三坐標工作臺控制系統(tǒng)設計

1、1總體方案的確定1.1引言現(xiàn)代科學技術的不斷發(fā)展，極大地推動了不同學科的交叉與滲透，導致了工程領域的技術革命與改造。在機械工程領域，由于微電子技術和計算機技術的迅速發(fā)展及其向機械工業(yè)的滲透所形成的機電一體化，使機械工業(yè)的技術結構、產品機構、功能與構成、生產方式及管理體系發(fā)生了巨大變化，使工業(yè)生產由“機械電氣化”邁入了“機電一體化”為特征的發(fā)展階段。1.2、設計任務主要是設計一個具有X、Y、Z三個坐標軸的工作臺，能夠沿著X、Y、Z軸運動，用于加工機床時不僅可以對空間任意平面加工,而且能對空間曲面加工；還能用于測量裝置，可以對工件的三維坐標進行測量。設計包括其機械結構部分，控制系統(tǒng)部分的軟、硬件系

2、統(tǒng)，能夠實現(xiàn)基本的運動功能和聯(lián)動功能。1.3 機械傳動部件的選擇1.3.1導軌副的選用要設計的工作臺，需要承受20kN的載荷，載荷不大，而且脈沖當量小，定位精度高，因此選用直線滾動導軌副，它具有摩擦系數(shù)小，不易爬行，傳動效率高，結構緊，安裝預緊方便等優(yōu)點。1.3.2絲杠螺母副的選用步進電動機的旋轉運動需要通過絲杠螺母副轉換成直線運動，需要滿足0.005mm沖當量和mm的定位精度，滑動絲杠副為能為力，只有選用滾珠絲桿副才能達到要求。1.3.3減速裝置的選用選擇了步進電動機和滾珠絲桿副以后，為了圓整脈沖當量，放大電動機的輸出轉矩，降低運動部件折算到電動機轉軸上的轉動慣量，可能需要減速裝置，且應有消

3、間隙機構，選用無間隙齒輪傳動減速箱。1.3.4步進電動機的選用選定的脈沖當量尚未達到0.001mm，定位精度也未達到微米級，空載最快移動速度也只有因此3000mm/min，故設計不必采用高檔次的伺服電動機，因此可以選用混合式步進電動機。以降低成本，提高性價比。1.3.5檢測裝置的選用為了確保電動機在運動過程中不受切削負載和電網(wǎng)的影響而失步，決定采用半閉環(huán)控制，擬在電動機的尾部轉軸上安裝增量式旋轉編碼器，用以檢測電動機的轉角與轉速。增量式旋轉編碼器的分辨力應與步進電動機的步距角相匹配。1.4 控制系統(tǒng)的設計1）設計的三坐標工作臺準備用在數(shù)控機床上，其控制系統(tǒng)應該具有單坐標定位，兩坐標直線插補與圓

4、弧插補的基本功能，所以控制系統(tǒng)設計成連續(xù)控制型。2）對于步進電動機的半閉環(huán)控制，選用MPC07運動控制卡作為控制系統(tǒng)的CPU，能夠滿足相關的指標。MPC07控制卡主要特征有：開放式結構、使用簡便、功能豐富、可靠性高等3）要設計一臺完整的控制系統(tǒng)，在選擇CPU之后，還要擴展程序存儲器，鍵盤與顯示電路，I/O接口電路，D/A轉換電路，串行接口電路等。4）選擇合適的驅動電源，與步進電動機配套使用。 2、機械傳動部件的選擇 由于所設計的三坐標工作臺是用于數(shù)控銑床上，所以根據(jù)參考資料設計主要參數(shù)如下：1. 立銑刀最大直徑的d=20mm；2. 立銑刀齒數(shù)Z=43. 最大銑削寬度=15mm;4. 最大背吃刀

5、量=10mm;5. 加工材料為碳素鋼。6. X、Y方向的脈沖當量=0.005mm/脈沖;7. X、Z方向的定位精度均為mm;8. 工作臺面尺寸為350mm350mm，加工范圍為380mm380mm;9. 工作臺空載進給最快移動速度：;10. 工作臺進給最快移動速度:;11. 每齒進給量F=0.1mm。12. 銑刀轉速n=300r/min。2.1 工作臺的受力分析與計算所設計的三坐標工作臺是用于銑床上，零件的加工方式為立式銑削，采用硬質合金立銑刀，工件的材料為碳鋼。則由所參考資料查得立銑時的銑削力計算公式為： 今選擇銑刀的直徑為d=20mm，齒數(shù)Z=4,為了計算最大銑削力，在不對稱銑削情況下，取

6、最大銑削寬度為，背吃刀量=10mm ，每齒進給量，銑刀轉速。則由式求的最大銑削力：=N采用立銑刀進行圓柱銑削時，各銑削力之間的比值可由參考資料查得，考慮逆銑時的情況，可估算三個方向的銑削力分別為：?，F(xiàn)考慮立銑，則工作臺受到垂直方向的銑削力，受到水平方向的銑削力分別為和。今將水平方向較大的銑削力分配給工作臺的縱向，則縱向銑削力，徑向銑削力為。2.1 Z軸的選型：2.1.2 直線滾動導軌副的計算與選型工作載荷是影響直線滾動導軌副使用壽命的重要因素。工作臺為水平布置，采用雙導軌、四滑塊的支承形式?？紤]最不利的情況，即垂直于臺面的工作載荷全部由一個滑塊承擔，則單滑塊所受的最大垂直方向載荷為： 其中，移

7、動部件重量20kN，外加載荷，代入式中，得最大工作載荷=5.751kN。由所參考資料查得，根據(jù)工作載荷=5.751kN，初選直線滾動導軌副的型號為KL系列的JSA-LG25型，其額定動載荷Ca=17.7kN，額定靜載荷Coa=22.6kN。任務書規(guī)定工作臺面尺寸為350mm350mm，加工范圍為380mm380mm，考慮工作行程應留有一定余量，由所參考資料查得，按標準系列，選取導軌的長度為800mm。上述所取的KL系列JSA-LG25系列導軌副的滾道硬度為60HRC，工作溫度不超過C，每根導軌上配有兩只滑塊，精度為4級，工作速度較低，載荷不大。由所參考資料查得，分別取硬度系數(shù)f=1.0，溫度系

8、數(shù)f=1.00，接觸系數(shù)f=0.81，精度系數(shù)f=0.9，載荷系數(shù)f=1.5，代入式中，得距離壽命：L=大于期望值50Km，故距離額定壽命滿足要求。2.1.3 滾珠絲杠螺母副的計算與選型 如前面所述，在立銑時，工作臺受到進給方向的載荷（與絲杠軸線平行）Fy=494N,受到橫向載荷（與絲杠軸線平行）Fx=2174N，受到垂直方向的載荷（與工作臺面垂直）Fz=751N.已知移動部件總重量G=20000N，按矩形導軌進行計算，由所參考資料查得，取顛覆力矩影響系數(shù)K=1.1，滾動導軌上的摩擦系數(shù)=0.005。求得滾珠絲杠副的最大工作載荷：設工作臺在承受最大銑削力時的最快進給速度v=300mm/min，

9、初選絲杠導程Ph=5mm,則此時絲杠轉速n=v/Ph=60r/min。取滾珠絲杠的使用壽命T=15000h,代入L0=60Nt/106,得絲杠壽命系數(shù)L0=54（單位為：106r）。由所參考資料查得，取載荷系數(shù)fw=1.2,滾道硬度為60HRC時，取硬度系數(shù)fH=1.0,代入公式，求得最大動載荷：FQ=根據(jù)計算出的最大動載荷和初選的絲杠導程，由所參考資料查得，選擇濟寧博特精密絲杠制造有限公司生產的G系列3205-4型滾珠絲杠副，為內循環(huán)固定反向器單螺母式，其公稱直徑為32mm，導程為5mm，循環(huán)滾珠為4圈*2系列，精度等級取5級，額定動載荷為13675N，大于FQ，滿足要求。 將公稱直徑d0=

10、32mm,導程Ph=5mm,代入=arctanPh/(d0)，得絲杠螺旋升角=251。將摩擦角=10，代入=tan/tan(+),得傳動效率=92.1%。2.1.4 步進電動機減速箱的選用為了滿足脈沖當量的的設計要求，增大步進電動機的輸出轉矩，同時也為了使?jié)L珠絲杠和工作臺的轉動慣量折算到電動機軸上盡可能的小，今在步進電動機的輸出軸上安裝一套齒輪機減速，采用一級減速，步進電動機的輸出軸與齒輪相連，滾珠絲杠的軸頭與大齒輪相連。其中大齒輪設計成雙片結構。已知工作臺的脈沖當量=0.005mm/脈沖，滾珠絲杠的的導程Ph=5mm， 初選步進電動機的步距角=0.75。根據(jù)公式，算得減速比：=（0.755）

11、/（3600.005）=25/12本設計選用常州市新月電機有限公司生產的JBF-3型齒輪減速箱。大小齒輪模數(shù)均為1mm，齒數(shù)比為75：36，材料為45調質鋼，齒表面淬硬后達到55HRC。減速箱中心距為（75+36）1/2mm=55.5mm,小齒輪厚度為20mm，雙片大齒輪厚度均為10mm。2.1.5 步進電動機的計算與選型已知：滾珠絲杠的公稱直徑d0=32mm，總長l=750mm，導程Ph=5mm，材料密度=7.8510-5kg/;移動部件總重力G=20000N；小齒輪齒寬b1=20mm.，直徑d1=36mm，大小齒輪齒寬b2=20mm，直徑d2=75mm；傳動比i=25/12。由所參考資料查

12、得，算得各個零部件的轉動慣量如下： 滾珠絲杠的轉動慣量Js=0.473kgcm2;拖板折算到絲杠上的轉動慣量Jw= 0.298kgcm2;小齒輪的轉動慣量Jz1=0.259 kgcm2；大齒輪的轉動慣量Jz2=4.877 kgcm2。初選步進電動機的型號為110BYG2602,為兩相混合式，由常州寶馬集團公司生產，二相八拍驅動時的步距角為0.75，由所參考資料查得該型號的電動機轉子的轉動慣量Jm=15 kgcm2。則加在步進電動機轉軸上的總轉動慣量為：=16.56kgcm2分快速空載和承受最大負載兩種情況計算等效負載轉矩Teq。1) 快速空載起動時電動機轉軸所承受的負載轉矩由公式可知，包括三部

13、分;一部分是快速空載起動時折算到電動機轉軸上的最大加速轉矩；一部分是移動部件運動時折算到電動機轉軸上的摩擦轉矩；還有一部分是滾珠絲杠預緊后折算到電動機轉軸上的附加摩擦轉矩。因為滾珠絲杠副傳動效率很高，根據(jù)公式可知，相對于和很小，可以忽略不計。則有：=+ （1）根據(jù)公式，考慮傳動鏈的總效率，計算空載起動時折算到電動機轉軸上最大加速轉矩：= （2）其中： =1250r/min （3）式中空載最快移動速度，為3000mm/min；步進電動機步距角，預選電動機為0.75；脈沖當量，本例=0.005mm/脈沖。設步進電機由靜止加速至所需時間，傳動鏈總效率。則由式（2）求得：=由公式知，移動部件運動時，折

14、算到電動機轉軸上的摩擦轉矩為：= (4)式中導軌的摩擦因素，滾動導軌取0.005垂直方向的銑削力，空載時取0傳動鏈效率，取0.7最后由式（1）求得快速空載起動時電動機轉軸所承受的負載轉矩： =+=0.824Nm 2) 最大工作負載狀態(tài)下電動機轉軸所承受的負載轉矩由公式可知，包括三部分：一部分是折算到電動機轉軸上的最大工作負載轉矩；一部分是移動部件運動時折算到電動機轉軸上的摩擦轉矩；還有一部分是滾珠絲杠預緊后折算到電動機轉軸上的附加摩擦轉矩，相對于和很小，可以忽略不計。則有： =+ （5）其中折算到電動機轉軸上的最大工作負載轉矩由公式計算。有：再由公式計算垂直方向承受最大工作負載情況下，移動部件

15、運動時折算到電動機轉軸上的摩擦轉矩：最后由式（5），求得最大工作負載狀態(tài)下電動機轉軸所承受的負載轉矩：=+=1.227N/m 最后求得在步進電動機轉軸上的最大等效負載轉矩為： 考慮到步進電動機的驅動電源受電網(wǎng)電壓影響較大，當輸入電壓降低時，其輸出轉矩會下降，可能造成丟步，甚至堵轉。因此，根據(jù)來選擇步進電動機的最大靜轉矩時，需要考慮安全系數(shù)。取K=4, 則步進電動機的最大靜轉矩應滿足： 初選步進電動機的型號為110BYG2602，由所參考資料查得該型號電動機的最大靜轉矩=6Nm?？梢姡瑵M足要求。步進電動機的性能校核1)最快工進速度時電動機的輸出轉矩校核 圖4.1 110BYG2602電動機的運行

16、矩頻特性曲線選定工作臺最快工進速度=300mm/min，脈沖當量/脈沖，由公式求出電動機對應的運行頻率。從110BYG2602電動機的運行矩頻特性曲線圖4.1可以看出在此頻率下，電動機的輸出轉矩5.6Nm，遠遠大于最大工作負載轉矩=1.227Nm，滿足要求。2）最快空載移動時電動機輸出轉矩校核 選定工作臺最快空載移動速度=3000mm/min，求出其對應運行頻率。由圖4.1查得，在此頻率下，電動機的輸出轉矩=1.8Nm，大于快速空載起動時的負載轉矩=0.824Nm，滿足要求。3）最快空載移動時電動機運行頻率校核 與快速空載移動速度=3000mm/min對應的電動機運行頻率為。由所參考資料查得可

17、知110BYG2602電動機的空載運行頻率可達20000，可見沒有超出上限。綜上所述，本次設計中工作臺的進給傳動系統(tǒng)選用110BYG2602步進電動機，完全滿足設計要求。2.2 Y軸的選型：導軌上移動部件的重量估算按照下導軌上面移動部件的重量來進行估算。包括工件、夾具、工作臺、上層電動機、減速箱、滾珠絲杠副、導軌座等,估計重量約為25000N。2.2.2直線滾動導軌副的計算與選型工作載荷是影響直線滾動導軌副使用壽命的重要因素。本例中的工作臺為水平布置，采用雙導軌、四滑塊的支承形式。考慮最不利的情況，即垂直于臺面的工作載荷全部由一個滑塊承擔，則單滑塊所受的最大垂直方向載荷為： 其中，移動部件重量

18、25000N，外加載荷，代入式中，得最大工作載荷=7.001kN。由所參考資料查得，根據(jù)工作載荷=7.001kN，初選直線滾動導軌副的型號為KL系列的JSA-LG15型，其額定動載荷Ca=17.7kN，額定靜載荷Coa=22.6kN。選定工作臺面尺寸為350mm350mm，加工范圍為380mm380mm，考慮工作行程應留有一定余量，由所參考資料查得，按標準系列，選取導軌的長度為800mm。上述所取的KL系列JSA-LG25系列導軌副的滾道硬度為60HRC，工作溫度不超過C，每根導軌上配有兩只滑塊，精度為4級，工作速度較低，載荷不大。由所參考資料查得，分別取硬度系數(shù)f=1.0，溫度系數(shù)f=1.0

19、0，接觸系數(shù)f=0.81，精度系數(shù)f=0.9，載荷系數(shù)f=1.5，代入式（3-33），得距離壽命：L=大于期望值50Km，故距離額定壽命滿足要求。2.2.3 滾珠絲杠螺母副的計算與選型 如前面所述，在立銑時，工作臺受到進給方向的載荷（與絲杠軸線平行）Fx=2174N,受到橫向載荷（與絲杠軸線垂直）Fy=494N，受到垂直方向的載荷（與工作臺面垂直）Fz=751N.已知移動部件總重量G=25000N，按矩形導軌進行計算，查表3-29，取顛覆力矩影響系數(shù)K=1.1，滾動導軌上的摩擦系數(shù)=0.005。求得滾珠絲杠副的最大工作載荷：Fm=KFx+(Fz+Fy+G)=1.12174+0.005(751+

20、494+25000)N2522N 設工作臺在承受最大銑削力時的最快進給速度v=300mm/min，初選絲杠導程Ph=5mm,則此時絲杠轉速n=v/Ph=60r/min。取滾珠絲杠的使用壽命T=15000h,代入L0=60Nt/106,得絲杠壽命系數(shù)L0=54（單位為：106r）。由所參考資料查得，取載荷系數(shù)fw=1.2,滾道硬度為60HRC時，取硬度系數(shù)fH=1.0,代入公式，求得最大動載荷：FQ=根據(jù)計算出的最大動載荷和初選的絲杠導程，由所參考資料查得，選擇濟寧博特精密絲杠制造有限公司生產的G系列3205-4型滾珠絲杠副，為內循環(huán)固定反向器單螺母式，其公稱直徑為32mm，導程為5mm，循環(huán)滾

21、珠為4圈*2系列，精度等級取5級，額定動載荷為13675N，大于FQ，滿足要求。將公稱直徑d0=32mm,導程Ph=5mm,代入=arctanPh/(d0)，得絲杠螺旋升角=251。將摩擦角=10，代入=tan/tan(+),得傳動效率=92.1%。2.2.4步進電動機減速箱的選用為了滿足脈沖當量的的設計要求，增大步進電動機的輸出轉矩，同時也為了使?jié)L珠絲杠和工作臺的轉動慣量折算到電動機軸上盡可能的小，今在步進電動機的輸出軸上安裝一套齒輪機減速，采用一級減速，步進電動機的輸出軸與齒輪相連，滾珠絲杠的軸頭與大齒輪相連。其中大齒輪設計成雙片結構。已知工作臺的脈沖當量=0.005mm/脈沖，滾珠絲杠的

22、的導程Ph=5mm， 初選步進電動機的步距角=0.75。根據(jù)公式，算得減速比：=（0.755）/（3600.005）=25/12選用常州市新月電機有限公司生產的JBF-3型齒輪減速箱。大小齒輪模數(shù)均為1mm，齒數(shù)比為75：36，材料為45調質鋼，齒表面淬硬后達到55HRC。減速箱中心距為（75+36）1/2mm=55.5mm,小齒輪厚度為20mm，雙片大齒輪厚度均為10mm。2.2.5 步進電動機的計算與選型已知：滾珠絲杠的公稱直徑d0=32mm，總長l=450mm，導程Ph=5mm，材料密度=7.8510-5kg/;移動部件總重力G=25000N；小齒輪齒寬b1=20mm.，直徑d1=36m

23、m，大小齒輪齒寬b2=20mm，直徑d2=75mm；傳動比i=25/12。由所參考資料，算得各個零部件的轉動慣量如下： 滾珠絲杠的轉動慣量Js=0.473kgcm2;拖板折算到絲杠上的轉動慣量Jw=0.373kgcm2;小齒輪的轉動慣量Jz1=0.259 kgcm2；大齒輪的轉動慣量Jz2=4.877 kgcm2。初選步進電動機的型號為110YBG2602,為兩相混合式，由常州寶馬集團公司生產，二相八拍驅動時的步距角為0.75，由所參考資料查得該型號的電動機轉子的轉動慣量Jm=15 kgcm2。則加在步進電動機轉軸上的總轉動慣量為：=16.58 kgcm2分快速空載和承受最大負載兩種情況計算等

24、效負載轉矩Teq 。1) 快速空載起動時電動機轉軸所承受的負載轉矩由公式可知，包括三部分;一部分是快速空載起動時折算到電動機轉軸上的最大加速轉矩；一部分是移動部件運動時折算到電動機轉軸上的摩擦轉矩；還有一部分是滾珠絲杠預緊后折算到電動機轉軸上的附加摩擦轉矩。因為滾珠絲杠副傳動效率很高，根據(jù)公式可知，相對于和很小，可以忽略不計。則有：=+ （1）根據(jù)公式，考慮傳動鏈的總效率，計算空載起動時折算到電動機轉軸上最大加速轉矩：= (2)其中： =833.3r/min (3)式中空載最快移動速度，任務書指定為2000mm/min；步進電動機步距角，預選電動機為0.75；脈沖當量，本例=0.005mm/脈

25、沖。設步進電機由靜止加速至所需時間，傳動鏈總效率。則由公式求得：=由公式知，移動部件運動時，折算到電動機轉軸上的摩擦轉矩為：= N.m(4)式中導軌的摩擦因素，滾動導軌取0.005垂直方向的銑削力，空載時取0傳動鏈效率，取0.7最后由式（1）求得快速空載起動時電動機轉軸所承受的負載轉矩： =+=0.843Nm 2) 最大工作負載狀態(tài)下電動機轉軸所承受的負載轉矩由公式可知，包括三部分：一部分是折算到電動機轉軸上的最大工作負載轉矩；一部分是移動部件運動時折算到電動機轉軸上的摩擦轉矩；還有一部分是滾珠絲杠預緊后折算到電動機轉軸上的附加摩擦轉矩，相對于和很小，可以忽略不計。則有： =+ （5）其中折算

26、到電動機轉軸上的最大工作負載轉矩由公式計算。有：再由公式計算垂直方向承受最大工作負載情況下，移動部件運動時折算到電動機轉軸上的摩擦轉矩：最后由式（5），求得最大工作負載狀態(tài)下電動機轉軸所承受的負載轉矩：=+=1.256N/m 最后求得在步進電動機轉軸上的最大等效負載轉矩為：=1.256考慮到步進電動機的驅動電源受電網(wǎng)電壓影響較大，當輸入電壓降低時，其輸出轉矩會下降，可能造成丟步，甚至堵轉。因此，根據(jù)來選擇步進電動機的最大靜轉矩時，需要考慮安全系數(shù)。取K=4, 則步進電動機的最大靜轉矩應滿足： 初選步進電動機的型號為110BYG2602，由所參考資料查得該型號電動機的最大靜轉矩=6Nm?？梢?，滿

27、足要求。步進電動機的性能校核1)最快工進速度時電動機的輸出轉矩校核 圖4.1 110BYG2602電動機的運行矩頻特性曲線選定工作臺最快工進速度=300mm/min，脈沖當量=0.005/脈沖，由公式求出電動機對應的運行頻率.從110BYG2602電動機的運行矩頻特性曲線圖4.1可以看出在此頻率下，電動機的輸出轉矩5.5Nm，遠遠大于最大工作負載轉矩=1.256Nm，滿足要求。2）最快空載移動時電動機輸出轉矩校核 選定工作臺最快空載移動速度=3000mm/min，求出其對應運行頻率。由圖4.1查得，在此頻率下，電動機的輸出轉矩=1.8Nm，大于快速空載起動時的負載轉矩=0.843Nm，滿足要求

28、。3）最快空載移動時電動機運行頻率校核 與快速空載移動速度=2000mm/min對應的電動機運行頻率為。查表4-5可知110BYG2602電動機的空載運行頻率可達20000，可見沒有超出上限。綜上所述，本次設計中工作臺的進給傳動系統(tǒng)選用110BYG2602步進電動機，完全滿足設計要求。2.3 X軸的選型：導軌上移動部件的重量估算按照下導軌上面移動部件的重量來進行估算。包括工件、夾具、工作臺、上層電動機、減速箱、滾珠絲杠副、導軌座等,估計重量約為30000N。2.3.2 直線滾動導軌副的計算與選型工作載荷是影響直線滾動導軌副使用壽命的重要因素。工作臺為水平布置，采用雙導軌、四滑塊的支承形式?？紤]

29、最不利的情況，即垂直于臺面的工作載荷全部由一個滑塊承擔，則單滑塊所受的最大垂直方向載荷為： 其中，移動部件重量30kN，外加載荷，代入式中，得最大工作載荷=8.251kN。由所參考資料查得，根據(jù)工作載荷=5.751kN，初選直線滾動導軌副的型號為KL系列的JSA-LG25型，其額定動載荷Ca=17.7kN，額定靜載荷Coa=22.6kN。選定工作臺面尺寸為350mm350mm，加工范圍為380mm380mm，考慮工作行程應留有一定余量，由所參考資料查得，按標準系列，選取導軌的長度為800mm。上述所取的KL系列JSA-LG25系列導軌副的滾道硬度為60HRC，工作溫度不超過C，每根導軌上配有兩

30、只滑塊，精度為4級，工作速度較低，載荷不大。查表3-36表3-40，分別取硬度系數(shù)f=1.0，溫度系數(shù)f=1.00，接觸系數(shù)f=0.81，精度系數(shù)f=0.9，載荷系數(shù)f=1.5，代入公式，得距離壽命：L=大于期望值50Km，故距離額定壽命滿足要求。2.3.3 滾珠絲杠螺母副的計算與選型 如前面所述，在立銑時，工作臺受到進給方向的載荷（與絲杠軸線平行）Fy=494N,受到橫向載荷（與絲杠軸線平行）Fx=2174N，受到垂直方向的載荷（與工作臺面垂直）Fz=751N.已知移動部件總重量G=30000N，按矩形導軌進行計算，由所參考資料查得，取顛覆力矩影響系數(shù)K=1.1，滾動導軌上的摩擦系數(shù)=0.0

31、05。求得滾珠絲杠副的最大工作載荷：設工作臺在承受最大銑削力時的最快進給速度v=300mm/min，初選絲杠導程Ph=5mm,則此時絲杠轉速n=v/Ph=60r/min。取滾珠絲杠的使用壽命T=15000h,代入L0=60Nt/106,得絲杠壽命系數(shù)L0=54（單位為：106r）。由所參考資料查得，取載荷系數(shù)fw=1.2,滾道硬度為60HRC時，取硬度系數(shù)fH=1.0,代入公式，求得最大動載荷：FQ=根據(jù)計算出的最大動載荷和初選的絲杠導程，由所參考資料查得，選擇濟寧博特精密絲杠制造有限公司生產的G系列3205-4型滾珠絲杠副，為內循環(huán)固定反向器單螺母式，其公稱直徑為32mm，導程為5mm，循環(huán)

32、滾珠為4圈*2系列，精度等級取5級，額定動載荷為13675N，大于FQ，滿足要求。將公稱直徑d0=32mm,導程Ph=5mm,代入=arctanPh/(d0)，得絲杠螺旋升角=251。將摩擦角=10，代入=tan/tan(+),得傳動效率=92.1%。2.3.4 步進電動機減速箱的選用為了滿足脈沖當量的的設計要求，增大步進電動機的輸出轉矩，同時也為了使?jié)L珠絲杠和工作臺的轉動慣量折算到電動機軸上盡可能的小，今在步進電動機的輸出軸上安裝一套齒輪機減速，采用一級減速，步進電動機的輸出軸與齒輪相連，滾珠絲杠的軸頭與大齒輪相連。其中大齒輪設計成雙片結構。已知工作臺的脈沖當量=0.005mm/脈沖，滾珠絲

33、杠的的導程Ph=5mm， 初選步進電動機的步距角=0.75。根據(jù)公式，算得減速比：=（0.755）/（3600.005）=25/12選用常州市新月電機有限公司生產的JBF-3型齒輪減速箱。大小齒輪模數(shù)均為1mm，齒數(shù)比為75：36，材料為45調質鋼，齒表面淬硬后達到55HRC。減速箱中心距為（75+36）1/2mm=55.5mm,小齒輪厚度為20mm，雙片大齒輪厚度均為10mm。2.3.5 步進電動機的計算與選型已知：滾珠絲杠的公稱直徑d0=32mm，總長l=750mm，導程Ph=5mm，材料密度=7.8510-5kg/;移動部件總重力G=30000N；小齒輪齒寬b1=20mm.，直徑d1=3

34、6mm，大小齒輪齒寬b2=20mm，直徑d2=75mm；傳動比i=25/12。由所參考資料查得，算得各個零部件的轉動慣量如下： 滾珠絲杠的轉動慣量Js=0.473kgcm2;拖板折算到絲杠上的轉動慣量Jw= 0.447kgcm2;小齒輪的轉動慣量Jz1=0.259 kgcm2；大齒輪的轉動慣量Jz2=4.877 kgcm2。初選步進電動機的型號為110BYG2602,為兩相混合式，由常州寶馬集團公司生產，二相八拍驅動時的步距角為0.75，由所參考資料查得該型號的電動機轉子的轉動慣量Jm=15 kgcm2。則加在步進電動機轉軸上的總轉動慣量為：=16.59kgcm2分快速空載和承受最大負載兩種情

35、況計算等效負載轉矩Teq。1) 快速空載起動時電動機轉軸所承受的負載轉矩由公式可知，包括三部分;一部分是快速空載起動時折算到電動機轉軸上的最大加速轉矩；一部分是移動部件運動時折算到電動機轉軸上的摩擦轉矩；還有一部分是滾珠絲杠預緊后折算到電動機轉軸上的附加摩擦轉矩。因為滾珠絲杠副傳動效率很高，根據(jù)公式可知，相對于和很小，可以忽略不計。則有：=+ （1）根據(jù)公式，考慮傳動鏈的總效率，計算空載起動時折算到電動機轉軸上最大加速轉矩：= (2)其中： =1250r/min (3)式中空載最快移動速度，為3000mm/min；步進電動機步距角，預選電動機為0.75；脈沖當量，本例=0.005mm/脈沖。設

36、步進電機由靜止加速至所需時間，傳動鏈總效率。則由式（2）求得：=由公式知，移動部件運動時，折算到電動機轉軸上的摩擦轉矩為：= 式中導軌的摩擦因素，滾動導軌取0.005垂直方向的銑削力，空載時取0傳動鏈效率，取0.7最后由式（1）求得快速空載起動時電動機轉軸所承受的負載轉矩： =+=0.855Nm 2) 最大工作負載狀態(tài)下電動機轉軸所承受的負載轉矩由公式可知，包括三部分：一部分是折算到電動機轉軸上的最大工作負載轉矩；一部分是移動部件運動時折算到電動機轉軸上的摩擦轉矩；還有一部分是滾珠絲杠預緊后折算到電動機轉軸上的附加摩擦轉矩，相對于和很小，可以忽略不計。則有： =+ （4）其中折算到電動機轉軸上

37、的最大工作負載轉矩由公式計算。有：再由公式計算垂直方向承受最大工作負載情況下，移動部件運動時折算到電動機轉軸上的摩擦轉矩：最后由式（4），求得最大工作負載狀態(tài)下電動機轉軸所承受的負載轉矩：=+=1.27N/m 最后求得在步進電動機轉軸上的最大等效負載轉矩為： 考慮到步進電動機的驅動電源受電網(wǎng)電壓影響較大，當輸入電壓降低時，其輸出轉矩會下降，可能造成丟步，甚至堵轉。因此，根據(jù)來選擇步進電動機的最大靜轉矩時，需要考慮安全系數(shù)。取K=4, 則步進電動機的最大靜轉矩應滿足： 初選步進電動機的型號為110BYG2602，由所參考資料查得該型號電動機的最大靜轉矩=6Nm?？梢?，滿足要求。步進電動機的性能校

38、核1)最快工進速度時電動機的輸出轉矩校核 圖4.1 110BYG2602電動機的運行矩頻特性曲線選定工作臺最快工進速度=300mm/min，脈沖當量/脈沖，由公式求出電動機對應的運行頻率。圖4.1 110BYG2602電動機的運行矩頻特性曲線從110BYG2602電動機的運行矩頻特性曲線圖4.1可以看出在此頻率下，電動機的輸出轉矩5.6Nm，遠遠大于最大工作負載轉矩=1.27Nm，滿足要求。2）最快空載移動時電動機輸出轉矩校核 選定工作臺最快空載移動速度=3000mm/min，求出其對應運行頻率。由圖4.1查得，在此頻率下，電動機的輸出轉矩=1.8Nm，大于快速空載起動時的負載轉矩=0.824

39、Nm，滿足要求。3）最快空載移動時電動機運行頻率校核 與快速空載移動速度=3000mm/min對應的電動機運行頻率為。由所參考資料查得可知110BYG2602電動機的空載運行頻率可達20000，可見沒有超出上限。綜上所述，本次設計中工作臺的進給傳動系統(tǒng)選用110BYG2602步進電動機，完全滿足設計要求。3.增量式旋轉編碼器的選用本設計所選步進電動機采用半閉環(huán)控制，可在電動機的尾部轉軸上安裝增量式旋轉編碼器，用以檢測電動機的轉角與轉速。增量式旋轉編碼器的分辨力應與步進電動機的步距角，可知電動機轉動一轉時，需要控制系統(tǒng)發(fā)出個步進脈沖?？紤]到增量式旋轉編碼器輸出的A、B相信號，可以送到四倍頻電路進

40、行電子四細分，因此，編碼器的分辨力可選120線。這樣控制系統(tǒng)每發(fā)一個步進脈沖，電動機轉過一個步距角，編碼器對應輸出一個脈沖信號。此次設計選用的編碼器型號為：ZLK-A-120-05VO-10-H 盤狀空心型，孔徑10mm，與電動機尾部出軸相匹配，電源電壓+5V，每秒輸出120個A/B脈沖，信號為電壓輸出。4. 繪制進給傳動系統(tǒng)示意圖進給傳動系統(tǒng)示意圖如圖所示。步進電機5. 控制系統(tǒng)原理框圖 MPC07 運動控制卡復位信號PCD505驅動器正向復位開關負向復位開關原位開關編碼器電源信號步進電機電源啟動開關圖7.1 控制系統(tǒng)原理框圖6.控制系統(tǒng)的設計6.1主控制器的選擇MPC07運動控制卡是集中，

41、端口及部分等為一體的功能性很強的控制器。只需增加少量外圍元件就可以構成一個完整的微機控制系統(tǒng)，并且開發(fā)手段齊全，指令系統(tǒng)功能強大，編程靈活，硬件資料豐富。本次設計選用芯片作為主控芯片。6.2存儲器擴展電路設計()程序存儲器的擴展MPC07運動控制卡應用系統(tǒng)中擴展用的程序存儲器芯片大多采用芯片。其型號有：2716，2732，2764，27128，27258，其容量分別為k,4k,8k,16k32k。在選擇芯片時要考慮與時序的匹配。所能讀取的時間必須大于所要求的讀取時間。此外，還需要考慮最大讀出速度，工作溫度以及存儲器容量等因素。在滿足容量要求時，盡量選擇大容量芯片，以減少芯片數(shù)量以簡化系統(tǒng)。綜合

42、以上因素，選擇芯片作為本次設計的程序存儲器擴展用芯片。MPC07運動控制卡規(guī)定0口提供位地址線，同時又作為數(shù)據(jù)線使用，所以為分時用作低位地址和數(shù)據(jù)的通道口，為了把地址信息分離出來保存，以便為外接存儲器提高低位的地址信息，一般采用芯片作為地址鎖存器，并由發(fā)出允許鎖存信號ALE的下降沿，將地址信息鎖存入地址鎖存器中。()數(shù)據(jù)存儲器的擴展由于內部只有字節(jié)，遠不能滿足系統(tǒng)的要求。需要擴展片外的數(shù)據(jù)存儲器。單片機應用系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲器擴展電路一般采用6116,6262靜態(tài)RAM數(shù)據(jù)存儲器。本次設計選用芯片作為數(shù)據(jù)存儲器擴展用芯片。(）譯碼電路在運動控制卡應用系統(tǒng)中，所有外圍芯片都通過總線與運動控制卡相連。運

43、動控制卡數(shù)據(jù)總線分時的與各個外圍芯片進行數(shù)據(jù)傳送。故要進行片選控制。由于外圍芯片與數(shù)據(jù)存儲器采用統(tǒng)一編址，因此運動控制卡的硬件設計中，數(shù)據(jù)存儲器與外圍芯片的地址譯碼較為復雜。可采用線選法和全地址譯碼法。線選法是把單獨的地址線接到外圍芯片的片選端上，只要該地址線為低電平，就選中該芯片。線選法的硬件結構簡單，但它所用片選線都是高位地址線，它們的權值較大，地址空間沒有充分利用，芯片之間的地址不連續(xù)。對于和容量較大的應用系統(tǒng)，當芯片所需的片選信號多于可利用的地址線的時候，多采用全地址譯碼法。它將低位地址作為片內地址，而用譯碼器對高位地址線進行譯碼，譯碼器輸出的地址選擇線用作片選線。6.3.步進電動機的

44、驅動電源選用設計中三軸的步進電動機均為110BYG2602型，生產廠家為常州寶馬集團公司。所以查資料選擇與之匹配的驅動電源為BD28Nb型，輸入電壓為120-310VAC，相電流為5A，分配方式為二相八拍。下圖是它的接線圖：7.結論 這次設計主要是對平時實驗中常見的十字滑臺進行改進，而設計出的一個能夠在X、Y、Z方向運動的工作臺，包括了機械傳動結構和控制系統(tǒng)的設計。整個系統(tǒng)采用半閉環(huán)控制系統(tǒng)，進給系統(tǒng)采用了G系列滾珠絲桿副，其型號為：3205-4。系統(tǒng)采用了步進電機通過減速箱直接與滾珠絲杠連接驅動絲杠傳動，而且其軸承采用的是角接觸軸承保證其主軸不竄動，采用一個深溝來保證其徑向的圓跳動。系統(tǒng)又采

45、用了增量式旋轉編碼器作為位置檢測器，來檢測伺服電機的位置，通過單片機對光電編碼器反饋信號處理來達到預期的精度要求。我在設計中兼顧經(jīng)濟性，考慮滿足精度的要求，因此對于設備及元件的選擇都要求具有較高精度，因此設計的成本較高。8致謝首先要感謝張老師在畢業(yè)設計中給我的知道，在老師和同學的幫組下我按時完成畢業(yè)設計。畢業(yè)設計是我在大學里的最后一門課程。通過這次畢業(yè)設計，我學會了如何查閱現(xiàn)有的技術資料、如何舉一反三、如何通過改進并加入自己的想法與觀點，使之成為自己的東西。并且結合生產知識，培養(yǎng)理論聯(lián)系實際以及分析和解決工程實際問題的才能，并使三年所學的知識得到進一步鞏固、深化和擴展。在此，我對我的論文指導老

46、師表示衷心的感謝，感謝他對我的嚴格要求，感謝他的監(jiān)督和指導。其次我要感謝這三年里給我授課的所有老師。感謝你們傳給我知識。最后還要感謝參考文獻中所列書籍、文章及資料的作者。9.參考文獻1 尹志強等編著.機電一體化系統(tǒng)課程設計指導書.北京:機械工業(yè)出版社.2007.5 2 姜培剛等編著.機電一體化系統(tǒng)設計.機械工業(yè)出版社，2003.93劉文信.機床數(shù)控技術.機械工業(yè)出版社.1995.74韓鴻鸞.基礎數(shù)控技術.機械工業(yè)出版社.2006.1.15盧紅 王三武 黃繼雄.數(shù)控技術.機械工業(yè)出版社，2010.076黃大貴.微機數(shù)控系統(tǒng).電子科技出版社.1996.117張秀珍 馮偉.數(shù)控加工課程設計指導書.機

47、械工業(yè)出版社，2010.1.18趙松年 張奇鵬主編.機電一體化機械系統(tǒng)設計.機械工業(yè)出版社，19969周德儉主編.數(shù)控技術.重慶大學出版社.2011.1110林其俊.機床數(shù)控技術.中國科技技術出版社.199111蒲良貴 紀名剛主編.機械設計.高等教育出版社.2009.512孫恒 陳作模 葛文杰主編.機械原理.高等教育出版社.2008.410.文獻綜述三坐標工作臺控制系統(tǒng)設計鄢朝洋摘要：現(xiàn)今三坐標工作臺廣泛運用在機械等行業(yè)，現(xiàn)在我們所用的數(shù)控機床、三坐標測量機等多用了三坐標工作臺?？梢詫ぜM行在空間任意平面的加工和進行空間曲面的加工，還可以用于較復雜的零部件的幾何尺寸及相應位置的測試。隨著科學

48、技術和社會生產的不斷發(fā)展，人們對機械產品的質量和生產效率提出了越來越高的要求。對于定型產品的大批量生產，許多生產企業(yè)都已采用了自動機床、組合機床和專用自動生產線，實行自動流水作業(yè)。為了解決上述問題，滿足多品種、單件、小批量、高精度、高效率的自動化生產，迫切需要一種靈活的、通用的，能適應產品頻繁變化、結構復雜、加工精度要求較高的柔性自動化機床。正是在這種需求下，在二十世紀中期，隨著計算機技術、微電子技術和自動化技術的高速發(fā)展，數(shù)控機床便誕生并迅速發(fā)展起來。進而三坐標工作臺得到了廣泛的運用。關鍵字：三坐標 數(shù)控機床 加工世界上第一臺數(shù)控機床于1952年誕生于美國麻省理工學院（MIT），是由美國帕森

49、斯公司（Parsons Co.）和MIT合作研制的三坐標數(shù)控銑床，用于加工直升飛機變截面螺旋槳葉片輪廓的檢測樣板。機床占地面積約60m2，其數(shù)控系統(tǒng)是一臺專用計算機，大約由2000多個電子管組成，插補裝置采用“數(shù)字脈沖乘法器”，是一種直線插補器，伺服機構采用一臺小型液壓馬達，通過改變液壓馬達的斜盤傾角而進行變速，實質上仍屬于一臺試驗性的數(shù)控加工設備。1954年，在帕森斯（Parsons）專利的基礎上，由美國本迪克斯公司（Bendix Co.）所生產出來的數(shù)控機床是世界上第一臺工業(yè)實用性數(shù)控機床。1959年，開始采用晶體管元件和印刷電路板，美國克耐杜列克公司（Keaney &Trecker）首次成功地開發(fā)了加工中心（Machining Center，簡稱MC），這是