工作台进给最快移动速度 11)控制器：单片机 12)控制方式：全闭环 13)驱动方式：变频器+电机 六、总体方案的确定1、机械传动部件的选择选直线滚动导轨副（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。（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，要满足的脉冲当量和的定位精度，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 选择了三相交流异步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，决定采用无间隙齿轮传动减速箱拟采用减速箱（4）伺服电动机的选用 任务书规定的脉冲当量为，定位精度为，空载最快移动速度为。由于本次任务的驱动方式为变频器+电机，由变频器驱动电机的类型以及需要实现的功能，选择普通的三相交流异步电动机。伺服电机选择三相交流异步电动机（5）检测装置的选用选用三相交流异步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伺服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，决定采用全闭环控制，安装光栅尺。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。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，控制系统应该设计成既可以连续控制也可以点动。连续控制型（2）对于步进电动机的全闭环控制，选用MPC-51系列的八位单片机AT89c51作为控制系统的CPU，应该能够满足任务书给定的相关指标。控制器选：单片机AT89c51（3）要设计一台完整的控制系统，在选择CPU之后，还需要转接板作为与其他电器元件连接的枢纽。储存器（4）选择合适的驱动电源，与伺服电动机配套使用。自行设计伺服电机驱动电源四、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 G=400N 按照上导轨上面的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400N。2、铣削力的计算=677.17N=2128.25N=483.69N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2-1 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其中：为背吃刀量，；为最大铣削宽度，；为每齿进给量，；进给速度，；铣刀齿数；铣刀直径，；铣刀转速，如图2-1。 （2-1）图2-1 铣削用量说明若铣刀直径，齿数，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，背吃刀量，每齿进给量；铣刀转速。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，受到水平方向的铣削力分别为和。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，径向铣削力。3、直线滚动导轨副的计算与选型（1）滑块承受工作载荷的计算及导轨型号的选取导轨副的型号:GB系列的 GGB20AA型导轨长度为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，则单滑块所受的最大垂直方向载荷为： (2-2)其中，移动部件重量G=400N，外加载荷N，代入式2-2得最大工作载荷 根据工作载荷和查阅相关资料，初选直线滚动导轨副的型号为GB系列的GGB20AA型，其额定动载荷，额定静载荷。任务书规定工作台面尺寸为，加工范围为，考虑工作行程应留有一定余量，查表3-35，按标准系列，选取导轨长度为.(2) 距离额定寿命L的计算距离寿命为19085.55km远大于期望值50km，故距离额定寿命满足要求上述选取的GB系列GGB20AA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2-4，表2-5，表2-6，表2-7，表2-8表2-4 硬度系数滚道硬度（HRC）505558640.530.81.0表2-5 温度系数工作温度/1001001501502002002501.000.900.730.60表2-6 接触系数每根导轨上滑块数123451.000.810.720.660.61表2-7 精度系数精度等级23451.1.00.90.9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15m/min无明显冲击或振动的中速场合，速度为1560m/min有外部冲击或振动的高速场合，速度大于60m/min11.51.5223.5分别取硬度系数、温度系数、接触系数、精度系数、载荷系数，代入式2-3【3】46，得所选丝杠的距离寿命为： （2-3）即：结论：所选导轨的距离寿命远大于期望值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）最大工作载荷的计算最大工作荷： 在立铣时，工作台受到进给方向的载荷（与丝杠轴线平行）=2128.25N，受到横向的载荷（与丝杠轴线垂直）=483.69N，受到垂直方向的载荷（与工作台面垂直）=677.17N。已知移动部件总重量G=400N，按矩形导轨进行计算，查表2-9【3】38，表2-9 最大工作载荷实验计算公式及参考系数导轨类型实验公式K矩形导轨1.10.15燕尾导轨1.40.2三角形或综合导轨1.150.150.8注：表中摩擦因数均为滑动导轨。对于贴塑导轨=0.030.05，滚动导轨=0.0030.005。表中，为进给方向载荷，为横向载荷，为垂直载荷，单位均为N；G为移动部件总重力，单位为N；K为颠覆力矩影响系数；为导轨的摩擦系数。取移动部件总重量G=800N，按矩形导轨进行计算，查表2-9，取颠覆力矩影响系数K=1.1，滚动导轨上的摩擦因素=0.005。求得滚珠丝杠副的最大工作载荷：、（2）最大动载荷的计算最大动载荷设工作台在承受最大铣削力时的最快进给速度v=400mm/min，初选丝杠导程=5mm，则此时丝杠转速。取滚珠丝杠的使用寿命=15000h，代入，得丝杠寿命系数（单位为：r）。查表2-10【3】39，取载荷系数=1.2，滚道硬度为60HRC时，取硬度系数=1.0，代入式2-4【3】38 （2-4）即： 式中：滚珠丝杠副的寿命，单位（r）。，（其中为使用寿命，普通机械取=500010000h，数控机床及一般机电设备取=15000h；n为丝杠每分钟转速）；载荷系数，由表2-10查得。硬度系数（58HRC时，取1.0；等于55HRC时，取1.11；等于52.5HRC时，取1.35；等于50HRC时，取1.56；等于45HRC时，取2.40）；滚珠丝杠副的最大工作载荷，单位为N。表2-10 滚珠丝杠载荷系数运转状态载荷系数平稳或轻度冲击1.01.2中等冲击1.21.5较大冲击或振动1.52.5(3)初选型号GD系列2505-4型滚珠丝杠副 根据计算出的最大动载荷和初选的丝杠导程，查附件3表3-31【3】39，选择济宁博特精密丝杠制造有限公司生产的G系列2505-4型滚珠丝杠副，为内循环固定反向器单螺母式，其公称直径为25mm，导程为5mm，循环滚珠为4圈1列，精度等级取5级，额定动载荷为11921N，大于，满足要求。（4）传动效率的计算合格 将公称直径=25mm，导程=5mm，代入，得丝杠螺旋升角将摩擦角代入，得传动效率。效率要求大于90%，该丝杠副合格。（5）刚度的验算丝杠刚度足够1）X-Y工作台上下两层滚珠丝杠副的支承均采用“单推-单推”的方式。丝杠的两端各采用一对推力角接触球轴承，面对面组配，左、右支承的中心距离约为a=500mm；钢的弹性模量E=2.1105MPa；查附件3，得滚珠直径=3.175mm，丝杠底径d2=21.2mm，丝杠截面积=352.99。丝杠的拉伸或压缩变形量1在总变形量中的比重较大，可按下式计算： (2-5)341式中：Fm丝杠的最大工作载荷，单位为N a丝杠两端支承间的距离，单位为mm E丝杠材料的弹性模量，钢的E=2.1105MPa S丝杠按底径d2确定的截面积，单位为mm2 M转矩，单位为Nmm I丝杠按底径d2确定的截面积惯性矩（），单位为mm4 滚珠与螺纹滚道间的接粗变形量2 无预紧时： (2-6)341 有预紧时： (2-7)341式中： DW滚珠直径，mm Z滚珠总数量，=Z圈数列数 Z单圈滚珠数，（外循环），（内循环） FYJ预紧力，单位N忽略式2-5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Z=22；该型号丝杠为单螺母，滚珠的圈数列数为41，代入公式：=Z圈数列数，得滚珠总数量=88。丝杠预紧时，取轴向预紧力FYJ=Fm/3=。则由式2-7，滚珠与螺纹滚道间的接触变形量 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小一半，2=0.00125mm。3）将以上算出的1和2代入 丝杠的有效行程为330mm，由表3-27【3】35知，5级精度滚珠丝杠有效行程在315400mm时，行程偏差允许达到25m，可见丝杠刚度足够。（6）压杆稳定性校核丝杠不会失稳综上所述，初选的滚珠丝杠副满足使用要求 滚珠丝杠是属于受轴向力的细长杆，如果轴向负载过大，则可能产生失稳现象。失稳时的临界载荷应满足： （2-8）【3】42 式中： 临界载荷，单位N 丝杠支承系数，如表所示 K压杆稳定安全系数，一般取2.54，垂直安装时取小值； A滚珠丝杠两端支承间的距离，单位为mm。表2-11 丝杠支承系数【3】42方式双推-自由双推-简支双推-双推单推-单推0.25241查表2-11，取=1；由丝杠底径d2=21.2mm，求得截面惯性矩： 压杆稳定系数K取3（丝杠卧式水平安装）；滚动螺母至轴向固定处的距离a取最大值500mm。代入式2-8，得临界载荷：远大于工作载荷=2348.87N，故丝杠不会失稳。综上所述，初选的滚珠丝杠副满足使用要求。5、交流伺服电动机减速机构的计算与选择 本次课程设计工作台空载的最快移动速度为，此时丝杆的转速为： 选择的驱动器为变频器，选择的电机为交流伺服电动机。初选电动机的额定转速为。根据丝杆转动的转速与电动机转动的转速确定由电机到丝杆的传动比为： （5-1） 由计算结果可以得出，从电机到丝杆的传动比为3，一般的减速机构传动就满足条件，所以选择的减速机构为常州新月电机有限公司生产的JBF-3型的齿轮减速箱。大小齿轮模式均为1mm，齿数比为90:30，材料为45调质钢，齿表面淬硬后达到55HRC，减速箱中心距为57.5mm，小齿轮厚度为20mm，双片大齿轮厚度均为10mm。6、交流伺服电动机的计算与选型（1）初选交流伺服电动机的的型号交流伺服电动机的额定转速为 初选交流伺服电动机的额定转速为，减速机构的传动比为3，丝杠移动的最大速度为。W=400/0.98=40.8kg，S=1.67。1.计算惯量 （6-1） 式中： 重量，单位 ; 电机每转一圈丝杠移动的距离，单位 ； 滚珠丝杠的转动惯量Js=1.505 kg cm 经丝杠减速后的惯量为 1.5050.5=0.3762 kg cm 负载惯量为 0.3762+1.505=1.881 kg cm如果按大于1/10负载惯量选用电机，则电机惯量为0.42kg cm，最大转矩为1.91 N m，额定转矩为0.64N m。 2. 计算负载转矩设运动轴方向上的力Fc=Fx= 2128.25N 运动部分向桌面的挤压力Fo=Fz=677.17 摩擦系数=0.1 驱动部分效率取0.8 则直线运动轴方向的力为 负载转矩为 3. 计算加速转矩负载惯量为J 电机惯量为Jm 电机转速为No，加速时间为t，加速转矩为 、4. 与选用电机比较 加速转矩Ta+负载转矩T最大转矩 1.9 Nm，因此选用电机符合加速要求。5. 计算连续瞬时转矩 加速时间t=0.2s，匀速时间t1=1s，减速时间t2=0.2s，停止时间t3=2s，运行周期t5=0.2+1+0.2+2=3.4s加速转矩Ta=0.0949Nm，负载转矩T=0.759Nm，减速转矩Td=0.949，保持Th=0，连续瞬时转矩0.412Nm6. 选用结果因为任务书中要求有正向/反向的快速/慢速点动功能，但只有较高性能的三菱变频器FR-A700系列变频器才有点动功能，而且驱动的电机最低功率为0.4kw。顾选用伺服电机MQMA-4 。0.412Nme，查机械设计表13-5径向动载荷系数X和轴向动载荷系数Y得X=044，由于，其值在0.17-0.29之间，则所对应的Y的取值范围为1.02-1.12之间，用插值法求取轴向动载荷系数Y：。又查表13-6载荷系数，则轴承的当量动载荷P：（2-16）即当量动载荷。已知，则轴承寿命：（2-17）即，所以经验算轴承寿命符合要求。五、 工作台机械装配图的绘制在完成直线滚动导轨副、滚珠丝杠螺母副、步进电机以及旋转编码器的计算与选型后，就可以着手绘制工作台的装配图了，绘制后的X-Y工作台机械装配图见附页装配图。六、 工作台控制系统的设计本系统采用MCS-51系列8031单片机为主控制器。扩展存储器电路为1片2764EPROM和1片6264RAM。程序存储器扩展为4K，数据存储器扩展为8K.2764的片选控制端直接接地，系统复位后，CPU从0000H开始执行监控程序，6264的片选的由3-8译码器的Y2输出提供，所以6264的空间地址为4000H5FFFH，系统的扩展接口I/O电路选用通用的可编程并行输入/输出接口芯片8155.8155的片选端接至3-8译码器（74LS138）的Y4输出端，故8155控制命令寄存器及PA口、PB口、PC口的地址信号分别为8000H、8001H、8003H。8155RAM区的地址为8000H80FFH。8155接口的A口为控制工作台X、Y向电机的接口。本系统X、Y方向的伺服电机都选用A4系列伺服电动机MQMA-04。驱动器为三菱变频器FR-A740-0.4K-CHT。单片机通过P1口控制变频器。变频器的U、V、W与伺服电机相连。键盘与显示控制电路设计在一起，8155的PC口（PC05）担任键盘的列线及显示器的扫描控制（字位线）；PB0PB3为键盘的行线；8031的P1口为显示器的字形输出口（数据缓冲）。本系统采用46共24个行列式键盘和六位八段共阴极LED显示器。为了增加数码管显示亮度，分别在字形口与字位口加74LS07进行驱动。PB口剩余的I/O线PB4PB7分别为工作台+X、X、+Y、Y四个方向的行程限位控制信号。在软件设计上8155的PA口、PC口设置为输出，PB口设置为输入。计算机随时巡回检测PB4PB7的电平，当某I/O口线为“0”电平时，应该立即停止X、Y向伺服电机的驱动，并发出报警信号。PC4PC5接口接光栅的A、B信号。此外，光电隔离器的输出端必须采用隔离电源。隔离电源选用的是7805三端集成稳压器设计。软件流程图见图3.7.2 。其电气接线图见附页。七、检测原件因为任务书中要求的控制方式为全闭环，故选择光栅尺作为检测元件。光栅尺准确度等级有0.01mm、0.005mm、0.003mm、0.02mm。满足任务书中要求的XY方向定位精度为0.01mm。光栅尺最大移动速度可达120m/min，目前可完全满足数控机床设计要求；单个光栅尺最大长度为3040mm，完全满足所需长度要求。为了使降低工作台的成本本次设计选用海德汉直线光栅尺LS177增量式直线光栅尺。 八、结语：为期三个星期的课程设计转瞬即逝，通过紧张的计算和设计，我顺利的完成了此次机电一体化系统设计的课程设计。机电一体化系统设计是一门综合性课程，它是一门机械技术与微电子技术的交叉学科。随着机械技术、微电子技术的飞速发展，机械技术与微电子技术的相互渗透越来越快。本次设计的数控十字滑台就是机电有机结合的产品。在设计过程阶段，遇到了许多困难。在老师和同学的帮助下，最终把问题一一解决了。在做控制系统设计时遇到了较大的难题。由于以前对微机计算机控制部分知识没有掌握扎实，所以在控制程序设计也比较困难。通过本次课程设计之后也使自己更深一步的了解程序编写。通过本次课程设计之后，使自己对课本上的东西有更加深刻的的认识。由于自己的能力有限，设计中难免也存在不少细节上的错误，希望老师指出改正。感谢老师在这段时间对我们耐心的指导，使我懂得了学以致用的道理，我也因此明白了理论联系实际的重要性。九、 参考文献【1】姜培刚，盖玉先 机电一体化系统设计【M】机械工业出版社，2003.9 【2】杨裕根，诸世敏 现代工程图学【M】北京邮电大学出版社，2007 【3】尹志强、王玉林 机电一体化系统设计课程设计指导书M 机械工业出版社，2010【4】高林、周海燕 Visual Basic 6.0程序设计教程【M】人民邮电出版社，2003.7 【5】（美）Scott Warner 著Visual Basic 6.0程序教程 汉明工作室译 【M】人民邮电出版社，1999.8