X-Y數(shù)控工作臺設(shè)計說明書

1、»控«密工作臺1.1 設(shè)計任務(wù)、總體方案設(shè)計題目：X Y數(shù)控工作臺的機電系統(tǒng)設(shè)計任務(wù)：設(shè)計一種供立式數(shù)控銑床使用的 X Y數(shù)控工作臺，主要參數(shù)如下:1）工作臺面尺寸CX BX H=【200+（班級序號）X 5】mm【200+（班級序號）X 5】mmX【 15+（班級序號）】 mm；2）底座外形尺寸 C1X B1X H1=【680+ （班級序號）X 5】mnXi 680+ （班級序號）X 5】mnX【230+ （班級序號）X 51 mm3)工作臺加工范圍X=【300+ （班級序號）X 51 mm 丫=【300+ （班級序號）X 51 mm4)X、丫方向的脈沖當量均為0.005

2、mm脈沖；X、丫方向的定位精度均為± 0.01mm5)6)夾具與工件質(zhì)量 M=【 15+（班級序號）】 kg；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(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機的選擇2）控制系統(tǒng)的設(shè)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微型機人機接口機 電 接 口rVXY數(shù)控工作臺結(jié)構(gòu)Y方向傳動機構(gòu)驅(qū)動電路工作臺步進電

3、點1動機H減速器I»|I » H n W H HH =步進電動機+滾珠絲杠珠X方向傳動機構(gòu)絲系統(tǒng)總體方案結(jié)構(gòu)框圖1.3設(shè)計的基本要求(1)按照機械系統(tǒng)設(shè)計的步驟進行相關(guān)計算，完成手寫設(shè)計說明書。(2)計算結(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)控工作臺的總裝配圖，并繪制 A0圖紙。(3)按照電氣控制系統(tǒng)的步驟進行設(shè)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(guān)梯形圖。二、機械系統(tǒng)設(shè)計2.1導(dǎo)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）X密度進行估算（45鋼密度7.85

4、g/立方厘米）工作臺面質(zhì)量=上導(dǎo)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:Fc 118a0.85fz0.75d o.%；0n0.13Z其中，取最大銑削寬度，最大背吃刀量,每齒進給量fz 0.1mm，銑刀轉(zhuǎn)速Ff1.1Fc =；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:Fe0.38 Fc = ； Ffn 0.25Fc =。現(xiàn)考慮立銑，則工作臺受到垂直方向

5、的銑削力FzFe =，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直線滾動導(dǎo)軌的參數(shù)確定（1）滑塊承受工作載荷的計算及導(dǎo)軌型號的選取本設(shè)計中的X Y工作臺為水平布置，采用雙導(dǎo)軌、四滑塊的支承形式。考慮最不利 的情況，即垂直于臺面的工作載荷全部由一個滑塊承擔(dān)，則單滑塊所受的最大垂直方向 載荷為Fmax號F=。4其中，移動部件重量為G,外加載荷FFz =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(dǎo)軌副。根據(jù)任務(wù)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(dǎo)軌的長度。所選直線滾動導(dǎo)軌副的幾何參數(shù)（由廠家說明書確

6、定）型號滑塊尺寸額定載荷額定靜力矩導(dǎo)軌長度C2L1L2L3H2CaC0aM（2）額定壽命的L的校核計算根據(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 50KM0L (fHfTfcfR Ca)3 50 =fWFmax2.4滾珠絲杠的設(shè)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(yīng)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

7、荷（與 工作臺面垂直）為Fz 0根據(jù)移動部件的總重量G,按矩形導(dǎo)軌進行計算，查表，取傾覆力矩影響系數(shù)K=1.1,滾動導(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（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(dǎo)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L。60nT/106，得絲杠壽命系數(shù)L。查表，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，代入式Fq #L7fwfHFm，求得最大動載荷Fq 0(3)初選型號根據(jù)計算

8、出的最大動載荷和初選的絲杠導(dǎo)程，查表，選擇*公司生產(chǎn)的*系列*型,其額定動載荷為，大于Fq，滿足要求。型號公稱直徑導(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doPhDwd2d1CaCOa所選滾珠絲杠螺母副幾何參數(shù)(4)傳動效率的計算將公稱直徑do，導(dǎo)程Ph，代入arctanPh/( d。)，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 1O5MPa，由所

9、選滾珠絲杠螺母副可得，滾珠直徑Dw，絲杠底徑d?，絲杠截面積Sd；/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) =Fm滾珠與螺紋滾道間的接觸變形量2 0.001310DwFyjZ2/10,其中，絲杠預(yù)緊時,取軸向預(yù)緊力Fyj Fm/3 =，Z為滾珠總數(shù)量。因為絲杠有預(yù)緊力,且為軸向負載的1/3，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1 2，求得絲杠總變形量總。通過查表，得出Id4 /64=；壓桿穩(wěn)f 2ei根據(jù)公式皆訐初選步進電機步距角0.750 (可自選)，滾珠絲杠的導(dǎo)程R，要實現(xiàn)脈沖當量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

10、承系數(shù)fk 1，由絲杠底徑d2，求得截面慣性矩 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。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P 0.005mm/step，在傳動系統(tǒng)中應(yīng)加一對齒輪降速傳動。齒輪傳動比360°0.005 3600.75 5曇(此計算假設(shè)導(dǎo)程為5mm)選乙12，Z225 。因傳遞的扭距較小,1mm 0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(shè)計成雙片結(jié)構(gòu)，采用彈簧錯齒法消 除齒側(cè)間隙。本設(shè)計選用*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 m

11、Z mm 直徑b 3 6m mm齒寬a12 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 P 0.005mm/脈沖，根據(jù)所選滾珠絲杠的導(dǎo)程 R，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Teqi的計算Teq1Ta maxT f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。max2 Jeq nm 160taJeqJ0 J1Z22J 2 J3180式中：Jeq折算到電機軸上的慣性負載（kggcm2）； J。步進電機轉(zhuǎn)軸的

12、轉(zhuǎn)動慣量（kggsm2）； J1齒輪1的轉(zhuǎn)動慣量（kggsm2）； J2齒輪2的轉(zhuǎn)動慣量（kggsm2）；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342J 0.78 10 D L kggcm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do，總長I，導(dǎo)程Ph，材料密度7.85 10 3kg/cm2，移動部件總重G,小齒輪寬度b,，直徑di，大齒輪寬度b2，直徑d2，傳動比i。計算出2 2 2J1kg gpm J 2 kggcm J3kg gpm電機軸轉(zhuǎn)動慣量很小，可以忽略。Vmaxnm360 p設(shè)

13、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(Fz G)Ph2 iTeq2T Tfeq2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T是折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的最大工作負載轉(zhuǎn)矩；T f是移動部件運動時折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩。TtFfPhTf(Fz G)Ph2 iTeqmaxTeqi,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(shè)計取安全系數(shù) K=4,則步進電機的最大靜轉(zhuǎn)距應(yīng)滿足Tj max

14、4Teq =(4) 步進電機的最高工作頻率f1000VmaxTmax60 p衛(wèi)也2hz60 0.005綜上，選用*公司生產(chǎn)的*系列*型步進電。電機的有關(guān)參數(shù)如下所選步進電機參數(shù)型號主要技術(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最咼空載啟動頻率(steps)相數(shù)電壓(V)電流(A)外徑長度軸徑三、控制系統(tǒng)設(shè)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（XY軸電機）的硬件電氣控制圖。3.1電動機控制電氣原理圖ys I'lJ0_B電動機控制主電路SB?rynKAEHISB3rn_IKA EM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

15、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）。SB IKMlKMlEIf2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5 K掩甸，J課色底Xh&色圧YftX詞護乜功機ITKjJJilWLKMl 的冷卄接 UJ=加川X OS1 Jk4吟亠譽i眉閘團 tejSi 1円曲sw®,_幾-H吐肌和H真q昭；啊哉幻ri.c的L S視竭子嚴 芒.爭址Lj %1£說醴f過按三£1 薦-M1