XY數(shù)控工作臺設計說明書

一、總體方案設計1.1設計任務題目： X Y 數(shù)控工作臺的機電系統(tǒng)設計任務：設計一種供立式數(shù)控銑床使用的XY 數(shù)控工作臺，主要參數(shù)如下：1）工作臺面尺寸CB H【 200+（班級序號） 5】 mm【 200+（班級序號） 5】mm【 15+（班級序號）】mm；2）底座外形尺寸C1B1 H1【 680+（班級序號） 5】mm【 680+（班級序號）5】mm【 230+（班級序號） 5】 mm；3）工作臺加工范圍X=【 300+（班級序號） 5】mm，Y=【300+（班級序號） 5】mm；4） X 、Y 方向的脈沖當量均為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+（班級序號）】kg；6）工作臺空載最快移動速度為3m/min；工作臺進給最快移動速度為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）機械傳動部件的選擇 導軌副的選擇 絲杠螺母副的選擇 減速裝置的選擇 伺服電動機的選擇（ 2）控制系統(tǒng)的設計 伺服電機啟動、停止、調(diào)速、正反轉(zhuǎn)的控制 PLC 控制電機的梯形圖編程XY數(shù)控工作臺結構Y 方向傳動機構微機工作臺電型步 進 電接動機減速器機驅(qū)滾珠絲杠口動電人機接口路減步 進 電速滾器珠動機X 方向傳動機構絲杠系統(tǒng)總體方案結構框圖1.3設計的基本要求（ 1）按照機械系統(tǒng)設計的步驟進行相關計算，完成手寫設計說明書。（ 2）計算結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)的步驟進行設計，完成電機啟動、停止、正反轉(zhuǎn)、電動等基本工作狀態(tài)控制的硬件連線圖，并通過 PLC協(xié)調(diào)控制 XY電機運動，繪制相關梯形圖。二、機械系統(tǒng)設計2.1 導軌上移動部件的重量估算質(zhì)量：按質(zhì)量 =體積（由尺寸求得）密度進行估算（45 鋼密度 7.85g/ 立方厘米）工作臺面質(zhì)量 =上導軌座（連電機）質(zhì)量=夾具及工件質(zhì)量 =X-Y 工作臺運動部分的總重量G=Mg=2.2銑削力的計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 進給量 fz0.1mm ， 銑刀轉(zhuǎn)速n 500r / min ，可直接帶入計算。采用立銑刀進行圓柱銑削時，各銑削力之間的比值可查表得出，考慮逆銑時的情況，可估算三個方向的銑削力分別為：F f 1.1Fc = ；Fe 0.38 Fc =； F fn 0.25 Fc =?，F(xiàn)考慮立銑，則工作臺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 直線滾動導軌的參數(shù)確定（ 1）滑塊承受工作載荷的計算及導軌型號的選取本設計中的 XY 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 FmaxGF =。4其中，移動部件重量為G，外加載荷 F Fz =根據(jù)計算出的工作載荷， 初選符合要求的 * 公司生產(chǎn)的 * 系列 * 型直線滾動導軌副。根據(jù)任務規(guī)定工作臺面尺寸，加工范圍及工作臺整體尺寸的要求，選擇導軌的長度。所選直線滾動導軌副的幾何參數(shù)（由廠家說明書確定）額定導軌型號滑塊尺寸額定載荷靜力長度矩C2L1L2L3H2C aC0 aM（ 2）額定壽命的L 的校核計算根據(jù)上述所選導軌副，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 滾珠絲杠的設計計算滾珠絲杠的負荷包括銑削力及運動部件的重量所引起的進給抗力。應按銑削時的情況計算。（ 1）最大工作載荷 Fm 的計算 在立銑時，工作臺受到進給方向的載荷（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（與工作臺面垂直）為Fz 。根據(jù)移動部件的總重量G，按矩形導軌進行計算， 查表，取傾覆力矩影響系數(shù)K=1.1，滾動導軌上的摩擦因數(shù)0.005 。求得滾珠絲杠副的最大工作載荷為：FmKF x( FzFyG) =（ 2）最大動載荷 FQ 的計算工作臺在承受最大銑削力時的最快進給速度v 500mm/ min ，初選絲杠導程 Ph （自己選擇如 4、 5、 6mm 等），則此時絲杠轉(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，取硬度系數(shù) f H1.0 ，代入式FQ3 L0 fW f H Fm ，求得最大動載荷 FQ 。（ 3）初選型號根據(jù)計算出的最大動載荷和初選的絲杠導程， 查表，選擇 * 公司生產(chǎn)的 * 系列 * 型，其額定動載荷為，大于 FQ ，滿足要求。型號公稱直徑導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）傳動效率的計算將公稱直徑 d0 ，導程 Ph ，代入arctanPh / (d0 ) ，得絲杠螺旋升角。將摩擦角10 ，代入tan/ tan() ，得到傳動效率。（5）剛度的驗算 XY 工作臺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或一對推力角接觸球軸承，面對面組配，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，絲杠預緊時，10 3 DW FYJ Z 2 /10取軸向預緊力/ 3Z 為滾珠總數(shù)量。因為絲杠有預緊力， 且為軸向負載的 1/3 ，F(xiàn)YJFm=，所以實際變形量2 可減小一半。將以上計算出的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,計算失穩(wěn)時的臨界載荷Fk , 遠大于工作載荷Fm 即不會失穩(wěn)。2.5 確定齒輪傳動比初選步進電機步距角0.75 o （可自選），滾珠絲杠的導程Ph ，要實現(xiàn)脈沖當量p 0.005mm / step ，在傳動系統(tǒng)中應加一對齒輪降速傳動。齒輪傳動比iZ1p360o0.00536012 （此計算假設導程為 5mm）PhZ20.75525選 Z1 12 ， Z2 25 。因傳遞的扭距較小，取模數(shù)m1mm。 采用一級減速，步進電機的輸出軸與小齒輪連接，滾珠絲杠的軸頭與大齒輪連接，其中大齒輪設計成雙片結構，采用彈簧錯齒法消除齒側(cè)間隙。本設計選用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 步進電機的選用（ 1）步進電機的步距角根據(jù)系統(tǒng)脈沖當量p0.005mm / 脈沖，根據(jù)所選滾珠絲杠的導程Ph ，初選步進電機步距角（可自選）。（ 2）計算加在步進電機轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動慣量Jeq（ 3）步進電機快速空載啟動時轉(zhuǎn)軸所承受的負載轉(zhuǎn)矩Teq1 的計算Teq1Ta maxTf其中 Tamax 是快速空載啟動時折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的最大加速轉(zhuǎn)矩；Tf 是移動部件運動時折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩。Ta max2Jeqnm160ta2Z12JeqJ0J1J 2J3MpZ2180式中： Jeq 折算到電機軸上的慣性負載 （ kggcm2 ）； J0 步進電機轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動慣量（ kggcm2 ）；J1 齒輪 1 的轉(zhuǎn)動慣量（ kg gcm2 ）；J2 齒輪 2 的轉(zhuǎn)動慣量（ kg gcm2 ）； J3 滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動慣量（ kggcm2 ）； M移動部件質(zhì)量（ kg ）。對材料為鋼的圓柱零件轉(zhuǎn)動慣量可按下式估算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，導程Ph ，材料密度7.85103kg /cm2 ，移動部件總重 G，小齒輪寬度b1 ，直徑 d1 ，大齒輪寬度 b2 ，直徑 d2 ，傳動比 i。計算出J1kggcm2 J2 kggcm2J3 kggcm2電機軸轉(zhuǎn)動慣量很小，可以忽略。nmvmax360p設步進電機由靜止到加速至nm 所需時間為 ta 0.4s，傳動鏈總效率為Tf( FzG) Ph2i步進電機最大工作負載狀態(tài)下轉(zhuǎn)軸所承受的負載轉(zhuǎn)矩Teq2 的計算Teq2Tt TfTt 是折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的最大工作負載轉(zhuǎn)矩；Tf 是移動部件運動時折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩。F f PhTt2 i( FzG) PhTfi2Teqmax Teq1,Teq2（ 3）步進電機最大靜轉(zhuǎn)距的選定考慮到步進電機的驅(qū)動電源受電網(wǎng)影響較大，當輸入電壓降低時，其輸出轉(zhuǎn)矩會下降，可能造成丟步，甚至堵轉(zhuǎn)。因此，根據(jù)Teq 來選擇步進電機的最大靜轉(zhuǎn)距時，需要考慮安全系數(shù)。本設計取安全系數(shù)K=4，則步進電機的最大靜轉(zhuǎn)距應滿足Tj max4Teq =（ 4）步進電機的最高工作頻率fmax1000Vmax1000 3 HZ60 p60 0.005綜上，選用 * 公司生產(chǎn)的 * 系列 * 型步進電。電機的有關參數(shù)如下所選步進電機參數(shù)主要技術數(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 號大靜啟動頻率(V )( A)( N )角o轉(zhuǎn)距( step/ s)N gcm三、控制系統(tǒng)設計以下內(nèi)容僅提供單電機的主電路及控制電路圖，請必須自行完成雙電機（機）的硬件電氣控制圖。3.1電動機控制電氣原理圖XY軸電電動機控制主電路電動機長動和點動控制電氣原理圖以上所用低壓電器為： 停止按鈕 SB1（常閉），長動按鈕 SB2（常開），點動按鈕 SB3 （常開）；一個熱繼電器 KH ；一個繼電器 KA （至少含兩對常開輔助觸點） ；一個接觸器 KM （對輔助觸點數(shù)量無要求） 。電動機正反轉(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）；一個熱繼電器 KH ；兩個接觸器 KM （分別至少含一對輔助觸點） 。3.2 PLC 分項控制電動機的接線圖PLC 控制電機正反轉(zhuǎn)外部接線圖PLC控制電機點動和長動外部接線圖3.3 PLC 總體控制接線圖3.3 PLC 梯形圖的繪制根據(jù)自己設計的需要，通過查閱相關文獻進行梯形圖的編程設計，（至少包括實現(xiàn)電機的啟動、停止、正反轉(zhuǎn)、電動四項基本功能），以下僅為各單項工作的參考。PLC 控制電機正反轉(zhuǎn)的控制程序梯形圖PLC 控制電機點動和長動的控制程序梯形圖