X-Y工作平臺機電系統(tǒng)設計【含CAD圖紙和說明書】

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錄1設計任務42總體方案設計421機械傳動部件的選擇4211導軌副的選用4212絲杠螺母副的選用4213減速裝置的選用4214伺服電動機的選用4215檢測裝置的選用522控制系統(tǒng)的設計63機械傳動部件的計算與選型631導軌上移動部件的重量估算632銑削力的計算633直線滑動導軌副的計算與選型734滾珠絲杠螺母副的計算與選型7341最大工作載荷Fm的計算8342最大動工作載荷FQ的計算8343初選型號8344傳動效率的計算9345剛度的驗算9346壓桿穩(wěn)定性校核1035步進電動機的計算與選型11351計算加在步進電動機轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動慣量Jeq11352計算加在步進電動機轉(zhuǎn)軸上的等效負載轉(zhuǎn)矩Teq12353步進電動機最大靜轉(zhuǎn)矩的選定15354步進電動機的性能校核1536聯(lián)軸器和軸承的選擇17361聯(lián)軸器的選擇17362滾動軸承的選擇 1737增量式旋轉(zhuǎn)編碼器的選用 174控制系統(tǒng)硬件電路設計185步進電動機的驅(qū)動電源選用186控制系統(tǒng)的部分軟件設計1961存儲器與I/O芯片地址分配19參考文獻20計算 Fc計算Ff、Fe、Ffn計算Fz、Fx、Fy計算選取導軌長度計算滾珠絲杠副的最大工作載荷計算最大動載荷初選滾珠絲桿螺母副型號計算傳動效率計算拉/壓變形量計算滾珠與螺紋滾道間的接觸變形量計算絲杠總變形量計算臨界載荷計算滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動慣量計算拖板折算到絲杠上的轉(zhuǎn)動慣量 計算加在步進電動機轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動慣量計算空載起動時折算到電動機轉(zhuǎn)軸上最大加速轉(zhuǎn)矩計算折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩計算快速空載起動時電動機轉(zhuǎn)軸所承受的負載轉(zhuǎn)矩計算折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的最大工作負載轉(zhuǎn)矩計算移動部件運動時折算到電動機轉(zhuǎn)軸上摩擦轉(zhuǎn)矩計算最大工作負載狀態(tài)下電動機轉(zhuǎn)軸所承受的負載轉(zhuǎn)矩計算等效負載轉(zhuǎn)矩計算步進電動機的最大靜轉(zhuǎn)矩校核最快工進速度時電動機的輸出轉(zhuǎn)矩校核最快空載移動時電動機輸出轉(zhuǎn)矩校核最快空載移動時電動機運行頻率計算起動頻率聯(lián)軸器選擇滾動軸承選擇1設計任務題目：X-Y數(shù)控工作臺機電系統(tǒng)設計任務：設計一種供應式數(shù)控銑床使用的X-Y數(shù)控工作臺，主要參數(shù)如下：1）立銑刀最大直徑。2）立銑刀齒數(shù)。3）最大銑削寬度。4）最大背吃刀量。5）X、Y方向的脈沖當量。6）X、Y方向的定位精度均為。7）工作臺面尺寸為，加工范圍。8）工作臺最快移動速度。9）工作臺進給移動速度。2總體方案的確定21機械傳動部件的選擇211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(shù)控銑床的，需要承受的載荷不大，但脈沖當量小，定位精度高，因此，決定選用直線滑動導軌副，它具有剛度高、制造簡單、傳動效率高、結(jié)構(gòu)簡單、安裝預緊方便等優(yōu)點。導軌材料選用40Cr（支承導軌）-鑄鐵（動導軌），滑塊材料為鑄鐵。212絲杠螺母副的選用伺服電動機的旋轉(zhuǎn)運動需要通過絲杠螺母副轉(zhuǎn)換成直線運動，需要滿足0.01mm的脈沖當量和的定位精度，滑動絲杠副為能為力，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(tài)響應快、運轉(zhuǎn)平穩(wěn)、壽命長、效率高、預緊后可消除反向間隙。213減速裝置的選用選擇了步進電動機和滾珠絲桿副以后，為了圓整脈沖當量，放大電動機的輸出轉(zhuǎn)矩，降低運動部件折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的轉(zhuǎn)動慣量，可能需要減速裝置，且應有消間隙機構(gòu)。但本設計中要求系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，且依靠步進電動機和滾珠絲杠副已經(jīng)可以達到所需的脈沖當量，因此不使用減速箱。214伺服電動機的選用任務書規(guī)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1500mm/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。215檢測裝置的選用選用步進電動機作為伺服電動機后，可選開環(huán)控制，也可選閉環(huán)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動過程中不受切削負載和電網(wǎng)的影響而失步，決定采用半閉環(huán)控制，擬在電動機的尾部轉(zhuǎn)軸上安裝增量式旋轉(zhuǎn)編碼器，用以檢測電動機的轉(zhuǎn)角與轉(zhuǎn)速。增量式旋轉(zhuǎn)編碼器的分辨力應與步進電動機的步距角相匹配。另，考慮到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、電動機，以及檢測裝置擬采用相同的型號與規(guī)格。22控制系統(tǒng)的設計 1）設計的X-Z工作臺準備用在數(shù)控銑床上，其控制系統(tǒng)應該具有單坐標定位，兩坐標直線插補與圓弧插補的基本功能，所以控制系統(tǒng)設計成連續(xù)控制型。 2）對于步進電動機的半閉環(huán)控制，選用MCS-51系列的8位單片機AT89S52作為控制系統(tǒng)的CPU，能夠滿足任務書給定的相關(guān)指標。 3）要設計一臺完整的控制系統(tǒng)，在選擇CPU之后，還要擴展程序存儲器、數(shù)據(jù)存儲器、鍵盤與顯示電路、I/O接口電路、D/A轉(zhuǎn)換電路、串行接口電路等。4）選擇合適的驅(qū)動電源，與步進電動機配套使用。3機械傳動部件的計算與選型31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、直線滑動導軌副、導軌座等,估計重量約為1000N。32銑削力的計算設零件的加工方式為立式銑削，采用硬質(zhì)合金立銑刀，工件的材料為碳鋼。則由表3-7查得立銑時的銑削力計算公式為： 今選擇銑刀的直徑為d=18mm，齒數(shù)Z=2,為了計算最大銑削力，在不對稱銑削情況下，取最大銑削寬度為，背吃刀量，每齒進給量，銑刀轉(zhuǎn)速。則由上式求的最大銑削力： 采用立銑刀進行圓柱銑削時，各銑削力之間的比值可由表3-5查得，結(jié)合圖3-4a，考慮逆銑時的情況，可估算三個方向的銑削力分別為： 圖3-4a為臥銑情況，現(xiàn)考慮立銑，則工作臺受到垂直方向的銑削力，受到水平方向的銑削力分別為和。今將水平方向較大的銑削力分配給工作臺的縱向，則縱向銑削力，徑向銑削力為。33直線滑動導軌副的計算 工作載荷是影響直線滑動導軌副使用壽命的重要因素。本設計中的X-Y工作臺為水平布置，采用雙導軌、四滑塊的支承形式?？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： (3-1)其中，移動部件重量1000N，外加載荷，代入式（3-1），得最大工作載荷=371.67N=0.372kN。任務書規(guī)定工作臺面尺寸為，加工范圍，考慮工作行程應留有一定余量，選取導軌的長度為510mm。34滾珠絲杠螺母副的計算與選型341最大工作載荷Fm的計算如前面所述，在立銑時，工作臺受到進給方向的載荷（與絲杠軸線平行）,受到橫向載荷（與絲杠軸線垂直），受到垂直方向的載荷（與工作臺面垂直）。已知移動部件總重量G=1000N，按三角-矩形導軌進行計算，查表3-29，取顛覆力矩影響系數(shù)K=1.15，滑動導軌上的摩擦系數(shù)=0.15。求得滾珠絲杠副的最大工作載荷：342最大動工作載荷的計算設工作臺在承受最大銑削力時的最快進給速度v=350mm/min，初選絲杠導程=5mm,則此時絲杠轉(zhuǎn)速n=v/=70r/min。取滾珠絲杠的使用壽命T=15000h,代入L0=60nT/106,得絲杠壽命系數(shù)L0=63（單位為：106r）。查表3-30，取載荷系數(shù)=1.2,滾道硬度為60HRC時，取硬度系數(shù)=1.0,代入式（3-23），求得最大動載荷： 343初選型號根據(jù)計算出的最大動載荷和初選的絲杠導程，查表3-31，選擇濟寧博特精密絲杠制造有限公司生產(chǎn)的GD系列2005-3型滾珠絲杠副，為內(nèi)循環(huán)固定反向器單螺母式，其公稱直徑為20mm，導程為5mm，循環(huán)滾珠為3圈2系列，精度等級取5級，額定動載荷為9309N，大于，滿足要求。344傳動效率的計算將公稱直徑=20mm,導程=5mm,代入，得絲杠螺旋升角=433。將摩擦角=10，代入,得傳動效率=96.4%。345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，面對面組配，左、右支承的中心距約為a=360mm；鋼的彈性模量E=2.1105MPa;查表3-31，得滾珠直徑=3.175mm，絲杠底徑=16.2mm,絲杠截面積S=/4=206.12。忽略式（3-25）中的第二項，算得絲杠在工作載荷作用下產(chǎn)生的拉/壓變形量：(2) 根據(jù)公式，求得單圈滾珠數(shù)Z=17 ；該型號絲杠為單螺母，滾珠的圈數(shù)列數(shù)為32，代入公式Z圈數(shù)列數(shù)，得滾珠總數(shù)量=102。絲杠預緊時，取軸向預緊力/3=191.09N。則由式（3-27），求得滾珠與螺紋滾道間的接觸變形量：因為絲杠有預緊力，且為軸向負載的1/3，所以實際變形量可以減少一半，取=0.0004mm。(3) 將以上算出的和代入，求得絲杠總變形量（對應跨度360mm）=0.0054mm=5.4絲杠的有效行程為300mm，由表3-27知，5級精度滾珠絲杠有效行程在315mm時，行程偏差允許達到23，可見絲杠剛度足夠。346壓桿穩(wěn)定性校核根據(jù)公式（3-28）計算失穩(wěn)時的臨界載荷。查表3-34，取支承系數(shù)=1；由絲杠底徑=16.2mm求得截面慣性矩3380.88；壓桿穩(wěn)定安全系數(shù)K取3（絲杠臥式水平安裝）；滾動絲杠兩端支撐間的距離a=360mm。則由式（3-28）求得臨界載荷：=遠大于工作載荷，故絲杠不會失穩(wěn)。35步進電動機的計算與選型351計算加在步進電動機轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動慣量已知：滾珠絲杠的公稱直徑=20mm，總長l=430mm，導程=5mm，材料密度=kg/；移動部件總重力G=1000N。如表4-1所示，算得各個零部件的轉(zhuǎn)動慣量如下：滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動慣量拖板折算到絲杠上的轉(zhuǎn)動慣量 初選步進電動機的型號為90BYG2602,為二相混合式，由常州寶馬集團公司生產(chǎn)，二相八拍驅(qū)動時的步距角為1.5，從表4-5查得該型號的電動機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣。則加在步進電動機轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動慣量為： 352計算加在步進電動機轉(zhuǎn)軸上的等效負載轉(zhuǎn)矩分快速空載和承受最大負載兩種情況進行計算：1) 快速空載起動時電動機轉(zhuǎn)軸所承受的負載轉(zhuǎn)矩 由式（4-8）可知，包括三部分：一部分是快速空載起動時折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的最大加速轉(zhuǎn)矩；一部分是移動部件運動時折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩；還有一部分是滾珠絲杠預緊后折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的附加摩擦轉(zhuǎn)矩。因為滾珠絲杠副傳動效率很高，根據(jù)式（4-12）可知，相對于和很小，可以忽略不計。則有： =+ （6-13）根據(jù)式（4-9），考慮傳動鏈的總效率，計算空載起動時折算到電動機轉(zhuǎn)軸上最大加速轉(zhuǎn)矩： = （6-14）式中對應空載最快移動速度的步進電動機最高轉(zhuǎn)速， 單位為r/min;步進電動機由靜止到加速至轉(zhuǎn)速所需的時間，單位為s。其中： 式中空載最快移動速度，任務書指定為1500mm/min；步進電動機步距角，預選電動機為1.5；脈沖當量，本例=0.01mm/脈沖。設步進電機由靜止加速至所需時間，傳動鏈總效率=0.88。則由式（6-14）求得：= 由式（4-10）知，移動部件運動時，折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩為：式中導軌的摩擦因素，三角-矩形滑動導軌取0.15；垂直方向的銑削力，空載時取0；傳動鏈總效率，取0.88。最后由式（6-13）求得快速空載起動時電動機轉(zhuǎn)軸所承受的負載轉(zhuǎn)矩：=+2) 最大工作負載狀態(tài)下電動機轉(zhuǎn)軸所承受的負載轉(zhuǎn)矩由式（4-13）可知，包括三部分：一部分是折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的最大工作負載轉(zhuǎn)矩；一部分是移動部件運動時折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩；還有一部分是滾珠絲杠預緊后折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的附加摩擦轉(zhuǎn)矩，相對于和很小，可以忽略不計。則有：=+ （6-18）其中，折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的最大工作負載轉(zhuǎn)矩由公式（4-14）計算。已知沿著絲桿軸線方向的最大進給載荷，則有：再由式（4-10）計算垂直方向承受最大工作負載（）情況下，移動部件運動時折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩：最后由式（6-18），求得最大工作負載狀態(tài)下電動機轉(zhuǎn)軸所承受的負載轉(zhuǎn)矩：=+經(jīng)過上述計算后，得到加在在步進電動機轉(zhuǎn)軸上的最大等效負載轉(zhuǎn)矩為：353步進電動機最大靜轉(zhuǎn)矩的選定考慮到步進電動機的驅(qū)動電源受電網(wǎng)電壓影響較大，當輸入電壓降低時，其輸出轉(zhuǎn)矩會下降，可能造成丟步，甚至堵轉(zhuǎn)。因此，根據(jù)來選擇步進電動機的最大靜轉(zhuǎn)矩時，需要考慮安全系數(shù)。取安全系數(shù)K=4, 則步進電動機的最大靜轉(zhuǎn)矩應滿足：初選步進電動機的型號為90BYG2602，由表4-5查得該型號電動機的最大靜轉(zhuǎn)矩?？梢姡瑵M足要求。354步進電動機的性能校核1)最快工進速度時電動機的輸出轉(zhuǎn)矩校核 任務書給定工作臺最快工進速度 ，脈沖當量 /脈沖，由式（4-16）求出電動機對應的運行頻率 。從90BYG2602電動機的運行矩頻特性曲線圖1-1可以看出在此頻率下，電動機的輸出轉(zhuǎn)矩 ，遠遠大于最大工作負載轉(zhuǎn)矩，滿足要求。 圖1-1 90BYG2602步進電動機的運行矩頻特性曲線2）最快空載移動時電動機輸出轉(zhuǎn)矩校核 任務書給定工作臺最快空載移動速度=1500mm/min，仿照式（4-16）求出其對應運行頻率。由圖1-1查得，在此頻率下，電動機的輸出轉(zhuǎn)矩，大于快速空載起動時的負載轉(zhuǎn)矩，滿足要求。3）最快空載移動時電動機運行頻率校核與最快速空載移動速度=1500mm/min對應的電動機運行頻率為 。查表4-5可知90BYG2602電動機的空載運行頻率可達20000，可見沒有超出上限。4）起動頻率的計算 已知電動機轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動慣量，電動機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量，電動機轉(zhuǎn)軸不帶任何負載時的空載起動頻率（查表4-5）。由式（4-17）可以求出步進電動機克服慣性負載的起動頻率為： 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。實際上，在采用軟件升降頻時，起動頻率選得更低，通常只有（即100脈沖/s）。綜上所述，本次設計中工作臺的進給傳動系統(tǒng)選用90BYG2602步進電動機，完全滿足設計要求。36聯(lián)軸器和軸承的選擇361聯(lián)軸器的選擇最大工作負載轉(zhuǎn)矩，所以有：；步進電機最高轉(zhuǎn)速：又由于電機輸出軸軸徑d=14，故選用LT型彈性套柱銷聯(lián)軸器：362滾動軸承的選擇根據(jù)支承方式單推-單推，絲桿底徑為16.2mm選用角接觸球軸承，軸承代號為：7001C GB/T 292-1994。37增量式旋轉(zhuǎn)編碼器的選用本設計所選步進電動機采用半閉環(huán)控制，可在電動機的尾部轉(zhuǎn)軸上安裝增量式旋轉(zhuǎn)編碼器，用以檢測電動機的轉(zhuǎn)角與轉(zhuǎn)速。增量式旋轉(zhuǎn)編碼器的分辨力應與步進電動機的步距角，可知電動機轉(zhuǎn)動一轉(zhuǎn)時，需要控制系統(tǒng)發(fā)出個步進脈沖?？紤]到增量式旋轉(zhuǎn)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，編碼器的分辨力可選60線。這樣控制系統(tǒng)每發(fā)一個步進脈沖，電動機轉(zhuǎn)過一個步距角，編碼器對應輸出一個脈沖信號。此次選用的編碼器型號為：ZLK-A-60-05VO-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，每秒輸出60個A/B脈沖，信號為電壓輸出，生產(chǎn)廠家為長春光機數(shù)顯技術(shù)有限公司。4控制系統(tǒng)硬件電路設計根據(jù)任務書的要求，設計控制系統(tǒng)的硬件電路時主要考慮以下功能：（1） 接收鍵盤數(shù)據(jù)，控制LED顯示（2） 接受限位開關(guān)信號；（3） 控制X，Z向步進電動機的驅(qū)動器；CPU選用MCS-51系列的8位單片機AT89S52，采用8279，和W27C512，6264芯片做為I/O和存儲器擴展芯片。W27C512用做程序存儲器，存放監(jiān)控程序；6264用來擴展AT89S52的RAM存儲器存放調(diào)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，LED顯示器顯示當前工作臺坐標值；系統(tǒng)具有超程報警功能，并有越位開關(guān)和報警燈；其他輔助電路有復位電路，時鐘電路，越位報警指示電路。5步進電動機的驅(qū)動電源選用設計中X、Y向步進電動機均為90BYG2602型，生產(chǎn)廠家為常州寶馬集團公司。查表4-14，選擇與之匹配的驅(qū)動電源為BD28Nb型，輸入電壓為100VAC，相電流為4A，分配方式為二相八拍。該驅(qū)動電源與控制器的接線方式如圖1-3所示。圖1-3 BD28Nc驅(qū)動電源的接線圖6控制系統(tǒng)的部分軟件設計61存儲器與I/O芯片地址分配根據(jù)電氣圖1中地址譯碼器U4（74LS138）的連接情況，可以算出主機板中存儲器與I/O芯片的地址分配如表 1-1所示。器件名稱地址選擇線（A15A0）片內(nèi)地址單元數(shù)地址編碼6264000X，XXXX8K0000H1FFFH82550011,1111,1111,11XX43FFCH3FFFH82790101,11111111,111X25FFEH5FFFH表1-1 主機板中存儲器與I/O芯片的地址分配參考文獻1 尹志強. 機電一體化系統(tǒng)設計課程設計指導書. 北京：機械工業(yè)出版社，2007.2 高鐘毓.機電一體化系統(tǒng)設計.北京：機械工業(yè)出版社， 2002.3 張建民.機電一體化系統(tǒng)設計.北京：高等教育出版社，2004.4 徐志毅.機電一體化實用技術(shù).上海：上?？茖W技術(shù)文獻出版社，1995.5 林述溫. 機電裝備設計.北京：機械工業(yè)工業(yè)出版社，2002.6 吳宗澤.機械設計簡明手冊.北京：化學工業(yè)出版社，2000.7 王知行，鄧宗全. 機械原理. 北京：高等教育出版社，2006.8 成大先. 機械設計手冊：第二卷. 第四版. 北京：化學工業(yè)出版社，2002.9 成大先. 機械設計手冊：第三卷. 第四版. 北京：化學工業(yè)出版社，2002.10 成大先. 機械設計手冊：第五卷. 第四版. 北京：化學工業(yè)出版社，2002.11 濮良貴. 機械設計. 北京：高等教育出版社，2006.12 張毅剛. 單片機原理及應用. 北京：高等教育出版社，2008.選用直線滑動導軌副選用滾珠絲杠副選用步進電動機選用增量式旋轉(zhuǎn)編碼器控制系統(tǒng)設計成連續(xù)控制型8位單片機AT89S52重量約為1000N 選取導軌的長度為510mm選用GD系列2005-3型滾珠絲杠副，為內(nèi)循環(huán)固定反向器單螺母式=96.4% =0.0004mm =5.4絲杠剛度足夠絲杠不會失穩(wěn)初選步進電動機的型號滿足要求遠大于最大工作負載轉(zhuǎn)矩，滿足要求大于快速空載起動時的負載轉(zhuǎn)矩，滿足要求空載運行頻率沒有超出上限起動頻率滿足要求90BYG2602步進電動機完全滿足設計要求編碼器型號為：ZLK-A-60-05VO-10-H 盤狀空心型CPU選用MCS-51系列的8位單片機AT89S52，采用8279，和W27C512，6264芯片做為I/O和存儲器擴展芯片驅(qū)動電源為BD28Nb型，輸入電壓為100VAC，相電流為4A，分配方式為二相八拍