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1、目录一、任务书2二、总体方案的确定31、机械传动部件的选择32、控制系统的设计4三、机械传动部件的计算与选型51、导轨上移动部件的重量估算52、铳削力的计算53、直线滚动导轨副的计算与选型74、滚珠丝杠螺母副的计算与选型95、步进电动机减速箱的选用136、步进电动机的计算与选型137、三菱PLC控制X-Y工作台电气连接图188、三菱PLC控制X-Y工作台程序:19参考文献20一、任务书设计题目：X-Y数控工作台机电系统设计设计任务：设计一台微机控制XY两坐标工作台，供立式数控铳床使用。具体内容如下：1、机械系统设计：通过计算,正确选择传动机构、导向机构、执行机构、驱动电机等,根据计算说明，绘制
2、机械系统装配图。2、控制系统设计：根据系统要求，选择正确的控制策略，设计合理的控制系统，并绘制控制系统电路图。3、主要程序设计：在机械系统设计与控制系统设计的基础上，进行控制系统的主程序设计，列出程序清单。4、设计说明书撰写。系统主要参数：1、立铳刀最大直径d=15mm2、立铳刀齿数Z=33、最大铳削宽度=15加4、最大背吃刀量=8相加5、加工材料为碳素钢或有色金属6、X,Y方向的脉冲当量2=4,=0.005帆帆/p7、X,Y方向的定位精度均为0.0Imm8、工作台面尺寸为24OmmX254mm,加工范围为30OmmX25Omm9、工作台空载最快移动速度vA.max=Vymax=5000Hlm
3、/min10、工作台进给最快移动速度匕max/=vvmax=1000/mi11时间安排及任务：一、系统功能介绍、总体方案设计（1天）1.机电一体化产品设计的基本过程介绍；2.XY工作台功能介绍；3.总体方案的确定二、单元功能模块介绍和设计任务的落实（1天）三、详细设计（10天）1.机械系统装配图设计；2.控制各部分原理图的设计；3.主功能程序的编制-二、总体方案的确定1、机械传动部件的选择(1)导轨副的选用名字要设计的X-Y工作台是用来配套轻型的立式数控铳床，需要承载的载荷不大，但脉冲当量小(BK=、=0005aw%/p),定位精度高Vvinaxz=Vymaxz=I(XX),三:Zmin),因
4、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/J动，要满足0.005mm的脉冲当量和0.02mm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。滚珠丝杠副亨1:的传动精度高、动态响应快、运转平稳、寿命长、效率高、预一,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J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,降拟采用减速器低运动部件折算到电动机转轴
5、上的转动惯量，可能需要减速装置，且应有消除间隙机构。为此,系统中决定采用无间隙齿轮传动减速箱。(4)伺服电动机的选用J任务书规定的脉冲当量尚未达到0.OOImm,定位精度也未达到微米级，空载最快移动速度也只有200OmnI/min。因此，本设计不必采伺服电机选步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，可进电机以选用性能好些的步进电动机,如混合式步进电动机，以降低成本,提高性价比(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
6、，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铳床上，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MCS-51系列的8位单片机AT89S52作为控制系统的
7、CPU,应该能够满足任务书给定的相关指标。单片机选：AT89S52(3)要设计一台完整的控制系统，在选择CPU之后，还需要扩展程序存贮器、数据存贮器、键盘与显示电路、I/O接口电路、D/A转换电路、串行接口电路等。需要电路扩展三、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G=800N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800N。2、铳削力的计算设零件的加工方式为立式铳削，采用硬质合金立铳刀，工件的材料为碳钢。则由表2-1查得立铳时的铳削力计算公式为：表2/硬质合金铳刀铳削力的计算公式(
8、单位N)“，铳刀类型工件材料铳削力公式面铳刀碳钢FC=1127806工-人%；90如8Z灰铸铁Fc=5390074t/1X90Z可锻铸铁Z=482,c75J-,020Z圆柱铳刀碳钢=oo88075-0870z灰铸铁Fc=596a-80d904QZ三面刃铳刀碳钢=256Oa98,no,Z两面刃铳刀7=274680-70,85Z立铳刀FC=11-.75q73常心受期中：ap为背吃刀量mm；ac为侧吃刀量mm；fz为每齿进给量mm/Z；Vf进给速度mm/min；Z铳刀齿数；d铳刀直径mm；n铳刀转速rmin,见图2-1。Fe=11阮如3z(2-1)a）立铳 b）圆柱铁削c）端铳图2-1铳削用量说明若
9、铳刀直径d=15mm,齿数Z=3,为了计算最大铳削力，在不对称铳削情况下，取最大铳削宽度ac=15mm,背吃刀量ap=8,每齿进给量fz=0.1mmZ;铳刀转速n=300rmin0则由公式2-1求得最大铳削力：月=118X2O0850.175X200738,03000,3314632V采用立铳刀进行圆柱铳削时，各铳削力之间的比值可由表2-2。表2.2各铳削力之间比值铳削条件比值对称铳削不对称铳削逆铳顺铳端铳削ae=(0.40.8)dmmfz=(0.10.2)(mm.z1)Ff/Fc0.30.40.60.90.150.3Fe/Fc0.850.950.450.700.91.0Fm/FC0.500.
10、550.500.550.50.55圆柱铳削ae=0.05d/mmfz=(0.1-0.2)(mm.z-1)Ff/Fc1.01.20.80.9Fm/Fc0.20.30.750.8Fe/Fc0.350.40.3250.4Fz=556NFx=1609NFy=366N图2-3顺铳与逆铳由表2-2,图2-2和图2-3,考虑逆铳情况，可估算出三个方向的铳削力分别为：Ff=l.lFc1609,KFe=0.38月556MFfn=0.25336/V图2-3a为卧铳情况，现考虑立铳，则工作台受到垂直方向的铳削力Fz=Fc=556N,受到水平方向的铳削力分别为Ff和Ffno今将水平方向较大的铳削力分配给工作台的纵向（
11、丝杠轴线方向），则纵向铳削力FX=Ff=I609N,径向铳削力Fy=Ffn=700N。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。XY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）导轨副的型号:ZL系列的JSA-LG15型导轨长度为520mm其中，移动部件重量G=900N,外加载荷F=FZ=719N,代入式2-2得最大工作载荷9L宗尸=呼+500=700N=(三V查表3-4148,根据工作载荷FmaX
12、=O7kN,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=7.94kN,额定静载荷COa=9.5kN.任务书规定工作台面尺寸为240mmX254mm,加工范围为30OmmX250mm,考虑工作行程应留有一定余量，查表3-35网45,按标准系列，选取导轨长度为520mm.表3-35JSA型导轨长度系列导轨型号导3度长度系SA-LGI5280340400460520580640700760820940JSA-LG2034040052058064076082094010001201240JSA-LG2546064080010001240136014801600184019
13、603000JSA-LG3552060084010001080124014801720220024403000JSA-LG4555065750850950125014501850205025503000JSA-LG5566078090010201260138015001980222027003000JSA-LG65820970112012701420157017202020232027703000(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I(XrC,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。查表每根导轨上滑块数1
14、2345ft1.000.810.720.660.61表26接触系数距离寿命为 180km远大于 期望值50km, 故距离额定寿 命满足要求精度等级2345fR11.00.90.9表27精度系数表24硬度系数滚道硬度(HRC)505558-64fH0.530.81.0表2-5温度系数工作温度/90%,合格。效率要求大于90%,该丝杠副合格。（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=500mm;钢的弹性模量E=2.1X10$MPa；查附件3,得滚珠直径DW=3.175mm,丝杠底
15、径d2=28.2mm,丝杠截面积S-d/4=624.26nn2。丝杠的拉伸或压缩变形量6I在总变形量中的比重较大，可按下式计算：6=乙2幽;（2-5严【可1ES2IE式中：Fm一一丝杠的最大工作载荷，单位为Na一一丝杠两端支承间的距离，单位为mmE丝杠材料的弹性模量，钢的E=2.1XIO5MPaS一一丝杠按底径d2确定的截面积，单位为mnM转矩，单位为NmmI丝杠按底径ch确定的截面积惯性矩（/=成；/64）,单位为m?滚珠与螺纹滚道间的接粗变形量2无预紧时当=6003心（2-6）啪有预紧时6、=0.0013/Fm（27/阳1 闻ZvwZvIO式中Dw滚珠直径，mmZe一一滚珠总数量，ZE=Z
16、X圈数X列数Z单圈滚珠数，Z=成0/。卬（外循环），Z=（成0OW）3（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=0.0124mmUnKFma1779500CCUPJ1=2-=70.0132/7/H,ES2.1IO5624.262）根据公式Z=（欣0/。卬）-3,求得单圈滚珠数z=17;该型号丝杠为单螺母，滚珠的圈数X列数为4X1,代入公式：ZAZX圈数X列数，得滚珠总数量ZX=51。丝杠预紧时，取轴向预紧力FYj=Fn3=593N0则由式2-7,滚珠与螺纹滚道间的接触变形量62F1779S2=0.0013/-=0.l3-/0.0029
17、6r三1（DwFjZvlo10V3.17559351210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，2=0.000148mmo3）将以上算出的6I和S代入逛二4+&=0.0132+0.（XX）148=0.013348mm=13.348ma丝杠的有效行程为300mm,由表3-273135知，4级精度滚珠丝杠有效行程在25040Omm时，行程偏差允许达到16Um,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）42卜Ka2m式中Fk临界载荷，单位Nfk丝杠支承系数
18、，如表所示K压杆稳定安全系数，一般取2.54,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211丝杠支承系数卬42丝杠不会失稳综上所述，初选的滚珠丝杠副满足使用要求。方式双推-自由双推-简支双推-双推单推-单推fk0.25241查表2-11,取fk=l;由丝杠底径d2=28.2mm,求得截面惯性矩：/=4649910.4411;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550mm。代入式2-8,得临界载荷FkQ22611N,远大于工作载荷Fm=I779N,故丝杠不会失稳。5、步进电动机减速箱的选用滚珠丝杠转动 陵里=3.14kg.cm2托板折算
19、到丝 杠上的转动惯 量=0.317kg.cm2为了满足脉冲当量的设计要求，增大步进电动机的输出转矩，同时也为了使滚珠丝杠和工作台的转动惯量折算到电动机轴上尽可能小，决定在步进电动机的输出轴上安装一套齿轮减速箱。采用一级减速，步进电动机的输出轴与小齿轮联接，滚珠丝杠的轴头与大齿轮联接。其中大齿轮设计成双片结构，采用右图所示的弹簧错齿法消除侧隙。计算减速器传动比已知工作台的脉冲当量S=0.01mmP,滚珠丝杠的导程Ph=5mm,初选步进电动机的步距角=0.75o,算得减速比：aPh0.7552513600厂3600.01-24由于传动比约等1,故不需要减速箱6、步进电动机的计算与选型（1）计算加在
20、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=32mm;总长1=50Omm导程Ph=5mm;材料密度P=7.85X103kgcm3移动部件总重力G=800N;1）滚珠丝杠转动惯量:nD26.24267.8550D20.0012=3.14AgCnr88托板折算到丝杠上的转动惯量:JW=（空、50=0.317cn2初选步进电动机型号为90BYG2602,为两相混合式，由常州宝马集团公司生产，二相八拍驱动时步距角为0.75,从附件4表4-53K查得该型号电动机转子的转动惯量Jm=4kg.cm2o则加在步进电动机转轴上的总转动惯量为：Jeg=Jm（Jw+4）i2=13.916必c步进
21、电动机转轴上的总转动惯量=13.916kg.cm2（2）计算加在步进电动机转轴上的等效负载转矩Teq分快速空载启动和承受最大工作负载两种情况进行计算。快速空载启动时电动机转轴所承受的负载转矩TcqiT=TamaX+4+/第式中：Tamax快速空载启动时折算到电动机转轴上的最大加速转矩，NmT,一一移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩，NmT0滚珠丝杠预紧后折算到电动机转轴上的附加摩擦转矩，NmT11241Tam=Jeq=,（2-10）式中：Jcq步进电动机转轴上的总转动惯量，kg.m2电动机转轴的角加速度，rads2ntn电动机转速，r/minta电动机加速所用时间，s,一般在0.3IS
22、之间选取。（这里取0.4S）n齿轮组总效率，取n=o.9%a010000.75.nn,=-=208rmn3603600.01式中vmax空载最快移动速度，任务书指定为1OOOmmZmin;步进电机步距角，预选电动机为0.75脉冲当量，任务书指定为0.0ImmZP由式2-10得_217.110l208.io.=Nm0.1084Nm“max600.40.75驾二应皱=吧也竺72（2-11）2i2i20.71.0电动机转速=208rmin快速空载启动时折算到电动机转轴上的最大加速转矩=0.1084Nm移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩=0.004Nm式中F摩导轨的摩擦力，NPh滚珠丝杠导程，
23、m齿轮总效率，取n=o.9i一一总的传动比，i=nmns,其中n111为电动机转速，取为丝杠的转速。导轨摩擦因数（滑动导轨取0.I50.18）,滚动导轨取0.0030.005）；这里取0.005FZ一垂直方向的工作载荷，空载时Fz=OFZ=（.+G）（2-12）式中：P导轨摩擦因数（滑动导轨取0.150.18）,滚动导轨取0.0030.005）；Fc一一垂直方向的工作载荷，车削时为F,立铳时为FZ单位为N,空载时FC=0；G一一运动部件的总总量，单位为N”=驶（1-欣）（2-13）2式中Fyj一一滚珠丝杠的预紧力，一般取滚珠丝杠工作载荷Fm的1/3,单位为N；Ho一一滚珠丝杠未预紧时的传动效率
24、，一般取no2O.9由于滚珠丝杠副的传动效率很高，所以To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：Teq=7Lmax+7Lmax+Tf=0.1084+0,（X）4=0.1124TVm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=0.1124Nm2）最大工作负载状态下电动机转轴所承受的负载转矩Tcq23Z+Tf+（2-14）式中：Tf和TO分别按式2-11和2-13计算。T1折算到电动机转轴上的最大工作负载转矩TFfPh16090.005U,一八T1=1.76Nm（2-1
25、5）2t2乃X0.7X1.0式中F,一一进给方向最大工作载荷，单位No本设计对滚珠丝杠进行计算的时候，已知沿着丝杠轴线方向的最大进给载荷Fx=2802No由式2-11得：垂直方向承受最大工作负载（Fz=719N）情况下，移动部件运动时折算到电动机折算到电动机转轴上的最大工作负载转矩=1.76Nm移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩=0.008Nm最大工作负载状态下电动机转轴上的摩擦转矩：T=迫=（凡+G）A=0.005x（500+800）x0.005XQgm,2i2ri20.7.0则由式2-14得：Tet,2=Tl+Tf+7；+Tf=1.768综上计算，得到加在步进电动机转轴上的最大等效
26、负载转矩应为：q=rmxq,%=L768MW转轴所承受的负载转矩Teq2=1.768Nm综上计算，得到加在步进电动机转轴上的最大等效负载转矩应为：1.768Nm（3）步进电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，其输出转矩会下降，可能造成丢步，甚至堵转。因此，根据TCq选择步进电动机的最大静转矩时，需要考虑安全系数。这里取安全系数K=4,则步进电动机的最大静转矩应满足：GaX4=4x1.768=7.072Nm上述初选的步进电动机型号为90BYG2602,由附件4表4-5查得该型号电动机的最大静转矩4=KNm可见，满足要求。步进电机最大静转矩满足要求。（
27、4）步进电机性能校核1）最快工作速度时电动机输出转矩校核任务书给定工作台最快加工进给速度vmax/=IoO,脉冲当量=0.012/p,则电动机对应的运行频率为：,vmaxz1000_20hmaxz60S600.01ft督40l.IOIO2IO3IO4/7Hz图2-290BYG2602步进电机运行距频特性曲线最快工作速度时电动机输出转矩满足要求。从图2-2查得，在此频率下，电动机的输出转矩TmaX尸4.6Nm,大于最大工作负载转矩Tcq2=1.768Nm,满足要求。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%a=2（XX）即min,则电动机对应的运行频率为：ym=l=2
28、000=3333HZmax60S600.01从图2-2查得，在此频率下，电动机的输出转矩TmaX=2Nm,大于快速空载启动时的负载转矩TCqI=O.1124Nm,满足要求。最快空载移动时电动机输出转矩校核满足要求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/ax=2000W/min对应的电动机运行频率可达10000Hz。查附件4表4-5可知90BYG2602电动机的空载运行频率可达20000Hz,可见没有超出上限。最快空载移动时电动机运行频率校核满足要求4）启动频率计算已知电动机转轴上的总转动惯量J=13.916Zgc,电动机转子的转动惯量Jzh=4cw2,电动机转轴不带任何负载时的
29、空载启动频率4=1800z。则可以求出步进电动机克服惯性负载的启动频率：fl=/q=85OHZ+MJ,因此，要保证步进电动机启动时不失步，任何时候的启动频率都必须小于1095Hz。实际上，在采用软件升降频时，启动频率选的更低，通常只有100Hz。综上所述，工作台选用90BYG2602电动机完全满足设计要求。90BYG2602电动机完全满足设计要求8、三菱PLC控制XY工作台程序:手动控制程序SZSH-自动控制程序ZRSTMOMZRSTYOOOIaQaI(M0)(Y002)(Y003)FLSRK20K2000K100RSTM1FSTM4SETM1RSTM2SETM3PLSRK20K20KIOCPSTM1RSTM4(SETM2RSTM3SETM4(END)参考文献尹志强.机电一体化系统设计课程设计指导书M.北京:机械工业出版社,2007.7.2赵松年.机电一体化机械系统设计M.北京:机械工业出版社,1997.6.3张建民等.机电一体化系统设计M.北京理工大学出版社,1996.8.4陈强，解云龙.机械系统的微机控制M北京:清华大学出版社，1999.8.5李金城.三菱FX系列PLC定位控制应用技术M.北京:电子工业出版社，2014.6李全利.PLC运动控制技术应用技术M.北京:机械工业出版社,2(HL度常初.S7-200PLC编程及应用M.北京:机械工业出版社，2014.
