机电课程设计XY数控进给工作台设计大学课程设计（论文）内容：X-Y数控进给工作台设计院(系)部：机械工程学院学生姓名：学号:专业：机械电子工程班级：指导教师：完成时间：2010-10-08摘要当今世界电子技术迅速发展，微处理器、微型计算机在各技术领域得到了广泛应用，对各领域技术的发展起到了极大的推动作用。

一个较完善的机电一体化系统，应包含以下几个基本要素：机械本体、动力与驱动部分、执行机构、传感测试部分、控制及信息处理部分。

机电一体化是系统技术、计算机与信息处理技术、自动控制技术、检测传感技术、伺服传动技术和机械技术等多学科技术领域综合交叉的技术密集型系统工程。

新一代的CNC系统这类典型机电一体化产品正朝着高性能、智能化、系统化以及轻量、微型化方向发展。

关键字：机电一体化的基础基本组成要素特点发展趋势目录第一章课程设计的目的、意义及要求 (4)第一节课程设计的目的、意义 (4)第二节课程设计的要求 (4)第二章课程设计的内容 (5)第一节课程设计的内容 (5)第二节课程设计的内容 (5)第四章数控系统总体方案的确定 (6)第五章机械部分设计 (7)第一节工作台外形尺寸及重量初步估算 (7)第二节滚动导轨副的计算、选择 (8)第三节滚珠丝杠计算、选择 (10)第四节直流伺服电机的计算选择 (12)第五节联轴器计算、设计 (14)第六节限位开关的选择 (15)第七节光电编码器的选择 (15)第六章机床数控系统硬件电路设计 (15)第一节设计内容 (17)第二节设计步骤························ (17)第三节机床数控系统硬件电路设计 (21)第七章系统控制软件设计 (23)第八章参考文献 (26)第一章课程设计的目的、意义及要求第一节课程设计的目的,意义《机电一体化系统设计》课程设计是培养学生设计能力的重要实践性教学环节之一，是综合运用所学过的机械、电子、自动控制、计算机等知识进行的基本设计训练。

其目的是：1.能够正确运用《机电一体化系统设计》课程的基本理论和相关知识，掌握机电一体化系统（产品）的功能构成、特点和设计思想、设计方法，了解设计方案的拟定、比较、分析和计算，培养学生分析问题和解决问题的能力，使学生具有机电一体化系统设计的初步能力；2.通过机械部分设计，掌握机电一体化系统典型机械零部件和执行元件的计算、选型和结构设计方法和步骤；3.通过测试及控制系统方案设计，掌握机电一体化系统控制系统的硬件组成、工作原理，和软件编程思想；4.通过课程设计提高学生应用手册、标准及编写技术说明书的能力，促进学生在科学态度、创新精神、专业技能等方面综合素质的提高。

第二节课程设计的要求：1.课程设计应在教师的指导下由学生独立完成，严格地要求自己，不允许相互抄袭；2.认真阅读《课程设计指导书》，明确题目及具体要求；3.认真查阅题目涉及内容的相关文献资料、手册、标准；4.大胆创新，确定合理、可行的总体设计方案；5.机械部分和驱动部分设计思路清晰，计算结果正确，选型合理；6.微机控制系统方案可行，硬件选择合理，软件框图正确；7.手工或电脑绘制机械系统装配图一张（A1），控制系统电气原理一张（A1），图纸符合国家标准，布图合理，内容完整表达清晰；8.课程设计说明书一份（不少于8000字），包括：目录，题目及要求，总体方案的确定，机械系统设计，控制系统设计，参考文献等。

设计说明书应叙述清楚、表达正确、内容完整、技术术语符合标准。

第二章课程设计的内容第一节课程设计题目：X-Y数控进给工作台设计已知条件： X方向行程:300mm Y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: 0.01mm工作寿命:每天8小时,工作8年,250天/年第二节课程设计的内容1.数控装置总体方案的确定(1).数控装置设计参数的确定；(2).方案的分析，比较，论证。

2.机械部分的设计(1).机械部件的总体尺寸及重量的初步估算；(2).传动元件及导向元件的设计，计算和选用；(3).确定直流电机；(4).绘制机械结构装配图；(5).系统等效惯量计算；(6).系统精度分析。

3.数控系统的设计(1).微机及扩展芯片的选用及控制系统框图的设计；(2).I/O接口电路及伺服控制电路的设计和选用；(3).系统控制软件的设计4.编写课程设计说明书(1).说明书是课程设计的总结性技术文件，应叙述整个设计的内容，包括总体方案的确定，系统框图的分析，机械传动设计计算，电气部分的设计说明，选用元器件参数的说明，软件设计及其说明；(2).说明书不少于84字，尽量用计算机完成。

5.图纸(1).机械结构装配图，A0图纸1张。

要求视图基本完整，符合标准。

其中至少要有一个坐标轴的完整剖视图；第三章数控系统总体方案的确定数控系统总体方案设计的内容包括：系统运动方式的确定，执行机构及传动方案的确定，伺服电机类型及调速方案确定，计算机控制系统的选择。

进行方案的分析、比较和论证。

1.系统运动方式的确定该系统要求工作台沿各坐标轴的运动有精确的运动关系因此采用连续控制方式。

2.伺服系统的选择考虑到运动精度要求不高，负载不大，适合采用开环控制方式或采用半闭环控制方式。

半闭环伺服系统在负载不大时多采用直流电机作为伺服电机. 半闭环控制系统有检测反馈部件，因而能纠正系统的传动误差。

但半闭环系统结构较复杂，目前大多数数控机床和工业机器人中的伺服系统都采用半闭环控制。

3.计算机系统的选择采用AT89C51单片机扩展控制系统。

该单片机的主要特点是集成度高，可靠性好，功能强，速度快，性价比高。

控制系统由微机部分、键盘及显示器、I/O接口及光电隔离电路、步进功率放大电路等组成。

系统的工作程序和控制命令通过键盘操作实现。

显示器采用数码管显示加工数据和工作状态等信息。

4.X—Y工作台的传动方式为保证一定的传动精度和平稳性以及结构的紧凑，采用滚珠丝杠螺母传动副。

为提高传动刚度和消除间隙，采用有预加载荷的结构。

根据机电一体化系统对传动系统的要求：采用低摩擦系数的传动器件：滚珠丝杠、滚动导轨；无间隙联轴器；消除反向传动间隙等。

由于工作台的运动部件重量和工作载荷不大，故选用滚动直线导轨副，从而减小工作台的摩擦系数，提高运动平稳性。

5. 确定检测方案半闭环系统采用增量式光电编码盘检测电机或丝杠转角、转速、零位。

6. 系统总体框图如下:第四章 机械部分设计机械部分设计内容包括：工作台外形及重量的初步估算，选择直流伺服电机，传动及导向元件的设计、计算与选择，绘制机械部分装配图等。

第一节 工作台外形尺寸及重量初步估算根据给定的有效行程，画出工作台简图，估算X 向和Y 向工作台承载重量W X 和W Y 。

取X 向导轨支撑钢球的中心距为300mm,Y 向导轨支撑钢球的中心距为200mm,设计工作台简图如下:X 向拖板(上拖板)尺寸为:长*宽*高=630*185*25重量:按重量=体积*材料比重估算为: Wx =10⨯()20675.0026.063.0108.7025.0185.063.03⨯⨯⨯+⨯⨯⨯⨯=465N Y 向拖板(下拖板)尺寸为: 415*312*25重量:按重量=体积*材料比重估算为Wy =10⨯()2071.0046.0415.0108.7025.0312.0415.03⨯⨯⨯+⨯⨯⨯⨯=400N工作台的尺寸为: 500*300*35重量为 2W =10⨯(()5.06014.0011.0025.0108.7035.03.05.023⨯⨯+⨯-⨯⨯⨯⨯)=300N 夹具、工件重量约135N导轨(含电机)重量约700NX-Y 工作台运动部分总重量为:W =465+400+300+700+135=2000 N工作台简图第二节 滚动导轨副的计算、选择(1)Y 方向导轨由所给条件得,该导轨的额定工作时间为8250816000h L h =⨯⨯= 由3102S h s T T l n ⨯= 得3102nl T T s k s = 则km n l T T s k s 57610605.12.016000210233=⨯⨯⨯⨯==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 0.81112c h T W f f f f ====则由式2-9, 3)(Ff Ca f f f K T w c r h S = 得3/S wh T c F T K f Ca = 3102nl T T s k s = 50042000===∑M F F NN Ca 3.27881181.0250/5765003=⨯⨯⨯=X 方向导轨由所给条件得,该导轨的额定工作时间为8250816000h L h =⨯⨯= 由3102S h s T T l n ⨯= 得km n l T T s k s 438106012.016000210233=⨯⨯⨯⨯==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 0.81112c h T W f f f f ====则由式2-9, 3)(Ff Ca f f fK T w c r h S = 得3/S w h T c F T K f Ca = 50042000===∑M F F NN Ca 25451181.0250/4385003=⨯⨯⨯=选用日本THK 公司的LM 导轨的SSR-XW 型导轨,查表,其中SSR-20XW 型号的导轨的Ca 值为19600N,能满足八年的使用要求.额定载荷/N 静态力矩/N*M滑座重量 导轨重量导轨长度 动载荷 aC静载荷oCATBTCTgK/g K mL(mm) 19600 23400 1981982880.252.1700/500滑座个数单向行程长度每分钟往复次数M Sln4300/200 1.5/1导轨的额定动载荷17500a C =N依据使用速度v （m/min ）和初选导轨的基本动额定载荷a C (kN)验算导轨的工作寿命L n ：额定行程长度寿命:()H T C a W f f f C S f FT K =20004500M F MF ===1,2,0.81,1,50oT W C H R d f f f f K ======km F f Ca f f f K T w c r h S 21.20007550019600281.01150)(33=⎪⎭⎫⎝⎛⨯⨯==导轨的额定工作时间寿命:h h n l T T s H 160008336467602.012102.200075210303>=⨯⨯⨯⨯=⨯= 导轨的工作寿命足够.第三节 滚珠丝杠计算、选择由技术要求,平均载荷F=1500N,丝杠工作长度L=400mm, 工作寿命8250816000h L h =⨯⨯=,传动精度要求mm 01.0±=σ设导程P=5 mm ,则max600120/min 560001200/min5m n r n r ====(1) 求计算载荷N F K K K F m A H F c 15000.10.12.1⨯⨯⨯===1800N由条件,查《机电一体化系统设计》表2-6取F K =1.2, 查表2-6取H K =1.2, 表2-4取D 精度, 查表2-6取A K =1.0, (2)计算额定动载荷计算值/a C 由式(2-4)N L n F C h m ca 87531067.11600012018001067.13434≈⨯⨯=⨯'='(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 FC1-3205-2.5 Ca=10689N公称直径mm D 320= 导程5P mm = 螺旋角152'︒=λ 滚珠直径0 3.175d mm = 按表2-1中尺寸计算滚道半径 R=0.52d =0.52⨯3.175=1.651mm偏心距=-=)2(707.00d Re 0.0449 mm 丝杠内径R e D d 2201-+==32+2×0.0449-2×1.651=28.79 mm(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()acr EI F l πμ= 其中 E=206Gpa L=0.3m 448410.02171 1.09106464a d I m ππ-===⨯取23μ= 则2985220610 1.0910 5.53102(0.3)3cr F N π-⨯⨯⨯==⨯⨯ 安全系数535.5310368.981.510cr m F S F ⨯===⨯ 查表2-10 [S]=2.5-3.3 S>[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cr n ,要求丝杠的最大转速max cr n n <221223.9270.02821991099108293328/min 2()(0.3)3c cr f d n r l μ===⨯ max cr n n < 所以丝杠不会发生共振〈3〉此外滚珠丝杠副还受0D n 值的限制,通常要求40340710/min25120/min 310/min 710/minD n mm r D n mm r mm r mm r <⨯•=⨯•=⨯•<⨯•(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()L m ∆为202pF p TL EA GJ π∆=±±式中,A 为丝杠截面积,A=2211();4C d m J π为丝杠的极惯性矩, 4411();32C J d m π=G 为丝杠切变模量,对钢G=83.3GP a;T(N •m)为转矩.0tan()2m DT F λρ=+式中, ρ为摩擦角,其正切函数值为摩擦系数; m F 为平均工作载荷.取摩擦系数为ρtan =0.003,则得8101'''=ρ M N M N T •≈•'''+'︒⨯⨯⨯=-27.1)8101152tan(1023215003 按最不利的情况取(F=m F )m Gd T p Ed pF GJ T p EA pF L m C 849223293412221201068.5)02879.0(103.83)14.3(27.1)105(16)02879.0(1020614.3150010541642---⨯≈⨯⨯⨯⨯⨯⨯+⨯⨯⨯⨯⨯⨯=+=+=∆πππ则丝杠在工作长度上的弹性变形所引起的导程误差为mm p L l L 0045.01051068.54.0380=⨯⨯⨯=∆=∆-- 通常要求丝杠的导程误差小于其传动精度的1/2,即 mm L 005.001.02121=⨯=<∆σ该丝杠的L ∆满足上式,所以其刚度可满足要求. (6)效率验算943.0)8101152tan()152tan()tan(tan ='''+'︒'︒=+=ρλληη要求在90%---95%之间,所以该丝杠副合格.经上述计算验证,FC13205-2.5各项性能均符合题目要求,可选用.第四节 电机的选择1. 电机类型选择在半闭环控制的中小型伺服系统中,可以采用直流电机。