机电一体化系统综合课程设计说明书.docx

机电一体化系统课程设计

X-Y数控工作台设计说明书

学校名称：湖北文理学院

班级学号：

学生姓名：张亮

班级：机电1321

2015年11月

一、总体方案设计

1.1 设计任务

设计一个数控X-Y工作台及其控制系统。该工作台可用于铣床上坐标孔的加工和腊摸、塑料、铝合金零件的二维曲线加工，重复定位精度为±0.01mm，定位精度为0.025mm。

设计参数如下：负载重量G=150N；台面尺寸C×B×H＝145mm×160mm×12mm；底座外形尺寸C1×B1×H1＝210mm×220mm×140mm；最大长度L=388mm；工作台加工范围X=55mm，Y=50mm；工作台最大快移速度为1m/min。

1.2 总体方案确定

（1）系统的运动方式与伺服系统

由于工件在移动的过程中没有进行切削，故应用点位控制系统。定位方式采用增量坐标控制。为了简化结构，降低成本，采用步进电机开环伺服系统驱动X-Y工作台。

（2）计算机系统

本设计采用了与MCS-51系列兼容的AT89S51单片机控制系统。它的主要特点是集成度高，可靠性好，功能强，速度快，有较高的性价比。

控制系统由微机部分、键盘、LED、I/O接口、光电偶合电路、步进电机、电磁铁功率放大器电路等组成。系统的加工程序和控制命令通过键盘操作实现。LED显示数控工作台的状态。

（3）X-Y工作台的传动方式

为保证一定的传动精度和平稳性，又要求结构紧凑，所以选用丝杠螺母传动副。为提高传动刚度和消除间隙，采用预加负荷的结构。

由于工作台的运动载荷不大，因此采用有预加载荷的双V形滚珠导轨。采用滚珠导轨可减少两个相对运动面的动、静摩擦系数之差，从而提高运动平稳性，减小振动。

考虑电机步距角和丝杆导程只能按标准选取，为达到分辨率的要求，需采用齿轮降速传动。

图1-1 系统总体框图

二、机械系统设计

2.1、工作台外形尺寸及重量估算

X 向拖板（上拖板）尺寸：

长⨯宽⨯高 145×160×50 重量：按重量=体积×材料比重估算

3214516050107.81090--⨯⨯⨯⨯⨯≈N

Y 向拖板（下拖板）尺寸： 14516050⨯⨯ 重量：约90N 。

上导轨座（连电机）重量： 夹具及工件重量：约150N 。

X-Y 工作台运动部分的总重量：约287N 。

2.2、滚动导轨的参数确定

⑴、导轨型式：圆形截面滚珠导轨 ⑵、导轨长度 ①上导轨（X 向） 取动导轨长度

100

B l =

动导轨行程 55l = 支承导轨长度

155

B L l l =+=

②下导轨（Y 向）

选择导轨的型号：GTA16 ⑶、直线滚动轴承的选型

①上导轨 ②下导轨

由于本系统负载相对较小，查表后得出LM10UUOP 型直线滚动轴承的额定动载荷为370N ，大于实际动负载；但考虑到经济性等因素最后选择LM16UUOP 型直线滚动轴承。并采用双排两列4个直线滚动轴承来实现滑动平台的支撑。

⑷、滚动导轨刚度及预紧方法

当工作台往复移动时，工作台压在两端滚动体上的压力会发生变化，受力大的滚动体变形大，受力小的滚动体变形小。当导轨在位置Ⅰ时，两端滚动体受力相等，工作台保持水平；当导轨移动到位置Ⅱ或Ⅲ时，两端滚动体受力不相等，变形不一致，使工作台倾斜α角，由此造成误差。此外，滚动体支承工作台，若工作台刚度差，则在自重和载荷作用下产生弹性变形，会使工作台下凹（有时还可能出现波浪形），影响导轨的精度。

2.3、滚珠丝杠的设计计算

滚珠丝杠的负荷包括铣削力及运动部件的重量所引起的进给抗力。应按铣削时的情况计算。 ⑴、最大动负载Q 的计算 查表得系数

1

f ω=，

1

H f =，寿命值

查表得使用寿命时间T=15000h ，初选丝杠螺距t=4mm ，得丝杠转速

所以

6

6025015000

22510L ⨯⨯=

=

X 向丝杠牵引力

Y 向丝杠牵引力 所以最大动负荷

X 向

11 3.3920.6()x Q N =⨯⨯=

Y 向

11 4.0624.7()

y Q N =⨯⨯=

查表，取滚珠丝杠公称直径 010d mm

=，选用滚珠丝杠螺母副 的型号

为 SFK1004，其额定动载荷为390N ，足够用。

⑵、滚珠丝杠螺母副几何参数计算

表2-1 滚珠丝杠螺母副几何参数 名 称 符 号 计算公式和结果 螺纹滚道

公称直径 10

螺距 接触角 钢球直径 螺纹滚道法面半径

偏心距 螺纹升角

螺杆

螺杆外径 螺杆内径 螺杆接触直径

螺母

螺母螺纹外径

螺母内径（外循环）

见表2-1。

⑶、传动效率计算

式中：ϕ——摩擦角；γ——丝杠螺纹升角。

⑷、刚度验算

滚珠丝杠受工作负载P 引起的导程

L 的变化量

Y 向所受牵引力大，故应用Y 向参数计算

所以

6

16

24.70.5 1.210()20.6100.5L cm -⨯=±

=±⨯⨯⨯V

丝杠因受扭矩而引起的导程变化量2

L V 很小，可以忽略。

所以导程总误差

查表知E 级精度的丝杠允许误差15m μ，故刚度足够。 ⑸、稳定性验算

由于丝杠两端采用止推轴承，故不需要稳定性验算。

2.4、步进电机的选用

⑴、步进电机的步距角b θ

取系统脉冲当量

0.01/p mm step

δ=，初选步进电机步距角

1.5b θ=o

。

⑵、步进电机启动力矩的计算

设步进电机等效负载力矩为T ，负载力为P ，根据能量守恒原理，电机所做的功与负载力做功有如下关系

式中：ϕ ——电机转角；s ——移动部件的相应位移；η ——机械传动效率。

若取 b ϕθ=，则p s δ=，且S P P G μ=+，所以

式中：

S

P ——移动部件负载（N ）；G ——移动部件重量（N ）；

z

P ——与重量方向一致的作用在移

动部件上的负载力（N ）；μ ——导轨摩擦系数；b θ——步进电机步距角，（rad ）；T ——电机轴

负载力矩（N cm g

） 本例中，取0.03μ=（淬火钢滚珠导轨的摩擦系数），0.96η=，S P

为丝杠牵引力，24.7s H P P N

==。考虑到重力影响，Y 向电机负载较大，因此取

287y G G N

==，所以

若不考虑启动时运动部件惯性的影响，则启动力矩

取安全系数为0.3，则

()1.33

4.420.3q T N cm =

=g

对于工作方式为三相六拍的三相步进电机

⑶、步进电机的最高工作频率

查表选用两个45BF005-Ⅱ型步进电机。电机的有关参数见表2-2。

表2-2 步进电机参数

型 号 主要技术数据

外形尺寸()mm

重量