1、課程設計題目X-Y 數控工作臺機電系統設計專業：機械電子工程班級：11 機電1班學號:指導教師：2014年12月5日目錄第一章概述 31.1 數控工作臺簡介 31.2 設計任務 31.3 設計思路及意義 41.3.1 設計思路 41.3.2 設計意義 4第2章總體方案的確定 42.1 機械傳動部件的選擇 42.1.1 導軌副的選用 42.1.2 絲杠螺母副的選用 42.1.3 減速裝置的選用 52.1.4 伺服電動機的選用 52.1.5 檢測裝置的選用 52.2控制系統的設計 6第3章X-Y 機械部分設計 63.1 確定系統脈沖當量 63.2 導軌上移動部件的重量估算 73.3 銃削力的計算

2、73.4 直線滾動導軌副的計算與選型 83.4.1 滑塊承受工作載荷的計算及導軌型號的選取 83.4.2 距離額定壽命的計算 83.5 滾珠絲杠螺母副的計算與選型 93.5.1 最大工作載荷 Fm的計算 93.5.2 最大動載荷 Fq的計算 93.5.3 初選型號 93.5.4 傳動效率n的計算 103.5.5 剛度的驗算 103.5.6 壓桿穩定性校核 113.6 步進電動機減速箱的選用 113.7步進電機的計算與選型 123.8增量式旋轉編碼器的選用 17第四章X-Y數控系統設計 錯誤!未定義書簽。4.1 繪制進給傳動示意圖 錯誤!未定義書簽。4.2 控制系統設計 184.3 步進電動機驅

3、動電源的選用 19結論 20參考文獻 21第一章概述1.1 數控工作臺簡介X-Y數控工作臺機電系統設計采用步進電機作為驅 動裝置。步進電機是一個將脈沖信號轉移成角位移的機電 式數模轉換器裝置。其工作原理是：每給一個脈沖便在定 子電路中產生一定的空間旋轉磁場；由于步進電機通的是 三相交流電所以輸入的脈沖數目及時間間隔不同， 轉子的 旋轉快慢及旋轉時間的長短也是不同的。由于旋轉磁場對 放入其中的通電導體既轉子切割磁力線時具有力的作用， 從實現了旋轉磁場的轉動迫使轉子作相應的轉動，所以轉 子才可以實現轉子帶動絲杠作相應的運動。模塊化的X-Y數控工作臺，通常由導軌座、移動滑塊、 工作平臺、滾珠絲杠螺母

4、副以及伺服電動機等部件構成。 其外觀形式如圖1所示。其中，伺服電動機作為執行元件 用來驅動滾珠絲杠，滾珠絲杠的螺母帶動滑塊和工作平臺 在導軌上運動，完成工作臺在 X、丫方向的直線移動。導 軌副、滾珠絲杠螺母副和伺服電動機等均已標準化，由專門廠家生產，設計時只需根據工作載荷選取即可。 控制系 統根據需要，可以選用標準的工業控制計算機，也可以設 計專用的微機控制系統。1.2 設計任務題目：X-Y數控工作臺機電系統設計 任務：設計一種供立式數控銑床使用的 X-Y數控工作臺， 主要參數如下：（1）立銑刀最大直徑d =15 mm（2）立銑刀齒數Z=3;（3）最大銑削寬度ae=15 mm（4）最大銑削深度

5、ap=6 mm(5) 加工材料為碳素鋼或有色金屬；(6) X、Y方向的脈沖當量 S x=S y=0.005mm脈沖；(7) X、丫方向的定位精度均為土 0.01 mm；(8) 工作臺面尺寸為 170 mM 170 mm,加工圍為 200 mm< 200mm(9) 工作臺空載最快移動速度 Vxmax =Vymax=3000 mm/m"(10) 工作臺進給最快移動速度 Vxmaxf =Vymaxf =300 mm/min1.3設計思路及意義1.3.1 設計思路1) .根據設計任務，確疋總體設計方案；2) .機械傳動部件的計算與選型，包括工作平臺、減 速箱、滾珠絲桿副、直線滾動導軌副

6、、導軌座等。3) .步進電機驅動電源的選型。4) 完成上述計算后，繪制寄給傳動機構的裝備圖。5).工作臺控制系統的設計。第2章總體方案的確定2.1 機械傳動部件的選擇2.1.1 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，需要承受的載荷不大，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。2.1.2 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0.005mm的脈沖當量和 土 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

7、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。2.1.3 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，且應有消間隙 機構，所以采用無間隙齒輪傳動減速箱。2.1.4 伺服電動機的選用任務書規疋的脈沖量尚未達到 0.001mm疋位精度也 未達到微米級，空載最快移動速度也只有3000mm/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，提咼性價比。2.1.5 檢

8、測裝置的選用選用步進電動機作為伺服電動機后，可選開環控制也 可選閉環控制。任務書所給的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，決定米用半閉環控制，擬在電動機的 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。考慮到X、丫兩個方向的加工圍相同，承受的工作載 荷相差不大，為了減少設計工作量，X、丫兩個坐標的導軌副、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。2.2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

9、位、兩坐標直線插補與圓弧插補 的基本功能，所以控制系統應該設計成連續控制型。(2 )對于步進電動機的半閉環控制，選用 MCS-51 系列的8位單片機AT89C52乍為控制系統的CPU應該能 夠滿足任務書給定的相關指標。(3)要設計一臺完整的控制系統，在選擇CPU之后， 還需要擴展程序存儲器、數據存儲器、鍵盤與顯示電路、 I/O接口電路、D/A轉換電路、串行接口電路等。(4)選擇合適的驅動電源，與步進電動機配套使用第3章X-Y機械部分設計3.1 確定系統脈沖當量3 y=0.005mm/脈沖任務書中所給定的脈沖當量是 0.005mm3.2 導軌上移動部件的重量估算按照下導軌之上移動部件的重量來進行

10、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 800N。3.3 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。則查表得立銑時的銑削力計算公 式為：-八 c 0.85 0.75 0.73 1.0 0.13“Fc 118ae fz d ap n Z（1）今選擇銑刀直徑d=15mm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=15mm 銑削深度 ap=6mm每齒進給量 fz 0.1 mm銑刀轉速 n BOOr/min。則由式（1）求得最大銑削力：Fc=1 18X 150.85

11、 X 0.1 0.75 X 15-0.73 X 61.0 X 300013 X 3N 1124N采用立銑刀進行圓柱銑削時，各銑削力之間的比值可 由查表，結合圖2,考慮逆銑時的情況，可估算三個方向 的銑削力分別為：Ff =1.1 Fa 1236.4N，Fe =0.38 Fc427.12N，Ffn =0.25 Fc 281N,工作臺受到垂直方向的銑削力 Fz= Fe=427N,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= 1236N,徑向銑削力 Fy =Ffn = 281MFc=1124N Ff 1236.4NFe4

12、27.12NFfn 281N3.4直線滾動導軌副的計算與選型3.4.1 滑塊承受工作載荷的計算及導軌 型號的選取工作載荷是影響直線滾動導軌副使用壽命的重要因 素。本例中的X-Y工作臺為水平布置，采用雙導軌、四滑 塊的支承形式。考慮最不利的情況，即垂直于臺面的工作 載何全部由一個滑塊承擔，則單滑塊所受的最大垂向載何 為：Pc G F(2)4其中，移動部件重量800N,外加載荷F=Fz=427N, 代入(2)式得最大工作載荷FC=627N=0.627kN查表，根據工作載荷Pc=0.627kN，初選直線滾動導軌 副的型號為KL系列的JSA-LG15型，其額定動載荷Ca=7.94 kN,額定靜載荷C0

13、a=9.5 kN。任務書規疋工作臺面尺寸為 170mm< 170mm加工圍 200mm<2 00mm考慮工作仃程應留有一疋余量， 按標準系 列，選取導軌的長度為520mm3.4.2 距離額定壽命的計算上述選取的KL系列JSA-LG15型導軌副的滾道硬度為 HRC60工作溫度不超過100C，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，分別 取硬度系數fH =1.0，溫度系數fT=1.00，接觸系數fc =0.81，精度系數fR=0.9，載荷系數fW=1.5，得距離壽 命：R=627NLCa)3Pc508626kmL=8626km遠大于期望值50km,故距離額定

14、壽命滿足要求。3.5滾珠絲杠螺母副的計算與選型3.5.1 最大工作載荷Fm的計算當承受最大銑削力時，工作臺受到進給方向的載荷（與絲杠軸線平行）Fx=1236N受到橫向的載荷（與絲杠軸線垂直）Fy =281N受到垂向的載荷（與工作臺面垂直）Fz= 427N。已知移動部件總重量G=800N,按矩形導軌進行計算，g=8oo 查表，取顛覆力矩影響系數K=1.1，滾動導軌上的摩擦因 數卩=0.005。求得滾珠絲杠副的最大工作載荷：Fm= KF< + 卩（Fz + Fy + G） = 1.1 X 1236 + 0.005 X （ 427 Fm 1 367 N + 281 + 800 ） N 1 36

15、7 N3.5.2 最大動載荷Fq的計算v=300mm/mnPh =5 mmn=v/ Ph = 60 r/min 。Fq 6200 N設工作臺在承受最大銑削力時的最快進給速度 v=300mm/min初選絲杠導程 Ph =5 mm,則此時絲杠轉速 n=v/ Ph = 60 r/min 。取滾珠絲杠的使用壽命T=15000h，代入L°=60nT/106, 得絲杠壽命系數Lo=54 （單位為：106 r ）。查表，取載荷系數fw=1.2，滾道硬度為60HRC時， 取硬度系數5=1.0，求得最大動載荷：FqLo fw f H Fm 6200 N3.5.3 初選型號根據計算出的最大動載荷和初選的

16、絲杠導程，查表，選擇博特精密絲杠制造有限公司生產的 G系列2005-3型 滾珠絲杠副，為循環固定反向器單螺母式，其公稱直徑為20 mn,導程為5 mm循環滾珠為3圈XI列，精度等 級取4級，額定動載荷為9309 N,大于Fq,3.5.4 傳動效率n的計算將公稱直徑d°=20mm 導程Ph=5mm 代入 入= arctan Ph/( ndo)，得絲杠螺旋升角X-4o33。將摩擦 角© =10'，代入n =tan入/ tan (入+© )，得傳動效率 n =96.4%。3.5.5 剛度的驗算1) X-Y工作臺上下兩層滾珠絲杠副的支承均米用 “單推-單推”的方式

17、。絲杠的兩端各采用一對推力角接觸球軸承，面對面組配，左、右支承的中心距離約為 a=500mm鋼的彈性模量E= 2.1 Mpa查表，得滾珠直徑 D=3.175mm絲杠底徑d?=16.2 mm,絲杠截面積 S= n d?2 /4=206.12mm。得絲杠在工作載何 Fm作用下產生的拉/壓 變形量S i=Fma/ (ES) =1779 X 500/ (2.1 X 206.12) mm 0.0158mm2) 根據公式Z - ( d0/Dw )-3,求得單圈滾珠數 Z=20;該型號絲杠為單螺母，滾珠的圈數X列數為3X 1, 代入公：Z -ZX圈數X列數，得滾珠總數量 Z =60。絲 杠預緊時，取軸向預緊

18、力 Fyj = Fm /3=456N，求得滾珠 與螺紋滾道間的接觸變形量 20.002 4 mm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，取2=0.0012mm3) 將以上算出的1和2代入總12，求得絲杠S 仟 0.0 158 mm2 0.002 4 mm總18.2 卩 m總變形量（對應跨度500mm 總0.0182 mm=18.2卩m絲桿的有效行程為330mm由表知,5級精度滾珠絲杠 有效行程在315400mm寸，行程偏差允許達到25卩m可 見絲桿剛度足夠。3.5.6 壓桿穩定性校核根據公式計算失穩時的臨界載荷 Fko查表，取支承系數fk =1 ;由絲杠底徑 d2

19、 =16.2 mm，求得截面慣性矩Id；/64 3380.88 mm壓桿穩定安全系數K取3 （絲杠臥式水平安裝）；滾動螺母至軸向固定處的距離 a取最 大值500mm得臨界載荷Fk9343N,遠大于工作載荷Fm =1367N,故絲杠不會失穩。綜上所述，初選的滾珠絲杠副滿足使用要求。3.6 步進電動機減速箱的選用為了滿足脈沖當量的設計要求，增大步進電動機的輸 出轉矩，同時也為了使滾珠絲杠和工作臺的轉動慣量折算 到電動機轉軸上盡可能地小，今在步進電動機的輸出軸上 安裝一套齒輪減速箱。采用一級減速，步進電動機的輸出 軸與小齒輪聯接，滾珠絲杠的軸頭與大齒輪聯接。其中大 齒輪設計成雙片結構，采用圖3彈簧錯

20、齒法消除側隙。圖5雙片薄齒輪錯齒調整機構1、2、6 齒輪 3 螺母 4、5螺釘 7 拉簧已知工作臺的脈沖當量 S =0.005 mm/脈沖，滾珠絲 杠的導程R=5 mm初選步進電動機的步距角 a =0.75 ° , 算得減速比：i =( aP h)/(360 S')=(0.75 X 5)/(360 X 0.005)=25:12本設計選用大小齒輪模數均為1mm齒數比為75:36 , 材料為45號調質鋼，齒表面淬硬后達 HRC55減速箱中 心距為(75+36) X 1/2 mm = 55.5 mm，小齒輪厚度為 20mm雙片大齒輪厚度均為10mm3.7步進電機的計算與選型1) 計

21、算加在步進電動機轉軸上的總轉動慣量Jeq已知：滾珠絲杠的公稱直徑d0 =20 mm總長1 =500mm 導程Ph = 5mm材料密度7.85 10 3kg/cm3 ;移動部件總重量 G=800N;小齒輪寬度d = 20mm直徑d1 =36 mm; 大齒輪寬度b2 = 20mm直徑d2=75 mm傳動比i =25/12。 參照表，算得各個零部件的轉動慣量如下(具體計算過程 從略):滾珠絲杠的轉動慣量JS=0.617 kg cm2，拖板折 算到絲杠上的轉動慣JW =0.517 kg cm2，小齒輪的轉動慣 量Jz1 =0.259 kg cm2，大齒 輪的轉 動慣量Jz2 =4.877 kg cm2

22、。初選步進電動機型號為 90BYG2602為兩相混 合式，二相四拍驅動時步距角為0.75O，則加在步進電動 機轉軸上的總轉動慣量為.2 2Jeq = Jm + J z1 +( J z2 + Jw + Js )/ i =5.64 kg cm2) 計算加在步進電動機轉軸上的等效負載轉矩°q分快速空載起動和承受最大工作負載兩種情況進行計算。快速空載起動時電動機轉軸所承受的負載轉矩Teq1包括二部分：一部分是快速空載起動時折算到電動機 轉軸上的最大加速轉矩Tamax ； 部分是移動部件運動時 折算到電動機轉軸上的摩擦轉矩 Tf ；還有一部分是滾珠i =25:12Jeq=5.642kg cm絲

23、杠預緊后折算到電動機轉軸上的附加摩擦轉矩To。因為滾珠絲杠副傳動效率很高，To相對于Tf和Ta max很小， 可以忽略不計。則有：Teq1 = Tamax+ Tf（3）考慮傳動鏈的總效率 n，計算快速空載起動時折算 到電動機轉軸上的最大加速轉矩：2 Jeqnm1/ 八60ta式中 nm對應空載最快移動速度的步進電動機最咼轉速，單位為r/min ;ta步進電動機由靜止到加速至nm轉速所需的時間，單位為S。其中：nm Vmax360（5 ）式中Vmax空載最快移動速度，任務書指疋為3000mm/mina步進電動機步距角，預選電動機為 0.75 ;S脈沖當量，本例 S =0.005mm脈沖。將以上各

24、值代入式（5），算得nm=1250r/min。設步進電動機由靜止到加速至nm轉速所需時間ta=0.4s，傳動鏈總效率n=0.7。則由式（4）求得：4T230.35 101250 彳 ”“、Ta max1.42 （ N -60 0.4 0.7當移動部件運動時，折算到電動機轉軸上的摩擦轉矩為：T（Fz G）PhTf2 i（6）則由式（6），得：0.005 （0 800） 0.005。恥（20.7 25/12最后由式（3）,求得快速空載起動時電動機轉軸所承受的 負載轉矩：Teq1 = Tam ax +Tf =1-422N（7）最大工作負載狀態下電動機轉軸所承受的負載轉矩 Teq2Teq2包括二部分：

25、一部分是折算到電動機轉軸上的最 大工作負載轉矩Tt ; 一部分是移動部件運動時折算到電 動機轉軸上的摩擦轉矩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：Teq2 = Tt + Tf（8）本例中在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=1609N，則折算到電動機轉 軸上的最大工作負載轉矩T有：丁 FfPh1609 0.005“ 、Tt 0.88 （N - m2 i 20.7 25/12再計算垂直方向承受最大工作負載（Fz=556N情況 下，移動部件運動時折算到電動機轉軸上的摩擦轉矩：（Fz

26、G）Ph0.005 （556 800） 0.0051 f2 i20.7 25/120.004 （N- m最后由式（8），求得最大工作負載狀態下電動機轉 軸所承受的負載轉矩為：Teq2 = Tt+ Tf= 0.884 N - m（9）經過上述計算后，得到加在步進電動機轉軸上的最大等效負載轉矩應為：Teq = maX Teq1，Teq2 = 1.422 N 53）步進電動機最大靜轉矩的選疋Teq1 = 1.422N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，選擇步進電動機的最大靜轉矩時，需要考慮安全系數。本例中取安全系數K=4

27、，則步進電動機的 最大靜轉矩應滿足：T jmax > 4 X 1.422 N m =5.688 N m(10)上述初選的步進電動機型號為 90BYG2602查表得 該型號電動機的最大靜轉矩 Tjmax = 6 N m。可見，滿足(10)式的要求。4)步進電動機的性能校核 最快工進速度時電動機輸出轉矩校核任務書給定工作臺最快工進速度vmax=400mm/min脈 沖當量S=0.005mm/脈沖，可求出電動機對應的運行頻率 fmaxf =400/(60 X 0.005)Hz 1333Hz 從 90BYG260血 動機的運行矩頻特性曲線圖5可以看出，在此頻率下，電 動機的輸出轉矩Tmaxf5.

28、6N m，遠遠大于最大工作負載 轉矩Teq2=0.884N m滿足要求。 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vmax =3000mm/min可求出電動機對應的運行頻率 fmax =3000/(60X 0.005) Hz =10000Hz。在此頻率下，電動機的輸 出轉矩Tmax=1.8 N m,大于快速空載起動時的負載轉矩 Teq1= 1.422N m 滿足要求。圖6 90BYG2602步進電動機的運行矩頻特性曲線 最快空載移動時電動機運行頻率校核最快空載移動速度vmax=3000mm/min對應的電動機運 行頻率fmax=10000Hz查表知90BYG260血動機

29、的極限運 行頻率為20000Hz可見沒有超出上限。 起動頻率的計算已知電動機轉軸上的總轉動慣量Jeq=30.35 kg cm2電動機轉子的轉動慣量Jm 4 kg cm2，電動機轉軸不帶 任何負載時的最高起動頻率fq=1800Hz,可求出步進電動 機克服慣性負載的起動頻率：fL | fa=614HzV / Jm上式說明，要想保證步進電動機起動時不失步，任何 時候的起動頻率都必須小于614Hn實際上，在采用軟件 升降頻時，起動頻率選得更低，通常只有 100Hz （即卩100 脈沖/s）。綜上所述，本例中工作臺的進給傳動選用 90BYG2602 步進電動機，完全滿足設計要求。3.8增量式旋轉編碼器的

30、選用本設計所選步進電動機采用半閉環控制，可在電動機 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。由步進電動機的步距角a = 0.75，可知電動機轉動一轉 時，需要控制系統發出360/ a=480個步進脈沖。考慮到增量式旋轉編碼器輸出的A、B相信號,可以送到四倍頻電路進行電子四細分，因此，編碼器的分辨率可選120線。這樣控制系統每發一個步進脈沖， 電動機轉過一個步距角，編碼器對應輸出一個脈沖信號。選擇編碼器型號為：ZLK-A-120-05V0-10-H:盤狀空 心型，孔徑10mm與電動機尾部出軸相匹配，電源電壓 +5V,

31、每轉輸出120個A/B脈沖，信號為電壓輸出。第四章X-Y數控系統設計4.1 繪制進給傳動系統示意圖進給傳動系統示意圖如圖所示。4.2 控制系統的設計X-Y數控工作臺的控制系統設計，在硬件電路上需要 考慮步進電動機（編碼器）反饋信號的處理，在軟件上要實現半閉環的控制算法。根據任務書的要求，設計控制系統的時主要考慮以下功 能：（1）接受操作面板的開關與按鈕信息；（2）接受限位開關信號；（3）控制X，丫向步進電動機的驅動器；（4）與PC機的串行通信。CPU選用MCS-5係列的8位單片機AT89S52采用 8279,和 W27C5126264芯片做為I/O和存儲器擴展芯片。 W27C51用做程序存儲器，存放監控程序；6264用來擴展 AT89S52的 RAM存儲器存放調試和運行的加工程序；8279 用做鍵盤和LED顯示器借口，鍵盤主要是輸入工作臺方 向，