数控铣床X-Y工作台设计

1机电一体课程设计说明书设计题目：数控铣床X-Y工作台设计班级：机自0402班设计者：111学号：0400041024指导教师：1222江南大学机械工程学院2008年1月2目录设计任务…………………………………………………………………………3一.系统总体方案设计…………………………………………………………3(一)机械系统…………………………………………………………………3(二)接口设计…………………………………………………………………3(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………………………………………………………4(一)滚珠丝杠的选型与计算…………………………………………………4(二)滚动直线导轨的选型与计算……………………………………………7(三)电机的选择……………………………………………………………8(四)光电开关的选择…………………………………………………………10(五)限位开关的选择………………………………………………………10三控制系统设计………………………………………………………………121.操作面板的布置图…………………………………………………………122.操作面板功能介绍…………………………………………………………123.控制系统原理框图…………………………………………………………155、光电开关和限位开关信号采集原理……………………………………156、键盘、显示器接口电路分析……………………………………………15四程序………………………………………………………………………16五参考文献……………………………………………………………………193设计任务:X方向行程:300mmY方向行程:200mm工作台面的参考尺寸:500X300mm平均切削力:1500N平均切削进给速度:600mm/min最高运动速度:6m/min定位精度:0.02mm工作寿命:每天8小时,工作8年,250天/年一.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4(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)控制系统设计二.机械系统的设计计算(一)滚珠丝杠的选型与计算由技术要求,平均载荷F=1500N,丝杠工作长度L=300mm,工作寿命8250816000hLh,传动精度要求0.02mm设导程P=5mm,则max600120/min560001200/min5mnrnr(1)求计算载荷1.21.01.016001920CFHAMFKKKKN由条件,查《机电一体化系统设计》表2-6取FK=1.2,查表2-6取HK=1.2,表2-4取D精度,查表2-6取AK=1.0,(2)计算额定动载荷计算值Ca`由式(2-4)5334412016000192093361.67101.6710mhhccnLCaFN(3)根据Ca选择滚珠丝杠副假设选用FC1型号,按滚珠丝杠副的额定动载荷Ca等于或稍大于Ca的原则,查表2-9选以下型号规格FC1-2505-2.5Ca=9610公称直径025Dmm导程5Pmm螺旋角'338滚珠直径03.175dmm按表2-1中尺寸计算滚道半径R=0..520d=0.523.175=1.651mm偏心距03.1750.07()0.07(1.651)0.004422deRmm丝杠内径10222520.004421.65121.71dDeRmm(4)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22()acrEIFl其中E=206GpaL=0.3m448410.021711.09106464adIm取23则29852206101.09105.53102(0.3)3crFN安全系数535.5310368.981.510crmFSF6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crn,要求丝杠的最大转速maxcrnn221223.9270.02821991099108293328/min2()(0.3)3ccrfdnrlmaxcrnn所以丝杠不会发生共振〈3〉此外滚珠丝杠副还受0Dn值的限制,通常要求40340710/min25120/min310/min710/minDnmmrDnmmrmmrmmr(5)刚度验算滚珠丝杠在工作负载F(N)和转矩T(Nm)共同作用下引起每个导程的变形量0()Lm为202CpFpTLEAGJ式中,A为丝杠截面积,A=2211();4CdmJ为丝杠的极惯性矩,4411();32CJdmG为丝杠切变模量,对钢G=83.3GPa;T(Nm)为转矩.0tan()2mDTF式中,为摩擦角,其正切函数值为摩擦系数;mF为平均工作载荷.取摩擦系数为tan0.0025,则得8403'25150010tan(338840)1.252TNmNm按最不利的情况取(F=mF)223322022492294114164515001016(510)1.259.841023.14206100.021713.1483.3100.02171CpFpTpFpTLmEAGJEdGd7则丝杠在工作长度上的弹性变形所引起的导程误差为2039.84100.35.9510LLlmmp通常要求丝杠的导程误差小于其传动精度的1/2,即110.020.011022Lmmm该丝杠的L满足上式,所以其刚度可满足要求.(6)效率验算''tantan3380.947tan()tan(338840)要求在90%---95%之间,所以该丝杠副合格.经上述计算验证,FC1-2505-2.5各项性能均符合题目要求,可选用.(二)滚动直线导轨的选型与计算(1)Y方向导轨由所给条件得,该导轨的额定工作时间为8250816000hLh由3102ShsTTln得32160000.24602/1015361000shsTTlnkmkm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0.81112chTWffff则由式2-9,3()hrcSwfffCaTKfF得3/SwhTcFTKfCafff17004254FFNMX方向导轨8由所给条件得,该导轨的额定工作时间为8250816000hLh由3102ShsTTln得32160000.34602/1023041000shsTTlnkmkm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0.81112chTWffff则由式2-9,3()hrcSwfffCaTKfF得3/SwhTcFTKfCafff17004254FFNM34252304/5023762.20.8111CaN选用汉江机床厂的HJG-D系列滚动直线导轨,查表2-13,其中HJG-D26型号的导轨的Ca值为17600,能满足八年的使用要求.(三)电机的选择1.电机类型选择在开环控制的中小型伺服系统中,可以采用步进电机。减速器传动比计算1.5523603600.01ppi选各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。强度强度检验略。2.电动机轴上总当量负载转动惯量计算初选步进电机75BF001,mj=30.617102kgm93425217.8100.040.023.91032zjkgmkgm3424227.8100.080.026.31032zjkgmkgm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。2254242122110.005(3.9106.310100)2.12102422dzzpjjjmkgmkgmii惯量匹配验算432.12100.340.61710dmjj，满足要求。4步进电机负载能力校验步进电动机轴上得总惯量：34242(0.617102.1210)8.2910mdjjjkgmkgm空载启动时，电动机轴上得惯性转矩：4max3222618.29108.330.005251060jwiTjjNmNmpt电动机轴上得当量摩擦转矩：0.0051009.80.20.102220.820.8ppTFmgNmNmii总功率取为设滚动丝杠螺母副得预紧力为最大轴向载荷得13,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220000.0052480(1)(10.9)0.078220.823pTFNmNmi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max0.00524801.23220.82wwpTFNmNmi于是空载启动时电动机轴上的总负载转矩为0(8.330.100.078)8.508qjTTTTNmNm在最大外载荷下工作时，电动机轴上的总负载转矩为0(1.230.100.078)1.408lwTTTTNmNm10按表5-5查得空载启动时所需电动机最大静转矩为18.5089.820.8660.866qsTT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22.816~4.690.3~0.5lsTTNm19.82,ssTT所取步进电机能正常启动（四）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。应用范围能为制造过程提供高性能的目标探测、定位和高分辨率检测,适用于半导体工业中的目标检测等应用产品性能说明检测方式：对射型检出距离：5M动作模态：遮光时ON，入光时ON（可切换）选择的产品型号：E3R-5E42MBYOMC（五）接近开关的选择1112选用CLJ-A系列M8*1非埋入式来源于：=214三、控制系统部分设计该控制系统采用的微型机为80C51单片机。执行元件采用直流电机（一）面板的布置图图五、面板示意图（二）操作面板功能介绍1.位移状态选择开关以手动或自动操作工作台的移动时，可通过旋转此开关来改变工作台的移动状态。位移控制2．启动开关（按下此开关机床启动）133．停车开关（按下此开关机床停车。）4．进给轴选择按钮开关按下欲运动的轴的按钮。被选择的轴会以相应的倍率进行移动，松开按钮则轴停止移动。5．回零位键（按下此键工作台回零位）6．显示器八位晶体管显示器，显示工作台的位置，精确到0.00