机电一体化系统课程设计报告

机电一体化系统课程设计

设计说明书

设计题目：X－Y数控工作台机电系统设计

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2011年 12 月 24 日

目录

机电一体化系统设计课程设计任务书1．总体方案

1.1导轨副的选用

1.2 丝杆螺母副的选用

1.3 减速装置的选用

1.4 伺服电动机的选用

1.5 检测装置的选用

2.控制系统的设计

3.机械传动部件的计算与选型

3.1导轨上移动部件的重量估算

3.2铣削力的计算

3.3直线滚动导轨副的计算与选型

3.4滚珠丝杠螺母副的计算与选型

3.5步进电动机减速箱的选用

3.6步进电动机的计算与选型

3.7增量式旋转编码器的选用

4．工作台机械装配图的绘制

5.工作台控制系统的设计

6.步进电动机驱动电源的选用

7.设计总结

参考文献

[1]张建民.《机电一体化系统设计》第三版.高等教育出版社

[2]尹志强.《系统设计课程设计指导书》.机械工业出版社

设 计 计 算 与 说 明

主要结果

设计任务：

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mm a e 15=； 4）最大背吃刀量mm a p 8=； 5）加工材料为碳钢； 6）X 、Y 方向的脉冲当量

mm

y x 005.0==δδ/脉冲；

7）X 、Y 方向的定位精度均为mm 01.0±； 8）工作台导轨长度为1260mm ；

9）工作台空载最快移动速度min /3000mm v v y x ==；

10）工作台进给最快移动速度min /400max max mm v v f y f x ==； 11）移动部件总重量为800N ；

12）丝杆有效行程为920mm 。

一、总体方案的确定 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。

1.2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

mm 01.0±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。

1.3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

设计计算与说明主要结果间隙机构。为此，决定采用无间隙齿轮传动减速箱。

1.4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

3000mm/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。

1.5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、Y两个方向的加工范围相同，承受的工作载荷相差

不大，为了减少设计工作量，X、Y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。

三、机械传动部件的计算与选型

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：

Z

n a d f a F p z e c 13

.00.173.075.085.0118-= (1)

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mm a e 15=，背吃刀量mm a p 8=，每齿进给量mm f z 1.0=，铣刀转速n=300r/min 。则由(1)式求得最大铣削力： N N F c 146333008151.01511813.00.173.075.085.0≈⨯⨯⨯⨯⨯⨯=-

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，可估算三个方向的铣削力分别为：N F F c f 16091.1≈=，N F F c e 55638.0≈=，

N F F c fn 36625.0≈=。图3-4a 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N F F e z 556==，受到水平方向的铣削力分别

f

F 和

fn

F 。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），则纵向铣削力N F F f x 1609==，径向铣削力N F F fn y 366==。

3.直线滚动导轨副的计算与选型

（1）滑块承受工作载荷max F 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：

F G

F +=

4max (2)

≈c F 1463N

N F f 1609≈

N F e 556≈ N F fn 366≈

N

F z 556=

N F x 1609= N F y 366=

G=800N F=556N