1、 重慶理工大學機電一體化課程設計x-y水平十字滑臺說明書 班級： 學號： 專業：機械設計制造及其自動化姓名： 教師： 時間：2015年6月22日-7月10日機電一體化課程設計目 錄一、設計目的2二、設計任務2三、總體方案的確定3 1、機械傳動部件的選擇.3 2、控制系統的設計.4四、機械傳動部件的計算與選型4 1、導軌上移動部件的重量估算.4 2、銑削力的計算.4 3、直線滾動導軌副的計算與選型.7 4、滾珠絲杠螺母副的計算與選型.9 5、步進電動機減速箱的選用.13 6、步進電動機的計算與選型.13 7、增量式旋轉編碼器的選用.19 8、步進電機驅動器的選擇.19 9、聯軸器的選擇.21五、

2、工作臺機械裝配圖的繪制226、 工作臺控制系統的設計.227、 十字滑臺運動控制程序的編制.228、 結語.25參考文獻.26251、 設計目的課程設計是一個重要的時間性教學環節，要求學生綜合的運用所學的理論知識，獨立進行設計訓練，主要目的：1、 通過設計，使學生全面地、系統地了解和掌握數控機床的基本組成及其思想知識，學習總體的方案擬定，分析與比較的方法。2、 通過對機械系統的設計，掌握幾種典型傳動元件與導向元件的工作原理、設計計算及選用的方式3、 培養學生獨立分析問題和解決問題的能力，學習并樹立“系統設計”的思想4、 鍛煉提高學生應用手冊和標準、查閱文獻資料及撰寫科技論文的能力2、 設計任務

3、1、設計題目x-y數控工作臺機電系統設計2、任務 設計一種供立式數控銑床使用的x-y數控工作臺。要求可以設定工作臺的運動速度，實現正向/反向點動、正向/反向連續運動、啟動、停止、急停、軟硬限位等功能。3、主要設計參數1. 立銑刀最大直徑d=16mm2. 立銑刀齒數z=33. 最大銑削寬度ac=10mm4. 最大銑削深度ap=8mm5. 加工材料為碳素鋼6. x，y方向的脈沖當量都為0.01mm/脈沖7. x，y方向的定位精度都為0.02mm8. 工作臺面尺寸為350mm350mm,加工范圍為450mm450mm9. x,y方向工作臺空載最快移動速度都為2500mm/min 10. x，y方向工

4、作臺進給速度都為400mm/min三、總體方案的確定1、機械傳動部件的選擇（1）導軌副的選用要設計的x-y工作臺是用來配套輕型的立式數控銑床，需要承載的載荷不大，但脈沖當量小()，定位精度高（），因此，決定選用直線滾動導軌副，它具有摩擦系數小、不易爬行、傳動效率高、結構緊湊、安裝預緊方便等優點。選直線滾動導軌副（2）絲杠螺母副的選用伺服電動機的旋轉運動需要通過絲杠螺母副轉換成直線運動，要滿足0.01mm的脈沖當量和0.01mm的定位精度，滑動絲杠副無能為力，只有選用滾珠絲杠副才能達到。滾珠絲杠副的傳動精度高、動態響應快、運轉平穩、壽命長、效率高、預緊后可消除反向間隙，而且滾珠絲杠已經系列化，選

5、用非常方便，有利于提高開發效率。選滾動絲杠螺母副（3）減速裝置的選用 選擇了步進電動機和滾珠絲杠副以后，為了圓整脈沖當量，放大電動機的輸出轉矩，降低運動部件折算到電動機轉軸上的轉動慣量，可能需要減速裝置，且應有消除間隙機構。擬采用減速器（4）伺服電動機的選用 任務書規定的脈沖當量尚未達到0.001mm，定位精度也未達到微米級，空載最快移動速度也只有2500mm/min。因此，本設計不必采用高檔次的伺服電動機，如交流伺服電動機或直流伺服電動機等，可以選用性能好一些的步進電動機，如混合式步進電動機，以降低成本，提高性價比。伺服電機選步進電機（5）檢測裝置的選用選用步進電動機作為伺服電動機后，可選開

6、環控制，也可選閉環控制。任務書所給精度對于步進電動機來說還是偏高的，為了確保電動機在運轉過程中不受切削負載和電網的影響而失步，決定采用半閉環控制，并在電動機的尾部轉軸上安裝增量式旋轉編碼器，用以檢測電動機的轉角與轉速。增量式旋轉編碼器的分辨率應與步進電動機的步距角相匹配?？紤]到x、y兩個方向的加工范圍相同，承受的工作載荷相差不大，為了減少設計工作量，x、y兩個坐標的導軌副、絲杠螺母副、減速裝置、伺服電動機，以及檢測裝置擬采用相同的型號與規格。檢測裝置的選用：增量式旋轉編碼器2、控制系統的設計（1）設計的x-y工作臺準備用在數控銑床上，其控制系統應該具有單坐標定位、兩坐標直線插補與圓弧插補的基本

7、功能，所以控制系統應該設計成連續控制型。連續控制型（2）對于步進電動機的半閉環控制，選用mpc2810運動控制卡，應該能夠滿足任務書給定的相關指標。控制器選：mpc2810運動控制卡（3）要設計一臺完整的控制系統，在選擇運動控制卡之后，還需要轉接板作為與其他電器元件連接的樞紐。需要轉接板（4）選擇合適的驅動電源，與步進電動機配套使用，我們將自行設計。自行設計步進電機驅動電源整體方案設計系統總體方案圖四、機械傳動部件的計算與選型1、導軌上移動部件的重量估算 按照下導軌上面移動部件的重量來進行估算。包括工件、夾具、工作平臺、上層電動機、減速箱、滾珠絲杠副、直線滾動導軌副、導軌座等，估計重量約為90

8、0n。 g=900n2、銑削力的計算設零件的加工方式為立式銑削，采用硬質合金立銑刀，工件的材料為碳鋼。則由表2-1查得立銑時的銑削力計算公式為： 硬質合金銑刀銑削力的計算公式（單位n）316銑刀類型工件材料銑削力公式面銑刀碳鋼灰鑄鐵可鍛鑄鐵圓柱銑刀碳鋼灰鑄鐵三面刃銑刀碳鋼兩面刃銑刀立銑刀期中：ap為背吃刀量mm；ae為側吃刀量mm；fz為每齒進給量mm/z；vf進給速度mm/min；z銑刀齒數；d銑刀直徑mm；n銑刀轉速r/min，見圖2-1。 （2-1）圖2-1 銑削用量說明若銑刀直徑d=16mm，齒數z=3，為了計算最大銑削力，在不對稱銑削情況下，取最大銑削寬度ae=10mm，背吃刀量ap

9、=8，每齒進給量fz=0.1mm/z；銑刀轉速n=300r/min。則由公式2-1求得最大銑削力：采用立銑刀進行圓柱銑削時，各銑削力之間的比值可由表2-2。表2-2 各銑削力之間比值銑削條件比值對稱銑削不對稱銑削逆銑順銑端銑削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圓柱銑削ae=0.05 d/mmfz=(0.10.2)/(mm.z-1)ff / fc1.01.20.80.9ffn / fc0.2

10、0.30.750.8fe / fc0.350.40.3250.4圖2-2 銑削力分析圖2-3 順銑與逆銑由表2-2，圖2-2和圖2-3，考慮逆銑情況，可估算出三個方向的銑削力分別為：圖2-3a為臥銑情況，現考慮立銑，則工作臺受到垂直方向的銑削力fz=fe=376n，受到水平方向的銑削力分別為ff和ffn。今將水平方向較大的銑削力分配給工作臺的縱向（絲杠軸線方向），則縱向銑削力fx=ff=1088n，徑向銑削力fy=ffn=247n。fz=376nfx=1088nfy=247n3、直線滾動導軌副的計算與選型（1）滑塊承受工作載荷fmax的計算及導軌型號的選取工作載荷是影響直線滾動導軌副使用壽命的

11、重要因素。x-y工作臺采用水平布置，利用雙導軌、四滑塊的支承形式?？紤]最不利的情況，即垂直于臺面的工作載荷全部由一個滑塊承擔，則單滑塊所受的最大垂直方向載荷為： (2-2)其中，移動部件重量g=900n，外加載荷f=fz=376n，代入式2-2得最大工作載荷查表3-41【3】48，根據工作載荷fmax=0.609kn，初選直線滾動導軌副的型號為zl系列的jsa-lg15型，其額定動載荷ca=7.94kn，額定靜載荷c0a=9.5kn。任務書規定工作臺面尺寸為350mm350mm，加工范圍為450mm450mm，考慮工作行程應留有一定余量，查表3-35345，按標準系列，選取導軌長度為820mm

12、.表3-35 jsa型導軌長度系列導軌型號導軌長度系jsa-lg15280340400460520580640700760820940jsa-lg20340400520580640760820940100011201240jsa-lg2546064080010001240136014801600184019603000jsa-lg3552060084010001080124014801720220024403000jsa-lg4555065750850950125014501850205025503000jsa-lg556607809001020126013801500198022202700

13、3000jsa-lg65820970112012701420157017202020232027703000導軌副的型號:zl系列的 jsa-lg15型導軌長度為820mm(2) 距離額定壽命l的計算上述選取的zl系列jsa-lg15型導軌副的滾道硬度為60hrc，工作溫度不超過100，每根導軌上配有兩只滑塊，精度為4級，工作速度較低，載荷不大。查表表2-4 硬度系數滾道硬度（hrc）50555864fh0.530.81.0表2-5 溫度系數工作溫度/90%，合格。（5）剛度的驗算1）x-y工作臺上下兩層滾珠絲杠副的支承均采用“單推-單推”的方式。絲杠的兩端各采用一對推力角接觸球軸承，面對面組

14、配，左、右支承的中心距離約為a=550mm；鋼的彈性模量e=2.1105mpa；查附件3，得滾珠直徑dw=2.381mm，絲杠底徑d2=22.1mm，絲杠截面積。絲杠的拉伸或壓縮變形量1在總變形量中的比重較大，可按下式計算： (2-5)341式中：fm絲杠的最大工作載荷，單位為n a絲杠兩端支承間的距離，單位為mm e絲杠材料的彈性模量，鋼的e=2.1105mpa s絲杠按底徑d2確定的截面積，單位為mm2 m轉矩，單位為nmm i絲杠按底徑d2確定的截面積慣性矩（），單位為mm4 滾珠與螺紋滾道間的接粗變形量2 無預緊時 (2-6)341 有預緊時 (2-7)341式中 dw滾珠直徑，mm

15、z滾珠總數量，z=z圈數列數 z單圈滾珠數，（外循環），（內循環） fyj預緊力，單位n忽略式2-5中的第二項，算得絲杠在工作載荷fm作用下產生的拉/壓變形量=0.0124mm即 2）根據公式，求得單圈滾珠數z=30；該型號絲杠為單螺母，滾珠的圈數列數為32，代入公式：z=z圈數列數，得滾珠總數量z=180。絲杠預緊時，取軸向預緊力fyj=fm/3=1204/3401n。則由式2-7，滾珠與螺紋滾道間的接觸變形量2因為絲杠加有預緊力，且為軸向負載的1/3，所以實際變形量可減小一半，2=0.00055mm。3）將以上算出的1和2代入。 絲杠的有效行程為528mm，由表3-27【3】35知，5級精

16、度滾珠絲杠有效行程在500630mm時，行程偏差允許達到32m，可見絲杠剛度足夠。絲杠剛度足夠（6）壓桿穩定性校核 滾珠絲杠是屬于受軸向力的細長桿，如果軸向負載過大，則可能產生失穩現象。失穩時的臨界載荷fk應滿足： （2-8）【3】42式中 fk臨界載荷，單位n fk絲杠支承系數，如表所示 k壓桿穩定安全系數，一般取2.54，垂直安裝時取小值； a滾珠絲杠兩端支承間的距離，單位為mm。表2-11 絲杠支承系數【3】42方式雙推-自由雙推-簡支雙推-雙推單推-單推fk0.25241查表2-11，取fk=1；由絲杠底徑d2=16.2mm，求得截面慣性矩：；壓桿穩定系數k取3（絲杠臥式水平安裝）；滾

17、動螺母至軸向固定處的距離a取最大值780mm。代入式2-8，得臨界載荷fk13297n，遠大于工作載荷fm=1204n，故絲杠不會失穩。絲杠不會失穩綜上所述，初選的滾珠絲杠副滿足使用要求。綜上所述，初選的滾珠絲杠副滿足使用要求5、步進電動機減速箱的選用已知工作臺脈沖當量=0.01mm/脈沖，滾珠絲杠導程ph=4mm，初選步進電機步距角=0.9，由公式，傳動比為1時達不到減速的效果，故本次設計不需要減速器。 6、步進電動機的計算與選型（1）初選步進電機的型號1）空載狀態下電機轉軸所受負載包括三部分，一部分是電動機空載啟動時折算到轉軸上最大加速度轉矩tmax，一部分是移動部件運動時折算到計算機轉軸

18、上的摩擦轉矩tf，還有一部分是滾珠絲杠預緊后折算到電動機轉軸上的附加摩擦轉矩t0，t0相對于tt和tf很小，可以忽略不計。則有： 由公式式中：jeq步進電動機轉軸上的總轉動慣量，kg.m2 電動機轉軸的角加速度，rad/s2 nm電動機轉速，r/min ta電動機加速所用時間，s,一般在0.31s之間選取。(這里取0.4s)總效率，取=0.7 式中 vmax空載最快移動速度，任務書指定為2500mm/min; 步進電機步距角，預選電動機為0.9 脈沖當量，任務書指定為0.01mm/p由式得 （2-11）式中 f摩導軌的摩擦力，n ph滾珠絲杠導程，m 總傳動效率，取=0.7 i總的傳動比，i=

19、nm/ns，其中nm為電動機轉速，ns為絲杠的轉速。 導軌摩擦因數（滑動導軌取0.150.18）,滾動導軌取0.0030.005）；這里取0.005 fz垂直方向的工作載荷，空載時fz=0 （2-12）式中： 導軌摩擦因數（滑動導軌取0.150.18）,滾動導軌取0.0030.005）； fc垂直方向的工作載荷，車削時為fc，立銑時為fz單位為n，空載時fc=0； g運動部件的總總量，單位為n （2-13）式中 fyj滾珠絲杠的預緊力，一般取滾珠絲杠工作載荷fm的1/3，單位為n；0滾珠絲杠未預緊時的傳動效率，一般取00.9 由于滾珠絲杠副的傳動效率很高，所以t0值一般很小，與tamax和tf

20、比起來，通?？梢院雎圆挥嫛Ｓ墒?-9得快速空載啟動時電動機轉軸所承受的負載轉矩：考慮到不用減速箱，取減速比i=1算步距角 所以初選步進電機型號為110byg250a型，為兩相混合式，由杭州日升電氣設備有限公司生產，兩相八拍的步距角為0.9。其參數如下表所示：查表得該型號電機轉子的轉動慣量jm=（式中長度單位均為cm）托板折算到轉軸上的總轉動慣量則步進電機轉軸上的總轉動慣量電動機轉速=625r/min快速空載啟動時折算到電動機轉軸上的最大加速轉矩=0.2599nm移動部件運動時折算到電動機轉軸上的摩擦轉矩=0.0058nm滾珠絲杠預緊后折算到電動機轉軸上的附加摩擦轉矩=0(即忽略)快速空載啟動時

21、電動機轉軸所承受的負載轉矩=0.266nm2）最大工作負載狀態下電動機轉軸所承受的負載轉矩teq2 （2-14）式中：tf和t0分別按式2-11和2-13計算。 tt折算到電動機轉軸上的最大工作負載轉矩 （2-15）式中 ff進給方向最大工作載荷，單位n。本設計對滾珠絲杠進行計算的時候，已知沿著絲杠軸線方向的最大進給載荷fx=2802n。由式2-11得：垂直方向承受最大工作負載(fz=719n)情況下，移動部件運動時折算到電動機轉軸上的摩擦轉矩：則由式2-14得：綜上計算，得到加在步進電動機轉軸上的最大等效負載轉矩應為：折算到電動機轉軸上的最大工作負載轉矩=0.99nm移動部件運動時折算到電動

22、機轉軸上的摩擦轉矩=0.007nm最大工作負載狀態下電動機轉軸所承受的負載轉矩teq2=0.997nm綜上計算，得到加在步進電動機轉軸上的最大等效負載轉矩應為：0.997nm（3）步進電機最大靜轉矩的選定考慮到步進電動機的驅動電源受電網電壓影響較大，當輸入電壓降低時，其輸出轉矩會下降，可能造成丟步，甚至堵轉。因此，根據teq選擇步進電動機的最大靜轉矩時，需要考慮安全系數。這里取安全系數k=4，則步進電動機的最大靜轉矩應滿足：上述初選的步進電動機型號為110byg250a，由附件4表4-5查得該型號電動機的最大靜轉矩?？梢?，滿足要求。步進電機最大靜轉矩滿足要求。（4）步進電機性能校核1）最快工作

23、速度時電動機輸出轉矩校核任務書給定工作臺最快加工進給速度，脈沖當量，則電動機對應的運行頻率為： 圖2-2 110byg2502步進電機運行距頻特性曲線從圖2-2查得，在此頻率下，電動機的輸出轉矩tmaxf=17nm，大于最大工作負載轉矩teq2=0.997nm，滿足要求。最快工作速度時電動機輸出轉矩滿足要求。2）最快空載移動時電動機輸出轉矩校核任務書給定工作臺最快空載移動速度，則電動機對應的運行頻率為：從圖2-2查得，在此頻率下，電動機的輸出轉矩tmax=9nm，大于快速空載啟動時的負載轉矩teq1=0.266nm，滿足要求。最快空載移動時電動機輸出轉矩校核滿足要求3）最快空載移動時電動機運行

24、頻率校核 與最快空載移動速度對應的電動機運行頻率可達4167hz。查附件4表4-5可知110byg250a電動機的空載運行頻率超過20000hz，可見沒有超出上限。最快空載移動時電動機運行頻率校核滿足要求4）起動頻率計算已知電動機轉軸上的總轉動慣量，電動機轉子的轉動慣量，電動機轉軸不帶任何負載時的空載啟動頻率（查附件4表4-5）。則可以求出步進電動機克服慣性負載的啟動頻率：因此，要保證步進電動機啟動時不失步，任何時候的啟動頻率都必須小于3936hz。實際上，在采用軟件升降頻時，啟動頻率選的更低，通常只有100hz。綜上所述，工作臺選用110byg250a電動機完全滿足設計要求。110byg25

25、0a電動機完全滿足設計要求7、增量式旋轉編碼器的選用本設計步進電機采用半閉環控制，在電機尾座軸上安裝增量式旋轉編碼器，用于檢測步進電機的轉角與轉速，電動機步距角，可知電動機轉動一轉時系統發出360/0.9=400個步進脈沖，電動機轉過一個步距角，編碼器對應輸出一個脈沖信號。本例選擇編碼器型號為zlk-a-400-05vo-16h:盤狀空心型，孔徑16mm，與電動機尾部出軸相匹配，電源電壓+5v，每轉輸出400個a/b脈沖，信號為電壓輸出，生產廠家為長春光機數顯有限公司。編碼器型號為zlk-a-400-05vo-16h:盤狀空心型8、步進電機驅動器的選擇本設計選擇的步進電機為110byg250a

26、型，生產廠家為杭州日升電氣設備有限公司，根據廠家推薦其，配套型號的步進電機驅動器為hb206s兩相混合式步進電機驅動器，其主要參數及接線圖如下所示： 步進電機驅動器選擇hb206s兩相混合式步進電機驅動器9、聯軸器的選擇由于十字滑臺的工作轉速比較低，沖擊低，為了提高精度穩定性選用可以補償微小平行位移和角位移的十字滑塊聯軸器，這里選用廣州菱科自動化設備有限公司生產的lk4十字滑塊聯軸器。聯軸器選擇lk4十字滑塊聯軸器。5、 工作臺機械裝配圖的繪制在完成直線滾動導軌副、滾珠絲杠螺母副、步進電機以及旋轉編碼器的計算與選型后，就可以著手繪制工作臺的裝配圖了，繪制后的x-y工作臺機械裝配圖見附頁裝配圖。

27、6、 工作臺控制系統的設計x-y工作臺的控制系統，按照教師要求，統一選用mpc2810運動控制卡作為控制系統，mpc2810控制卡作為開發運動控制系統的平臺，其結構是開放式的。該卡插在pc機pci擴展槽內使用，通過轉接板與步進電機驅動器、編碼器、限位開關等元器件連接，實現對十字滑臺有效的運動控制。其電氣接線圖見附頁。mpc2810運動控制卡作為控制系統七、十字滑臺運動控制程序的編制本次設計采用vb編程，結合運動控制卡的編程指導書，其程序框圖及程序編制如下：option explicitdim i as longdim k as longdim j as longdim a as longdim

28、 m as longdim p as longprivate function setboard() as integer 初始化函數dim rtn as integer, i as integer rtn = auto_set() 對板卡進行自動設置rtn = init_board set_sd_logic 1, 0 set_el_logic 1, 0 set_org_logic 1, 0 set_alm_logic 1, 0end functionprivate sub a_change()end subprivate sub axiex_click()j = 1end subprivat

29、e sub axley_click()j = 2end subprivate sub getparam() set_maxspeed j, 2500 set_conspeed j, k end subprivate sub command1_click()endend subprivate sub form_load() j = 1 if setboard 0 then msgbox 初始化錯誤,未檢測到板卡！, vbexclamation, mpc2810演示 end ifend subprivate sub jt_click()move_pause jend subprivate sub start_click() getparam con_pmove j, aend subprivate sub stop_click()sudden_stop jend subprivate sub text3_change() a = val(text3)end subprivate sub text4_change() a = val(tex