X-Y數(shù)控工作臺機電系統(tǒng)設計.doc

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機電一體化課程設計(論文)題 目 X-Y數(shù)控工作臺機電系統(tǒng)設計 學生姓名 姚清 專 業(yè) 機械工程及其自動化 學 號 班 級 機自 707 指導教師 錢少明 成 績 浙江工業(yè)大學之江學院 2010年12月目錄1.引言：32.設計任務33.總體方案的確定33.1 機械傳動部件的選擇33.1.1導軌副的選用43.1.2絲杠螺母副的選用43.1.3減速裝置的選用43.1.4伺服電動機的選用43.1.5檢測裝置的選用43.2 控制系統(tǒng)的設計43.3 繪制總體方案圖54.機械傳動部件的計算與選型54.1 導軌上移動部件的重量估算54.2 銑削力的計算54.3 直線滾動導軌副的計算與選型（縱向）64.3.1 塊承受工作載荷的計算及導軌型號的選取64.3.2 距離額定壽命L的計算64.4 滾珠絲杠螺母副的計算與選型64.4.1 最大工作載荷Fm的計算64.4.2 最大動工作載荷FQ的計算74.4.3 初選型號74.4.4 傳動效率的計算74.4.5 剛度的驗算74.4.6 壓桿穩(wěn)定性校核84.5 步進電動機減速箱的選用84.6 步進電動機的計算與選型94.6.1 計算加在步進電動機轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動慣量Jeq94.6.2 計算加在步進電動機轉(zhuǎn)軸上的等效負載轉(zhuǎn)矩Teq94.6.3 步進電動機最大靜轉(zhuǎn)矩的選定114.6.4 步進電動機的性能校核115.增量式旋轉(zhuǎn)編碼器的選用136. 繪制進給傳動系統(tǒng)示意圖137控制系統(tǒng)硬件電路設計13參考文獻15X-Y數(shù)控工作臺機電系統(tǒng)設計1.引言：現(xiàn)代科學技術(shù)的不斷發(fā)展，極大地推動了不同學科的交叉與滲透，導致了工程領(lǐng)域的技術(shù)革命與改造。在機械工程領(lǐng)域，由于微電子技術(shù)和計算機技術(shù)的迅速發(fā)展及其向機械工業(yè)的滲透所形成的機電一體化，使機械工業(yè)的技術(shù)結(jié)構(gòu)、產(chǎn)品機構(gòu)、功能與構(gòu)成、生產(chǎn)方式及管理體系發(fā)生了巨大變化，使工業(yè)生產(chǎn)由“機械電氣化”邁入了“機電一體化”為特征的發(fā)展階段。2.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. 立銑刀最大直徑的d=15mm；2. 立銑刀齒數(shù)Z=3;3. 最大銑削寬度=15mm;4. 最大背吃刀量=8mm;5. 加工材料為碳素鋼活有色金屬。6. X、Y方向的脈沖當量=0.001mm;7. X、Z方向的定位精度均為mm;8. 工作臺面尺寸為，加工范圍為;9. 工作臺空載進給最快移動速度：;10. 工作臺進給最快移動速度:;3.總體方案的確定3.1 機械傳動部件的選擇3.1.1導軌副的選用腰設計數(shù)控車床工作臺，需要承受的載荷不大，而且脈沖當量小，定位精度高，因此選用直線滾動導軌副，它具有摩擦系數(shù)小，不易爬行，傳動效率高，結(jié)構(gòu)緊，安裝預緊方便等優(yōu)點。3.1.2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0.004mm沖當量和mm的定位精度，滑動絲杠副為能為力，只有選用滾珠絲桿副才能達到要求，滾珠絲桿副的傳動精度高、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。3.1.3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)，選用無間隙齒輪傳動減速箱。3.1.4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因此3000mm/min，故本設計不必采用高檔次的私服電動機，因此可以選用混合式步進電動機。以降低成本，提高性價比。3.1.5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，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?？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(guī)格。3.2 控制系統(tǒng)的設計1）設計的X-Z工作臺準備用在數(shù)控車床上，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，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。3.3 繪制總體方案圖總體方案圖如圖3.1所示。圖3.1 總體方案圖4.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、工作臺、上層電動機、減速箱、滾珠絲杠副、導軌座等,估計重量約為800N.4.2 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： (6-11)今選擇銑刀的直徑為d=15mm，齒數(shù)Z=3,為了計算最大銑削力，在不對稱銑削情況下，取最大銑削寬度為，背吃刀量=7mm ，每齒進給量，銑刀轉(zhuǎn)速。則由式（6-11）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。4.3 直線滾動導軌副的計算與選型（縱向）4.3.1 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?？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： (6-12)其中，移動部件重量800N，外加載荷，代入式（6-12），得最大工作載荷=756N=0.756kN。查表3-41，根據(jù)工作載荷=0.756kN，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，額定靜載荷。任務書規(guī)定工作臺面尺寸為，加工范圍為，考慮工作行程應留有一定余量，查表3-35，按標準系列，選取導軌的長度為520mm。4.3.2 距離額定壽命L的計算上述所取的KL系列JSA-LG25系列導軌副的滾道硬度為60HRC，工作溫度不超過C，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3-36表3-40，分別取硬度系數(shù)f=1.0，溫度系數(shù)f=1.00，接觸系數(shù)f=0.81，精度系數(shù)f=0.9，載荷系數(shù)f=1.5，代入式（3-33），得距離壽命：L=遠大于期望值50Km，故距離額定壽命滿足要求。4.4 滾珠絲杠螺母副的計算與選型4.4.1 最大工作載荷Fm的計算如前頁所述，在立銑時，工作臺受到進給方向的載荷（與絲杠軸線平行）Fx=1609N,受到橫向載荷（與絲杠軸線垂直）Fy=366N，受到垂直方向的載荷（與工作臺面垂直）Fz=556N.已知移動部件總重量G=800N，按矩形導軌進行計算，查表3-29，取顛覆力矩影響系數(shù)K=1.1，滾動導軌上的摩擦系數(shù)=0.005。求得滾珠絲杠副的最大工作載荷：Fm=KFx+(Fz+Fy+G)=1.11609+0.005(556+366+800)N1779N4.4.2 最大動工作載荷FQ的計算設工作臺在承受最大銑削力時的最快進給速度v=400mm/min，初選絲杠導程Ph=5mm,則此時絲杠轉(zhuǎn)速n=v/Ph=80r/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=72（單位為：106r）。查表3-30，取載荷系數(shù)fw=1.2,滾道硬度為60HRC時，取硬度系數(shù)fH=1.0,代入式（3-23），求得最大動載荷：FQ=4.4.3 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G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*1系列，精度等級取5級，額定動載荷為9309N，大于FQ，滿足要求。4.4.4 傳動效率的計算將公稱直徑d0=20mm,導程Ph=5mm,代入=arctanPh/(d0)，得絲杠螺旋升角=433。將摩擦角=10，代入=tan/tan(+),得傳動效率=96.4%。4.4.5 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，見書后插頁圖6-23。絲杠的兩端各采用-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=500mm；鋼的彈性模量E=2.1105Mpa;查表3-31，得滾珠直徑Dw=3.175mm，絲杠底徑d2=16.2mm,絲杠截面積S=/4=206.12m。忽略式（3-25）中的第二項，算得絲杠在工作載荷Fm作用下產(chǎn)生的拉/壓變形量mm=0.0205mm.。(2) 根據(jù)公式，求得單圈滾珠數(shù)Z=20；該型號絲杠為單螺母，滾珠的圈數(shù)列數(shù)為31，代入公式Z圈數(shù)列數(shù)，得滾珠總數(shù)量=60。絲杠預緊時，取軸向預緊力/3=593N。則由式（3-27），求得滾珠與螺紋滾道間的接觸變形量mm。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=0.0013mm。(3) 將以上算出的和代入，求得絲杠總變形量（對應跨度500mm）=0.0218mm=21.8本例中，絲杠的有效行程為330mm，由表3-27知，5級精度滾珠絲杠有效行程在315400mm時，行程偏差允許達到25，可見絲杠剛度足夠。4.4.6 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FK。查表3-34，取支承系數(shù)=1；由絲杠底徑d2=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）；滾動螺母至軸向固定處的距離a取最大值500mm。代入式（3-28），得臨界載荷FK=9343N，故絲杠不會失穩(wěn)。綜上所述，初選的滾珠絲杠副滿足使用要求。4.5 步進電動機減速箱的選用為了滿足脈沖當量的的設計要求，增大步進電動機的輸出轉(zhuǎn)矩，同時也為了使?jié)L珠絲杠和工作臺的轉(zhuǎn)動慣量折算到電動機軸上盡可能的小，今在步進電動機的輸出軸上安裝一套齒輪機減速，采用一級減速，步進電動機的輸出軸與齒輪相連，滾珠絲杠的軸頭與大齒輪相連。其中大齒輪設計成雙片結(jié)構(gòu)，采用圖3-8所示的彈簧錯齒法消除側(cè)隙。已知工作臺的脈沖當量=0.001mm/脈沖，滾珠絲杠的的導程Ph=5mm， 初選步進電動機的步距角=0.225。根據(jù)式（3-12），算得減速比：=（0.2255）/（3600.001）=25/8本設計選用常州市新月電機有限公司生產(chǎn)的JBF-3型齒輪減速箱。大小齒輪模數(shù)均為1mm，齒數(shù)比為101：32，材料為45調(diào)質(zhì)鋼，齒表面淬硬后達到55HRC。減速箱中心距為（101+32）1/2mm=66.5mm,小齒輪厚度為20mm，雙片大齒輪厚度均為10mm。4.6 步進電動機的計算與選型4.6.1 計算加在步進電動機轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動慣量Jeq 已知：滾珠絲杠的公稱直徑d0=20mm，總長l=500mm，導程Ph=5mm，材料密度=7.8510-5kg/;移動部件總重力G=800N；小齒輪齒寬b1=20mm.，直徑d1=30mm，大小齒輪齒寬b2=20mm，直徑d2=75mm；傳動比i=25/8。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Js=0.617kgcm2;拖板折算到絲杠上的轉(zhuǎn)動慣量Jw=0.517kgcm2;小齒輪的轉(zhuǎn)動慣量Jz1=0.162 kgcm2；大齒輪的轉(zhuǎn)動慣量Jz2=16.031 kgcm2。初選步進電動機的型號為110BYG5802,為五相十拍混合式，由常州寶馬集團公司生產(chǎn)，五相十拍驅(qū)動時的步距角為0.225，從表（4-5）查得該型號的電動機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量Jm=15 kgcm2。則加在步進電動機轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動慣量為：=16.92 kgcm24.6.2 計算加在步進電動機轉(zhuǎn)軸上的等效負載轉(zhuǎn)矩Teq 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)其中： =1875r/min (6-15)式中空載最快移動速度，任務書指定為3000mm/min；步進電動機步距角，預選電動機為0.225；脈沖當量，本例=0.001mm/脈沖。設步進電機由靜止加速至所需時間，傳動鏈總效率。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：= (6-16)式中導軌的摩擦因素，滾動導軌取0.005垂直方向的銑削力，空載時取0傳動鏈效率，取0.7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： =+=1.192Nm (6-17) 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。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：=+=0.593N/m （6-19）最后求得在步進電動機轉(zhuǎn)軸上的最大等效負載轉(zhuǎn)矩為：4.6.3 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K=4, 則步進電動機的最大靜轉(zhuǎn)矩應滿足： （6-20）初選步進電動機的型號為110BYG5802，由表4-5查得該型號電動機的最大靜轉(zhuǎn)矩=16Nm?？梢姡瑵M足要求。4.6.4 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=400mm/min，脈沖當量/脈沖，由式（4-16）求出電動機對應的運行頻率。從110BYG5802電動機的運行矩頻特性曲線圖4.1可以看出在此頻率下，電動機的輸出轉(zhuǎn)矩9.33Nm，遠遠大于最大工作負載轉(zhuǎn)矩=0.643Nm，滿足要求。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=3000mm/min，求出其對應運行頻率。由圖4.1查得，在此頻率下，電動機的輸出轉(zhuǎn)矩=1.19Nm，大于快速空載起動時的負載轉(zhuǎn)矩=0.2988Nm，滿足要求。3）最快空載移動時電動機運行頻率校核 與快速空載移動速度=3000mm/min對應的電動機運行頻率為。查表4-5可知110BYG5802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）可知步進電動機克服慣性負載的起動頻率為：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100。綜上所述，本次設計中工作臺的進給傳動系統(tǒng)選用110BYG5802步進電動機，完全滿足設計要求。5.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。考慮到增量式旋轉(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400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。此次設計選用的編碼器型號為：ZLK-A-400-05VO-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400個A/B脈沖，信號為電壓輸出。6. 繪制進給傳動系統(tǒng)示意圖進給傳動系統(tǒng)示意圖如圖6.1所示。圖6.1 進給傳動系統(tǒng)示意圖7控制系統(tǒng)硬件電路設計8.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110BYG5802型，生產(chǎn)廠家為北京和利時電機技術(shù)有限公司。選擇與之匹配的驅(qū)動電源為SH-51008型，輸入電壓為100VAC，相電流為5A，分配方式為五相十拍。該驅(qū)動電源與控制器的接線方式如圖8.1所示。圖8.1參考文獻1 尹志強等編著.機電一體化系統(tǒng)課程設計指導書.北京:機械工業(yè)出版社.2007.5 2 曾勵主編.機電一體化系統(tǒng)設計.北京:高等教育出版社，2004.4