我的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何文果专业机械设计制造及其自动化学号222009322210073班级2009级3班指导教师谭为民成绩工程技术学院2012年05月1目录1设计要求…………………………………………………………………………22系统总体方案框图及分析说明…………………………………………………23机械系统的设计与计算…………………………………………………………33.1传动机构的结构与参数……………………………………………………33.1.1确定脉冲当量………………………………………………………43.1.2计算切削力…………………………………………………………43.1.3滚珠丝杠螺母副的设计……………………………………………43.1.4减速箱的设计…………………………………………………………63.2执行元件的选择……………………………………………………………63.2.1电动机轴上的转动惯量………………………………………………63.2.2步进电机转轴上的等效负载转矩……………………………………63.2.3步进电机的匹配选择…………………………………………………73.3执行机构的设计……………………………………………………………83.3.1导轨类型的选择………………………………………………………83.3.2导轨的截面形状………………………………………………………83.3.3自动转位刀架的选用…………………………………………………83控制系统硬件电路的设计………………………………………………………84心得体会…………………………………………………………………………9参考文献……………………………………………………………………………102数控车床工作台二维运动伺服进给系统设计吴强西南大学工程技术学院，重庆4007151设计要求1）、能用键盘输入命令控制工作台的运动方向；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）、X方向（横向）的脉冲当量为，Z方向（纵向）；5）、X方向最大进给速度max3000/minxVmm=，Z方为；6）、X方向最快工进速度max100/minxfVmm=，Z方向为max400/minzfVmm=；7）、X方向的定位精度为0.01mm±，Z方向为0.02mm±；8）、安装螺纹编码器，可车削直螺纹与锥螺纹，最大导程为24mm；9）、床身上最大加工直径为400mm，最大加工长度为800mm。2系统总体方案框图及分析说明0.005/xmmd=脉冲0.01/zmmd=脉冲max5000/minzVmm=微机CPU驱动器光电隔离功放电路存储器扩展人机接口I/O口扩展电动机电动机图1控制系统框图3总体方案的确定：1）、设计的卧式数控车床属于经济型数控机床，因此应尽量在满足功能的前提下降低成本，故伺服系统采用步进电机的开环控制系统。2）、为使工作台运动速度与精度达到要求，纵、横向的进给传动应选摩擦阻力小，传动效率高的滚珠丝杠螺母副；为消除间隙，提高传动刚度，滚珠丝杠螺母副应有预紧机构。3）、根据最大加工尺寸、最高控制速度以及数控系统的经济性要求，控制系统选用MCS-51系统的单片机作为数控系统的CPU。根据系统要求，还应扩展存储器、键盘、显示电路、I/O接口电路等。4）、螺纹编码器需配置主轴脉冲发生器，作为车床位置信号的反馈元件，与车床主轴同步。加工螺纹导程为24mm，Z向脉冲当量为0.01mm/脉冲，故螺纹编码器每一转输出的脉冲数应不少于2400脉冲。考虑到编码器的输出有相位差为90度的A、B相信号，编码器相数可降到1200线。查得相关资料，螺纹编码器可选型号为ZLF--1200Z--05VO--15--CT，电源电压+5V。3机械系统的设计与计算机械系统的设计主要包括执行元件、传动机构与执行机构的设计。其中，执行元件主要包括步进电机及其电源，传动机构包含有滚珠丝杠螺母传动机构与减速机构，而执行机构包括刀架部分与导轨部分。此处仅设计要求较高的Z向即纵向进给机构，横向进给机构与Z向机构类似。3.1传动机构的结构与参数图2传动系统示意图齿轮传动滚珠丝杠传动步进电机步进电机移动部件纵向进给机构横向进给机构43.1.1确定脉冲当量根据任务要求，X方向的脉冲当量为0.005/xmmd=脉冲，Z方向的脉冲当量为0.01/zmmd=脉冲。3.1.2计算切削力设工件材料为碳素结构钢，则650bMpas=，选刀具材料为YT15，刀具的几何参数为：060,10,5saglK=??-?主偏角前角刃倾角。背吃刀量3pamm=，进给量0.6/fmmr=，切削速度105/mincVm=。则，主切削力xFcyFcnFccFcpcFcFCafVK=其中，可查得，27951.00.750.15FcCxFcyFcnFc====-。又010.941110.94rsFcMFKFyFFrFKkkkkkel==创创=代入数据，得2673.4cFN=。再根据经验公式，::1:0.35:0.4cfpFFF=得：纵向进给切削力935.69fFN=，背向力1069.36pFN=。3.1.3滚珠丝杠螺母副的设计3.1.3.1工作载荷mF的计算设工作台与刀架等可移动部件的总质量为m=400kg。工作载荷()mxzFKFFmgm=++式中，935.69xfFFN==，1069.36ypFFN==，2673.4zcFFN==。若选用矩形---三角形组合滑动导轨，则查表可得1.15K=，0.16m=。代入数据，得：工作载荷2143.79mFN=。3.1.3.2最大动载荷QF的计算取丝杠的使用寿命为T=15000h。丝杠导程6hPmm=。则丝杠转速max1000/10000.4/6/min66.67/minzfhnvPrr==?。又，丝杠寿命系数6060/1060LnTr==最大动载荷309651.7QwHmFLffFN==5其中，取载荷系数1.15wf=，硬度系数1Hf=。3.1.3.3初选滚珠丝杠螺母副型号根据最大动载荷QF的值，查表可选FL4006型滚珠丝杠副。公称直径040dmm=，基本导程6hPmm=，双螺母滚珠总圈数为236?圈圈，精度等级选4级。其额定动载荷为132009651.7NN，故承载能力满足要求。3.1.3.4传动效率h丝杠螺纹升角0/()244hPdlp¢==?，摩擦角10j¢=。则，传动效率tan94.2%tan()lhlj==+。3.1.3.5滚珠丝杠副刚度验算选用电动机型号为110BYG2602，其最大静转矩为max20jTNm=?珠丝杠副的支承采用一端固定，一端简支的方式，固定端采用一对推力角接触珠轴承，面对面安装。两支承中心距约为1200amm=。查表，滚珠直径3.9688Dmm=。丝杠底径20403.968836.0312wddDmmmmmm=-=-=则丝杠截面积222/41019.64Sdmmp==每一导程变形量22mhhFPTPLESEIpD=+钢的弹模量112.110EPa=?转动惯量442/6482731.7Idmmp==扭矩maxmax0.75620253603600.01hjjPTTiTNmNmad°´=??醋=?按代入数据，得86.83210Lm-D=?查表，丝杠工作行程L=800mm。则10.009070.020.012hLLLmmmmmmPD¢D=??故，刚度满足要求。3.1.3.6压杆稳定性验算22kkmfEIFFKlp=?6因支承形式为双推---简支式，故2kf=，取压杆稳定安全系数3K=，代入数据，有：79304.3kmFNF=故，丝杠稳定性满足要求，不会失稳。3.1.4减速箱的设计Z向减速箱选用齿轮传动。3.1.4.1确定传动比1.25360hPiad==°。3.1.4.2主动轮的最高转速max11041.7/min1042/min360zzVnrrad==。3.1.4.3确定大小齿轮的参数取小齿轮齿数115z=，3mmm=，则小齿轮分度圆直径1145dmzmm==。大齿轮齿数2118.7519zzi==?，分度圆直径2257dmzmm==。大齿轮齿宽220.55728.5dbdmmmmf==?。小齿轮齿宽12533.5bbmm=+=。3.2执行元件的选择3.2.1电机转轴上的总转动惯量eqJ初选电机型号为110BYG2602，查得，转动惯量215mJkgcm=?，小齿轮转动惯量2222111111111.06832zJmddbdkgcmrp===?，同理，大齿轮转动惯量222.32zJkgcm=?，滚珠丝杠转动惯量420123.6832sJdakgcmrp==?，移动部件转换到丝杠上的转动惯量222215400()2.3441042wJkgmkgcmp=创??则，步进电机上的总的转动惯量2212()/34.2eqmzzwsJJJJJJikgcm=++++=?。3.2.2步进电机转轴上的等效负载转矩eqT7分快速空载起动和承受最大工作负载两种情况计算。3.2.2.1快速空载起动时电机负载转矩1eqT主要包括最大加速转矩maxaT和摩擦转矩fT。即1maxeqafTTT=+。最大加速转矩1max211.3360eqaaJnTNmtph=??，其中取加速时间0.4ats=，0.7h=。摩擦转矩()0.702chfFmgPTNmimph+==?，其中取摩擦因数0.16m=，0cF=。则，代入数据，12.03eqTNm=?。3.2.2.2最大工作负载下电机的负载转矩2eqT主要包括最大工作负载转矩tT和摩擦转矩fT。即2eqtfTTT=+。其中，最大工作负载转矩935.690.0061.02220.71.25fhtFPTNmNmiphp´==??创。摩擦转矩()0.16(2673.44000)0.0061.17220.71.25chfFmgPTNmNmimphp+??==??创。则，22.29eqTNm=?。综上所述，加在电动机上的最大负载转矩12max{,}2.29eqeqeqTTTNm==?。3.2.3步进电动机的匹配选择3.2.3.1最大静转矩选定如果取安全系数4K=，则步进电机总负载转矩9.16eqTKTNmS==?。若选用上述的110BYG2602步进电机，则在二相四拍驱动时，其步距角为0.75/step°。电机的最大静转矩max20jTNm=?。查表，知max/0.92qjTT=，则18.4qTNmTS=?。故，步进电机选用满足此要求。83.2.3.2最快空载移动时电机运行频率校核在电机转速为1042r/min时，对应的步进电机脉冲频率为max1042360833660fHza´==´查表，知110BYG2602步进电机的极限运行频率为20000Hzmaxf。故，此项满足要求。3.2.3.3起动频率计算查表知，电机最高空载起动频率1800qfHz=。则步进电机克服惯性负载的起动频率为：993.91/qLeqmffHzJJ==+则，要保证步进电机起动时不失步，就要保证任何时候的起动频率都必须小于994Hz。实际上，在采用软件升降频时，起动频率很低，通常只有100Hz。综上所述，所选步进电机110BYG2602满足设计要求。3.3执行机构的设计3.3.1导轨类型的选择根据设计精度要求，采用类比法，选用塑料贴面直线滑动导轨副即可满足要求。3.3.2导轨的截面形状参考《系统设计课程设计指导书》，选用三角形与矩形组合导轨，它兼有三角形导轨的导向性好、矩形导轨的制造方面、刚性好等优点，并避免了由于热变形所引起的配合变化。3.3.3自动转位刀架的选用查得相关资料，经济型数控车床的自动刀架，在生产中最常用的是常州武进机床数控设备厂生产的系列刀架，具有重复定位精度高，工作刚性好，使用寿命长，工艺性能好等优点达到国内先进水平，在生产中大量使用。现选用常州武进机床数控设备厂生产的LD4—工型系列四工位自动刀架，来作为C6140的适配刀架。4控制系统硬件电路的设计根据设计要求，设计控制系统的硬件电路时要考虑以下功能：1）、接收键盘数据，控制LE