X-Y數(shù)控工作臺(tái)設(shè)計(jì)介紹書

1、 、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 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】 mm【15+ （班級(jí)序號(hào)）】mn; 2）底座外形尺寸 C1X B1X H1=【680+ （班級(jí)序號(hào)）X 5】mnX【680+ （班級(jí)序號(hào)） X 5】mnX 230+ （班級(jí)序號(hào)）X 5】mn; 3）工作臺(tái)加工范圍 X=【300+ （班級(jí)序號(hào)）X 5】mm 丫=【300+ （班級(jí)序號(hào)）X 5】mn; 4）X、丫方向的脈沖當(dāng)量均為 0.005mm 脈沖

2、；X、丫方向的定位精度均為土 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ae 20mm ； 10） 最大被吃刀量ap 10mm。 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) 系統(tǒng)總體方案結(jié)構(gòu)框圖 1.3 設(shè)計(jì)的基本要

3、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。 JS控IS密工件臺(tái) 驅(qū) 動(dòng) 電 路 步進(jìn)電 動(dòng)機(jī) X萬向傳動(dòng)機(jī)構(gòu) 人機(jī)接口 Y方向傳動(dòng)機(jī)構(gòu) 0 滾珠絲杠 步進(jìn)電 動(dòng)機(jī) 減速器 減 速 器 工作臺(tái) （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。 、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

4、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： Fc 118a0.85f；75d 073a1p.n0，13Z 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 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： Ff 1.1Fc =； Fe 0

5、.38 Fc = ； Ffn 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 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。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 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

6、及工作臺(tái)整體尺寸的要求，選擇導(dǎo)軌的長(zhǎng)度 載何為Fmax F=。 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） 型號(hào) 滑塊尺寸 額定載荷 額定 靜力 矩 導(dǎo)軌 長(zhǎng)度 C2 L1 L2 L3 H2 Ca C0a M （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 50KM。 L （fHfTfcfR Ca ）3 50 = fW Fmax 2.4 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)

7、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： Fm KFx （Fz Fy G）= （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n v/ Ph 取滾珠絲杠的使用壽命

8、T=15000h,代入L。60nT/106，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)fH 1.0 ,代入式 FQ 3L0fwfHFm，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。 所選滾珠絲杠螺母副幾何參數(shù) 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 d Ph Dw d2 d1 Ca C0a (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

9、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 105MPa，由所選滾珠絲杠螺母副可得，滾珠直徑Dw，絲杠底徑d2， 絲杠截面積S d；/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) = 滾珠與螺紋滾道間的接觸變形量 2 0.0013 - ,其中，絲杠預(yù)緊時(shí)， 10DWFYJZ2/10 取軸向預(yù)緊力FYJ Fm/3 =，Z為滾珠總數(shù)量。因?yàn)榻z

10、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 2，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)fk 1，由絲杠底徑d2，求得截面慣性矩 I d：/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。 f 2EI 根據(jù)公式Fk二廠, Ka 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 （可自選），滾珠絲杠的導(dǎo)程 R，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)。

11、齒輪傳動(dòng)比 .Zi P 360 i 乙 Ph 選乙 12，Z2 因傳遞的扭距較小， 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 mZ mm 直徑 b 3 6m mm 齒寬 a dJ - - mm 中心距 2 2.6 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 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 Jeq0.005 360 “（此計(jì)算假設(shè)導(dǎo)程為 5m

12、m） 0.75 5 25 25。 取模數(shù) m 1mm。采用一級(jí)減速，步進(jìn)電機(jī)的輸出軸與小齒輪 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 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 （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 Tf 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。 2 J eq nm 1 max 60ta Jeq J0 J1 2 Zl J2 J3 M Z2 180 式中：Jeq 折算到電機(jī)軸上的慣性負(fù)載 （kggcm2）； Jo步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)軸的

13、轉(zhuǎn)動(dòng)慣 量（kggcm2）； J1 - 齒輪 1 的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（kg gpm2）； J2 - 齒輪 2 的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（kggcm2）； 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 3 4 2 J 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d。，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d1，大齒輪寬度b2，直徑d2，傳動(dòng)比 i。計(jì)算出 J1 kggcm2 J2 kggcm2 J3 kgg

14、cm2 電機(jī)軸轉(zhuǎn)動(dòng)慣量很小，可以忽略。 Vmax 360 Tf (Fz G)Ph 2 i Ta max Teq2 T T f 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。 -FfPh Tt廠7 Teq maxTeq1, 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 (4) 步進(jìn)電機(jī)的最咼工作頻率 綜上，選用*公司生產(chǎn)的*

15、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 Tf (Fz G)Ph 2 i Tjmax 4Teq = fmax lOOOVma 60 p 1000 3 60 0.005 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 QS 電動(dòng)機(jī)控制主電路 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

16、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）。 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)點(diǎn)動(dòng)和長(zhǎng)動(dòng)外部接線圖 3.3 PLC 總體控制接線圖KK2 I PLC 控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)外部接線圖 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www. pwO, 叭上扯制三10交漁貝MWMUl曲電砧違捋鋰踏33 Ft OS1 *JMKM1 的舉