机电一体化课程设计

机电一体化课程设计(论文)题目:数控车床工作台二维运动伺服进给系统设计学生姓名专业机械设计制造及其自动化_学号_222012322220187班级_2012级4班指导教师谭为民成绩_工程技术学院2014年10月目录1、设计目的和任务.................................21.1设计目的..................................21.2设计任务..................................22、系统总体方案框图及分析说明.....................32.1总体方案设计..............................32.2绘制总体方案图............................33、机械系统设计...................................43.1传动机构的具体结构及参数设计................43.1.1脉冲当量的确定.........................43.1.2切削力的计算...........................43.1.3滚珠丝杆螺母副的计算和选型.............53.2执行元件参数及规格的确定....................73.2.1步进电机大的计算与选型.................73.3进给传动系统示意图..........................84.控制系统工作原理框图与设计说明...................94.1控制系统硬件电路设计........................94.2控制系统原理框图............................104.3步进电机控制原理............................105．总结...........................................14参考文献..........................................15设计目的和任务1.1设计目的机电一体化课程设计是一门实践性教学环节，要求学生综合的运用所学的理论知识，独立的进行设计训练，主要目的有：1、过课程设计使学生全面地，系统地掌握所学的知识，掌握数控机床的相关组成，学习其改造总体方案的拟定、选择和分析的方法；2、过机械系统的设计掌握几种典型的传动元件和导向元件的传动原理；3、学生独立分析问题和解决问题的能力，学习并树立设计思想。1.2设计任务题目：数控车床工作台二维运动伺服进给系统设计要求：1、用键盘输入命令控制工作台的运动方向；2、实时显示当前运动位置；3、具有越程指示报警及停止功能；设计参数：1、床身上最大加工直径300mm；2、最大加工长度800mm；3、X方向的脉冲当量x0.005mm/脉冲，Z方向为z0.01mm/脉冲；4、X方向最快移动速度maxxv3000mm/min，Z方向为maxzv6000mm/min；5、X方向最快前进速度fmaxxv400mm/min，Z方向为fmaxzv800mm/min；6、X方向定位精度0.01mm，Z方向0.02mm；7、可以车削柱面、平面、锥面与球面等；8、横向安装限位开关；2、系统总体方案框图及分析说明2.1总体方案设计1、数控车床属于经济型数控机床，在保证一定加工精度的前提下，应简化结构，降低成本。因此，进给伺服系统常采用步进电动机的开环控制系统；2、根据技术指标中的最大加工尺寸。最高控制速度，以及数控系统的经济性要求，决定选用MCS-51系列的8位单片机作为数控系统的CPU。MCS-51系列8位机具有功能多、速度快、抗干扰能力强、性价比高等优点；3、根据系统的功能要求，需要扩展程序存储器、键盘与显示电路、I/O接口电路等；4、为了达到技术指标中的速度和精度要求，纵、横向的进给传动应选用摩擦力小、传动效率高的滚珠丝杠螺丝副；为了消除传动间隙、提高传动刚度，滚珠丝杠的螺母应有预紧机构等；5、计算选择步进电动机，为了圆整脉冲当量，可能需要减速轮副，且应有消间隙机构；2.2绘制总体方案图改造的总体方案图如图2.1所示：3、机械系统设计3.1传动机构的具体结构及参数设计3.1.1脉冲当量的确定根据设计任务的要求，X方向的脉冲当量为x0.005mm/脉冲，Z方向为z0.01mm/脉冲。3.1.2切削力的计算设工件材料为碳素结构钢，h650MPa；选用刀具材料为硬质合金YT15；刀具几何参数为：主偏角r60，前角o10，刃倾角s5；切削用量为：背吃刀量pa3mm，进给量f0.6mm/r，切削速度cv105m/min。查表得：FcC2795，1.0,Fcx，Fcy0.75，Fcn-0.15,Fckr=0.94。微机8053存储器扩展I/O口扩展驱动器光电隔离功率放大电路XY电动机电动机继电器刀架控制电路电动机刀架回转刀架急停清零按钮等主轴脉冲发生器纵轴等轴限位由经验公式：FcnFccyFcxFcFCcKvfaCFp，FpnFpcyFpxFpFppKvfaCFp，ffffpffFnFcyFxFFKvfaCF算得主切削力cF2673.4N。由经验公式cF:fF:PF=1:0.35:0.4，算得进给切削力fF=935.69N，背向力PF=1069.36N。3.1.3滚珠丝杆螺母副的计算和选型（纵向）1、进给系统的工作载荷mF的计算选用三角形和矩形组合的滑动导轨，因为它兼有三角形导轨的导向性好、矩形导轨的制造方便、刚性好的优点，并避免了由于热变形所引起的配合变化。已知移动部件总重xG=1300N,=0.16；查表，取K=1.15，代入公式mF=)(xGFKFZ，得工作载荷mF1712N。2、滚珠丝杠螺母副最大动载荷计算设本车床Z向在承受最大切削力条件下最快的进给速度v=0.8m/min，初选丝杠基本导程hP=6mm，则此时丝杠转速n=133r/min。取滚珠丝杠的使用寿命T=15000h，代入6o10/60nTL，得丝杠寿命系数oL119.7(单位为：r106)。查表，取载荷系数wf=1.15，再取硬度系数Hf=1，代入公式m3QFffLFHwQ，求得最大动载荷QF9703N。3、滚珠丝杠副规格型号初选根据计算出的最大动载荷，查表，选择启东润泽机床附件有限公司生产的FL4006型滚珠丝杠副。其公称直径为40mm,基本导程为6mm，双螺母滚珠总圈数为6圈，精度等级取4级，额定动载荷为13200N，满足要求。4、所选滚珠丝杠副的传动效率计算将公称直径0d=40mm，基本导程hP=6mm，代入)]/([arctan0hdP，得丝杠螺旋升角'442。将摩擦角'10，代入)(/tantan，得传动效率94.2%。5、刚度的验算a)丝杠的拉伸或者压缩变型量滚珠丝杠副的支承采取一端轴向固定，一端简支的方式，固定端采取一对推力角接触球轴承，面对面组配。丝杠加上两端接杆后，左、右支承的中心距离约为1497mm；钢的弹性模量E=2.1a5MP10；查表，得滚珠直径WD3.9688mm，算得丝杠底径2d=36.0312mm，则丝杠截面积S=4/22d=1019.64mm。所以丝杠在工作载荷mF作用下产生的拉/压变形量1=mFa/(ES)0.01197mm。b)滚珠与螺纹滚道间的接触变型根据公式Z=(wDd/0)-3，求得单圈滚珠数目Z=29；该型号丝杠为双螺母，滚珠总圈数为6，则滚珠总数量Z=174。滚珠丝杠预紧时，取轴向预紧力YJF==mF/3571。则由式2=0.00133210/10FYJZDFwm，求得滚珠与螺纹滚道间的接触变形量20.000117mm。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2=0.000585mm。c)刚度验算将以上算出的1和2代入总=1+2，求得丝杠总变形量总=12.555um。已知，4级精度滚珠丝杠任意300mm轴向行程内行程的变动量允许16um，而对于跨度为1497mm的滚珠丝杠，总的变形量总只有12.555m，可见丝杠刚度足够。6、稳定性的验算根据公式mKKFKaEIfF22，计算失稳时的临界载荷KF。查表，取支承系数Kf2；由丝杆底径2d36.0312，求得截面惯性矩I=64/42d82734.154mm；压杆稳定安全系数k取3；滚动螺母至轴向固定处得距离a取最大值1497mm..代入mKKFKaEIfF22，得临界载荷KF51012N，远大于工作载荷mF1712N，故丝杠不会失稳。7、滚珠丝杠螺丝帽副型号终极确定综上所述，初选市场上已有的FL4006型滚珠丝杠副满足使用要求。而横向滚珠丝杆螺母副的计算和选型步骤同纵向类似，经计算（计算过程略），可选与横轴一样型号的滚珠丝杆螺母副。3.2执行元件参数及规格的确定3.2.1步进电动机的计算与选型在开环控制的中小型伺服系统中，可以采用步进电机。其减速器的传动比计算：0h360Pi=1.2，选择传动齿轮齿数分别为1z=20,2z=40,模数m=2mm,齿宽b=20mm.。大齿轮采用双圆柱薄片齿轮错齿调整。1、电动机轴上总当量负载转动惯量计算1)初选步进电动机130BYG5501,mJ=332cmkgz1J=0.952cmkg，z21J1.992cmkg2)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。miPJJzz221ed)2(J=57.552cmkg3)步进电动机轴上得总惯量：J=mJ+edJ=90.552cmkg4)空载启动时，电动机轴所承受的负载转矩iPGFthca2)(160nJ2TTTmedfamaxeq1=2.17.02006.0)13000(16.07.017.04.06012001055.5724=2.82N·m5)最大工作负载状态下电动机转轴所承受的负载转矩iPGFiPFhch2)(12TTTffted2=2.17.02006.0)13004.2673(16.02.17.02006.069.935=1.786)步进电动机转轴上的最大等效负载转矩：21,maxedededTTT=2.82N·m2、步进电动机最大静转矩的选定eqjTT4max=11.28N·m对于预选的130BYG5501型步进电动机，查表可知，其最大静转矩maxjT=20N·m，可见完全满足要求。3、步进电动机的性能校核1）最快工作速度时电动机输出转矩校核由已知条件可求出60/fmaxfmaxvf=1333Hz，从130BYG5501的运行矩频特性图可以看出，在此频率下，电动机的输出转矩maxT17，远远大于最大工作负载转矩2edT=1.78N·m，满足要求。2）最快空载移动时电动机输出转矩校核由已知条件可求出60/maxmaxvf=10000Hz.查图得，在此频率下，电动机的输出转矩maxT=3.8N·m,大于快速空载起动时的负载转矩1edT=2.82N·m，满足要求3）最快空载移动时电动机运行频率校核由已知条件可知，maxf10000Hz,查表可知130BYG5501的极限运行频率为20000Hz,可见没有超出上限。综上所述，本例中进给系统选用130BYG5501步进电动机，可以满足设计要求。3.3进给传动系统示意图进给传动示意图如图3.1所示，其传动简图中图1为主视图，图2为俯视图：4.控制系统工作原理框图与设计说明4.1控制系统硬件电路设计对X-Y工作台的设计要求：1、用键盘控制工作台的运动方向，并用LED显示，其中显示的范围为0~250mm；2、能实时显示当前的运动位置；3、具有越程指示报警及停止功能；4、步进电机选用混合式二相八拍，其脉冲当