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1、 一、總體方案設(shè)計 1.1 設(shè)計任務(wù) 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 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）

2、 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 ae 20mm ； 10）最大被吃刀量 ap 10mm 。 1.2 總體方案確定 （ 1）機械傳動部件的選擇 ① 導(dǎo)軌副的選擇 ② 絲杠螺母副的選擇 ③ 減速裝置的選

3、擇 ④ 伺服電動機的選擇 （ 2）控制系統(tǒng)的設(shè)計 ① 伺服電機啟動、停止、調(diào)速、正反轉(zhuǎn)的控制 ② PLC 控制電機的梯形圖編程 XY數(shù)控工作臺結(jié)構(gòu) Y 方向傳動機構(gòu) 微 機 工作臺 電 型 步 進 電 接 動機 減速器 機 驅(qū) 滾珠絲杠

4、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(gòu) 絲 杠 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 AO圖紙。

5、 （ 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）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(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

6、。查表得立 銑刀的銑削力計算公式為： F 118a0.85 f 0.75d 0.73a1.0 n0.13Z c e z p 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 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 =。 現(xiàn)考慮立銑，則工作臺受到垂直方向的銑削力

7、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(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 G F =。 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 *

8、 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)（由廠家說明書確定） 額定 導(dǎo)軌 型號 滑塊尺寸 額定載荷 靜力 長度 矩 C2 L1 L2 L3 H2 C a C0 a M （ 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) f R =0.9 、載荷系數(shù)

9、fW =1.5 ，代入以下公式，得距離壽命（期望值 為 50KM）。 L ( fH fT fC f R Ca )3 50 = fW Fmax 2.4 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(dǎo)軌進行計算， 查表，取傾覆力矩影響系數(shù)

10、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 KF x ( Fz Fy G) = （ 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 n v / Ph 取滾珠絲杠的使用壽命 T=15000h，代入 L0 60nT /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

11、H 1.0 ，代入式 FQ 3 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(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  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 

12、 剛度 尺寸 d0  Ph  Dw  d2  d1  Ca  C0 a （4）傳動效率 的計算 將公稱直徑 d0 ，導(dǎo)程 Ph ，代入  arctan[Ph / (  d0 )] ，得絲杠螺旋升角  。將摩擦角 10 ，代入  tan  / tan( 

13、 ) ，得到傳動效率。 （5）剛度的驗算 ① 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 S d22 / 4 = 算的絲杠在工作載荷 Fm 作用下產(chǎn)生的拉 / 壓變形量 1 Fm a / (ES) = ②滾珠與螺紋滾道間的接觸變形量20.0013 Fm , 其中，絲杠預(yù)緊時

14、， 10 3 DW FYJ Z 2 /10 取軸向預(yù)緊力 / 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 ， FYJ Fm =， 所以實際變形量 2 可減小一半。 ③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 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

15、，求得截面慣性矩  I  d24  / 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 k 2 EI Ka 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

16、導(dǎo)程  Ph ，要實現(xiàn)脈沖當量 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 i Z1 p 360o 0.005 360 12 （此計算假設(shè)導(dǎo)程為 5mm） Ph Z2 0.75 5 25 選 Z1 12 ， Z2 25 。 因傳遞的扭距較小，取模數(shù) m 1mm。 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 Z

17、 **** 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 d mZ mm  直徑 b 3 6 m mm 齒寬 a d1 d2 mm 中心距 2 2.6 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 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

18、動時轉(zhuǎn)軸所承受的負載轉(zhuǎn)矩 Teq1 的計算 Teq1 Ta max Tf 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 max 2 Jeqnm 1 60ta 2 Z1 2 JeqJ0 J1 J 2 J3 M p Z2

19、 180 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 J 0.78 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

20、杠的公稱直徑  d0 ，總長 l  ，導(dǎo)程  Ph ，材料密度  7.85 10  3  kg /  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 J1 kggcm2 J2 kggcm2 J3 kggcm2 電機軸轉(zhuǎn)動慣量很小，可以忽略。 nm vmax 360 p 設(shè)步進電機由靜止到加速至 nm 所需時間為 ta 0

21、.4s，傳動鏈總效率為 Tf ( Fz G) Ph 2 i 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 Teq2 Tt Tf Tt 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 Ph Tt 2 i ( Fz G) Ph Tf i 2 Teq max{ Teq1,Teq2} （ 3）步進電機最大靜轉(zhuǎn)距的選定 考慮

22、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 4Teq = （ 4）步進電機的最高工作頻率 fmax 1000Vmax 1000 3 HZ 60 p 60 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) 主要技術(shù)數(shù)據(jù)

23、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(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（ 機）的硬件電氣控制圖。 3.1 電動機控制電氣原理圖  XY 

24、 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） 。

25、 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

26、 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(shè)計的需要，通過查閱相關(guān)文獻進行梯形圖的編程設(shè)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