十字滑台机电设计
- 格式：doc
- 大小：1.13 MB
- 文档页数：23
Teq1= Tamax+ Tf················（1-3）
根据式Tamax=Jeqξ= ，考虑传动链的总效率η，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/min
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=118 a f d-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：
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η=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μ—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；
（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。
Fc=118 150.850.1 10-0.73101.03000.133≈2540N
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=1.1Fc≈2794N
横向进给力 Fe=0.38Fc≈966N
垂直进给力Ffn=0.25Fc≈635N
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ρ=7.85X10-3kg/cm3；移动部件总重力G=600N
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：
（4） 传动效率 的计算
将公称直径do=28mm，导程ph=5mm，代入 =arctan[ph/ 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δ1=Fm/530≈0.0058mm。
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δ2=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δ2=0.0009mm。
将以上算出的δ1和δ2代入δ总=δ1+δ2，求得丝杠总变形量（对应跨度500mm）δ总=0.0067mm=6.7um。根据有效行程330mm，查表3-27符合要求。
Ta—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；
α—步进电动机步距角，预选电动机0.36o；
δ—脉冲当量，本例δ=0.005mm/脉冲；
将以上各值代入（1-5），算得nm=400r/min。
η—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：
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。
5）加工材料为碳素钢；
6）X、Y方向的脉冲当量δx=δy=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。
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。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）
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）
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；
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：
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。
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）
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。
根据式Tamax=Jeqξ= ，考虑传动链的总效率η，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/min
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=118 a f d-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：
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η=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μ—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；
（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。
Fc=118 150.850.1 10-0.73101.03000.133≈2540N
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=1.1Fc≈2794N
横向进给力 Fe=0.38Fc≈966N
垂直进给力Ffn=0.25Fc≈635N
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ρ=7.85X10-3kg/cm3；移动部件总重力G=600N
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：
（4） 传动效率 的计算
将公称直径do=28mm，导程ph=5mm，代入 =arctan[ph/ 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δ1=Fm/530≈0.0058mm。
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δ2=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δ2=0.0009mm。
将以上算出的δ1和δ2代入δ总=δ1+δ2，求得丝杠总变形量（对应跨度500mm）δ总=0.0067mm=6.7um。根据有效行程330mm，查表3-27符合要求。
Ta—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；
α—步进电动机步距角，预选电动机0.36o；
δ—脉冲当量，本例δ=0.005mm/脉冲；
将以上各值代入（1-5），算得nm=400r/min。
η—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：
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。
5）加工材料为碳素钢；
6）X、Y方向的脉冲当量δx=δy=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。
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。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）
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）
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；
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：
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。
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）
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。
