X-Y數(shù)控工作臺設(shè)計說明書

1、_一、總體方案設(shè)計1.1 設(shè)計任務(wù)題目： XY 數(shù)控工作臺的機電系統(tǒng)設(shè)計任務(wù)：設(shè)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 ×B1 ×H1【 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

2、+ （班級序號）× 5】 mm ，Y=【300+ （班級序號）×5】mm ；4） X、Y 方向的脈沖當(dāng)量均為0.005mm/ 脈沖；X、Y 方向的定位精度均為± 0.01mm ；5）夾具與工件質(zhì)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 ae20mm ；10）最大被吃刀量 ap10mm 。1.2 總體方案確定（ 1）機械傳動部件的選擇 導(dǎo)軌副的選擇 絲杠螺母副的選擇精品資料_ 減速裝置的選擇 伺服電動機的選擇

3、（ 2）控制系統(tǒng)的設(shè)計 伺服電機啟動、停止、調(diào)速、正反轉(zhuǎn)的控制 PLC 控制電機的梯形圖編程精品資料_Y 方向傳動機構(gòu)微機工作臺電型步 進 電接機動機減速器滾珠絲杠驅(qū)口動電人機接口路減步 進 電速滾器珠動機X 方向傳動機構(gòu)絲杠系統(tǒng)總體方案結(jié)構(gòu)框圖XY 數(shù)控工作臺結(jié)構(gòu)1.3 設(shè)計的基本要求（ 1）按照機械系統(tǒng)設(shè)計的步驟進行相關(guān)計算，完成手寫設(shè)計說明書。（ 2）計算結(jié)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(shè)計，完成電機啟動、停止、正反轉(zhuǎn)、電動等基本工作狀態(tài)控制的硬件連線圖，并通過 PLC

4、 協(xié)調(diào)控制 XY 電機運動，繪制相關(guān)梯形圖。精品資料_二、機械系統(tǒng)設(shè)計2.1 導(dǎo)軌上移動部件的重量估算質(zhì)量：按質(zhì)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(zhì)量 =上導(dǎo)軌座（連電機）質(zhì)量=夾具及工件質(zhì)量 =X-Y 工作臺運動部分的總重量G=Mg=2.2 銑削力的計算零件的加工方式為立式銑削，采用硬質(zhì)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：Fc118ae0.85 f z0.75d 0.73a1p.0 n0.13Z其中，取最大銑削寬度，最大背吃刀量，每齒 進給量fz0.1mm ， 銑刀轉(zhuǎn)速n 500r / min ，可直接帶

5、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 = ?，F(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 F fn =2.3 直線滾動導(dǎo)軌的參數(shù)確定（ 1）滑塊承受工作載荷的計算及導(dǎo)軌型號的選取本設(shè)計中的X Y 工作臺為水平布置，采用雙導(dǎo)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(dān)，則單滑塊所受的最大垂直方精品資料_向載

6、荷為 FmaxGF = 。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(chǎn)的 *系列 *型直線滾動導(dǎo)軌副。根據(jù)任務(wù)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(dǎo)軌的長度。所選直線滾動導(dǎo)軌副的幾何參數(shù)（由廠家說明書確定）額定導(dǎo)軌型號滑塊尺寸額定載荷靜力長度矩C2L1L2L3H2C aC0 aM（ 2）額定壽命的 L 的校核計算根據(jù)上述所選導(dǎo)軌副，查表，分別取硬度系數(shù)fH =1.0 、溫度系數(shù) fT =1.0 、接觸系數(shù)fC =0.81 、精度系數(shù)f R =0.9 、載荷系數(shù)fW =1.5 ，代入以下公式，得距離壽命（期望值為 50KM ）

7、。L( fH fT fC f RCa )3 50 =fWFmax2.4 滾珠絲杠的設(shè)計計算滾珠絲杠的負(fù)荷包括銑削力及運動部件的重量所引起的進給抗力。應(yīng)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（與精品資料_工作臺面垂直）為Fz 。根據(jù)移動部件的總重量G，按矩形導(dǎo)軌進行計算，查表，取傾覆力矩影響系數(shù)K=1.1 ，滾動導(dǎo)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：FmKF x( FzFyG) =（ 2）最大動載荷 FQ 的計算工作臺在承受最大

8、銑削力時的最快進給速度v500mm/ min ，初選絲杠導(dǎo)程 Ph （自己選擇如 4、 5 、6mm 等），則此時絲杠轉(zhuǎn)速nv / Ph取滾珠絲杠的使用壽命T=15000h ，代入 L060nT /10 6 ，得絲杠壽命系數(shù)L0查表，取載荷系數(shù)fW1.2 ，滾道硬度為60HRC 時，取硬度系數(shù)f H1.0 ，代入式FQ3 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(dǎo)程，查表，選擇* 公司生產(chǎn)的 *系列 *型，其額定動載荷為，大于FQ ，滿足要求。所選滾珠絲杠螺母副幾何參數(shù)型號公稱導(dǎo)程滾珠絲杠絲杠循環(huán)螺母額定載荷剛度直徑直徑底徑外徑列數(shù)

9、安裝尺寸d0PhDwd2d1CaC0 a（4）傳動效率的計算將公稱直徑 d0 ，導(dǎo)程 Ph ，代入arctanPh / (d0 ) ，得絲杠螺旋升角。將摩擦角10' ，代入tan/ tan() ，得到傳動效率。精品資料_（5）剛度的驗算 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 2.1105 MPa ，由所選滾珠絲杠螺母副可得，滾珠直徑Dw ，絲杠底徑 d2 ，絲杠截面積 Sd22 / 4 =算的絲杠在工作載荷 Fm 作用下產(chǎn)生的拉 /壓變形量 1 Fma /

10、(ES) =滾珠與螺紋滾道間的接觸變形量Fm,其中，絲杠預(yù)緊時，2 0.0013103 DW FYJZ 2 /10取軸向預(yù)緊力 FYJFm/ 3=， 為滾珠總數(shù)量。因為絲杠有預(yù)緊力， 且為軸向負(fù)載的 1/3 ，Z所以實際變形量2 可減小一半。將以上計算出的1 和 2 代入 總12 ，求得絲杠總變形量總 。通過查表，得出總 是否在行程的偏差允許值內(nèi)。（6）壓桿穩(wěn)定性校核查表，取支承系數(shù)fk1 ，由絲杠底徑 d2 ，求得截面慣性矩Id24 / 64 =；壓桿穩(wěn)2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 kEI ,Ka 2計算失穩(wěn)時的臨界載荷Fk ,

11、遠(yuǎn)大于工作載荷Fm 即不會失穩(wěn)。2.5 確定齒輪傳動比初選步進電機步距角0.75 （可自選），滾珠絲杠的導(dǎo)程Ph ，要實現(xiàn)脈沖當(dāng)量p 0.005mm / step ，在傳動系統(tǒng)中應(yīng)加一對齒輪降速傳動。齒輪傳動比Zp 3600.00536012i1（此計算假設(shè)導(dǎo)程為 5mm ）Z2Ph0.75525選 Z1 12，Z2 25 。因傳遞的扭距較小，取模數(shù)m1mm。 采用一級減速，步進電機的輸出軸與小齒輪精品資料_連接，滾珠絲杠的軸頭與大齒輪連接，其中大齒輪設(shè)計成雙片結(jié)構(gòu)，采用彈簧錯齒法消除齒側(cè)間隙。本設(shè)計選用* 公司生產(chǎn)的 *系列 *型齒輪減速箱。所選齒輪箱中齒輪尺寸參數(shù)Z小齒輪大齒輪dmZ mm

12、直徑b36 m mm 齒寬a d1 d2 mm 中心距 22.6 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(dāng)量p0.005mm / 脈沖，根據(jù)所選滾珠絲杠的導(dǎo)程Ph ，初選步進電機步距角（可自選）。（ 2）計算加在步進電機轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動慣量 Jeq（ 3）步進電機快速空載啟動時轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩 Teq1 的計算Teq1Ta max Tf其中 Tamax 是快速空載啟動時折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的最大加速轉(zhuǎn)矩；Tf 是移動部件運動時折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩。2 Jeqnm1Ta max60ta2Z12pJeqJ0 J1J2J3MZ2180式中： Jeq 折算到電機軸上的慣性負(fù)載（ k

13、g cm2 ）； J0 步進電機轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動慣量（ kgcm2 ）；J1 齒輪 1 的轉(zhuǎn)動慣量（ kg cm2 ）；J 2 齒輪 2 的轉(zhuǎn)動慣量（ kg cm2 ）；精品資料_J3 滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動慣量（kg cm2 ）； M移動部件質(zhì)量（kg ）。對材料為鋼的圓柱零件轉(zhuǎn)動慣量可按下式估算J0.78 10 3 D4 L kg cm2式中： D圓柱零件直徑（ cm ）； L零件長度（ cm）。所以根據(jù)滾珠絲杠的公稱直徑d0 ，總長 l ，導(dǎo)程 Ph ，材料密度7.8510 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

14、J1kg cm2 J2 kg cm2J3 kg cm2電機軸轉(zhuǎn)動慣量很小，可以忽略。nmvmax360p設(shè)步進電機由靜止到加速至nm 所需時間為 ta0.4s，傳動鏈總效率為Tf( FzG) Ph2i步進電機最大工作負(fù)載狀態(tài)下轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩Teq2 的計算Teq2Tt TfTt 是折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的最大工作負(fù)載轉(zhuǎn)矩；Tf 是移動部件運動時折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩。F f PhTt2 i( FzG) PhTfi2Teqmax Teq1,Teq2（ 3）步進電機最大靜轉(zhuǎn)距的選定考慮到步進電機的驅(qū)動電源受電網(wǎng)影響較大，當(dāng)輸入電壓降低時，其輸出轉(zhuǎn)矩會下精品資料_降，可能造成丟步，甚至堵轉(zhuǎn)。

15、因此，根據(jù)Teq 來選擇步進電機的最大靜轉(zhuǎn)距時，需要考慮安全系數(shù)。本設(shè)計取安全系數(shù)K=4 ，則步進電機的最大靜轉(zhuǎn)距應(yīng)滿足Tj max4Teq =（ 4）步進電機的最高工作頻率1000Vmax1000 3fmaxHZ60 p60 0.005綜上，選用 * 公司生產(chǎn)的 *系列 *型步進電。電機的有關(guān)參數(shù)如下所選步進電機參數(shù)主要技術(shù)數(shù)據(jù)外形尺寸 (mm)重量步距最最高空載 相數(shù)電壓電流外徑 長度 軸徑型 號角大靜啟動頻率(V )( A)( N )轉(zhuǎn)距( step/ s)N cm精品資料_三、控制系統(tǒng)設(shè)計以下內(nèi)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。3.1 電動機控制電氣原理圖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） 。精品資料_電動機正反轉(zhuǎn)控制電氣原理圖以上所用低壓電器為：停止按鈕 SB1（常閉），正傳按鈕 SB2（組合按鈕），反轉(zhuǎn)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）