十字滑台系统设计.docx
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十字滑台系统设计.docx
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十字滑台系统设计
CompanyDocumentnumber:
WTUT-WT88Y-W8BBGB-BWYTT-19998
十字滑台系统设计
重庆理工大学
机电一体化课程设计
X-Y水平十字滑台
说明书
班级:
学号:
专业:
机械设计制造及其自动化
姓名:
教师:
时间:
2015年6月22日-7月10日
1、机械传动部件的选择..........................................................................................................3
2、控制系统的设计..................................................................................................................4
1、导轨上移动部件的重量估算..............................................................................................4
2、铣削力的计算......................................................................................................................4
3、直线滚动导轨副的计算与选型..........................................................................................7
4、滚珠丝杠螺母副的计算与选型..........................................................................................9
5、步进电动机减速箱的选用..................................................................................................13
6、步进电动机的计算与选型.................................................................................................13
7、增量式旋转编码器的选用.................................................................................................19
8、步进电机驱动器的选择.....................................................................................................19
9、联轴器的选择....................................................................................................................21
2
6、工作台控制系统的设计..........................................................................................................22
7、十字滑台运动控制程序的编制..............................................................................................22
8、结语..................................................................................................................................25
.........................................................................................................................................26
1、设计目的
课程设计是一个重要的时间性教学环节,要求学生综合的运用所学的理论知识,独立进行设计训练,主要目的:
1、通过设计,使学生全面地、系统地了解和掌握数控机床的基本组成及其思想知识,学习总体的方案拟定,分析与比较的方法。
2、通过对机械系统的设计,掌握几种典型传动元件与导向元件的工作原理、设计计算及选用的方式
3、培养学生独立分析问题和解决问题的能力,学习并树立“系统设计”的思想
4、锻炼提高学生应用手册和标准、查阅文献资料及撰写科技论文的能力
2、设计任务
1、设计题目
X-Y数控工作台机电系统设计
2、任务
设计一种供立式数控铣床使用的X-Y数控工作台。
要求可以设定工作台的运动速度,实现正向/反向点动、正向/反向连续运动、启动、停止、急停、软硬限位等功能。
3、主要设计参数
1.立铣刀最大直径d=16mm
2.立铣刀齿数Z=3
3.最大铣削宽度ac=10mm
4.最大铣削深度ap=8mm
5.加工材料为碳素钢
6.X,Y方向的脉冲当量都为脉冲
7.X,Y方向的定位精度都为±
8.工作台面尺寸为350mm×350mm,加工范围为450mm×450mm
9.X,Y方向工作台空载最快移动速度都为2500mm/min
10.X,Y方向工作台进给速度都为400mm/min
三、总体方案的确定
1、机械传动部件的选择
(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(
),定位精度高(
),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。
选直线滚动导轨副
(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,要满足的脉冲当量和±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
选择了步进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。
拟采用减速器
(4)伺服电动机的选用
任务书规定的脉冲当量尚未达到,定位精度也未达到微米级,空载最快移动速度也只有2500mm/min。
因此,本设计不必采用高档次的伺服电动机,如交流伺服电动机或直流伺服电动机等,可以选用性能好一些的步进电动机,如混合式步进电动机,以降低成本,提高性价比。
伺服电机选步进电机
(5)检测装置的选用
选用步进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步进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,决定采用半闭环控制,并在电动机的尾部转轴上安装增量式旋转编码器,用以检测电动机的转角与转速。
增量式旋转编码器的分辨率应与步进电动机的步距角相匹配。
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,所以控制系统应该设计成连续控制型。
连续控制型
(2)对于步进电动机的半闭环控制,选用MPC2810运动控制卡,应该能够满足任务书给定的相关指标。
控制器选:
MPC2810运动控制卡
(3)要设计一台完整的控制系统,在选择运动控制卡之后,还需要转接板作为与其他电器元件连接的枢纽。
需要转接板
(4)选择合适的驱动电源,与步进电动机配套使用,我们将自行设计。
自行设计步进电机驱动电源
整体方案设计
系统总体方案图
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
按照下导轨上面移动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900N。
G=900N
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:
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
灰铸铁
可锻铸铁
圆柱铣刀
碳钢
灰铸铁
三面刃铣刀
碳钢
两面刃铣刀
立铣刀
期中:
ap为背吃刀量mm;ae为侧吃刀量mm;fz为每齿进给量mm/Z;vf进给速度mm/min;Z铣刀齿数;d铣刀直径mm;n铣刀转速r/min,见图2-1。
(2-1)
图2-1铣削用量说明
若铣刀直径d=16mm,齿数Z=3,为了计算最大铣削力,在不对称铣削情况下,取最大铣削宽度ae=10mm,背吃刀量ap=8,每齿进给量fz=Z;铣刀转速n=300r/min。
则由公式2-1求得最大铣削力:
采用立铣刀进行圆柱铣削时,各铣削力之间的比值可由表2-2。
表2-2各铣削力之间比值
铣削条件
比值
对称铣削
不对称铣削
逆铣
顺铣
端铣削
ae=~d/mm
fz=~/)
Ff/Fc
~
~
~
Fe/Fc
~
~
~
Ffn/Fc
~
~
~
圆柱铣削
ae=d/mm
fz=~/)
Ff/Fc
~
~
Ffn/Fc
~
~
Fe/Fc
~
~
图2-2铣削力分析
图2-3顺铣与逆铣
由表2-2,图2-2和图2-3,考虑逆铣情况,可估算出三个方向的铣削力分别为:
图2-3a为卧铣情况,现考虑立铣,则工作台受到垂直方向的铣削力Fz=Fe=376N,受到水平方向的铣削力分别为Ff和Ffn。
今将水平方向较大的铣削力分配给工作台的纵向(丝杠轴线方向),则纵向铣削力Fx=Ff=1088N,径向铣削力Fy=Ffn=247N。
Fz=376N
Fx=1088N
Fy=247N
3、直线滚动导轨副的计算与选型
(1)滑块承受工作载荷Fmax的计算及导轨型号的选取
工作载荷是影响直线滚动导轨副使用寿命的重要因素。
X-Y工作台采用水平布置,利用双导轨、四滑块的支承形式。
考虑最不利的情况,即垂直于台面的工作载荷全部由一个滑块承担,则单滑块所受的最大垂直方向载荷为:
(2-2)
其中,移动部件重量G=900N,外加载荷F=FZ=376N,代入式2-2得最大工作载荷
查表3-41【3】48,根据工作载荷Fmax=,初选直线滚动导轨副的型号为ZL系列的JSA-LG15型,其额定动载荷Ca=,额定静载荷C0a=。
任务书规定工作台面尺寸为350mm×350mm,加工范围为450mm×450mm,考虑工作行程应留有一定余量,查表3-35[3]45,按标准系列,选取导轨长度为820mm.
表3-35JSA型导轨长度系列
导轨型号
导轨长度系
JSA-LG15
280
340
400
460
520
580
640
700
760
820
940
JSA-LG20
340
400
520
580
640
760
820
940
1000
1120
1240
JSA-LG25
460
640
800
1000
1240
1360
1480
1600
1840
1960
3000
JSA-LG35
520
600
840
1000
1080
1240
1480
1720
2200
2440
3000
JSA-LG45
550
65
750
850
950
1250
1450
1850
2050
2550
3000
JSA-LG55
660
780
900
1020
1260
1380
1500
1980
2220
2700
3000
JSA-LG65
820
970
1120
1270
1420
1570
1720
2020
2320
2770
3000
导轨副的型号:
ZL系列的JSA-LG15型
导轨长度为820mm
(2)距离额定寿命L的计算
上述选取的ZL系列JSA-LG15型导轨副的滚道硬度为60HRC,工作温度不超过100℃,每根导轨上配有两只滑块,精度为4级,工作速度较低,载荷不大。
查表
表2-4硬度系数
滚道硬度(HRC)
50
55
58~64
fH
表2-5温度系数
工作温度/℃
<100
100~150
150~200
200~250
fT
表2-6接触系数
每根导轨上滑块数
1
2
3
4
5
fC
表2-7精度系数
精度等级
2
3
4
5
fR
1.
表2-8载荷系数
工况
无外部冲击或震动的低速场合,速度小于15m/min
无明显冲击或振动的中速场合,速度为15~60m/min
有外部冲击或振动的高速场合,速度大于60m/min
fW
1~
~2
2~
分别取硬度系数fH=、温度系数fT=、接触系数fC=、精度系数fR=、载荷系数fW=,代入式2-3【3】46,得所选丝杠的距离寿命为180km。
(2-3)
即
结论:
所选导轨的距离寿命远大于期望值50km,故距离额定寿命满足要求。
距离寿命为180km远大于期望值50km,故距离额定寿命满足要求
4、滚珠丝杠螺母副的计算与选型
(1)最大工作载荷Fm的计算
在立铣时,工作台受到进给方向的载荷(与丝杠轴线平行)Fx=2082N,受到横向的载荷(与丝杠轴线垂直)Fy=473N,受到垂直方向的载荷(与工作台面垂直)Fz=719N。
已知移动部件总重量G=900N,按矩形导轨进行计算,查表2-9【3】38,
表2-9最大工作载荷Fm实验计算公式及参考系数
导轨类型
实验公式
K
μ
矩形导轨
燕尾导轨
三角形或综合导轨
~0.
8
注:
表中摩擦因数μ均为滑动导轨。
对于贴塑导轨μ=~,滚动导轨μ=~。
表中,Fx为进给方向载荷,Fy为横向载荷,Fz为垂直载荷,单位均为N;G为移动部件总重力,单位为N;K为颠覆力矩影响系数;μ为导轨的摩擦系数。
取移动部件总重量G=900N,按矩形导轨进行计算,查表2-9,取颠覆力矩影响系数K=,滚动导轨上的摩擦因素μ=。
求得滚珠丝杠副的最大工作载荷:
、
最大工作载荷:
(2)最大动载荷FQ的计算
设工作台在承受最大铣削力时的最快进给速度v=400mm/min,初选丝杠导程Ph=4mm,则此时丝杠转速n=v/Ph=100r/min。
取滚珠丝杠的使用寿命T=15000h,代入L0=60nT/106,得丝杠寿命系数L0=90(单位为:
106r)。
查表2-10【3】39,取载荷系数fW=,滚道硬度为60HRC时,取硬度系数fH=,代入式2-4【3】38
(2-4)
即:
式中:
L0——滚珠丝杠副的寿命,单位(106r)。
L0=60nT/106,(其中T为使用寿命,普通机械取T=5000~10000h,数控机床及一般机电设备取T=15000h;n为丝杠每分钟转速);
fW——载荷系数,由表2-10查得。
fH——硬度系数(≥58HRC时,取;等于55HRC时,取;等于时,取;等于50HRC时,取;等于45HRC时,取);
Fm——滚珠丝杠副的最大工作载荷,单位为N。
表2-10滚珠丝杠载荷系数
运转状态
载荷系数fW
平稳或轻度冲击
~
中等冲击
~
较大冲击或振动
~
(3)初选型号
最大动载荷FQ=6475N
根据计算出的最大动载荷和初选的丝杠导程,查附件3表3-31【3】39,选择济宁博特精密丝杠制造有限公司生产的GD系列2504-4型滚珠丝杠副,为内循环固定反向器单螺母式,其公称直径为25mm,导程为4mm,循环滚珠为3圈×2列,精度等级取5级,额定动载荷为7674N,大于FQ,满足要求。
GD系列2504-4型滚珠丝杠副
(4)传动效率η的计算
将公称直径d0=25mm,导程Ph=4mm,代入
,得丝杠螺旋升角
将摩擦角
代入
,得传动效率
。
效率要求大于90%,该丝杠副合格。
>90%,合格。
(5)刚度的验算
1)X-Y工作台上下两层滚珠丝杠副的支承均采用“单推-单推”的方式。
丝杠的两端各采用一对推力角接触球轴承,面对面组配,左、右支承的中心距离约为a=550mm;钢的弹性模量E=×105MPa;查附件3,得滚珠直径DW=,丝杠底径d2=,丝杠截面积
。
丝杠的拉伸或压缩变形量δ1在总变形量中的比重较大,可按下式计算:
(2-5)[3]41
式中:
Fm——丝杠的最大工作载荷,单位为N
a——丝杠两端支承间的距离,单位为mm
E——丝杠材料的弹性模量,钢的E=×105MPa
S——丝杠按底径d2确定的截面积,单位为mm2
M——转矩,单位为N·mm
I——丝杠按底径d2确定的截面积惯性矩(
),单位为mm4
滚珠与螺纹滚道间的接粗变形量δ2
无预紧时
(2-6)[3]41
有预紧时
(2-7)[3]41
式中DW——滚珠直径,mm
Z∑——滚珠总数量,Z∑=Z×圈数×列数
Z——单圈滚珠数,
(外循环),
(内循环)
FYJ——预紧力,单位N
忽略式2-5中的第二项,算得丝杠在工作载荷Fm作用下产生的拉/压变形量=
即
2)根据公式
,求得单圈滚珠数Z=30;该型号丝杠为单螺母,滚珠的圈数×列数为3×2,代入公式:
ZΣ=Z×圈数×列数,得滚珠总数量ZΣ=180。
丝杠预紧时,取轴向预紧力FYJ=Fm/3=1204/3
401N。
则由式2-7,滚珠与螺纹滚道间的接触变形量δ2
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,
δ2=。
3)将以上算出的δ1和δ2代入
。
丝杠的有效行程为528mm,由表3-27【3】35知,5级精度滚珠丝杠有效行程在500~630mm时,行程偏差允许达到32μm,可见丝杠刚度足够。
丝杠刚度足够
(6)压杆稳定性校核
滚珠丝杠是属于受轴向力的细长杆,如果轴向负载过大,则可能产生失稳现象。
失稳时的临界载荷Fk应满足:
(2-8)【3】42
式中Fk——临界载荷,单位N
fk——丝杠支承系数,如表所示
K——压杆稳定安全系数,一般取~4,垂直安装时取小值;
A——滚珠丝杠两端支承间的距离,单位为mm。
表2-11丝杠支承系数【3】42
方式
双推-自由
双推-简支
双推-双推
单推-单推
fk
2
4
1
查表2-11,取fk=1;由丝杠底径d2=,求得截面惯性矩:
;压杆稳定系数K取3(丝杠卧式水平安装);滚动螺母至轴向固定处的距离a取最大值780mm。
代入式2-8,得临界载荷Fk≈13297N,远大于工作载荷Fm=1204N,故丝杠不会失稳。
丝杠不会失稳
综上所述,初选的滚珠丝杠副满足使用要求。
综上所述,初选的滚珠丝杠副满足使用要求
5、步进电动机减速箱的选用
已知工作台脉冲当量δ=脉冲,滚珠丝杠导程Ph=4mm,初选步进电机步距角
α=°,由公式
,传动比为1时达不到减速的效果,故本次设计不需要减速器。
6、步进电动机的计算与选型
(1)初选步进电机的型号
1)空载状态下电机转轴所受负载包括三部分,一部分是电动机空载启动时折算到转轴上最大加速度转矩Tmax,一部分是移动部件运动时折算到计算机转轴上的摩擦转矩Tf,还有一部分是滚珠丝杠预紧后折算到电动机转轴上的附加摩擦转矩T0,T0相对于Tt和Tf很小,可以忽略不计。
则有:
由公式
式中:
Jeq——步进电动机转轴上的总转动惯量,
ε——电动机转轴的角加速度,rad/s2
nm——电动机转速,r/min
ta——电动机加速所用时间,s,一般在~1s之间选取。
(这里取
η——总效率,取η=
式中vmax——空载最快移动速度,任务书指定为2500mm/min;
α——步进电机步距角,预选电动机为°
δ——脉冲当量,任务书指定为P
由式得
(2-11)
式中F摩——导轨的摩擦力,N
Ph——滚珠丝杠导程,m
η——总传动效率,取η=
i——总的传动比,i=nm/ns,其中nm为电动机转速,ns为丝杠的转速。
μ——导轨摩擦因数(滑动导轨取~),滚动导轨取~);这里取
Fz——垂直方向的工作载荷,空载时Fz=0
(2-12)
式中:
μ——导轨摩擦因数(滑动导轨取~),滚动导轨取~);
Fc——垂直方向的工作载荷,车削时为Fc,立铣时为Fz单位为N,空载时Fc=0;
G——运动部件的总总量,单位为N
(2-13)
式中FYJ——滚珠丝杠的预紧力,一般取滚珠丝杠工作载荷Fm的1/3,单位为N;
η0——滚珠丝杠未预紧时的传动效率,一般取η0≥
由于滚珠丝杠副的传动效率很高,所以T0值一般很小,与Tamax和Tf比起来,通常可以忽略不计。
由式2-9得快速空载启动时电动机转轴所承受的负载转矩:
考虑到不用减速箱,取减速比i=1算步距角
所以初选步进电机型号为110BYG250A型,为两相混合式,由杭州日升电气设备有限公司生产,两相八拍的步距角为°。
其参数如下表所示:
查表得该型号电机转子的转动惯量Jm=
(式中长度单位均为cm)
托板折算到转轴上的总转动惯量
则步进电机转轴上的总转动惯量
电动机转速
=625r/min
快速空载启动时折算到电动机转轴上的最大加速转矩=
移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩=
滚珠丝杠预紧后折算到电动机转轴上的附加摩擦转矩=0(即忽略)
快速空载启动时电动机转轴所承受的负载转矩=
2)最大工作负载状态下电动机转轴所承受的负载转矩Teq2
(2-14)
式中:
Tf和T0分别按式2-11和2-13计算
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