机电综合课程设计XY数控工作台机电系统设计.docx

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1、机电综合课程设计XY数控工作台机电系统设计机电综合课程设计-X-Y数控工作台机电系统设计题目：XY数控工作台机电系统设计学院：机电工程学院专业：机械制造及其自动化学生姓名：王小保班级/学号：机械IoO1/2010010015指导老师：李天剑起止时间：2014/01/052014/01/17一、设计任务48总体方案的确定491、机械传动部件的选择49（D丝杠螺母副的选用49（2）导轨副的选用49（3）伺服电动机的选用502、操纵系统的设计503、绘制总体方案图错误!未定义书签。四、机械传动部件的计算与选型501、导轨上移动部件的重量估算502、铳削力的计算50五、步进电动机的计算与选型531、传

2、动计算532、计算加在步进电动机转轴上的总转动惯量Jeq533、计算加在步进电动机转轴上的等效负载转矩Teq534、步进电动机最大静转矩的选定55六、直线滚动导轨副的计算与选型错误!未定义书签。1、块承受工作载荷的计算及导轨型号的选取错误!未定义书签。2、距离额定寿命1的计算.错误!未定义书签。七、绘制进给传动系统示意图58八、操纵系统硬件电路设计58九、步进电动机的驱动电源选用错误!未定义书签。结束语错误!未定义书签。参考文献20、设计任务题目：XT数控工作台机电系统设计任务：1、 工作台与工件总重量：W=131ON；2、 X-Y行程：400mm；工作台面尺寸30Omm300mm3、 进给速

3、度：V=IOmm-500mmmin,空载快速移动速度V=2000mmmin,启动时间T行0.4s。4、 最大切削分力：Fz=3070（垂直方向）；FX=3500（横向）；FY=3500（纵向）；5、 定位精度：0.01mm；6、 脉冲当量=0.005mmstep7、 设计寿命：15000h二.总体方案的确定1、机械传动部件的选择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，安装预紧方便好且精度保持性等优点。选滚珠导轨，适合用于导轨上运动部件重量小于20Okg的机床，摩擦阻力小，制造容易，成本较低。丝

4、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0.00Imm的定位精度，滑动丝杠副不能达到要求，因此选用滚珠丝杆副，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。轴向间隙的调整与预紧方式：选用垫片调隙式，这种方法结构简单、刚性好、装卸方便，适用于通常精度的机构滚珠丝杠的安装：使用一端固定，一端游动的方式，因其压杆稳固性与临界转速较高（3）伺服电动机的选用任务书规定的定位精度也未达到微米级，空载最快移动速度也只有因此200OnIm/min,故本设计不必使用高档次的伺服电动机，因此能够选用混合式步进电动机。以降低成本，提高性价比。

5、2、操纵系统的设计1）设计的X-Z工作台准备用在数控车床上，其操纵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，因此操纵系统设计成连续操纵型。2）关于步进电动机的半闭环操纵，选用MCS-51系列的8位单片机AT89S52作为操纵系统的CPU,能够满足任务书给定的有关指标。3）要设计一台完整的操纵系统，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。三、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。包含工件、夹具、工作平台、上层电动机、减

6、速箱、滚珠丝杠副、直线滚动导轨副、导轨座等,估计重量约为1310N。2、铳削力的计算最大切削分力：FZ=3070（垂直方向）；FX=3500（横向）；FY=3500（纵向）；3直线滚动导轨副的计算与选型1）、滑块承受工作载荷ax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，使用双导轨、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：cG口EnaX-1+F其中，移动部件重量G=1310N,外加载荷F=FZ=3070N,代入上式，得最大工作载荷1Ij3397.5N=3.3975k

7、N0查表3-41,根据工作载荷EaJ3.3975kN,初选直线滚动导轨副的型号为K1系列的1G35型，其额定动载荷Ca为35.1KN,额定静载荷Coa为47.2KNo任务书规定工作台面尺寸为300mmX300mm,加工范围为400mm400mm,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840mmo2、距离额定寿命1的计算上述所取的K1系列1G35系列导轨副的滚道硬度为60HRC,工作温度不超过100C,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至3-40,分别取硬度系数fdI.。，温度系数1=1OO,接触系数fc=081精度系数fR=

8、0.9,载荷系数fw=15,代入式（3-33）,得距离寿命：6328.805739Km远大于期望值50Km,故距离额定寿命满足要求。4.滚珠丝杠杠螺母副的计算与选型(1)最大工作载荷Fm的计算在立铳时，工作台受到进给方向的载荷(与丝杠轴线平行)Fx=3500N,受到横向的载荷(与丝杠轴线垂直)Fy=3500N,受到垂直方向的载荷(与工作台面垂直)F7=3070No已知移动部件总质量G=1310N,按矩形导轨进行计算，查表329,取颠覆力矩影响系数K为1.1,滚动导轨上的摩擦因数为0.005.求得滚珠丝杠副的最大工作载荷：Fm=KFx+(Fz+Fy+G)=1.13500+0.005(3070+3

9、500+1310)N3889.4N(2)最大动载荷FQ的计算设工作台在承受最大铳削力时的最快进给速度v=500mmin,初选丝杠导程Ph=6mm,则如今丝杠转速=vPh=5006rmin0取滚珠丝杠的使用寿命T=I5000h,代入尸6077106,得丝杠寿命系数1O=75(单位为:106r)o查表3-30,取载荷系数加二1.2,滚道硬度为60HRC时，取硬度系数加二1。求得最大动载荷：Fq19682.68205N(3)初选型号根据计算出的最大动载荷与初选的丝杠导程，查表3-32,选3206-5型滚珠丝杠副，为外循环插管埋入式单螺母非预紧，其公称直径do为32mm,导程Ph为6mm,循环列数CM

10、为2X2.5,精度等级取5级，额定动载荷为24373N,大于FQ满足要求。(4)传动效率的计算将公称直径do=32mm,导程Ph=6mm,代入=arctanPh(uo),得丝杠螺旋升角=3o25zo将摩擦角=0,代入Fm,故丝杠不可能失稳。综上所述，初选滚珠丝杠满足要求。5、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Jeq由于负载转矩情况不一致，负载惯量只能由已计算精确地得到。由电动机驱动的所有运动部件，不管是旋转运动还是直线运动部件，都成为电动机的负载惯量，总的惯量以通过计算各个被驱动部件的惯量，并以一定规律将其加起来即可。滚珠丝杠的公称直径do=32mm,总长800

11、nm,导程Ph=6mm,材料密度夕=7.85103kg；移动部件总重力G=1310N;查表4-1可知：圆柱体惯量，当圆柱体围绕其中心轴线旋转时，其惯量：J1=6.464864867kgcm2沿直线轴移动物体的惯量：工二1.218955873kgcm2初选步进电动机的型号为I1oBYG2602,由常州市德利来电器有限公司生产，五相混合式步进电动机，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Jo=I5kgcm2o总的转动惯量为：Jeq=J1+J2+Joo其中JO为初选电动机的转子转动惯量，为15kgcm20代入数据得：Jeq=22.68380454kgcm2(2)、计算加在步

12、进电动机转轴上的等效负载转矩Teq分快速空载与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%由式(4-8)可知，Tegi包含三部分;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1a；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7；;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4。由于滚珠丝杠副传动效率很高，根据式(4-12)可知，相关于与7；很小，能够忽略不计。则有：%=&/，+To6-13)根据式(4-9),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：其中：1=2=833,33333333rmin(6-15)36Ob式中匕a一空载最快移动速度，任务书指定为2000mmmin;a一步进电动机步距角，预选电动机为0.75。；5一脉冲当量，本例3二0.005mm脉冲。设步进电机由静止加速至心所需时间T=0.4s,传动链总效率=0.7。则由式(6-14)求得：T=0.706976921Nmamax由式知，移动部件运动时，折算到电动机转轴上的摩擦转矩为：_/(FzG)P