机电一体化专业课程设计.doc

1.1 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X-Y数控工作台，重要参数如下：
1） 立铣刀最大直径 d=36mm；
2） 立铣刀齿数 Z=3；
3） 最大铣削宽度 ae=36mm；
4） 最大背吃刀量ap=8mm；
5） 加工材料为碳素钢或有色金属；
6） X、Y方向脉冲当量ζx=ζy=0.0075mm／脉冲；
7） X、Y方向定位精度均为±0.015mm；
8） 工作台面尺寸为230mm×230mm，加工范畴为600mm×230mm；
9） 工作台空载最快移动速度Vxmax=Vymax=2360mm／min；
10） 工作台进给最快移动速度Vxmaxf=Vymaxf=560mm／min。
1.2 总体方案拟定
1. 机械传动部件选取
（1） 导轨副选用
要设计X-Y工作台是用来配套轻型立式数控铣床，需要承受载荷不大，但脉冲当量小、定位精度高，因而，决定选用直线滚动导轨副，它具备摩擦系数小、不适当爬行、传动效率高、构造紧凑、安装预紧以便等长处。
（2） 丝杆螺母副选用
伺服电动机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脉冲当量和±0.002mm定位精度，滑动丝杆副无能为力，只有选用滚珠丝杆副才干达到。滚珠丝杆副传动精度高、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。
（3） 减速装置选用
选取了步进电动机和滚珠丝杆副后来，为了圆整脉冲当量，放大电动机输出转矩，减少运动部件折算到电动机转轴上转动惯量，也许需要减速装置，且应有消间隙机构。为此，决定采用无间隙齿轮传动减速箱。
（4） 伺服电动机选用
任务书规定脉冲当量尚未达到0.001mm，定位精度也未达到微米级，空载最快移动速度也只有1540mm／min。因而，本设计不必采用高档次伺服电动机，如交流伺服电动机或直流伺服电动机等，可以选用性能好某些步进电动机，如混合式步进电动机，以减少成本，提高性价比。
（5） 检测装置选用
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。任务书所给精度对于步进电动机来说还是偏高，为了保证电动机在运转过程中不受切削负载和电网影响而失步，决定采用半闭环控制，拟在电动机尾部转轴上安装增量式旋转编码器，用以检测电动机转角与转速。增量式旋转编码器辨别力应与步进电动机步距角相匹配。
考虑到X、Y两个方向加工范畴相似，承受工作载荷相差不大，为了减少设计工作量，X、Y两个坐标导轨副、丝杆螺母副、减速装置、伺服电动机，以及检测装置拟采用相似型号与规格。
2. 控制系统设计
1） 设计X-Y工作台准备用在数控铣床上，其控制系统应当具备单坐标定位、两坐标直线插补与圆弧插补基本功能，因此控制系统应当设计成持续控制型。
2） 对于步进电动机半闭环控制，选用MCS-51系列8位单片机AT89C52作为控制系统CPU，应当可以满足任务书给定有关指标。
3） 要设计一台完整控制系统，在选取CPU之后，还需要扩展程序存储器、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） 选取适当驱动电源，与步进电动机配套使用。

3. 机械传动部件计算与选型
1. 导轨上移动部件重量估算
按照下导轨上面移动部件重量来进行估算。涉及工件、夹具、工作平台、上层电动机、减速箱、滚珠丝杆副、直线滚动导轨副、导轨座等，预计重量约为1000N。
2. 铣削力计算
设零件加工方式为立式铣削，采用硬质合金立铣刀，工件材料为碳钢。则有表3-7查得立铣时铣削力计算公式为：

Fc=

今选取铣刀直径d=50mm，齿数Z=3，为了计算最大铣削力，在不对称铣削状况下，取最大铣削宽度ae=50mm，背吃刀量ap=8mm，每齿进给量fz=0.1mm，铣刀转速n=1500r／min。则由公式求得最大铣削力：

Fc=

采用立铣刀进行圆柱铣削时，各铣削力之间比值可由表3-5查得3-4a，考虑逆铣时状况，可估算三个方向铣削力分别为：Ff=1.1Fc≈1771N，Fe=0.38Fc≈611..8N，Ffn=0.25Fc≈402.5N。图3-4a为卧铣状况，现考虑立铣，则工作台收到垂直方向铣削力Fz=Fe=611.8N，受到水平方向铣削力分别为Ff和Ffn。今将水平方向较大铣削力分派给工作台纵向（丝杆轴线方向），则纵向铣削力Fx=Ff=1771N，径向铣削力Fy=Ffn=402.5N。
3. 直线滚动导轨副计算与选型
（1） 滑块承受工作载荷Fmax计算及导轨型号选用
工作载荷是影响直线滚动导轨副使用寿命重要因素。设计中X-Y工作台为水平布置，采用双导轨、四滑块支承形式。考虑最不利状况，即垂直于台面工作载荷所有由一种滑块承担，则单滑块所受最大垂直方向载荷为：
Fmax=G／4+F
其中，移动部件重量G=800N，外加载荷F=Fz=611.8N，代入上式，得最大工作载荷Fmax=811.8N。
查表3-41，依照工作载荷Fmax=811.8N，初选直线滚动导轨副型号为KL系列JSA-LG15型，其额定动载荷Ca=7.94kN，额定静载荷C0a=9.5kN。
任务书规定工作台面尺寸为230mm×230mm，加工范畴为600mm×230mm，考虑工作行程应留有一定余量，查表3-35，按原则系列，选用导轨长度为640mm。
（2） 距离额定寿命L计算
上述选用KL系列JSA-LG15型导轨副滚道硬度为60HRC，工作温度不超过100℃，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fH=1.00、接触系数fc=0.81、精度系数fR=0.9、载荷系数fW=1.5，代入式子得距离寿命：

L=

远不不大于盼望值50Km，故距离额定寿命满足规定。
4. 滚珠丝杆螺母副计算与选型
（1） 最大工作载荷Fm计算
如上所述，在立铣时，工作台受到进给方向载荷（与丝杆轴线平行）Fx=1771N，受到横向载荷（与丝杆轴线垂直）Fy=402.5N，受到垂直方向载荷（与工作台面垂直）Fz=611.8N。
已知移动部件总重量G=800N，按矩形导轨进行过计算，查表3-29，取颠覆力矩影响系数K=1.1，滚动导轨上摩擦因数μ=0.005。求得滚珠丝杆副最大工作载荷：

Fm=KFx+μ（Fz+Fy+G）=[1.1×1771+0.005×（611.8+402.5+800）]≈1957N

(2) 最大动载荷FQ计算
设工作台在承受最大铣削力时最快进给速度v=560mm／min，初选丝杆导程Ph=5mm，则此时丝杆转速n=v／Ph=120r/min。
取滚珠丝杆使用寿命T=15000h，代入L0=60nT/10 ，得丝杆寿命系数L0=108（单位为：10 r）。
查表3-30，取载荷系数fW=1.2，滚道硬度为60HRC时，取硬度系数fH=1.0，代入式子求得最大动载荷：

FQ=

（3） 初选型号
依照计算出最大动载荷和初选丝杆导程，查表3-31，选取济宁博特精密丝杆制造有限公司生产CM3205-4型滚珠丝杆副，为内循环固定反向器单螺母式，其公称直径为32mm，导程为5mm，循环滚珠为4圈×1列，精度级别取5级，额定动载荷为13675N，不不大于FQ，满足规定。
（4） 传动效率η计算
将公称直径d0=32mm，导程Ph=5mm，代入λ=arctan[Ph／(πd0)]，得丝杆螺旋升角λ=2.85°。将摩擦角ψ=10′，代入η=tanλ／tan（λ+ψ），得传动效率η=94.4％。
（5） 刚度演算
1）X-Y工作台上下两层滚珠丝杆副支承均采用“单推-单推”方式。丝杆两端各采用一对推力角接触球轴承，面对面组配，左、右支承中心距离约为a=500mm；钢弹性模量E=2.1×10 MPa；查表3-31，得滚珠直径Dw=3.175mm，丝杆底径d2=28.2mm，丝杆截面积S=πd2／4=624.26mm²。
算得丝杆在工作载荷Fm作用下产生拉/压变形量
δ1=Fma/（ES）=[1957×500／﹙2.1×10 ×624.26﹚]=0.0075mm。
2）依照公式Z=（πd0／Dw）－3，求得单圈滚珠数Z=30；该型号丝杆为单螺母，滚珠圈数×列数为3×1，代入公式：ZΣ=Z×圈数×列数，得滚珠总数量ZΣ=90。丝杆预紧时，取轴向预紧力Fyj=Fm/3=652N。则由公式得滚珠与螺纹滚道间接触变形量 δ2≈0.0021mm。
由于丝杆加有预紧力，且为轴向负载1/3，因此实际变形量可减少一半，取 δ2=0.0011mm。
3）将以上算出δ1和δ2代入δ总=δ1+δ2，求得丝杆总变形量（相应跨度500mm） δ总≈0.0086mm=8.6μm。
设计中，丝杆有效行程为230mm，由表3-27知，5级精度滚珠丝杆有效行程在<=315mm时，行程偏差容许达到23μm，可见丝杆刚度足够。
（6） 压杆稳定性校核
依照公式计算失稳时临界载荷Fk。查表3-34，支承系数fK=1；由丝杆底径d2=28.2mm，求得截面积惯性矩I=πd2／64≈31027.45mm 压杆稳定安全系数K取3（丝杆卧式水平安装）；滚动螺母至轴向固定处距离a取最大值500mm。代入公式得临界载荷Fk≈85657.1N，远不不大于工作载荷Fm=1771N，故丝杆不会失稳。
综上所述，初选滚珠丝杆副满足使用规定。
5. 步进电动机减速箱选用
为了满足脉冲当量设计规定，增大步进电动机输出转矩，同步也为了使滚珠丝杆和工作台转动惯量折算到电动机转轴上尽量地小，今在步进电动机输出轴上安装一套齿轮减速箱。采用一级减速，步进电动机输出轴与小齿轮联接，滚珠丝杆轴头与大齿轮联接。其中大齿轮设计成双片构造，采用弹簧错齿法消除侧隙。
已知工作台脉冲当量δ=0.0075mm／脉冲，滚珠丝杆导程Ph=5mm，初选步进电动机步距角α=0.75°。依照公式算得减速比：
i=（α·Ph）／（360δ）=（0.75×5）／（360×0.0075）=25/18
本设计选用常州市新月电机有限公司生产JBF-3型齿轮减速箱。大小齿轮模数均为1mm，齿数比为50:36，材料为45调质钢，齿表面淬硬后达55HRC。减速箱中心距为[（50+36）/2]mm=43mm，小齿轮厚度为20mm，双片大齿轮厚度均为10mm。
6. 步进电动机计算与选型
（1） 计算加在步进电动机转轴上总转动惯量Jeq已知：滚珠丝杆公称直径d0=32mm，总长l=500mm，导程Ph=5mm，材料密度ρ=7.85×10 kg／cm³；移动部件总重力G=800N；小齿轮宽度b1=20mm，直径d1=36mm；大齿轮宽度b2=20mm，直径d2=50mm；传动比i=25:18。
如表4-1所示，算得各个零部件转动惯量如下：

滚珠丝杆转动惯量Js=

拖板折算到丝杆上转动惯量Jw=

小齿轮转动惯量Jz1=

大齿轮转动惯量Jz2=

初选步进电动机型号为90BYG2602，为两相混合式，由常州宝马集团公司生产，二相八拍驱动时步距角为0.75°，从表4-5查得该型号电动机转子转动惯量Jm=4kg·cm²。
则加在步进电动机转轴上总转动惯量为：
Jeq=Jm+Jz1+（Jz2+Jw+Js）／i²=7.12kg·cm²
（2） 计算加在步进电动机转轴上等效负载转矩Teq（分迅速空载起动和承受最大工作载荷两种状况进行计算。）
1） 迅速空载起动时电动机转轴所承受负载转矩Teq1由式子可知，Teq1涉及三某些：一某些是迅速空载起动时折算到电动机转轴上最大加速转矩Tamax；一某些是移动部件运动时折算到电动机转轴上摩擦转矩Tf；尚有一某些是滚珠丝杆预紧后折算到电动机转轴上附加摩擦转矩T0。由于滚珠丝杆副传动效率很高，依照公式可知T0相对于Tamax和Tf很小，可以忽视不计。则有：
Teq1=Tamax+Tf
依照公式，考虑传动链总效率η，计算迅速空载起动时折算到电动机转轴上最大加速转矩：
Tamax=（2πJeq·nm）／（60ta·η）
式中 nm——相应空载最快移动速度步进电动机最高转速，单位为r／min；
Ta——步进电动机由静止到加速度至nm转速所需时间，单位为s。
其中： nm=（Vmax·α）／（360δ）
式中 Vmax——空载最快移动速度，任务书指定为1540mm/min；
α——步进电动机步距角，预选电动机为0.75°；
δ——脉冲当量，δ=0.005mm／脉冲。
将上式各值代入式子算得nm=641.67r／min。
设步进电动机由静止到加速至nm转速所需时间ta=0.4s，传动链总效率η=0.7。则由式子求得：

Tamax=

由式子可知，移动部件运动时，折算到电动机转轴上摩擦转矩为：
Tf=μ（Fz+G）Ph／（2πηi）
式中 μ——导轨摩擦因数，滚动导轨取0.005；
Fz——垂直方向铣削力，空载时取0；
η——传动链总效率，取0.7。
则由式子得：

Tf=

最后由式子求得迅速空载起动时电动机转轴所承受负载转矩：
Teq1=Tamax+Tf=0.173N·m
2） 最大工作负载状态下电动机转轴所承受负载转矩Teq2
由式子可知，Teq2涉及三某些：一某些是折算到电动机转轴上最大工作负载转矩Tt；一某些是移动部件运动时折算到电动机转轴上摩擦转矩Tf；尚有一某些是滚珠丝杆预紧后折算到电动机转轴上附加摩擦转矩T0，T0相对于Tt和Tf很小，可以忽视不计。则有：
Teq2=Tt+Tf
其中，折算到电动机转轴上最大工作负载转矩Tt由式子计算。本设计中对滚珠丝杆进行计算时候，已知沿着丝杆轴线方向最大进给载荷Fx=2291.87N，则有：
Tt=

再由式子计算垂直方向承受最大工作负载（Fz=791.74N）状况下，移动部件运动时折算到电动机转轴上摩擦转矩：

Tf=

最后由式子求得最大工作负载状态下电动机转轴所承受负载转矩为：
Teq2=Tt+Tf=1.456N·m
通过上述计算后，得到加在步进电动机转轴上最大等效负载转矩应为：
Teq=max{Teq1，Teq2}= 1.456N·m
（3） 步进电动机最大静转矩选定
考虑到步进电动机驱动电源受电网电压影响较大，当输入电压减少时，其输出转矩会下降，也许导致丢步，甚至堵转。因而，依照Teq来选取步进电动机最大静转矩时，需要考虑安全系数。本设计中安全系数K=4，则步进电动机最大静转矩应满足：
Tjmax≥4Teq=4×1.456N·m=5.824N·m
上述初选步进电动机型号为90BYG2602，由表4-5查得该型号电动机最大静转矩Tjmax=6N·m。可见满足规定。
（4） 步进电动机性能校核
1） 最快工进速度时电动机输出转矩校核
任务书给定工作台最快工进速度Vmaxf=560mm／min，脉冲当量δ=0.0075mm／脉冲，由式子求出电动机相应运营频率fmaxf=[560／（60×0.005）]Hz≈2560Hz。从90BYG2602电动机运营矩频特性曲线图6-24可以看出，在此频率下，电动机输出转矩Tmaxf≈5.6N·m，远远不不大于最大工作负载转矩Teq2=1.456N·m，满足规定。
2） 最快空载移动时电动机输出转矩校核
任务书给定工作台最快空载移动速度Vmax=2360mm／min，仿照式子求出电动机相应运营频率fmax=[2360／（60×0.0075）]Hz=5244Hz。从图6-24查得，在此频率下，电动机输出转矩Tmax=3.5N·m，不不大于迅速空载起动时负载转矩Teq2=1.456N·m，满足规定。
3） 最快空载移动时电动机运营频率校核
与最快空载移动速度Vmax=2360mm／min相应电动机运营频率为fmax=5133.3Hz。查表4-5可知90BYG2602电动机空载运营频率可达0Hz，可见没有超过上限。
4） 起动频率计算
已知电动机转轴上总转动惯量Jeq=7.12kg·cm²，电动机转子转动惯量Jm=4kg·cm²，电动机转轴不带任何负载时空载起动频率fq=1800Hz（查表4-5）。则由式子可以求出步进电动机克服惯性负载起动频率：

fL=

上式阐明，要想保证步进电动机起动时不失步，任何时候起动频率都必要不大于614Hz。事实上，在采用软件升降频时，起动频率选得更低，普通只有100Hz（即100脉冲／s）。
综上所述，本设计中工作台进给传动选用90BYG2602步进电动机，完全满足设计规定。