机电一体化系统课程设计

课程设计

X-Y数控工作台机电系统设计

教学单位: 机电工程学院

专业: 机械设计制造及其自动化

班级: 13机电b

学号:

姓名:

指导教师: 何伟

完成时间: 2017年1月10日

电子科技大学学院机电工程学院

课程（产品）设计任务书

目录

1.总体方案设计 (1)

1.1.设计目的 (1)

1.2.设计任务 (1)

1.3.总体方案的确定 (1)

2.机械传动部件的计算与选型 (2)

2.1.导轨上移动部件的重量估算 (2)

3.总结 (3)

4.附录 (4)

4.1.机械装配图 (4)

(注意：目录容宋体小四)

1.总体方案设计

1.1.设计目的

机电一体化系统课程设计是一个重要的实践性教学环节。要求学生综合运用所学过的机械、电子、计算机和自动控制等方面的知识，独立进行一次机电结合的设计训练，主要目的是：

1.学习机电一体化系统总体设计方案拟定、分析与比较的方法。

2.通过对机械系统的设计，掌握几种典型传动元件与导向元件的工作原理、设计计算方法与选用原则。如齿轮/同步带减速装置、蜗杆副、滚珠丝杠螺母副、直线滚动导轨副等。

3.通过对尽给伺服系统的设计，掌握常用伺服电动机的工作原理、计算选择方法与控制驱动方式，学会选用典型的位移/速度传感器；如交流、步进伺服进给系统，增量式旋转编码器，直线光栅等。

4.通过对控制系统的设计，掌握一些典型硬件电路的设计方法和控制软件的设计思路；如控制系统选用原则，CPU选择、存储器扩展、I/O接口扩展、A/D与D/A配置、键盘与显示电路设计等，以及控制系统的管理软件、伺服电动机的控制软件等。

5.培养学生独立分析问题和解决问题的能力，学习并初步树立“系统设计”的思想。

6.锻炼提高学生应用手册和标准、查阅文献资料以及撰写科技论文的能力。

1.2.设计任务

设计任务和参数。

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）加工材料为碳素钢或者有色金属；

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）工作台面尺寸为220mm*240mm ，加工围为240mm*260mm ；

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 ==；

1.3. 总体方案的确定

系统整体方案的确定。

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。

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。

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，且应有消间隙机构。为此，决定采用无间隙齿轮传动减速箱。

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3800mm/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。

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。

2.机械传动部件的计算与选型

1.4. 导轨上移动部件的重量估算

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 146323007121.01211813.00.173.075.085.0≈⨯⨯⨯⨯⨯⨯=-

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