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 (5)
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 (5)
2、铣削力的计算 (5)
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。

微型机接
口
电
路
功
放
电
路
执
行
元
件
机械
传动
机构
机械
执行
机构图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：
F·S=mgμ·s+1/2m v2
F Q =F+mgμ0
推算出：F Q =1280.5N，小于最大载荷，故选择电机时只需要考虑最大载荷即可。

4．初选型号
（1）根据推力选型
根据计算出的最大工作载荷Fm=1730N，查三菱直线电机手册。

表4-1
初选三菱LM-U2P2C-60M-2SSO直线电机，最大推力为2400N。

冷却方式为：自冷。

（2）次级侧(磁体)长度选择
工作台尺寸280mmX280mm,加工范围为300mmX300mm；
初级侧长度=406mm
根据，
次级侧总长≥300+406=706mm
查表4-1，次级侧长度选择300+480mm=780mm。

（3）电机最终选择
由以上数据，最终选型：三菱LM-U2P2C-60M-2SSO直线电机，次级侧长度为780mm 5.电机可用性验算
查三菱电机使用说明书，LM-U2P2C-60M-2SSO直线电机输出效率为97%。

最大载荷为F m=1730N，
则电机最大额定载荷为F m/97%=1783N，
所选的电机最大推力为2400，符合要求。

五、直线滚动导轨副的计算与选型
1、直线滚动导轨的选取理由
滚动直线导轨副是在滑块与导轨之间放入适当的钢球，使滑块与导轨之间的滑动摩擦变为滚动摩擦，大大降低二者之间的运动摩擦阻力。

考虑到滚动直线导轨的诸多优点如下：
1．动、静摩擦力之差很小，随动性极好，即驱动信号与机械动作滞后的时间间隔极短，有益于提高数控系统的响应速度和灵敏度。

2．驱动功率大幅度下降，只相当于普通机械的十分之一。

3．与V 型十字交叉滚子导轨相比，摩擦阻力可下降约40倍。

4．适应高速直线运动，其瞬时速度比滑动导轨提高约10倍。

5．能实现高定位精度和重复定位精度。

6．能实现无间隙运动，提高机械系统的运动刚度。

7．成对使用导轨副时，具有“误差均化效应”，从而降低基础件（导轨安装面）的加工精度要求，降低基础件的机械制造成本与难度。

8．导轨副滚道截面采用合理比值的圆弧沟槽，接触应力小，承接能力及刚度比平面与钢球点接触时大大提高，滚动摩擦力比双圆弧滚道有明显降低。

2、距离额定寿命L 的计算和选型
工作寿命为5年，一年365天，每天工作8小时，因此得到小时额定工作寿命14400h L h =
由公式310260h L L nS -⨯=⨯，从而得到3260
10
h L nS L ⨯=
式中：h L 为小时额定工作寿命。

n 为移动件每分钟往复次数6 S 为移动件行程长度，取300 代入数据 得：L =2500km .
由公式3
a k C L=50(
)H T C w
f f f F f 、
每个滑块的工作载荷h F =
4
vs
G F =580N 去硬度系数H
f =0.53 T f =1 C
f =0.81 W f =2
带入以上数据可得a C =5000N
选取导轨型号GGB25AAL 额定载荷为20.7KN 大于5KN 可以满足a C 的要求
查表5.1，得H=42mm W=31mm 导轨长度选800mm
表5.1
3、光栅尺的选择
由设计任务书可知加工范围为300mmX300mm ，定位精度均为mm 01.0 。

所以本设计我们采用威海三丰电子有限公司的光栅尺（型号：ST741A ）具体参数如下 1、测量范围：50mm~15000mm 2、测量准确度：+-6um/m~10um/m
3、测量基准：光栅周期20um 的光栅玻璃尺
4、光学测量系统：透射式红外线光测量系统，红外线波长880mm
5、反应速度：60m/min(0.005mm)25m/min(0.001mm)
6、读数头滑动系统：垂直式五轴承
7、输出讯号：TTL/EIA-422-A
8、讯号传达周期：20um
9、讯号线长度：3mm~20mm
10、供应电压：DC5V+-5%
这个型号光栅尺满足本设计所需的加工范围和测量精度。

4、工作台的选型
根据最大切屑力需要选用M8的螺钉，然后查《机电一体化设计手册》根据（GB/T 158-1996）选工作台T型槽尺寸如下
深度H=20mm
槽底宽度B=18mm
槽宽A=10mm C==8mm
槽数=7 间距=40mm
表5.2
所以工作台厚度选25mm
六、PLC选型
（1）输入输出点的估算：
输入点：操作开关（2个）、限位开关（4个）、位移（2个）、电位器（2个）输出点：电机（4个）继电器、指示灯、晶闸管触发信号、计算机接口、数字显示器
（2）估算存储量：在1.5KB到4KB之间，可选着4KB规格的存储器
Fx1s系列考虑成本和安装空间
人机界面GOT1000（GT11/GT15) GOT900(GOT-F900/GOT-A900)
连接计算机用得转换器：FX-USB-AW USB用
输入扩展：FX1N-4EX-BD 输入扩展板（DC24V 4点）
基本单元：型号：FX1s-30MR(AC电源）（输入16点，输出14点（继电器））外形尺寸：W*H*D(mm) 100x90x75 0.45kg
显示模块：FX1n-5DM
存储器盒：FX1n-EEPROM-8L
电压、电流用输入输出设备
模拟量扩展板（A/D、D/A转换）
FX1n-2AD-BD（2通道）FX1n-1DA-BD(1通道）
高速计数器：FX1s PLC 双相双计数C252
伺服电机连接电缆：E-GMH-200CAB
编程工具：MELSFOT GX系列(顺序编程工具）GX Developer 型号：SW�D5C-GPPW
GOT作图软件、定位模块用得软件
MELSOFT GT系列型号：SW�D5C-GTD2-CL(GT Designer2)
定位模块用的软件型号：FX-PCS-VPS/WIN
手持式编程器（HPP）
电源：
端子排列：
定位控制：
七、伺服放大器选型
设计中X、Y向电动机均为三菱LM-U2P2C-60M-2SSO直线伺服电机，生产厂家为三菱集团公司。

查表7.1，选择与之匹配的驱动电源为MR-J3-60B-RJ004U □型，输入电压为三相200～230VAC 50/60Hz，相电流为4A，控制系统为：正弦波PWM控制/电流控制系统。

连线图如图7.1所示。

表7.1
图7.1
八、控制系统硬件电路设计
根据任务书的要求，设计控制系统的硬件电路时主要考虑以下功能：
（1）接收键盘数据，控制LED显示；
（2）接受操作面板的开关与按钮信息；
（3）接受铣床限位开关信号；
（4）接受电动卡盘夹紧信号与电动刀架刀位信号；
（5）控制X，Y向直线电动机的驱动器；
（6）控制主轴的正转，反转与停止；
（7）控制多速电动机，实现主轴有级变速；
（8）控制交流变频器，实现主轴无级变速；
（9）控制切削液泵启动/停止；
（10）控制电动卡盘的夹紧与松开；
（11）控制电动刀架的自动选刀；
（12）与PC机的串行通信。

X-Y数控工作台的控制系统设计，控制系统根据需要，可以选取用标准的工作控制计算机，也可以设计专用的微机控制系统。

本设计CPU选用三菱公司的Fx1s系列PLC；由于数控工作台还需要加入铣刀运动控制和程序输入等指令，所以除设置了X﹑Y方向的控制指令键，操作开停键，急停键和复位键等外还采用8279来管理扩展多种按键。

8279是一种通用的可编程键盘显示器接口芯片，它能完成键盘输入和显示控制两种功能。

键盘部分提供扫描工作方式，可与64个按键的矩阵键盘进行连接，能对键盘实行不间断的自动扫描，自动消除抖动，自动识别按键并给出键值。

显示部分包括一组数码显示管和七只发光二极管。

与PC机的串行通信经过MAX233，可以采用PC机将编好的程序送入本系统。

图8.1 电气控制回路原理图
结束语
经过三周充实的时间，我们终于完成了这次的课程设计。

在本次的课程设计中，我首次完成从计算分析到绘制成图的全过程，在这过程中，是我们把所学的由理论知识转变到实践的一个过程。

通过本次设计，进一步提高了我对计算机辅助设计的认识，加强了我们对各个软件特点的掌握。

课程设计中，我们充分利用各个软件的优势进行设计，提高了设计速度，同时达到了我们的设计目的。

此次课程设计中主要采用CAXA 进行绘图。

充分感受设计前沿软件的设计思想。

课程设计的完成也提高了我自学软件的能力，通过这次的课程设计，我对学习了机电一体化系统设计方案的
拟定有了一定的认识，对传动元件和导向元件如滚珠丝杠螺母副等的工作原理，设计计算方案的工作原理，设计计算的选用原则，电动机的工作原则，选择控制驱动方式都有了一定的认识。

在今后的学习生活中，这次课程设计的经历将起到重要帮助作用。

参考文献
[1] 文怀兴等编著.《数控机床系统设计》.化工工业出版社.
[2]《机电一体化技术设计》.机械工业出版社
[3] 毛昕等主编，《画法几何及机械制图》.高等教育出版社
[4]《机械设计手册（2）》.机械工业出版社
[5] 艾兴肖诗纲编.《切削用量简明手册》机械工业出版社
[6]《互换性与技术测量》中国计量出版社
[7] 韩荣第编《金属切削原理与刀具》哈尔滨工业大学出版社
[8]<现代实用机床设计手册>PDF版。