机电一体化系统课程设计报告
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机电一体化系统课程设计
设计说明书
设计题目:X-Y数控工作台机电系统设计
院校:
班级:
姓名:
学号:
2011年 12 月 24 日
目录
机电一体化系统设计课程设计任务书1.总体方案
1.1导轨副的选用
1.2 丝杆螺母副的选用
1.3 减速装置的选用
1.4 伺服电动机的选用
1.5 检测装置的选用
2.控制系统的设计
3.机械传动部件的计算与选型
3.1导轨上移动部件的重量估算
3.2铣削力的计算
3.3直线滚动导轨副的计算与选型
3.4滚珠丝杠螺母副的计算与选型
3.5步进电动机减速箱的选用
3.6步进电动机的计算与选型
3.7增量式旋转编码器的选用
4.工作台机械装配图的绘制
5.工作台控制系统的设计
6.步进电动机驱动电源的选用
7.设计总结
参考文献
[1]张建民.《机电一体化系统设计》第三版.高等教育出版社
[2]尹志强.《系统设计课程设计指导书》.机械工业出版社
设 计 计 算 与 说 明
主要结果
设计任务:
题目:X-Y 数控工作台机电系统设计 任务:设计一种供立式数控铣床使用的X-Y 数控工作台,主要参数如下:
1)立铣刀最大直径d=15mm ; 2)立铣刀齿数Z=3; 3)最大铣削宽度mm a e 15=; 4)最大背吃刀量mm a p 8=; 5)加工材料为碳钢; 6)X 、Y 方向的脉冲当量
mm
y x 005.0==δδ/脉冲;
7)X 、Y 方向的定位精度均为mm 01.0±; 8)工作台导轨长度为1260mm ;
9)工作台空载最快移动速度min /3000mm v v y x ==;
10)工作台进给最快移动速度min /400max max mm v v f y f x ==; 11)移动部件总重量为800N ;
12)丝杆有效行程为920mm 。
一、总体方案的确定 1 机械传动部件的选择
1.1导轨副的选用 要设计的X-Y 工作台是用来配套轻型的立式数控铣床的,需要承受的载荷不大,但脉冲当量小、定位精度高,因此,决定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、结构紧凑、安装预紧方便等优点。
1.2丝杆螺母副的选用 伺服电动机的旋转运动需要通过丝杆螺母副转换成直线运动,要满足0.005mm 的脉冲当量
mm 01.0±和的定位精度,滑动滑动丝杆副无能为力,只有选用滚珠丝杆副才能达到。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。
1.3减速装置的选用 选择了步进电动机和滚珠丝杆副以后,为了圆整脉冲当量,放大电动机的输出转矩,降低运动部件折算到电动机转轴上的转动惯量,可能需要减速装置,且应有消
设计计算与说明主要结果间隙机构。为此,决定采用无间隙齿轮传动减速箱。
1.4伺服电动机的选用任务书规定的脉冲当量尚未达到
0.001mm,定位精度也未达到微米级,空载最快速度也只有
3000mm/min。因此,本设计不必采用高档次的伺服电动机,如交
流伺服电动机或直流伺服电动机等,可以选用性能好一些的步进
电动机,如混合式步进电动机,以降低成本,提高性价比。
1.5检测装置的选用选用步进电动机作为伺服电动机后,
可选开环控制,也可选闭环控制。任务书所给的精度对于步进电
动机来说还是偏高的,为了确保电动机在运转过程中不受切削负
载和电网的影响而失步,决定采用半闭环控制,拟在电动机的尾
部转轴上安装增量式旋转编码器,用以检测电动机的转角与转速。
增量式旋转编码器的分辨力应与步进电动机的步距角相匹配。
考虑到X、Y两个方向的加工范围相同,承受的工作载荷相差
不大,为了减少设计工作量,X、Y两个坐标的导轨副、丝杆螺母
副、减速装置、伺服电动机,以及检测装置拟采用相同的型号与
规格。
2.控制系统的设计
1)设计的X-Y工作台准备用在数控铣床上,其控制系统应该具
有单坐标定位、两坐标直线插补与圆弧插补的基本功能,所以控
制系统应该设计成连续控制型。
2)对于步进电动机的半闭环控制,选用MCS-51系列的8位单
片机AT89C52作为控制系统的CPU,应该能够满足任务书给定的
相关指标。
3)要设计一台完整的控制系统,在选择CPU之后,还需要扩展
程序储存器、数据存储器、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。包括工件、夹
具、工作平台、上层电动机、减速箱、滚珠丝杠副、直线滚动导
轨副、导轨座等,估计重量约为800N。
2.铣削力的计算
设零件的加工方式为立式铣削,采用硬质合金立铣刀,工件的材料为碳钢。则由表3-7查得立铣时的铣削力计算公式为:
Z
n a d f a F p z e c 13
.00.173.075.085.0118-= (1)
今选择铣刀直径d=15mm ,齿数Z=3,为了计算最大铣削力,
在不对称铣削的情况下,取得最大铣削宽度mm a e 15=,背吃刀量mm a p 8=,每齿进给量mm f z 1.0=,铣刀转速n=300r/min 。则由(1)式求得最大铣削力: N N F c 146333008151.01511813.00.173.075.085.0≈⨯⨯⨯⨯⨯⨯=-
采用立铣刀进行圆柱铣削时,各铣削力之间的比值可由表3-5查得,结合图3-4a ,考虑逆铣时的情况,可估算三个方向的铣削力分别为:N F F c f 16091.1≈=,N F F c e 55638.0≈=,
N F F c fn 36625.0≈=。图3-4a 为卧铣情况,现在考虑立铣,则工
作台受到垂直方向的铣削力N F F e z 556==,受到水平方向的铣削力分别
f
F 和
fn
F 。今将水平方向较大的铣削力分配给工作台的纵向(丝杆轴线方向),则纵向铣削力N F F f x 1609==,径向铣削力N F F fn y 366==。
3.直线滚动导轨副的计算与选型
(1)滑块承受工作载荷max F 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。本设计中的X-Y 工作台为水平布置,采用双导轨、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:
F G
F +=
4max (2)
≈c F 1463N
N F f 1609≈
N F e 556≈ N F fn 366≈
N
F z 556=
N F x 1609= N F y 366=
G=800N F=556N