机电一体化系统课程设计报告

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mmy 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：Zn 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fF 和fnF 。

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 GF +=4max (2)≈c F 1463NN F f 1609≈N F e 556≈ N F fn 366≈NF z 556=N F x 1609= N F y 366=G=800N F=556N其中，移动部件重量G=800N ，外加载荷N F F z 556==，代入式（2），得最大工作载荷kN N F 756.0756max ==。

查表3-41，根据工作载荷KN F 756.0max =，初选直线滚动导轨副的型号为KL 系列的JSA-LG15型，其额定动载荷kNG a 94.7=，额定静载荷kNG a 5.90=。

（2）距离额定寿命L 的计算 上述选取的KL 系列JSA —LG15型导轨副的滚道硬度为60HRC ，工作温度不超过100摄氏度，每根导轨上配有两只滑块，精度为4级，工作速度较低，载荷不大。

查表3-36~表3-40，分别取硬度系数0.1=H f 、温度系数00.1=T f 、接触系数81.0=C f 、精度系数9.0=R f 、载荷系数5.1=Wf ，代入式（3-33），的距离寿命： km F G f f f f f L a W R C T H 6649503max ≈⨯⎪⎪⎭⎫⎝⎛= 远大于期望值50km ，故距离额定寿命满足要求。

4.滚珠丝杠螺母副的计算与选型（1）最大工作载荷m F 的计算 如前页所述，在立铣时，工作台受到进给方向的载荷（与丝杠轴线平行）N F x 1609=，受到横向的载荷（与丝杠轴线垂直）N F y 366=，受到垂直方向的载荷（与工作台垂直）N F z 556=。

已知移动部件总重量G=800N ，按矩形导轨进行计算，查表3-29，取颠覆力矩影响系数K=1.1，滚动导轨上的摩擦因数μ=0.005 。

求得滚珠丝杠副的最大工作载荷：N N G F F KF F y z x m 1779)]800366556(005.016091.1[)(≈++⨯+⨯=+++=μ（2）最大动载荷QF 的计算 设工作台在承受最大铣削力时的kNF 756.0max =kN G a 94.7= kNG a 5.90=kmL 6649≈=m F 1779N最快进给速度v=400mm/min ，初选丝杠导程mmP h 5=，则此时丝杠转速80r/m in v/P n h ==。

取滚珠丝杠的使用寿命T=15000h ，代入6010/60nT L =，得丝杠寿命系数720=L (单位为610r) 。

查表3-30，取载荷系数2.1=W f ，滚道硬度为60HRC 时，取硬度系数0.1=H f ，代入式（3-23），求得最大载荷：N F f f L F m H W Q 888130≈=（3）初选型号 根据计算出的最大载荷和初选的丝杠导程，查表3-31，选择济宁博特精密丝杠制造有限公司生产的G 系列2504-3型滚珠丝杠副，为内循环固定反向器单螺母式，其公称直径为20mm ，导程为5mm 。

循环滚珠为3圈×1列，精度等级取4级，额定动载荷为9309N 。

大于QF ，满足要求。

（4）传动效率η的计算 将公称直径mm D o 20=，导程mm P h 5=，代入()[]0h /P arctan d πλ=，得丝杠螺旋升角，,554 =λ。

将摩擦角ϕ=10′代入)/tan(tan ϕλλη+=，得传动效率96.4%=η。

（5）刚度的验算1)X-Y 工作台上下两层滚珠丝杠副的支承均采用“单推—单推”的方式，见书后插页图6-23。

丝杠的两端各采用一对推理角接触球轴承，面对面组配，左、右支承的中心距离约为a=500mm ；钢的弹性模量MPa 102.1E 5⨯=；查表3-31，得滚珠直径 3.175m m D w =，丝杠底径mm 2.16d 2=，丝杠截面面积22212.2064/S mm d ==π。

忽略式（3-25）中的第二项，算得丝杠在工作载荷m F 作用下产生的拉/压变形量mmP h 5=v=400mm/min80r/min n =T=15000h 720=L .2.1=W f=Q F 8881Nmm D o 20= mm P h 5=，,334 =λ96.4%=ηMPa102.1E 5⨯=mm 2.16d 2=mm mm ES a F m 0205.0)]12.206101.2/(5001779[)/(51=⨯⨯⨯==δ。

2）根据公式3)/(0-=w D d Z π，求得单圈滚珠数Z=20；该型号丝杠为单螺母，滚珠的圈数×列数为3×1，代入公式列数圈数⨯⨯=∑Z Z ，得滚珠总数量60=∑Z 。