機電一體化系統(tǒng)課程設計

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機電一體化系統(tǒng)課程設計 設計說明書 設計題目：X－Y數(shù)控工作臺機電系統(tǒng)設計 院校： 班級： 姓名： 學號： 2011年 12 月 24 日 目 錄 機電一體化系統(tǒng)設計課程設計任務書 1． 總體方案 1.1導軌副的選用 1.2 絲桿螺母副的選用 1.3 減速裝置的選用 1.4 伺服電動機的選用 1.5 檢測裝置的選用 2.控制系統(tǒng)的設計 3.機械傳動部件的計算與選型 3.1導軌上移動部件的重量估算 3.2銑削力的計算 3.3直線滾動導軌副的計算與選型 3.4滾珠絲杠螺母副的計算與選型 3.5步進電動機減速箱的選用 3.6步進電動機的計算與選型 3.7增量式旋轉編碼器的選用 4．工作臺機械裝配圖的繪制 5.工作臺控制系統(tǒng)的設計 6.步進電動機驅動電源的選用 7.設計總結 參考文獻 [1]張建民.《機電一體化系統(tǒng)設計》第三版.高等教育出版社 [2]尹志強.《系統(tǒng)設計課程設計指導書》.機械工業(yè)出版社 設 計 計 算 與 說 明 主要結果 設計任務： 題目：X-Y數(shù)控工作臺機電系統(tǒng)設計 任務：設計一種供立式數(shù)控銑床使用的X-Y數(shù)控工作臺，主要參數(shù)如下： 1）立銑刀最大直徑d=15mm； 2）立銑刀齒數(shù)Z=3； 3）最大銑削寬度； 4）最大背吃刀量； 5）加工材料為碳鋼； 6）X、Y方向的脈沖當量/脈沖； 7）X、Y方向的定位精度均為； 8）工作臺導軌長度為1260mm； 9）工作臺空載最快移動速度； 10）工作臺進給最快移動速度； 11）移動部件總重量為800N； 12）絲桿有效行程為920mm。 一、總體方案的確定 1 機械傳動部件的選擇 1.1導軌副的選用 要設計的X-Y工作臺是用來配套輕型的立式數(shù)控銑床的，需要承受的載荷不大，但脈沖當量小、定位精度高，因此，決定選用直線滾動導軌副，它具有摩擦系數(shù)小、不易爬行、傳動效率高、結構緊湊、安裝預緊方便等優(yōu)點。 1.2絲桿螺母副的選用 伺服電動機的旋轉運動需要通過絲桿螺母副轉換成直線運動，要滿足0.005mm的脈沖當量和的定位精度，滑動滑動絲桿副無能為力，只有選用滾珠絲桿副才能達到。滾珠絲桿副的傳動精度高、動態(tài)響應快、運轉平穩(wěn)、壽命長、效率高，預緊后可消除反向間隙。 1.3減速裝置的選用 選擇了步進電動機和滾珠絲桿副以后，為了圓整脈沖當量，放大電動機的輸出轉矩，降低運動部件折算到電動機轉軸上的轉動慣量，可能需要減速裝置，且應有消 設 計 計 算 與 說 明 主要結果 間隙機構。為此，決定采用無間隙齒輪傳動減速箱。 1.4伺服電動機的選用 任務書規(guī)定的脈沖當量尚未達到0.001mm，定位精度也未達到微米級，空載最快速度也只有3000mm/min。因此，本設計不必采用高檔次的伺服電動機，如交流伺服電動機或直流伺服電動機等，可以選用性能好一些的步進電動機，如混合式步進電動機，以降低成本，提高性價比。 1.5檢測裝置的選用 選用步進電動機作為伺服電動機后，可選開環(huán)控制，也可選閉環(huán)控制。任務書所給的精度對于步進電動機來說還是偏高的，為了確保電動機在運轉過程中不受切削負載和電網(wǎng)的影響而失步，決定采用半閉環(huán)控制，擬在電動機的尾部轉軸上安裝增量式旋轉編碼器，用以檢測電動機的轉角與轉速。增量式旋轉編碼器的分辨力應與步進電動機的步距角相匹配。 考慮到X、Y兩個方向的加工范圍相同，承受的工作載荷相差不大，為了減少設計工作量，X、Y兩個坐標的導軌副、絲桿螺母副、減速裝置、伺服電動機，以及檢測裝置擬采用相同的型號與規(guī)格。 2.控制系統(tǒng)的設計 1)設計的X-Y工作臺準備用在數(shù)控銑床上，其控制系統(tǒng)應該具有單坐標定位、兩坐標直線插補與圓弧插補的基本功能，所以控制系統(tǒng)應該設計成連續(xù)控制型。 2)對于步進電動機的半閉環(huán)控制，選用MCS-51系列的8位單片機AT89C52作為控制系統(tǒng)的CPU，應該能夠滿足任務書給定的相關指標。 3)要設計一臺完整的控制系統(tǒng)，在選擇CPU之后，還需要擴展程序儲存器、數(shù)據(jù)存儲器、鍵盤與顯示電路、I/O接口電路、D/A轉換電路、串行接口電路等。 4)選擇合適的驅動電源，與步進電動機配套使用。 三、機械傳動部件的計算與選型 1.導軌上移動部件的重量估算 按照下導軌上面移動部件的重量來進行估算。包括工件、夾具、工作平臺、上層電動機、減速箱、滾珠絲杠副、直線滾動導軌副、導軌座等，估計重量約為800N。 設 計 計 算 與 說 明 主要結果 2.銑削力的計算 設零件的加工方式為立式銑削，采用硬質合金立銑刀，工件的材料為碳鋼。則由表3-7查得立銑時的銑削力計算公式為： (1) 今選擇銑刀直徑d=15mm，齒數(shù)Z=3，為了計算最大銑削力，在不對稱銑削的情況下，取得最大銑削寬度，背吃刀量，每齒進給量，銑刀轉速n=300r/min。則由(1)式求得最大銑削力： 采用立銑刀進行圓柱銑削時，各銑削力之間的比值可由表3-5查得，結合圖3-4a，考慮逆銑時的情況，可估算三個方向的銑削力分別為：，，。圖3-4a為臥銑情況，現(xiàn)在考慮立銑，則工作臺受到垂直方向的銑削力，受到水平方向的銑削力分別和。今將水平方向較大的銑削力分配給工作臺的縱向（絲桿軸線方向），則縱向銑削力，徑向銑削力。 3.直線滾動導軌副的計算與選型 （1）滑塊承受工作載荷的計算及導軌型號的選取 工作載荷是影響直線滾動導軌副使用壽命的重要因素。本設計中的X-Y工作臺為水平布置，采用雙導軌、四滑塊的支承形式。考慮最不利的情況，即垂直于臺面的工作載荷全部由一個滑塊承擔，則單滑塊所受的最大垂直方向載荷為： (2) 1463N G=800N F=556N 設 計 計 算 與 說 明 主要結果 其中，移動部件重量G=800N，外加載荷，代入式（2），得最大工作載荷。 查表3-41，根據(jù)工作載荷，初選直線滾動導軌副的型號為KL系列的JSA-LG15型，其額定動載荷，額定靜載荷。 （2）距離額定壽命L的計算 上述選取的KL系列JSA—LG15型導軌副的滾道硬度為60HRC，工作溫度不超過100攝氏度，每根導軌上配有兩只滑塊，精度為4級，工作速度較低，載荷不大。查表3-36~表3-40，分別取硬度系數(shù)、溫度系數(shù)、接觸系數(shù)、精度系數(shù)、載荷系數(shù)，代入式（3-33），的距離壽命： 遠大于期望值50km，故距離額定壽命滿足要求。 4.滾珠絲杠螺母副的計算與選型 （1）最大工作載荷的計算 如前頁所述，在立銑時，工作臺受到進給方向的載荷（與絲杠軸線平行），受到橫向的載荷（與絲杠軸線垂直），受到垂直方向的載荷（與工作臺垂直）。 已知移動部件總重量G=800N，按矩形導軌進行計算，查表3-29，取顛覆力矩影響系數(shù)K=1.1，滾動導軌上的摩擦因數(shù)μ=0.005 。求得滾珠絲杠副的最大工作載荷： （2）最大動載荷的計算 設工作臺在承受最大銑削力時的 1779N 設 計 計 算 與 說 明 主要結果 最快進給速度v=400mm/min，初選絲杠導程，則此時絲杠轉速。 取滾珠絲杠的使用壽命T=15000h，代入，得絲杠壽命系數(shù) (單位為r) 。 查表3-30，取載荷系數(shù)，滾道硬度為60HRC時，取硬度系數(shù)，代入式（3-23），求得最大載荷： （3）初選型號 根據(jù)計算出的最大載荷和初選的絲杠導程，查表3-31，選擇濟寧博特精密絲杠制造有限公司生產(chǎn)的G系列2504-3型滾珠絲杠副，為內循環(huán)固定反向器單螺母式，其公稱直徑為20mm，導程為5mm。循環(huán)滾珠為3圈1列，精度等級取4級，額定動載荷為9309N。大于，滿足要求。 （4）傳動效率η的計算 將公稱直徑，導程，代入，得絲杠螺旋升角。將摩擦角=10′代入，得傳動效率。 （5）剛度的驗算 1)X-Y工作臺上下兩層滾珠絲杠副的支承均采用“單推—單推”的方式，見書后插頁圖6-23。絲杠的兩端各采用一對推理角接觸球軸承，面對面組配，左、右支承的中心距離約為a=500mm ；鋼的彈性模量；查表3-31，得滾珠直徑，絲杠底徑，絲杠截面面積。 忽略式（3-25）中的第二項，算得絲杠在工作載荷作用下產(chǎn)生的拉/壓變形量 v=400mm/min T=15000h . 8881N 設 計 計 算 與 說 明 主要結果 。2）根據(jù)公式，求得單圈滾珠數(shù)Z=20；該型號絲杠為單螺母，滾珠的圈數(shù)列數(shù)為31，代入公式，得滾珠總數(shù)量。絲杠預緊時，取軸向預緊力。則由式（3-27），求得滾珠與螺紋滾道間的接觸變形量。 因為絲杠加有預緊力，且為軸向負載的1/3，所以實際變形量可減小一半，取。 3)將以上算出的和代入，求得絲杠總變形量（對應跨度500mm）。 本例中，絲杠的有效行程為670mm，由表3-27知，5級精度滾珠絲杠有效行程在315～400mm時，行程偏差允許達到25μm，可見絲杠剛度足夠。 （6）壓桿穩(wěn)定性校核 根據(jù)公式（3-28）計算失穩(wěn)時的臨界載荷。查表3-34，取支承系數(shù)；由絲杠底徑求得截面慣性矩；壓桿穩(wěn)定安全系數(shù)K取3（絲杠臥式水平安裝）；滾動螺母至軸向固定處的距離a取最大值500mm。代入式（3-28），得臨界載荷，遠大于工作載荷，故絲杠不會失穩(wěn)。 綜上所述，初選的滾珠絲杠副滿足使用要求 5 步進電動機減速箱的選用 為了滿足脈沖當量的設計要求，增大步進電動機的輸出轉矩，同時也是為了使?jié)L珠絲杠和工作臺的轉動慣量折算到電動機轉軸上盡可能地小，今在步進電動機的輸出軸上安裝一套齒輪減速箱。采用一級減速，步進電機的輸出軸與小齒輪連接， 593N 設 計 計 算 與 說 明 主要結果 滾珠絲杠的軸頭與大齒輪連接。其中大齒輪設計成雙片結構，采用圖3-8所以的彈簧錯齒法消除側隙。 已知工作臺的脈沖當量脈沖，滾珠絲杠的導程，初選步進電機的步進角。根據(jù)式（3-12），算得減速比： 本設計選用常州市新月電機有限公司生產(chǎn)的JBF-3型齒輪減速箱。大小齒輪模數(shù)均為，齒數(shù)比為75：36，材料為45調制剛，齒表面淬硬后達HRC55。減速箱中心距為，小齒輪厚度為20，雙片大齒輪厚度均。 6步進電動機的計算與選型 步進電動機的計算與選型參見第四章第三節(jié)相關內容。 （1）計算加在步進電機轉軸上的總轉動慣量 已知：滾珠絲杠的公稱直徑，總長，導程，材料密度；移動部件總重力；小齒輪度，直徑；大齒輪度，直徑；轉動比。 如表4-1所示，算得各個零件部件的轉動慣量如下（具體計算過程從略）：滾珠絲杠的轉動慣量；拖板折算到絲杠上的轉動慣量；小齒輪的轉動慣量；大齒輪的轉動慣量。 初選步進電動機型號為90BYG2602，為兩相混合式，由常州寶馬集團公司生產(chǎn)，二相八拍驅動時步距角，從表4-5 設 計 計 算 與 說 明 主要結果 查得該型號電動機轉子的轉動慣量。 則加在步進電機轉軸上的總轉動慣量為： (2) 計算加子在步進電機轉軸上的等效負載轉矩 分快速空載起動和承受最大工作負載兩種情況進行計算。 1） 快速空載起動時電動機轉軸所承受的負載轉矩由式(4-8)可知，包括三部分：一部分是快速空載起動時折算到電動機轉軸上的最大加速轉矩；一部分是移動部件運動時折算到電動機轉軸上的摩擦轉矩；還有一部分是滾珠絲杠預緊后折算到電動機轉軸上的附加摩擦轉矩。因為滾珠絲杠副傳動效率很高，根據(jù)式(4-12)可知，相對于和很小，可以忽略不計。則有： (6-13) 根據(jù)式(4-9)，考慮傳動鏈的總效率，計算快速空載起動時折算到電動機轉軸的最大加速轉矩： （6-14） 式中——對空載最快移動速度的步進電動機最高轉速，單位為r/min； ——步進電動機由靜止到加速到n轉速所需的時間，單位為s。 其中： （6-15） 設 計 計 算 與 說 明 主要結果 式中——空載最快移動速度，任務書指定為3000mm/min； ——步進電動機步距角，預選電動機為； ——脈沖當量，本例脈沖。 將以上各值代入式(6-15)，算得r/min 設步進電動機由靜止到加速至n轉速所需時間t=0.4s，傳動鏈總效率=0.7。則由式(6-14)求得： 由式(4-10)可知，移動部件運動時，折算到電動機轉軸上的摩擦轉矩為： （6-16） 式中——導軌的摩擦因數(shù)，滾動導軌取0.005; ——垂直方向的銑銷力，空載時取0; ——傳動鏈總效率，取0.7。 則由式(6-16)，得： 最后由式(6-13)求得快速空載起動時電動機轉軸所承受的負載轉矩： 2)最大工作負載狀態(tài)下電動機轉軸所承受的負載轉矩T由式(4-13)可知，T包括三部：一部分是折算到電動機轉軸上的最大工作負載轉矩T;一部分是移動部件運動時折算到電動機轉軸上的摩擦轉矩T;還有一部分是滾珠絲杠預緊后折算到電動機轉軸上的附加摩擦轉矩T，T相對于T和T很小，可以忽略不計。則有： r/min 設 計 計 算 與 說 明 主要結果 其中，折算到電動機轉軸上的最大工作負載轉矩T由式(4-14)計算。本例中在對滾珠絲杠進行計算的時候，已知沿著絲杠軸線方向的最大進給載荷F=1609N.m，則有： 將以上各值代入式(6-15)，算得r/min 設步進電動機由靜止到加速至n轉速所需時間t=0.4s，傳動鏈總效率=0.7。則由式(6-14)求得： 由式(4-10)可知，移動部件運動時，折算到電動機轉軸上的摩擦轉矩為： 式中——導軌的摩擦因數(shù)，滾動導軌取0.005; ——垂直方向的銑銷力，空載時取0; ——傳動鏈總效率，取0.7。 則由式(6-16)，得： 最后由式(6-13)求得快速空載起動時電動機轉軸所承受的負載轉矩： 2)最大工作負載狀態(tài)下電動機轉軸所承受的負載轉矩T由式(4-13)可知，T包括三部：一部分是折算到電動機轉軸上的最大工作負載轉矩T;一部分是移動部件運動時折算到電動機轉軸上的摩擦轉矩T;還有一部分是滾珠絲杠預緊后折算到電動機轉軸上的附加摩擦轉矩T，T相對于T和T很小，可以忽略不計。則有： r/min 設 計 計 算 與 說 明 主要結果 （6-18） 其中，折算到電動機轉軸上的最大工作負載轉矩T由式(4-14)計算。本例中在對滾珠絲杠進行計算的時候，已知沿著絲杠軸線方向的最大進給載荷F=913N.m，則有： 再由式(4-10)可知，移動部件運動時，折算到電動機轉軸上的摩擦轉矩為： 最后由式(6-18)，求得最大工作負載狀態(tài)下電動機轉軸所承受的負載轉矩為： 經(jīng)過上述計算后，得到加在步進電動機轉軸上的最大等效負載轉矩應為： （3） 步進電動機最大靜轉矩的選定 考慮到步進電動機的驅動電源受電網(wǎng)電壓影響較大，當輸入電壓降低時，其輸出轉矩會下降，可能造成丟步，甚至堵轉。因此，根據(jù)T來選擇步進電動機的最大靜轉矩時，需要考慮安全系數(shù)。本例中取安全系數(shù)K=4，則步進電動機的最大靜轉矩應滿足： （6-20） 上述初選的步進電動機型號為90BYG2602，由表4-5查得該型號電動機的最大靜轉矩?？梢?，滿足式(6-20)的要求。 （4）步進電動機的性能校核 1）最快工進速度時電動機輸出轉矩校核 任務書給定工作臺最快工進速度v=400mm/min，脈沖當量 =0.005mm/脈沖，由式(4-16)求出電動機對應的運行頻率 設 計 計 算 與 說 明 主要結果 f=[400/(60*0.005)]Hz =1333hz。從90BYG2602電動機的運行矩頻特性曲線圖6-24可以看出，在此頻率下，電動機的輸出轉矩，遠遠大于最大工作負載轉矩，滿足要求。 2)最快空載移動時電動機輸出轉矩校核 任務書給定工作臺最快空載移動速度v=3000mm/min，仿照式(4-16)求出電動機對應的運行頻率f=[3000/(60*0.005)]Hz=10000Hz。從圖6-24查得，在此頻率下，電動機的輸出轉矩，大于快速空載起動時的負載轉矩，滿足要求。 4)最快空載移動時電動機運行頻率校核 與最快空載移動速度v=3000mm/min對應的電動機運行頻率為f=10000Hz。查表4-5可知90BYG2602電動機的空載運行頻率可達20000Hz，可見沒有超出上限。 5)起動頻率的計算 已知電動機轉軸上的總轉動慣量，電動機轉子的轉動慣量，電動機轉軸不帶任務負載時的空載起動頻率 (查表4-5)。則由式(4-17)可以求出步進電動機克服慣性負載的起動頻率： 上式說明，要想保證步進電動機起動時不失步，任何時候的起動頻率都必須小于614Hz。實際上，在采用軟件升降頻時，起動頻率選得更低，通常只有100Hz(即100脈沖/s)。 綜上所述，本例中工作臺的進給傳動選用90BYG2602步進電動機，滿足設計要求。 7. 增量式旋轉編碼器的選用 本設計所選步進電動機采用半閉環(huán)控制，可在電動機的尾部轉軸上安裝增量式旋轉編碼器，用以檢驗電動機的轉角與轉速。增量式旋轉編碼器的分辨力應與步進電動機的步距角相匹配。 設 計 計 算 與 說 明 主要結果 由步進電動機的步距角@=0。75，可知電動機轉動一轉時，需要控制系統(tǒng)發(fā)出360/@=480個步進脈沖?？紤]到增量式旋轉編碼器輸出的A、B相信號，可以送到四倍頻電路進行電子四細分（見第四章第五節(jié)相關內容），因此，編碼器的分辨力可選120線。這樣控制系統(tǒng)每發(fā)一個步進脈沖，電動機轉過一個步距角，編碼器對應輸出一個脈沖信號。 本例選擇編碼器型號為ZLK—A—120—05VO—10—H：盤狀空心型?？讖?0mm，與電動機尾部出軸相匹配，電源電壓+5V。每轉輸出120個A/B脈沖，信號為電壓輸出，生 產(chǎn)廠家為長春光機數(shù)顯技術有限公司。 6 5 4 3 2 1 0 10 圖6-24 90BYG2602 步進電動機 的運行矩頻特性曲線 四、工作臺機械裝配圖的繪制 在完成直線滾動導軌副、滾珠絲杠螺母副、齒輪減速箱、步進電動機，以及旋轉編碼器的計算與選型后，就可以著手繪制工作臺的機械裝配圖了。繪圖過程中的有關注意事項參見本章第一節(jié)相關內容繪制后的X-Y數(shù)控工作臺機械裝配圖如數(shù)后插頁圖6-23所示。 五、工作臺控制系統(tǒng)的設計 X-Y數(shù)控工作臺的控制系統(tǒng)設計，可以參考本章第一節(jié)的車床數(shù)控系統(tǒng)，但在硬件電路上需要考慮步進電動機（編碼器）反饋信號的處理，在軟件上要實現(xiàn)半閉環(huán)的控制算法。 六、步進電動機驅動電源的選用 本例中X、Y向步進電動機均為90BYG2602型，生產(chǎn)廠家為常州寶馬集團與公司。查表4-14選擇與之配套的驅動電源為BD28Nb型，輸入電壓100VAC，相電流4A，分配方式為二相八拍。該驅動電源與控制器的接線方式如圖6-25所示。 七、增量式旋轉編碼器的選用 本設計所選步進電動機采用半閉環(huán)控制，可在電動機的尾部轉軸上安裝增量式旋轉編碼器，用以檢驗電動機的轉角與轉速。增量式旋轉編碼器的分辨力應與步進電動機的步距角相匹配。由步進電動機的步距角=0.75，可知電動機轉動一轉時，需要控制系統(tǒng)發(fā)出360/=480個步進脈沖?？紤]到增量式旋轉編碼器輸出的A、B相信號，可以送到四倍頻電路進行電子四細分（見第四章第五節(jié)相關內容），因此，編碼器的分辨力可選120線。這樣控制系統(tǒng)每發(fā)一個步進脈沖，電動機轉過一個步距角，編碼器對應輸出一個脈沖信號。 本例選擇編碼器型號為ZLK—A—120—05VO—10—H：盤狀空心型?？讖?0mm，與電動機尾部出軸相匹配，電源電壓+5V。每轉輸出120個A/B脈沖，信號為電壓輸出，生 產(chǎn)廠家為長春光機數(shù)顯技術有限公司。 八、 步進電機驅動器的選用 本例中X、Y向步進電動機均為90BYG2602型，生產(chǎn)廠家為常州寶馬集團與公司。查表4-14選擇與之配套的驅動電源為BD28Nb型，輸入電壓100VAC，相電流4A，分配方式為二相八拍。該驅動電源與控制器的接線方式如系統(tǒng)設計課程設計指導書》圖6-25所示。 九、設計總結 通過此次課程設計，我不僅把知識融會貫通，而且豐富了大腦，同時在查找資料的過程中也了解了許多課外知識，開拓了視野，認識了將來機械的發(fā)展方向，使自己在專業(yè)知識方面和動手能力方面有了質的飛躍。 課程設計是我作為一名學生即將完成學業(yè)的一次作業(yè)，他既是對學校所學知識的全面總結和綜合應用，又為今后走向社會的實際操作應用鑄就了一個良好實踐，課程設計是我對所學知識理論檢驗與總結，能夠培養(yǎng)和提高設計者獨立分析和解決問題的能力；是我在校期間向學校所交的一份綜和性作業(yè)，從老師的角度來說，指導做課程設計是老師對學生所做的一次執(zhí)手訓練。其次，課程設計的指導是老師檢驗其教學效果，改進教學方法，提高教學質量的絕好機會。 總之，不管學會的還是學不會的的確覺得困難比較多，真是萬事開頭難，不知道如何入手。最后終于做完了有種如釋重負的感覺。此外，還得出一個結論：知識必須通過應用才能實現(xiàn)其價值！有些東西以為學會了，但真正到用的時候才發(fā)現(xiàn)是兩回事，所以我認為只有到真正會用的時候才是真的學會了。 在此要感謝我們的指導老師歐老師對我悉心的指導，感謝老師們給我的幫助。在設計過程中，我通過查閱大量有關資料，與同學交流經(jīng)驗和自學，并向老師請教等方式，使自己學到了不少知識，也經(jīng)歷了不少艱辛，但收獲同樣巨大。在整個設計中我懂得了許多東西，也培養(yǎng)了我獨立工作的能力，樹立了對自己工作能力的信心，相信會對今后的學習工作生活有非常重要的影響。而且大大提高了動手的能力，使我充分體會到了在創(chuàng)造過程中探索的艱難和成功時的喜悅。雖然這個設計做的也不太好，但是在設計過程中所學到的東西是這次課程設計的最大收獲和財富，使我終身受益。