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《机电一体化系统课程设计》

课程设计

X-Y数控工作台机电系统设计

教学单位：

机电工程学院

专业：

机械设计制造及其自动化

班级：

13机电b

学号：

姓名：

指导教师：

何伟

完成时间：

2017年1月10日

电子科技大学学院机电工程学院

课程（产品）设计任务书

题目名称

X-Y数控工作台机电系统设计

设计

机电一体化系统课程设计是重要的实践教学环节，它的主要目的是掌握

目的

机电一体化系统的基本设计方法，培养学生独立分析问题和解决问题的能力。

设计

学号：

条件

工作台尺寸：

220mm*240mm

设计容

设计数控铣床用X-Y工作台机电系统，对总体方案进行设计，对零部件

及

进行设计计算和选择，画出装配图。

要求

1.总体方案设计。

设计

2.零部件的计算和选型。

步骤

3.绘制装配图。

4.撰写设计说明书。

成果

1.装配图。

形式

2.设计说明书。

参考

志强.机电一体化系统设计课程设计指导书，机械工业，2007.

文献

指导教师

2017年1月10日

1.总体方案设计1

1.1.设计目的1

1.2.设计任务1

1.3.总体方案的确定2

2.机械传动部件的计算与选型4

2.1.导轨上移动部件的重量估算4

3.总结16

4.附录18

4.1.机械装配图18

（注意：

目录容宋体小四）

1.总体方案设计

1.1.设计目的

机电一体化系统课程设计是一个重要的实践性教学环节。

要求学生综合运用所学过的机械、电子、计算机和自动控制等方面的知识，独立进行一次机电结合的设计训练，主要目的是：

1.学习机电一体化系统总体设计方案拟定、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的工作原理、设计计算

方法与选用原则。

如齿轮/同步带减速装置、蜗杆副、滚珠丝杠螺母副、直线滚动导轨副

等。

3.通过对尽给伺服系统的设计，掌握常用伺服电动机的工作原理、计算选择方法与控制驱动方式，学会选用典型的位移/速度传感器；如交流、步进伺服进给系统，增量式旋转编码器，直线光栅等。

4.通过对控制系统的设计，掌握一些典型硬件电路的设计方法和控制软件的设计思

路；如控制系统选用原则，CPU选择、存储器扩展、I/O接口扩展、A/D与D/A配置、键盘与显示电路设计等，以及控制系统的管理软件、伺服电动机的控制软件等。

5.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。

6.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。

1.2.设计任务

设计任务和参数。

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的X-Y数控工作台，主要参数如下:

1）立铣刀最大直径d=15mm

2）立铣刀齿数Z=3;

3）最大铣削宽度ae15mm；

4）最大背吃刀量ap8mm；

5）加工材料为碳素钢或者有色金属；

6）X、Y方向的脉冲当量xy°.°°5mm/脉冲；

7）X、Y方向的定位精度均为°.°1mm；

8）工作台面尺寸为220mm*240mm加工围为240mm*260mm

9）工作台空载最快移动速度VxVy3000mm/min；

10）工作台进给最快移动速度VxmaxfVymaxf400mm/min；

1.3.总体方案的确定

系统整体方案的确定。

1机械传动部件的选择

1.1导轨副的选用要设计的X-Y工作台是用来配套轻型的立式数控铣床的，需要

承受的载荷不大，但脉冲当量小、定位精度高，因此，决定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、结构紧凑、安装预紧方便等优点。

丝杆螺母副的选用伺服电动机的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的脉冲当量°.°1mm和的定位精度，滑动滑动丝杆副无能为力，只有选用

滚珠丝杆副才能达到。

滚珠丝杆副的传动精度高、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

减速装置的选用选择了步进电动机和滚珠丝杆副以后，为了圆整脉冲当量，放大

电动机的输出转矩，降低运动部件折算到电动机转轴上的转动惯量，可能需要减速装置，且应有消间隙机构。

为此，决定采用无间隙齿轮传动减速箱。

伺服电动机的选用任务书规定的脉冲当量尚未达到0.001mm定位精度也未达到

微米级，空载最快速度也只有3800mm/min因此，本设计不必采用高档次的伺服电动机，如交流伺服电动机或直流伺服电动机等，可以选用性能好一些的步进电动机，如混合式步进电动机，以降低成本，提高性价比。

检测装置的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。

任务书所给的精度对于步进电动机来说还是偏高的，为了确保电动机在运转过程中不受切削负载和电网的影响而失步，决定采用半闭环控制，拟在电动机的尾部转轴上安装增量式旋转编码器，用以检测电动机的转角与转速。

增量式旋转编码器的分辨力应与步进电动机的步距角相匹配。

考虑到X、丫两个方向的加工围相同，承受的工作载荷相差不大，为了减少设计工作量，X、丫两个坐标的导轨副、丝杆螺母副、减速装置、伺服电动机，以及检测装置拟采用相同的型号与规格。

2.控制系统的设计

1）设计的X-Y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，所以控制系统应该设计成连续控制型。

2）对于步进电动机的半闭环控制，选用MCS-51系列的8位单片机AT89C52作为控制系统的CPU应该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，还需要扩展程序储存器、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）选择合适的驱动电源，与步进电动机配套使用

2.机械传动部件的计算与选型

1.4.导轨上移动部件的重量估算

1.导轨上移动部件的重量估算

按照下导轨上面移动部件的重量来进行估算。

包括工件、夹具、工作平台、上层电动机、

减速箱、滚珠丝杠副、直线滚动导轨副、导轨座等，估计重量约为800N。

2.铣削力的计算

设零件的加工方式为立式铣削，采用硬质合金立铣刀，工件的材料为碳钢。

则由表3-7查

得立铣时的铣削力计算公式为：

0.850.75■0.731.00.13,

Fc118aefzdapnZ⑴

今选择铣刀直径d=15mm齿数Z=3,为了计算最大铣削力，在不对称铣削的情况下，

取得最大铣削宽度ae15mm，背吃刀量ap8mm，每齿进给量fz0・1mm，铣刀转速

n=300r/min。

则由

（1）式求得最大铣削力：

Fc118120.850.10.75120.7371.03000.132N1463N

采用立铣刀进行圆柱铣削时，各铣削力之间的比值可由表3-5查得，结合图3-4a，考

虑逆铣时的情况，可估算二个方向的铣削力分别为：

Ff1.1Fc1609N

Fe0.38耳556N,Ffn0.25Fc366N。

图3缶为卧铣情况，现在考虑立铣，则工作台

受到垂直方向的铣削力FzFe556N，受到水平方向的铣削力分别Ff和Ffn。

今将水平方

向较大的铣削力分配给工作台的纵向（丝杆轴线方向），贝U纵向铣削力FxFf1609N，

3.直线滚动导轨副的计算与选型

（1）滑块承受工作载荷Fmax的计算及导轨型号的选取工作载荷是影响直线滚动导

轨副使用寿命的重要因素。

本设计中的X-Y工作台为水平布置，采用双导轨、四滑块的支

承形式。

考虑最不利的情况，即垂直于台面的工作载荷全部由一个滑块承担，则单滑块所受的最大垂直方向载荷为:

max

其中，移动部件重量G=800N外加载荷FFz556N，代入式

（2），得最大工作载

荷Fmax756N0.756kN

查表3-41，根据工作载荷Fmax0.756KN，初选直线滚动导轨副的型号为KL系列的

JSA-LG15型,其额定动载荷Ga7.94kN，额定静载荷％9.5kN。

任务书规定工作台面尺寸为220mm*240mm加工围为240mm*260mm考虑工作行程留

有一定余量，查表，按标准系列，选取导轨长度为500mn和540mm滚珠丝杠长度应为480mm和520mm

（2）距离额定寿命L的计算上述选取的KL系列JSA—LG15型导轨副的滚道硬度为60HRC工作温度不超过100摄氏度，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fH1.0、温度系数杆1.00、接触系数fC0.81、精度系数fR°9、载荷系数fW1.5，代入式（3-33），的距离寿命：

3

怙fTfcfRGa

LHTCRa506649km

fWFmax

远大于期望值

50km,故距离额定寿命满足要求。

4.滚珠丝杠螺母副的计算与选型

（1）最大工作载荷Fm的计算如前页所述，在立铣时，工作台受到进给方向的载荷（与丝杠轴线平行）Fx1609N，受到横向的载荷（与丝杠轴线垂直）Fy366N，受到

垂直方向的载荷（与工作台垂直）Fz556N。

已知移动部件总重量G=800N按矩形导轨进行计算，查表3-29，取颠覆力矩影响系

数K=1.1，滚动导轨上的摩擦因数卩=0.005。

求得滚珠丝杠副的最大工作载荷：

FmKFx（FzFyG）

[1.19130.005（315.4207.51000）]N1779N

（2）最大动载荷Fq的计算设工作台在承受最大铣削力时的最快进给速度v=400mm/min初选丝杠导程Ph5mm，贝U此时丝杠转速nv/Ph80r/min0

6

取滚珠丝杠的使用寿命T=15000h,代入L°60nT/10，得丝杠寿命系数L°72.6（单6

位为10r）o

查表3-30，取载荷系数fW1.2，滚道硬度为60HRC时，取硬度系数fH1.0，代入式（3-23），求得最大载荷：

Fq3L0fWfHFm8881N

（3）初选型号根据计算出的最大载荷和初选的丝杠导程，查表3-31，选择博特精密丝杠制造生产的G系列2005-3型滚珠丝杠副，为循环固定反向器单螺母式，其公称直径

为20mm导程为5mm循环滚珠为3圈X1列，精度等级取5级，额定动载荷为9309N0大于Fq，满足要求。

（4）传动效率n的计算将公称直径Do20mm，导程Ph5mm，代入

arctanPh/d。

，得丝杠螺旋升角433,。

将摩擦角=忖代入tan/tan（）,

得传动效率96.4%。

（5）刚度的验算

1）X-Y工作台上下两层滚珠丝杠副的支承均采用“单推一单推”的方式，见书后插页

图6-23。

丝杠的两端各采用一对推理角接触球轴承，面对面组配，左、右支承的中心距离

约为a=500mm；钢的弹性模量E105MPa；查表3-31，得滚珠直径Dw3.175mm，

22

丝杠底径d216・2mm，丝杠截面面积Sd2/42°6.12mm。

忽略式（3-25）中的第二项，算得丝杠在工作载荷Fm作用下产生的拉/压变形量

1Fma/（ES）[1011.9500/（2.1105134.71）]mm0.0205mm

。

2）根据公式Z（do/Dw）3，求得单圈滚珠数z=20;该型号丝杠为单螺母，滚珠的圈数x列数为3X,代入公式ZZ圈数列数，得滚珠总数量Z60。

丝杠预紧时，取轴向预紧力FyjFm/3593N。

则由式（3-27），求得滚珠与螺纹滚道间的接触变形量

20.0026mm

O

因为丝杠加有预紧力，且为轴向负载的1/3，所以实际变形量可减小一半，取

20.0013mm

O

3）将以上算出的1和2代入总12，求得丝杠总变形量（对应跨度500mm

总0.0218mm21.8m

o

本例中，丝杠的有效行程为330mm由表3-27知，5级精度滚珠丝杠有效行程在315〜400mn时，行程偏差允许达到25卩m,可见丝杠刚度足够。

（6）压杆稳定性校核根据公式（3-28）计算失稳时的临界载荷Fk。

查表3-34，取

44

支承系数fk1；由丝杠底径d216.2mm求得截面惯性矩丨d2/643380.88mm；压杆

稳定安全系数K取3（丝杠卧式水平安装）；滚动螺母至轴向固定处的距离a取最大值500mm

2ei

代入式（3-28），得临界载荷Fk

k29343N

Ka，远大于工作载荷Fm1779N，故丝杠

不会失稳。

综上所述，初选的滚珠丝杠副满足使用要求

5步进电动机减速箱的选用

为了满足脉冲当量的设计要求，增大步进电动机的输出转矩，同时也是为了使滚珠丝杠和工作台的转动惯量折算到电动机转轴上尽可能地小，今在步进电动机的输出轴上安装一套齿轮减速箱。

采用一级减速，步进电机的输出轴与小齿轮连接，滚珠丝杠的轴头与大齿轮连接。

其齿轮设计成双片结构，采用图3-8所以的弹簧错齿法消除侧隙。

已知工作台的脉冲当量0.005mm/脉冲，滚珠丝杠的导程Ph5mm，初选步进电机

的步进角°75。

根据式（3-12），算得减速比：

i（Ph）/（360）（0.755）/（3600.005）25/12

本设计选用市新月电机生产的JBF-3型齿轮减速箱。

大小齿轮模数均为1mm，齿数比为75:

36，材料为45调制刚，齿表面淬硬后达55HRC减速箱中心距为（5024）25/12mm55.5mm，小齿轮厚度为20mm，双片大齿轮厚度均10mm。

6步进电动机的计算与选型

步进电动机的计算与选型参见第四章第三节相关容。

（1）计算加在步进电机转轴上的总转动惯量Jeq已知：

滚珠丝杠的公称直径

33

do20mm，总长I500mm，导程Ph5mm，材料密度7.8510kg/cm；移动部件

总重力G800N；小齿轮度bi20mm，直径d136mm；大齿轮度b220mm，直径d275mm；转动比i25/12。

如表4-1所示，算得各个零件部件的转动惯量如下（具体计算过程从略）：

滚珠丝杠

22

的转动惯量Js0.617kgcm；拖板折算到丝杠上的转动惯量JW0.517kgcm;小齿轮的转

22

动惯量JZ10.259kg.cm；大齿轮的转动惯量JZ24.877kg.cm。

初选步进电动机型号为90BYG2602为两相混合式，由宝马集团公司生产，二相八拍

驱动时步距角0.75，从表4-5查得该型号电动机转子的转动惯量Jm4kg-cm。

则加在步进电机转轴上的总转动惯量为:

作负载两种情况进行计算。

分：

一部分是快速空载起动时折算到电动机转轴上的最大加速转矩Tamax；一部分是移动部

件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩Tf；还有一部分是滚珠丝杠预紧后折算到电动机

Tamax和Tf很小，可以忽略不计。

则有:

加速转矩:

ta――步进电动机由静止到加速到n转速所需的时间，单位为s。

其中:

步进电动机步距角，预选电动机为°.75；

――脉冲当量，本例0.005mm/脉冲。

将以上各值代入式（6-15），算得nm1250r/min

设步进电动机由静止到加速至n转速所需时间t=0.4s，传动链总效率=0.7。

则由式

（6-14）求得：

25571041583.3n

600.40.7

由式（4-10）可知，移动部件运动时，折算到电动机转轴上的摩擦转矩为:

式中一一导轨的摩擦因数，滚动导轨取0.005;

Fz——垂直方向的铣销力，空载时取0;

――传动链总效率，取0.7。

则由式（6-16），得：

0.005（01000）0.005Kl

TfN.m0.002N.m

20.725/12

最后由式（6-13）求得快速空载起动时电动机转轴所承受的负载转矩:

Teq1TamaxTf1.422N.m

2）最大工作负载状态下电动机转轴所承受的负载转矩T由式（4-13）可知，T包括三部:

一部分是折算到电动机转轴上的最大工作负载转矩T;一部分是移动部件运动时折算到电

动机转轴上的摩擦转矩T;还有一部分是滚珠丝杠预紧后折算到电动机转轴上的附加摩擦转矩T，T相对于T和T很小，可以忽略不计。

则有：

其中，折算到电动机转轴上的最大工作负载转矩T由式（4-14）计算。

本例中在对滚珠

丝杠进行计算的时候，已知沿着丝杠轴线方向的最大进给载荷F=1609N.m，则有:

再由式（4-10）可知，移动部件运动时，折算到电动机转轴上的摩擦转矩为:

Tf（FzG）Ph0.°05（315.41000）0.005N.m0.004N.m

2i20.725/12

最后由式（6-18），求得最大工作负载状态下电动机转轴所承受的负载转矩为:

Teq2TtTf0.884N.m

经过上述计算后，得到加在步进电动机转轴上的最大等效负载转矩应为：

TeqmaXTeq1,T°q2}1.422N.m

（3）步进电动机最大静转矩的选定考虑到步进电动机的驱动电源受电网电压影响较

大，当输入电压降低时，其输出转矩会下降，可能造成丢步，甚至堵转。

因此，根据T来

选择步进电动机的最大静转矩时，需要考虑安全系数。

本例中取安全系数K=4,则步进电

动机的最大静转矩应满足:

上述初选的步进电动机型号为90BYG2602由表4-5查得该型号电动机的最大静转矩

（4）步进电动机的性能校核

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v=400mm/min

脉冲当量=0.005mm/脉冲，由式（4-16）求出电动机对应的运行频率f=[400/（60*0.005）]Hz=1333hz。

从90BYG26026动机的运行矩频特性曲线图6-24可以看出，在此频率下，电动机的输出转矩Tmaxf5.6N.m，远远大于最大工作负载转矩Teq20.884N.m，满足要求。

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

v=3000mm/min，仿照式（4-16）求出电动机对应的运行频率f=[3800/（60*0.005）]Hz=10000Hz。

从图6-24查得，在此频率下，电动机的输出转矩

Tmax1-8N-m，大于快速空载起动时的负载转矩Teq11.422N.m，满足要求。

4）最快空载移动时电动机运行频率校核与最快空载移动速度v=3000mm/min对应的电动机运行频率为f=10000Hz。

查表4-5可知90BYG2602电动机的空载运行频率可达20000Hz,

可见没有超出上限。

2

5）起动频率的计算已知电动机转轴上的总转动惯量Jeq30-35kg.Cm，电动机转子的转动惯量几4kg.cm，电动机转轴不带任务负载时的空载起动频率fq1800Hz（查表4-5）。

则由式（4-17）可以求出步进电动机克服惯性负载的起动频率：

上式说明，要想保证步进电动机起动时不失步，任何时候的起动频率都必须小于

614Hz=实际上，在采用软件升降频时，起动频率选得更低，通常只有100Hz（即100脉冲/s）。

综上所述，本例中工作台的进给传动选用90BYG260笏进电动机，满足设计要求

7•增量式旋转编码器的选用

本设计所选步进电动机采用半闭环控制，可在电动机的尾部转轴上安装增量式旋转编码器，用以检验电动机的转角与转速。

增量式旋转编码器的分辨力应与步进电动机的步距角相匹配。

由步进电动机的步距角=0。

75°，可知电动机转动一转时，需要控制系统发出360/=480个步进脉冲。

考虑到增量式旋转编码器输出的AB相信号，可以送到四倍频电

路进行电子四细分（见第四章第五节相关容），因此，编码器的分辨力可选120线。

这样控制系统每发一个步进脉冲，电动机转过一个步距角，编码器对应输出一个脉冲信号。

本例选择编码器型号为ZL-A—120—05VO~10—H:

盘状空心型。

孔径10mm与电

动机尾部出轴相匹配，电源电压+5V。

每转输出120个A/B脉冲，信号为电压输出，生产厂家为光机数显技术。

图6-2490BYG2602步进电动机

的运行矩频特性曲线

四、工作台机械装配图的绘制

在完成直线滚动导轨副、滚珠丝杠螺母副、齿轮减速箱、步进电动机，以及旋转编码器的

计算与选型后，就可以着手绘制工作台的机械装配图了。

绘图过程中的有关注意事项参见

6-23所示。

本章第一节相关容绘制后的X-Y数控工作台机械装配图如数后插页图

五、工作台控制系统的设计

X-Y数控工作台的控制系统设计，可以参考本章第一节的车床数控系统，但在硬件电路上

需要考虑步进电动机（编码器）反馈信号的处理，在软件上要实现半闭环的控制算法

六、步进电动机驱动电源的选用

本例中X、Y向步进电动机均为90BYG2602型，生产厂家为宝马集团与公司。

查表4-14选择与之配套的驱动电源为BD28NI型，输入电压100VAC相电流4A,分配方式为二相八拍。

该驱动电源与控制器的接线方式如图6-25所示。

七、增量式旋转编码器的选用

本设计所选步进电动机采用半闭环控制，可在电动机的尾部转轴上安装增量式旋转编码

器，用以检验电动机的转角与转速。

增量式旋转编码器的分辨力应与步进电动机的步距角

相匹配。

由步进电动机的步距角=0.75。

，可知电动机转动一转时，需要控制系统发出

360/=480个步进脉冲。

考虑到增量式旋转编码器输出的A、B相信号，可以送到四倍频

电路进行电子四细分（见第四章第五节相关容），因此，编码器的分辨力可选120线。

这样控制系统每发一个步进脉冲，电动机转过一个步距角，编码器对应输出一个脉冲信号本例选择编码器型号为ZLK—A—120—05VO-10—H:

盘状空心型。

孔径10mm与电动机尾部出轴相匹配，电源电压+5V。

每转输出120个A/B脉冲，信号为电压输出，生产厂家为光机数显技术。

八、步进电机驱动器的选用

本例中X、Y向步进电动机均为90BYG260型，生产厂家为宝马集团与公司。

查表4-14选择与之配套的驱动电源为BD28NI型，输入电压100VAC相电流4A，分配方式为二相八拍。

该驱动电源与控制器的接线方式如系统设计课程设计指导书》图6-25所示。

2.总结总计

（本次课程设计的体会和建议）

又一次的课程设计，通过此次的课程设计，把许多以前遗忘的知识又补了回来，以前不懂的知识现在也慢慢的理解了很多，对机械加工、制造等方面的认识又更进了一步。

而且在此次课程设计中，通过自己查阅资料、思考以及询问同学和老师，也锻炼了自己独立完成一项项目的能力，增进了师生以及和朋友同学之间的感情。

作为一名即将踏入社会的准毕业生来讲，此次的课程设计是对自己之前所学知识的一种系统性的总结和综合运用，也是自己进入社会工作前的一种实践运用，为以后的实际操作等提供了一个指导方向和总结。

课程设