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.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:
数控铣床X-Y工作台设计
班级:
机制三班
设计者:
陈钦元
学号:
********
*******
重庆交通大学
2010年12月
一.系统总体方案设计…………………………………………………………3
(一)机械系统…………………………………………………………………3
(二)接口设计…………………………………………………………………4
(三)伺服系统设计……………………………………………………………4
(四)控制系统设计……………………………………………………………4
二.机械系统的设计计算………………………………………………………5
(一)初选步进电动机…………………………………………………5
(二)计算减速器传动比………………………………………………………6
(三)齿轮机构设计………………………………………………………7
(四)滚珠丝杠的选型设计……………………………………………10
(五)滚动直线导轨的选型与计算…………………………………………………14
(六)计算系统转动惯量………………………………………………………15
(七)光电开关的选择………………………………………………………17
(八)接近开关的选择………………………………………………………18
三控制系统设计………………………………………………………………18
(一).操作面板的布置图…………………………………………………………18
(二).操作面板功能介绍…………………………………………………………19
(三).控制系统原理框图…………………………………………………………22
(四)、电动机控制原理…………………………………………………………22
(五)、键盘、显示器接口电路分析……………………………………………23
四参考文献……………………………………………………………………24
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时,采用步进电机是合理的。
当然,由于步进电机具有高频失步,负载能力不强的缺点。
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
根据已知条件:
X、Y方向的脉冲当量均为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:
相数
电压
电流
步距角(度)
步距角误差(秒)
空在运行频率
空载启动频率
转动惯量
5
80/12V
10A
0.75
10
16000HZ
3000HZ
0.00046kg.m.m
并采用单双相通电方式,因此步距角°α=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)
2、步进电动机的驱动转矩计算
典型工况下,步进电机的驱动转矩均为:
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
减速器传动比:
初选滚珠丝杠:
公称直径(mm)
导程(mm)
20
4
此时:
i=0.75×4/(360×0.005)=5/3
按图5-33,选一级齿轮传动。
(三)齿轮机构设计
传动链效率=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=1100×5/(60×0.85)=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
功率
小齿轮转(r/min)
传动比
一天运转时间
工作寿命
传动效率
转向
工况
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
大齿轮的接触疲劳强度极限
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ψ=0.3
代入数据得0.49N.M
带入数据得20.5mm
取小齿轮z=18,大齿轮齿数:
z=iz=5/3×18=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=19.2mm。
齿宽:
b=0.3×19.2=5.76mm
取小齿轮宽为:
10mm大齿轮宽为:
6mm
4、验算轮齿弯曲强度
5、齿轮的圆周速度
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:
CRWMN钢;滚道硬度为58-62HRC;
设导程P=4mm,则平均转速n=1250r/min(n=5×1000/4=1250r/min)
2.求计算载荷
由条件,查《机电一体化系统设计》表2-6取=1.2,查表2-6取=1.2,表2-4取D精度,查表2-6取=1.0,
3.计算额定动载荷计算值Ca`
寿命为:
6×300×5=9000
代入数据得5758N
4.根据选择滚珠丝杠副
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螺旋角滚珠直径d=7.938mm
按表2-1中尺寸计算
滚道半径R=0..52=0.527.938=4.126mm
偏心距
丝杠内径
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
其中E=206Gpa
L=1.46m
依题意得
取则
安全系数
查表2-10[S]=2.5-3.3S>[S]丝杠是安全的,不会失稳
〈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,要求丝杠的最大转速
所以丝杠不会发生共振
〈3〉此外滚珠丝杠副还受值的限制,
通常要求Dn<70000mm.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为
式中,A为丝杠截面积,A=为丝杠的极惯性矩,G为丝杠切变模量,对钢G=83.3GPa;T(Nm)为转矩.
式中,为摩擦角,其正切函数值为摩擦系数;为平均工作载荷.取摩擦系数为
则得
按最不利的情况取(F=)
则丝杠在工作长度上的弹性变形所引起的导程误差为
通常要求丝杠的导程误差小于其传动精度的1/2,即
该丝杠的满足上式,所以其刚度可满足要求.
(7)效率验算
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l
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=500×9.8=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
由得
因滑座数M=4,所以每根导轨上使用2个滑座,由表2-15----2-18确定
则由式2-9,
得N
选用HJD系列滚动直线导轨,查表得,其中HJG-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:
大齿轮转动惯量:
代入数据得1.97×10-6
丝杠的转动惯量:
带入得0.00084kg。
m.m
将各传动惯量及工作台质量折算到电动机轴上,得总当量负载转动惯量。
代入数据得0.00022kg.m.m
2.惯量匹配验算
,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:
(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:
(4)设滚动丝杠螺母副得预紧力为最大轴向载荷得,则因预紧力而引起的、折算到电动机轴上的附加摩擦转矩为
代入数据得0.033N.M
(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
代入数据得0.52N.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
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
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
因此选择的电动机满足要求。
(七)光电开关的选择
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℃),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
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产品性能
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