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《機電一體化》 課程設計(論文) 題 　 目 X-Y數(shù)控工作臺機電系統(tǒng)設計 學生姓名 姚清 專 業(yè) 機械工程及其自動化 學 號 班 級 機自 707 指導教師 錢少明 成 績 浙江工業(yè)大學之江學院 2010年12月 目錄 1.引言： 3 2.設計任務 3 3.總體方案的確定 3 3.1 機械傳動部件的選擇 3 3.1.1導軌副的選用 4 3.1.2絲杠螺母副的選用 4 3.1.3減速裝置的選用 4 3.1.4伺服電動機的選用 4 3.1.5檢測裝置的選用 4 3.2 控制系統(tǒng)的設計 4 3.3 繪制總體方案圖 5 4.機械傳動部件的計算與選型 5 4.1 導軌上移動部件的重量估算 5 4.2 銑削力的計算 5 4.3 直線滾動導軌副的計算與選型（縱向） 6 4.3.1 塊承受工作載荷的計算及導軌型號的選取 6 4.3.2 距離額定壽命L的計算 6 4.4 滾珠絲杠螺母副的計算與選型 6 4.4.1 最大工作載荷Fm的計算 6 4.4.2 最大動工作載荷FQ的計算 7 4.4.3 初選型號 7 4.4.4 傳動效率η的計算 7 4.4.5 剛度的驗算 7 4.4.6 壓桿穩(wěn)定性校核 8 4.5 步進電動機減速箱的選用 8 4.6 步進電動機的計算與選型 9 4.6.1 計算加在步進電動機轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動慣量Jeq 9 4.6.2 計算加在步進電動機轉(zhuǎn)軸上的等效負載轉(zhuǎn)矩Teq 9 4.6.3 步進電動機最大靜轉(zhuǎn)矩的選定 11 4.6.4 步進電動機的性能校核 11 5.增量式旋轉(zhuǎn)編碼器的選用 13 6. 繪制進給傳動系統(tǒng)示意圖 13 7．控制系統(tǒng)硬件電路設計 13 參考文獻 15 X-Y數(shù)控工作臺機電系統(tǒng)設計 1.引言： 現(xiàn)代科學技術的不斷發(fā)展，極大地推動了不同學科的交叉與滲透，導致了工程領域的技術革命與改造。在機械工程領域，由于微電子技術和計算機技術的迅速發(fā)展及其向機械工業(yè)的滲透所形成的機電一體化，使機械工業(yè)的技術結構、產(chǎn)品機構、功能與構成、生產(chǎn)方式及管理體系發(fā)生了巨大變化，使工業(yè)生產(chǎn)由“機械電氣化”邁入了“機電一體化”為特征的發(fā)展階段。 2.設計任務 題目：X-Y數(shù)控工作臺機電系統(tǒng)設計 任務：設計一種供應式數(shù)控銑床使用的X-Y數(shù)控工作臺，主要參數(shù)如下： 1. 立銑刀最大直徑的d=15mm； 2. 立銑刀齒數(shù)Z=3; 3. 最大銑削寬度=15mm; 4. 最大背吃刀量=8mm; 5. 加工材料為碳素鋼活有色金屬。 6. X、Y方向的脈沖當量=0.001mm; 7. X、Z方向的定位精度均為mm; 8. 工作臺面尺寸為，加工范圍為; 9. 工作臺空載進給最快移動速度：; 10. 工作臺進給最快移動速度:; 3.總體方案的確定 3.1 機械傳動部件的選擇 3.1.1導軌副的選用 腰設計數(shù)控車床工作臺，需要承受的載荷不大，而且脈沖當量小，定位精度高，因此選用直線滾動導軌副，它具有摩擦系數(shù)小，不易爬行，傳動效率高，結構緊，安裝預緊方便等優(yōu)點。 3.1.2絲杠螺母副的選用 伺服電動機的旋轉(zhuǎn)運動需要通過絲杠螺母副轉(zhuǎn)換成直線運動，需要滿足0.004mm沖當量和mm的定位精度，滑動絲杠副為能為力，只有選用滾珠絲桿副才能達到要求，滾珠絲桿副的傳動精度高、動態(tài)響應快、運轉(zhuǎn)平穩(wěn)、壽命長、效率高、預緊后可消除反向間隙。 3.1.3減速裝置的選用 選擇了步進電動機和滾珠絲桿副以后，為了圓整脈沖當量，放大電動機的輸出轉(zhuǎn)矩，降低運動部件折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的轉(zhuǎn)動慣量，可能需要減速裝置，且應有消間隙機構，選用無間隙齒輪傳動減速箱。 3.1.4伺服電動機的選用 任務書規(guī)定的脈沖當量尚未達到0.001mm，定位精度也未達到微米級，空載最快移動速度也只有因此3000mm/min，故本設計不必采用高檔次的私服電動機，因此可以選用混合式步進電動機。以降低成本，提高性價比。 3.1.5檢測裝置的選用 選用步進電動機作為伺服電動機后，可選開環(huán)控制，也可選閉環(huán)控制。任務書所給的精度對于步進電動機來說還是偏高，為了確保電動機在運動過程中不受切削負載和電網(wǎng)的影響而失步，決定采用半閉環(huán)控制，擬在電動機的尾部轉(zhuǎn)軸上安裝增量式旋轉(zhuǎn)編碼器，用以檢測電動機的轉(zhuǎn)角與轉(zhuǎn)速。增量式旋轉(zhuǎn)編碼器的分辨力應與步進電動機的步距角相匹配。 考慮到X、Y兩個方向的加工范圍相同，承受的工作載荷相差不大，為了減少設計工作量，X、Y兩個坐標的導軌副、絲杠螺母副、減速裝置、伺服電動機以及檢測裝置擬采用相同的型號與規(guī)格。 3.2 控制系統(tǒng)的設計 1）設計的X-Z工作臺準備用在數(shù)控車床上，其控制系統(tǒng)應該具有單坐標定位，兩坐標直線插補與圓弧插補的基本功能，所以控制系統(tǒng)設計成連續(xù)控制型。 2）對于步進電動機的半閉環(huán)控制，選用MCS-51系列的8位單片機AT89S52作為控制系統(tǒng)的CPU，能夠滿足任務書給定的相關指標。 3）要設計一臺完整的控制系統(tǒng)，在選擇CPU之后，還要擴展程序存儲器，鍵盤與顯示電路，I/O接口電路，D/A轉(zhuǎn)換電路，串行接口電路等。 4）選擇合適的驅(qū)動電源，與步進電動機配套使用。 3.3 繪制總體方案圖 總體方案圖如圖3.1所示。 圖3.1 總體方案圖 4.機械傳動部件的計算與選型 4.1 導軌上移動部件的重量估算 按照下導軌上面移動部件的重量來進行估算。包括工件、夾具、工作臺、上層電動機、減速箱、滾珠絲杠副、導軌座等,估計重量約為800N. 4.2 銑削力的計算 設零件的加工方式為立式銑削，采用硬質(zhì)合金立銑刀，工件的材料為碳鋼。則由表3-7查得立銑時的銑削力計算公式為： (6-11) 今選擇銑刀的直徑為d=15mm，齒數(shù)Z=3,為了計算最大銑削力，在不對稱銑削情況下，取最大銑削寬度為，背吃刀量=7mm ，每齒進給量，銑刀轉(zhuǎn)速。則由式（6-11）求的最大銑削力： 采用立銑刀進行圓柱銑削時，各銑削力之間的比值可由表3-5查得，結合圖3-4a，考慮逆銑時的情況，可估算三個方向的銑削力分別為：,，。圖3-4a為臥銑情況，現(xiàn)考慮立銑，則工作臺受到垂直方向的銑削力，受到水平方向的銑削力分別為和。今將水平方向較大的銑削力分配給工作臺的縱向，則縱向銑削力，徑向銑削力為。 4.3 直線滾動導軌副的計算與選型（縱向） 4.3.1 塊承受工作載荷的計算及導軌型號的選取 工作載荷是影響直線滾動導軌副使用壽命的重要因素。本例中的X-Y工作臺為水平布置，采用雙導軌、四滑塊的支承形式?？紤]最不利的情況，即垂直于臺面的工作載荷全部由一個滑塊承擔，則單滑塊所受的最大垂直方向載荷為： (6-12) 其中，移動部件重量Ｇ＝800N，外加載荷，代入式（6-12），得最大工作載荷=756N=0.756kN。 查表3-41，根據(jù)工作載荷=0.756kN，初選直線滾動導軌副的型號為KL系列的JSA-LG15型，其額定動載荷，額定靜載荷。 任務書規(guī)定工作臺面尺寸為，加工范圍為，考慮工作行程應留有一定余量，查表3-35，按標準系列，選取導軌的長度為520mm。 4.3.2 距離額定壽命L的計算 上述所取的KL系列JSA-LG25系列導軌副的滾道硬度為60HRC，工作溫度不超過C，每根導軌上配有兩只滑塊，精度為4級，工作速度較低，載荷不大。查表3-36~表3-40，分別取硬度系數(shù)f=1.0，溫度系數(shù)f=1.00，接觸系數(shù)f=0.81，精度系數(shù)f=0.9，載荷系數(shù)f=1.5，代入式（3-33），得距離壽命： L= 遠大于期望值50Km，故距離額定壽命滿足要求。 4.4 滾珠絲杠螺母副的計算與選型 4.4.1 最大工作載荷Fm的計算 如前頁所述，在立銑時，工作臺受到進給方向的載荷（與絲杠軸線平行）Fx=1609N,受到橫向載荷（與絲杠軸線垂直）Fy=366N，受到垂直方向的載荷（與工作臺面垂直）Fz=556N. 已知移動部件總重量G=800N，按矩形導軌進行計算，查表3-29，取顛覆力矩影響系數(shù)K=1.1，滾動導軌上的摩擦系數(shù)=0.005。求得滾珠絲杠副的最大工作載荷： Fm=KFx+(Fz+Fy+G)=[1.11609+0.005(556+366+800)]N1779N 4.4.2 最大動工作載荷FQ的計算 設工作臺在承受最大銑削力時的最快進給速度v=400mm/min，初選絲杠導程Ph=5mm,則此時絲杠轉(zhuǎn)速n=v/Ph=80r/min。 取滾珠絲杠的使用壽命T=15000h,代入L0=60Nt/106,得絲杠壽命系數(shù)L0=72（單位為：106r）。 查表3-30，取載荷系數(shù)fw=1.2,滾道硬度為60HRC時，取硬度系數(shù)fH=1.0,代入式（3-23），求得最大動載荷： FQ= 4.4.3 初選型號 根據(jù)計算出的最大動載荷和初選的絲杠導程，查表3-31，選擇濟寧博特精密絲杠制造有限公司生產(chǎn)的G系列2005-3型滾珠絲杠副，為內(nèi)循環(huán)固定反向器單螺母式，其公稱直徑為20mm，導程為5mm，循環(huán)滾珠為3圈*1系列，精度等級取5級，額定動載荷為9309N，大于FQ，滿足要求。 4.4.4 傳動效率η的計算 將公稱直徑d0=20mm,導程Ph=5mm,代入λ=arctan[Ph/(d0)]，得絲杠螺旋升角λ=433′。將摩擦角ψ=10′，代入η=tanλ/tan(λ+ψ),得傳動效率η=96.4%。 4.4.5 剛度的驗算 (1) X-Y工作臺上下兩層滾珠絲杠副的支承均采用“單推-單推”的方式，見書后插頁圖6-23。絲杠的兩端各采用-對推力角接觸球軸承，面對面組配，左、右支承的中心距約為a=500mm；鋼的彈性模量E=2.1х105Mpa;查表3-31，得滾珠直徑Dw=3.175mm，絲杠底徑d2=16.2mm,絲杠截面積S=/4=206.12m。 忽略式（3-25）中的第二項，算得絲杠在工作載荷Fm作用下產(chǎn)生的拉/壓變形量mm=0.0205mm.。 (2) 根據(jù)公式，求得單圈滾珠數(shù)Z=20；該型號絲杠為單螺母，滾珠的圈數(shù)列數(shù)為31，代入公式Z圈數(shù)列數(shù)，得滾珠總數(shù)量=60。絲杠預緊時，取軸向預緊力/3=593N。則由式（3-27），求得滾珠與螺紋滾道間的接觸變形量mm。 因為絲杠有預緊力，且為軸向負載的1/3，所以實際變形量可以減少一半，取=0.0013mm。 (3) 將以上算出的和代入，求得絲杠總變形量（對應跨度500mm）=0.0218mm=21.8 本例中，絲杠的有效行程為330mm，由表3-27知，5級精度滾珠絲杠有效行程在315~400mm時，行程偏差允許達到25，可見絲杠剛度足夠。 4.4.6 壓桿穩(wěn)定性校核 根據(jù)公式（3-28）計算失穩(wěn)時的臨界載荷FK。查表3-34，取支承系數(shù)=1；由絲杠底徑d2=16.2mm求得截面慣性矩3380.88；壓桿穩(wěn)定安全系數(shù)K取3（絲杠臥式水平安裝）；滾動螺母至軸向固定處的距離a取最大值500mm。代入式（3-28），得臨界載荷FK=9343N，故絲杠不會失穩(wěn)。 綜上所述，初選的滾珠絲杠副滿足使用要求。 4.5 步進電動機減速箱的選用 為了滿足脈沖當量的的設計要求，增大步進電動機的輸出轉(zhuǎn)矩，同時也為了使?jié)L珠絲杠和工作臺的轉(zhuǎn)動慣量折算到電動機軸上盡可能的小，今在步進電動機的輸出軸上安裝一套齒輪機減速，采用一級減速，步進電動機的輸出軸與齒輪相連，滾珠絲杠的軸頭與大齒輪相連。其中大齒輪設計成雙片結構，采用圖3-8所示的彈簧錯齒法消除側隙。 已知工作臺的脈沖當量=0.001mm/脈沖，滾珠絲杠的的導程Ph=5mm， 初選步進電動機的步距角=0.225。根據(jù)式（3-12），算得減速比： =（0.2255）/（3600.001）=25/8 本設計選用常州市新月電機有限公司生產(chǎn)的JBF-3型齒輪減速箱。大小齒輪模數(shù)均為1mm，齒數(shù)比為101：32，材料為45調(diào)質(zhì)鋼，齒表面淬硬后達到55HRC。減速箱中心距為[（101+32）1/2]mm=66.5mm,小齒輪厚度為20mm，雙片大齒輪厚度均為10mm。 4.6 步進電動機的計算與選型 4.6.1 計算加在步進電動機轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動慣量Jeq 已知：滾珠絲杠的公稱直徑d0=20mm，總長l=500mm，導程Ph=5mm，材料密度=7.8510-5kg/;移動部件總重力G=800N；小齒輪齒寬b1=20mm.，直徑d1=30mm，大小齒輪齒寬b2=20mm，直徑d2=75mm；傳動比i=25/8。 如表4-1所示，算得各個零部件的轉(zhuǎn)動慣量如下： 滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動慣量Js=0.617kgcm2;拖板折算到絲杠上的轉(zhuǎn)動慣量Jw=0.517kgcm2;小齒輪的轉(zhuǎn)動慣量Jz1=0.162 kgcm2；大齒輪的轉(zhuǎn)動慣量Jz2=16.031 kgcm2。 初選步進電動機的型號為110BYG5802,為五相十拍混合式，由常州寶馬集團公司生產(chǎn)，五相十拍驅(qū)動時的步距角為0.225，從表（4-5）查得該型號的電動機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量Jm=15 kgcm2。 則加在步進電動機轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動慣量為： =16.92 kgcm2 4.6.2 計算加在步進電動機轉(zhuǎn)軸上的等效負載轉(zhuǎn)矩Teq 分快速空載和承受最大負載兩種情況進行計算。 1) 快速空載起動時電動機轉(zhuǎn)軸所承受的負載轉(zhuǎn)矩由式（4-8）可知，包括三部分;一部分是快速空載起動時折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的最大加速轉(zhuǎn)矩；一部分是移動部件運動時折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩；還有一部分是滾珠絲杠預緊后折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的附加摩擦轉(zhuǎn)矩。因為滾珠絲杠副傳動效率很高，根據(jù)式（4-12）可知，相對于和很小，可以忽略不計。則有： =+ （6-13） 根據(jù)式（4-9），考慮傳動鏈的總效率，計算空載起動時折算到電動機轉(zhuǎn)軸上最大加速轉(zhuǎn)矩： = (6-14) 其中： =1875r/min (6-15) 式中—空載最快移動速度，任務書指定為3000mm/min； —步進電動機步距角，預選電動機為0.225； —脈沖當量，本例=0.001mm/脈沖。 設步進電機由靜止加速至所需時間，傳動鏈總效率。則由式（6-14）求得： = 由式（4-10）知，移動部件運動時，折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩為：= (6-16) 式中——導軌的摩擦因素，滾動導軌取0.005 ——垂直方向的銑削力，空載時取0 ——傳動鏈效率，取0.7 最后由式（6-13）求得快速空載起動時電動機轉(zhuǎn)軸所承受的負載轉(zhuǎn)矩： =+=1.192Nm (6-17) 2) 最大工作負載狀態(tài)下電動機轉(zhuǎn)軸所承受的負載轉(zhuǎn)矩 由式（4-13）可知，包括三部分：一部分是折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的最大工作負載轉(zhuǎn)矩；一部分是移動部件運動時折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩；還有一部分是滾珠絲杠預緊后折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的附加摩擦轉(zhuǎn)矩，相對于和很小，可以忽略不計。則有： =+ （6-18） 其中折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的最大工作負載轉(zhuǎn)矩由公式（4-14）計算。有： 再由式（4-10）計算垂直方向承受最大工作負載情況下，移動部件運動時折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩： 最后由式（6-18），求得最大工作負載狀態(tài)下電動機轉(zhuǎn)軸所承受的負載轉(zhuǎn)矩： =+=0.593N/m （6-19） 最后求得在步進電動機轉(zhuǎn)軸上的最大等效負載轉(zhuǎn)矩為： 4.6.3 步進電動機最大靜轉(zhuǎn)矩的選定 考慮到步進電動機的驅(qū)動電源受電網(wǎng)電壓影響較大，當輸入電壓降低時，其輸出轉(zhuǎn)矩會下降，可能造成丟步，甚至堵轉(zhuǎn)。因此，根據(jù)來選擇步進電動機的最大靜轉(zhuǎn)矩時，需要考慮安全系數(shù)。取K=4, 則步進電動機的最大靜轉(zhuǎn)矩應滿足： （6-20） 初選步進電動機的型號為110BYG5802，由表4-5查得該型號電動機的最大靜轉(zhuǎn)矩=16Nm?？梢姡瑵M足要求。 4.6.4 步進電動機的性能校核 1)最快工進速度時電動機的輸出轉(zhuǎn)矩校核 任務書給定工作臺最快工進速度=400mm/min，脈沖當量/脈沖，由式（4-16）求出電動機對應的運行頻率。從110BYG5802電動機的運行矩頻特性曲線圖4.1可以看出在此頻率下，電動機的輸出轉(zhuǎn)矩9.33Nm，遠遠大于最大工作負載轉(zhuǎn)矩=0.643Nm，滿足要求。 2）最快空載移動時電動機輸出轉(zhuǎn)矩校核 任務書給定工作臺最快空載移動速度=3000mm/min，求出其對應運行頻率。由圖4.1查得，在此頻率下，電動機的輸出轉(zhuǎn)矩=1.19Nm，大于快速空載起動時的負載轉(zhuǎn)矩=0.2988Nm，滿足要求。 3）最快空載移動時電動機運行頻率校核 與快速空載移動速度=3000mm/min對應的電動機運行頻率為。查表4-5可知110BYG5802電動機的空載運行頻率可達20000，可見沒有超出上限。 4）起動頻率的計算 已知電動機轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動慣量，電動機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量，電動機轉(zhuǎn)軸不帶任何負載時的空載起動頻率（查表4-5）。由式（4-17）可知步進電動機克服慣性負載的起動頻率為： 說明：要想保證步進電動機起動時不失步，任何時候的起動頻率都必須小于。實際上，在采用軟件升降頻時，起動頻率選得更低，通常只有100。 綜上所述，本次設計中工作臺的進給傳動系統(tǒng)選用110BYG5802步進電動機，完全滿足設計要求。 5.增量式旋轉(zhuǎn)編碼器的選用 本設計所選步進電動機采用半閉環(huán)控制，可在電動機的尾部轉(zhuǎn)軸上安裝增量式旋轉(zhuǎn)編碼器，用以檢測電動機的轉(zhuǎn)角與轉(zhuǎn)速。增量式旋轉(zhuǎn)編碼器的分辨力應與步進電動機的步距角，可知電動機轉(zhuǎn)動一轉(zhuǎn)時，需要控制系統(tǒng)發(fā)出個步進脈沖?？紤]到增量式旋轉(zhuǎn)編碼器輸出的A、B相信號，可以送到四倍頻電路進行電子四細分，因此，編碼器的分辨力可選400線。這樣控制系統(tǒng)每發(fā)一個步進脈沖，電動機轉(zhuǎn)過一個步距角，編碼器對應輸出一個脈沖信號。 此次設計選用的編碼器型號為：ZLK-A-400-05VO-10-H 盤狀空心型，孔徑10mm，與電動機尾部出軸相匹配，電源電壓+5V，每秒輸出400個A/B脈沖，信號為電壓輸出。 6. 繪制進給傳動系統(tǒng)示意圖 進給傳動系統(tǒng)示意圖如圖6.1所示。 圖6.1 進給傳動系統(tǒng)示意圖 7．控制系統(tǒng)硬件電路設計 8.步進電動機的驅(qū)動電源選用 設計中X、Y向步進電動機均為110BYG5802型，生產(chǎn)廠家為北京和利時電機技術有限公司。選擇與之匹配的驅(qū)動電源為SH-51008型，輸入電壓為100VAC，相電流為5A，分配方式為五相十拍。該驅(qū)動電源與控制器的接線方式如圖8.1所示。 圖8.1 參考文獻 [1] 尹志強等編著.機電一體化系統(tǒng)課程設計指導書.北京:機械工業(yè)出版社.2007.5 [2] 曾勵主編.機電一體化系統(tǒng)設計.北京:高等教育出版社，2004.4