机电综合课程设计XY数控工作台机电系统设计.doc

北京信息科技大学
机电综合课程设计
--X-Y数控工作台机电系统设计

题 目： X-Y数控工作台机电系统设计
学 院： 机电工程学院
专 业： 机械制造及其自动化
学生姓名： 王 小 保
班级/学号： 机械1001 /
指导老师： 李 天 剑
起止时间： 2023/ 01 /05 –2023/ 01/17

目 录

一、设计任务 4
二、总体方案的拟定 4
1、机械传动部件的选择 …….4
(1)丝杠螺母副的选用 5
(2)导轨副的选用 5
(3)伺服电动机的选用 5
2、控制系统的设计 5
3、绘制总体方案图 6
四、机械传动部件的计算与选型 6
1、 导轨上移动部件的重量估算 6
2、铣削力的计算 6
五、步进电动机的计算与选型 10
1、传动计算 10
2、计算加在步进电动机转轴上的总转动惯量Jeq 10
3、计算加在步进电动机转轴上的等效负载转矩Teq 11
4、步进电动机最大静转矩的选定 13
六、直线滚动导轨副的计算与选型 15
1、块承受工作载荷的计算及导轨型号的选取 15
2、距离额定寿命L的计算 15
七、 绘制进给传动系统示意图 16
八、控制系统硬件电路设计 16
九、步进电动机的驱动电源选用 19
结 束 语 19

参考文献...................................................................20

一、设计任务
题目：X-Y数控工作台机电系统设计
任务：
1、 工作台和工件总重量：W= 1310 N ；
2、 X-Y行程：400mm；工作台面尺寸300 mm ×300 mm
3、 进给速度：V=10mm—500 mm /min，空载快速移动速度V=2023 mm /min，，启动时间T启=0.4s。
4、 最大切削分力：FZ= 3070 （垂直方向）；
FX= 3500 （横向）；
FY= 3500 （纵向）；
5、 定位精度：0.01mm；
6、 脉冲当量 =0.005mm/step
7、 设计寿命：15000h。
二．总体方案的拟定
1、机械传动部件的选择
(1)导轨副的选用
要设计数控车床工作台，需要承受的载荷不大，并且定位精度高，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，安装预紧方便好且精度保持性等优点。
选滚珠导轨，适合用于导轨上运动部件重量小于200kg的机床，摩擦阻力小，制造容易，成本较低。

(2)丝杠螺母副的选用
①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动，需要满足±0.001mm的定位精度，滑动丝杠副不能达成规定，因此选用滚珠丝杆副，滚珠丝杆副的传动精度高、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。
②轴向间隙的调整和预紧方式：选用垫片调隙式，这种方法结构简朴、刚性好、装卸方便，合用于一般精度的机构
③滚珠丝杠的安装：采用一端固定，一端游动的方式，因其压杆稳定性和临界转速较高
(3)伺服电动机的选用
任务书规定的定位精度也未达成微米级，空载最快移动速度也只有因此2023mm/min，故本设计不必采用高档次的伺服电动机，因此可以选用混合式步进电动机。以减少成本，提高性价比。
2、控制系统的设计
1）设计的X-Z工作台准备用在数控车床上，其控制系统应当具有单坐标定位，两坐标直线插补与圆弧插补的基本功能，所以控制系统设计成连续控制型。
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CPU，可以满足任务书给定的相关指标。
3）要设计一台完整的控制系统，在选择CPU之后，还要扩展程序存储器，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。
4）选择合适的驱动电源，与步进电动机配套使用。
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
按照下导轨上面移动部件的重量来进行估算。涉及工件、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1310N。
2、铣削力的计算
最大切削分力：FZ= 3070 （垂直方向）；
FX= 3500 （横向）；
FY= 3500 （纵向）；
3直线滚动导轨副的计算与选型
1）、滑块承受工作载荷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、四滑块的支承形式。考虑最不利的情况，即垂直于台面的工作载荷所有由一个滑块承担，则单滑块所受的最大垂直方向载荷为：

其中，移动部件重量Ｇ＝1310N，外加载荷F=Fz=3070N，代入上式，得最大工作载荷=3397.5N=3.3975kN。
查表3-41，根据工作载荷=3.3975kN，初选直线滚动导轨副的型号为KL系列的LG35型，其额定动载荷Ca为35.1 KN，额定静载荷COa为47.2 KN。
任务书规定工作台面尺寸为300 mm ×300 mm，加工范围为400 mm ×400 mm，考虑工作行程应留有一定余量，查表3-35，按标准系列，选取导轨的长度为840mm。
2、距离额定寿命L的计算
上述所取的KL系列LG35系列导轨副的滚道硬度为60HRC，工作温度不超过C，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3-36至3-40，分别取硬度系数f=1.0，温度系数f=1.00，接触系数f=0.81，精度系数fR=0.9，载荷系数f=1.5，代入式（3-33），得距离寿命：
L=6328.805739Km
远大于盼望值50Km，故距离额定寿命满足规定。

4．滚珠丝杠杠螺母副的计算与选型
（1）最大工作载荷Fm的计算
在立铣时，工作台受到进给方向的载荷（与丝杠轴线平行）Fx=3500N，受到横向的载荷（与丝杠轴线垂直）Fy =3500N，受到垂直方向的载荷（与工作台面垂直）Fz =3070N。
已知移动部件总质量G=1310N，按矩形导轨进行计算，查表3-29，取颠覆力矩影响系数K为1.1，滚动导轨上的摩擦因数为0.005.求得滚珠丝杠副的最大工作载荷：
Fm=KFx+(Fz+Fy+G)=[1.13500+0.005(3070+3500+1310)]N3889.4N
（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进给速度v=500mm/min，初选丝杠导程Ph=6mm，则此时丝杠转速n=v/Ph=500/6 r/min。
取滚珠丝杠的使用寿命T=15000h，代入L0=60nT/106，得丝杠寿命系数L0=75 (单位为：106r)。
查表3-30，取载荷系数fW=1.2，滚道硬度为60HRC时，取硬度系数fH=1.0，求得最大动载荷：
FQ≈19682.68205N
（3）初选型号 根据计算出的最大动载荷和初选的丝杠导程，查表3-32，选3206-5型滚珠丝杠副，为外循环插管埋入式单螺母非预紧，其公称直径d0为32mm，导程Ph为6mm，循环列数CM为2X2.5，精度等级取5级，额定动载荷为24373N，大于FQ满足规定。
（4）传动效率η的计算 将公称直径d0=32mm，导程Ph=6mm，代入λ=arctan[Ph/(πd0)]，得丝杠螺旋升角λ=3°25′。将摩擦角φ=10′，代入η=tanλ/tan(λ+φ)，得传动效率η=96.3375229%。
（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。丝杠的两端各采用一对推力角接触球轴承，面对面组配，左、右支撑的中心距离约为a=800mm；钢的弹性模量E=2.1×105MPa；查表3-32，得滚珠直径DW=3.969mm，丝杠底径d2=27.2mm，丝杠截面积S= πd22/4=581.0689772mm2。
忽略式（3-25）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：
δ1=Fma/(ES)= 3889.4×800/(2.1×105×581.0689772)≈0.mm。
2）根据公式Z=(πd0/DW) ，求得单圈滚珠数Z=26；该型号丝杠为单螺母，滚珠的圈数×列数为2X2.5，代入公式：Z∑= Z×圈数×列数，得滚珠总数量Z∑=130。丝杠预紧时，取轴向预紧力FYJ =Fm/3=1296.466667N。根据公式（3-27），求得滚珠与螺纹滚道间的接触变形δ2≈0.mm。
由于丝杠加有预紧力,且为轴向负载的1/3，所以实际变形量可减少一半，取δ2=0.mm。
3)将以上算出的δ1和δ2代入δ总=δ1+δ2，求得丝杠总变形量(相应跨度800mm)δ总=0.mm=26.728524μm。
本例中，丝杠的有效行程为466mm，由表3-27知，5级精度滚珠丝杠有效行程在400~500mm时，行程偏差允许达成27μm，可见丝杠刚度足够。
（6）压杆稳定性校核
根据公式（3-28）计算失稳时的临界载荷FK。查表3-34，取支承系数fk为1，由丝杠底径d2=27.2 mm，求得截面惯性矩I=26868.62951。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800mm。代入（3-28），得临界载荷FK=29004.36263 N >Fm,故丝杠不会失稳。
综上所述，初选滚珠丝杠满足规定。
5、步进电动机的计算与选型
（1）、计算加在步进电动机转轴上的总转动惯量Jeq
由于负载转矩情况不同，负载惯量只能由已计算精确地得到。由电动机驱动的所有运动部件，无论是旋转运动还是直线运动部件，都成为电动机的负载惯量，总的惯量以通过计算各个被驱动部件的惯量，并以一定规律将其加起来即可。滚珠丝杠的公称直径d0=32mm，总长L=800mm，导程Ph=6mm，材料密度=7.8510-3kg/;移动部件总重力G=1310N；
查表4-1可知：
① 圆柱体惯量，当圆柱体围绕其中心轴线旋转时，其惯量：
J1=6. kg·cm2
② 沿直线轴移动物体的惯量： J2=1. kg·cm2
初选步进电动机的型号为110BYG2602,由常州市德利来电器有限公司生产，五相混合式步进电动机，驱动时的步距角为0.75°，从表查得该型号的电动机转子的转动惯量J0=15kg·cm2。
③ 总的转动惯量为： Jeq = J1 +J2 +J0。其中J0为初选电动机的转子转动惯量，为15 kg·cm2。
代入数据得： Jeq=22.68380454 kg·cm2
（2）、计算加在步进电动机转轴上的等效负载转矩Teq
分快速空载和承受最大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由式（4-8）可知，涉及三部分;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；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；尚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。由于滚珠丝杠副传动效率很高，根据式（4-12）可知，相对于和很小，可以忽略不计。则有：
=++T0 （6-13）
根据式（4-9），考虑传动链的总效率，计算空载起动时折算到电动机转轴上最大加速转矩：
= (6-14)
其中： =833.33333333r/min (6-15)
式中—空载最快移动速度，任务书指定为2023mm/min；
—步进电动机步距角，预选电动机为0.75；
—脉冲当量，本例=0.005mm/脉冲。
设步进电机由静止加速至所需时间T=0.4s，传动链总效率。则由式(6-14)求得：
=0. Nm
由式知，移动部件运动时，折算到电动机转轴上的摩擦转矩为：

式中μ——导轨的摩擦因素，滚动导轨取0.005
——垂直方向的铣削力，空载时取0
——传动链效率，取0.7
最后由式（6-16）,得：
=0. Nm
最后由式（6-13）求得快速空载起动时电动机转轴所承受的负载转矩：
=+=0. Nm (6-17)
2) 最大工作负载状态下电动机转轴所承受的负载转矩
由式（4-13）可知，涉及三部分：一部分是折算到电动机转轴上的最大工作负载转矩；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；尚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，相对于和很小，可以忽略不计。则有：
=+ （6-18）
其中折算到电动机转轴上的最大工作负载转矩由公式（4-14）计算。本次设计任务中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=3500 N，则有：

Tt=4. N
再由式（4-10）计算垂直方向承受最大工作负载（Fz=3070 N）情况下，移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩：

Tf=0. N
最后由式（6-18），求得最大工作负载状态下电动机转轴所承受的负载转矩：
=+=4. N·m （6-19）
最后求得在步进电动机转轴上的最大等效负载转矩为：
Teq =max{Teq1,Teq2}=4.N·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，当输入电压减少时，其输出转矩会下降，也许导致丢步，甚至堵转。因此，根据来选择步进电动机的最大静转矩时，需要考虑安全系数。取K=4, 则步进电动机的最大静转矩应满足：
=3×0.9435=19.2180958 N.m
初选步进电动机的型号为110BYG2602，由表查得该型号电动机的最大静转矩=20Nm。可见，满足规定。
（4）、步进电动机的性能校核
1)最快工进速度时电动机的输出转矩校
核任务书给定工作台最快工进速度=500mm/min，脉冲当量=0.005mm/脉冲，电动机相应的运营频率为fmaxf=【500/（60X0.005）】Hz=1666.66667 Hz 。 从110BYG2602步进电动机的运营矩频特性表（4-7）可以看出在1000Hz频率下，电动机的输出转矩=15.0 Nm，在2023Hz频率下，=14 Nm，所以
在频率1666.66667Hz下，远远大于最大工作负载转矩=4. Nm，满足规定。
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=2023mm/min，求出其相应运营频率fmax=【2023/（60X0.005）】Hz=6666.666667 Hz。从110BYG2602步进电动机的运营矩频特性表（4-7）可以看出在6000Hz频率下，电动机的输出转矩=10.0 Nm，在8000Hz频率下，=8 Nm，所以在6666.666667 Hz频率下，电动机的输出转矩远远大于快速空载起动时的负载转矩=0. Nm，满足规定。
3）最快空载移动时电动机运营频率校核
与快速空载移动速度=2023mm/min相应的电动机运营频率为fmax=6666.666667 Hz。从步进电动机的运营矩频特性表（4-7）可以看出在110BYG2602电动机的空载运营频率可达6666.66667，可见没有超过上限。
4）起动频率的计算
已知电动机转轴上的总转动惯量J=22.68380454 kg·cm2，电动机转子的转动惯量=15 Nm，电动机转轴不带任何负载时的空载起动频率fq=1800Hz（查表4-5）。由式（4-17）可知步进电动机克服惯性负载的起动频率为：

fL=1135.640215 Hz
上述说明：要想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1135.640215 Hz。事实上，在采用软件升降频时，起动频率选得更低，通常只有100 Hz。
综上所述，本次设计中工作台的进给传动系统选用110BYG2602步进电动机，完全满足设计规定。
6、增量式螺旋编码器的选用
本设计所选步进电动机采用半闭环控制，可在电动机的尾部转轴上安装增量式螺旋编码器，用以检测电动机的转角和转速。增量式螺旋编码器的分辨力应与步进电动机的步距角相匹配。由步进电动机的步距角为0.75°，可知电动机转动一转时，需要控制系统发出480个步进脉冲。考虑到增量式旋转编码器输出的A、B相信号，可以送到四倍频电路进行电子四细分，因此，编码器的分辨力可选120线。这样控制系统每发一个步进脉冲，电动机转过一个步距角，编码器相应输出一个脉冲信号。
本任务中选择编码器的型号为ZLK-A-120-05VO-10-H:盘状空心型，孔径10 mm，与电动机尾部出轴匹配，电源电压+5V，每转输出120个A/B脉冲，信号为电压输出。
四、工作台机械装配图的绘制
在完毕直线滚动导轨副，滚珠丝杠螺母副，步进电动机，以及编码器的计算与选型后，就可以着手绘制工作台的机械装配图了。
七、 绘制进给传动系统示意图
进给传动系统示意图如图5.1所示。

伺服电动机
工作台
滚珠丝杠
图5.1 进给传动系统示意图
八、控制系统硬件电路设计
控制系统原理框图如图6.1所示。
图6.1 控制系统原理框图
六、步进电动机驱动电源的选用
本例中X、Y向步进电动机均为110BYG2602型。查表4-14，选择与之
配套的驱动电源为BD28Nb型，输入电压100VAC，相电流4A ,分派方式为二
相八拍。该驱动电源与控制器的连线方式如图6-25所示。

目 录
第一章 概述……………………………………………………………………1
第二章 课程设计目的及任务…………………………………………………2
第三章 课程设计内容与环节
3.1 程序流程图及分析…………………………………………………………………3
3.2 开环运动控制模块功能分析；及注意事项………………………………………4
3.3 编程思绪与独特设计………………………………………………………………5
3.4 控制软件与显示屏的分工…………………………………………………………6
3.5 人机界面设计………………………………………………………………………8
3.6 其他编程中发现和解决的问题……………………………………………………10
第四章 调试手段、过程及结果说明………………………………………………11
第五章 课设总结…………………………………………………………………………..……..12

第一章 概述
PLC是一种数字运算的电子系统，专为工业环境下应用而设计。它采用可编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、定期、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器及其有关的外围设备，都应按照易于与工业控制系统形成一个整体、易于扩展其功能的原则而设计。
单轴往复运动控制，规定可以实现设定最少三段多行程的控制工作台前后运动；可以实现手动控制工作台前后运动；人机界面设计有相应操作手段（左右按钮、手动自动切换按钮、回原点等），有当前位置实时显示（动画）人机界面设计有相应输入界面。

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第二章 课程设计目的及任务
2.1 设计规定：
1．规定可以实现设定最少三段多行程的控制工作台前后运动，且具有回原点功能
2. 规定可以实现手动控制工作台前后运动
3．人机界面设计有相应操作手段（左右按钮、手动自动切换按钮、回原点等），有当前位置实时显示（动画）人机界面设计有相应输入界面。
2.2 课程设计目的及规定：
1．完毕运动控制系统方案规划与硬件选型。
2．完毕控制软件编程与调试。
3．完毕人机界面规划与设计，实现在线仿真。
4．完毕课程设计任务说明书编写：含接线原理图，程序流程图，人机界面说明及设计说明书 。

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第三章 课程设计内容与环节
3.1程序流程图及分析：

实验规定分别实现以下功能：
（1）在自动循环中，实现工作台三段进给运动并返回原点的循环运动；
（2）实现自动循环和手动控制的功能；
（3）在手动控制下，运用人机界面实现工作台左行和右行功能，并具有回原点的功能；
（4）在手动和自动控制下，可以运用人机界面输入脉冲数实现工作台运动的功能；
（5）通过人机界面可以实时监控工作台的运动状态；

3
3.2开环运动控制模块功能分析及注意事项 ：

通过主程序调用子程序以实现各种功能，子程序如下：包络1，包络2，包络3，回程包络，自动循环，手动控制，手动向右，手动向左，脉冲计数，回原点，回原点2。
脉冲计数，记录当前所走的脉冲数

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3.3控制软件与显示屏的分工

以V4.0 STEP 7 MicroWIN SP6为重要编程软件，编写单轴运动控制程序，
另用PanelMaster，设计人机界面来实现显示控制功能。

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3.4编程思绪与独特设计：

下面是主程序，网络2将高速脉冲计数器HC0赋予VD100，网络4与网络5通过I0.2 来控制工作台的自动循环和手动控制，网络6网络7和网络8通过位存储器M0.7控制工作台回原点，网络9和网络10 完毕设定值输入功能。

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3.5人机界面设计：

如上图，人机界面共有3个按钮，分别为控制工作台回原点、左行、右行；3个状态显示灯，
分别为控制工作台手动自动显示灯、启动显示灯、缓停显示灯；用柱状图实时显示工作台位置。

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3.6其他编程中发现和解决的问题

（1）问题:高速计数器的加计数和减计数的使用
解决方案：对的查表，查得加计数2#10011000相应的16#98和减计数2#10010000相应的16#90控制字赋予SMB37。

（2）问题:不能准确回原点
解决方案：一方面，运用高速脉冲计数器计数出脉冲量，将此量值赋予地址VD100，再将VD100分别赋予一个变量寄存器VD300和VD400用于回原点脉冲输入，最后以达成准确回原点的功能。
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第四章 调试手段、过程及结果说明
在初期阶段，控制工作台启动，缓停，手动自动切换功能，通过开关I0.0，I0.1，I0.2，控制工作台运动，若能达成目的，则调试成功。接下来，运用PM Designer建立人机界面，运用位存储器M0.7控制回原点功能，M0.5和M0.6分别手动控制工作台向右和向左运动，建立连接运营调试成功。

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第五章 课设总结
和学别的学科同样，在学完PLC理论课程后我们做了课程设计，本次设计以分组的方式进行。由于平时大家都是学理论，没有过实际开发设计的经验，拿到的时候都不知道怎么做。但通过各方面的查资料并学习。我们基本学会了PLC设计的步聚和基本方法。分组工作的方式给了我与同学合作的机会，提高了与人合作的意识与能力。 
通过这次设计实践。我学会了PLC的基本编程方法，对PLC的工作原理和使用方法也有了更深刻的理解。在对理论的运用中，提高了我们的工程素质，在没有做实践设计以前，我们对知道的撑握都是思想上的，对一些细节不加重视，当我们把自己想出来的程序与到PLC中的时候，问题出现了，不是不能运营，就是运营的结果和规定的结果不相符合。能过解决一个个在调试中出现的问题，我们对PLC 的理解得到加强，看到了实践与理论的差距。 
通过合作，我们的合作意识得到加强。合作能力得到提高。上大学后，很多同学都没有过进一步的交流，在设计的过程中，我们用了分工与合作的方式，每个人互责一定的部分，同时在一定的阶段共同讨论，以解决分工中个人不能解决的问题，在交流中大家积极发言，和提出意见，同时我们还向别的同学请教。在此过程中，每个人都想自己的方案得到实现，积极向同学说明自己的想法。能过比较选出最佳的方案。在这过程也提高了我们的表过能力。

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参考文献：
[1]PLC编程及应用/廖常初主编.2023.1（2023.6重印）
[2]PanelMaster快速入门手册
[3]S7-200可编程控制器系统手册

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