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1、 目 錄 1.設(shè)計要求 3 2.系統(tǒng)方案框圖及分析說明 3 3.機(jī)械系統(tǒng)各部件類型選擇及設(shè)計計算 4 3.1 初步確定工作臺的尺寸及其重量 4 3.2 傳動系統(tǒng)設(shè)計 5 3.3 滾珠絲杠的設(shè)計計算及選擇 5 3.4滾動導(dǎo)軌的選擇 9 3.5 步進(jìn)電機(jī)的計算及校核 9 3.6 聯(lián)軸器的選擇 10 4.控制系統(tǒng)工作原理框圖和設(shè)計說明 11 4.課程設(shè)計總結(jié)與心得體會 13 5.參考資料 13 鉆床改造成數(shù)控XY工作臺設(shè)計 黃婉 西南大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院 重慶 1.設(shè)計要求 1. 系統(tǒng)定位精度

2、要求在0.02mm以內(nèi)，步進(jìn)電機(jī)選用三相六拍，其脈沖當(dāng)量為0.01mm/pulse； 2. 空載啟動時間為1s，最大進(jìn)給速度為2m/min； 3. 能用鍵盤輸入命令，控制工作臺的x向、y向運(yùn)動及實現(xiàn)其他功能，x向的運(yùn)動范圍為0~180mm，y向運(yùn)動范圍為0~200mm； 4. 能實時顯示工作臺的當(dāng)前運(yùn)動位置； 5. 具有越程指示報警及停止功能； 6. 采用硬件進(jìn)行環(huán)形分配，字符發(fā)生及鍵盤掃描均由軟件實現(xiàn)。 2.系統(tǒng)方案框圖及分析說明 圖1 開環(huán)伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖 采用微機(jī)對傳統(tǒng)加工機(jī)床進(jìn)行改造有兩種方法，一種是以微機(jī)為中心設(shè)計控制系統(tǒng)，另一種是采用標(biāo)準(zhǔn)步進(jìn)電機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)

3、作為主要控制裝置。前者需要重新設(shè)計控制系統(tǒng)，比較復(fù)雜；后者選用國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)化的微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)，比較簡單。這種標(biāo)準(zhǔn)的微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)通常采用單板機(jī)、單片機(jī)、驅(qū)動電源、步進(jìn)電機(jī)及專用控制程序組成的開環(huán)控制，如圖1所示。對機(jī)床而言，控制過程大多是由單板機(jī)或單片機(jī)，按照輸入的加工程序進(jìn)行插補(bǔ)運(yùn)算，由軟件或硬件實現(xiàn)脈沖分配，輸出一系列脈沖，經(jīng)功率放大驅(qū)動縱、橫軸的步進(jìn)電機(jī)來實現(xiàn)的。 1、 微型機(jī)：選擇單片機(jī)，必要時進(jìn)行存儲器擴(kuò)展和I/O口擴(kuò)展； 2、 接口電路：根據(jù)實際進(jìn)給運(yùn)動的需要設(shè)計； 3、 功放電路：將脈沖信號進(jìn)行放大，以驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)； 4、 執(zhí)行元件：通常采用步進(jìn)電機(jī)； 5、 傳動機(jī)構(gòu)：將旋

4、轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)換為直線運(yùn)動，選擇絲杠螺母傳動，步進(jìn)電機(jī)和絲杠螺母間的運(yùn)動通過聯(lián)軸器或減速器傳遞； 6、 執(zhí)行機(jī)構(gòu)：伺服系統(tǒng)中多用塑料貼面滑動導(dǎo)軌和滾動導(dǎo)軌。 3.機(jī)械系統(tǒng)各部件類型選擇及設(shè)計計算 圖2 機(jī)械傳動原理圖 3.1 初步確定工作臺的尺寸及其重量 根據(jù)設(shè)計要求，所取的能夠加工的最大面積為180mm200mm，最大工件的重量為150kg。因此初定工作臺的尺寸為22022015mm3。工作臺的材料為45鋼，其密度為7.85103kg/m3。（取g=9.8N/kg）因此： 工作臺（X向托板） m1=220220157.85103=5.7kg G1= 2202201510

5、-97.851039.8=55.85N 取Y向托板=X向托板 m2= m1=5.7kg G2=G1=55.85N 上導(dǎo)軌座（連電機(jī)）重量 初步取導(dǎo)軌座的長400mm，寬為150mm，高為30mm，但導(dǎo)軌座中間有一大空缺，空缺部分大約2807030mm3。因此 m3=(400150－28070)3010-97.8103=9.52kg G3=m3*g=9.529.8=93.24N 所以根據(jù)上面所求，得XY工作臺運(yùn)動部分的總重量為： G=G1+G2+G3=55.852+93.24=204.94N 根據(jù)要求所知，其最大加

6、工工件為150kg，另外，還有絲杠、電機(jī)、聯(lián)軸器等，大約3kg，因此：m4=3kg G總=(150+3)9.8+204.94=1704.34N 3.2 傳動系統(tǒng)設(shè)計 δ=0.01mm，初選步進(jìn)電機(jī)型號110BF003，步距角α=0.75o，取絲杠導(dǎo)程Ph=5mm,根據(jù)傳動比公式可得： 由此可知，可直接選擇聯(lián)軸器而不用減速器。 3.3 滾珠絲杠的設(shè)計計算及選擇 由于鉆床切削時產(chǎn)生的軸向切削力很小并且工作臺是點位系統(tǒng)，滾珠絲杠運(yùn)動與靜止時都不受由于切削而引起的軸向阻力，故切削力可忽略不計。因此滾珠絲杠的負(fù)荷只有運(yùn)動部件的重量所引起的摩擦阻力。 Fm=μFz=0.041704.

7、34=68.1736N，其中為淬火鋼的摩擦因數(shù)。 載荷系數(shù)KF=1.2，無沖擊平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn) 硬度系數(shù)KH=1.0，45鋼HRC≥58 精度系數(shù)KH=1.1，數(shù)控機(jī)床精度要求選用3級 故Fc=KFKHKHFm=1.21.01.168.1736=89.989N 3.3.1確定動載荷及其使用壽命 根據(jù)絲杠動載荷公式： 式中： C：額定動載荷 Lh：使用壽命 FC：靜載荷 ：絲杠的平均轉(zhuǎn)速 因工作臺最大進(jìn)給速度為2m/min，絲杠導(dǎo)程為5mm，可得最大轉(zhuǎn)速為 ，取平均轉(zhuǎn)速 取L=15000h，則 3.3.2滾珠絲杠的選

8、取 根據(jù)滾珠絲杠的基本導(dǎo)程及額定動載荷，查表1，選取滾珠絲杠的型號為FFB1605-4 ，其公稱直徑為d=16mm，公稱導(dǎo)程為Ph=5mm，動、靜載荷分別為7.8KN和17.9KN。 圖3 滾珠絲杠結(jié)構(gòu)形式 表1 滾珠絲杠型號參數(shù)表 在表1中查得，鋼球直徑為 滾道半徑 絲杠底徑為，為了制造方便，取 偏心距 3.3.3穩(wěn)定性計算及校核 1) 因螺桿較長，所以穩(wěn)定性驗算應(yīng)以下式求臨界載荷： 式中：E：螺桿材料的彈性模量，查《材料力學(xué)》表，取E=206GPa Ia：螺桿危險截面的軸慣性矩 μ：長度系數(shù)，雙推—簡支式μ

9、=2/3 絲杠的有效長度是220mm ，絲杠是安全的，不會失穩(wěn)。 2) 高速運(yùn)轉(zhuǎn)時，需驗算其是否會發(fā)生共振的最高轉(zhuǎn)速，要求絲杠最高轉(zhuǎn)速。臨界轉(zhuǎn)速按此公式計算 ，不會發(fā)生共振，滿足要求。 3.3.4剛度驗算 按最不利的情況考慮，螺紋螺距因愛軸向力引起的彈性變形與受轉(zhuǎn)矩引起彈性變形方向是一致的，所以每一導(dǎo)程的變形量為 扭矩，式中 所以： 最小截面積為 每米螺紋度上的螺紋距離彈性變形為，滿足精度要求，剛度合格。 3.3.5效率驗算 3.4滾動導(dǎo)軌的選擇 根據(jù)機(jī)床要求，由于導(dǎo)軌副行程不是很長，可以選

10、擇相對來說成本低的滾動體不循環(huán)的滾針導(dǎo)軌副，材料選擇灰鑄鐵HT200，硬度180~200HB，采用脂潤滑，可以保證一次裝填，長期使用。 3.5 步進(jìn)電機(jī)的計算及校核 3.5.1 負(fù)載慣量的計算 由于試算出的傳動比很接近1，所以不要減速器，電動機(jī)軸直接通過聯(lián)軸器和絲杠相連，負(fù)載的轉(zhuǎn)動慣量也無需等效換算。 絲杠的轉(zhuǎn)動慣量 工作臺的轉(zhuǎn)動慣量 工件的轉(zhuǎn)動慣量 查表得轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量為 ，，慣量匹配。 3.5.2 負(fù)載轉(zhuǎn)矩的計算 等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩計算公式 啟動慣性阻力矩的計算 這里以最不利于啟動的快進(jìn)速度進(jìn)行計算，啟動加速度時間為，由于電動機(jī)轉(zhuǎn)速，取加

11、速時間為等加速梯形曲線，故角加速度為，則 步進(jìn)電機(jī)輸出軸上總負(fù)載轉(zhuǎn)矩 當(dāng)整體機(jī)械傳動系統(tǒng)總效率時， 為避免計算誤差和轉(zhuǎn)矩突然增大引起步進(jìn)電機(jī)丟步而引起加工誤差，取安全系數(shù)K=1.4,則步進(jìn)電機(jī)的總負(fù)載轉(zhuǎn)矩。 若采用預(yù)選的電動機(jī)110BF003，其最大靜轉(zhuǎn)矩為，由表3-7可知，，故電機(jī)能滿足要求。 3.6 聯(lián)軸器的選擇 上述所選電機(jī)軸徑為11mm,而絲杠公稱直徑為16mm，轉(zhuǎn)矩不大，可選擇公稱轉(zhuǎn)矩為16的LT2型聯(lián)軸器。 4.控制系統(tǒng)工作原理框圖和設(shè)計說明 4.課程設(shè)計總結(jié)與心得體會 經(jīng)過兩周的課程設(shè)計，最終完成了鉆床改造成為數(shù)控車床的任

12、務(wù)。重點是各部件類型的選擇和計算校核。其中有些表格是網(wǎng)上查閱的，有些數(shù)據(jù)是參考的經(jīng)驗數(shù)據(jù)，結(jié)果可能會有偏差，但是應(yīng)該不會太大，能保證設(shè)計合理，最終的數(shù)控車床能完成指定要求。由于本人經(jīng)驗不足，專業(yè)水平有限以及一些不可預(yù)見的因素，所以設(shè)計中也必定會出現(xiàn)一些問題，懇請老師批評指正。這次課程設(shè)計給了我很大的幫助，不管現(xiàn)在還是對我以后的工作。 5.參考資料 【1】張建明，等編著.機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計（第三版）.北京：高等教育出版社，2007.7 【2】吳宗澤，羅圣國主編.機(jī)械設(shè)計課程設(shè)計手冊（第3版）.北京：高等教育出版社，2006.5 【3】劉鴻文主編.材料力學(xué)I（第五版）. 北京：高等教育出版社，2011.1 【4】胡健主編，劉玉賓、朱煥立等編著.單片機(jī)原理及接口技術(shù).北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.10