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學(xué)生開題報告表
課題名稱
X-Y數(shù)控工作臺及其控制系統(tǒng)設(shè)計
課題來源
教學(xué)資源
課題類型
機械設(shè)計
導(dǎo) 師
李明達
學(xué)生姓名
孫再富
學(xué) 號
20060201179
專 業(yè)
機械設(shè)計制造及其自動化
開題報告內(nèi)容：（調(diào)研資料的準(zhǔn)備，設(shè)計目的、要求、思路與預(yù)期成果；任務(wù)完成的階段內(nèi)容及時間安排；完成設(shè)計（論文）所具備的條件因素等。）
一設(shè)計目的： 數(shù)控機床課程設(shè)計是機電一體化專業(yè)教學(xué)中的一個重要的實踐環(huán)節(jié)，學(xué)生學(xué)完技術(shù)基礎(chǔ)課和專業(yè)課，特別是“數(shù)控技術(shù)及應(yīng)用”課程后應(yīng)用的，它是培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實際、解決實際問題能力的重要步驟。本課程設(shè)計是以機電一體化的典型課題---數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計方案的擬定為主線，通過對數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計總體方案的擬定、進給伺服系統(tǒng)機械部分設(shè)計，計算以及控制系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計，使學(xué)生能夠綜合應(yīng)用所學(xué)過的機械、電子和微機方面的知識，進行一次機電結(jié)合的全方面訓(xùn)練，從而培養(yǎng)學(xué)生具有初步設(shè)計計算的能力以及分析和處理生產(chǎn)過程中所遇到的問題的能力。
二設(shè)計要求：課程設(shè)計是機床數(shù)控系統(tǒng)課程的十分重要實踐環(huán)節(jié)之一。通過課程設(shè)計可以初步樹立正確的設(shè)計思想，了解有關(guān)的工業(yè)政策，學(xué)會運用手冊、標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范等資料；培養(yǎng)學(xué)生分析問題解決問題的實際能力，并在教師的指導(dǎo)下，系統(tǒng)地運用課程和選修課程的知識，獨立完成規(guī)定的設(shè)計任務(wù)。
課程設(shè)計的內(nèi)容是改造設(shè)備，實現(xiàn)以下幾部分內(nèi)容的設(shè)計訓(xùn)練。如精密執(zhí)行機構(gòu)（或裝置）的設(shè)計、計算機I/O接口設(shè)計和驅(qū)動電路以及數(shù)控化電氣原理設(shè)計等。
三資料準(zhǔn)備：設(shè)計一個數(shù)控X-Y工作臺及其控制系統(tǒng)。該工作臺可安裝在銑床上，用于銑削加工。具體參數(shù)如下：
系統(tǒng)分辨率為0.01mm，加工材料為碳鋼, 工作臺加工范圍(mm)X500.Y450, 最大移動速度2m/s,工作壽命15000h. 四該課程設(shè)計的內(nèi)容及方法，可以歸納如下：
1.采用微型計算機（包括PLC）進行數(shù)據(jù)處理、采集和控制。主要考慮計算機的選擇或單片機構(gòu)成電路的選用、接口電路、軟件編制等。
2.選用驅(qū)動控制電路，對執(zhí)行機構(gòu)進行控制。主要考慮計算機的選擇或PLC構(gòu)成電路的選用，考慮電機選擇及驅(qū)動力矩的計算，控制電機電路的設(shè)計。
3.精密執(zhí)行機構(gòu)的設(shè)計。主要是考慮數(shù)控機床工作臺傳動裝置的設(shè)計問題：要弄清機構(gòu)或機械執(zhí)行元件的主要功能（傳動運動、動力、位置裝置、微調(diào)、精密定位或高速運轉(zhuǎn)等），進行力矩、負載功率、慣性（轉(zhuǎn)動慣量）、加（減）速控制和誤差計算。
4.學(xué)會使用手冊及圖表資料。
五階段安排：
1.3.12-3.18查閱相關(guān)資料，熟悉X-Y數(shù)控工作臺設(shè)計的原理及設(shè)計過程，根據(jù)調(diào)研資料確定設(shè)計思路、目的，并填寫開題報告表。
2. 3.18-3.26 查閱相關(guān)資料，X-Y數(shù)控工作臺的基本結(jié)構(gòu)、運動方式、控制要求；知道普通工作臺與數(shù)控工作臺的區(qū)別。
3. 3.26-4.2查閱相關(guān)資料，了解數(shù)控化的必要性、主要優(yōu)點、設(shè)計步驟，預(yù)確定此機床的數(shù)控控制總方案，讓老師審核后最終確定。
4. 4.2-4.10基本數(shù)據(jù)的準(zhǔn)備，擬定X-Y數(shù)控工作臺及其控制系統(tǒng)設(shè)計方案，并選出可行的幾種方案，基本方案的比較和選擇，與老師討論后確定。
5. 4.10-4.16基本數(shù)據(jù)的準(zhǔn)備，確定原始數(shù)據(jù)。
6. 4.16-4.30機械部分計算、選型及相關(guān)圖紙的繪制，滾珠絲杠的選用，齒輪傳動比的計算，傳動軸的計算，進給系統(tǒng)的設(shè)計。
7. 4.31-5.10控制電路伺服部分的設(shè)計及相關(guān)圖紙的繪制，數(shù)控CNC裝置的選型。
8. 5.10-5.17編寫畢業(yè)設(shè)計論文，指導(dǎo)教師評閱，對自己的設(shè)計進行改錯。
9. 5.17號以后準(zhǔn)備畢業(yè)答辯。
具備因素：1.按照老師要求查到相關(guān)資料，熟悉了相關(guān)設(shè)計過程。
2.有老師指導(dǎo)我做設(shè)計。
指導(dǎo)教師簽名： 日期：
課題類型：A、工程設(shè)計，B、工程技術(shù)研究，C、軟件開發(fā)，D、機械設(shè)計，E、實驗研究，
F、理論研究，G、其它
……本科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文）
摘 要
本文旨在設(shè)計一臺簡單、經(jīng)濟型的X-Y數(shù)控工作臺。一般來說，X-Y數(shù)控工作臺的機電系統(tǒng)設(shè)計都是通過開環(huán)控制系統(tǒng)實現(xiàn)的，所以其結(jié)構(gòu)簡單，實現(xiàn)方便而且能夠保證一定的精度，降低了設(shè)計制造過程中的成本，因此可以說X-Y數(shù)控工作臺是微機控制技術(shù)中最常見的應(yīng)用。
本文設(shè)計的X-Y數(shù)控工作臺充分地利用了可編程序控制技術(shù)來實現(xiàn)對機床的控制，在擴大了其加工范圍的同時，精度和可靠性也得到了進一步的提高。該設(shè)計完全圍繞數(shù)控機床工作原理而展開，充分體現(xiàn)了數(shù)控機床機械設(shè)備與電氣設(shè)備部分的緊密結(jié)合。主要設(shè)計內(nèi)容包括總體方案的設(shè)計；步進電機的選用；傳動裝置的設(shè)計；絲杠螺母副的設(shè)計；滾動導(dǎo)軌的選用和電氣控制部分的設(shè)計。本設(shè)計的經(jīng)濟型數(shù)控工作臺采用開環(huán)系統(tǒng)，機械傳動部分采用步進電機通過同步帶一級減速傳動，減速器輸出軸連接到滾珠絲杠上，絲杠上的絲杠螺母副帶動工作臺實現(xiàn)X-Y方向進給。
關(guān)鍵詞：X-Y數(shù)控工作臺，可編程序控制技術(shù)，機械傳動部件，控制系統(tǒng)
Abstract
This design is the design with a simple and economical CNC of x-y tables. X-y tables CNC machinery system design is an open-loop control system. Its simple structure, convenient and can ensure the precision of certain, reduced cost, is the most simple of microcomputer control technology of application.
It fully utilize the PLC to realize the control of machine tools, expanding the scope of machining accuracy and reliability, and further improved. Design task is complete on nc machine tools and working principle of the design, fully embodies the CNC machinery and electrical equipment parts. X-Y tables include overall scheme design of CNC design, selection of stepping motor driving device, the design, the design of ball screw nut pair, the selection and design of electric controlling part. The design of the economical nc workbench precision request is not high, the open loop system. Mechanical transmission through adopting step-motor synchronous belt transmission, connect to slow level on the ball screw, thus the driver.
Keywords: X-Y tables, PLC, transmission machinery parts and control system
目 錄
摘 要 I
Abstract II
1緒 論 1
1.1 X-Y數(shù)控工作臺研究背景 1
1.2 X-Y數(shù)控工作臺研究意義 1
1.3 X-Y數(shù)控工作臺的現(xiàn)狀與發(fā)展 2
2 X-Y數(shù)控工作臺總體方案確定 4
2.1 傳動系統(tǒng)方案的確定 4
2.2 控制電機的確定 5
2.3 控制系統(tǒng)方案的確定 7
2.4 其他零部件的選擇 8
3 X-Y數(shù)控工作臺機械系統(tǒng)設(shè)計 10
3.1 X-Y數(shù)控工作臺的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計 10
3.2 主要設(shè)計參數(shù)及其依據(jù) 11
3.3 工作載荷分析及計算 11
3.4 直線滾動導(dǎo)軌副的計算與選型 12
3.5 滾珠絲杠螺母副的選型和校核 14
3.6 同步帶輪傳動的設(shè)計和計算 17
3.7 驅(qū)動電機的選擇 19
3.8 其它零部件的確定 23
4 控制系統(tǒng)的設(shè)計 27
4.1 PLC的組成與工作原理 27
4.2 PLC的選型 29
4.3 PLC 控制步進電機的梯形圖程序設(shè)計 30
4.4 程序的分析與比較 36
總 結(jié) 38
致 謝 39
參考文獻 40
附錄一 英語論文 41
附錄二 漢語翻譯 46
50
1 緒 論
1.1 X-Y數(shù)控工作臺研究背景
現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，極大地推動了不同學(xué)科的交叉與滲透，導(dǎo)致了工程領(lǐng)域的技術(shù)革命與改造。在機械工程領(lǐng)域，由于微電子技術(shù)和計算機技術(shù)的迅速發(fā)展,及其向機械工業(yè)的滲透,而形成的機電一體化，使機械工業(yè)的技術(shù)結(jié)構(gòu)、產(chǎn)品機構(gòu)、功能與構(gòu)成、生產(chǎn)方式及管理體系發(fā)生了巨大變化，使工業(yè)生產(chǎn)由“機械電氣化”邁入了以“機電一體化”為特征的發(fā)展階段。
隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進步和社會生產(chǎn)的不斷發(fā)展，人們對機械產(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)率提出了越來越高的要求，而機械加工過程的自動化是實現(xiàn)上述要求的有效途徑。
從工業(yè)化革命以來，人們實現(xiàn)機械加工自動化的主要手段有：1.自動機床；2.組合機床；3.專用自動生產(chǎn)線。
這些設(shè)備的使用大大提高了機械加工自動化的程度，提高了勞動生產(chǎn)率，促進了制造業(yè)的發(fā)展。但它也存在固有的缺點，如：1.初始投資大；2.準(zhǔn)備周期長；3.柔性差。
因此，上述方法僅適用于批量較大的零件生產(chǎn)。然而，隨著市場競爭的日趨激烈，產(chǎn)品更新?lián)Q代周期縮短，小批量產(chǎn)品的生產(chǎn)所占的比重越來越大，約占總加工量的80％以上。在航空、航天、重型機床以及國防工業(yè)部門尤為突出。因此，迫切需要一種精度高，柔性好的加工設(shè)備來滿足上述需求，這是機床數(shù)控技術(shù)產(chǎn)生和發(fā)展的內(nèi)在動力。另一方面，電子技術(shù)和計算機技術(shù)的飛速發(fā)展則為NC 機床的發(fā)展提供了堅實的技術(shù)基礎(chǔ)。數(shù)控工作臺正是在這種背景下誕生和發(fā)展起來的，它極其有效地滿足了上述要求，為小批量、精密復(fù)雜的零件生產(chǎn)提供了自動化加工手段。
1.2 X-Y數(shù)控工作臺研究意義
數(shù)控技術(shù)可以說是先進制造技術(shù)的基本，體現(xiàn)著數(shù)控技術(shù)的數(shù)控機床成為制造業(yè)關(guān)注的焦點。微機控制的數(shù)控機床、數(shù)控加工中心的高精度、高度柔性化及適合加工復(fù)雜零件的性能，正好滿足當(dāng)今市場競爭和工藝發(fā)展的需要。可以說，微機數(shù)字控制技術(shù)的應(yīng)用是機械制造行業(yè)現(xiàn)代化的標(biāo)志，在很大程度上決定了企業(yè)在市場競爭中的成敗。
裝備工業(yè)的技術(shù)水平和現(xiàn)代化程度決定著整個國民經(jīng)濟的水品和現(xiàn)代化程度，數(shù)控技術(shù)及裝備是發(fā)展新型高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)和尖端工業(yè)的使能技術(shù)和最基本的裝備，又是當(dāng)今先進制造技術(shù)和裝備最核心的技術(shù)。數(shù)控技術(shù)是使用數(shù)字信息對機械運動和工作過程進行控制的技術(shù)，而數(shù)控裝備是以數(shù)控技術(shù)為代表的新技術(shù)對傳統(tǒng)制造產(chǎn)業(yè)和新興制造業(yè)的滲透形成的機電一體化產(chǎn)品，其技術(shù)范圍覆蓋很多領(lǐng)域。
X-Y數(shù)控工作臺是一個開環(huán)控制系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)簡單，實現(xiàn)方便，而且能夠保證一定的精度、降低成本，是微機控制技術(shù)的最簡單的應(yīng)用。它充分的利用了危機的軟件硬件功能以實現(xiàn)對機床的控制，使機床的加工范圍擴大，精度和可靠性進一步得到提高。數(shù)控精密工作臺采用滾珠直線導(dǎo)軌副為導(dǎo)向支承，滾珠絲杠副為運動執(zhí)行元件的結(jié)構(gòu)，具有精度高、效率高、壽命長、磨損小、節(jié)能低耗、磨擦系數(shù)小、結(jié)構(gòu)緊湊、通用性強等特點。目前已廣泛應(yīng)用于測量、激光焊接、激光切割，涂膠、打孔，插件、小型數(shù)控機床、射線掃描、雕銑機及實用教學(xué)等場合。
X-Y數(shù)控工作臺是許多機電一體化設(shè)備的基本部件，如數(shù)控車床的縱—橫向進刀機構(gòu)、數(shù)控銑床和數(shù)控鉆床的X-Y工作臺、激光加工設(shè)備的工作臺、電子元件表面貼裝設(shè)備等。模塊化的X-Y數(shù)控工作臺，通常由導(dǎo)軌座、移動滑塊、工作臺、滾珠絲杠螺母副，以及伺服電動機等部件構(gòu)成。其中伺服電動機做執(zhí)行元件用來驅(qū)動滾珠絲杠，滾珠絲杠螺母帶動滑塊和工作平臺在導(dǎo)軌上運動，完成工作臺在X、Y方向的直線移動。導(dǎo)軌副、滾珠絲杠螺母副和伺服電動機等均以標(biāo)準(zhǔn)化，由專門廠家生產(chǎn)，設(shè)計時只需根據(jù)工作載荷選取即可?？刂葡到y(tǒng)根據(jù)需要，可以選取用標(biāo)準(zhǔn)的工作控制計算機，也可以設(shè)計專用的微機控制系統(tǒng)。
1.3 X-Y數(shù)控工作臺的現(xiàn)狀與發(fā)展
我國數(shù)控機床產(chǎn)量持續(xù)高速增長，根據(jù)市場需求和技術(shù)發(fā)展趨勢，應(yīng)重點推進高效、精密為核心的數(shù)控機床“μm”級工程，加強發(fā)展高性能、高可靠性數(shù)控功能部件，積極開展復(fù)合加工機床、超精密數(shù)控機床和可重構(gòu)制造系統(tǒng)的工程化研究等相應(yīng)的關(guān)鍵技術(shù)。
數(shù)控機床及由數(shù)控機床組成的柔性化制造系統(tǒng)是改造傳統(tǒng)機械加工裝備產(chǎn)業(yè)、構(gòu)建數(shù)字化企業(yè)的重要基礎(chǔ)，它的發(fā)展一直備受人們關(guān)注。數(shù)控機床以其卓越的柔性自動化的性能、優(yōu)異而穩(wěn)定的精度、靈捷而多樣化的功能引起世人矚目。它開創(chuàng)了機械產(chǎn)品向機電一體化發(fā)展的先河，因此數(shù)控技術(shù)成為先進制造技術(shù)中的一項核心技術(shù)。通過持續(xù)的開發(fā)研究以及對信息技術(shù)的深化應(yīng)用，促進了數(shù)控機床性能和質(zhì)量的進一步提升，使數(shù)控機床成為國民經(jīng)濟和國防建設(shè)發(fā)展的重要制造裝備。在我國對外開放進一步深化的新環(huán)境下，發(fā)展我國數(shù)控技術(shù)及裝備，提高我國制造業(yè)信息化水平和國際競爭能力尤為重要。
數(shù)控技術(shù)的發(fā)展趨勢：
數(shù)控技術(shù)的應(yīng)用不但給傳統(tǒng)制造業(yè)帶來了革命性的變化，使制造業(yè)成為工業(yè)化的象征，而且隨著數(shù)控技術(shù)的不斷發(fā)展和應(yīng)用領(lǐng)域的擴大，它對國計民生的一些重要行業(yè)，例如IT、汽車、輕工、醫(yī)療等的發(fā)展起著越來越重要的作用。從目前世界上數(shù)控技術(shù)及其裝備發(fā)展的趨勢來看，其主要研究熱點有以下幾個方面：（1）高速、高精加工技術(shù)及裝備的新趨勢；（2）5軸聯(lián)動對三維曲面零件的加工，可用刀具最佳幾何形狀進行切割，不僅光潔度高，而且效率也大幅度提高；（3）智能化、開放式、網(wǎng)絡(luò)化成為當(dāng)代數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展的主要趨勢；
對我國數(shù)控技術(shù)和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的戰(zhàn)略思考：（1）戰(zhàn)略考慮。我國是制造大國，在世界產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移中要盡量接受前端而不是后端的轉(zhuǎn)移，所以，我們應(yīng)站在國家安全戰(zhàn)略的高度來重視數(shù)控技術(shù)和產(chǎn)業(yè)問題。首先從社會安全看，因為制造業(yè)是我國就業(yè)人口最多的行業(yè)，制造業(yè)發(fā)展不僅可提高人民的生活水平，而且還可緩解我國就業(yè)的壓力，保障社會的穩(wěn)定；其次從國防安全看，西方發(fā)達國家把高精尖數(shù)控產(chǎn)品都列為國家的戰(zhàn)略物質(zhì)，對我國實現(xiàn)禁運和限制，“東芝事件”和“考克斯報告”都是最好的例證；（2）發(fā)展策略。從我國基本國情的角度出發(fā)，以國家的戰(zhàn)略需求和國民經(jīng)濟的市場需求為導(dǎo)向，以提高我國制造裝備業(yè)綜合競爭能力和產(chǎn)業(yè)化水平為目標(biāo)，用系統(tǒng)的方法，選擇能夠主導(dǎo)21世紀(jì)初期我國制造裝備業(yè)發(fā)展升級的關(guān)鍵技術(shù)以及支持產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的支撐技術(shù)、配套技術(shù)作為研究開發(fā)的內(nèi)容，實現(xiàn)制造裝備業(yè)的跨越式發(fā)展。強調(diào)市場需求為導(dǎo)向，即以數(shù)控終端產(chǎn)品為主，以整機如量大面廣的數(shù)控車床、銑床、高速高精高性能數(shù)控機床、曲型數(shù)字化機械、重點行業(yè)關(guān)鍵設(shè)備等帶動數(shù)控產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。重點解決數(shù)控系統(tǒng)和相關(guān)功能部件 數(shù)字化伺服系統(tǒng)與電機、高速電主軸系統(tǒng)和新型裝備的附件等 的可靠性和生產(chǎn)規(guī)模的問題。沒有規(guī)模就不會有高可靠性的產(chǎn)品；沒有規(guī)模就不會有價值低廉而富有競爭力的產(chǎn)品；當(dāng)然，沒有規(guī)模中國的數(shù)控裝備最終難有出頭之日。
2 X-Y數(shù)控工作臺總體方案確定
2.1 傳動系統(tǒng)方案的確定
主要的機械傳動裝置：鏈傳動、齒輪傳動、蝸桿傳動、帶傳動。
1 鏈傳動
鏈傳動的優(yōu)點： （1） 平均傳動比準(zhǔn)確，壓軸力小；
( 2) 效率較高；
( 3) 安裝精度要求較低，成本低；
（4） 適用于中心距較大的傳動。
鏈傳動的缺點： （1） 瞬時傳動比不恒定，瞬時鏈速不恒定；
（2） 傳動的平穩(wěn)性差，有噪音。
鏈傳動的應(yīng)用場合：用在轉(zhuǎn)速不高，兩軸中心距較大，要求平均傳動比準(zhǔn)確的場合。
2 齒輪傳動
齒輪傳動的優(yōu)點： （1） 工作可靠，壽命長；
（2） 傳動比恒定；
（3） 效率高；
（4） 結(jié)構(gòu)緊湊；
（5） 適用性廣。
齒輪傳動的缺點： （1） 制造及安裝精度要求高；
（2） 價格較貴，不宜用于傳動距離過大的場合；
( 3 ) 易產(chǎn)生低頻振蕩。
3 蝸桿傳動
蝸桿傳動的優(yōu)點： （1） 能實現(xiàn)大的傳動比；
（2） 沖擊載荷小，傳動平穩(wěn)，噪聲低；
（3） 具有自鎖性。
蝸桿傳動的缺點：摩擦損失較大，效率低，工作時發(fā)熱量大。
4 帶傳動
帶傳動的優(yōu)點： （1） 適用于中心距較大的傳動；
（2） 結(jié)構(gòu)簡單，成本低；
（3） 帶有彈性，能緩沖減震，運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，噪音??；
（4） 傳動過載時，帶與帶輪打滑，保護其他零件。
綜上所述，本設(shè)計要實現(xiàn)精確的傳動，那么選擇帶中的同步齒形帶。同步齒形帶傳動是一種新型的帶傳動。它利用齒形帶的齒形與帶輪的輪齒依次嚙合傳遞運動和動力，因而兼有帶傳動、齒輪傳動及鏈傳動的優(yōu)點，且無相對滑動，平均傳動比較準(zhǔn)確，傳動精度高，而且齒形帶的強度高、厚度小、重量輕，故可用于該設(shè)計的傳動。齒形帶無需特別張緊，故作用在軸和軸承上的載荷小，傳動效率也高。
2.2 控制電機的確定
主要的伺服電動機有：直流伺服電動機、交流伺服電動機、步進電動機
2.2.1 直流伺服電動機
直流伺服電動機是用直流的電信號控制的執(zhí)行元件，是將輸入的電壓控制信號轉(zhuǎn)換為電動機軸上的角位移或角速度進行輸出。它具有線性調(diào)速范圍寬、信號響應(yīng)迅速、堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩大、無控制電壓時立即停轉(zhuǎn)等特點，作為驅(qū)動元件被廣泛的應(yīng)用于閉環(huán)控制系統(tǒng)中。
直流伺服電機特性原則上與一般直流電機相同，但有很大的改進和變化，已不能簡單的用電壓、電流、轉(zhuǎn)矩等參數(shù)來描述，需用數(shù)據(jù)表和特性曲線來描述，使用時要查閱這些表和特性曲線。
直流伺服電機的缺點：它的電刷盒換向器易磨損；電機最高轉(zhuǎn)速受限制，應(yīng)用環(huán)境受限制；
結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造困難，成本高。
2.2.2 交流伺服電動機
交流伺服電動機特點： 1.控制精度高； 2.矩頻特性好； 3.具有過載能力； 4.加速性能好； 5.動態(tài)響應(yīng)好； 6 .輸出功率大。
交流伺服電機形式：1.同步型交流伺服電機：可方便的獲得與頻率成正比的可變速度，可以得到非常硬的機械特性和很寬的調(diào)速范圍，在電源電壓和頻度固定時，它的轉(zhuǎn)速是穩(wěn)定不變的。主要用在進給驅(qū)動系統(tǒng)中。2.異步型交流感應(yīng)伺服電機：結(jié)構(gòu)簡單，制造容量大，主要用在主軸驅(qū)動系統(tǒng)中。缺點是不能經(jīng)濟地實現(xiàn)范圍很廣的平滑調(diào)速，必須從電網(wǎng)吸收滯后的勵磁電流，因而令電網(wǎng)功率因數(shù)變壞。
2.2.3 步進電動機
步進電機是一種離散運動的裝置，它和現(xiàn)代數(shù)字控制技術(shù)有著本質(zhì)的聯(lián)系。在目前國內(nèi)的數(shù)字控制系統(tǒng)中，步進電機的應(yīng)用十分廣泛。為了適應(yīng)數(shù)字控制的發(fā)展趨勢，運動控制系統(tǒng)中大多采用步進電機作為執(zhí)行電動機。
步進電機是將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件。在非超載的情況下，電機的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負載變化的影響，當(dāng)步進驅(qū)動器接收到一個脈沖信號，它就驅(qū)動步進電機按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度，稱為“步距角”，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運行的。可以通過控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達到準(zhǔn)確定位的目的；同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而達到調(diào)速的目的。由于脈沖信號數(shù)與步距角的線性關(guān)系，加上步進電機只有周期性的誤差而無累積誤差等特點，使得在速度、位置等控制領(lǐng)域用步進電機來控制變的非常的簡單。
步進電機是一種感應(yīng)電機，它的工作原理是利用電子電路，將直流電變成分時供電的，多相時序控制電流，用這種電流為步進電機供電，步進電機才能正常工作，驅(qū)動器就是為步進電機分時供電的、多相時序控制器 。
雖然步進電機已被廣泛地應(yīng)用，但步進電機并不能像普通的直流電機、交流電機在常規(guī)下使用。它必須由雙環(huán)形脈沖信號、功率驅(qū)動電路等組成控制系統(tǒng)方可使用。因此用好步進電機卻非易事，它涉及到機械、電機、電子及計算機等許多專業(yè)知識。
步進電機作為執(zhí)行元件，是機電一體化的關(guān)鍵產(chǎn)品之一, 廣泛應(yīng)用在各種自動化控制系統(tǒng)中。隨著微電子和計算機技術(shù)的發(fā)展，步進電機的需求量與日俱增，在各個國民經(jīng)濟領(lǐng)域都有應(yīng)用。
步進電機的優(yōu)點：
1．電機旋轉(zhuǎn)的角度正比于脈沖數(shù)；
2．電機停轉(zhuǎn)的時候具有最大的轉(zhuǎn)矩（當(dāng)繞組激磁時）；
3．由于每步的精度在3%-5%，而且不會將一步的誤差積累到下一步因而有較好的位置精度和運動的重復(fù)性；
4．優(yōu)秀的起停和反轉(zhuǎn)響應(yīng)；
5．由于沒有電刷，可靠性較高，因此電機的壽命僅僅取決于軸承的壽命；
6．電機的響應(yīng)僅由數(shù)字輸入脈沖確定，因而可以采用開環(huán)控制，這使得電機的結(jié)構(gòu)可以比較簡單，而且控制成本較低；
7．僅僅將負載直接連接到電機的轉(zhuǎn)軸上，也可以極低速的同步旋轉(zhuǎn)。
8．由于速度正比于脈沖頻率，因而有比較寬的轉(zhuǎn)速范圍。
步進電機的缺點：
1．如果控制不當(dāng)容易產(chǎn)生共振；
2．難以運轉(zhuǎn)到較高的轉(zhuǎn)速。
開環(huán)控制系統(tǒng)如圖2-1所示：
圖2-1 開環(huán)控制流程圖
步進電機最有意義的一個優(yōu)點就是在開環(huán)系統(tǒng)里可以實現(xiàn)精確的控制。開環(huán)控制意味著不需要關(guān)于（轉(zhuǎn)子）位置方面的反饋信息。這種控制避免了使用昂貴的傳感器以及象光學(xué)編碼器這樣的反饋設(shè)備，因為只需要跟蹤輸入的步進脈沖就可以知道你（轉(zhuǎn)子）的位置。
綜上所述，本設(shè)計中，原始參數(shù)中的脈沖當(dāng)量尚未達到0.001mm，定位精度也未達到微米級，空載最快移動速度也只有2000mm/min，故本設(shè)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。采用步進電機來實現(xiàn)驅(qū)動，一般情況下多采用開環(huán)控制。因為步進電機的輸出轉(zhuǎn)角與控制器提供的脈沖數(shù)有著正比關(guān)系，電機轉(zhuǎn)速與控制器提供的脈沖頻率成正比。因此通常在精確度要求不是很高時，采用步進電機是合理的。當(dāng)然，步進電機也具有高頻易失步，負載能力不強的缺點。
2.3 控制系統(tǒng)方案的確定
主要的控制器有：計算機、單片機和PLC。
2.3.1 計算機控制系統(tǒng)
計算機控制系統(tǒng)的應(yīng)用類型有數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、直接數(shù)字控制系統(tǒng)、監(jiān)督計算機控制系統(tǒng)、分級控制系統(tǒng)、現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)。
計算機控制系統(tǒng)通常具有精度高、速度快、存儲容量大和有邏輯判斷功能等特點，因此可以實現(xiàn)高級復(fù)雜的控制方法，獲得快速精密的控制效果。計算機技術(shù)的發(fā)展已使整個人類社會發(fā)生了可觀的變化，自然也應(yīng)用到工業(yè)生產(chǎn)和企業(yè)管理中。但價格較貴，
對環(huán)境要求高，抗干擾能力低。
2.3.2 單片機控制系統(tǒng)
單片機的特點： （1） 高集成度、高可靠性。 （2） 控制功能強。 （3） 低電壓、低功耗。 （4） 優(yōu)異的性能價格比。
單片機主要的應(yīng)用領(lǐng)域如下： （1） 在測控系統(tǒng)中的應(yīng)用。 （2） 在智能化儀器儀表中的應(yīng)用。 （3） 在機電一體化中的應(yīng)用 （4） 在人類生活中的應(yīng)用。 （5） 在智能接口中的應(yīng)用。
單片機在大容量高性能化、小容量低價格化、外圍電路的內(nèi)裝化方面還待發(fā)展。
單片機抗干擾能力中等，對環(huán)境要求高，性價比一般。
2.3.3 PLC控制系統(tǒng)
PLC的特點：a.高可靠性；b.采用模塊化結(jié)構(gòu)；c.編程簡單易學(xué)；d.安裝簡單，維修方便。
PLC不需要專門的機房，可以在各種工業(yè)環(huán)境下直接運行。使用時只需將現(xiàn)場的各種設(shè)備與PLC相應(yīng)的I/O端相連接，即可投入運行。
為了增強PLC的抗干擾能力，提高其可靠性，PLC的每個開關(guān)量輸入端都采用光電隔離等技術(shù)；
為了能實現(xiàn)繼電器控制線路的硬邏輯并行控制，PLC采用了不同于一般微型計算機的運行方式（掃描技術(shù)）。
PLC的功能：邏輯控制、定時控制、計數(shù)控制、步進(順序)控制、PID控制、數(shù)據(jù)控制（PLC具有數(shù)據(jù)處理能力）、通信和聯(lián)網(wǎng)。
PLC體積小、抗干擾能力強，對環(huán)境要求不高，可靠性高，靈活性好，性價比較好。
設(shè)計要求：a.本設(shè)計對系統(tǒng)內(nèi)存要求不高；b.系統(tǒng)處理的運算不需很復(fù)雜，CPU的計算速度要求不高；c.控制系統(tǒng)能適應(yīng)惡劣的工作環(huán)境；d.控制系統(tǒng)需有完善的監(jiān)視和診斷功能；e.操作方便、體積小、性價比高。
設(shè)計控制系統(tǒng)的硬件電路時主要考慮以下功能：（1）接收鍵盤數(shù)據(jù)，控制LED顯示；（2）接收操作面板的開關(guān)與按鈕信息；（3）接受銑床限位開關(guān)信號；（4）控制X，Y向步進電動機的驅(qū)動；（5）控制切削液泵啟動/停止；（6）與PC機的串行通信。
根據(jù)設(shè)計要求，通過對以上控制系統(tǒng)的比較，選擇PLC控制系統(tǒng)。PLC控制系統(tǒng)有以下優(yōu)點： （1）應(yīng)用靈活、擴展性好。 （2） 操作方便。 （3） 標(biāo)準(zhǔn)化的硬件和軟件設(shè)計、通用性強。 （4） 完善的監(jiān)視和診斷功能。 （5） 控制功能強。 （6） 可適應(yīng)惡劣的工業(yè)應(yīng)用環(huán)境。 （7） 體積小、重量輕、性價比高、省電。
2.4 其他零部件的選擇
2.4.1 導(dǎo)軌副的選用
按導(dǎo)軌結(jié)合面的摩檫性，導(dǎo)軌可分為滑動導(dǎo)軌、滾動導(dǎo)軌和靜壓導(dǎo)軌。
a.滑動導(dǎo)軌具有結(jié)構(gòu)簡單、制造方便、剛度好、抗震性高等優(yōu)點?；瑒訉?dǎo)軌分為普通滑動導(dǎo)軌和塑料滑動導(dǎo)軌。
普通滑動導(dǎo)軌是金屬與金屬的摩察，這類導(dǎo)軌的缺點是靜摩檫系數(shù)大，而且動摩檫系數(shù)隨速度變化而變化，摩檫損失大，低速時易出現(xiàn)爬行，從而會降低運動部件的定位精度，所以一般使用在普通機床上。
塑料滑動導(dǎo)軌是塑料與金屬的摩檫，其動、靜摩檫系數(shù)基本相同，具有良好的摩檫特性、耐磨性及吸振性，且無爬行，同時又具有生產(chǎn)成本低、應(yīng)用工藝簡單、經(jīng)濟效益顯著等特點。
b.靜壓導(dǎo)軌的滑動面之間開有油腔，一定壓力的油通過節(jié)流輸入油腔，形成壓力油膜，浮起運動部件，使導(dǎo)軌工作表面處于純液體摩檫，不產(chǎn)生磨損，精度保持性好；同時摩檫系數(shù)也極低，使驅(qū)動功率大大降低；低速無爬行，承載能力大，剛度好。此外，油液有吸振作用，抗振性好。其缺點是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，要有供油系統(tǒng)，油的清潔度要求高。靜壓導(dǎo)軌較多的應(yīng)用在大型、重型數(shù)控機床上。
c.滾動導(dǎo)軌是在導(dǎo)軌面之間放置滾珠、滾柱、滾針等滾動體，使導(dǎo)軌面之間的滑動摩檫變成為滾動摩檫，其優(yōu)點有 1）靈敏度高，且其動摩檫系數(shù)與靜摩檫系數(shù)相差甚微，因而運動平穩(wěn)，低速移動時不易出現(xiàn)爬行現(xiàn)象。 2）定位精度高，重復(fù)定位精度可達0.2um。 3）摩檫阻力小，移動輕便，磨損小，精度保持性好，壽命長。滾動導(dǎo)軌特別適用于機床的工作部件要求移動均勻、運動靈敏及定位精度高的場合。
綜上所述，要設(shè)計數(shù)控銑床工作臺，需要承受的載荷不大，脈沖當(dāng)量小，定位精度高，因此選用滾動導(dǎo)軌裝置中的直線滾動導(dǎo)軌副。它可做成獨立的標(biāo)準(zhǔn)部件，其特點有 1） 剛度高，承載能力大，便于拆裝，可直接裝在任意行程長度的運動部件上； 2） 具有自調(diào)整能力，安裝基面許用誤差大； 3） 制造精度高； 4） 可高速運行；5） 高精度保持性好； 6） 可預(yù)加負載，提高剛度。
2.4.2 絲杠螺母副的選用
伺服電動機的旋轉(zhuǎn)運動需要通過絲杠螺母副轉(zhuǎn)換成直線運動，需要滿足0.01mm脈沖當(dāng)量和mm的定位精度，滑動絲杠副不能滿足要求，只有選用滾珠絲杠副才能達到要求。滾珠絲杠副的傳動精度高、動態(tài)響應(yīng)快、運轉(zhuǎn)平穩(wěn)、壽命長、效率高、預(yù)緊后可消除反向間隙。
3 X-Y數(shù)控工作臺機械系統(tǒng)設(shè)計
3.1 X-Y數(shù)控工作臺的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計
進給傳動系統(tǒng)示意圖如圖3-1所示:
伺服電動機
工作臺
滾珠絲杠
圖3-1 傳動系統(tǒng)示意圖
如圖3-2所示為典型X-Y工作臺。
圖3-2 X-Y工作臺
考慮到X、Y兩個方向的加工范圍接近，承受的工作載荷相差不大，為了減少設(shè)計工作量，X、Y兩個坐標(biāo)的導(dǎo)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 主要設(shè)計參數(shù)及其依據(jù)
X、Y方向的脈沖當(dāng)量為0.01mm；
X、Y方向的定位精度均為mm；
加工范圍為X500.Y450㎜；
工作荷載 2000N；
工作壽命 15000h；
時間常數(shù)T=30ms；
快速進給速度
3.3 工作載荷分析及計算
3.3.1 銑削力的分析與計算
銑削運動的特征是主運動為銑刀繞自身軸線高速回轉(zhuǎn)，進給運動為工作臺帶動工件在垂直于銑刀軸線方向緩慢進給（鍵槽銑刀可沿軸線進給）。銑刀的類型很多，但以圓柱銑刀和端銑刀為基本形式。圓柱銑刀和端銑刀的切削部分都可看做車刀刀頭的演變，銑刀的每一刀齒相當(dāng)于一把車刀。
通常假定銑削時銑刀受到的銑削力是作用在刀尖的某點上。設(shè)刀齒上受到切削力的合力為F，將F沿銑刀軸線、徑向和切向進行分解，則分別為軸向銑削力 ，徑向銑削力 和切向銑削力 。其中切向銑削力 是沿銑刀主運動方向的分力，它消耗銑床電機功率（即銑削功率）最多。
參考[1]《數(shù)控機床與編程》選銑刀。根據(jù)最大銑刀直徑d＝32mm，最大銑削寬度，最大銑削深度選擇莫氏錐柄立銑刀，立銑刀各參數(shù)如表3.1所示：
表3.1 立銑刀各參數(shù)
直徑范 圍
齒數(shù)
粗齒
中齒
細齒
6-36
3
4
5
根據(jù)工件材料為碳鋼可確定銑削力的計算公式3-1：
（3-1）
式中各參數(shù)如下:
———銑削力系數(shù)，CFz=68.2；
———最大銑削寬度，本設(shè)計為16mm；
———最大銑削深度，本設(shè)計為6mm；
Z ———銑刀齒數(shù)，齒數(shù)取5；
———圓柱銑刀直徑，查得d0=32mm(《機械制造技術(shù)基礎(chǔ)課程設(shè)計指導(dǎo)教程》)；
———每齒進給量（mm/齒），即銑刀每轉(zhuǎn)一個齒間角時，工件與銑刀的相對移動量，查得=0.1mm/齒（[3]《機電一體化系統(tǒng)設(shè)計》）；
故
=2107.12N
3.3.2 進給工作臺工作載荷計算
作用在工作臺上的合力與銑刀刀齒上受到的銑削力的合力F大小相同，方向相反，合力就是設(shè)計和校核工作臺進給系統(tǒng)時要考慮的工作載荷，它可以沿著銑床工作臺運動方向分解為三個力：工作臺縱向進給方向載荷，工作臺橫向進給方向載荷和工作臺垂直進給方向載荷。
工作臺工作載荷、和與銑刀的切向銑削力之間有一定的經(jīng)驗比值[4]。因此，求出后，即可計算出工作臺的計算載荷、和。
3.4 直線滾動導(dǎo)軌副的計算與選型
根據(jù)給定的工作荷載和估算的和計算導(dǎo)軌的靜安全系數(shù)
（3-2）
式中， 為導(dǎo)軌的基本靜額定荷載 KN；
工作載荷
（3-3）
根據(jù)計算結(jié)果查有關(guān)資料初選導(dǎo)軌：
因系統(tǒng)受到中等沖擊，所以??；
（3-4）
（3-5）
==0.5(2000+936)=1468N
=1368N
==41468=5872N
=5472N
根據(jù)計算額定靜荷載初選導(dǎo)軌：
選擇HJG-A系列滾動直線導(dǎo)軌，其型號為：HJG-DA45A，如圖3-2所示：
圖3-2 滾動直線導(dǎo)軌副
其參數(shù)如表3.2、表3.3：
表3.2 滾動直線導(dǎo)軌副的參數(shù)
額定載荷/N
靜態(tài)力矩/N*M
滑塊
導(dǎo)軌
導(dǎo)軌長度
動載荷
靜載荷
L(mm)
5500
8770
114.8
114.8
191.9
3
11.0
700
表3.3 滾動直線導(dǎo)軌副的參數(shù)
滑座個數(shù)
單向行程長度
每分鐘往復(fù)次數(shù)
2
0.6
4
導(dǎo)軌的額定動載荷
3.5 滾珠絲杠螺母副的選型和校核
3.5.1 滾珠絲杠螺母副類型選擇
選用外循環(huán)，墊片式預(yù)緊方式的滾珠絲杠螺母副。預(yù)選G.GD系列的3206-2.5絲杠，表面硬度58~64HRC。如圖3-3所示：
圖3-3滾珠絲杠螺母副
其參數(shù)具體如表3.4：
表3.4滾珠絲杠螺母副的參數(shù)
規(guī)格
代號
公稱直徑
公稱導(dǎo)程
滾珠直徑
螺旋升角
循環(huán)圈數(shù)
額定動載荷
額定靜載荷
接觸剛度
3206-2.5
32
6
3.175
2.5
10.689
29.911
915
3.5.2 滾珠絲杠螺母副的校核
最大工作載荷：
滾珠絲杠上的工作載荷 是指滾珠絲杠副在驅(qū)動工作臺時滾珠絲杠所承受的軸向力，也叫進給牽引力。它包括滾珠絲杠的走刀抗力及與移動體重力和作用在導(dǎo)軌上的其他切削分力相關(guān)的摩擦力。
工作載荷的計算公式：
(3-6)
式中K———考慮顛覆力矩影響的實驗系數(shù)，矩形導(dǎo)軌K=1.15;
———滾動導(dǎo)軌摩擦系數(shù)0.0025～0.005，這里取0.004；
———移動部件的重力（N）；
———工作臺縱向進給方向載荷；
Fc ———工作臺橫向進給方向載荷；
Fv ———工作臺垂直進給方向載荷；
Fm=1.15×2107.12＋0.004×（842.85＋209.8）
=2427.34N
3.5.3 最大動負載C的計算及主要尺寸初選
滾動絲杠最大動載荷C可用下式計算：
（3-7）
式中：L為工作壽命，單位為，
（3-8）
n為絲杠轉(zhuǎn)速，； t為額定使用壽命（h），可取t=15000h；為運轉(zhuǎn)狀態(tài)系數(shù)，無沖擊取1~1.2，一般情況取1.2~1.5，有沖擊振動取1.5~2.5；為滾珠絲杠工作載荷（N）。
初選滾珠絲杠副的尺寸規(guī)格，相應(yīng)的額定動載荷不得小于最大動載荷C；。
L0———滾珠絲杠導(dǎo)程，初選L0=6mm；
v———最大切削力下的進給速度
af———每齒進給量（mm/齒）af=0.07mm/齒
Z———銑刀齒數(shù)，Z=4
n———銑刀轉(zhuǎn)速，區(qū)別與以上絲杠轉(zhuǎn)速n，取為600r/min
v=0.07×4×600=168 r/min
n==(1000×168)/6=28000
=×1.1×2427.34N =78.28kN
因為，所以所選滾珠絲杠螺母副符合最大動載荷要求。
傳動效率計算：
滾珠絲杠螺母副的傳動效率為
（3-9）
剛度驗算：
滾珠絲杠計算滿載時拉壓變形量
（3-10）
其中L取540mm，，
滾珠與螺紋滾道間的接觸變形
（3-11）
其中： ，，
，
，
滾珠絲杠副剛度驗算：
絲杠的總變形量應(yīng)小于允許的變形量。一般不應(yīng)大于機床進給系統(tǒng)規(guī)定的定位精度值的一半?；蛘?，由絲杠精度等級查出規(guī)定長度上允許的螺距誤差，則相應(yīng)長度上的變形量應(yīng)該比它小。否則，應(yīng)考慮選用較大公稱直徑的滾珠絲杠。
機床的定位精度為：0.01mm，
。
因此所選的滾珠絲杠副剛度符合要求。
壓桿穩(wěn)定性驗算：
滾珠絲杠通常屬于受軸向力的細長桿，若軸向工作負載過大，將使絲杠失去穩(wěn)定而產(chǎn)生縱向屈曲，即失去穩(wěn)定。失穩(wěn)時的載荷為：
（3-12）
其中，（絲杠承載方式系數(shù)，選用一端固定，一端浮動方式），I為截面慣量距，
臨界載荷與絲杠工作載荷之比稱為穩(wěn)定性安全系數(shù)，如果大于需用穩(wěn)定安全系數(shù)，則該滾珠絲杠就不會失穩(wěn)。因此，滾珠絲杠的壓桿穩(wěn)定條件為：
=2.5~4 （3-13）
因此，所選滾珠絲杠符合穩(wěn)定性要求。
3.5.4 滾珠絲杠副的精度等級
滾珠絲杠副的精度，[9]按國標(biāo)GB/T 17587.3-1998,分為七個等級，即1、2、3、4、5、7、10級,1級精度最高，依次降低。立式銑床的工作精度：不平度0.04/300，平行度0.04/300，垂直度0.04/300（毫米/毫米長度），表面粗糙度2.5。選用4級精度的滾珠絲杠。滾珠絲杠的行程公差如表3.5所示：
表3.5 滾珠絲杠的行程公差
項目
符號
有效行程（mm）
精度等級4
目標(biāo)行程差
500
15
450
12
行程變動差
490
13
440
12
任意300mm內(nèi)行程變量
16
弧度內(nèi)行程變動量
7
3.6 同步帶輪傳動的設(shè)計和計算
同步帶傳動示意圖如圖3-4所示：
圖3-4 同步帶傳動
3.6.1 確定梯形齒同步帶輪的基本參數(shù)[10]
（1）確定設(shè)計功率
設(shè)計功率·P
其中為載荷修正系數(shù)
根據(jù)已知工作條件查表取,
則＝·P＝2×0.105=0.21KW
（2）選擇帶形和節(jié)距
根據(jù)=0.21KW查表確定為L型，節(jié)距＝9.525mm
（3）傳動比的選擇
帶傳動是一種最常見的機械傳動形式，它主要用于傳遞轉(zhuǎn)矩和改變轉(zhuǎn)速。大部分帶傳動是依靠擾性傳動與帶輪間的摩擦力來傳遞運動和動力的，銑床方面的傳動還有電機直連式，在此選擇了帶傳動的方式，帶傳動簡單，而且效率高，選擇的傳動比=2
（4）小帶輪齒數(shù)
根據(jù)帶型XL和小帶輪的轉(zhuǎn)速，由表查得小帶輪的最小齒數(shù)=12，此處取=12，則大帶輪的齒數(shù)==24
（5）小帶輪的節(jié)圓直徑,
（3-14）
查表得其外徑=-2δ=36.40-0.762=35.638 其中2δ為節(jié)根距
（6）大帶輪節(jié)圓直徑
（3-15）
查表得其外徑=72.80—0.762=72.038
（7）帶傳動速度
（3-16）
3.6.2 確定帶輪的中心距
（1）初定軸間距
查機械設(shè)計手冊得 0.7
同時根據(jù)對銑床產(chǎn)品的測繪和設(shè)計經(jīng)驗初定=100mm
（2）帶長及其齒數(shù)的確定
（3-17）
=200＋171.365＋3.310
=374.675mm
查表應(yīng)選用帶長代號為150的L型同步帶，其節(jié)線長度=381.00mm，節(jié)線長上的齒數(shù)=40
（3）實際軸間距，所設(shè)計的結(jié)構(gòu)的軸間距可調(diào)整
（3-18）
3.6.3 確定帶輪的尺寸
（1）小帶輪嚙合齒數(shù)的確定
（3-19）
（2）帶寬
（3-20）
其中：—帶的基本寬度由表3.6查得：
表3.6 帶的基本寬度
帶型
ＸＬ
Ｌ
H
bs0/mm
9.5
25.4
76.2
當(dāng)6時=1，當(dāng)=5時=0.8，當(dāng)=4時=0.4，此處取=0.8
則
（3-21）
至此X向帶輪的設(shè)計已經(jīng)完成，根據(jù)上面的計算數(shù)據(jù)，取標(biāo)準(zhǔn)寬度帶號為075的L型帶，其帶寬=19.1，則帶輪的寬度=23.3。
Y向帶輪也取標(biāo)準(zhǔn)帶寬代號為075的L型帶。
3.7 驅(qū)動電機的選擇
縱向步進電機的選擇計算
（1）計算工作臺、絲杠、以及帶輪折算到電機軸上的慣量
根據(jù)《機電一體化系統(tǒng)設(shè)計》所提供的計算公式[11]：
=+/ （3-22）
式中：
--------折算到電機軸的慣量（Kg.cm2）
、----大小帶輪的慣量（）
----絲杠的慣量（）
---縱向工作臺及夾具重量（N）為2156N
P---絲杠螺距（cm），P=6mm
帶輪及絲杠轉(zhuǎn)動慣量的計算：由于有些傳動件（帶輪、絲杠等）的轉(zhuǎn)動慣量不易精確計算，可將其等效成圓柱體來計算。
圓柱體的轉(zhuǎn)動慣量可依據(jù)公式：
J= （3-23）
式中：ρ材料密度（Kg/），對鋼取為7.8X Kg/；
d圓柱體直徑（cm）（對于帶輪、絲杠等就是等效直徑）；
圓柱體長度（cm）（對于帶輪絲杠等就是其等效齒寬或長度）。
則
J1==0.04803
J2==0.00288
JS==0.0527
則可算得：
=+/
=0.564 （3-24）
（2）慣量匹配驗算
由[12] 《機電傳動控制》初選二相混合式步進電機86BYG350AH-0201。
其示意圖如圖3-5所示：
圖3-5混合式步進電動機
其轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量： =1.32
轉(zhuǎn)動系統(tǒng)與步進電機的慣量匹配條件：
0.25＜＜1 （3-25）
而0.25＜=0.427＜1 所以慣量是匹配的。
（3）負載轉(zhuǎn)矩計算及最大靜轉(zhuǎn)矩選擇
計算快速空載啟動時所需力矩，依據(jù)公式：
=++ （3-26）
式中：
：為快速空載啟動力矩（N.CM）；
：空載啟動時折算到電動機軸上的最大加速力矩（N.CM）；
：折算到電機軸上的摩擦力矩（N.CM）；
：由于絲杠預(yù)緊時折算到電機軸上的附加摩擦力矩（N.CM）。
又：
=xε （3-27）
式中：：為慣量和；
=+=1.884 N.CM；
ε—為電機最大角加速度（rad/）；
又ε=
其中：= =521r/min，則ε=21.8 rad/
故=xε=138N.CM
又因為
= （3-28）
式中：--導(dǎo)軌的摩擦力（N）；
--傳動鏈效率，一般可取0.7—0.85先取為0.85；
又=
又：垂直方向的切削力（N）842.85N；
f導(dǎo)軌摩擦系數(shù)，f=0.04；
縱向工作臺及夾具質(zhì)量（N）為2156N
則： =119.954N
故： ==6.741N.CM
又：
= （3-29）
式中：
--滾珠絲杠的預(yù)加載荷，
--滾珠絲杠預(yù)緊時的傳動效率為95%
故
==0.37N.CM
=++=145.11N.CM
（4）快速進給時所需力矩
依據(jù)公式
=+=6.741+0.37=7.111N.CM （3-30）
（5）最大切削負載時所需力矩
=++ （3-31）
式中：
--折算到電機軸上的切削負載力矩
又：
= （3-32）
式中
進給方向最大切削力（N）為210.712N
==118.422N.CM；
=++=125.533N.CM
最大靜轉(zhuǎn)矩選擇：
依據(jù)文獻[14]《機械設(shè)計基礎(chǔ)課程設(shè)計》上有：
1）對于在最大切削力下工作時所需要電機最大靜轉(zhuǎn)矩=/0.5=251.07N.CM
2）對于空載啟動時所需要的電機最大靜轉(zhuǎn)矩為：=/0.951=152.59N.CM
由以上可知以計算的恒大于，所以就以作為選取步進電機最大靜轉(zhuǎn)矩的依據(jù)。而初選的步進電機為86BYG350AH-0201，他的最大靜轉(zhuǎn)矩為300N.CM＞
所以初選的步進電機型號符合要求。
由于Y方向與X方向的要求相差不多，可以選用同樣的絲杠，導(dǎo)軌，電機經(jīng)過以上計算，選用的部件如表3.7：
表3.7 本設(shè)計選用的部件
滾珠絲杠螺母副
直線滾動導(dǎo)軌副
混合式步進電機
X方向
3206-2.5
HJG-DA45A滾動導(dǎo)軌
86BYG350AH-0201
Y方向
3206-2.5
HJG-DA45A滾動導(dǎo)軌
86BYG350AH-0201
3.8 其它零部件的確定
3.8.1 軸承的選擇
1.載荷是選擇軸承最主要的依據(jù)，通常應(yīng)根據(jù)載荷的大小、方向和性質(zhì)選擇軸承。
⑴載荷大小?一般情況下，滾子軸承由于是線接觸，承載能力大，適于承受較大載荷；球軸承由于是點接觸，承載能力小，適用于輕、中等載荷。各種軸承承受載荷能力一般以額定載荷比表示。
⑵載荷方向?純徑向力作用，宜選用深溝球軸承、圓柱滾子軸承或滾針軸承，也可考慮選用調(diào)心軸承。純軸向載荷作用，選用推力球軸承或推力滾子軸承。徑向載荷和軸向載荷聯(lián)合作用時，一般選用角接觸球軸承或圓錐滾子軸承。這兩種軸承隨接觸角的增大,承受軸向載荷的能力提高。若徑向載荷較大而軸向載荷較小時，也可選用深溝球軸承和內(nèi)、外圈都有擋邊的圓柱滾子軸承。若軸向載荷較大而徑向載荷較小時，可選用推力角接觸球軸承、推力圓錐滾子軸承。
⑶載荷性質(zhì)?有沖擊載荷時，宜選用滾子軸承。
2.高速性能 一般摩擦力矩小、發(fā)熱量小的軸承高速性能好。球軸承比滾子軸承有較高的極限轉(zhuǎn)速，故高速時應(yīng)優(yōu)先考慮選用球軸承。徑向載荷小時，選用深溝球軸承；徑向載荷大時，選用圓柱滾子軸承。對聯(lián)合載荷，載荷小時，選用角接觸球軸承；載荷大時，選用圓錐滾子軸承或圓柱滾子軸承與角接觸球軸承組合。在相同內(nèi)徑時，外徑越小，滾動體越輕越小，運轉(zhuǎn)時滾動體作用在外圈上的離心力也越小，因此更適于較高轉(zhuǎn)速下工作。在一定條件下，工作轉(zhuǎn)速較高時，宜選用直徑系列為8，9，0，1的軸承。保持架的材料與結(jié)構(gòu)對軸承轉(zhuǎn)速影響很大。實體保持架比沖壓保持架允許的轉(zhuǎn)速高。高速重載的軸承需驗算其極限轉(zhuǎn)速。
3.軸向游動性能 一般機械工作時，因機械摩擦或工作介質(zhì)的關(guān)系而使軸發(fā)熱，從而有熱脹冷縮產(chǎn)生。在選擇軸承結(jié)構(gòu)類型時，應(yīng)使其軸有軸向游動的可能性。因此，常在軸的某一端選用一內(nèi)圈或一外圈無擋邊的圓柱滾子軸承或滾針軸承，以適應(yīng)由于熱脹冷縮而引起軸的伸長或縮短。
4.調(diào)心性能 當(dāng)軸兩端軸承孔同軸性差（制造誤差或安裝誤差所致）或軸的剛度小，變形較大，以及多支點軸，均要求軸承調(diào)心性好，這時應(yīng)選用調(diào)心球軸承或調(diào)心滾子軸承。
5.允許的空間 在機械設(shè)計中，一般都是先確定軸的尺寸，然后根據(jù)軸的尺寸來確定軸承的尺寸。小軸選用球軸承，大軸選用滾子軸承；在內(nèi)徑尺寸（即軸尺寸）已確定，若徑向尺寸受限，可選用滾針軸承或直徑系列為8，9，0的軸承；若寬度尺寸受限，可選用寬度系列為8，0的軸承。
6.安裝與拆卸方便 對于軸承使用壽命一般都難以等同主機使用壽命，在實際使用中軸承作為易損件要經(jīng)常裝拆。因此，在選用軸承結(jié)構(gòu)類型時應(yīng)要求裝拆方便?？煞蛛x型的接觸球軸承、圓柱滾子軸承。圓錐滾子軸承、推力軸承和內(nèi)圈為錐孔、帶緊定套或退卸套的調(diào)心滾子軸承、調(diào)心球軸承等均具有裝拆方便性能。
滾珠絲杠主要承受軸向載荷，他的徑向載荷主要是絲杠的自重，因此，對滾珠絲杠的軸向精度和剛度要求較高。此外滾珠絲杠的正確安裝及其支撐的結(jié)構(gòu)剛度也不容忽視。滾珠絲杠兩端常用支撐形式有三種：
一端固定一端自由的支撐形式。結(jié)構(gòu)簡單軸向剛度低，適用于短絲杠和垂直絲杠。
一端固定一端浮動的支撐形式。結(jié)構(gòu)復(fù)雜，適用于較長絲杠和臥式絲杠。
兩端固定的支撐形式，需要軸承無間隙，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜。
為了提高支承的軸向剛度，選擇適當(dāng)?shù)臐L動軸承是十分重要的。本設(shè)計使用的滾珠絲杠較短，故此設(shè)計采用接觸角為60°的角接觸球軸承和深溝球軸承，組成一端固定和一端浮動的形式。60°角接觸球軸承型號為7305AC，深溝球軸承型號為6305。其具體參數(shù)如表3.8所示：
表3.8所選軸承的參數(shù)
軸承內(nèi)徑d
外徑D
寬度B
額定動負荷
額定靜負荷
7305AC
25
62
17
21.5KN
15.8KN
6305
25
62
17
17.2 KN
11.2 KN
3.8.2 絲杠軸的尺寸設(shè)計
X向軸的尺寸：
Y向軸的尺寸：
3.8.3 聯(lián)接鍵的選擇
鍵聯(lián)接的主要類型有：平鍵聯(lián)接、半圓鍵聯(lián)接、楔鍵聯(lián)接和切向鍵聯(lián)接。
平鍵聯(lián)接:鍵的兩側(cè)面是工作面，工作時，靠鍵同鍵槽側(cè)面的擠壓來傳遞轉(zhuǎn)矩。鍵的上表面和輪轂的鍵槽底面間則留有間隙。平鍵聯(lián)接具有結(jié)構(gòu)簡單、裝拆方便、對中性較好等優(yōu)點，得到廣泛應(yīng)用。
根據(jù)用途的不同，平鍵分為普通平鍵、薄型平鍵、導(dǎo)向平鍵和滑鍵四種。其中普通平鍵和薄型平鍵用于靜聯(lián)接，導(dǎo)向平鍵和滑鍵用于動聯(lián)接。
普通平鍵按構(gòu)造分，有圓頭（A型）、平頭（B型）及單圓頭（C型）三種。圓頭平鍵宜放在軸上用鍵槽銑刀銑出的鍵槽中，鍵在鍵槽中軸向固定良好。平頭平鍵是放在用盤銑刀銑出的鍵槽中，對于尺寸大的鍵，需用緊定螺釘固定在軸上的鍵槽中，以防松動。單圓頭平鍵常用于軸端與轂類零件的連接。
薄型平鍵傳遞轉(zhuǎn)矩的能力較低，常用于薄壁結(jié)構(gòu)、空心軸及一些徑向尺寸受限制的場合。
半圓鍵連接:半圓鍵工作時，靠其側(cè)面來傳遞轉(zhuǎn)矩。這種鍵的優(yōu)點是工藝性良好，裝配方便，尤其適用于錐形軸端與輪轂的連接。缺點是軸上鍵槽較深，對軸的強度削弱較大，故一般只用于輕載靜連接中。
楔鍵連接:鍵的上下兩面是工作面，鍵的上表面和與它相配合的輪轂鍵槽底面均有1：100的斜度。工作時，靠鍵的楔緊作用來傳遞轉(zhuǎn)矩，同時還可以承受單向的軸向載荷，對輪轂起到單向的軸向固定作用。楔鍵連接在傳遞有沖擊和振動的較大轉(zhuǎn)矩時，仍能保證聯(lián)接的可靠性。楔鍵連接的缺點是鍵楔緊后，軸和輪轂的配合產(chǎn)生偏心和偏斜。因此主要是用于轂類零件的定心精度要求不高和低轉(zhuǎn)速的場合。
切向鍵連接:切向鍵是由一對斜度為1：100的楔鍵組成。切向鍵的工作面是由一對楔鍵沿斜面拼合后相互平行的兩個窄面，被聯(lián)接的軸和輪轂上都制有相應(yīng)的鍵槽。裝配時，把一對楔鍵分別從輪轂兩端打入，拼合而成的切向鍵就沿軸的切線方向楔緊在軸與輪轂之間。工作時，靠工作面上的擠壓力和軸與輪轂之間的摩擦力來傳遞轉(zhuǎn)矩。
本設(shè)計中要求鍵的連接結(jié)構(gòu)簡單、裝拆方便、對中性較好，故選用普通平鍵中的圓頭（A型）平鍵。由軸的直徑和輪轂的寬度選取的鍵的參數(shù)如表3.9所示
表3.9鍵的參數(shù)[15]
b
h
L
d=20
6
6
18
d=12
4
4
18
4 控制系統(tǒng)的設(shè)計
4.1 PLC的組成與工作原理
4.1.1 PLC的基本概念