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1、 专业课程设计数控钻床XY数控工作台设计一：设计任务及基本参数1：设计任务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、数控铣床的和数控钻床的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、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
2、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。本次设计是针对用于数控钻床的X-Y两自由度运动平台结构及其控制系统的设计。图12：基本参数数控钻床的X-Y两自由度运动平台主要参数如下：1. 钻头最大直径d=12 mm；2. 钻头转速n=300r/min；3. 每转进给量f=0.1mm/r；4. 刀具材料为高速钢；5. 工件材料为钢b=650 MPa；6. X、Y方向的脉冲当量x=y=0.01 mm/脉冲；7. X、Y方向的定位精度均为0.01 mm；8. 工作台面尺寸为300500 mm，加工
3、范围为350550 mm；9. 工作台最快移动速度vxmax=vymax=1500 mm/min。3：最后提交的材料课程设计说明书一份；装配图.弹簧的刚度为40.9N/mmX-Y数控工作台机电系统设计说明书目录1. 课程设计任务：.52. 总体方案设计.51)机械传动部件的选择5(1)导轨副的选用5(2)丝杠螺母副的选用5(3)减速装置的选用5(4)伺服电动机的选用5(5)检测装置的选用62) 控制系统的设计6(1)采用半闭环位置负反馈控制6(2）步进电动机的半闭环控制6(3）选择驱动电源63.机械传动部件的计算与选型.61)导轨上移动部件的重量估算62)直线导轨副的计算与选型6(1)滑块承受
4、工作载荷的计算及导轨型号的选取6(2)距离额定寿命L的计算73)滚珠丝杠螺母副的计算与选型7(1)最大工作载荷的计算7(2)最大动载荷的计算7(3)初选型号8(4)传动效率的计算8(5)刚度的验算8(6)压杆稳定性校核94)步进电动机减速箱的选用95)步进电动机的计算与选型9(1)计算加在步进电动机转轴上的总转动惯量J9(2)计算加在步进电动机转轴上的等效负载转矩T10(3)步进电动机最大静转矩的选定10(4 )步进电动机的性能校核10(5)步进电动机的驱动电源选用116）增量式旋转编码器的选用124.工作台机械示意图的绘制（见附录）.125.工作台控制系统的设计.126.感想总结.14参考文
5、献.141. 课程设计任务：设计一个X-Y两自由度运动平台，主要参数如下：额定负载20kg；工作台面积尺寸为XY的定位精度均为XY方向的脉冲当量工作台最快移动速度额定负载时XY向的最大运行加速度2. 总体方案设计1)机械传动部件的选择(1)导轨副的选用选用直线滚动导轨副。 (2)丝杠螺母副的选用选用滚珠丝杆副，其传动精度高、运转平稳，可满足设计所要求的定位精度。 (3)减速装置的选用为了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，选用无间隙齿轮传动减速箱。(4)伺服电动机的选用选用混合式步进电动机。(5)检测装置的选用采用半闭环控制，将增量式旋转编码器安装在电动机的尾部转轴
6、上，用以检测电动机的转角与转速。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)采用半闭环位置负反馈控制(2）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，能够满足任务书给定的相关指标。(3）选择驱动电源与步进电动机配套使用。3.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按照下导轨上面移动部件的重量来进行估算。包括工作平台、上层电动机、减速箱、滚动丝杠副、直线滚动导轨副、导轨座等，估计重量G=
7、780N。2)直线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采用双导轨、四滑块的支承形式。则单滑块所受的最大垂直方向载荷为：其中，移动部件重量G=780N，额定负载20kg,估算为F=20N,得最大工作载荷根据最大工作载荷，初选直线滚动导轨副的型号为KL系列的JSALG15型，其额定动载 荷Ca=7.94KN，额定静载荷:9.5kN。任务书规定工作台面积尺寸为X向和Y向最大位移为，考虑工作行程应留有一定余量，按标准系列，选取导轨的长度为520mm。(2)距离额定寿命L的计算上述选取的KL系列JSALG15型导轨副的滑道硬度为60HRC，工作温度不超过100摄氏度每根导轨上配
8、有两只滑块，精度为4级，工作速度较低，载荷不大。分别取硬度系数，温度系数、接触系数、精度系数、载荷系数，得距离寿命，远大于期望值50km，故距离额定寿命满足要求。3)滚珠丝杠螺母副的计算与选型(1)最大工作载荷的计算由于只考虑工作台的移动，不考虑加工时刀具对工件的载荷，因而Fx=0,Fy=0,Fz=20N(工件的重量)已知移动部件总重量G=800N，按矩形导轨进行计算，取颠覆力矩影响系数K=1.1，导轨上的摩擦因数u=0.15.求得滚珠丝杠副在匀速转动时的工作载荷：，由额定负载时X、Y向的最大运行加速度，得：Fm-F=m, Fm=202N(2)最大动载荷的计算工作台最快移动速度，初选丝杠导程P
9、h=4mm，则此时丝杠转速n=v/Ph=750r/min。取滚珠丝杠的使用寿命T=15000h，代入,得丝杠寿命系数L0=675（单位为）。取载荷系数，滚道硬度为60HRC时，取硬度系数，求得最大动载荷：(3)初选型号根据计算出的最大动载荷和初选的丝杠导程，选择济宁博特精密丝杠制造有限公司生产的G系列1064-3型滚珠丝杠副，为内循环固定器单螺母式，其公称直径为16mm，导程为4mm，循环滚珠为3圈1列，精度等级取5级，额定动载荷为4612N，大于Fq，满足要求。(4)传动效率的计算将公称直径d0=16mm，导程Ph=4mm，代入，得丝杠螺旋升角。将摩擦角(5)刚度的验算X-Y工作台上下两层滚
10、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;查得滚珠直径Dw=2.381mm，丝杠底径d2=13.1mm,丝杠截面积S=/4=134.78m.丝杠在工作台加速运行时的拉/压变形量根据公式求得单圈滚珠数Z=19，该型号丝杠为单螺母，滚珠的圈数列数为31，代入公式：丝杠预紧时，取轴向预紧力=68N。由，求得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，取将以上算出的，丝杠的有效行程为300mm，查表得，5级精度滚珠丝杠有效行程
11、小于315mm时，行程偏差允许达到23um，可见丝杠刚度足够。(6)压杆稳定性校核查表得支承系数压杆稳定性安全系数K取3，滚珠螺母至轴向固定处的距离a取最大值500mm。代入式，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。4)步进电动机减速箱的选用采用一级减速器，步进电动机的输出轴与小齿轮联接，滚珠丝杠的轴头与大齿轮联接。已知工作台的脉冲当量算得减速比：选用常州新月电机有限公司生产的JBF3型齿轮减速箱。大小齿轮模数均为1mm，齿数比为75：45，材料为45调制钢，齿表面淬硬后达55HRC。减速箱中心距为(75+45)/2=60mm,小齿轮厚度为20mm，大齿轮厚度为20mm。5)
12、步进电动机的计算与选型(1)计算加在步进电动机转轴上的总转动惯量J滚珠丝杠的转动惯量，已知滚珠丝杠的公称直径d0=16mm，总长l=500mm，导程Ph=4mm，材料密度托板折算到丝杠上的转动惯量，移动部件总重力F+G=800N，得大小齿轮转动惯量，小齿轮宽度b1=20mm，直径d1=45mm，大齿轮宽度b2=20mm，直径d2=75mm，传动比i=5/3,于是得小齿轮转动惯量初选步进电动机型号为90BYG2602，二项八拍驱动时步距角为0.75，查表得该型号电动机转子的转动惯量，则加在步进电动机转轴上的总转动惯量为(2)计算加在步进电动机转轴上的等效负载转矩T快速启动时电动机转轴所承受的负载
13、转矩T，包括三部分：一部分是快速空载启动时折算到电动机轴上的最大加速转矩Tamax；一部分是移动部分运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩Tf；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T0，因滚珠丝杠副传动效率很高，T0可忽略。则有：T=Tamax+TfTamax=,设步进电动机由静止到加速至，于是Tamax=0.5Nm.移动部件运动时，折算到电动机转轴上的摩擦转矩为：求得快速启动时电动机转轴所承受的负载转矩：T=Tamax+Tf=0.582Nm(3)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
14、。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。取K=4, 则步进电动机的最大静转矩应满足： 初选步进电动机的型号为90BYG2602，查得该型号电动机的最大静转矩=6Nm(4 )步进电动机的性能校核a）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=3000mm/min，求出其对应运行频率。在此频率下，电动机的输出转矩=1.8Nm，大于快速空载起动时的负载转矩=0.582Nm，满足要求。b）最快空载移动时电动机运行频率校核 与快速空载移动速度=3000mm/min对应的电动机运行频率为。查表知90BYG2602电动机的空载运行频率可达20000，可见没有超出
15、上限。c）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，电动机转轴不带任何负载时的空载起动频率。可知步进电动机克服惯性负载的起动频率为：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1106Hz。综上所述，本次设计中工作台的进给传动系统选用90BYG2602步进电动机，完全满足设计要求。(5)步进电动机的驱动电源选用设计中X、Y向步进电动机均为90BYG2602型，生产厂家为常州宝马集团公司。选择与之匹配的驱动电源为BD28Nb型，输入电压为1000VAC，相电流为4A，分配方式为二相八拍。该驱动电源与控制器的接线方式如图所示。6）增量式旋转编码器的选
16、用本设计所选步进电动机采用半闭环控制，可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速。增量式旋转编码器的分辨力应与步进电动机的步距角相匹配,为，可知电动机转动一转时，需要控制系统发出个步进脉冲。考虑到增量式旋转编码器输出的A、B相信号，可以送到四倍频电路进行电子四细分，因此，编码器的分辨力可选120线。这样控制系统每发一个步进脉冲，电动机转过一个步距角，编码器对应输出一个脉冲信号。此次设计选用的编码器型号为：ZLK-A-120-05VO-10-H 盘状空心型，孔径10mm，与电动机尾部出轴相匹配，电源电压+5V，每秒输出120个A/B脉冲，信号为电压输出。4.工作台机械
17、示意图的绘制（见附录）5.工作台控制系统的设计根据任务书的要求，设计控制系统的硬件电路时主要考虑以下功能：(1) 接收键盘数据，控制LED显示(2) 接受操作面板的开关与按钮信息；(3) 接受车床限位开关信号；(4) 接受电动卡盘夹紧信号与电动刀架刀位信号；(5) 控制X，Z向步进电动机的驱动器；(6) 控制主轴的正转，反转与停止；(7) 控制多速电动机，实现主轴有级变速；(8) 控制交流变频器，实现主轴无级变速；(9) 控制切削液泵启动/停止；(10) 控制电动卡盘的夹紧与松开；(11) 控制电动刀架的自动选刀；(12) 与PC机的串行通信。 CPU选用MCS-51系列的8位单片机AT89S
18、52，采用8279，和W27C512，6264芯片做为I/O和存储器扩展芯片。W27C512用做程序存储器，存放监控程序；6264用来扩展AT89S52的RAM存储器存放调试和运行的加工程序；8279用做键盘和LED显示器借口，键盘主要是输入工作台方向，LED显示器显示当前工作台坐标值；系统具有超程报警功能，并有越位开关和报警灯；其他辅助电路有复位电路，时钟电路，越位报警指示电路。控制系统原理框图如图7.1所示。图7.1 控制系统原理框图控制电动机的运动管理程序采用硬件环分。步进电动机的通电节拍由硬件电路来决定，编制软件时可以不考虑。控制器与硬件环分电路的链接只需两根信号线：一根方向线，一根脉
19、冲线。如下图： 步进电动机功率驱动电路硬件环分电路步进电动机驱动器 步进脉冲P1.1P1.0 AT89C52方向电平6.感想总结首先感谢帮助我的同学和老师，这次课程设计的完成，离不开老师和同学的指导、帮助和鼓励。通过这次的课程设计，我对学习了机电一体化系统设计方案的拟定有了一定的认识，对传动元件和导向元件如滚珠丝杠螺母副等的工作原理，设计计算方案的工作原理，设计计算的选用原则，电动机的工作原则，选择控制驱动方式都有了一定的认识。在今后的学习生活中，这次课程设计的经历将起到重要帮助作用,对数控机床的机械结构及控制原理有了更加深入的理解。通过对机械结构的设计，掌握了直线滚动导轨副、滚珠丝杠螺母副、
20、减速装置、步进电动机等结构的计算方法及选用原则；通过对控制系统的设计，掌握了一些典型软硬件的设计思路及方法。不过，在这次课程设计过程中，我们也遇到了许多困难。到图书馆、去网上查了很多资料，但都很有限，丝杠、导轨等很多零部件的产品型号在网上都查不到，加之个人能力有限，因而此次课程设计有很多不足之处，望老师谅解。参考文献1 文怀兴等编著.数控机床系统设计.化工工业出版社. 2机电一体化技术设计.机械工业出版社3 毛昕等主编，画法几何及机械制图.高等教育出版社4机械设计手册（2）.机械工业出版社5 艾兴 肖诗纲编.切削用量简明手册机械工业出版社6互换性与技术测量 中国计量出版社7 韩荣第 编 金属切削原理与刀具 哈尔滨工业大学出版社8PDF版附录：主视图：俯视图：- 14 -
