2200 XY工作臺與控制系統(tǒng)設(shè)計,xy,工作臺,控制系統(tǒng),設(shè)計
- 1 -大 學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）XY 工作臺與控制系統(tǒng)設(shè)計院(系)、部： 學(xué)生姓名： 學(xué) 號: 專 業(yè)： - 2 -班 級： 指導(dǎo)教師： 完成時間： 摘 要一個較完善的機電一體化系統(tǒng)，應(yīng)包含以下幾個基本要素：機械本體、動力與驅(qū)動部分、執(zhí)行機構(gòu)、傳感測試部分、控制及信息處理部分。機電一體化是系統(tǒng)技術(shù)、計算機與信息處理技術(shù)、自動控制技術(shù)、檢測傳感技術(shù)、伺服傳動技術(shù)和機械技術(shù)等多學(xué)科技術(shù)領(lǐng)域綜合交叉的技術(shù)密集型系統(tǒng)工程。新一代的 CNC 系統(tǒng)這類典型機電一體化產(chǎn)品正朝著高性能、智能化、系統(tǒng)化以及輕量、微型化方向發(fā)展。關(guān)鍵字：機電一體化的基礎(chǔ) 基本組成要素 特點 發(fā)展趨勢 - 3 -AbstractA perfect integration of machinery system, should contain the following several base elements: Basic machine, power and actuation part, implementing agency, sensing measurement component, control and information processing part. The integration of machinery is the system technology, the computer and the information processing and management technology, the automatic control technology, the examination sensing technology, the servo drive technology and the mechanical skill and so on multi-disciplinary area of technology synthesis overlapping technology-intensive systems engineering. New generation's CNC system this kind of model integration of machinery product toward the high performance, the intellectualization, the systematization as well as the featherweight, the microminiaturized direction develops.key words: Integration of machinery foundation basic component - 4 -elements characteristic trend of development.目 錄第一章 滾珠絲杠副的選擇………………………………………… 3 1.1 滾珠絲杠副的支撐形式………………………………………… 31.2 滾珠絲杠副的特點……………………………………………… 31.3 滾珠絲杠副的設(shè)計計算………………………………………… 41.4 選擇滾珠絲杠副………………………………………………… 51.5 穩(wěn)定性驗算…………………………………………………… 71.6 剛度驗算……………………………………………………… 81.7 效率驗算……………………………………………………… 9第二章 導(dǎo)向機構(gòu)的設(shè)計……………………………………………102.1 導(dǎo)軌的功用………………………………………………………102.2、 滾動直線導(dǎo)軌的選擇程序………………………………………102.2、 直線運動滾動支承系統(tǒng)負(fù)荷的計算…………………………… 10第三章 步進電動機的選擇………………………………………… 12 - 5 -3.1 步進電動機的工作原理…………………………………………123.2 選擇電動機…………………………………………………… 13第四章 滾動軸承的計算…………………………………………… 144.1 支撐方案的確定……………………………………………… 144.2 軸承的校核…………………………………………………… 15第五章 機床數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設(shè) ??????????????????????????????????????????????????????17第一節(jié) 設(shè)計內(nèi)容??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????17第二節(jié) 設(shè)計步驟??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????17第三節(jié) 機床數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設(shè)計??????????????????????????????????????????????????????????????????21第六章 系統(tǒng)控制軟件設(shè)計 ??????????????????????????????????????????????????????????????????22第七章 結(jié)束語與致謝 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????29總 結(jié) ………………………………………………………………… 16參考文獻 ………………………………………………………………17 - 6 -第一章 滾珠絲杠副的選擇1.1 滾珠絲杠副的支承形式支承應(yīng)限制絲杠的軸向竄動.較短的絲杠或垂直安裝的絲杠,可以一端固定,一端無支承.水平安裝絲杠較長時, 可以一端固定 ,一端游動;對于精密和高精度機床的滾珠絲杠副,為了提高絲杠的拉壓剛度,可以兩端固定.為了補償熱膨脹和減少絲杠下垂,兩端固定絲杠時還可以進行預(yù)拉伸。一般情況下,應(yīng)以固定端作為軸向定位基準(zhǔn),從固定端起計算絲桿杠副的長度誤差.此外,應(yīng)盡可能固定端作為驅(qū)動端?？紤]到本設(shè)計的結(jié)構(gòu)與要求,我們決定采用一端固定一端游動(F-S)的支承形式, 如圖 1.1 所示。一端固定一端游動（F~S） 。固定端采用深溝球軸承 2 和雙向推力球軸承4，可分別承受徑向和軸向負(fù)載，螺母 1、擋圈 3、軸肩、支撐座 5 臺肩、端蓋7 提供軸向限位，墊圈 6 可調(diào)節(jié)推力軸承 4 的軸向預(yù)緊力。游動端需徑向約束，軸向無約束。采用深溝球軸承 8，其內(nèi)圈由擋圈 9 限位，外圈不限位，以保證絲杠在受熱變形后可在游動端自由伸縮。 - 7 -圖 1.1 一端固定一端游動支承這種支承形勢有以下一些特點： 1.需保持螺母與兩端支撐同軸,故結(jié)構(gòu)較復(fù)雜,工藝較困難。2.絲杠的軸向剛度較高。3.壓桿穩(wěn)定性和臨界轉(zhuǎn)速較高。4.絲杠有熱膨脹的余地。5.適用于較長的臥式安裝絲杠。1.2 滾珠絲杠副的特點1.傳動效率高 效率高達(dá) 90%~95%,耗費的能量僅為滑動絲杠的 1/3。2.運動具有可逆性 即可將回轉(zhuǎn)運動變?yōu)橹本€運動,又可將直線運動變?yōu)榛剞D(zhuǎn)運動,且逆?zhèn)鲃有蕩缀跖c正傳動效率相同。3.系統(tǒng)剛度好 通過給螺母組件內(nèi)施加預(yù)壓來獲得較高的系統(tǒng)剛度,可滿足各種機械傳動要求,無爬行現(xiàn)象,始終保持運動的平穩(wěn)性和靈敏性。4.傳動精度高 經(jīng)過淬硬并精磨螺紋滾道后的滾珠絲杠副本身就具有和高的制造精度,又由于摩擦小,絲桿副工作時溫升和熱變形小,容易獲得較高的傳動精度。5.使用壽命長 滾珠是在淬硬的滾道上作滾動運動,磨損極小,長期使用后仍能保持其精度,因而壽命長,且具有很高的可靠性。其壽命一般比滑動絲杠高5~6 倍。6.不能自鎖 特別是垂直安裝的絲杠，當(dāng)運動停止后，螺母將在重力作用下下滑，故常需設(shè)置制動裝置。7.制造工藝復(fù)雜 滾珠絲杠和螺母等零件加工精度、表面粗糙度要求高，制造成本高。由于滾珠絲杠副獨特的性能而受到極高的評價,因而已成為數(shù)控機床,精密機械,各種省力機械設(shè)備及各種機電一體化產(chǎn)品中不可缺少的傳動機構(gòu)。 1.3 滾珠絲杠副的設(shè)計計算有效行程 100*100，實際工作時工件及夾具重最大 120 公斤，最大空運行速度 ,最大加工速度 定位精度 ,重max4/inV?min2/iV?0.2/3m?復(fù)定位精度 ,脈沖當(dāng)量 ,壽命 40000 小時0.1?0.1??（1）步距角 ， ， ， 。36kz???pi??.1i?先假設(shè) p= 。5表 1.1切削力 /aFN速度 /minV時間比 q正常銑削 500 2.5 70%快速點定位 0 5 30% - 8 -（2） 絲杠轉(zhuǎn)速 快速點定位 30%，加工 70%。10*210*47%3663..n???（3） 當(dāng)量轉(zhuǎn)速加工 /minLr點定位 10*467/imn?（4） 絲杠負(fù)荷當(dāng)量載荷導(dǎo)軌摩擦力 , 。 NF0.*1207.gN???精密加工 =500N，a加工時總載荷 =507.2N 1快速點定位 = =7.2N2aFN（5） 當(dāng)量負(fù)荷 3312*70%*0l MmaannF??333 67(50.2)(.)3815F N?1.4 選擇滾珠絲杠副（1） *hajmnkCFf??小時，由機電一體化系統(tǒng)設(shè)計手冊表 2.8-63，2.8-64，40hL?查得：------壽命系數(shù)， 。hK113340()().5nhLK??------轉(zhuǎn)速系數(shù)， 。n1133..()().9n------ 綜合系數(shù)， f? *0.5.41thakwf??? - 9 -其中 為溫度系數(shù)，查表 1-2 得 ＝1；tf tf為硬度系數(shù)，查表 1-3 得 ＝1.0；h h為精度系數(shù)，查表 1-4 得 ＝1.0（絲杠精度為 1～3 級） ；af af為負(fù)荷性質(zhì)系數(shù)，查表 1-5 得 ＝1.3；w w為可靠性系數(shù)，查表 1-6 得 ＝0.53（可靠性為 90%） 。kf kf可得： 。4.3*107098hajmnCFNf???表 1-2 溫度系數(shù) tf工作溫度 ??C?1250175 205203tf.9..85..7..6表 1-3 硬度系數(shù) hf硬度（HRC ） 58?55 52.5 50 47.5 45 40動負(fù)荷硬度影響系數(shù) hf1.0 1.11 1.35 1.56 1.92 2.4 3.85靜負(fù)荷硬度影響系數(shù) ' 1.0 1.11 1.40 1.67 2.1 2.65 4.5表 1-4 精度系數(shù) af精度等級 1、2、3 4、5 7 10af1.0 0.9 0.8 0.7表 1-5 負(fù)荷性質(zhì)系數(shù) wf負(fù)荷性質(zhì) 無沖擊平穩(wěn)運轉(zhuǎn) 一般運轉(zhuǎn) 有沖擊和振動運動wf1~1.2 1.2~1.5 1.5~2.5表 1-6 可靠性系數(shù) kf - 10 -可靠度(%) 90 95 96 97 98 99kf1.00 0.62 0.53 .44 .33 0.21（2）根據(jù) 選擇滾珠絲杠副'aC1）假設(shè)選用 FC1 型號，按滾珠絲杠副的額定動載荷 Ca 等于或稍大于 的'aC原查教材表 2-9 選以下型號規(guī)格：FC1-2505-2.5 ，Ca=9610N由教材表 2-9 得絲杠副數(shù)據(jù)：公稱直徑 025Dm?導(dǎo)程 6P螺旋角 =?4'?滾珠直徑 3.17od2）按教材表 2-1 中尺寸公式計算：滾道半徑 0.52.*51.6Rm??偏心距 377()7()0.452de m??絲杠直徑 100.4*18De??1.5 穩(wěn)定性驗算1）由于一端軸向固定的長絲杠在工作時可能會發(fā)生失穩(wěn)，所以在設(shè)計時應(yīng)驗算其安全系數(shù) S，其值應(yīng)大于絲杠副傳動機構(gòu)允許安全系數(shù) （見表 1.2） 。??S表 1.7支撐方式有關(guān)系數(shù) 一端固定一端自由（F-O）一端固定一端游動（ F-S）兩端固定（ F-F）??S3~4 2.5~3.3 ——?2 2/3 ——cf1.875 3.927 4.730絲杠不會發(fā)生失穩(wěn)的最大載荷稱為臨界載荷 按下式計算：()crFN2()acrEIFl??? - 11 -式中，E 為絲杠材料的彈性模量，對于剛，E=206GPa； 為絲杠工作長度l（m）; 為絲杠危險截面的軸慣性矩 ； 為長度系數(shù)，見表 1.2。aI 4()m?依題意， 44413.*0.2178.*1066adI m????取 ，則23??29492(3.14)*01.*03.2*10()crFN???安全系數(shù) 。查表 1.2， =2.5~3.3 。 ， 96.28.3*10crmS ??S??S?絲杠是安全的，不會失穩(wěn)。2）高速絲杠工作時可能發(fā)生共振，因此需要驗算其不會發(fā)生共振的最高轉(zhuǎn)速——臨界轉(zhuǎn)速 。要求絲杠的最大轉(zhuǎn)速 。crnmaxcrn?臨界轉(zhuǎn)速 可按下式計算r 2190()ccrfdnl??式中， 為臨界轉(zhuǎn)速系數(shù)，見表 1.2。取 ， ，則cf 3.7cf23?2(3.97)*0.181469/mincrnr?=834r/min。 所以絲杠工作時不會發(fā)生共振。maxcrn?3）此外滾珠絲杠副還會受 值的限制，通常要求 。0nD407*1/innDr??44025*/mi1.357*/minDr r???所以該絲杠副工作穩(wěn)定。1.6 剛度驗算 滾珠絲杠在工作負(fù)載 和轉(zhuǎn)矩 共同作用下引起每個導(dǎo)程的變()FN()T?形量 為0()Lm? - 12 -20()CPFTLmEAGJ????式中，A------ 為絲杠面積， ；214d------為絲杠的極慣性距， ；cJ 421()3cJ?G------為絲杠的切變模量，對鋼 ；8.Pa------為轉(zhuǎn)矩。()TNm?0tn()2mDTF????式中， ------為摩擦角，其正切函數(shù)值為摩擦系數(shù)；?------為平均工作負(fù)載。mF取摩擦系數(shù) tan0.25??''8403''1*tan(2)0.3TNm?????按最不利的情況取（其中 ）mF220 24113 329 2942046*6086*(10).( )3.1(.7)(3.)8.(785CPFPTLEAGJEdm???? ???????則絲杠在工作長度上的彈性變形所引起的導(dǎo)程誤差為 203.5*1045.86Ll mP?????通常要求絲杠的導(dǎo)程誤差 應(yīng)小于其傳動精度的 1/2，即1..2??該絲杠的 滿足上式，所以其剛度可滿足要求。L?1.7 效率驗算滾珠絲杠副的傳動效率 為?''tan380.769.8(42)????要求在 90%~98%之間，所以該絲杠副合格。? - 13 -經(jīng)上述驗證，F(xiàn)C1-2505-2.5 各項性能均符合要求，可選用。第二章 導(dǎo)向機構(gòu)的設(shè)計2.1 導(dǎo)軌的功用機電一體化產(chǎn)品要求其機械系統(tǒng)的各運動機構(gòu)必須得到安全的支承，并能準(zhǔn)確的完成其特定方向的運動。這個任務(wù)就由導(dǎo)向機構(gòu)來完成。機電一體化產(chǎn)品的導(dǎo)向機構(gòu)是導(dǎo)軌，其作用是支承和導(dǎo)向。2.2 滾動直線導(dǎo)軌的選擇程序在設(shè)計選用滾動直線導(dǎo)軌時，除應(yīng)對其使用條件，包括工作載荷、精度要求、速度、工作行程、預(yù)期工作壽命進行研究外，還須對其剛度、摩擦特性及誤差平均、阻尼特性等綜合考慮，從而達(dá)到正確合理的選用，以滿足主機技術(shù)性能的要求。2.3 直線運動滾動支承系統(tǒng)負(fù)荷的計算直線運動支承系統(tǒng)的負(fù)荷與導(dǎo)軌配置形式(水平、豎直、傾斜等),移動件的重心和力作用點的位置,導(dǎo)軌上移動件牽引力作用點的位置,啟動及停止時的慣性力以及切削力等有關(guān)。本設(shè)計的直線運動導(dǎo)軌安裝形式為水平,采用臥式導(dǎo)軌、滑塊座移動。 圖 2.1 導(dǎo)軌 - 14 -2.4 導(dǎo)軌的選擇 由機床設(shè)計要求可知對該導(dǎo)軌設(shè)計的基本要求為:作用在滑座上的載荷 ，滑座個數(shù) ，單向行程長度 ，120FN??4M?40Slm?每分鐘往復(fù)次數(shù)為 4，用于輕型機床的工作臺。 導(dǎo)軌的額定工作時間壽命 =40000 小時hT表 2-1 硬度系數(shù)滾道表面硬度 HRC 60 58 55 53 50 45Hf1.0 0.98 0.90 0.71 0.54 0.38表 2-2 溫度系數(shù)工作溫度/ C0 Tf〈100 1.00100~150 0.90150~200 0.73200~250 0.61表 2-3 接觸系數(shù)每根導(dǎo)軌上的滑塊數(shù) Cf1 1.002 0.813 0.724 0.665 0.61表 2-4 負(fù)荷系數(shù)工作條件 Wf無外部沖擊或震動的低速運動場合。速度小于 15m/min1~1.5無明顯沖擊或震動的中速運動場合。速度小于 60m/min1.5~2無外部沖擊或震動的高速運動場合。速度大于 60m/min2~2.5 - 15 -（1） 計算額定動載荷滑座的運動速度最大為 5m/min<15m\min，工作溫度在 100 以下，導(dǎo)軌C0滾道硬度為 60HRC，無明顯沖擊和振動，每根導(dǎo)軌上滑塊配置數(shù)為 2。由 得：3*102ShsTln?332*40.6*0115hssTlnkm?因滑塊座 M=4,所以每根導(dǎo)軌上 2 個，由表 2-1~2-4 確定 ， ，.81Cf?.0Hf, , 則由式1.0Tf?.2Wf 3()HTCasWfKF?得 3/saHTCf其中 1204FNM???35/*.725108aC選用的是漢江機床廠的 HJG-D 系列滾動直線導(dǎo)軌,查其產(chǎn)品手冊知, HJG-D型號的導(dǎo)軌的 Ca 值為 17500N,能滿足五年的使用要求,所以可選用. - 16 -第三章 步進電機的選擇步進電機在自動控制系統(tǒng)中作執(zhí)行元件。是位與電氣控制裝置和機械執(zhí)行裝置接點部位的一種能量轉(zhuǎn)換裝置，它能在控制裝置的控制下，將輸入的各種形式的能量轉(zhuǎn)換成機械能。3.1 步進電機的工作原理三相反應(yīng)式步進電機的工作原理如圖 5.3 所示，其中步進電機的定子上有6 個齒，其上分別纏有 、 、 三相繞組,構(gòu)成三對磁極,轉(zhuǎn)子上則均勻分AWBC布著 4 個齒。步進電動機采用直流供電。當(dāng) 、 、 三相繞組輪流通電時，AWBC通過電磁力吸引步進電動機轉(zhuǎn)子一步一步地旋轉(zhuǎn)。 CAB1234CABBCA12314圖 3.13.1.1 步進電動機的通電方式和步距角如果步進電動機繞組的每一次通斷電操作稱為一拍，每拍中只有一相繞組通電，其余斷電，這種通電方式稱為單相通電方式。如果步進電動機通電循環(huán)的每拍中都有兩相繞組通電，這種通電方式稱為雙相通電方式。 - 17 -步距角是指步進電動機每一拍轉(zhuǎn)過的角度。一個 m 相步進電動機，如其轉(zhuǎn)子上有 z 個齒，則其步距角 可通過下式計算 ，式中 是通電方式系數(shù)，當(dāng)?360kz???k采用單相或雙相通電方式時， ＝１，當(dāng)采用單雙向輪流通電方式是，k＝２。k3.2 選電動機3.2.1 電動機轉(zhuǎn)動慣量的計算滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動慣量，已知名義直徑 ，螺距 p=10mm.長度mD50?L=2741mm.則查表 6.6-28（機床設(shè)計手冊）可得 1m 長的絲杠轉(zhuǎn)動慣量為35.76kg.cm。那么次滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動慣量 J =35.76×2.741=98.01kg.cm 。s 2絲杠折算到電動機軸上的轉(zhuǎn)動慣量J= (20÷30) ×98.01=43.56kg.cm 。?SJZ21)(2 2工作臺折算到絲杠的慣量，已知導(dǎo)程 10mm，工作臺以上負(fù)載 1000kg。 ，查表 6.6-29 得：重 10000N 的轉(zhuǎn)動慣量 JG=25.80kg.cm 。2絲杠傳動是傳動系統(tǒng)折算到電動機軸上的總的轉(zhuǎn)動慣量??12021)(JLmJZJMS????????????????式中 J—船工系統(tǒng)折算到電動機軸上的轉(zhuǎn)動慣量（kg.cm）J1—齒輪 Z1 的轉(zhuǎn)動慣量（kg.cm）J2--齒輪 Z2 轉(zhuǎn)動慣量（kg.cm）JS—絲杠的轉(zhuǎn)動慣量（kg.cm）m—工作臺及共建等移動部件的質(zhì)量（N）L0—絲杠得導(dǎo)程（cm）J1=0.78D1 L1×10 =0.78×（5.988） ×3×10 =3kg.cm46? 43?J2=0.78D2 L2×10 =0.78×（9.02） ×3×10 =15.5kg.cm46? 43?JZ=JM+9.34+ =81.06kg.cm??????????????? 22 )1(0.985130?3.2.2 電機力矩的計算由于此縱向進給系統(tǒng)不做切削運動，故只計算快速空載和快速進給力矩。快速空載啟動時所需力矩 Mq=MA+Mf+M0Mq—快速空載時的啟動力矩（N.m）Mf—折算到電動機上的摩擦力矩（N.m）M0—由于絲杠的預(yù)緊折算到電動機軸上的附加摩擦力矩（N.m）快速進給時所需力矩 MJMJ=Mf+MO 因為 MJ
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