XY數(shù)控工作臺(tái)設(shè)計(jì)說明書

一、總體方案設(shè)計(jì)1.1設(shè)計(jì)任務(wù)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XY 數(shù)控工作臺(tái)，主要參數(shù)如下：1）工作臺(tái)面尺寸CB H【 200+（班級(jí)序號(hào)） 5】 mm【 200+（班級(jí)序號(hào)） 5】mm【 15+（班級(jí)序號(hào)）】mm；2）底座外形尺寸C1B1 H1【 680+（班級(jí)序號(hào)） 5】mm【 680+（班級(jí)序號(hào)）5】mm【 230+（班級(jí)序號(hào)） 5】 mm；3）工作臺(tái)加工范圍X=【 300+（班級(jí)序號(hào)） 5】mm，Y=【300+（班級(jí)序號(hào)） 5】mm；4） X 、Y 方向的脈沖當(dāng)量均為0.005mm/脈沖； X、 Y 方向的定位精度均為 0.01mm；5）夾具與工件質(zhì)量M=【15+（班級(jí)序號(hào)）】kg；6）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XY數(shù)控工作臺(tái)結(jié)構(gòu)Y 方向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)微機(jī)工作臺(tái)電型步 進(jìn) 電接動(dòng)機(jī)減速器機(jī)驅(qū)滾珠絲杠口動(dòng)電人機(jī)接口路減步 進(jìn) 電速滾器珠動(dòng)機(jī)X 方向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)絲杠系統(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 AO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）密度進(jìn)行估算（45 鋼密度 7.85g/ 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：F118a0.85f0.75d0.73a1.0 n0.13Zcezp其中，取最大銑削寬度，最大背吃刀量，每齒 進(jìn)給量 fz0.1mm ， 銑刀轉(zhuǎn)速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：F f 1.1Fc = ；Fe 0.38 Fc =； F fn 0.25 Fc =。現(xiàn)考慮立銑，則工作臺(tái)受到垂直方向的銑削力 Fz Fe =，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 F fn =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 XY 工作臺(tái)為水平布置， 采用雙導(dǎo)軌、 四滑塊的支承形式。 考慮最不利的情況，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 FmaxGF =。4其中，移動(dòng)部件重量為G，外加載荷 F Fz =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)（由廠家說明書確定）額定導(dǎo)軌型號(hào)滑塊尺寸額定載荷靜力長度矩C2L1L2L3H2C aC0 aM（ 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)f R =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 50KM）。L( fH fT fC f RCa )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 ，受到垂直方向的載荷（與工作臺(tái)面垂直）為Fz 。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：FmKF x( FzFyG) =（ 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 L060nT /10 6 ，得絲杠壽命系數(shù) L0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) f H1.0 ，代入式FQ3 L0 fW f H Fm ，求得最大動(dòng)載荷 FQ 。（ 3）初選型號(hào)根據(jù)計(jì)算出的最大動(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)程滾珠直徑所選滾珠絲杠螺母副幾何參數(shù)絲杠絲杠循環(huán)螺母底徑外徑列數(shù)安裝額定載荷剛度尺寸d0PhDwd2d1CaC0 a（4）傳動(dòng)效率的計(jì)算將公稱直徑 d0 ，導(dǎo)程 Ph ，代入arctanPh / (d0 ) ，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 2.1 105 MPa ，由所選滾珠絲杠螺母副可得， 滾珠直徑 D w ，絲杠底徑 d2 ，絲杠截面積 Sd22 / 4=算的絲杠在工作載荷 Fm 作用下產(chǎn)生的拉 / 壓變形量 1Fm a / (ES) =滾珠與螺紋滾道間的接觸變形量20.0013Fm, 其中，絲杠預(yù)緊時(shí)，10 3 DW FYJ Z 2 /10取軸向預(yù)緊力/ 3Z 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 ，F(xiàn)YJFm=，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12 ，求得絲杠總變形量總 。通過查表，得出總 是否在行程的偏差允許值內(nèi)。（6）壓桿穩(wěn)定性校核查表，取支承系數(shù)fk1 ，由絲杠底徑d2 ，求得截面慣性矩Id24/ 64=；壓桿穩(wěn)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。根據(jù)公式Fk =f k2 EIKa 2,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)比初選步進(jìn)電機(jī)步距角0.75 o （可自選），滾珠絲杠的導(dǎo)程Ph ，要實(shí)現(xiàn)脈沖當(dāng)量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iZ1p360o0.00536012 （此計(jì)算假設(shè)導(dǎo)程為 5mm）PhZ20.75525選 Z1 12 ， Z2 25 。因傳遞的扭距較小，取模數(shù)m1mm。 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Z* 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)小齒輪大齒輪dmZ mm直徑b36 m mm 齒寬a d1 d2 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p0.005mm / 脈沖，根據(jù)所選滾珠絲杠的導(dǎo)程Ph ，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Teq1 的計(jì)算Teq1Ta maxTf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。Ta max2Jeqnm160ta2Z12JeqJ0J1J 2J3MpZ2180式中： Jeq 折算到電機(jī)軸上的慣性負(fù)載 （ kggcm2 ）； J0 步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（ kggcm2 ）；J1 齒輪 1 的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（ kg gcm2 ）；J2 齒輪 2 的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（ kg gcm2 ）； 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J0.78 10 3 D4 L kggcm2式中： D圓柱零件直徑（cm）；L零件長度（cm）。所以根據(jù)滾珠絲杠的公稱直徑d0 ，總長 l，導(dǎo)程Ph ，材料密度7.85103kg /cm2 ，移動(dòng)部件總重 G，小齒輪寬度b1 ，直徑 d1 ，大齒輪寬度 b2 ，直徑 d2 ，傳動(dòng)比 i。計(jì)算出J1kggcm2 J2 kggcm2J3 kggcm2電機(jī)軸轉(zhuǎn)動(dòng)慣量很小，可以忽略。nmvmax360p設(shè)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( FzG) Ph2i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Teq2Tt TfTt 是折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大工作負(fù)載轉(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。F f PhTt2 i( FzG) PhTfi2Teqmax Teq1,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 max4Teq =（ 4）步進(jìn)電機(jī)的最高工作頻率fmax1000Vmax1000 3 HZ60 p60 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)主要技術(shù)數(shù)據(jù)外形尺寸 (mm)重量步距最最高空載 相數(shù)電壓電流外徑 長度軸徑型 號(hào)大靜啟動(dòng)頻率(V )( A)( N )角o轉(zhuǎn)距( step/ s)N gcm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)（機(jī)）的硬件電氣控制圖。3.1電動(dòng)機(jī)控制電氣原理圖XY軸電電動(dòng)機(jī)控制主電路電動(dòng)機(jī)長動(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 SB1（常閉），長動(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） 。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)和長動(dòng)外部接線圖3.3 PLC 總體控制接線圖3.3 PLC 梯形圖的繪制根據(jù)自己設(shè)計(jì)的需要，通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行梯形圖的編程設(shè)計(jì)，（至少包括實(shí)現(xiàn)電機(jī)的啟動(dòng)、停止、正反轉(zhuǎn)、電動(dòng)四項(xiàng)基本功能），以下僅為各單項(xiàng)工作的參考。PLC 控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)的控制程序梯形圖PLC 控制電機(jī)點(diǎn)動(dòng)和長動(dòng)的控制程序梯形圖