《机电一体化系统设计》课程设计

《机电一体化系统设计》

课程设计说明书

设计题目： 钻床改装用数控XY工作台设计（190*210mm2）(C) 

班    级：     机电071班                                           

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教研室主任：                                             

设计要求：

设计要求包含以下几个部分：

1、数控XY工作台机械部分的设计计算

2、数控XY工作台机械部分装配图设计（A1）

3、基于运动控制卡的控制系统硬件系统设计图（附在说明书中）

4、编写设计说明书（不少于18页）

广西工学院

机电一体化教研室

2011-1-11

《机电一体化系统设计》课程设计指导

一、设计目的

通过本次设计，使学生全面地、系统地了解和掌握机电一体化技术的基本内容和基本知识，初步掌握机电一体化系统设计方法，并能学会运用手册、标准等技术资料。同时培养学生的创新意识、工程意识和动手能力。

二、设计内容

题目：钻床改装用数控XY工作台设计

1、设计一套简易数控XY工作台，固定在某个钻床的工作台上，XY工作台的位置控制采用步进电机数控系统，通过上述方案将该普通钻床改装成简易的经济型数控钻床。

2、设计要求：

改造后的钻床能够加工的最大面积为：A*B mm2的工件，最大工件重量：150kg.数控XY工作台要求孔的定位精度在+/-0.02mm内，工作台快进速度为2m/min,加减速时间为0.2秒。

三、机械部分改装设计计算

1、初步确定工作台的尺寸及其重量

   根据设计要求，所取的能够加工的最大面积为，最大工件的重量为。因此我初定工作台的。工作台的材料为号钢，其密度为。（取）因此：

1.1、工作台（X向托板）

重量=体积×密度

1.2、取Y向托板=X向托板

1.3、上导轨座（连电机）重量

     初步取导轨座的长，宽为，高为。因此

所以根据上面所求，得XY工作台运动部分的总重量

为：

根据要求所知，其最大加工工件为，因此：

2、传动系统设计

2.1、脉冲当量是一个进给指令时工作台的位移量，应该小于等于工作台的位置精度的1/2，由于定位精度在内，因此：，

2.2、取联轴器传动，因此它的传动比为,取丝杠的导程为。取步距角β为0.9度，所以 脉冲当量  

3、滚珠丝杠的设计计算及选择

3.1求丝杠的静载荷

已知其计算公式 《数控机床系统设计》公式5-2 

式中的硬度系数，取1.0  《数控机床系统设计》表5-2

      载荷系数，取1.5   《数控机床系统设计》表5-2

      ：丝杠工作时的轴向阻力

根据：

其中为0.003-0.004 因此： 

3.2、确定动载荷及其使用寿命

根据丝杠动载荷公式：

式中：：额定动载荷

      ：动载荷系数，轻微冲击取1

      ：硬度系数，取1

      ：当量动载荷，N

：寿命

根据：使用寿命使用寿命

所以

式中的丝杠的最高转速，因题目中所给其工作台快进的速度为，因此其计算为：

所以：

3.3滚珠丝杠的选取

根据动载荷及动载荷和公称导程值的核对，最后选取的滚珠丝杠的型号为FF1204-3 ，其公称直径为12mm，公称导程为4mm，动静载荷分别为4KN和6.7KN。滚珠直径2.381mm,刚度208，外径11.3mm,丝杠底径9.5mm,循环圈数3。

   滚道半径=1.238mm    《机电一体化技术基础及应用》表2-4

 偏心距  

 丝杠内径9.6mm

(1)稳定性计算  式中E=2.06

   长度系数，两端用铰链时=1      =0.3m

所以  因为                     

  2.5~4  是安全的

(2)刚度验算 

按最不利情况考虑，螺纹螺距因受轴向力引起的弹性变形与受转矩引起弹性变形方向是一致的。所以  式中    ,    《机电一体化技术》

, 

S=P=4mm, 9.6mm,G=83.3.

每米螺纹长度上距离弹性变形为。

滚动螺旋可按滑动螺旋（同精度等级）的一半，根据有关表得出=15m/m，所以： <

(3)效率验算===0.973  

4、滚动导轨的计算与选择

   导轨是数控机床的重要部件之一，它在很大程度上决定数控机床的刚度，精度与精度保持性。

4．滚动导轨副的结构介绍

滚动直线导轨副是由导轨、滑块、钢球、返向器、保持架、密封端盖及挡板等组成，如图：

1）导轨的当量载荷

GGB25预加载荷类别为轻预载时，按表6.3-12（机电一体化设计手册—下册）查得预紧力为198.5N。、是两个导轨滑块的受力。

2）当量载荷760N.

3）计算额定动、静载荷

   计算长度寿命： 

式中：  ——温度系数 ，按表6.3-3取=1

    ——接触系数，按表6.3-4取=0.81

 ——载荷系数，按表6.3-5取=1.5

硬度系数，硬度58 ~HRC时取1.0

 ——额定动载荷，南京艺工网查得GGB16AA查得为8.51KN. 

以小时为单位的额定寿命 T=

   式中：l——单向行程，l=0.34m

         n——每分钟往返次数，，取n=3

   代入数据解得：T= 869h

 ,   T，所选导轨类型符合.

线导轨副系列丝杠副滚珠。如下图所示：

选择GGB16AA型号，其额定基本静载荷.

4）验算额定静载荷

   取安全系数，按下式验算  

   其中=760N ，         满足要求

5、步进电机的设计计算和选用

   已知快进速度：  丝杆导程: 

   所以最高转速： 

     最高频率：

1计算系统在电机轴上的等效转动惯量

   工作台快速移动时的等效转动惯量：

式中：M=187kg , ,,

   代入上式解得：

转动部件转换到电机轴上的等效转动惯量：

  式中：D——丝杆公称直径12mm. 

         l——支座总长，l=400mm

 代入算得：

因此总的转动惯量为：

2电动轴转矩的计算

1）空载启动时，电动机的加速转矩：

式中的为丝杠的最高转速

   为电机加减速时间（0.2s）所以：

2）电机轴上的摩擦转矩

     式中的为伺服传动链的总效率，取0.8

3）计算附加摩擦力矩

式中的为滚珠丝杠示预紧时的效率，取0.9。 因此由述计算可知电动机的总的转矩为

4) 步进电动机的选择

根据上述分析，最后我选定步距角为0.9度的型号为86BYG101的步进电动机，其最大静转矩为1.2>我所需要的0.0268。其外形结构及尺寸如下图所示：

6、联轴器的选择

6.1、联轴器的介绍

    联轴器属于机械能用零误了件范畴，用来联接不同机构中的两根轴（主动轴和从动轴）使之共同旋转以传递扭矩的机械零件。在高速重载的动力传动中，有些联轴器还有缓冲，减振和提高轴系动态性能的作用。联轴器由两半部分组成，分别与主动轴和从动轴联接。

6.2、联轴器的选择

由选择出丝杠的型号和步进电机的型号综合考虑联轴器的尺寸大小并选择相应的型号。丝杠轴端=12mm，电机轴端=9.5mm，由网址：查得：

根据轴径选择联轴器的规格型号为：LK7-25-SLK7-25

7、轴承座的选择

根据滚珠丝杠的公称直径为12mm，因此我先择的轴承座为：查http:// 

其外观图为：

其参数为：

根据参数，我所选的型号为EK-12

装配参数：

四、硬件系统设计

 1、DMC3000

    DMC3000系列是一种性能优越、功能强大的运动控制卡，特别适合于多轴插补联动等复杂用途。由于卡上带有硬件插补处理器，两轴圆弧插补和多轴直线插补均可在卡上进行处理，PC机公需向卡上写入插补运动的终点和圆心值即可。卡上的预置寄存器可预先存储下一运动的数据，待当前运动执行完毕后，即自动装载并执行下一动动，因此本卡能很好地执行多段连续路径插补动动。此卡还有许多其它高级功能，如T/S形速度曲线、编码器或光栅计数、手轮输入、精密Z信号找零、非对称速度曲线、动态可改速度和目标位置等

DMC3000 特点

1） 四轴同时或插补运动    2）任意两轴和三轴线性插补功能

3）常矢量速度连续插补功能     4）T/S 对称或非对称速度曲线

5）两种编码器输入脉冲类型：A/B 相或双脉冲􀁺

6）位置管理和软件限位开关功能  7）运动中可光滑改变速度和目标位置

8）四轴可同时起动功能    9）功能强大的MOTION3000 测试软件

10）最多可达16 进16 出I/O  11）每轴最大输出脉冲频率4MPPS

12）两轴圆弧插补功能       13）由上位机控制的位图插补功能

14）两种脉冲输出类型：双脉冲或脉冲/方向

15）每轴编码器输入脉冲频率最大1MHZ

16）板卡号ID 设置 ，同一电脑最多可插12 块卡

17）支持手轮和JOG 功能      18）可编程中断源

19）DMC3400 DLL 函数库和适用于Windows 95/98/

NT/2000

20）可用VB/VC/C++ BUILDER 等编程

控制卡原理结构见下图

XY工作台控制系统结构图

四、总结

经过10天时间的课程设计完成了整个钻床XY工作台的机械部分的设计、计算及选取。在结构上看似简单，但是真正在着手的时候发现自己还有很多方面不懂，因此需要努力加强自己的专业方面的理论知识及实践能力。

本次设计的主要内容包括，滚珠丝杠，滚动导轨及步进电动机的计算及选取和轴承座、联轴器的选取。在其计算方面我采用了最常规的方法，因此对于所设计的工作台的实用性有一定的保障。另外在导轨座，工作台及其配装的设计中，加入了自己的一些想法，有所创新，也希望能够经的住实践的考验。

在设计中也遇到了一些问题，感谢梁蔓安老师的精心指导，由于本人经验不足，专业水平有限以及一些不可预见的因素，所以设计中也必定会出现一些问题，恳请老师批评指正。

五、参考文献

【1】《数控机床系统设计》，北京：化学工艺出版社

【2】《机电一体化技术基础及应用》上海：机械工业出版社

【3】毛昕，《画法几何及机械制图》，北京：高等教育出版社

【4】胡炜，《AutoCAD2008案例精解》，北京：中国电力出版社

【5】南京艺工igong.com/

【6】daoquan.com/

【7】