簡(jiǎn)易的數(shù)控xy工作臺(tái)

一、設(shè)計(jì)目的通過設(shè)計(jì)一套簡(jiǎn)易的數(shù)控XY工作臺(tái)，對(duì)加深對(duì)數(shù)控機(jī)床的認(rèn)識(shí)有很大的幫助，同時(shí)也了解機(jī)電一體化的一些基本知識(shí)，并能夠初步掌握機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，對(duì)于今后的理論及工作起到打基礎(chǔ)的作用，也能培養(yǎng)自己的創(chuàng)新意識(shí)和動(dòng)手能力。2、設(shè)計(jì)參數(shù)及要求1設(shè)計(jì)參數(shù)設(shè)計(jì)一套簡(jiǎn)易的數(shù)控XY工作臺(tái)及其控制系統(tǒng)。該工作臺(tái)用于鉆床的加工。設(shè)計(jì)參數(shù)如下臺(tái)面尺寸505020；底座外形尺寸150150150；行程X50；臺(tái)面速度X2M/MIN；進(jìn)給抗力X225N工件物重8KG；定位精度XM/301重復(fù)定位精度為001MM2設(shè)計(jì)要求1）數(shù)控XY工作臺(tái)機(jī)械部分的設(shè)計(jì)計(jì)算；2）數(shù)控XY工作臺(tái)機(jī)械部分裝配圖設(shè)計(jì)；3）基于PLC的機(jī)電液控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖（附在說明書中）；4）設(shè)計(jì)并調(diào)試PLC控制梯形圖；5）編寫設(shè)計(jì)說明書。三、總體方案的確定（1）運(yùn)動(dòng)方式由于是將原普通鉆床的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)一數(shù)控XY工作臺(tái)，所以設(shè)計(jì)改造后的機(jī)床的運(yùn)動(dòng)方式是點(diǎn)位控制。（2）傳動(dòng)方式要求采用步進(jìn)電機(jī)控制XY工作臺(tái)的位置，因此可以采用滾珠絲杠螺母副的傳動(dòng)方式，用聯(lián)軸器連接步進(jìn)電機(jī)和滾珠絲杠實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)。（3）電機(jī)的選擇本次設(shè)計(jì)的為簡(jiǎn)易的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控鉆床，因此采用開環(huán)伺服系統(tǒng)控制，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于調(diào)整與維修，且能保證一定精度。（4）絲杠、導(dǎo)軌、伺服電機(jī)的計(jì)算選型。（5）PLC的選型與編程。系統(tǒng)控制原理圖四、設(shè)計(jì)的具體內(nèi)容計(jì)算及說明結(jié)果1確定工作臺(tái)的尺寸及其重量根據(jù)題目工作臺(tái)尺寸為505020，工作臺(tái)的材料采用45號(hào)鋼，其密度為。（?。┮虼?/10857MKGKGN/8911工作臺(tái)（X向托板）M50502078510KG0392KG16G1039298384N12、取Y向托板X向托板M1M20392KGG2384N13、上導(dǎo)軌座重量根據(jù)題目底座外形尺寸為150150150因此M315015015078510KG2649KG6G3264998259602N所以根據(jù)上面所求，得XY工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)部分的總重量為GG1G2G3384384259602267282N根據(jù)要求所知，其最大加工工件為8KG，另外，還有絲杠、電機(jī)、聯(lián)軸器等，大約3KG，因此M43KG總G267282（83）98375082N2滾動(dòng)導(dǎo)軌的計(jì)算與選擇G總375082N21導(dǎo)軌的基本要求導(dǎo)向精度指運(yùn)動(dòng)部件按給定方向作直線運(yùn)動(dòng)的準(zhǔn)確1程度。精度保持性指導(dǎo)軌在工作過程中保持原有幾何精度2的能力。運(yùn)動(dòng)精度包括低速運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、無爬行、定位準(zhǔn)確。3足夠的剛度在載荷的作用下，導(dǎo)軌的變形不應(yīng)超過4允許值。結(jié)構(gòu)工藝性好導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)應(yīng)力求簡(jiǎn)單、便于制造、5檢驗(yàn)和調(diào)整，從而降低成本。具有良好的潤滑和防護(hù)裝置。6本次設(shè)計(jì)我們選用滾動(dòng)導(dǎo)軌。22滾動(dòng)導(dǎo)軌副的結(jié)構(gòu)介紹滾動(dòng)導(dǎo)軌是在運(yùn)動(dòng)部件和支承部件之間放置滾動(dòng)體滾珠、滾柱、滾動(dòng)軸承等，使導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)時(shí)處于滾動(dòng)摩擦狀態(tài)。滾動(dòng)體為滾珠。滾珠導(dǎo)軌副是由導(dǎo)軌、滑塊、鋼球、返向器、保持架、密封端蓋及擋板等組成，如圖23導(dǎo)軌副的精度、摩擦系數(shù)及預(yù)緊由于滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副具有“誤差均化效應(yīng)”，在同一平面內(nèi)使用二套或二套以上時(shí)，可選用較低的安裝精度達(dá)到較高的運(yùn)動(dòng)精度。通?？梢蕴岣弋a(chǎn)品質(zhì)量2050。各類機(jī)床和機(jī)械推薦采用的精度等級(jí)見下表滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副分四個(gè)精度等級(jí)，即2、3、4、5級(jí)，2級(jí)精度最高，依次遞減。根據(jù)題目要求，導(dǎo)軌所選精度為3級(jí)精度。直線滾動(dòng)導(dǎo)軌的摩擦系數(shù)為0003左右，本次導(dǎo)軌設(shè)計(jì)為雙軌平行，四個(gè)滑塊，3級(jí)精度，當(dāng)在零間隙或微間隙預(yù)壓，安裝狀態(tài)良好的條件下，實(shí)際摩擦系數(shù)約為003。預(yù)緊的選擇采用過盈裝配形成預(yù)加載荷24滾動(dòng)體的尺寸和數(shù)量增大滾動(dòng)體直徑，可以減小摩擦系數(shù)和接觸應(yīng)力，不易產(chǎn)生滑動(dòng)。若采用滾柱，推薦其直徑D68MM，滾柱的長徑比BD1520。滾動(dòng)體的數(shù)量取決于導(dǎo)軌的長度和剛度條件，每一條導(dǎo)軌上一般不少于1216個(gè)。若數(shù)量過多，會(huì)因制造誤差引起載荷分布不均勻。25導(dǎo)軌的選擇選擇中國南京工藝裝備制造有限公司HTTP/WWWNJYIGONGCN的GGB20AA四方向等載荷型滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副，導(dǎo)軌的具體資料結(jié)構(gòu)參數(shù)如下該型號(hào)精度各等級(jí)檢查項(xiàng)目及允許差見下表26導(dǎo)軌的強(qiáng)度校核根據(jù)計(jì)算出的工作臺(tái)總重G總的靜安全系數(shù)FSLC0/P,式中C0為導(dǎo)軌的基本靜額定載荷，工作載荷PG總FX；FSL1030（一般運(yùn)行狀況），3050（運(yùn)動(dòng)時(shí)受沖擊、振動(dòng)）。根據(jù)計(jì)算結(jié)果查找有關(guān)資料初選導(dǎo)軌假定系統(tǒng)受到中等沖擊，以此取FSL40FSLC0/PPG總375082NC0FSLP43750821500328N所選導(dǎo)軌的額定動(dòng)載荷C13700N，C0所以，動(dòng)載荷CA（6050043200/16710）30259294KN43133滾珠絲杠的選取查HTTP/WWWNJYIGONGCN/PRODUCTS_CONTENTASPID34L43200HHCA294KN根據(jù)動(dòng)載荷及動(dòng)載荷和公稱導(dǎo)程值的核對(duì)，最后選取南京工藝裝備制造有限公司型號(hào)FF12043型內(nèi)循環(huán)浮動(dòng)式變位導(dǎo)程預(yù)緊滾珠絲杠，其公稱直徑為12MM，公稱0D導(dǎo)程為4MM，動(dòng)靜載荷分別為4KN和67KN。滾珠直徑ERRORNOBOOKMARKNAMEGIVEN2381MM,剛度208，WD外徑大徑113MM,絲杠底徑95MM,循環(huán)圈數(shù)3。1D2D絲杠總長L2UL1E其中有效行程150MM；螺母長度35MM；余程25MM1EL所以計(jì)算的絲杠總長L235MM34滾道半徑、偏心距查上圖得，150MMUL35MM125MMEL235MM滾道半徑1238MM2041DWR偏心距M10367E2）（絲杠內(nèi)徑2E2R96MMND035穩(wěn)定性計(jì)算因螺桿較長，所以穩(wěn)定性驗(yàn)算應(yīng)以下式求臨界載荷2LEIFACR式中E螺桿材料的彈性模量，查材料力學(xué)表22，取E206GPA螺桿危險(xiǎn)截面的軸慣性矩AI長度系數(shù)，查機(jī)電一體化設(shè)計(jì)手冊(cè)得1絲杠的有效長度是150MML410434N261096MDIANLEIFACR421092265501254是安全的2104MCR36剛度驗(yàn)算按最不利的情況考慮，螺紋螺距因愛軸向力引起的彈性變形與受轉(zhuǎn)矩引起彈性變形方向是一致的，所以1238MMRM21036E96MMNDE206GPA150MML41024MIANFCR65式中,2N4N216EDFSGTSTAN2D101MFT，005PTGD01317TFTMNFTMTAN2D101SP4MM,96MM,G833按最不利的情況，即取NGPA臨界載荷FFM31554N所以MEDFSGTS22323943922N4N21109710610610645386絲杠在工作長度上的彈性所引起的導(dǎo)程誤差為015LSPS7210435通常要求絲杠的導(dǎo)程誤差應(yīng)小于其定位精度的一半，277MM（其中MMMFM000268NM為不帶負(fù)載時(shí)的轉(zhuǎn)矩）故按此頻率計(jì)算最大進(jìn)給速度VVMIN24MIN420170961ILFMAX61滿足要求。49步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的選型根據(jù)所選的步進(jìn)電機(jī)，選擇步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器如下八安裝尺寸5聯(lián)軸器及絲桿支撐座的選擇51聯(lián)軸器的介紹聯(lián)軸器屬于機(jī)械通用零部件范疇，用來聯(lián)接不同機(jī)構(gòu)中的兩根軸（主動(dòng)軸和從動(dòng)軸）使之共同旋轉(zhuǎn)以傳遞扭矩的機(jī)械零件。在高速重載的動(dòng)力傳動(dòng)中，有些聯(lián)軸器還有緩沖，減振和提高軸系動(dòng)態(tài)性能的作用。聯(lián)軸器由兩半部分組成，分別與主動(dòng)軸和從動(dòng)軸聯(lián)接。52聯(lián)軸器的選擇因?yàn)樯鲜鏊x的電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)軸的直徑為5MM，因此我所選的聯(lián)軸器為所選型號(hào)為MGA170參數(shù)與外形尺寸如上圖所示。53絲桿支撐座的選擇選擇絲桿支承座時(shí)，考慮支承座孔徑絲桿相配合。由于所選的滾珠絲桿公稱直徑為12MM，因此選擇的軸承座如下所示其外觀圖為其參數(shù)為根據(jù)參數(shù)，選擇的型號(hào)為EK8裝配參數(shù)6PLC的選型61控制系統(tǒng)的要求題目要求設(shè)計(jì)簡(jiǎn)易的數(shù)控工作臺(tái)，即通過按鈕開關(guān)產(chǎn)生的開關(guān)量可以實(shí)現(xiàn)工作臺(tái)的自動(dòng)運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)功能包括啟動(dòng)，停止，自動(dòng)，手動(dòng)，快進(jìn)，慢進(jìn)，快退，慢退，急停等，同時(shí)還要有限位開關(guān)來保護(hù)工作臺(tái)不會(huì)運(yùn)動(dòng)到導(dǎo)軌的極限位置以外。此次設(shè)計(jì)不需要復(fù)雜的控制過程，所以可以選用小型PLC來實(shí)現(xiàn)，可以在保證功能的同時(shí)節(jié)約成本。控制系統(tǒng)的信號(hào)包括按鈕的開關(guān)量和限位傳感器的模擬量?jī)煞N，輸出信號(hào)為兩路脈沖信號(hào)。62PLC的規(guī)模估算為了完成預(yù)定的控制任務(wù)所需要的PLC的規(guī)模，主要取決于設(shè)備對(duì)輸入輸出點(diǎn)的需求量和控制過程的難度。估算PLC需要的各種類型的輸入，輸出點(diǎn)數(shù)，并據(jù)此估算用戶的存儲(chǔ)容量，是系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的重要環(huán)節(jié)。（1）輸入點(diǎn)的估算及I/O端口分配輸入元件輸入條件接口號(hào)急停按鈕SB1X0啟動(dòng)按鈕SB2X1停止按鈕SB3X2快進(jìn)按鈕SB4X3快退按鈕SB5X4慢進(jìn)按鈕SB6X5慢退按鈕SB7X6自動(dòng)按鈕SB8X7手動(dòng)按鈕SB9X10限位開關(guān)1ST1X11限位開關(guān)2ST2X12（2）0輸出點(diǎn)的估算輸出端口輸出條件方向控制Y0速度控制Y1（3）選擇控制器考慮到在實(shí)際安裝、調(diào)試和應(yīng)用中，還可能會(huì)發(fā)現(xiàn)一些估算中未預(yù)見到的因素，根據(jù)實(shí)際情況將增加一些輸入輸出信號(hào)。因此在選擇PLC時(shí)應(yīng)再增加1520的輸入輸出點(diǎn)數(shù)，根據(jù)這條經(jīng)驗(yàn)本次選用的PLC最少點(diǎn)數(shù)應(yīng)該是11（1120）132（4）存儲(chǔ)容量的估算根據(jù)存儲(chǔ)容量的一般粗略估計(jì)方法（輸入點(diǎn)數(shù)輸出點(diǎn)數(shù)）（1012）指令句數(shù)再按上述數(shù)據(jù)估算后，通常再增加1520的備用量來作為PLC的內(nèi)存容量所以本次選擇的PLC最小容量（112）10130，130（112）145663PLC的選擇考慮到設(shè)備所需要的功能，PLC輸入、輸出接口模塊的形式還有設(shè)備的通用性和成本，本次設(shè)計(jì)初步選用的是三菱FX1N24MT001型PLC控制器。所選PLC的各種參數(shù)見下表FX1N系列是最多可控制128點(diǎn)的普及型微型PLC。首先，此型號(hào)可以擴(kuò)展的點(diǎn)數(shù)范圍為24128點(diǎn)，可以充分滿足輸入輸出點(diǎn)數(shù)的要求，除了可以擴(kuò)展輸入輸出，還具有模擬量控制和通訊，鏈接功能等的擴(kuò)展性。同時(shí)內(nèi)置DC24V傳感器用的供給電源，可以滿足兩個(gè)限位開關(guān)的使用。具有輔助繼電器1536點(diǎn)，定時(shí)器256點(diǎn)，計(jì)數(shù)器235點(diǎn)，數(shù)據(jù)寄存器8000點(diǎn)，可以充分滿足編程的需要，所以FX1N24MT001型PLC可以完全滿足此次設(shè)計(jì)的要求。PLC使用的是AC100V240V的交流電源，輸入具有光電隔離的功能，可以保證PLC使用時(shí)的用電安全，運(yùn)算處理基本指令的時(shí)間為05507S/指令，處理應(yīng)用指令的時(shí)間為37數(shù)100S/指令，處理速度可以保證生產(chǎn)的效率和發(fā)生故障時(shí)的反應(yīng)速度。為了程序測(cè)試時(shí)可以觀察程序的運(yùn)行狀態(tài)，還選配了FX1N5DM型的顯示模塊，同樣是三菱公司生產(chǎn)的顯示模塊可以直接內(nèi)置安裝到PLC中,不會(huì)增加額外的空間，安裝此顯示模塊后可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)顯示，數(shù)據(jù)設(shè)定，可以監(jiān)視、設(shè)定計(jì)數(shù)器，定時(shí)器，數(shù)據(jù)寄存器的內(nèi)容。這樣就可以簡(jiǎn)化調(diào)試和修改程序的步驟。FX1N型號(hào)的PLC還具有同時(shí)輸出2個(gè)1相100KHZ的脈沖功能，可以很輕松的實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速還有轉(zhuǎn)向的控制。PLC端子排列FX1N型PLC還標(biāo)準(zhǔn)裝載了5種定位專用指令，包括ABS，ZRN，PLSV，DRVI，DRVA。還有兩種脈沖輸出指令PLSY和PLSR，在本次設(shè)計(jì)中運(yùn)用了PLSV可變速脈沖輸出指令來控制手動(dòng)時(shí)的快進(jìn)，快退和慢進(jìn)，慢退。利用DRVI指令來控制自動(dòng)運(yùn)動(dòng)一定距離的目的。但是在自動(dòng)時(shí)要進(jìn)行距離變換成脈沖數(shù)的換算，然后在程序的DRVI指令中更改第一個(gè)參數(shù)的值為相應(yīng)的脈沖數(shù)，才能實(shí)現(xiàn)指定距離的運(yùn)動(dòng)。具體變換公式為輸入的脈沖數(shù)步距角絲桿導(dǎo)程需要移動(dòng)的距離O360絲桿導(dǎo)程為4MM，步距角為09公式化簡(jiǎn)后得輸入的脈沖數(shù)需要移動(dòng)的距離10065流程圖66梯形圖4、總結(jié)3周的時(shí)間很快就過去了，在大家的努力下這次課程設(shè)計(jì)也順利完成。本次課程設(shè)計(jì)主要設(shè)計(jì)一套簡(jiǎn)易的數(shù)控XY工作臺(tái)及其控制系統(tǒng)，本次設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容包括，滾珠絲杠，滾動(dòng)導(dǎo)軌及步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的計(jì)算及選取和軸承座、聯(lián)軸器的選取以及PLC的選型編程。由于涉及的東西都是自己以前接觸過的，設(shè)計(jì)前期自己本沒有認(rèn)真對(duì)待，認(rèn)為這次任務(wù)沒有什么難的，可是當(dāng)真正著手去做的時(shí)候才發(fā)現(xiàn)并非很簡(jiǎn)單。在這課程設(shè)計(jì)過程中遇到了很多的問題。有些是很簡(jiǎn)單的可自己開始卻無從下手，我想這不僅是時(shí)間隔得比較久，更是當(dāng)初學(xué)習(xí)的時(shí)候沒好好把握學(xué)習(xí)的機(jī)會(huì)好好的學(xué)習(xí)。書到用時(shí)方恨少，在本次課程設(shè)計(jì)已接近尾聲時(shí)悔恨當(dāng)初