数控铣床X-Y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：********

指导教师：***

重庆交通大学

2010年12月

目录

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:610mm Y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

y

x δδ，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

80/10A 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°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 ）

p/s

1666705.0060560v f ≈⨯==δ

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

y

x T T 和均为：

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：

p

ap i δ360=

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

（淬火处理）a 1Hlim MP 1130=δ

大齿轮的接触疲劳强度极限

a

2Hlim MP 550=δ