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1、设计题目：X-Y工作台X向进给系统设计作者：卢（陕理工机械工程学院机自083班，陕西 汉中 723003）指导老师： 摘要：各技术领域得到了广泛应用，对各领域技术的发展起到了极大的推动作用。一个较完善的机电一体化系统，应包含以下几个基本要素：机械本体、动力与驱动部分、执行机构、传感测试部分、控制及信息处理部分。机电一体化是系统技术、计算机与信息处理技术、自动控制技术、检测传感技术、伺服传动技术和机械技术等多学科技术领域综合交叉的技术密集型系统工程。新一代的CNC系统这类典型机电一体化产品正朝着高性能、智能化、系统化以及轻量、微型化方向发展。关键词：X-Y工作台，8031，驱动器，步进电动机，程
2、序存储器，数据存储器，丝杠，导轨目录1.引言：32.设计任务43. 总体方案的确定53.1 机械传动部件的选择53.1.1导轨副的选用53.1.2丝杠螺母副的选用53.1.3减速装置的选用53.1.4伺服电动机的选用53.1.5检测装置的选用53.3系统组成框图64.机械传动部件的计算与选型74.1 导轨上移动部件的重量估算74.2 铣削力的计算74.3 直线滚动导轨副的计算与选型74.3.1 块承受工作载荷的计算及导轨型号的选取74.3.2 距离额定寿命L的计算84.4 滚珠丝杠螺母副的计算与选型84.4.1 最大工作载荷Fm的计算84.4.2 最大动工作载荷FQ的计算94.4.3 初选型号
3、94.4.4 传动效率的计算94.4.5 刚度的验算94.4.6 压杆稳定性校核104.5 步进电动机减速箱的选用104.6 步进电动机的计算与选型104.6.1 计算加在步进电动机转轴上的总转动惯量Jeq104.6.2 计算加在步进电动机转轴上的等效负载转矩Teq114.6.3 步进电动机最大静转矩的选定134.6.4 步进电动机的性能校核135机电一体化系统进给伺服系统设计156.步进电动机的驱动电源选用167工作台控制系统的设计18致谢19参考文献201.引言：现代科学技术的不断发展，极大地推动了不同学科的交叉与渗透，导致了工程领域的技术革命与改造。在机械工程领域，由于微电子技术和计算机
4、技术的迅速发展及其向机械工业的渗透所形成的机电一体化，使机械工业的技术结构、产品机构、功能与构成、生产方式及管理体系发生了巨大变化，使工业生产由“机械电气化”迈入了“机电一体化”为特征的发展阶段。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。模块化的X-Y数控工作台，通常由导轨座、移动滑块、工作、滚珠丝杠螺母副，以及伺服电动机等部件构成。其中伺服电动机做执行元件用来驱动滚珠丝杠，滚珠丝杠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
5、动机等均以标准化，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，可以选取用标准的工作控制计算机，也可以设计专用的微机控制系统。图1.1 X-Y工作台实物图2.设计任务题目：数控X-Y工作台X向进给系统设计任务：设计一种供应式数控铣床使用的X-Y数控工作台X向进给系统，主要参数如下：1. 铣刀最大直径的d=20mm；2. 齿数Z=4;3. 最大铣削宽度=20mm;4. 最大背吃刀量=8mm;5. 加工材料为钢。6. X方向的脉冲当量=0.005mm/step;Y方向的脉冲当量=0.01mm/step7. 加工范围为400320;8. 最大快速移动速度为1m/min;3. 总体
6、方案的确定3.1 机械传动部件的选择3.1.1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，而且脉冲当量小，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，安装预紧方便等优点。3.1.2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，需要满足0.005mm冲当量，滑动丝杠副为能为力，只有选用滚珠丝杆副才能达到要求，滚珠丝杆副的传动精度高、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。3.1.3减速装置的选用选择了步进电动机和滚珠丝杆副以后，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
7、惯量，可能需要减速装置，且应有消间隙机构，选用无间隙齿轮传动减速箱。3.1.4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因此1000mm/min，故本设计不必采用高档次的伺服电动机，因此可以选用混合式步进电动机。以降低成本，提高性价比。3.1.5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。本设计所选步进电动机采用开环控制，系统工作时，驱动元件将数字脉冲成角度位移，转过的角度正比于指令脉冲的个数，转动的速度取决于指令脉冲的频率。系统中无位置反馈，也没有位置检测元件。3.2 控制系统的设计1）设计的X-
8、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8031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之后，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，与步进电动机配套使用。3.3系统组成框图图3.1X-Y工作台系统组成框图4.机械传动部件的计算与选型4.1 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。包括工件、夹具、工作台、
9、上层电动机、减速箱、滚珠丝杠副、导轨座等,估计重量约为800N4.2 铣削力的计算 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。立铣时的铣削力计算公式为： (4-11)今选择铣刀的直径为d=20mm，齿数Z=4,为了计算最大铣削力，在不对称铣削情况下，取最大铣削宽度为，背吃刀量=7mm ，每齿进给量，铣刀转速。则由式（6-11）求的最大铣削力：采用立铣刀进行圆柱铣削时，各铣削力之间的比值可由表查得，考虑逆铣时的情况，可估算三个方向的铣削力分别为：, ，。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，则纵
10、向铣削力，径向铣削力为。4.3 直线滚动导轨副的计算与选型4.3.1 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。该课程设计中的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直方向载荷为： (4-12)其中，移动部件重量800N，外加载荷，代入式（4-12），得最大工作载荷=968N=0.968kN。查表根据工作载荷=0.968kN，初选直线滚动导轨副的型号为KL系列的JSA-LG15型，其额定动载荷，额定静载荷。任务书规定加工范围为400320，考虑工作行程应留有一
11、定余量，查资料选取导轨的长度为820mm。4.3.2 距离额定寿命L的计算上述所取的KL系列JSA-LG15系列导轨副的滚道硬度为60HRC，工作温度不超过C，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。分别取硬度系数f=1.0，温度系数f=1.00，接触系数f=0.81，精度系数f=0.9，载荷系数f=1.5，得距离寿命：L=远大于期望值50Km，故距离额定寿命满足要求。4.4 滚珠丝杠螺母副的计算与选型4.4.1 最大工作载荷Fm的计算如前所述，在立铣时，工作台受到进给方向的载荷（与丝杠轴线平行）Fx=2222N,受到横向载荷（与丝杠轴线垂直）Fy=505N，受到垂直方向的
12、载荷（与工作台面垂直）Fz=768N.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，滚动导轨上的摩擦系数=0.005。求得滚珠丝杠副的最大工作载荷：Fm=KFx+(Fz+Fy+G)=1.12222+0.005(768+505+800)N2455N4.4.2 最大动工作载荷FQ的计算设工作台在承受最大铣削力时的最快进给速度v=1000mm/min，初选丝杠导程Ph=6mm,则此时丝杠转速n=v/Ph=200r/min。取滚珠丝杠的使用寿命T=15000h,代入L0=60Nt/106,得丝杠寿命系数L0=180（单位为：106r）。查表，取载荷系数fw=1.2,
13、滚道硬度为60HRC时，取硬度系数fH=1.0,求得最大动载荷：FQ=4.4.3 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3206-4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32mm，导程为6mm，循环滚珠为4圈*2系列，精度等级取4级，额定动载荷为18292N，大于FQ，满足要求。4.4.4 传动效率的计算将公称直径d0=32mm,导程Ph=6mm,代入=arctanPh/(d0)，得丝杠螺旋升角=。将摩擦角=10，代入=tan/tan(+),得传动效率=96.4%。4.4.5 刚度的验算(1) X-Y工作台上下两层滚珠丝杠副
14、的支承均采用“单推-单推”的方式。丝杠的两端各采用-对推力角接触球轴承，面对面组配，左、右支承的中心距约为a=800mm；钢的弹性模量E=2.1105Mpa;查表得滚珠直径Dw=3.969mm，丝杠底径d2=27.2mm,丝杠截面积S=/4=508.77m。算得丝杠在工作载荷Fm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42，代入公式Z圈数列数，得滚珠总数量=176。丝杠预紧时，取轴向预紧力/3=818N。求得滚珠与螺纹滚道间的接触变形量。因为丝杠有预紧力，且为轴向负载的1/3，所以实际变形量可以减少一半，取=0.0008mm。(3)
15、 将以上算出的和代入，求得丝杠总变形量=0.0192mm=16.8该课设中，丝杠的有效行程为600mm，由表知，4级精度滚珠丝杠有效行程在500630mm时，行程偏差允许达到22，可见丝杠刚度足够。4.4.6 压杆稳定性校核计算失稳时的临界载荷FK。取支承系数=1；由丝杠底径d2=27.2mm求得截面惯性矩26855；压杆稳定安全系数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800mm，得临界载荷FK=28960.3N，远大于工作载荷=2455N,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。4.5 步进电动机减速箱的选用为了满足脉冲当量的的设计要求，增大步进电
16、动机的输出转矩，同时也为了使滚珠丝杠和工作台的转动惯量折算到电动机轴上尽可能的小，今在步进电动机的输出轴上安装一套齿轮机减速，采用一级减速，步进电动机的输出轴与齿轮相连，滚珠丝杠的轴头与大齿轮相连。其中大齿轮设计成双片结构。已知工作台的脉冲当量=0.005mm/脉冲，滚珠丝杠的的导程Ph=6mm， 初选步进电动机的步距角=0.75，算得减速比：=（0.755）/（3600.004）=25/12本设计选用常州市新月电机有限公司生产的JBF-3型齿轮减速箱。大小齿轮模数均为1mm，齿数比为75：30，材料为45调质钢，齿表面淬硬后达到55HRC。减速箱中心距为（75+36）1/2mm=55.5mm
17、,小齿轮厚度为20mm，双片大齿轮厚度均为10mm。4.6 步进电动机的计算与选型4.6.1 计算加在步进电动机转轴上的总转动惯量Jeq 已知：滚珠丝杠的公称直径d0=32mm，总长l=800mm，导程Ph=6mm，材料密度=7.8510-5kg/;移动部件总重力G=800N；小齿轮齿宽b1=20mm.，直径d1=36mm，大小齿轮齿宽b2=20mm，直径d2=75mm；传动比i=25/12。算得各个零部件的转动惯量如下： 滚珠丝杠的转动惯量Js=6.462kgcm2;拖板折算到丝杠上的转动惯量Jw=0.517kgcm2;小齿轮的转动惯量Jz1=0.259 kgcm2；大齿轮的转动惯量Jz2=
18、4.877 kgcm2。初选步进电动机的型号为90YBG2602,为两相混合式，由常州宝马集团公司生产，二相八拍驱动时的步距角为0.75，从表查得该型号的电动机转子的转动惯量Jm=4 kgcm2。则加在步进电动机转轴上的总转动惯量为：=5.072 kgcm24.6.2 计算加在步进电动机转轴上的等效负载转矩Teq 分快速空载和承受最大负载两种情况进行计算。1) 快速空载起动时电动机转轴所承受的负载转矩包括三部分;一部分是快速空载起动时折算到电动机转轴上的最大加速转矩；一部分是移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩；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。因为滚珠丝杠副传
19、动效率很高， 相对于和很小，可以忽略不计。则有：=+ （4-13）考虑传动链的总效率，计算空载起动时折算到电动机转轴上最大加速转矩：= (4-14)其中： =416.7r/min (4-15)式中空载最快移动速度，任务书指定为1000mm/min；步进电动机步距角，预选电动机为0.75；脉冲当量，本例=0.005mm/脉冲。设步进电机由静止加速至所需时间，传动链总效率。则由式（4-14）求得： 图4.1 90BYG2602机的运行矩频特性曲=移动部件运动时，折算到电动机转轴上的摩擦转矩为：= (4-16)式中导轨的摩擦因素，滚动导轨取0.005垂直方向的铣削力，空载时取0传动链效率，取0.7最
20、后由式（4-13）求得快速空载起动时电动机转轴所承受的负载转矩：=+=0.2988Nm (4-17)2) 最大工作负载状态下电动机转轴所承受的负载转矩包括三部分：一部分是折算到电动机转轴上的最大工作负载转矩；一部分是移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩；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，相对于和很小，可以忽略不计。则有： =+ （4-18）其中折算到电动机转轴上的最大工作负载转矩由公式计算。有：计算在垂直方向承受最大工作负载情况下，移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩：最后由式（4-18），求得最大工作负载状态下电动机转轴所承受的负载转矩：=+=0.643
21、N/m （4-19）最后求得在步进电动机转轴上的最大等效负载转矩为：4.6.3 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。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： （4-20）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。可见，满足要求。4.6.4 步进电动机的性能校核1）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=1000mm/min，求出其对应运行频率。在此频率下，电动机的输出转
22、矩=1.7Nm，大于快速空载起动时的负载转矩=0.2988Nm，满足要求。2）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=1000mm/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，可见没有超出上限。3）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。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。实际上，在采用软件升降频时，起动频率选得更低，通常只有100。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
23、动机，完全满足设计要求。4.6.5 90BYG2602步进电动机的详细信息表4.1 技术参数型号相数步相距电压电流静转矩空载启动频率转动惯量电感接线图90BYG25012/40.9/1.85043.50152.43.5190BYG25022/40.9/1.810046.02046190BYG26012/40.75/1.55043.50152.43.5190BYG26022/40.75/1.510046.020461表4.2 外形安装尺寸型号DD1h1h2dEbL键AD2d2备注90BYG260190700-0.0173814-0.01-0.0222592100半圆键4161076.690BYG
24、260290700-0.0173814-0.01-0.0222592134半圆键4161076.65机电一体化系统进给伺服系统设计本设计所选步进电动机采用开环控制，系统工作时，驱动元件将数字脉冲成角度位移，转过的角度正比于指令脉冲的个数，转动的速度取决于指令脉冲的频率。系统中无位置反馈，也没有位置检测元件。开环伺服系统的结构简单，控制容易，稳定性好，但精度较低，低速有振动，高速转矩小。一般用于轻载或负载变化不大的场合。图5-1 开环伺服系统结构图6.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
25、电压为100VAC，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图6.1 BD28Nb驱动器实物图产品特点BD28NbFb型驱动器用于驱动86/90型二相混合式步进电机。由于采用了先进的控制技术并实现了电流的精密传感和控制，从而达到了低速运行平稳、高速力矩大、角度细分均匀的效果，是一种高性能、小体积、低价格的驱动器。适用于精密测量、加工等领域，如：雕刻机、打粉机、绕线机等。其中BD28Fb带细分控制，BD28Nb不带细分控制。主要特点：1.双极恒流加细分控制（BD28Fb）2.最大40细分的8种运行模式3.四种电流设定4.节能的半电流锁定模式5.输入信号TTL兼容6.
26、光电隔离信号输入7.过流、过压保护 表6.1 电气特性Ti=257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） 接受铣床限位开关信号；（4） 控制X，Y向步进电动机的驱动器；（5） 控制主轴的正转，反转与停止；（6） 控制多速电动机，实现主轴有级变速；（7） 控制交流变频器，实现主轴无级变速；（8） 控制报警电路。X-Y数控工作台的控制系统设计，控制系统根据需要，可以选取用标准的工作控制计算机，也可以设计专用的微机控制系统。本设计CPU选用8051系列的8位单片机8031。采用8
27、155和 27256， 62256芯片作为I/O接口和存储器扩展芯片。27256作为程序存储器，用来存放监控程序，62256用来扩展8031的RAM存储器用来存放调试和运行的程序。并联8155芯片用作键盘和显示器的接口，键盘主要是输入工作台方向，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。其他辅助电路有时钟电路和复位电路。图7-1 控制系统原理框图致谢在此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
28、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。近两年的学习就要告一段落，感谢那些爱我的人真诚的陪伴参考文献1 尹志强.机电一体化系统课程设计指导书 M. 北京：机械工业出版社.2 曾励.机电一体化系统设计 M. 北京：高等教育出版社.3 霍孟友.单片机硬件接线原理 M. 北京：机械工业出版社.4 濮良贵.机械设计 M. 北京：高等教育出版社.5 吴宗泽.机械设计课程设计手册 M. 北京：高等教育出版社.6 罗良武.工程图学及计算机绘图 M. 北京：机械工业出版社.7 朱东华.机械设计基础 M. 北京：机械工业出版社.8 张建民.机电一体化原理及应用 M. 北京：国防工业出版社.9 陈欲编.机电一体化设计指南 M. 北京：机械工业出版社. 10 何立民.机床数控系统 M. 北京：北京航空航天大学出版.11 王信义.机电一体化设计手册 M. 北京：机械工业出版社.12 高钟敏.机电控制工程 M. 北京：清华大学出版社.13 王玉林.步进电机的速度调节方法 M. 北京：电子工业出版社.14 吴镇彪.机电综合设计指导 M. 北京：中国人民大学出版社.15 王长春.机电一体化综合设计指导 M. 北京：高等教育出版社.
