单轴数控工作台机电系统设计

..重庆理工大学机电一体化课程设计单轴数控工作台机电系统设计说明书班级：113120110学号：11312011036专业：机械设计制造及其自动化姓名：刘畅教师：张晓宇时间：2016年8月29日-2016年9月19日..目录一、课程设计目的...........................................................................................................................2二、课程设计任务...........................................................................................................................2三、课程时间安排…………………………………………………………………………………四、设计任务要求……………………………………………………………………………………五、设计参数…………………………………………………………………………………………六、总体方案的确定.......................................................................................................................51、机械传动部件的选择..........................................................................................................2、控制系统的设计..................................................................................................................四、机械传动部件的计算与选型...................................................................................................61、导轨上移动部件的重量估算..............................................................................................2、铣削力的计算......................................................................................................................3、直线滚动导轨副的计算与选型..........................................................................................4、滚珠丝杠螺母副的计算与选型..........................................................................................5、交流伺服电动机减速机构的计算与选用………………………………………………6、交流伺服电动机的计算与选择……………………………………………………7、减速器的选择与计算………………………………………………………………8、轴承的选择与计算………………………………………………………………9、控制方式的选择………………………………………………………………………五、工作台机械装配图的绘制.....................................................................................................19六、工作台控制系统的设计..........................................................................................................19七、结语..................................................................................................................................21参考文献..........................................................................................................................................21..机电一体化课程设计是一个重要的实践教学环节，要求学生综合运用所学过的机械、电子计算机和自动控制等方面的知识，独立进行一次机电结合的设计训练。一、课程设计目的1.学习机电一体化系统总体设计方案的拟定。2.通过对机械系统的设计，掌握几种典型传动元件的工作原理与选用原则。3.通过进给伺服系统的设计，掌握常用伺服电动机的工作原理、计算选择方法与控制驱动方式。4.通过对控制系统的设计，掌握一些典型硬件接口电路和控制软件的设计方法。5.培养学生独立分析问题和解决问题的能力，并培养系统设计的思想。6.提高学生应用手册和标准、查阅文献资料以及撰写科技论文的能力。二、课程设计内容1、课程设计题目：单轴数控工作台机电系统设计2、设计任务：参考课程设计指导书并自行查阅相关资料，设计一种供立式数控铣床使用的单轴数控工作台。3、设计内容具体要求：①单坐标数控工作台总体方案设计，要求绘制总体方案图（A3图纸1张）②控制系统设计，包括控制器选型、I/O通道设计，操作台设计、软件流程设计，条件允许时，尽可能进行调试实验。③检测系统设计，按要求对检测元器件进行选型。④驱动系统设计，按要求对驱动元器件进行设计选型。任务2-4要求绘制电气/电路原理图（A2图1张）⑤机械系统设计，按要求对传动部件、导向支承部件等进行计算和选型，绘制机构简图。（A3图1张）⑥设计说明书（一份）要求清楚地叙述整个设计过程和详细的设计内容，包括总体方案设计分析，机械系统的结构设计，主要零部件的计算与选型，控制系统、检测系统、驱动系统的设计选型分析，软件设计流程和程序。说明书字数不少于5000字，要求内容丰富，条理清晰，图文并茂，符合国标。..三、课程设计的时间安排课程设计时间为3周，建议进度安排如下：1.分析设计任务，总体方案论证：1-2天2.检测系统设计：1-2天3.驱动系统设计：1-2天4.控制系统硬件设计：3-4天5.控制系统软件设计：3-4天6.机械系统设计：3-4天7.编写说明书：2-3天四、设计任务要求参考课程设计指导书并自行查阅相关资料，设计一种供立式数控铣床使用的单轴数控工作台，要求实现功能：①启动②停止③急停④正向/反向的快速/慢速点动⑤正向/反向的快速/慢速连续运动⑥软硬件限位⑦速度及位置信息反馈五、设计参数1）立铣刀最大直径d=20mm2)立铣刀齿数z=33)最大铣削宽度ea=15mm4)最大背吃刀量pa=12mm5)加工材料为碳素钢或有色金属6)XY方向的脉冲当量x=y=0.005/脉冲7)XY方向的定位精度为0.01mm8)工作台台面尺寸230mm230mm，加工范围为mmmm250250..9)工作台空载最快移动速度min/5000maxmaxmmVVyx10)工作台进给最快移动速度min/800maxmaxmmVVyx11)控制器：单片机12)控制方式：全闭环13)驱动方式：变频器+电机..六、总体方案的确定1、机械传动部件的选择选直线滚动导轨副（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，需要承载的载荷不大，但脉冲当量小(脉冲/005.0mmyx)，定位精度高（min/800maxmaxmmVVyx），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。（2）丝杠螺母副的选用伺服电动机的旋转运动需要通过丝杠螺母副转换成直线运动，要满足mm005.0的脉冲当量和mm01.0的定位精度，滑动丝杠副无能为力，只有选用滚珠丝杠副才能达到。滚珠丝杠副的传动精度高、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，而且滚珠丝杠已经系列化，选用非常方便，有利于提高开发效率。选滚动丝杠螺母副（3）减速装置的选用选择了三相交流异步电动机和滚珠丝杠副以后，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，且应有消除间隙机构。为此，决定采用无间隙齿轮传动减速箱拟采用减速箱（4）伺服电动机的选用任务书规定的脉冲当量为mm005.0，定位精度为mm01.0，空载最快移动速度为min/5000mm。由于本次任务的驱动方式为变频器+电机，由变频器驱动电机的类型以及需要实现的功能，选择普通的三相交流异步电动机。伺服电机选择三相交流异步电动机（5）检测装置的选用选用三相交流异步电动机作为伺服电动机后，可选开环控制，也可选闭环控制。任务书所给精度对于伺服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，决定采用全闭环控制，安装光栅尺。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、丝杠螺母副、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。检测装置的选用：增量式旋转编码器..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，控制系统应该设计成既可以连续控制也可以点动。连续控制型（2）对于步进电动机的全闭环控制，选用MPC-51系列的八位单片机AT89c51作为控制系统的CPU，应该能够满足任务书给定的相关指标。控制器选：单片机AT89c51（3）要设计一台完整的控制系统，在选择CPU之后，还需要转接板作为与其他电器元件连接的枢纽。储存器（4）选择合适的驱动电源，与伺服电动机配套使用。自行设计伺服电机驱动电源四、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G=400N按照上导轨上面的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400N。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2-1查得立铣时的铣削力计算公式为：表2-1硬质合金铣刀铣削力的计算公式（单位N）[3]16铣刀类型工件材料铣削力公式面铣刀碳钢ZnadfaFpzec18.090.03.188.006.111278灰铸铁ZadfaFpzec90.00.174.00.1539可锻铸铁ZnadfaFpzec20.00.13.175.01.14825圆柱铣刀碳钢ZadfaFpzec0.187.075.088.01000灰铸铁ZadfaFpzec0.190.080.09.0596三面刃铣刀碳钢ZnadfaFpzec1.01.11.180.09.02560两面刃铣刀ZadfaFpzec85.01.170.08.02746..立铣刀ZnadfaFpzec13.00.173.075.085.0118其中：pa为背吃刀量，mm；ea为最大铣削宽度，mm；zf为每齿进给量，Zmm/；fV进给速度，min/mm；Z铣刀齿数；d铣刀直径，mm；n铣刀转速，min/r，如图2-1。ZnadfaF