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1、 一、總體方案設計 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 X—Y 數(shù)控工作臺，主要參數(shù)如下： 1）工作臺面尺寸 C B 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 C1 B1H1＝【 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】

2、 mm； 4） X、Y 方向的脈沖當量均為脈沖； X、Y 方向的定位精度均為 0.01mm； 5）夾具與工件質量 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 。 總體方案確定 （ 1）機械傳動部件的選擇 ① 導軌副的選擇 ② 絲杠螺母副的選擇 ③ 減速裝置的選擇 ④ 伺服電動機的選

3、擇 （ 2）控制系統(tǒng)的設計 ① 伺服電機啟動、停止、調速、正反轉的控制 ② 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 滾珠絲杠 口 動 電 人機

4、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 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、電動等基本工作狀態(tài)控制的硬件連線圖，并通過

5、 PLC協(xié)調控制 XY電機運動，繪制相關梯形圖。 二、機械系統(tǒng)設計 導軌上移動部件的重量估算 質量：按質量 =體積（由尺寸求得）密度進行估算 （45 鋼密度 7.85g/ 立方厘米） 工作臺面質量 = 上導軌座（連電機）質量 = 夾具及工件質量 = X-Y工作臺運動部分的總重量 G=Mg= 銑削力的計算 零件的加工方式為立式銑削，采用硬質合金立銑刀，工件的材料為碳鋼。查表得立 銑刀的銑削力計算公式為： F 118a0.85 f 0.75d 0.73a1.0 n0.13Z

6、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 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 = 直線

7、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 X—Y 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 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

8、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 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)上述所選導軌副，查表，分別取硬度系數(shù) f H =、溫度系數(shù) fT =、接觸系數(shù) fC =、 精度系數(shù) fR =、載荷系數(shù) fW =，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 = fWFmax 滾珠絲杠的設計計算 滾珠絲杠的負荷包括銑削力及

9、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=， 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： 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

10、/ min ，初選絲杠導程 Ph （自 己選擇如 4、 5、 6mm 等），則此時絲杠轉速 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 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程， 查表，選擇 **** 公司生產的 * 系列 * 型，其額定動載荷為，大于 FQ

11、，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 d0  Ph  Dw  d2  d1  Ca  C0 a （4）傳動效率 的計算 將公稱直徑 d0 ，導程 Ph ，代入

12、  arctan[Ph / (  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 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 ，

13、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，絲杠預緊時， 103 DW FYJZ 2 /10 取軸向預緊力 FYJ Fm / 3 =，Z 為滾珠總數(shù)量。因為絲杠有預緊力， 且為軸向負載的 1/3， 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

14、查表，得出 總 是否在行程的偏差允許值內。 （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  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

15、即不會失穩(wěn)。 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 i Z1 p 360o 0.005 360 12 （此計算假設導程為 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

16、計成雙片結構，采用彈簧錯齒法消 除齒側間隙。本設計選用 Z  **** 公司生產的 * 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 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)所選滾珠絲杠的導程 Ph ，初選步進電 機步距角 （可自選）。 （ 2）計算加在步進電機轉軸

17、上的總轉動慣量 Jeq （ 3）步進電機快速空載啟動時轉軸所承受的負載轉矩 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軸上的最大加速轉矩； Tf 是移動部件運 動時折算到電動機轉軸上的摩擦轉矩。 Ta max 2 Jeqnm 1 60ta 2 Z1 2 JeqJ0 J1 J 2 J3 M p Z2

18、 180 式中： J eq ——折算到電機軸上的慣性負載 （ kggcm2 ）； J0 ——步進電機轉軸的轉動慣 量（ kg gcm2 ）；J1 ——齒輪 1 的轉動慣量（ kg gcm2 ）；J2 ——齒輪 2 的轉動慣量（ kg gcm2 ）； J3 ——滾珠絲杠的轉動慣量（ kggcm2 ）； M——移動部件質量（ kg ）。 對材料為鋼的圓柱零件轉動慣量可按下式估算 J 0.78 10 3 D 4 L kggcm2 式中： D——圓柱零件直徑（  cm）；L——零件長度

19、（  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  7.85 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 電機軸轉動慣量很小，可以忽略。 nm vmax 360 p 設步進電機由靜止到加速至 nm 所需時間為 ta 0.4s

20、，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)下轉軸所承受的負載轉矩 Teq2 的計算 Teq2 Tt Tf Tt 是折算到電動機轉軸上的最大工作負載轉矩； Tf 是移動部件運動時折算到電動機 轉軸上的摩擦轉矩。 F f Ph Tt 2 i ( Fz G) Ph Tf i 2 Teq max{ Teq1,Teq2} （ 3）步進電機最大靜轉距的選定 考慮到步進電機的驅動電源受電網影響較大，當輸入電壓降低時，

21、其輸出轉矩會下 降，可能造成丟步，甚至堵轉。因此，根據(jù) Teq 來選擇步進電機的最大靜轉距時，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距應滿足 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)

22、電壓 電流 外徑 長度 軸徑 型 號 大靜 啟動頻率 (V ) ( A) ( N ) 角 o 轉距 ( step/ s) N gcm 三、控制系統(tǒng)設計 以下內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。 電動機控制電氣原理圖

23、 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） 。 電動機正反轉控制電氣原理圖 以上所用低壓電器為：停止按

24、鈕 SB1（常閉），正傳按鈕 SB2（組合按鈕），反轉按 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） 。 PLC分項控制電動機的接線圖 PLC控制電機正反轉外部接線圖 PLC控制電機點動和長動外部接線圖 PLC總體控制接線圖

25、 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、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