X-Y數(shù)控工作臺(tái)設(shè)計(jì)說明書

1、»控«密工作臺(tái)1.1 設(shè)計(jì)任務(wù)、總體方案設(shè)計(jì)題目：X Y數(shù)控工作臺(tái)的機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)任務(wù)：設(shè)計(jì)一種供立式數(shù)控銑床使用的 X Y數(shù)控工作臺(tái)，主要參數(shù)如下:1）工作臺(tái)面尺寸CX BX H=【200+（班級(jí)序號(hào)）X 5】mm【200+（班級(jí)序號(hào)）X 5】mmX【 15+（班級(jí)序號(hào)）】 mm；2）底座外形尺寸 C1X B1X H1=【680+ （班級(jí)序號(hào)）X 5】mnXi 680+ （班級(jí)序號(hào)）X 5】mnX【230+ （班級(jí)序號(hào)）X 51 mm3)工作臺(tái)加工范圍X=【300+ （班級(jí)序號(hào)）X 51 mm 丫=【300+ （班級(jí)序號(hào)）X 51 mm4)X、丫方向的脈沖當(dāng)量均為0.005

2、mm脈沖；X、丫方向的定位精度均為± 0.01mm5)6)夾具與工件質(zhì)量 M=【 15+（班級(jí)序號(hào)）】 kg；工作臺(tái)空載最快移動(dòng)速度為 3m/min；工作臺(tái)進(jìn)給最快移動(dòng)速度為0.5m/min。7)立銑刀的最大直徑d=20mm；8)立銑刀齒數(shù) Z=3；9)最大銑削寬度 ae20mm；10）最大被吃刀量 ap10mm。1.2 總體方案確定1 ）機(jī)械傳動(dòng)部件的選擇導(dǎo)軌副的選擇絲杠螺母副的選擇減速裝置的選擇伺服電動(dòng)機(jī)的選擇2）控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 伺服電機(jī)啟動(dòng)、停止、調(diào)速、正反轉(zhuǎn)的控制 PLC控制電機(jī)的梯形圖編程微型機(jī)人機(jī)接口機(jī) 電 接 口rVXY數(shù)控工作臺(tái)結(jié)構(gòu)Y方向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)電路工作臺(tái)步進(jìn)電

3、點(diǎn)1動(dòng)機(jī)H減速器I»|I » H n W H HH =步進(jìn)電動(dòng)機(jī)+滾珠絲杠珠X方向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)絲系統(tǒng)總體方案結(jié)構(gòu)框圖1.3設(shè)計(jì)的基本要求(1)按照機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)的步驟進(jìn)行相關(guān)計(jì)算，完成手寫設(shè)計(jì)說明書。(2)計(jì)算結(jié)果作為裝配圖的尺寸和零部件選型的依據(jù)，通過AutoCAD軟件繪制XY數(shù)控工作臺(tái)的總裝配圖，并繪制 A0圖紙。(3)按照電氣控制系統(tǒng)的步驟進(jìn)行設(shè)計(jì)，完成電機(jī)啟動(dòng)、停止、正反轉(zhuǎn)、電動(dòng)等基本工作狀態(tài)控制的硬件連線圖，并通過 PLC協(xié)調(diào)控制XY電機(jī)運(yùn)動(dòng)，繪制相關(guān)梯形圖。二、機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)2.1導(dǎo)軌上移動(dòng)部件的重量估算質(zhì)量：按質(zhì)量=體積（由尺寸求得）X密度進(jìn)行估算（45鋼密度7.85

4、g/立方厘米）工作臺(tái)面質(zhì)量=上導(dǎo)軌座（連電機(jī)）質(zhì)量夾具及工件質(zhì)量=X-Y工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)部分的總重量G=Mg=2.2銑削力的計(jì)算零件的加工方式為立式銑削，采用硬質(zhì)合金立銑刀，工件的材料為碳鋼。查表得立 銑刀的銑削力計(jì)算公式為:Fc 118a0.85fz0.75d o.%；0n0.13Z其中，取最大銑削寬度，最大背吃刀量,每齒進(jìn)給量fz 0.1mm，銑刀轉(zhuǎn)速Ff1.1Fc =；n 500r/min，可直接帶入計(jì)算。采用立銑刀進(jìn)行圓柱銑削時(shí)，各銑削力之間的比值可查表得出，考慮逆銑時(shí)的情況，可估算三個(gè)方向的銑削力分別為:Fe0.38 Fc = ； Ffn 0.25Fc =?，F(xiàn)考慮立銑，則工作臺(tái)受到垂直方向

5、的銑削力FzFe =，受到水平方向的銑削力分別為縱向銑削力Fx Ff （絲杠軸線方向）=，徑向銑削力Fy Ffn =2.3直線滾動(dòng)導(dǎo)軌的參數(shù)確定（1）滑塊承受工作載荷的計(jì)算及導(dǎo)軌型號(hào)的選取本設(shè)計(jì)中的X Y工作臺(tái)為水平布置，采用雙導(dǎo)軌、四滑塊的支承形式?？紤]最不利 的情況，即垂直于臺(tái)面的工作載荷全部由一個(gè)滑塊承擔(dān)，則單滑塊所受的最大垂直方向 載荷為Fmax號(hào)F=。4其中，移動(dòng)部件重量為G,外加載荷FFz =根據(jù)計(jì)算出的工作載荷，初選符合要求的*公司生產(chǎn)的*系列*型直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副。根據(jù)任務(wù)規(guī)定工作臺(tái)面尺寸，加工范圍及工作臺(tái)整體尺寸的要求，選擇導(dǎo)軌的長(zhǎng)度。所選直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副的幾何參數(shù)（由廠家說明書確

6、定）型號(hào)滑塊尺寸額定載荷額定靜力矩導(dǎo)軌長(zhǎng)度C2L1L2L3H2CaC0aM（2）額定壽命的L的校核計(jì)算根據(jù)上述所選導(dǎo)軌副，查表，分別取硬度系數(shù)fH=1.0、溫度系數(shù)fT=1.0、接觸系數(shù)fc =0.81、精度系數(shù)fR=0.9、載荷系數(shù)fw=1.5，代入以下公式，得距離壽命（期望值為 50KM0L (fHfTfcfR Ca)3 50 =fWFmax2.4滾珠絲杠的設(shè)計(jì)計(jì)算滾珠絲杠的負(fù)荷包括銑削力及運(yùn)動(dòng)部件的重量所引起的進(jìn)給抗力。應(yīng)按銑削時(shí)的情況計(jì)算。（1）最大工作載荷Fm的計(jì)算在立銑時(shí)，工作臺(tái)受到進(jìn)給方向的載荷（與絲杠軸線平行）為Fx ,受到橫向的載荷（與絲杠軸線垂直）為 Fy，受到垂直方向的載

7、荷（與 工作臺(tái)面垂直）為Fz 0根據(jù)移動(dòng)部件的總重量G,按矩形導(dǎo)軌進(jìn)行計(jì)算，查表，取傾覆力矩影響系數(shù)K=1.1,滾動(dòng)導(dǎo)軌上的摩擦因數(shù)0.005。求得滾珠絲杠副的最大工作載荷為:Fm KFx (Fz Fy（2）最大動(dòng)載荷Fq的計(jì)算工作臺(tái)在承受最大銑削力時(shí)的最快進(jìn)給速度v 500mm/min，初選絲杠導(dǎo)程Ph （自己選擇如4、5、6mm等），則此時(shí)絲杠轉(zhuǎn)速nv/Ph取滾珠絲杠的使用壽命 T=15000h代入L。60nT/106，得絲杠壽命系數(shù)L。查表，取載荷系數(shù)fw 1.2，滾道硬度為60HRC時(shí)，取硬度系數(shù)fH 1.0，代入式Fq #L7fwfHFm，求得最大動(dòng)載荷Fq 0(3)初選型號(hào)根據(jù)計(jì)算

8、出的最大動(dòng)載荷和初選的絲杠導(dǎo)程，查表，選擇*公司生產(chǎn)的*系列*型,其額定動(dòng)載荷為，大于Fq，滿足要求。型號(hào)公稱直徑導(dǎo)程滾珠直徑絲杠底徑絲杠外徑循環(huán)列數(shù)螺母安裝尺寸額定載荷剛度doPhDwd2d1CaCOa所選滾珠絲杠螺母副幾何參數(shù)(4)傳動(dòng)效率的計(jì)算將公稱直徑do，導(dǎo)程Ph，代入arctanPh/( d。)，得絲杠螺旋升角。將摩擦角10'，代入 tan / tan( )，得到傳動(dòng)效率。(5)剛度的驗(yàn)算XY工作臺(tái)上下兩層滾珠絲杠副的支承均采用“單推-單推”的方式。絲杠的兩端各采用一個(gè)或一對(duì)推力角接觸球軸承，面對(duì)面組配，左、右支承的中心距離約為a,鋼的彈性模量E 2.1 1O5MPa，由所

9、選滾珠絲杠螺母副可得，滾珠直徑Dw，絲杠底徑d?，絲杠截面積Sd；/4 =算的絲杠在工作載荷Fm作用下產(chǎn)生的拉/壓變形量1 Fma/(ES) =Fm滾珠與螺紋滾道間的接觸變形量2 0.001310DwFyjZ2/10,其中，絲杠預(yù)緊時(shí),取軸向預(yù)緊力Fyj Fm/3 =，Z為滾珠總數(shù)量。因?yàn)榻z杠有預(yù)緊力,且為軸向負(fù)載的1/3，所以實(shí)際變形量2可減小一半。將以上計(jì)算出的1和2代入總1 2，求得絲杠總變形量總。通過查表，得出Id4 /64=；壓桿穩(wěn)f 2ei根據(jù)公式皆訐初選步進(jìn)電機(jī)步距角0.750 (可自選)，滾珠絲杠的導(dǎo)程R，要實(shí)現(xiàn)脈沖當(dāng)量總是否在行程的偏差允許值內(nèi)。(6)壓桿穩(wěn)定性校核查表，取支

10、承系數(shù)fk 1，由絲杠底徑d2，求得截面慣性矩 定性安全系數(shù)K取3, a為滾動(dòng)螺母至軸向固定處的距離最大值。計(jì)算失穩(wěn)時(shí)的臨界載荷Fk,遠(yuǎn)大于工作載荷Fm即不會(huì)失穩(wěn)。2.5確定齒輪傳動(dòng)比P 0.005mm/step，在傳動(dòng)系統(tǒng)中應(yīng)加一對(duì)齒輪降速傳動(dòng)。齒輪傳動(dòng)比360°0.005 3600.75 5曇(此計(jì)算假設(shè)導(dǎo)程為5mm)選乙12，Z225 。因傳遞的扭距較小,1mm 0采用一級(jí)減速，步進(jìn)電機(jī)的輸出軸與小齒輪連接，滾珠絲杠的軸頭與大齒輪連接，其中大齒輪設(shè)計(jì)成雙片結(jié)構(gòu)，采用彈簧錯(cuò)齒法消 除齒側(cè)間隙。本設(shè)計(jì)選用*公司生產(chǎn)的*系列*型齒輪減速箱。所選齒輪箱中齒輪尺寸參數(shù)Z小齒輪大齒輪d m

11、Z mm 直徑b 3 6m mm齒寬a12 mm中心距22.6步進(jìn)電機(jī)的選用(1)步進(jìn)電機(jī)的步距角根據(jù)系統(tǒng)脈沖當(dāng)量 P 0.005mm/脈沖，根據(jù)所選滾珠絲杠的導(dǎo)程 R，初選步進(jìn)電機(jī)步距角(可自選)。(2) 計(jì)算加在步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 Jeq（3）步進(jìn)電機(jī)快速空載啟動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩Teqi的計(jì)算Teq1Ta maxT f其中Tamax是快速空載啟動(dòng)時(shí)折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大加速轉(zhuǎn)矩；Tf是移動(dòng)部件運(yùn)動(dòng)時(shí)折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩。max2 Jeq nm 160taJeqJ0 J1Z22J 2 J3180式中：Jeq折算到電機(jī)軸上的慣性負(fù)載（kggcm2）； J。步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)軸的

12、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（kggsm2）； J1齒輪1的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（kggsm2）； J2齒輪2的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（kggsm2）；J3滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（kggcm2）； M移動(dòng)部件質(zhì)量（kg )。對(duì)材料為鋼的圓柱零件轉(zhuǎn)動(dòng)慣量可按下式估算342J 0.78 10 D L kggcm式中：D圓柱零件直徑（cm； L零件長(zhǎng)度（cm）。所以根據(jù)滾珠絲杠的公稱直徑do，總長(zhǎng)I，導(dǎo)程Ph，材料密度7.85 10 3kg/cm2，移動(dòng)部件總重G,小齒輪寬度b,，直徑di，大齒輪寬度b2，直徑d2，傳動(dòng)比i。計(jì)算出2 2 2J1kg gpm J 2 kggcm J3kg gpm電機(jī)軸轉(zhuǎn)動(dòng)慣量很小，可以忽略。Vmaxnm360 p設(shè)

13、步進(jìn)電機(jī)由靜止到加速至nm所需時(shí)間為ta 0.4s，傳動(dòng)鏈總效率為Tf(Fz G)Ph2 iTeq2T Tfeq2步進(jìn)電機(jī)最大工作負(fù)載狀態(tài)下轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩Teq2的計(jì)算T是折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大工作負(fù)載轉(zhuǎn)矩；T f是移動(dòng)部件運(yùn)動(dòng)時(shí)折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩。TtFfPhTf(Fz G)Ph2 iTeqmaxTeqi,Teq2(3) 步進(jìn)電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)距的選定考慮到步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電源受電網(wǎng)影響較大，當(dāng)輸入電壓降低時(shí)，其輸出轉(zhuǎn)矩會(huì)下降，可能造成丟步，甚至堵轉(zhuǎn)。因此，根據(jù)Teq來選擇步進(jìn)電機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)距時(shí)，需要 考慮安全系數(shù)。本設(shè)計(jì)取安全系數(shù) K=4,則步進(jìn)電機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)距應(yīng)滿足Tj max

14、4Teq =(4) 步進(jìn)電機(jī)的最高工作頻率f1000VmaxTmax60 p衛(wèi)也2hz60 0.005綜上，選用*公司生產(chǎn)的*系列*型步進(jìn)電。電機(jī)的有關(guān)參數(shù)如下所選步進(jìn)電機(jī)參數(shù)型號(hào)主要技術(shù)數(shù)據(jù)外形尺寸(mm)重量(N)步距角o最 大靜 轉(zhuǎn)距N gcm最咼空載啟動(dòng)頻率(steps)相數(shù)電壓(V)電流(A)外徑長(zhǎng)度軸徑三、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)以下內(nèi)容僅提供單電機(jī)的主電路及控制電路圖，請(qǐng)必須自行完成雙電機(jī)（XY軸電機(jī)）的硬件電氣控制圖。3.1電動(dòng)機(jī)控制電氣原理圖ys I'lJ0_B電動(dòng)機(jī)控制主電路SB?rynKAEHISB3rn_IKA EM電動(dòng)機(jī)長(zhǎng)動(dòng)和點(diǎn)動(dòng)控制電氣原理圖以上所用低壓電器為：停止按鈕

15、SB1 （常閉），長(zhǎng)動(dòng)按鈕SB2（常開），點(diǎn)動(dòng)按鈕SB3（常開）；一個(gè)熱繼電器 KH ; 一個(gè)繼電器KA （至少含兩對(duì)常開輔助觸點(diǎn)）；一個(gè)接觸 器KM （對(duì)輔助觸點(diǎn)數(shù)量無要求）。SB IKMlKMlEIf2電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)控制電氣原理圖以上所用低壓電器為：停止按鈕 SB1 （常閉），正傳按鈕SB2 （組合按鈕），反轉(zhuǎn)按 鈕SB3（組合按鈕）；一個(gè)熱繼電器KH ;兩個(gè)接觸器KM （分別至少含一對(duì)輔助觸點(diǎn)）。3.2 PLC分項(xiàng)控制電動(dòng)機(jī)的接線圖PLC控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)外部接線圖PLC控制電機(jī)點(diǎn)動(dòng)和長(zhǎng)動(dòng)外部接線圖3.3 PLC總體控制接線圖5 K掩甸，J課色底Xh&色圧YftX詞護(hù)乜功機(jī)ITKjJJilWLKMl 的冷卄接 UJ=加川X OS1 Jk4吟亠譽(yù)i眉閘團(tuán) tejSi 1円曲sw®,_幾-H吐肌和H真q昭；啊哉幻ri.c的L S視竭子嚴(yán) 芒.爭(zhēng)址Lj %1£說醴f過按三£1 薦-M1