資源目錄里展示的全都有，所見即所得。下載后全都有,請放心下載。原稿可自行編輯修改=【QQ：401339828 或11970985 有疑問可加】 數控X-Y工作臺設計 目錄 1.引言： 3 2.設計任務 4 3.總體方案的確定 4 3.1 機械傳動部件的選擇 4 3.1.1導軌副的選用 4 3.1.2絲杠螺母副的選用 5 3.1.3減速裝置的選用 5 3.1.4伺服電動機的選用 5 3.1.5檢測裝置的選用 5 3.2 控制系統(tǒng)的設計 5 3.3 繪制總體方案圖 5 4.機械傳動部件的計算與選型 6 4.1 導軌上移動部件的重量估算 6 4.2 銑削力的計算 6 4.3 直線滾動導軌副的計算與選型（縱向） 6 4.3.1 塊承受工作載荷的計算及導軌型號的選取 6 4.3.2 距離額定壽命L的計算 7 4.4 滾珠絲杠螺母副的計算與選型 7 4.4.1 最大工作載荷Fm的計算 7 4.4.2 最大動工作載荷FQ的計算 8 4.4.3 初選型號 8 4.4.4 傳動效率η的計算 8 4.4.5 剛度的驗算 8 4.4.6 壓桿穩(wěn)定性校核 8 4.5 步進電動機減速箱的選用 9 4.6 步進電動機的計算與選型 9 4.6.1 計算加在步進電動機轉軸上的總轉動慣量Jeq 9 4.6.2 計算加在步進電動機轉軸上的等效負載轉矩Teq 9 4.6.3 步進電動機最大靜轉矩的選定 11 4.6.4 步進電動機的性能校核 11 9.致謝 12 參考文獻 13 1.引言： 現(xiàn)代科學技術的不斷發(fā)展，極大地推動了不同學科的交叉與滲透，導致了工程領域的技術革命與改造。在機械工程領域，由于微電子技術和計算機技術的迅速發(fā)展及其向機械工業(yè)的滲透所形成的機電一體化，使機械工業(yè)的技術結構、產品機構、功能與構成、生產方式及管理體系發(fā)生了巨大變化，使工業(yè)生產由“機械電氣化”邁入了“機電一體化”為特征的發(fā)展階段。 X-Y數控工作臺是許多機電一體化設備的基本部件，如數控的縱—橫向進刀機構、數控銑床和數控鉆床的X-Y工作臺、激光加工設備的工作臺、電子元件表面貼裝設備等。 模塊化的X-Y數控工作臺，通常由導軌座、移動滑塊、工作、滾珠絲杠螺母副，以及伺服電動機等部件構成。其中伺服電動機做執(zhí)行元件用來驅動滾珠絲杠，滾珠絲杠螺母帶動滑塊和工作平臺在導軌上運動，完成工作臺在X、Y方向的直線移動。導軌副、滾珠絲杠螺母副和伺服電動機等均以標準化，由專門廠家生產，設計時只需根據工作載荷選取即可。控制系統(tǒng)根據需要，可以選取用標準的工作控制計算機，也可以設計專用的微機控制系統(tǒng)。 2.設計任務 題目：數控X-Y工作臺設計 任務：設計一種供應式數控銑床使用的X-Y數控工作臺，主要參數如下： 1、設計可實現(xiàn)X向數控運動的工作臺； 2、數控運動驅動力源可以采用步進電機或交流伺服電機驅動，但是所選電機必須與該電機生產廠所列技術數據一致； 3、工作臺尺寸300×250mm（ X /Y)； 4、工作臺工作行程為：300； 5、脈沖當量要求為：X向0.01mm/脈沖； 6、X向最高進給速度：300mm/min； 7、X向最高空載快進速度：700mm/min; 8、工件最大重量（包括夾具）為：150KG； 10、工作壽命每天8小時，連續(xù)工作5年，250天/年 3.總體方案的確定 3.1 機械傳動部件的選擇 3.1.1導軌副的選用 設計數控工作臺，需要承受的載荷不大，而且脈沖當量小，定位精度高，因此選用直線滾動導軌副，它具有摩擦系數小，不易爬行，傳動效率高，結構緊，安裝預緊方便等優(yōu)點。 3.1.2絲杠螺母副的選用 伺服電動機的旋轉運動需要通過絲杠螺母副轉換成直線運動，需要滿足mm的定位精度，滑動絲杠副為能為力，只有選用滾珠絲桿副才能達到要求，滾珠絲桿副的傳動精度高、動態(tài)響應快、運轉平穩(wěn)、壽命長、效率高、預緊后可消除反向間隙。 3.1.3減速裝置的選用 選擇了步進電動機和滾珠絲桿副以后，為了圓整脈沖當量，放大電動機的輸出轉矩，降低運動部件折算到電動機轉軸上的轉動慣量，可能需要減速裝置，且應有消間隙機構，選用無間隙齒輪傳動減速箱。 3.1.4伺服電動機的選用 任務書規(guī)定的脈沖當量尚未達到0.01mm，定位精度也未達到微米級，空載最快移動速度也只有因此3000mm/min，故本設計不必采用高檔次的伺服電動機，因此可以選用混合式步進電動機。以降低成本，提高性價比。 3.1.5檢測裝置的選用 選用步進電動機作為伺服電動機后，可選開環(huán)控制，也可選閉環(huán)控制。任務書所給的精度對于步進電動機來說還是偏高，為了確保電動機在運動過程中不受切削負載和電網的影響而失步，決定采用半閉環(huán)控制，擬在電動機的尾部轉軸上安裝增量式旋轉編碼器，用以檢測電動機的轉角與轉速。增量式旋轉編碼器的分辨力應與步進電動機的步距角相匹配。 考慮到X、Y兩個方向的加工范圍相同，承受的工作載荷相差不大，為了減少設計工作量，X、Y兩個坐標的導軌副、絲杠螺母副、減速裝置、伺服電動機以及檢測裝置擬采用相同的型號與規(guī)格。 3.2 控制系統(tǒng)的設計 1）設計的X-Z工作臺準備用在數控上，其控制系統(tǒng)應該具有單坐標定位，兩坐標直線插補與圓弧插補的基本功能，所以控制系統(tǒng)設計成連續(xù)控制型。 2）對于步進電動機的半閉環(huán)控制，選用MCS-51系列的8位單片機AT89S52作為控制系統(tǒng)的CPU，能夠滿足任務書給定的相關指標。 3）要設計一臺完整的控制系統(tǒng)，在選擇CPU之后，還要擴展程序存儲器，鍵盤與顯示電路，I/O接口電路，D/A轉換電路，串行接口電路等。 4）選擇合適的驅動電源，與步進電動機配套使用。 3.3 繪制總體方案圖 總體方案圖如圖所示。 總體方案圖 4.機械傳動部件的計算與選型 4.1 導軌上移動部件的重量估算 工件最大重量（包括夾具）為：150KG； 4.2 銑削力的計算 設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。則由表3-7查得立銑時的銑削力計算公式為： (6-11) 假設選擇銑刀的直徑為d=15mm，齒數Z=3,為了計算最大銑削力，在不對稱銑削情況下，取最大銑削寬度為，背吃刀量=7mm ，每齒進給量，轉速。則由式（6-11）求的最大銑削力： 采用立銑刀進行圓柱銑削時，各銑削力之間的比值可由表查得，考慮逆銑時的情況，可估算三個方向的銑削力分別為：,，。圖3-4a為臥銑情況，現(xiàn)考慮立銑，則工作臺受到垂直方向的銑削力，受到水平方向的銑削力分別為和。今將水平方向較大的銑削力分配給工作臺的縱向，則縱向銑削力，徑向銑削力為。 4.3 直線滾動導軌副的計算與選型（縱向） 4.3.1 塊承受工作載荷的計算及導軌型號的選取 工作載荷是影響直線滾動導軌副使用壽命的重要因素。本例中的X-Y工作臺為水平布置，采用雙導軌、四滑塊的支承形式?？紤]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： (6-12) 其中，移動部件重量Ｇ＝1500N，外加載荷，代入式（6-12），得最大工作載荷=686N=0.686kN。 查表根據工作載荷=0.686kN，初選直線滾動導軌副的型號為KL系列的JSA-LG15型，其額定動載荷，額定靜載荷。 4.3.2 距離額定壽命L的計算 上述所取的KL系列JSA-LG25系列導軌副的滾道硬度為60HRC，工作溫度不超過C，每根導軌上配有兩只滑塊，精度為4級，工作速度較低，載荷不大。分別取硬度系數f=1.0，溫度系數f=1.00，接觸系數f=0.81，精度系數f=0.9，載荷系數f=1.5，代入式（3-33），得距離壽命： L= 遠大于期望值50Km，故距離額定壽命滿足要求。 4.4 滾珠絲杠螺母副的計算與選型 4.4.1 最大工作載荷Fm的計算 如前所述，工作臺受到進給方向的載荷（與絲杠軸線平行）Fx=1408N,受到橫向載荷（與絲杠軸線垂直）Fy=320N，受到垂直方向的載荷（與工作臺面垂直）Fz=486N. 已知移動部件總重量G=800N，按矩形導軌進行計算，取顛覆力矩影響系數K=1.1，滾動導軌上的摩擦系數=0.005。求得滾珠絲杠副的最大工作載荷： Fm=KFx+(Fz+Fy+G)=[1.11408+0.005(486+320+800)]N1557N 4.4.2 最大動工作載荷FQ的計算 設工作臺在承受最大銑削力時的最快進給速度v=300mm/min，初選絲杠導程Ph=5mm,則此時絲杠轉速n=v/6h=80r/min。 取滾珠絲杠的使用壽命T=15000h,代入L0=60Nt/106,得絲杠壽命系數L0=72（單位為：106r）。 查表，取載荷系數fw=1.2,滾道硬度為60HRC時，取硬度系數fH=1.0,代入式（3-23），求得最大動載荷： FQ= 4.4.3 初選型號 根據計算出的最大動載荷和初選的絲杠導程，選擇濟寧博特精密絲杠制造有限公司生產的G系列2005-3型滾珠絲杠副，為內循環(huán)固定反向器單螺母式，其公稱直徑為20mm，導程為5mm，循環(huán)滾珠為3圈*1系列，精度等級取5級，額定動載荷為9309N，大于FQ，滿足要求。 4.4.4 傳動效率η的計算 將公稱直徑d0=20mm,導程Ph=5mm,代入λ=arctan[Ph/(d0)]，得絲杠螺旋升角λ=4°33′。將摩擦角ψ=10′，代入η=tanλ/tan(λ+ψ),得傳動效率η=96.4%。 4.4.5 剛度的驗算 (1) X-Y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-對推力角接觸球軸承，面對面組配，左、右支承的中心距約為a=500mm；鋼的彈性模量E=2.1х105Mpa;查表得滾珠直徑Dw=3.175mm，絲杠底徑d2=16.2mm,絲杠截面積S=/4=206.12m。 忽略式（3-25）中的第二項，算得絲杠在工作載荷Fm作用下產生的拉/壓變形量mm=0.0180mm.。 (2) 根據公式，求得單圈滾珠數Z=20；該型號絲杠為單螺母，滾珠的圈數列數為31，代入公式Z圈數列數，得滾珠總數量=60。絲杠預緊時，取軸向預緊力/3=519N。則由式（3-27），求得滾珠與螺紋滾道間的接觸變形量mm。 因為絲杠有預緊力，且為軸向負載的1/3，所以實際變形量可以減少一半，取=0.0012mm。 (3) 將以上算出的和代入，求得絲杠總變形量（對應跨度500mm）=0.0192mm=19.2 本例中，絲杠的有效行程為330mm，由表知，5級精度滾珠絲杠有效行程在315~400mm時，行程偏差允許達到25，可見絲杠剛度足夠。 4.4.6 壓桿穩(wěn)定性校核 根據公式（3-28）計算失穩(wěn)時的臨界載荷FK。取支承系數=1；由絲杠底徑d2=16.2mm求得截面慣性矩3380.88；壓桿穩(wěn)定安全系數K取3（絲杠臥式水平安裝）；滾動螺母至軸向固定處的距離a取最大值500mm。代入式（3-28），得臨界載荷FK=1557N，故絲杠不會失穩(wěn)。 綜上所述，初選的滾珠絲杠副滿足使用要求。 4.5 步進電動機減速箱的選用 為了滿足脈沖當量的的設計要求，增大步進電動機的輸出轉矩，同時也為了使?jié)L珠絲杠和工作臺的轉動慣量折算到電動機軸上盡可能的小，今在步進電動機的輸出軸上安裝一套齒輪機減速，采用一級減速，步進電動機的輸出軸與齒輪相連，滾珠絲杠的軸頭與大齒輪相連。其中大齒輪設計成雙片結構。 已知工作臺的脈沖當量=0.004mm/脈沖，滾珠絲杠的的導程Ph=5mm， 初選步進電動機的步距角=0.75°。根據式（3-12），算得減速比： =（0.755）/（3600.004）=25/10 本設計選用常州市新月電機有限公司生產的JBF-3型齒輪減速箱。大小齒輪模數均為1mm，齒數比為75：30，材料為45調質鋼，齒表面淬硬后達到55HRC。減速箱中心距為[（75+30）1/2]mm=57mm,小齒輪厚度為20mm，雙片大齒輪厚度均為10mm。 4.6 步進電動機的計算與選型 4.6.1 計算加在步進電動機轉軸上的總轉動慣量Jeq 已知：滾珠絲杠的公稱直徑d0=20mm，總長l=500mm，導程Ph=5mm，材料密度=7.8510-5kg/;移動部件總重力G=800N；小齒輪齒寬b1=20mm.，直徑d1=30mm，大小齒輪齒寬b2=20mm，直徑d2=75mm；傳動比i=25/10。 如表4-1所示，算得各個零部件的轉動慣量如下： 滾珠絲杠的轉動慣量Js=0.617kg·cm2;拖板折算到絲杠上的轉動慣量Jw=0.517kg·cm2;小齒輪的轉動慣量Jz1=0.125 kg·cm2；大齒輪的轉動慣量Jz2=4.877 kg·cm2。 初選步進電動機的型號為90YBG2602,為兩相混合式，由常州寶馬集團公司生產，二相八拍驅動時的步距角為0.75°，從表查得該型號的電動機轉子的轉動慣量Jm=4 kg·cm2。 則加在步進電動機轉軸上的總轉動慣量為： =5.087 kg·cm2 4.6.2 計算加在步進電動機轉軸上的等效負載轉矩Teq 分快速空載和承受最大負載兩種情況進行計算。 1) 快速空載起動時電動機轉軸所承受的負載轉矩由式（4-8）可知，包括三部分;一部分是快速空載起動時折算到電動機轉軸上的最大加速轉矩；一部分是移動部件運動時折算到電動機轉軸上的摩擦轉矩；還有一部分是滾珠絲杠預緊后折算到電動機轉軸上的附加摩擦轉矩。因為滾珠絲杠副傳動效率很高，根據式（4-12）可知，相對于和很小，可以忽略不計。則有： =+ （6-13） 根據式（4-9），考慮傳動鏈的總效率，計算空載起動時折算到電動機轉軸上最大加速轉矩： = (6-14) 其中： =1562.5r/min (6-15) 式中—空載最快移動速度，任務書指定為3000mm/min； —步進電動機步距角，預選電動機為0.75； —脈沖當量，本例=0.004mm/脈沖。 設步進電機由靜止加速至所需時間，傳動鏈總效率。則由式（6-14）求得： = 由式（4-10）知，移動部件運動時，折算到電動機轉軸上的摩擦轉矩為： = (6-16) 90BYG2602電動機的運行矩頻特性曲線 式中——導軌的摩擦因素，滾動導軌取0.005 ——垂直方向的銑削力，空載時取0 ——傳動鏈效率，取0.7 最后由式（6-13）求得快速空載起動時電動機轉軸所承受的負載轉矩： =+=0.2988Nm (6-17) 2) 最大工作負載狀態(tài)下電動機轉軸所承受的負載轉矩 由式（4-13）可知，包括三部分：一部分是折算到電動機轉軸上的最大工作負載轉矩；一部分是移動部件運動時折算到電動機轉軸上的摩擦轉矩；還有一部分是滾珠絲杠預緊后折算到電動機轉軸上的附加摩擦轉矩，相對于和很小，可以忽略不計。則有： =+ （6-18） 其中折算到電動機轉軸上的最大工作負載轉矩由公式（4-14）計算。有： 再由式（4-10）計算垂直方向承受最大工作負載情況下，移動部件運動時折算到電動機轉軸上的摩擦轉矩： 最后由式（6-18），求得最大工作負載狀態(tài)下電動機轉軸所承受的負載轉矩： =+=0.643N/m （6-19） 最后求得在步進電動機轉軸上的最大等效負載轉矩為： 4.6.3 步進電動機最大靜轉矩的選定 考慮到步進電動機的驅動電源受電網電壓影響較大，當輸入電壓降低時，其輸出轉矩會下降，可能造成丟步，甚至堵轉。因此，根據來選擇步進電動機的最大靜轉矩時，需要考慮安全系數。取K=4, 則步進電動機的最大靜轉矩應滿足： （6-20） 初選步進電動機的型號為90BYG2602，查得該型號電動機的最大靜轉矩=6Nm。可見，滿足要求。 4.6.4 步進電動機的性能校核 1)最快工進速度時電動機的輸出轉矩校核 任務書給定工作臺最快工進速度=400mm/min，脈沖當量/脈沖，由式（4-16）求出電動機對應的運行頻率。從90BYG2602電動機的運行矩頻特性曲線圖可以看出在此頻率下，電動機的輸出轉矩5.6Nm，遠遠大于最大工作負載轉矩=0.643Nm，滿足要求。 2）最快空載移動時電動機輸出轉矩校核 任務書給定工作臺最快空載移動速度=3000mm/min，求出其對應運行頻率。在此頻率下，電動機的輸出轉矩=1.7Nm，大于快速空載起動時的負載轉矩=0.2988Nm，滿足要求。 3）最快空載移動時電動機運行頻率校核 與快速空載移動速度=3000mm/min對應的電動機運行頻率為。查表知90BYG2602電動機的空載運行頻率可達20000，可見沒有超出上限。 4）起動頻率的計算 已知電動機轉軸上的總轉動慣量，電動機轉子的轉動慣量，電動機轉軸不帶任何負載時的空載起動頻率。由式（4-17）可知步進電動機克服慣性負載的起動頻率為： 說明：要想保證步進電動機起動時不失步，任何時候的起動頻率都必須小于。實際上，在采用軟件升降頻時，起動頻率選得更低，通常只有100。 綜上所述，本次設計中工作臺的進給傳動系統(tǒng)選用90BYG2602步進電動機，完全滿足設計要求。 結論 這次設計剛開始時不知從何下手，在老師的指導下到圖書館查閱相關資料。有關數控上的資料翻了數次，有參考了相關設計資料，終于知道了該怎么做。接下來篩選出一系列有價值的資料，與同組同學不斷的討論、向老師請教，終于完成了設計。 在做設計的過程中，不但復習了所學過的知識點，還學到了新的知識，同時將所學到的知識充分的運用起來，做到了學以致用，還學會了查資料，除此之外，我還懂得了團結合作的重要性，知道了集體的力量！ 當然，在此過程中也有許多不足之處，例如：知識的不全面，所學的還沒有全部掌握，思維的狹隘等，讓我在畢業(yè)前上了生動形象的一課。 同時，做設計也是磨練決心與毅力的過程，面對復雜冗長的數據，打印長篇的論文，我也想過放棄，但想到它的意義我就又堅持了下來。做完了后，有一種豁然開朗的感覺，內心激動無比，經過了這次設計以后，我有信心，我也堅信只要努力、堅持，我們就能走好人生的每一步。 參考文獻 1.吳振彪主編.機電綜合設計指導【M】.北京：中國人民大學社.2000. 2.余英良主編.機床數控改造設計與實例. 【M】.北京：機械工業(yè)出版社.1997 3.《機床設計手冊》編寫組編. 機床設計手冊第一，三，四冊. 【M】.北京： 械工業(yè)出版社.1998. 4.明興祖主編.數控加工技術. 【M】.北京：化學工業(yè)出版社.2001. 5.胡占齊，楊莉主編.機床數控技術. 【M】.北京：機械工業(yè)出版社.1999. 6.王先逵主編.機械制造工藝學.【M】.北京： 機械工業(yè)出版社.2002. 7.邱宣懷主編.《機械設計》.【M】.北京：高等教育出版社.2002 8.黃調，趙松年主編.機電一體化技術基礎及應用.【M】.北京： 機械工業(yè)出版社.1999. 13