机电一体化优秀课程设计.docx

机电一体化系统设计
课程设计汇报

设计题目： CNC二维工作平台设计

学 院： 机电工程学院

姓 名： 福利

学 号： XXXXXXXXXXXX

指导老师： XXXX XXX XXX XXXX

时 间： 9月2日

目录
一、总体方案设计………………………………………………………1
1.1、设计任务………………………………………………………1
1.2、总体方案确定…………………………………………………1
二、工作台尺寸及其重量初步确定………………………………4
2.1、 工作台（X向托板）…………………………………………4
2.2、 工作台（Y向托板）…………………………………………4
2.3、上导轨座（连电机）重量……………………………………4
三、滚动导轨计算和选择……………………………………………5
3.1、滑块承受工作载荷计算及导轨型号选择……………5
3.2、导轨寿命计算………………………………………………5
3.3、导轨额定动负载核实………………………………………6
四、滚珠丝杠设计计算及选择………………………………………6
4.1、滚珠丝杠最大工作载荷计算…………………………6
4.2、滚珠丝杠静载荷计算……………………………………7
4.3、滚珠丝杠动载荷计算……………………………………7
4.4、丝杠型号确实定………………………………………………8
4.5、丝杠压杆稳定性核实…………………………………………8
4.6、丝杠刚度验算………………………………………………9
五、电机计算和选择…………………………………………………10
5.1、电机步距角计算……………………………………………10
5.2、负载惯量计算………………………………………………10
5.3、负载转矩计算………………………………………………11
5.4、步进电动机最大静转矩计算………………………………
六、联轴器选择………………………………………………………14
6.1、联轴器介绍…………………………………………………14
6.2、联轴器选择………………………………………………14
七、轴承选择…………………………………………………………15
八、控制系统硬件设计…………………………………………………15
九、控制系统设计……………………………………………………21
十、参考文件……………………………………………………………28

一、设计任务
设计一个用于在水平面内（XOY平面）进行切割CNC二维工作平台。切割刀在Y方向工作台上面，其受力点（X、Y方向轴向载荷）到Y方向丝杠轴心线距离为100mm。

XY方向行程：
500×300mm
X丝杠转速n1：
120r/min
Y丝杠转速n1：
120r/min
理论定位精度δ：
20μm
X方向轴向载荷F1：
3500N
Y方向轴向载荷F1：
2500N
X方向工作台滑板及组件重量：
700N
Y方向工作台滑板及组件重量：
400N

二、总体方案设计
2.1、设计思绪
该工作台设计关键分为机械系统部件和控制系统部件，其中机械系统部件关键包含导轨副、丝杠螺母副、减速装置、伺服电动机和检测装置等，控制系统部件则包含CPU控制电路、电源设计电路、输入信号电路、输出信号电路、步进电机驱动控制电路等。
考虑在满足设计要求前提下，应尽可能采取简练轻便结构设计和廉价实用可选材料，符合绿色环境保护现代机械设计理念，由此来确定最终方案。
因X向和Y向机械结构基础相同，故只绘制X向机械系统部分结构简图，以下

2.2、方案设计
2.2.1 螺旋传动机构设计
CNC二维工作平台传动方案有两类：
传动方案可分为滑动螺旋传动和滚动螺旋传动两种：
（1）滑动丝杠螺母机构（滑动螺旋传动）
滑动丝杠螺母机构含有结构简单，运动平稳，传动精度高，螺纹导程小，降速比大，牵引力大等优点。其缺点是摩擦阻力大，传动效率低，螺纹中有侧向间隙，故反向有空行程。因为动静摩擦差异大，低速时可能出现爬行现象。
（2）滚珠丝杠螺母机构（滚动螺旋传动）
滚珠丝杠就是在含有螺旋滚道丝杠和螺母间充满滚珠。这些滚珠作为中间传动件，在螺母闭合回路中循环滚动，使丝杠螺母副运动由滑动变成滚动，以减小摩擦。滚珠丝杠传动效率很高，当双螺母预紧后，轴向刚度好，传动副爬行小，含有较高定位精度，开启转矩小，传动灵敏，同时性好。其缺点是结构复杂，制造较困难，价格昂贵，和不能自锁。
依据CNC二维工作平台要求，参看两种传动特点，对于卧式CNC我们设计选择滚珠丝杠螺母传动。因为滚珠丝杠螺母机构不含有自锁性，故应增加电磁制动装置，以达成正确定位目标。
2.2.2 导轨选择和设计
导轨副类型选择
常见导轨副组合形式有以下多个：
（1）双三角形导轨 ：导向性和精度保持性高，接触刚度好。但工艺性差。用于精度要求较高机床设备。
（2）矩形和矩形组合: 制造调整简单。
（3）三角形和矩形组合：导向性好，制造方便，刚性好，不过磨损不均匀。
（4）三角形和平面导轨组合：摩擦阻力不一致，轻易产生力矩，造成三角形导轨对角接触，影响运动导向精度，不能克服颠覆力矩。
（5）燕尾形导轨及其组合：
A、整体式燕尾导轨：
B、装配式燕尾导轨：制造调试方便。
C、燕尾和矩形组合式导轨：调整方便、承受力矩大。
依据CNC二维工作平台要求和设计思绪，参看多个导轨副组合特点，对于卧式CNC我们设计选择三角形和矩形组合导轨副。
导轨副材料选择
依据设计思绪和工作情况，对于卧式CNC我们设计选择导轨副材料为铸铁，因为铸铁含有耐磨性和减振性好，热稳定性高，易于铸造和切削加工，成本低等特点。
2.2.3 机架设计
依据设计思绪，选择廉价实用材料，降低成本，满足要求即可，故我们选择机架材料是45刚。
2.2.4 伺服系统选择
依据任务书要求参数和设计思绪。只需要选择性能很好步进电动机即可满足要求，故在本设计中选择励磁式步进电动机，以降低成本，提升性价比。
2.2.5 检测装置选择
选择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，为了确保电动机在运转过程中不受切削负载和电网影响而失步，决定采取半闭环控制，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和转速。增量式旋转编码器分辨率应和步进电动机步距角相匹配。
2.2.6 减速装置设计
选择了步进电动机和滚珠丝杠副以后，为了圆整脉冲当量，放大电动机输出转矩，降低运动部件折算到电动机转轴上转动惯量，可能需要减速装置，且应有消间隙机构。但本设计中要求系统结构紧凑，且依靠步进电动机和滚珠丝杠副已经能够达成所需脉冲当量，所以不使用减速箱。
考虑到X、Y两个方向加工范围相差不大，承受工作载荷也相差不大，为了降低设计工作量，X、Y两个坐标导轨副、丝杠螺母副、减速装置、伺服电动机和检测装置拟采取相同型号和规格。
2.3、方案确定
综合考虑设计任务和设计思绪，因系统定位精度和最快移动速度相对并不是很高，故选择性能很好而性价比较高混合式步进电动机已经足够，下层电机固定在机座上，上层电动机固定在工作台滑板上；为了避免爬行现象，同时节省生产成本，且因该设计载荷较低，故选择直线滚动导轨副；滑动丝杠副在低速或微调时可能产生爬行显现，且为了能够满足定位精度，故选择滚珠丝杠副；控制系统选择AT89C51单片机，足以满足设计要求且较为廉价；因为本设计中要求系统结构紧凑，且依靠步进电动机和滚珠丝杠副已经能够达成所需脉冲当量，所以能够不使用减速箱。
三、滚珠丝杠副和控制电机设计和计算
3. 1 X和Y方向丝杠具体设计
3.1.1 Y方向丝杠螺母副及其步进电机
由CNC题目（卧式）可知：Y方向轴向工作载荷F2＝2500N ；理论定位精度δ≤20μm ；丝杠转速n2＝120r/min；y方向工作台滑板及其组件重量W2＝400 N ；参考同类型设备，选择电机和丝杠经过联轴器直接相连，则i=1（步进电机到丝杠间传动比）。这么选择好处是不要中间件，降低了传动件，有利于提升精度，安装等较为方便
1、Y方向丝杠受力分析及丝杠轴向力计算
Y方向工作台滑板及其组件重量W2和X方向轴向工作载荷关键由导轨负担，而丝杠关键承受Y方向轴向力F。Y方向丝杠所受总轴向力F由两部分组成：一是刀具所受Y方向轴向工作载荷Fa2；二是Y方向工作台滑板及其组件重量W2和X方向轴向载荷在导轨上产生合成摩擦力FN两部分组成：F=FN+Fa2
FN=μ×Fa12+W22
式中 F――丝杠所受总轴向力 N ；
FN――导轨和工作台滑板之间摩擦力 N ；
Fa2――Y方向轴向工作载荷 N
μ――导轨和工作台滑板之间摩擦系数，因为导轨和工作台滑板处于边界润滑状态（脂润滑或油润滑），可取μ＝0.05～0.2 ；
W2――Y方向工作台滑板及组件重量 N ；
Fa1――X方向轴向工作载荷 N
将W2＝400N、Fa2＝2500N、Fa1＝3500N、取μ＝0.1 带入上式得Y方向丝杠所受总轴向力F（卧式CNC）：F=FN+Fa2=352.3＋2500＝2852.3 N
2、丝杠设计计算及尺寸选择
因为丝杠为低速传动，所以应按寿命和额定静载荷两种方法确定其尺寸，然后选择其中较大。
（1）按额定静载荷选择：
因为Y方向丝杠所受总轴向力 F＝2852.3N，按Coa≥F标准查附表1选择丝杠尺寸。这里选外循环滚珠丝杠,公称直径do＝16mm、导程L0＝4mm ，2.5圈×1列，Coa=14100N；
（2）按疲惫寿命选择：

式中 —运转系数，查表4－5（平稳或轻度冲击时为1.0~1.2，取载荷系数=1.2）
—硬度系数，查表4－6（滚道硬度为60HRC时，取硬度系数=1.0）
F—轴向工作载荷（N）
Ca—最大（基础）额定动载荷（N），其值可查书末附表1、2
C’a――计算额定动载荷
L'――预期使用寿命
L'=60×n×T106
式中 n—滚珠丝杠副转速（r/min）；
T—预期使用寿命时间（h）
取滚珠丝杠使用寿命
取滚珠丝杠副转速n=120r/min
得 : L'=138.24 Ca≥17697.8N
查附表1滚珠丝杠副设计表，并参考同类型设备实际情况，设计选择： 外循环滚珠丝杠，公称直径d0＝25mm，导程L0＝6mm，3.5圈×1列，Ca=18950 N，钢球直径（db）Dw=3.969mm,ψ=4.36666 ,精度等级为E，基础导程极限偏差为±6μm。显然，最终应选择d0＝25丝杠。
3、控制电机选择
(1)、计算电机所需要最小转矩Tmin
由Y方向总轴向力F和丝杠公称直径d0，及ψ=4.3666°计算电机所需要最小转矩：

式中 d――为丝杠螺纹大径，由表4-1公式计算得 d＝24.11
d1――为丝杠螺纹小径 ，由表4-1公式计算得 d1＝21
d2――为丝杠中径 ，d2＝22.55
ρ为当量摩擦角， 这里取ρ＝0。
根据电机额定输出转矩T≥电机所需最小转矩Tmin=2.4Nm标准，在网上查看步进电机类型及参数有两种型号可选，转矩为2.5N.m电机在以后校核中被淘汰，故选择型号110BYGH2501永磁感应子式二相四拍步进电机。在网上查得：其转矩是9.8N·m，步进电机步距角为0.9°。当取脉冲发生频率为800个/秒时，步进电机转数为：
n＝60×800/(360/0.9)=120r/min。和题目要求相符合，可行。
4、计算理论定位精度δ、丝杠步距角β和丝杠轴向移动速度V：
计算出理论定位精度δ（即直线脉冲当量）和丝杠步距角β2 。

β2=360δ/ L0＝β1 / i （°）
δ——理论定位精度（即为直线脉冲当量），是指一个脉冲，螺母相对于丝杠直线位移量 mm。
β1――电机步距角（°）
β2――丝杠步距角（当传动比i≠1时，丝杠和电机步距角不相等）（°）
L0——丝杠基础导程（mm）
i――电机到丝杠之间传动比，这里因为电机和丝杠是直接联接，故传动比为1。
将参数代入理论定位精度公式计算可得，δ=15μm。
因为丝杠步距角β2＝0.9°，则由800脉冲/秒和δ=0.015mm得丝杠轴向移动速度：
V=1000/(360/步距角)×L0=12mm/s（属于低速运动）。
由以上参数可知，满足设计题目要求。
3.1.2 设计X方向滚珠丝杠螺母机构及其步进电机
由CNC题目（卧式）可知：X方向轴向工作载荷F1＝3500N ；理论定位精度δ≤20μm ；丝杠转速n1＝120r/min；y方向工作台滑板及其组件重量W1＝700 N ；参考同类型设备，选择电机和丝杠经过联轴器直接相连，则i=1（步进电机到丝杠间传动比）。这么选择好处是不要中间件，降低了传动件，有利于提升精度，安装等较为方便
1、X方向丝杠受力分析及丝杠轴向力计算
X方向工作台滑板及其组件重量W1和Y方向轴向工作载荷关键由导轨负担，而丝杠关键承受X方向轴向力F。X方向丝杠所受总轴向力F由两部分组成：一是刀具所受X方向轴向工作载荷Fa1；二是X方向工作台滑板及其组件重量W1和Y方向轴向载荷在导轨上产生合成摩擦力FN两部分组成：F=FN+Fa1
FN=μ×Fa22+W22
式中 F――丝杠所受总轴向力 N ；
FN――导轨和工作台滑板之间摩擦力 N ；
Fa2――Y方向轴向工作载荷 N
μ――导轨和工作台滑板之间摩擦系数，因为导轨和工作台滑板处于边界润滑状态（脂润滑或油润滑），可取μ＝0.05～0.2 ；
W1――X方向工作台滑板及组件重量 N ；
Fa1――X方向轴向工作载荷 N
将W1＝700N、Fa2＝2500N、Fa1＝3500N、取μ＝0.1 带入上式得X方向丝杠所受总轴向力F（卧式CNC）：F=FN+Fa1=259.6＋3500＝6096.15N
2、丝杠设计计算及尺寸选择
因为丝杠为低速传动，所以应按寿命和额定静载荷两种方法确定其尺寸，然后选择其中较大。
（1）按额定静载荷选择：
因为X方向丝杠所受总轴向力 F＝6096.15N，按Coa≥F标准查附表1选择丝杠尺寸。这里选外循环滚珠丝杠,公称直径do＝25mm、导程L0＝4mm ，2.5圈×1列，Coa=14100N；
（2）按疲惫寿命选择：

式中 —运转系数，查表4－5（平稳或轻度冲击时为1.0~1.2，取载荷系数=1.2）
—硬度系数，查表4－6（滚道硬度为60HRC时，取硬度系数=1.0）
F—轴向工作载荷（N）
Ca—最大（基础）额定动载荷（N），其值可查书末附表1、2
C’a――计算额定动载荷
L'――预期使用寿命
L'=60×n×T106
式中 n—滚珠丝杠副转速（r/min）；
T—预期使用寿命时间（h）
取滚珠丝杠使用寿命
取滚珠丝杠副转速n=120r/min
得 : L'=138.24 Ca≥37825.2N
查附表1滚珠丝杠副设计表，并参考同类型设备实际情况，设计选择： 外循环滚珠丝杠，公称直径d0＝63mm，导程L0＝8mm，3.5圈×1列，Ca=37900 N，钢球直径（db）Dw=4.763mm,ψ=2.32 ,精度等级为E，基础导程极限偏差为±6μm。显然，最终应选择d0＝25丝杠。
3、控制电机选择
(1)、计算电机所需要最小转矩Tmin
由Y方向总轴向力F和丝杠公称直径d0，及ψ=2.32°计算电机所需要最小转矩： Tmin=F×d22×tanψ+ρ=7.42Nm

式中 d――为丝杠螺纹大径，由表4-1公式计算得 d＝62.05mm
d1――为丝杠螺纹小径 ，由表4-1公式计算得 d1＝58.18mm
d2――为丝杠中径 ，d2＝60.12mm
ρ为当量摩擦角， 这里取ρ＝0。
根据电机额定输出转矩T≥电机所需最小转矩Tmin=7.42Nm标准，在网上查看步进电机类型及参数有两种型号可选，转矩为7.5Nm电机在以后校核中被淘汰，故选择型号110BYGH2501永磁感应子式二相四拍步进电机。在网上查得：其转矩是9.8N·m，步进电机步距角为0.9°。当取脉冲发生频率为800个/秒时，步进电机转数为：
n＝60×800/(360/0.9)=120r/min。和题目要求相符合，可行。
4、计算理论定位精度δ、丝杠步距角β和丝杠轴向移动速度V：
计算出理论定位精度δ（即直线脉冲当量）和丝杠步距角β2 。

β2=360δ/ L0＝β1 / i （°）
δ——理论定位精度（即为直线脉冲当量），是指一个脉冲，螺母相对于丝杠直线位移量 mm。
β1――电机步距角（°）
β2――丝杠步距角（当传动比i≠1时，丝杠和电机步距角不相等）（°）
L0——丝杠基础导程（mm）
i――电机到丝杠之间传动比，这里因为电机和丝杠是直接联接，故传动比为1。
将参数代入理论定位精度公式计算可得，δ=15μm。
因为丝杠步距角β2＝0.9°，则由800脉冲/秒和δ=0.015mm得丝杠轴向移动速度：
V=800/(360/步距角)×L0=12mm/s（属于低速运动）。
由以上参数可知，满足设计题目要求。
故X方向和Y方向选择相同电动机，相关参数见下表
型号
步距角
相数
电压（V）
电流（A）
静转矩（Nm）
空载运行频率（KHZ）
转动惯量（Kgcm2）
机身长（mm）
110BYG2501
0.9/1.8
2
110
4
12
≥15
11
144

四、导轨设计
依据任务书要求XY方向行程为500×300mm，故初步取导轨座长600mm，宽为400mm，采取三角形和矩形组合导轨副，材料为铸铁，因为铸铁含有耐磨性和减振性好，热稳定性高，易于铸造和切削加工，成本低等特点，
五、轴承设计和选择
5.1 X方向轴承选择
依据滚珠丝杆公称直径 63mm，额定动载荷Ca=37900N和额定静载荷F＝6096.15和轴承所承受最大载荷700N，查《机械零件设计手册》，以确定所选轴承型号。所选轴承为深沟球轴承6013，相关参数见下表：
基础尺寸
安装尺寸
基础额定载荷
极限转速
d
D
B

动载荷
静载荷
脂润滑
油润滑
65
120
23
0.6
74
111
1.5
57.2
40.0
5000
6300
5.2 Y方向轴承选择
依据滚珠丝杆公称直径 25mm，额定动载荷Ca=17697.8N和额定静载荷F＝2782N和轴承所承受最大载荷400N，查《机械零件设计手册》，以确定所选轴承型号。所选轴承为深沟球轴承6206，相关参数见下表：
基础尺寸
安装尺寸
基础额定载荷
极限转速
d
D
B

动载荷
静载荷
脂润滑
油润滑
30
62
16
0.6
36
56
1
19.5
11.5
9500
13000
六、控制系统硬件设计
X-Y数控工作台控制系统硬件关键包含CPU、传动驱动、传感器、人机交互界面。
硬件系统设计时，应注意几点：电机运转平稳、响应性能好、造价低、可维护性、人机交互界面可操作性比很好。
6.1 CPU选择
伴随微电子技术水平不停提升，单片微型计算机有了飞跃发展。单片机型号很多，而现在市场上应用MCS-51芯片及其派生兼容芯片比较多，如现在应用最广8位单片机89C51，价格低廉，而性能优良，功效强大。
在部分复杂系统中就不得不考虑使用16位单片机，MCS-96系列单片机广泛应用于伺服系统，变频调速等各类要求实时处理控制系统，它含有较强运算和扩展能力。不过定位合理单片机能够节省资源，取得较高性价比。
从要设计系统来看，选择较老8051单片机需要拓展程序存放器和数据存放器，无疑提升了设计价格，而选择高性能16位MCS-96又显得过于浪费。生产基于51为内核单片机厂家有Intel、ATMEL、Simens，其中在CMOS器件生产领域ATMEL企业工艺和封装技术一直处于领先地位。ATMEL企业AT89系列单片机内含Flash存放器，在程序开发过程中能够十分轻易进行程序修改，同时掉电也不影响信息保留；它和80C51插座兼容，而且采取静态时钟方法能够节省电能。
所以硬件CPU选择AT89C51，AT表示ATMEL企业产品，9表示内含Flash存放器，S表示含有串行下载Flash存放器。
AT89C51性能参数为：Flash存放器容量为4KB、16位定时器2个、中止源6个（看门狗中止、接收发送中止、外部中止0、外部中止1、定时器0和定时器1中止）、RAM为128B、14位计数器WDT、I/O口共有32个。
6.2 CPU接口设计
CPU接口部分包含传感器部分、传动驱动部分、人机交互界面三部分。示意图以下所表示：

七、控制系统软件设计
7.1、总体方案
对于AT89S51程序设计，因为所需实现功效较简单，采取汇编形式。编译器采取Keil 7.02b。该编译器是51系列单片机程序设计常见工具，既可用汇编，也支持C语言编译。同时含有完善调试功效。
八、参考文件
[1] 郑学坚,周斌.微型计算机原理及应用.[M].清华大学出版社,
[2] 房小翠.单片微型计算机和机电接口技术[M]..国防工业出版社,
[3] 王小明. 电动机单片机控制[M].. 北京航空航天大学出版社,
[4] 李建勇.机电一体化技术.[M].科学出版社.
[5] 张建民.机电一体化系统设计[M]..北京理工出版社,
[6] 徐灏等.机械设计手册[M].北京:机械工业出版社,
[7] 濮良贵 ,记名刚.机械设计[M].北京:高等教育出版社,
[8].杨入清.现代机械设计—系统和结构[M].上海:上海科学技术文件出版社,
[9].张立勋,孟庆鑫,张今瑜.机电一体化系统设计[M].哈尔滨:哈尔滨工程大学出版社,