合肥工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì).pdf

合肥工業(yè)大學(xué) 2010 年機(jī)電一體化自考本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 1 目錄 X-Y 數(shù)控工作臺(tái)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)3 X-Y NC Worktable Mechatronics System Design 4 第 1 章 緒 論 6 1.1 兩坐標(biāo)數(shù)控系統(tǒng)課題研究意義6 1.2 兩坐標(biāo)系數(shù)控工作臺(tái)課題研究主要內(nèi)容 6 1.2.1 兩坐標(biāo)系系統(tǒng)的組成6 第 2 章 設(shè) 計(jì) 任 務(wù)7 2.1 機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)7 2.2 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)7 第 3 章 設(shè) 計(jì) 總 方 案 的 確 定8 3.1、機(jī)械傳動(dòng)部件的選擇8 3.1.1、絲杠螺母副的選擇8 3.1.2、導(dǎo)軌副的選用8 3.1.3、伺服電機(jī)的選用8 3.1.4、減速裝置的選用9 第 4 章 機(jī) 械 傳 動(dòng) 部 件 的 計(jì) 算 和 選 擇9 4.1、導(dǎo)軌上移動(dòng)部件的重量估算9 4.2、計(jì)算切削力 9 4.3、滾珠絲杠傳動(dòng)設(shè)計(jì)計(jì)算及校驗(yàn)10 4.3.1、最大工作載荷的計(jì)算11 4.3.2、最大計(jì)算動(dòng)載荷的確定11 4.3.3 規(guī)格型號(hào)的初選11 4.3.4、傳動(dòng)效率的計(jì)算12 4.3.5、剛度的驗(yàn)算12 4.3.6、穩(wěn)定性的驗(yàn)算13 4.3.7、臨界轉(zhuǎn)速的驗(yàn)算13 4.3.8、滾珠絲杠的選型及安裝連接尺寸的確定14 4.4、步進(jìn)電機(jī)的傳動(dòng)計(jì)算及電動(dòng)機(jī)的選用14 4.4.1、傳動(dòng)計(jì)算14 4.4.2、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的計(jì)算和選型15 4.4.3、步進(jìn)電機(jī)軸上的等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩 M 的計(jì)算16 4.4.4、步進(jìn)電機(jī)的初選17 XY 數(shù)控工作臺(tái)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì) 2 4.4.5、步進(jìn)電機(jī)性能校核18 4.4.6、起動(dòng)頻率的計(jì)算18 4.4.7、確定選型的步進(jìn)電機(jī)的參數(shù)18 4.5、滾動(dòng)導(dǎo)軌的設(shè)計(jì)計(jì)算 21 4.5.1、工作載荷的計(jì)算21 4.5.2、小時(shí)額定工作壽命的計(jì)算21 4.5.3、距離額定壽命計(jì)算21 4.5.4、額定動(dòng)載荷計(jì)算21 4.5.5、產(chǎn)品選型22 4.5.6、安裝連接尺寸。22 第 5 章 其 余 附 件 的 選 擇23 5.1、聯(lián)軸器的選擇23 第 6 章、控 制 系 統(tǒng) 的 設(shè) 計(jì) 24 6.1、驅(qū)動(dòng)電路流程設(shè)計(jì)25 6.2、驅(qū)動(dòng)電源的選用，及驅(qū)動(dòng)電源與控制器的接線方式26 第 7 章控 制 系 統(tǒng) 的 部 分 軟 件 設(shè) 計(jì)27 7.1 存儲(chǔ)器與 I/O 芯片地址分配27 7.2、控制系統(tǒng)的監(jiān)控管理程序 27 7.3、8255 芯片初始化子程序28 7.4、8279 芯片初始化子程序28 7.5、8279 控制 LED 顯示子程序 28 7.6、8279 管理鍵盤子程序30 7.7、INT1 中斷服務(wù)流程圖30 7.8、復(fù)位程序流程圖32 7.9、X 軸電機(jī)點(diǎn)動(dòng)正轉(zhuǎn)程序流程圖33 7.10、繪制圖弧程序流程圖34 7.11、步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)一步程序流程圖 35 第 8 章 結(jié) 論37 謝 辭 38 參 考 文 獻(xiàn) 39 附 錄 40 合肥工業(yè)大學(xué) 2010 年機(jī)電一體化自考本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 3 X-Y 數(shù)控工作臺(tái)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì) 摘要： X-Y 數(shù)控工作臺(tái)機(jī)電系統(tǒng)是一個(gè)開環(huán)控制系統(tǒng),其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。 實(shí)現(xiàn)方便而且能 夠保證一定的精度。它充分的利用了危機(jī)的軟件硬件功能以實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)床的控制;使機(jī) 床的加工范圍擴(kuò)大,精度和可靠性進(jìn)一步得到提高。X-Y 數(shù)控工作臺(tái)機(jī)電系統(tǒng)是利用 AT89S52 單片機(jī),及 2764,6264 存儲(chǔ)器及 8255 芯片等硬件組成,在控制系統(tǒng)的硬件上 編寫一定的程序以實(shí)現(xiàn)一定的加工功能。其基本思想是:通過圓弧或者直線插補(bǔ)程序 以實(shí)現(xiàn)對(duì)零件進(jìn)行幾何加工,每進(jìn)行一段加工都要產(chǎn)生一定的脈沖以驅(qū)動(dòng)電機(jī)正反 轉(zhuǎn),同時(shí)通過8255將相應(yīng)的加工進(jìn)刀信息送至刀架庫(kù)中以實(shí)現(xiàn)以之相應(yīng)的走刀,電機(jī) 和刀具的相對(duì)運(yùn)動(dòng)所以實(shí)現(xiàn)了刀具對(duì)工件的加工。該控制系統(tǒng)采用軟件中斷控制系 統(tǒng)結(jié)構(gòu)及子程序結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，條件明確在經(jīng)濟(jì)型數(shù)控中應(yīng)用較多。中斷結(jié)構(gòu)采用模塊 化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)因?yàn)檫@種結(jié)構(gòu)便于修改和擴(kuò)充，編制較為方便，便于向多處理方向發(fā)展。 X-Y 數(shù)控工作臺(tái)機(jī)電系統(tǒng)采用步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)裝置。 步進(jìn)電機(jī)是一個(gè)將脈沖信號(hào)轉(zhuǎn) 移成角位移的機(jī)電式數(shù)模轉(zhuǎn)換器裝置。其工作原理是：每給一個(gè)脈沖便在定子電路 中產(chǎn)生一定的空間旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)；由于步進(jìn)電機(jī)通的是三相交流電所以輸入的脈沖數(shù)目 及時(shí)間間隔不同，轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)快慢及旋轉(zhuǎn)時(shí)間的長(zhǎng)短也是不同的。由于旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)對(duì) 放入式中的通電導(dǎo)體既轉(zhuǎn)子切割磁力線時(shí)具有力的作用，從實(shí)現(xiàn)了旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)動(dòng) 迫使轉(zhuǎn)子作相應(yīng)的轉(zhuǎn)動(dòng)，所以轉(zhuǎn)子才可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子帶動(dòng)絲杠作相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)。 關(guān)鍵詞：關(guān)鍵詞：X-YX-Y 數(shù)控工作臺(tái)；機(jī)電系統(tǒng)；微型計(jì)算機(jī)；數(shù)控工作臺(tái)；機(jī)電系統(tǒng)；微型計(jì)算機(jī)；62646264 存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器 XY 數(shù)控工作臺(tái)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì) 4 X-Y NC Worktable Mechatronics System Design Abstract： CNC XY table is a mechanical and electrical systems open-loop control system, its structure is simple. Realization of convenience and can guarantee a certain accuracy. It full use of the software hardware crisis To achieve the functions of the machine control; to expand the scope of the processing machine tools, precision and reliability has been further improved. XY NC table is the use of mechanical and electrical systems SCM AT89S52, 2764,6264 and 8255 and memory chips and other hardware components , In the control system of hardware on the preparation of certain procedures in order to achieve a certain processing functions. The basic idea is: circular or linear interpolation procedures to achieve the geometry of the parts for processing, every section of the processing should have a certain impulse to Electric drives positive and, through 8255 corresponding to the processing of information sent to the turret into the knife in order to achieve the corresponding go to the knife, the electrical and tool to achieve the relative movement of the tool so the processing of the workpiece. The control system uses software interrupt control system structure and subroutine is simple, clear in the economic conditions in the application of NC more. Disruption of a modular structure because such a structure designed to facilitate revision and expansion, the establishment of more convenient, easy to handle and more direction. CNC XY table designed by mechanical and electrical systems as a stepping motor-driven devices. Stepper motor is a pulse will be transferred into angular displacement of the Electrical and Mechanical-DAC devices. Its working principle is: each to a pulse in the stator circuit will have a certain space in rotating magnetic field; because of the stepper motor is the three-phase AC-so enter the number of pulses and different time intervals, the rotation speed of the rotor and the length of rotation Are different. As the rotating magnetic field into which both the rotor cutting electricity conductor when a magnetic line of force, to achieve a rotating magnetic field from the 合肥工業(yè)大學(xué) 2010 年機(jī)電一體化自考本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 5 force rotation for the corresponding rotor rotation, the rotor can achieve rotor lead screw for the corresponding movement. Keywords：X-Y NC Worktable; Mechatronics system; micro-computers; 6264 memory XY 數(shù)控工作臺(tái)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì) 6 第 1 章 緒 論 1.1 兩坐標(biāo)數(shù)控系統(tǒng)課題研究意義 X-Y 數(shù)控工作臺(tái)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì) 是一個(gè)開環(huán)控制系統(tǒng),其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單.實(shí)現(xiàn)方便而且 能夠保證一定的精度.降低成本,是微機(jī)控制技術(shù)的最簡(jiǎn)單的應(yīng)用.它充分的利用了 危機(jī)的軟件硬件功能以實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)床的控制;使機(jī)床的加工范圍擴(kuò)大,精度和可靠性進(jìn) 一步得到提高. 1.2 兩坐標(biāo)系數(shù)控工作臺(tái)課題研究主要內(nèi)容 X-Y 數(shù)控工作臺(tái)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)是利用 AT89S52 單片機(jī),及 2764,6264 存儲(chǔ)器及 8255 芯片等硬件組成,在控制系統(tǒng)的硬件上編寫一定的程序以實(shí)現(xiàn)一定的加工功能. 其基本思想是:通過圓弧或者直線插補(bǔ)程序以實(shí)現(xiàn)對(duì)零件進(jìn)行幾何加工,每進(jìn)行一段 加工都要產(chǎn)生一定的脈沖以驅(qū)動(dòng)電機(jī)正反轉(zhuǎn),同時(shí)通過 8255 將相應(yīng)的加工進(jìn)刀信息 送至刀架庫(kù)中以實(shí)現(xiàn)以之相應(yīng)的走刀,電機(jī)和刀具的相對(duì)運(yùn)動(dòng)所以實(shí)現(xiàn)了刀具對(duì)工 件的加工。 1.2.1 兩坐標(biāo)系系統(tǒng)的組成 經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床驅(qū)動(dòng)電機(jī)采用步進(jìn)電機(jī)，多數(shù)采用開環(huán)控制，需要選擇和計(jì)算主 要機(jī)械傳動(dòng)部件，如滾珠絲杠，螺母副和步進(jìn)電機(jī)等，繪制機(jī)床進(jìn)給傳動(dòng)機(jī)構(gòu)裝配 圖，繪制單片機(jī)控制系統(tǒng)的硬件線路圖。 合肥工業(yè)大學(xué) 2010 年機(jī)電一體化自考本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 7 第 2 章 設(shè) 計(jì) 任 務(wù) 題目：X-Y 數(shù)控工作臺(tái)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)一套供立式數(shù)控銑床使用的 X-Y 數(shù)控工作臺(tái)，主要參數(shù)如下： 2.1 機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì) 1. 立銑刀最大直徑的 d=15mm，立銑刀齒數(shù) Z=3，最大銑削寬度 c a=15mm； 2. 最大背吃刀量 p a=8mm，加工材料為碳素鋼或有色金屬； 3. X、Z 方向的定位精度均為0.02mm； 4. 工作臺(tái)面尺寸為230mm230mm，加工范圍為250mm250mm； 5. 工作臺(tái)空載進(jìn)給最快移動(dòng)速度： maxmax 3000mm/ min xy VV，工作臺(tái)進(jìn)給最 快移動(dòng)速度: maxymax 400mm/ min xff VV，加減速 0.4s。 2.2 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 1. 設(shè)計(jì)的 X-Y 工作臺(tái)準(zhǔn)備用在數(shù)控銑床上，其控制系統(tǒng)應(yīng)該具有輪廓控制，兩 坐標(biāo)直線插補(bǔ)與圓弧插補(bǔ)的基本功能，所以控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)成連續(xù)控制型。 2. 對(duì)于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的開環(huán)控制系統(tǒng)，選用 MCS-51 系列的 8 位單片機(jī) AT89S52 作為控制系統(tǒng)的 CPU，能夠滿足任務(wù)書給定的相關(guān)指標(biāo)。 3. 要設(shè)計(jì)一臺(tái)完整的控制系統(tǒng)，在選擇 CPU 之后，還要擴(kuò)展程序存儲(chǔ)器，I/O 接口電路，串行接口電路等。 4. 選擇合適的驅(qū)動(dòng)電源，與步進(jìn)電動(dòng)機(jī)配套使用。 XY 數(shù)控工作臺(tái)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì) 8 第 3 章 設(shè) 計(jì) 總 方 案 的 確 定 3.1、機(jī)械傳動(dòng)部件的選擇 3.1.1、絲杠螺母副的選擇 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)需要通過絲杠螺母副轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動(dòng)，需要滿足初選 0.01mm 脈沖當(dāng)量，因?yàn)槎ㄎ痪?.02mm，對(duì)于機(jī)械傳動(dòng)要有一定的精度損失，大 約是 1/3-1/2 的定位精度，現(xiàn)取為 1/2，即是0.01mm 和0.02mm 的定位精度，滑 動(dòng)絲杠副無(wú)法做到，只有選用滾珠絲桿副才能達(dá)到要求，滾珠絲桿副的傳動(dòng)精度高、 動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、壽命長(zhǎng)、效率高、預(yù)緊后可消除反向間隙。 同時(shí)選用內(nèi)循環(huán)的形式，因?yàn)檫@樣摩擦損失小，傳動(dòng)效率高，且徑向尺寸結(jié)構(gòu)緊 湊，軸向剛度高。 由于定位精度不高，故選擇的調(diào)隙方式是墊片調(diào)隙式，這種調(diào)隙方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單， 剛性好，裝卸方便。 由于工作臺(tái)最快的移動(dòng)速度 maxymax 3000mm/min x VV， 所需的轉(zhuǎn)速不高， 故可以采用 一般的安裝方法，即一端固定，一端游動(dòng)的軸承配置形式。 3.1.2、導(dǎo)軌副的選用 要設(shè)計(jì)數(shù)控銑床工作臺(tái)，需要承受的載荷不大，而且脈沖當(dāng)量小，定位精度高， 因此選用直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副，它具有摩擦系數(shù)小，不易爬行，傳動(dòng)效率高，結(jié)構(gòu)緊， 安裝預(yù)緊方便等優(yōu)點(diǎn)。 3.1.3、伺服電機(jī)的選用 選用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)作為伺服電動(dòng)機(jī)后，可選開環(huán)控制，也可選閉環(huán)控制。任務(wù)書所 合肥工業(yè)大學(xué) 2010 年機(jī)電一體化自考本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 9 給的精度對(duì)于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)來說還是偏低，為了確保電動(dòng)機(jī)在運(yùn)動(dòng)過程中不受切削負(fù) 載和電網(wǎng)的影響而失步，決定采用開環(huán)控制，任務(wù)書初選的脈沖當(dāng)量尚未達(dá)到 0.001mm，定位精度也未達(dá)到微米級(jí)，空載最快移動(dòng)速度也只有 3000mm/min,故本設(shè) 計(jì)不必采用高檔次的伺服電機(jī)，因此可以選用混合式步進(jìn)電機(jī)，以降低成本，提高 性價(jià)比。 3.1.4、減速裝置的選用 選擇了步進(jìn)電動(dòng)機(jī)和滾珠絲桿副以后，為了圓整脈沖當(dāng)量，放大電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩，降低運(yùn) 動(dòng)部件折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，可能需要減速裝置，且應(yīng)有消間隙機(jī)構(gòu)，如果要選用減 速裝置，則應(yīng)選用無(wú)間隙齒輪傳動(dòng)減速箱。 第 4 章 機(jī) 械 傳 動(dòng) 部 件 的 計(jì) 算 和 選 擇 4.1、導(dǎo)軌上移動(dòng)部件的重量估算 按照下導(dǎo)軌上面移動(dòng)部件的重量來進(jìn)行估算。包括工件、夾具、工作平臺(tái)、 上層電動(dòng)機(jī)、 減速箱、 滾珠絲杠副、 直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副、 導(dǎo)軌座等， 估計(jì)重量約為 800N。 4.2、計(jì)算切削力 根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)，加工材料為碳素鋼或有色金屬及如下參數(shù)： 立銑刀最大直徑的 d=15mm， 立銑刀齒數(shù) Z=3， 最大切削寬度 e a=15mm 最大背吃刀量 p a=8mm， XY 數(shù)控工作臺(tái)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì) 10 設(shè)零件的加工方式為立式加工，采用硬質(zhì)合金銑刀，工件材料為碳素鋼。由【5】 中 P13 頁(yè)的表中，可知 d=15mm 的硬質(zhì)合金立銑刀最大的切削參數(shù)如下： 每齒進(jìn)給量 fz=0.1mm 銑刀轉(zhuǎn)速 n=300r/min 由【2】中 P200,查得立銑時(shí)切削力計(jì)算公式為： 0.850.750.731.00.10 cezp 118afdanZF 代如上式得： 0.850.750.731.00.10 c 118 150.11583003N1229NF 采用立銑刀進(jìn)行圓柱銑削時(shí)，各銑削力之間的比值可由【2】中查得，各銑削力 之間的比值范圍如下： f F / c F=(1.01.2)取 1.1 fn F/ c F=(0.20.3)取 0.25 e F/ c F=（0.350.4）取 0.38 考慮逆銑時(shí)的情況，因?yàn)槟驺姷那闆r的受力最大的情況，為了安全考慮這種最危 險(xiǎn)的工況。由此可估算三個(gè)方向的銑削力分別為： fc F1.1F1356N ec F0.38F468N fnc F0.25F308N 考慮立銑， 則工作臺(tái)受到垂直方向的銑削力 z F， 受到水平方向的銑削力分別為 f F 和 fn F 今將水平方向較大的銑削力分配給工作臺(tái)的縱向， 則縱向銑削力 x F， 徑向銑削力 為 y F。 xf FF1352N yfn FF307N ze FF467N 4.3、滾珠絲杠傳動(dòng)設(shè)計(jì)計(jì)算及校驗(yàn) 合肥工業(yè)大學(xué) 2010 年機(jī)電一體化自考本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 11 4.3.1、最大工作載荷的計(jì)算 已知移動(dòng)部件總重量 G=800N，按滾動(dòng)導(dǎo)軌計(jì)算，由【3】中 P389，取顛覆力影響 系數(shù) K=1.1，滾動(dòng)導(dǎo)軌上的摩擦系數(shù)查【1】中 P162 可知 u=0.00250.005,現(xiàn)取 u=0.005，求得滾珠絲杠副的最大工作載荷： x FF(FF) eqyZ kuG =1.11352+0.005(307+467+800) =1500N 4.3.2、最大計(jì)算動(dòng)載荷的確定 設(shè)工作臺(tái)在承受最大銑削力時(shí)的最快進(jìn)給速度 v=400mm/min，初選絲杠導(dǎo)程 P=5mm,則此時(shí)絲杠轉(zhuǎn)速 eq n=v/P=80r/min。 預(yù)計(jì)滾珠絲杠的工作五年,每天工作八小時(shí)，由此得使用壽命為 T=5360 8=14400h，根據(jù)【1】中 P162，公式 10-23 得： 6 60 10 eq n T T = 6 10N 式中: T使用壽命14400 h N循環(huán)次數(shù) eq n滾珠絲杠的當(dāng)量轉(zhuǎn)速80r/min 求得： 6 60 80 14400 10 T 72 （ 6 10 r） 查【1】中 P110，表 10-29、10-30 得，受中等沖擊載荷取值范圍1.21.5 d f ， 現(xiàn)取1.3 d f ，滾道硬度為 60HRC 時(shí)，硬度影響系數(shù)取值1.0 h f ，由【1】中 P109， 式 5-3 3 cdheq CT f f F 代入數(shù)據(jù)得： 3 69 1.3 1.0 1495 c C 8112N 4.3.3 規(guī)格型號(hào)的初選 根據(jù)計(jì)算出的最大動(dòng)載荷和初選的絲杠導(dǎo)程， 查網(wǎng)上生產(chǎn)該型號(hào)的生產(chǎn)廠家的資 料，選擇濟(jì)寧博特精密絲杠制造有限公司生產(chǎn)的 GDM 系列 2005-3 型滾珠絲杠副，為 內(nèi)循環(huán)固定反向器雙螺母墊片預(yù)緊式滾珠絲杠副，其公稱直徑為 20mm，導(dǎo)程為 5mm， 循環(huán)滾珠為 3 圈2 系列，精度等級(jí)取 5 級(jí)，額定動(dòng)載荷為 9309N，大于最大計(jì)算動(dòng) 載荷 c C=7971，滿足要求。 XY 數(shù)控工作臺(tái)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì) 12 4.3.4、傳動(dòng)效率的計(jì)算 將公稱直徑 d0=20mm,導(dǎo)程 P=5mm,代入=arctanP/(d0)，得絲杠螺旋升角 =433。將摩擦角=10，代入=tan/tan(+),得傳動(dòng)效率=96.4%。 4.3.5、剛度的驗(yàn)算 X-Y 工作臺(tái)上下兩層滾珠絲杠副的支承均采用“一端固定，一端游動(dòng)”的軸承配 置形式。由【1】中 P162 的 10-23 可知這種安裝適用于較高精度、中等載荷的絲杠， 一端采用深溝球軸承，一端采用一對(duì)背對(duì)背角接觸球軸承,這樣能承受集中力偶。 絲杠螺母的剛度的驗(yàn)算可以用接觸量來校核。 1、 滾珠絲杠滾道間的接觸變形量， 查 【3】 中相關(guān)公式， 根據(jù)公式 0/W Zdd， 求得單圈滾珠數(shù) Z=20；該型號(hào)絲杠為雙螺母，滾珠的圈數(shù)列數(shù)為 32，代入公式 ZZ圈數(shù)列數(shù)，得滾珠總數(shù)量Z=120。絲杠預(yù)緊時(shí)，取軸向預(yù)緊力 eq FyF/3=498N。查【3】中相關(guān)公式，得， 滾珠與螺紋滾道間接觸變形 ： 33 1 0.0013/ wy Pad F z 式中鋼球直徑 w d=3.175mm 33 1 0.0013/ wy Pad F z = 33 0.0013 1495/3.175 498 1200.0014。 因?yàn)榻z杠有預(yù)緊力，且為軸向負(fù)載的 1/3，所以實(shí)際變形量可以減少一半，取 1 =0.0007mm。 2、絲杠在工作載荷 max F作用下的抗拉壓變形 2 絲杠采用的是一端采用深溝球軸承， 一端采用一對(duì)背對(duì)背角接觸球軸承的配置形 式，軸承的中心距 a=560mm,鋼的彈性模量 E=2.110 5MPa,由表一中可知，滾珠直徑 w d=3.175mm,絲杠底徑 2 d=16.2mm，則絲杠的截面積 S= 2 2 d / 4=206.12 2 mm,由【7】 中，式 3-35 2 F/ eqa ES 式中最大工作載荷Feq=1495N 中心距 a=560mm 彈性模量 E=2.110 5MPa 截面積 S= 2 2 d / 4=206.12 2 mm 合肥工業(yè)大學(xué) 2010 年機(jī)電一體化自考本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 13 代入以上數(shù)據(jù)，得， 2 =0.019mm 3、則總變形量為： 12 0.00070.0190.019719.7mmum 總 本例中，絲杠的有效行程為 500mm，由【3】中知，5 級(jí)精度滾珠絲杠有效行程在 400500mm 時(shí)，行程偏差允許達(dá)到 30m，可見絲杠剛度足夠。 4.3.6、穩(wěn)定性的驗(yàn)算 根據(jù)【3】中 式 5.7-17 2 2 EI L K k a f P 。 式中取支承系數(shù) k f=2； 由絲杠底徑 d2=16.2mm 求得截面慣性矩 4 2 /64Id3380.88 4 mm； 壓桿穩(wěn)定安全系數(shù) K 取 3（絲杠臥式水平安裝） ； 滾動(dòng)螺母至軸向固定處的距離 L=a 取最大值 560mm。 代入公式，得 Pa=14896 N 大于 c C=7533N，故不會(huì)失穩(wěn)，滿足使用要求。 4.3.7、臨界轉(zhuǎn)速的驗(yàn)算 對(duì)于絲杠有可能發(fā)生共振，需驗(yàn)算其臨界轉(zhuǎn)速，不會(huì)發(fā)生共振的最高轉(zhuǎn)速為 臨界轉(zhuǎn)速 c n，由【2】中 P111 式 5-10 得： 2 22 c 2 f d n9910 Lc 式中 20w dd1.2D20-1.23.175=1mm c L為臨界轉(zhuǎn)速計(jì)算長(zhǎng)度 c2 L16.2d 2 f為絲杠支承方式系數(shù) 2 f=3.927（一端固定，一端游動(dòng)） 代入數(shù)據(jù)得： c n6100 / minr 臨界轉(zhuǎn)速遠(yuǎn)大于絲杠所需轉(zhuǎn)速，故不會(huì)發(fā)生共振。 XY 數(shù)控工作臺(tái)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì) 14 4.3.8、滾珠絲杠的選型及安裝連接尺寸的確定 由以上驗(yàn)算可知，選用 GDM2005 型的絲杠，完全符合滿足所需要求，故確定選用 該型號(hào)， 由表一可知絲杠所需的安裝連接尺寸 表 4-1 滾珠絲杠螺母副幾何參數(shù)（單位 mm） 絲杠滾道 名稱符號(hào)計(jì)算公式和結(jié)果 公稱直徑 0 d20 螺距P5 接觸角45 鋼球直徑 w d3.175 螺紋滾道法面半徑R0.521.651 w Rd 偏心距e0.0449e 螺紋升角 arc4 33 h w P tg d 絲桿 絲杠外徑 1 d19.3 絲杠底徑 2 d16.2 螺桿接觸直徑 z dcos17.75 zwb ddd 絲杠螺母螺母螺紋外徑D 0 2223.212DdeR 螺母內(nèi)徑（內(nèi)循環(huán)） 1 D20.14 4.4、步進(jìn)電機(jī)的傳動(dòng)計(jì)算及電動(dòng)機(jī)的選用 4.4.1、傳動(dòng)計(jì)算 因?yàn)樵撱姶驳募庸ぞ葹?.02mm，考慮到機(jī)械傳動(dòng)部分造成的精度損失，故選 用銑床的脈沖當(dāng)量為 0.01mm/Hz， 初選步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角=0.72。由【1】中 P121 式 5-18 得：傳動(dòng)比 i= 360360 0.011 t0.72 5 i 由于傳動(dòng)比為 1，則不需要選用減速箱，采用電動(dòng)機(jī)軸與絲杠通過聯(lián)軸器聯(lián)接的 合肥工業(yè)大學(xué) 2010 年機(jī)電一體化自考本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 15 方式。 4.4.2、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的計(jì)算和選型 1、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算?？傓D(zhuǎn)動(dòng)慣量 J 主要包括電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子 的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、滾珠絲杠上一級(jí)移動(dòng)部件等折算到電動(dòng)機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。 a、滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 J 。對(duì)材料為鋼的圓柱零件轉(zhuǎn)動(dòng)慣量可按下式估算 由 【1】中 P134 式 5-28 得： 412 0.7710JD L 式中 ： D為絲杠公稱直徑 D=20mm L為絲杠長(zhǎng)度 L=560mm 代入數(shù)據(jù)，得： J=0.7720 4 56010 12 =6.910 5 kg. b、滾珠絲杠上一級(jí)移動(dòng)部件等折算到電動(dòng)機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。由【1】中式 5-29 得： 26 2 ()10 2 s JM 式中：M 為工作臺(tái)的（包括工件）的質(zhì)量： M= 800 9.8 G g =81.6kg S 為絲杠螺距 S=5mm 代入數(shù)據(jù)，得： 2652 2 5 ()81.6 105.2 10. 2 Jkg m c、初選常州寶馬前楊電機(jī)電器有限公司的 90YG5502 型混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，可知 其轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 4 3 4 10 kg.J 所以： 123d JJJJ=6.910 5 +5.210 5 +410 4 =5.1610 4 Nm 驗(yàn)算慣量匹配，電動(dòng)機(jī)軸向慣量比值應(yīng)控制在一定的范圍內(nèi)，既不應(yīng)太 大也不應(yīng)太小，即伺服系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性取決于負(fù)載特性。為使該系統(tǒng)慣量達(dá)到較合 理的配合，一般比值控制在 1/41 之間，由于 XY 數(shù)控工作臺(tái)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì) 16 4 3 4 4 10 0.78 5.16 10 d J J 由此可見: 3 1 1 4 d J J ,符合慣量匹配要求。 4.4.3、步進(jìn)電機(jī)軸上的等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩 M 的計(jì)算 a、承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩在不同工況下是不同的，考慮最大切削負(fù)載時(shí)電動(dòng) 機(jī)所需力矩，由【1】中 P132 式 5-25 得： 10atft MMMMM 式中： r J為折算到電動(dòng)機(jī)軸上的總慣量 r J= d J=5.1610 4 T系統(tǒng)時(shí)間常數(shù)，由任務(wù)書知為 T=0.4s t n切削時(shí)的轉(zhuǎn)速為 300r/min 9.6 r at J n M T ，得： 4 2 5.16 10300 4.03 10 9.6 0.4 at M Nm 3 0 10 2 f F S M i 式中： 0 F為導(dǎo)軌摩擦力 0 ()(469800) 0.0056.3 Z FFG uN S為絲杠螺距 S=5mm I為齒輪降速比，已計(jì)算出為 1 為傳動(dòng)鏈總效率，=0.70.8，取 0.8 代入數(shù)據(jù)，得： 3 6.27 10 f M Nm 23 max 00 (1) 10 2 a FS M i 式中： maxa F為最大軸向載荷， max 503 3 eq a F FN 0 為滾珠絲杠未預(yù)緊時(shí)的效率， 0 =0.950.9 代入數(shù)據(jù)，得： 0 0.048M Nm 合肥工業(yè)大學(xué) 2010 年機(jī)電一體化自考本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 17 3 10 2 t t FS M i 式中： t F進(jìn)給方向的最大切削力1356 tx FFN 代入數(shù)據(jù)，得：1.34 t M Nm 由此都得到等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩 10 1.46 atft MMMMMNm b、快速空載時(shí)電動(dòng)機(jī)所需力矩 M。由【1】中 P132 式 5-24 得： max0af MMMM 加速力矩 max max 9.6 r a J n M T 式中： max max 3000 600 / min 5 h V nr P 代入數(shù)據(jù)，得： max 0.06 a MNm 力矩摩擦 3 0 10 2 f F S M i 式中：u 為導(dǎo)軌副的摩擦因數(shù)，滾動(dòng)導(dǎo)軌取 u=0.005 代入數(shù)據(jù)，得：0.0004 f MNm 附加摩擦力矩： 23 max 00 (1) 10 2 a FS M i 代入數(shù)據(jù)，得： 0 0.048M Nm 所以可知快速空載時(shí)點(diǎn)擊所需力矩： 2max0af MMMM =0.06+0.0004+0.048 =0.1084 Nm 比較 1 M和 2 M，取其較大者，就是最大等效負(fù)載，即：M= 1 M=1.46N.M 4.4.4、步進(jìn)電機(jī)的初選 考慮到步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電源受電網(wǎng)的影響較大，當(dāng)輸入電壓降低時(shí)，其 輸入轉(zhuǎn)矩也會(huì)下降，可能會(huì)造成丟步，甚至堵轉(zhuǎn)，因此按最大等效負(fù)載 M 考慮一定 的安全系數(shù)，取=3，則步進(jìn)電機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩應(yīng)滿足： max 33 1.464.38 j TM Nm 由所選的電機(jī)型號(hào)參數(shù)可知，最大轉(zhuǎn)矩 max 5 j TNm，可知滿足要求。 XY 數(shù)控工作臺(tái)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì) 18 4.4.5、步進(jìn)電機(jī)性能校核 a 、最快工進(jìn)速度時(shí)電動(dòng)機(jī)時(shí)輸出轉(zhuǎn)矩校核。任務(wù)書給定工作臺(tái)最快工進(jìn)速 度 max f V=400mm/min，脈沖當(dāng)量0.01mm/脈沖，求出電動(dòng)機(jī)對(duì)應(yīng)的運(yùn)行頻率 max 400/(60 0.01)667 f fHz。從 90BYG5502 電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行矩頻特性曲線圖可以