机电一体化课程设计说明书-X－Y数控工作台机电系统设计.doc

机电一体化课程设计说明书设计题目：XY数控工作台机电系统设计学 号：姓 名： 指导教师： 成 绩：日 期：一、课程设计的意义和目的机电一体化系统是综合多个学科的系统,包括机械技术,传感器技术,测试技术,电子技术和控制技术,信息与计算机技术。它极大推动了机械工业,兵器行业及其他行业的发展。其技术结构,产品结构,技术功能与构成,生产方式和管理体系均发生了巨大的变化。使工业生产由机械电气化迈进到机电一体化为特征的数字化,自动化,高精度,微型化,多功能化,智能化的时代。结合精密机械控制是现代机械的一个重要方向，它能使机械加工的精度又提高一个层次，主要技术是用微机、单片机等现代高科技仪器来控制步进电机，再通过步进电机来实现精密的工作台控制。这个由微机或单片机、或者运动控制卡、步进电机、机械工作机构组成的十字滑台运动控制系统就是一个很简单的机电一体化的系统。让我们由这样简单的机电一体化系统重新复习学过的知识, 接触机电一体化系统, 了解X-Y运动平台的工作原理及机械结构组成，画出运动控制平台的结构简图；自行完成X-Y运动平台、控制箱、PC机及MPC07型运动控制卡之间的电路设计并连接；利用已学过的VisualBasic语言，针对MPC07运动控制卡进行面向单轴控制的程序设计，实现MPC07运动控制卡控制轴寻址、控制轴运动规划，通过P、I、D参数设定，速度、加速度及位置参数设定，来实现MPC07型运动控制卡两轴联动运动程序设计。这次课程设计是大学期间最后一次课程设计，必须以毕业设计的标准来要求来做，熟悉毕业设计的整体流程和规范，为下学期的毕业设计打下一定的基础,另外也是为工作作好准备。二、具体要求设计一个铣床的十字滑台：1）立铣刀最大直径d=10mm；2）立铣刀齿数Z=3；3）最大铣削宽度ae=15mm；4）最大背吃刀量ap=10mm；5）加工材料为碳素钢；6）X、Y方向的脉冲当量x=y=0.005mm/脉冲；7）X、Y方向的定位精度均为±0.01mm；8）工作台面尺寸为230mmX230mm，加工范围为250mmX250mm；9）工作台空载最快移动速度Vxmax=Vymax=2000mm/min；10）工作台进给最快移动速度Vxmaxf=Vymaxf=300mm/min。11) 每齿进给量F=0.1mm12）铣刀转速n=250-1500r/min三、总体方案的确定 1、总体方案设计 （1） 机械传动部件的选择1、导轨副的选用 由于需承受载荷不大，但脉冲当量小、定位精度高，因此，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、螺旋机构运动部件导向机构 由旋转运动转为直线运动可通过丝杠螺母副，要满足0.005mm的脉冲当量和±0.01mm的定位精度，滑动丝杠副无能为力，故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。3、减速装置的选用 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。4、电动机的选用 脉冲当量达到0.005mm，定位精度也未达到微米级，空载最快移动速度也只有2000mm/min。因此，本例设计不必采用高档次的伺服电动机，如交流电动机或直流伺服电动机等，可选用性能好的步进电动机，如混合式步进电动机，以降低成本，提高性价比。5、检测装置的选用 选用半闭环系统，利用接近开开关设置原点和限位。（2） 控制系统的设计1、 控制器的选择控制器的选择较多，如单片机与接口电路、运动动控制卡等。本例中采用PC+运动控制卡，型号为MPC07。2、整体方案框图四、 伺服系统机械传动部件设计 1、导轨上移动部件的重量估算按照上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、滚珠丝杠副、导轨座等，估计重量约为600N。2、切削力计算 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。则由查3-7表1（机电一体系统设计课程设计，尹志强合肥工业大学，机械工业出版社），查得立铣时的铣削力计算公式为: Fc=118afd-0.73ap1.0n0.13z (1-1) 今选择铣刀直径d=10mm，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=15mm，背吃刀量ap=10mm，每齿进给量fz=0.1mm，铣刀转速n=300r/min。则由式（1-1）求得最大铣削力：Fc=118150.850.110-0.73101.03000.1332540N采用立铣刀进行圆柱铣削时，各铣削力之间的比值可由表2-3-5查得，结合图2，考虑逆铣时的情况，可估算三个方向的铣削力分别为：纵向进给力 Ff=1.1Fc2794N横向进给力 Fe=0.38Fc966N垂直进给力Ffn=0.25Fc635N3、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。本例中的X-Y工作台为水平布置，采用双导轨、四滑块的支撑形式。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: Fmax=G/4+F ············（1-3）其中，移动部件重量G=600N，外加载荷F=Fz=966N ，代入式（1-3），得最大工作载荷Fmax=1116N.选择THK公司的产品，根据工作载荷Fmax=1.116KN，初选直线滚动导轨副的型号为HSR55LA 12R M型，其额定动载荷Ca=4.7kN，额定静载荷Coa=8.53kN。（见附表）任务书规定工作台面尺寸为230mm X 230mm，加工范围为250mm X 250mm，考虑工作行程应留一定余量，按标准系列，选取导轨的长度为500mm。（2） 距离额定寿命L的计算 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。分别取硬度系数fH=1.0、温度系数fT=1.00、接触系数fc=0.81、精度系数fR=0.9、载荷系数fw=1.5，代入式得距离寿命： L=远大于期望值50km，故距离额定寿命满足要求。4、滚动丝杠螺母副的计算与选型 （1） 最大工作载荷Fm的计算 如前页所述，在立铣时，工作台受到进给方向的载荷（与丝杠轴线平行）Fx=2794N，受到横向的载荷（与丝杠轴线垂直）Fy=635N，受到垂直方向的载荷（与工作台面垂直）FZ=966N。已知移动部件重量G=600N，按矩形导轨进行计算，查表3-29，取颠覆力矩影响系数K=1.1，滚动导轨上的摩擦因数u=0.005。求得滚珠丝杠副的最大工作载荷：Fm=KFx+u（Fz+Fy+G）=3084N(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经给速度 v=300mm/min,初选丝杠导程Ph=6mm，则此时丝杠转速n=v/Ph=50r/min。取滚珠丝杠的使用寿命T=15000h，代入LO=60nT/106,取丝杠寿命系数LO=45（单位为：106r）取载荷系数fw=1.2，滚道硬度为60HRC时，取硬度系数fH=1.0，代入式求得最大动载荷： FQ=13171N（3） 初选型号 根据计算出的最大动载荷和初选的丝杠导程，选择THK公司的DIK 2906-6型丝杆，为单一螺母内压式，其公称直径为28mm，导程为5mm，额定动载荷为23.4kN，额定静载荷为10.5kN，负载回路数为3列×1圈。（见附表）（4） 传动效率的计算 将公称直径do=28mm，导程ph=5mm，代入=arctanph/do，得丝杠螺旋升角=3.9°。将摩擦角代入=tan/tan（+）得传动效率=96.0%。（5） 刚度的验算1） X-Y工作台上下两层滚珠丝杠副的支撑均采用“单推-单推”的方式，见图3。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=500mm；查得丝杆的刚性强度为K=530N/um,算得丝杠在工作载荷Fm的作用下产生的拉/压变形量1=Fm/5300.0058mm。丝杠预紧时，取轴向预紧力FYJ=Fm/3=1028N。求得滚珠与螺纹滚道间的接触变形量2=0.0019mm。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，取2=0.0009mm。将以上算出的1和2代入总=1+2，求得丝杠总变形量（对应跨度500mm）总=0.0067mm=6.7um。根据有效行程330mm，查表3-27符合要求。（6） 压杆稳定性校核 根据公式FK=计算失稳时的临界载荷FK，查表3-34，取得支承系数fk=1（单推-单推）；由丝杠低经d2=28mm，求得截面惯性矩I=；压杆稳定安全系数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500mm。代入式FK=，得临界载荷FK=7414N,远大于工作载荷Fm=3089N，故丝杠不会失稳。综上所述，初选的滚珠丝杠副满足使用要求。6、 步进电机的计算与选型取A=1（不需要减速器），Ph=5，S=0.005mm，得E=0.36°（1） 计算加在步进电动机转轴上的总转动惯量Jeq 已知：滚珠丝杠的公称直径do=28mm，总长l=500mm，材料密度=7.85X10-3kg/cm3；移动部件总重力G=600N如表4-1所示，算得各个部件的转动惯量如下：滚珠丝杠的转动惯量JS=0.404kg·cm2；托板折算到丝杠上的转动惯量JW=0.219kg·cm2 初选步进电动机型号为杭州中达110BYG550CH型五相混合式电机，步距角0.36o，查得该型号电动机转子的转动惯量Jm=11.3kg·cm2.（1g·cm·s2=9.8×10-5kg·m2 ）则加在步进电动机转轴上的总转动惯量为：Jeq=Jm+Jw+Js=11.92kg·cm2（2）计算加在步进电动机转轴上的等效负载转矩Teq 分快速空载起动和承受最大工作负载两种情况进行计算。1） 快速空载起动时电动机转轴所承受的负载转矩Teq1由式Teq1= Tamax+ Tf+ To可知，Teq1包括三部分：一部分是快速空载起动时折算到电动机转轴上的最大加速转矩Tamax；一部分是移动部件运动时折算到电动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To。因为滚珠丝杠副传动效率很高，根据式To可知，TO相对于Tamax和Tf很小，可以忽略不计。则有：Teq1= Tamax+ Tf················（1-3）根据式Tamax=Jeq= ，考虑传动链的总效率，计算快速空载起动时折算到电动机转轴上的最大加速转矩： Tamax=···············（1-4）式中:nm对应空载最快移动速度的步进电动机最高速度，单位r/minTa步进电动机由静止到加速至nm转速所需时间，单位s。 nm=·············（1-5）式中Vmax空载移动最快速度，任务书指定2000mm/min； 步进电动机步距角，预选电动机0.36o； 脉冲当量，本例=0.005mm/脉冲；将以上各值代入（1-5），算得nm =400r/min。 设步进电机由静止到加速至nm转速所需时间ta=0.4s，传动链=0.85。则由式（1-4）求得： Tamax=0.147N·m由式可知，移动部件运动时，折算到电动机转轴上的摩擦转矩为： ··········（1-6）式中导轨摩擦因数，滚动导轨取0.005； Fz垂直方向的铣削力，空载时取0；传动链总效率，取0.85。则由式（1-6）得: 0.002N·m 最后由式（1-3），求得快速空载起动时电动机转轴所承受的负载转矩： Teq1= Tamax+ Tf=0.149N·m········（1-7）2）最大工作负载状态下电动机转轴所承受的负载转矩Teq2 由式Teq2= Tt+ Tf+T0可知Teq2包括三部分：一部分是折算到电动机转轴上的最大工作负载转矩Tt；一部分是移动部件运动时折算到电动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To，To相对与Tt和Tf很小，可以忽略不计。则有： Teq2= Tt+ Tf··········（1-8） 其中，折算到电动机转轴上的最大工作负载Tt由式Tt=计算 。本例中在对滚珠丝杠进行计算的时候，一直沿着丝杠轴线方向的最大进给载荷Fx=2794N,则有：Tt=2.62N·m再由式计算垂直方向承受最大工作负载（Fx=966N）情况下，移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩：0.003N·m最后由式（1-8），求得最大工作负载状态下电动机转轴的最大负载转矩为：Teq2= Tt+ Tf=2.623N·m经过上述计算后，得加在步进电机转轴上的最大等效负载转矩为:Teq= maxTeq1, Teq2=2.623N·m（3） 步进电动机最大静转矩的选定 考虑到步进电动机的驱动电源受电网电压影响较大，当输入电压降低时，其输出转矩下降，可能造成丢步，甚至堵转。因此，根据Teq来选取步进电动机的最大静转矩时，需要考虑安全系数。本例中取安全系数K=4，则步进电动机的最大静转矩应满足:Tjmax4 Teq10.46N·m·········（1-9）电动机保持转矩 T=12N·m。可见，满足式（1-9）的要求。(4) 步进电动机的性能校核1) 最快工进速度时电动机输出转矩校核 任务书给定工作台最快工进速度Vxmaxf=Vymaxf=300mm/min ，脉冲当量x=y=0.005mm/脉冲；由式求得电动机对应的运行频率fmaxf=300/(60X0.005)Hz999.75Hz。从110BYG550CH电动机的运行距频特性曲线图可以看出，在此频率下，电动机的输出转矩Tmaxf12N·m，远远大于最大工作负载转矩Teq2=2.623N·m。2） 最快空载移动时电动机输出转矩校核 任务书给定工作台最快空载移动速度Vmax=2000mm/min，仿照式求出电动机对应的运行频率fmax=2000/(60X0.005)Hz6667Hz。从图查得，在此频率下，电动机的输出转矩Tmax=9N·m，大于快速空载起动时的负载转矩Teq1=0.149N·m，满足要求。3） 最快空载移动时电动机运行频率校核 与最快空载移动速度Vmax=2000mm/min对应的电动机运行频率fmax6667Hz。查表可知110BYG550CH电动机的空载运行频率大于50000Hz，可见没超出上线。4） 起动频率的计算 已知电动机转轴上的总转动惯量Jeq=11.92kg·cm2，电动机转轴上不带任何负载时的空载起动频率fq=3500Hz。则由式fL=可以求出步进电机克服惯性负载的起动频率：fL=2442Hz上式说明，要求保证步进电动机起动时不失步 任何时候的起动频率都必须小于2442Hz。实际上，采用软件升降频时，起动频率选得更低，通常只有100Hz（即100脉冲/s）。综上所述，本例中工作台的经给传动选用110BYG550CH步进电动机，完全满足设计要求。五，程序设计1、程序流程图2、软件框图设计名称作用事件Label1显示控制轴Label2显示进给速度Combo1选择控制轴Combo2选择进给速度clickCommand1快进Mouse down/upCommand2后退Mouse down/upCommand3退出程序click3、程序编写见附件六、机械结构图见附件七、电气接线图八、设计心得为期三个星期的课程设计转瞬即逝，通过紧张的计算和设计，我圆满的完成了此次机电一体化系统设计的课程设计。机电一体化系统设计是一门综合性课程，它是一门机械技术与微电子技术的交叉学科。随着机械技术、微电子技术的飞速发展，机械技术与微电子技术的相互渗透越来越快。本次设计的数控回转工作台就是机电有机结合的产品。 在设计过程阶段，遇到了许多困难。在老师和同学的帮助下，最终把问题一一解决了。在做控制系统设计时遇到了较大的难题。由于以前对微机计算机控制部分知识没有掌握扎实，所以在控制程序设计也比较困难。通过本次课程设计之后也使自己更深一步的了解程序编写。通过本次课程设计之后，使自己对课本上的东西有更加深刻的的认识。由于自己的能力有限，设计中难免也存在不少细节上的错误，希望老师指出改正，并感谢老师您对我们的教九、参考文献【1】姜培刚，盖玉先 机电一体化系统设计【M】机械工业出版社，2003.9【2】杨裕根，诸世敏 现代工程图学【M】 北京邮电大学出版社，2007【3】尹志强、王玉林 机电一体化系统设计课程设计指导书M 机械工业出版社，2010附件：1、电机 技术参数型号 型号 型号 型号 型号 型号 型号 型号 参数 / 型号110BYG550AH110BYG550BH110BYG550CH110BYG550DH110BYG550EH 相电流 (A)5 步距角 ( ° )0.36/0.72 保持转矩 (N.M)69121620 转子惯量 (g.cm.s2 ) 5.38.2411.614.816.3 空载起动频率 (KPPS)3.5 空载运行频率 (KPPS)50 电机重量 (kg)4.65.36.98.611.6 驱动器电源输入AC80V4.5A 驱动器型号ZD-HB50510 L (mm)129140170201216 D1 (mm)1616161619 D2 (mm)5656565685 键尺寸 (mm) 5×255×255×255×256×25 矩频特性 引出线标记 安装尺寸2、直线导轨3、轴承4、滚珠丝杆 轴端参数丝杆行程5、联轴器 6、程序代码Option ExplicitDim AxesNum As LongDim lowspeed As DoubleDim highspeed As DoubleDim Accel As DoubleDim Dis As LongPrivate Function SetBoard() As Integer '初始化函数 Dim Rtn As Integer Rtn = auto_set() '板卡自检 If Rtn <= 0 Then '若自动设置错误则返回0 SetBoard = -1 Exit Function End If Rtn = init_board If Rtn < 0 Then SetBoard = -2 Exit Function End If SetBoard = 0End FunctionPrivate Sub GetParam() AxesNum = Val(Combo1.Text) '轴号 set_maxspeed AxesNum, highspeed set_conspeed AxesNum, lowspeed '设置常速运动参数 set_conspeed AxesNum + 1, lowspeed set_profile AxesNum, lowspeed, highspeed, Accel '设置梯形速度运动参数End SubPrivate Sub Combo2_Click() Select Case Combo2.Text Case "1级" lowspeed = 100 Case "2级" lowspeed = 200 Case "3级" lowspeed = 300 End SelectEnd SubPrivate Sub Command1_MouseDown(Button As Integer, Shift As Integer, X As Single, Y As Single) GetParam con_vmove AxesNum, 1End SubPrivate Sub Command1_MouseUp(Button As Integer, Shift As Integer, X As Single, Y As Single) GetParam sudden_stop AxesNumEnd SubPrivate Sub Command2_MouseDown(Button As Integer, Shift As Integer, X As Single, Y As Single) GetParam con_vmove AxesNum, -1End SubPrivate Sub Command2_MouseUp(Button As Integer, Shift As Integer, X As Single, Y As Single) GetParam sudden_stop AxesNumEnd SubPrivate Sub Command3_Click() EndEnd SubPrivate Sub Form_Load() If SetBoard < 0 Then '板卡初始化 MsgBox "初始化错误！", vbOKOnly, "MPC07演示 错误信息" '弹出“MsgBox”信息提示窗 End If GetParam '读取用户设置的运动参数 Combo1.AddItem "1轴" Combo1.AddItem "2轴" Combo2.AddItem "1级" Combo2.AddItem "2级" Combo2.AddItem "3级" End Sub