数控铣床XY工作台设计.docx

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数控铣床XY工作台设计

机电一体化课程设计

说明书

设计题目:

数控铳床X-Y工作台设计

班级:

设计者:

学号:

指导教

机制三班陈钦元

07120526

张继祥

重庆交通大学

2010年12月

系统总体方案设计

机械系统

接口设计

伺服系统设计

控制系统设计

机械系统的设计计算

初选步进电动机

计算减速器传动比

齿轮机构设计

滚珠丝杠的选型设计

滚动直线导轨的选型与计算

计算系统转动惯量

光电开关的选择

接近开关的选择

三控制系统设计

（一）・

操作面板的布置图

（二）・

操作面板功能介绍

（三）・

控制系统原理框图

（四）、

电动机控制原理

（五）、

键盘、显示器接口电路分析

10

17

22

18

23

14

15

18

18

19

24

四参考文献

原始数据

设计一台微机控制XY两坐标工作台，采用MCS-51单片机控制，控制方式采用步进电机开环控制。

其他参数如下

设计任务：

X方向行程:

610mmY方向行程:

350mm

工作台面的参考尺寸:

800X320mm平均切削力：

1100N最高运动速度:

5m/min

定位精度：

0.03mm

台上最大重物质量500kg脉冲当量0.005mm/step

一.系统总体方案设计

由设计任务书知，本次设计可采用如下方案

（一）机械系统

1•传动机构采用滚珠丝杠副

2.导向机构采用滚动直线导轨

3.执行机构采用步进电机

（二）接口设计

1.人机接口

（1）采用键盘作为输入

（2）采用LED作为指示标志

（3）采用数码管作为显示器

2.机电接口采用光电耦合器作为微型机与步进电动机驱动电路的接口，实现电气隔离.

（三）伺服系统设计采用开环控制

（四）控制系统设计

1、控制部分方案选择

控制方案不外乎三种：

开环控制、半闭环控制、闭环控制

上图为最简单的开环控制，若在机械传动机构中引出反馈给控制

人机接=＞显示、报警

速度

位移

时，采用步进电机是合理的。

当然,

由于步进电机具有咼频失步，负载能

部分，再经过比较放大器的则为半闭环控制。

如若是在机械执行机构中

引出反馈则为闭环控制采用步进电机来实现驱动，一般情况下多采用开环控制。

因为步进电机的输出转角与控制器提供的脉冲数有着正比关系，电机转速与控制器提供的脉冲频率成正比。

一次通常在精确度要求很高

力不强的缺点

二.机械系统的设计计算

（本次设计若未作特殊说明，其中的表与图均来自：

由郑堤主编的《机电

一体化设计基础》）

（一）初选步进电动机

根据己知条件：

X、Y方向的脉冲当量x*均为0・005mm/step即脉冲当量较小，因此这里选用反应式步进电动机。

其特点是：

步距角小，运行频率高，价格较低，但功率大。

结论：

初选步进电机型号为：

130BF001其相关参数如下:

相

电

电

步距角

步距角误差

空在运

空载启

转动惯

数

压

流

（度）

（秒）

彳亍频率

动频率

量

5

80/

10A

0.75

10

16000H

3000HZ

0.00046

12V

Z

kg.m・m

并采用单双相通电方式，因此步距角。

a=0.75

1、步进电动机的脉冲频率计算

典型工况下，步进电机的脉冲频率均为:

（取XY方向的速度都为5m/s）

V

60

P5

60O.OW

2、步进电动机的驱动转矩计算

和

典型工况下，步进电机的驱动转矩TxTy均为:

T均为0.8N/m

3、步进电动机的驱动力计算

典型工况下，步进电机的驱动力均为:

代入数据得1851N

驱动力远大于进给抗力，所以所选步进电动机满足使用要求

二）计算减速器传动比

1=0.75X4/（360X0.005）

=5/3

公称直径（mm）

导程（mm）

20

4

图5-33

▼■

api减速器传动比：

360P初选滚珠丝杠：

此

时.

按图5-33,选一级齿轮传动。

（三）齿轮机构设计

传动链效率二工作台移动速度工作台进给抗力/传递功率

初选效率为0.85

传递功率=1100X5/（60X0.85）=107.8W

可见，系统传递的功率很小，在要求不高时，以后各步的计算可省略。

并采用经

验法来设计各部件。

但为练习计算过程,

本次设计采用分析计算来设计。

1、齿

轮传动机构的基本参数

传递

小齿轮转

传动

一天运

工作寿

传动效

转向

工况

功率

（r/min

）

比

转时间

命

率

107.8w

1250

5/3

8h

5年

0.975

不变

平稳

其中小齿轮的转速

代入数据得2083r/min

2、选择材料及确定许用应力

小齿轮材料选择45钢（表面淬火），硬度为45HRC

大齿轮材料为45钢（调质）硬度为220HBS

小齿轮的接触疲劳强度极限Hlim11130MPa心

550MP

大齿轮的接触疲劳强度极限Hlim2F

3、按齿面接触强度设计

设齿轮按7级精度制造。

取载荷系数1.1,齿宽系数⑰二0.3

代入数据得0.49N.M

带入数据得20.5mm

取小齿轮Z二18,大齿轮齿数：

z=iz=5/3X18=30

模数代入数据得m=0.85；取标准值m=0.8确定中心距代入数据得a二19・2mm。

齿宽：

b=0.3X19.2=5.76mm

取小齿轮宽为：

10mm大齿轮宽为：

6mm

4、验算轮齿弯曲强度

2KT1YF1

bm2z

2x1.1x0.49x1000x3.02

23x082x18

=12.27MP<[oF1]=184.62MPa

W魯“619®0.122MP.F21146.15MPa

5、齿轮的圆周速

ndiD]

—带如数据得1.57

（四）滚珠丝杠的选型与计算

1、滚珠丝杠工作长度计算

由技术要求，平均载荷F=1100N,丝杠工作长度L=1460mm,传动精度要求0.03,令两方向丝杠的工况均为：

每天开机6小时；每

年300个工作日；工作8年以上丝杠材料：

CRWM钢N；滚道硬度为58-

62HRC；

设导程P=4mm，则平均转速

n=1250r/min（n=5x1000/4=1250r/min）

2-求计算载荷

FcKfKHKAFm1.11.01.0110=0121N0

由条件，查《机电一体化系统设计》表2-6

取KF二1.2,查表2-6取

Ka=1.0,

Kh=1.2,表2-4取D精度，查表2-6取

3•计算额定动载荷计算值CQ寿命为：

6X300X5=9000

代入数据得5758N

4.根据Ca选择滚珠丝杠副

假设选用SFE型号，按滚珠丝杠副的额定动载荷Ca等于或稍大于

Ca的原则，查找得选以下型号规格

SFE50-6Ca=7260

公称直径D=50导程p=4mm螺旋角211滚珠直径d=7.938mm

按表2-1中尺寸计算滚道半径R二0..52d。

=0.52

7.938=4.126mm

d7.938

e0.70（7R）0.707（4.126）0.111mm

偏心距22<_diD2e2R5020.Ill24.12641.972mm

5.稳定性验算

〈1〉由于一端轴向固定的长丝杠在工作时可能会发生失稳，所以在

设计时应验算其安全系数S,其值应大于丝杠副传动结构允许安全系数

丝杠不会发生失稳的最大载荷称为临界载荷For

其中E=206Gpa

L二1.46m

3.

la依题意得取=则

3

fn2EL

FXcr（Q2

140.041972/641.523107m4

64

3.142061091.5231075

23.265105N

（21.46）2

sx眩安全系数3.265105

296.8

查表2-10[S]=2.5-3.3S>[S]丝杠是安全的，不会失稳

12

2）高速长丝杠工作时可能发生共振，因此需验算其不会发生共振

的最高转速

临界转速ncr，要求丝杠的最大转速nmaxKlcr

n

cr

99iofcdl23.9270.041972"卄/・

999106745r/min

（ul）（21.46）2

3

nmaxncr所以丝杠不会发生共振〈3〉此外滚珠丝杠副还受Don值的限制，

通常要求Dn<70000mm.r/min

Dn5072536250mm.r/min7101mm.r/min

（6）刚度验算

滚珠丝杠在工作负载F（N）和转矩T（Nm）共同作用下引起每个导程的变形量Lo（m）为

Lo

0

pFP2T

EA2GJc

式中，A为丝杠截面积,A=d?

（m2）:

Jc为丝杠的极惯性矩，

4

jc3'2di4（m4）；G为丝杠切变模量，对钢G=83.3GPa;T（Nm）为转矩.

32

TF.D°tan（）

m2

式中，为摩擦角，其正切函数值为摩擦系数；Fm为平均工作载

荷・取摩擦系数为

tan0.0025,则得840

T110050103tan（211840"）N.M1.1275N.M

2

按最不利的情况取（F=Fm）

13

Lo9229^EA3吻42061胪册觴詁垮濡輛

4.1108m^

则丝杠在工作长度上的弹性变形所引起的导程误差为

L1°：

U6314.駅屛2

通常要求丝杠的导程误差小于其传动精度的1/2,即

0.0420um

22

L[L]该丝杠的L满足上式，所以其刚度可满足要求

（7）效率验算

tantantan2-11tan

QQ%（）（2118・4（T）

要求在90%---95%之间，所以该丝杠副合格.

经上述计算验证，SFE50--6各项性能均符合题目要求，可选用.

（五）滚动直线导轨的选型与计算

（1）已知参数

滑坐上载荷F

滑坐个数

单向行程1

每分钟往复次数

4900N

2

1460

4次

每天工作

一年工作日

寿命

6小时

300天

9年

F=mg=500x9.8=4900N

（2）导轨额定寿命计算

X方向导轨

由所给条件得，该导轨的额定工作时间为14400h

TkTs103Js2Thlsn/IO32144001.46460/10310091.52kmT21sn

因滑座数M=4,所以每根导轨上使用2个滑座，由表2-152-18确定

fc0.81fh1fl1fw2

则由式2-9,TsKCh"c“）3F）

畑F3Ts/Kf

fhflfc

F

F4900/22450

caF3Ts/Kfw245U310091・52/501.526678

fhftfc110.81

选用HJD系列滚动直线导轨，查表得，其中町G-DZ452c型号的导轨的Ca值为170KN,能满足八年的使用要求・

（六）计算系统转动惯量

1.电动机轴上总当量负载转动惯量计算

小齿轮转动惯量：

n32dl7.8510（kg・nT

71

大齿轮转动惯量：

代入数据得1.97X10-6

丝杠的转动惯量

带入得0.00084kgom.m

将各传动惯量及工作台质量折算到电动机轴上，得总当量负载转动

「贝里。

代入数据得0.00022kg.m.m

2.惯量匹配验算

22

$=0.48

s46,满足要求。

3.步进电机负载能力校验

1）步进电动机轴上得总惯量：

J=jrajd0.000460.000220.00068kg.m2

2）空载启动时，电动机轴上得惯性转矩：

代入数据得3.5kg.m.m

（3）电动机轴上得当量摩擦转矩：

pp0.004

TuFumgu5009.80.20.4672N.M2n

0.855/3

i2ni2n

（4）

设滚动丝杠螺母

副得预紧力为最大轴向载荷得

「则因预紧力而

3

引起的、折算到电动机轴上的附加摩擦转矩为

%二沽人（1一加）二丁匕-占严（1一加）

27Tl]l3

代入数据得

（5）工作台上

的最大轴向载荷折算到电动机轴上的负载转矩为3

16

代入数据得o.52N.M

6）于是空载启动时电动机轴上的总负载转矩为

代入数据得3.97N.M

7）在最大外载荷下工作时，电动机轴上的总负载转矩为

T代入数据得1.02N.M

8）按表得空载启动时所需电动机最大静转矩为

T

si

3.97

0.8660.866

4.58

按式5-39可求得在最大外载荷下工作时所需电动机最大静转矩为

Tsl

Tq

0.30.5

2.03.3

TTsi4.58N.M

因此选择的电动机满足要求。

七）光电开关的选

产品简介

E3R型放大器内置型光电传感器，低成本，小型光电传感器，采用

了耐药品、耐油性都很优秀的特氟龙（PFA）能够民晶圆片洗净槽的硫酸等高温液体的检测相对应。

（-40、+200°C）,实现了0.5mm的高重复精度。

采用了防止液体的结构。

应用范围

能为制造过程提供高性能的目标探测、定位和高分辨率检测，适用

于半导体工业中的目标检测等应用

产品性能说明

检测方式：

对射型检出距离：

5M动作模态：

遮光时ON,入光时

0N（可切换）

选择的产品型号：

E3R-5E42MBYOMC（A）接近开关的选择

选用CLJ-A系列M8*l非埋入式

来源于：

http:

//www.coron・com・cn/cp_show・asp?

info_id=214

三、控制系统部分设计

该控制系统采用的微型机为80C51单片机。

执行元件采用直流电机

（一）面板的布置图

图五、面板示意图

（二）操作面板功能介绍

1.位移状态选择开关以手动或自动操作工作台的移动

时，可通过旋转此开关来改变工作台的移动状态。

位移控制

2・启动开关（按下此开关机床启动）

3•停车开关（按下此开关机床停车。

）

4.进给轴选择按钮开关

按下欲运动的轴的按钮。

被选择的轴会以相应的倍率进行移

动，松开按钮则轴停止移动。

5.回零位键（按下此键工作台回零位）

6.显示器

八位晶体管显示器，显示工作台的位置，精确到0.OOlmmo

X向位置

Y向位置

7.X零位指示灯

ronj表示x向工作台回零位。

rOFFJ表示X向工作台没有回零位。

8.X限位报警

ron」表示x向工作台到达极限位置，需要紧急停车

rOFFJ表示X向工作台没有回零位

9.Y零位指示灯

rONJ表示Y向工作台回零位。

rOFFJ表示Y向工作台没有回零位。

10.Y限位报警

rONJ表示Y向工作台到达极限位置，需要紧急停车

「OFFJ表示Y向工作台没有回零位

21

◎正常斷指衲

11.正常运行指示灯

ron」表示机床正常运行。

'OFFJ表示机床没有正常运行

（三）控制系统原理框图

图六、控制系统原理框图

四）电动机控制原理

步进电机控制接口电路如图八所示

11

.ti訐镒2k三三一二乏二三三一

图八、电动机接口电路图

（五）键盘、显示器接口电路分析键盘、显示器接口电路如图十一

所示。

8279的SLO用来判断显示X向或显示Y向位移，SL1-SL3经两片74LS138分成16路作为发光二极管的位选信号，OUTAO-0UTA4和0UTB0-0UTB4送出段选信号。

在位选信号中选岀5条作为

键盘列扫描信号。

&i（3

图H、键盘、显示器接口电

四、参考文献

1.尤丽华主编•测试技术.机械工业出版社,2006

2.张迎新等主编.单片机初级教程.北京航空航天大学出版社，1999.

3.郑堤，唐可洪主编•机电一体化设计基础・机械工业出版社

4.成大先主编机械设计图册化学工业出版社，2000

5.成大先主编机械设计手册（减速器・电机与电器）・化学工业出版社，2004

6.机电一体化技术手册编委会编・机电一体化技术手册（上.下）.机械工业出版社，1999

7.高学山编著・光机电一体化系统典型实例・机械工业出版社,2006

8.潘新民，王燕芳主编.微型计算机控制技术.电子工业出版社，2005.