课程设计数控立式铣床XY工作台机电系统设计说明书

《机电一体化》

课程设计

数控立式铣床XY工作台机电系统设计

院系：汽车学院

专业：机械设计制造及其自动化

班级：机电一班

组长：雷博文

组员：金亮、黄明亮、夏佳、熊秀成

指导教师：蒋强

目录

一、设计目的 (3)

二、设计任务 (3)

三．总体方案的确定 (4)

1、机械传动部件的选择.......................................................................... . (3)

(1) 导轨副的选用 (4)

(2) 伺服电动机的选用 (4)

(3) 工作台的选用 (4)

2、控制系统的设计 (4)

3、绘制总体方案图 (5)

四、直线伺服电机的计算与选型 (5)

1、导轨上移动部件的重量 (4)

2、铣削力的计算 (4)

3、载荷的计算 (7)

4、初选型号 (7)

5、直线伺服电机可用性验算 (8)

五、直线滚动导轨副的计算与选型 (8)

1、直线滚动导轨选择理由 (8)

2、直线导轨额定寿命L的计算和选型 (10)

3、光栅尺的选择 (11)

4、工作台的选型 (12)

六、PLC选型 (13)

七、伺服放大器选型 (18)

八、控制系统硬件电路设计 (20)

结束语 (21)

参考文献 (22)

一、设计目的

课程设计是一个很重要的实践性教学环节，要求学生综合运用所学的理论知识，独立进行设计训练，主要目的：

1） 通过本设计，使学生全面地，系统地了解和掌握数控机床得基本组成及其相关基本知识，学习总体方案拟定、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得工作原理、设计计算方法及选用原则。

3） 通过伺服系统得设计，掌握常用PLC 及电机的工作原理、计算选择方法与控制驱动方式。

4） 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。

5） 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。

二、设计任务

任务：设计一种供立式数控铣床使用的数控工作台。

主要参数如下：

1）立铣刀最大直径d=30mm ；

2）立铣刀齿数Z=4；

3）最大铣削宽度mm a e 18=；

4）最大背吃刀量mm a p 10=；

5）加工材料为碳素钢；

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）工作台尺寸280mmX280mm,加工范围为300mmX300mm ；

9）工作台空载最快移动速度min /2000mm v v y x ==；

10）工作台进给最快移动速度min /200max max mm v v f y f x ==；

11）移动部件总重量为900N ；

12）每齿进给量mm f z 1.0=

13）铣刀转速n=500r/min

三．总体方案的确定

1、机械传动部件的选择

(1)导轨副的选用

要设计数控车床工作台，需要承受的载荷不大，而且定位精度高，因此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，安装预紧方便好且精度保持性等优点。

选滚珠导轨，适合用于导轨上运动部件重量小于200kg 的机床，摩擦阻力小，制造容易，成本较低。

(2)伺服电动机的选用

任务书规定的定位精度也未达到微米级，空载最快移动速度也只有因此2000mm/min ，故本设计不必采用高档次的伺服电动机，决定采用直线电机，可以省去丝杆传动副，减少传动过程，提高传动精度。

(3)工作台的选用

设计只要求X-Y 轴方向的运动，并选用的电机为直线电机，故选用工作台为十字交叉二维直线电机平台。二维直线电机平台机械上由直线伺服电机驱动的X-Y 轴运动平台构成，可同时对两台直线伺服电机进行同步控制，是一个先

进的有直线电机驱动的的实用化的实验平台。直线电机直接驱动的X-Y平台系统，以其快速的响应、准确的定位和高可靠性而广泛应用于高速自动化设备、精密测量系统、电子与半导体加工设备，激光加工设备等领域。

2、控制系统的设计

1）设计的X-Z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，所以控制系统设计成连续控制型。

2）对于直线电动机的闭环控制，选用三菱PLC作为控制系统的CPU，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，还要扩展程序存储器，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，与直线电动机配套使用。

3、绘制总体方案图

总体方案图如图3.1所示。

图3.1 总体方案图

四、直线电动机的计算与选型

1、导轨上移动部件的重量

设计要求所给移动部件总重量为900N 。

2、铣削力的计算

工件的材料为碳素钢，根据《金属切屑原理与刀具》200页表15-5得硬质合

金立铣刀铣削力经验公式

F C =118e 0.85f z 0.75d -0.73 a p 1.0 n 0.1

其中铣刀的直径d =30mm ，齿数Z =4，为了计算最大铣削力，在不对称铣削情况下，最大铣削宽度a e =18mm ，背吃刀量a p =10mm ，，每齿进给量f z =0.1mm ，铣

刀转速n =500r/min 。则由上公式求得最大铣削力：

F C =118e 0.85x 0.10.75x 30-0.73x 101.0x 5000.1 x1

=1422 N

考虑逆铣时的情况，可估算三个方向的铣削力分别为：F f =1.1F c =1564N ，F e =0.38 F c =540 N ，F fm =0.25 F C =355 N 则工作台受到垂直方向的铣削力F z =F e =540N ，受到水平方向的铣削力分别为F f 和F fn 。今将水平方向较大的铣削力分配给工作台

的纵向，则纵向铣削力F x =F f =1564N ，径向铣削力F y =F fn =355N 。

3．载荷的计算

（1）最大工作载荷F m 的计算

在立铣时，工作台受到进给方向的载荷（与X 线平行）F x =1564N ，受到横向

的载荷（与Y 轴线垂直）F y =355N ，受到垂直方向的载荷（与工作台面垂直）F z =540N 。

已知移动部件总质量G =900N ，按矩形导轨进行计算，由《金属切屑机床》126页公式17-5得：

Fm=KFx+μ(Fz+Fy+G)=[1.1⨯1564+0.005⨯(540+355+900)]N ≈1730N

取摩擦系数μ=0.005。取颠覆力矩影响系数K =1.1,求得滚珠丝杠副的最大工作载荷：

（2）启动载荷F Q 的计算

工作台空载最快移动速度min /2000mm v v y x ==

空载是移动部件的总质量为900N ，取静摩擦系数μ0=0.01

假定在0.1mm 内要加速到最大移动速度，有公式：