XY工作臺(tái)課程設(shè)計(jì)

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1、 目錄 一、設(shè)計(jì)的目的 3 二、設(shè)計(jì)任務(wù) 3 三、設(shè)計(jì)主要步驟 4 1、確定設(shè)計(jì)總方案 4 ⑴、機(jī)械傳動(dòng)部件的選擇 4 ①、絲杠螺母副的選擇 4 ②、導(dǎo)軌副的選用 4 ③、伺服電機(jī)的選用 4 ④、減速裝置的選用 5 ⑵、控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 5 2、機(jī)械傳動(dòng)部件的計(jì)算和選擇 5 ⑴、導(dǎo)軌上移動(dòng)部件的重量估算 5 ⑵、計(jì)算切削力 5 ⑶、滾珠絲杠傳動(dòng)設(shè)計(jì)計(jì)算及校驗(yàn) 7 ①、最大工作載荷的計(jì)算 7 ②、最大計(jì)算動(dòng)載荷的確定 7 ③、規(guī)格型號(hào)的初選 8 ④、傳動(dòng)效率的計(jì)算 9 ⑤、剛度的驗(yàn)算 9 ⑥、穩(wěn)定性的驗(yàn)算 10 ⑦、臨界轉(zhuǎn)速的驗(yàn)算 11 ⑧、滾珠絲

2、杠的選型及安裝連接尺寸的確定 12 ⑷、步進(jìn)電機(jī)的傳動(dòng)計(jì)算及電動(dòng)機(jī)的選用 12 ①、傳動(dòng)計(jì)算 12 ②、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的計(jì)算和選型 12 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。 12 ②、步進(jìn)電機(jī)軸上的等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩M的計(jì)算 13 ③、步進(jìn)電機(jī)的初選 15 ④、步進(jìn)電機(jī)性能校核 17 3、滾動(dòng)導(dǎo)軌的設(shè)計(jì)計(jì)算 18 ①、工作載荷的計(jì)算 18 ②、小時(shí)額定工作壽命的計(jì)算 18 ③、距離額定壽命計(jì)算 19 ④、額定動(dòng)載荷計(jì)算 19 ⑤、產(chǎn)品選型 19 4、其余附件的選擇 20 ⑴、聯(lián)軸器的選擇 20 四、控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 21 1、進(jìn)給控制系統(tǒng)原理框圖 21 2、驅(qū)動(dòng)電

3、路流程設(shè)計(jì) 21 3、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 22 五、參考文獻(xiàn) 24 六、總結(jié)體會(huì) 25 一、設(shè)計(jì)的目的 《數(shù)控機(jī)床》課程設(shè)計(jì)是一個(gè)重要的時(shí)間性教學(xué)環(huán)節(jié)，要求學(xué)生綜合的運(yùn)用所學(xué)的理論知識(shí)，獨(dú)立進(jìn)行的設(shè)計(jì)訓(xùn)練，主要目的： 1、 通過(guò)設(shè)計(jì)，使學(xué)生全面地、系統(tǒng)地了解和掌握數(shù)控機(jī)床的基本組成及其想怪知識(shí)，學(xué)習(xí)總體的方案擬定、分析與比較的方法。 2、 通過(guò)對(duì)機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，掌握幾種典型傳動(dòng)元件與導(dǎo)向元件的工作原理、設(shè)計(jì)計(jì)算及選用的方式 3、 通過(guò)對(duì)機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，掌握常用伺服電機(jī)的工作原理、計(jì)算控制方法與控制驅(qū)動(dòng)方式 4、 培養(yǎng)學(xué)生

4、獨(dú)立分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力，學(xué)習(xí)并樹(shù)立“系統(tǒng)設(shè)計(jì)”的思想 5、 鍛煉提高學(xué)生應(yīng)用手冊(cè)和標(biāo)準(zhǔn)、查閱文獻(xiàn)資料及撰寫(xiě)科技論文的能力 二、設(shè)計(jì)任務(wù) 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： 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=15mm 最大背吃刀量=8mm，加工材料為碳素鋼或有色金屬。 2、X、Z方向的定位精度均為0.02mm。 3、工作臺(tái)面尺寸為，加工范圍為; 4、工作臺(tái)空載進(jìn)給最快移動(dòng)速度：，工作臺(tái)進(jìn)給最快移動(dòng)速度:，加減速0.4s 三、設(shè)計(jì)主要步驟 1、確定設(shè)計(jì)總方案 ⑴、機(jī)械傳動(dòng)部件的選擇 ①、絲杠螺母

5、副的選擇 根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)要求,此立式數(shù)控銑床工作臺(tái)為小型工作臺(tái),要求X、Y方向的定位精度均為，電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)需要通過(guò)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，精度要求較高，現(xiàn)選用滾珠絲桿副。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。 滾珠絲杠螺母副的結(jié)構(gòu)：根據(jù)條件要求,選用內(nèi)循環(huán)的形式，內(nèi)循環(huán)的回路短,滾珠數(shù)目少,流暢性好,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,適用于各

6、種高靈敏、高剛度的精密進(jìn)給定位系統(tǒng)。 滾珠絲杠螺母副的預(yù)緊：由于次立式工作臺(tái)有一定的定位精度要求，載荷不大，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，尺寸緊湊，但調(diào)整不方便。 滾珠絲杠螺母副的支撐及軸端形式：由于絲杠為臥式安裝，工作臺(tái)行程不長(zhǎng)，其最快的移動(dòng)速度為，所需的轉(zhuǎn)速不高，且有一定的精度要求，故可以采用一端固定，一端游動(dòng)的支承形式。 ②、導(dǎo)軌副的選用 要設(shè)計(jì)X-Y數(shù)控車床工作臺(tái)用來(lái)配套立式數(shù)控銑床，需要承受的載荷不大，行程短，而且脈沖當(dāng)量小，定位精度適中，因此選用直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副，它具有運(yùn)動(dòng)靈敏度高，牽引力小，移動(dòng)輕便；定位精度高，磨損小，無(wú)爬行現(xiàn)象，精度保持性好，潤(rùn)滑系

7、統(tǒng)簡(jiǎn)單，維修方便，。 ③、伺服電機(jī)的選用 設(shè)計(jì)要求工作臺(tái)的X、Y方向的定位精度均為，精度要求較高，現(xiàn)初選混合式步進(jìn)電機(jī)作為伺服驅(qū)動(dòng)電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，維修方便，成本低，性價(jià)比高，可以滿足設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)的傳動(dòng)要求。選用步進(jìn)電機(jī)以后，可以選開(kāi)環(huán)控制，也可選半閉環(huán)和閉環(huán)控制。由于開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)可以達(dá)到的精度，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作穩(wěn)定、使用維修方便及成本低等優(yōu)點(diǎn)，可以滿足任務(wù)書(shū)精度要求，且開(kāi)環(huán)控制能夠確保電動(dòng)機(jī)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中不受切削負(fù)載和電網(wǎng)的影響而失步。 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

8、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。 ⑵、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(kāi)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(shū)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，D/A轉(zhuǎn)換電路，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。 2、機(jī)械傳動(dòng)部件的計(jì)算和選擇 ⑴、導(dǎo)軌上移

9、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(lái)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。 ⑵、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d 立銑刀齒數(shù)Z 最大切削寬度 最大背吃刀量 15mm 3 15mm 8mm 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。則由由<金屬切削原理與刀具>中P166頁(yè)查得立銑切削力計(jì)算公式為： （1） 由【5】中P13頁(yè)的表中，

10、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=0.12mm 則銑刀轉(zhuǎn)速n= 則由（1）式求的最大銑削力： 銑削功率 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《金屬切削原理與刀具》表10-1查得，各銑削力之間的比值范圍如下： =(1.0~1.2) /=(0.2~0.3) /=（0.35~0.4） 1.1 0.25 0.38 考慮逆銑時(shí)的情況，可估算三個(gè)方向的銑削力分別為： 進(jìn)給力：； 背向力：； 垂直進(jìn)給力：。 考慮立銑，工作臺(tái)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

11、配給工作臺(tái)的縱向，則縱向銑削力，徑向銑削力為。 ⑶、滾珠絲杠傳動(dòng)設(shè)計(jì)計(jì)算及校驗(yàn) 滾珠絲杠的選擇包括其精度選擇、尺寸規(guī)格、支承方式等幾個(gè)方面的內(nèi)容。滾珠絲杠副的承載能力用額定動(dòng)載荷和額定靜載荷來(lái)表示，在設(shè)計(jì)中一般按額定動(dòng)載荷來(lái)確定它的尺寸規(guī)格。 ①、最大工作載荷的計(jì)算 如前所述，在立銑時(shí)，工作臺(tái)受到進(jìn)給方向的載荷（與絲杠軸線平行）Fx=1736N,受到橫向載荷（與絲杠軸線垂直）Fy=395N，受到垂直方向的載荷（與工作臺(tái)面垂直）Fz=584N。 已知移動(dòng)部件總重量G=800N，絲杠承受按滾動(dòng)導(dǎo)軌計(jì)算，由《數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)實(shí)踐指南》中P114頁(yè)，取動(dòng)載荷系數(shù)K=1.1，滾動(dòng)導(dǎo)軌上的摩擦系數(shù)查

12、《畢業(yè)設(shè)計(jì)寶典》中P34可知u=0.0025—0.005,現(xiàn)取u=0.005，求得滾珠絲杠副的最大工作載荷： =1.11736+0.005(395+584+800) =1918.5N ②、最大計(jì)算動(dòng)載荷的確定 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=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)《數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)實(shí)踐指南》中P114，公式4—13得： = 其中： T——使用壽命14400 h ；N——循環(huán)次數(shù)；——滾珠絲杠的當(dāng)量轉(zhuǎn)速 80r/min

13、 求得：（） 查《數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)實(shí)踐指南》中P114，表4-14、4-15得，受中等沖擊載荷取值范圍，現(xiàn)取，滾道硬度為60HRC時(shí)，硬度影響系數(shù)取值，由《數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)實(shí)踐指南》中P114，式4-12 代入數(shù)據(jù)得： 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《數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)實(shí)踐指南》P150頁(yè)的表F-8，初選絲杠為內(nèi)循環(huán)、浮動(dòng)反相器、螺母墊片預(yù)緊。型號(hào)為SFI2505-4的滾珠絲杠。其具體參數(shù)如下： 型號(hào) d l Da D A B L W H X Y Z Q n Ca(kgf) Coa(kgf) K SFI2505-4

14、 25 5 3.175 40 63 11 51 51 46 5.5 9.5 5.5 M8 4 1280 3110 35 額定動(dòng)載荷為1280kgf=12.8KN，大于最大計(jì)算動(dòng)載荷=9.5KN，小于額定動(dòng)載荷，滿足要求。 絲杠長(zhǎng)度:絲杠螺紋部分長(zhǎng)度 等于工作臺(tái)最大行程（250mm）加螺母長(zhǎng)度（43mm）加兩端余程（28.5mm），即 精度等級(jí)的選擇：根據(jù)開(kāi)環(huán)系統(tǒng)中使用的滾珠絲杠，任意300mm行程變動(dòng)量V300p應(yīng)小于目標(biāo)設(shè)計(jì)定位精度的1/3-1/2，由于設(shè)計(jì)要求定位精度為0.02mm，查手冊(cè)《數(shù)控機(jī)床課程設(shè)計(jì)》P40頁(yè)表選擇精度等級(jí)為4級(jí)的精度。 ④、

15、傳動(dòng)效率的計(jì)算 將公稱直徑,導(dǎo)程,代入，得絲杠螺旋升角。將摩擦角，代入,得傳動(dòng)效率。 ⑤、剛度的驗(yàn)算 絲杠拉壓剛度：它與絲杠螺母機(jī)構(gòu)的安裝形式有關(guān)。由于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《數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)指南》P116找到： 式中：E——彈性模量（MPa），一般取E=2.1105MPa d2——滾珠絲杠的底徑（mm） a——滾珠絲杠的螺母中心到固定端支撐中心的距離（mm） 滾珠絲杠螺母副的軸向接觸剛度KN：由滾珠絲杠螺母副接觸變形可以計(jì)算出軸向接觸剛度。由于選用了標(biāo)準(zhǔn)的

16、滾珠絲杠，其值為 軸承的接觸剛度：角接觸球軸承的軸向剛度按下式計(jì)算 式中：z——滾動(dòng)體個(gè)數(shù)，這里Z=15；a——接觸角，這里為60度 Db ——滾動(dòng)體直徑，這里為9.25mm；FB ——軸向預(yù)緊力，這里為584N 故 系統(tǒng)總剛度K： ， 得 X-Y工作臺(tái)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(duì)推力角接觸球軸承，面對(duì)面組配，左、右支承的中心距約為；鋼的彈性模量；查表得滾珠直徑Dw=3mm，絲杠底徑d2=21.9mm,絲杠截面積。查《機(jī)床實(shí)用設(shè)計(jì)手冊(cè)》算得絲杠在工作載荷作用下產(chǎn)生的拉/壓變形量 根據(jù)公式，求得單圈滾珠數(shù)

17、Z=19；該型號(hào)絲杠為單螺母，滾珠的圈數(shù)列數(shù)為，代入公式Z圈數(shù)列數(shù)，得滾珠總數(shù)量=114。絲杠預(yù)緊時(shí)，取軸向預(yù)緊力/3=639.5N。由下式求得滾珠與螺紋滾道間的接觸變形量 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=0.00425mm。 將以上算出的和代入，求得絲杠總變形量（對(duì)應(yīng)跨度500mm）=0.01395mm=13.95。 本例中絲杠的有效行程為400mm，查表知4級(jí)精度滾珠絲杠有效行程在400~800mm時(shí)，行程偏差允許達(dá)到40，可見(jiàn)絲杠剛度足夠。 ⑥、穩(wěn)定性的驗(yàn)算 根據(jù)《數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)指南》中式4-18 ： 。 式中： ； ——

18、絲杠公稱直徑；——滾珠直徑； ——絲杠最大受壓長(zhǎng)度 ——絲杠支承方式系數(shù)，在此由于為一端固定，一端游動(dòng)，取=2.0 故 此計(jì)算值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)載荷，故可用。 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(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400mm。 代入公式，得P=14896kg.f=14896N大于=7533N，故不會(huì)失穩(wěn)，滿足使用要求。 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，由《數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)實(shí)踐指南》中P115式4-19得：

19、其中 24-1.23.175=20.8mm 為臨界轉(zhuǎn)速計(jì)算長(zhǎng)度 為絲杠支承方式系數(shù)=3.927（一端固定，一端游動(dòng)） 代入數(shù)據(jù)得： 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。 ⑧、滾珠絲杠的選型及安裝連接尺寸的確定 絲杠長(zhǎng)度:絲杠螺紋部分長(zhǎng)度 等于工作臺(tái)最大行程（250mm）加螺母長(zhǎng)度（43mm）加兩端余程（28.5mm），即 支撐跨距L1：略大于，取L1=400 ⑷、步進(jìn)電機(jī)的傳動(dòng)計(jì)算及電動(dòng)機(jī)的選用 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)

20、機(jī)的步距角α=0.72。由【1】中P121式5-18得： 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。 總轉(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。 ⅰ、滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J 由《數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)實(shí)踐指南》中P119式5-2得： 式中： D為絲杠公稱直徑D=25mm ；L為絲杠長(zhǎng)度L=350mm ； 代入數(shù)據(jù)，得：J=0.772056010=1.0510-4kg.㎡ ii、工作臺(tái)拆算到絲杠上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 由【《數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)實(shí)踐指南》中P119式5-3得： 其中：

21、M為工作臺(tái)的（包括工件）的質(zhì)量M==81.6kg：P為絲杠螺距P=5mm 代入數(shù)據(jù)，得： iii、絲杠拆算到電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：根據(jù)《數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)實(shí)踐指南》P120表5-2，根據(jù)絲杠的選擇類型，可知其轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 所以 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1/4——1之間， 由此可見(jiàn):,符合慣量匹配要求。 ②、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

22、矩，由《數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)指南》中P121式5-10得： 加速力矩 其中: 為折算到電動(dòng)機(jī)軸上的總慣量 T系統(tǒng)時(shí)間常數(shù)，由任務(wù)書(shū)知為T=0.4S ；切削時(shí)的轉(zhuǎn)速為300r/min 得： Nm 摩擦力矩 其中： 為導(dǎo)軌摩擦力 ；； S為絲杠螺距S=5mm ；i為齒輪降速比，已計(jì)算出為1； η為傳動(dòng)鏈總效率，η=0.7—0.85，取0.8 代入數(shù)據(jù) 得： Nm 附加摩擦力矩 其中 ：為最大軸向載荷，； 為滾珠絲杠未預(yù)緊時(shí)的效率，=0.958≥0.9 ； 其余數(shù)據(jù)同上 代入數(shù)據(jù) 得： Nm 切削

23、力矩 其中：進(jìn)給方向的最大切削力，其余參數(shù)同上。 代入數(shù)據(jù)得： Nm 由此都得到等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩 Nm b、快速空載時(shí)電動(dòng)機(jī)所需力矩M 由《數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)指南》中P121式5-9得： 加速力矩其中： 其余參數(shù)同上 帶入數(shù)據(jù)得： 力矩摩擦 其中：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：Nm 附加摩擦力矩：；參數(shù)同上 代入數(shù)據(jù)得： 所以可知快速空載時(shí)點(diǎn)擊所需力矩： =0.0588+0.0668+0.044=0.1696 Nm 比較和，取其較大者，就是最大等效負(fù)載，即：==1

24、.584N.M ③、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)λ，取λ=3，則步進(jìn)電機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩應(yīng)滿足： 由網(wǎng)上http://www.syn- 規(guī)格型號(hào) 相數(shù) 步距角 (O) 靜態(tài)相電流(A) 相電阻（） 保持轉(zhuǎn)矩（Nm） 定位轉(zhuǎn)矩（Nm） 空載啟動(dòng)頻率（KHz） 重量（Kg） 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（gcm2） 90BYG550C 5 0.72 3 1.6 6.0 1.0 2.4 4.6 8000 最大轉(zhuǎn)矩 可知滿足要求。

25、實(shí)體圖如下： ④、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(shū)給定工作臺(tái)最快工進(jìn)速度=400mm/min，脈沖當(dāng)量/脈沖，求出電動(dòng)機(jī)對(duì)應(yīng)的運(yùn)行頻率。從90BYG550C電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行矩頻特性曲線圖可以看出在此頻率下，電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩4Nm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于最大工作負(fù)載轉(zhuǎn)矩=1.584Nm，滿足要求。 b、最快空載移動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩校核 任務(wù)書(shū)給定工作臺(tái)最快空載移動(dòng)速度=3000mm/min，求出其對(duì)應(yīng)運(yùn)行頻。由圖查得，在此頻率下，電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩=3.5Nm，大于快速空載起動(dòng)時(shí)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩=0.1696Nm，滿足要求。 c、最快空載移動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行頻率校核

26、 與快速空載移動(dòng)速度=3000mm/min對(duì)應(yīng)的電動(dòng)機(jī)運(yùn)行頻率為。查圖3中相應(yīng)表格，可知90BYG550C電動(dòng)機(jī)的空載運(yùn)行頻率可達(dá)50000，可見(jiàn)沒(méi)有超出上限。 d、起動(dòng)頻率的計(jì)算 已知電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸不帶任何負(fù)載時(shí)的空載起動(dòng)頻率。由式可知步進(jìn)電動(dòng)機(jī)克服慣性負(fù)載的起動(dòng)頻率為： 說(shuō)明：要想保證步進(jìn)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)不失步，任何時(shí)候的起動(dòng)頻率都必須小于。實(shí)際上，在采用軟件升降頻時(shí)，起動(dòng)頻率選得更低，通常只有。 綜上所述，本次設(shè)計(jì)中工作臺(tái)的進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)選用90BYG550C步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，完全滿足設(shè)計(jì)要求。它的結(jié)構(gòu)尺寸如下圖： 3、滾動(dòng)導(dǎo)軌的設(shè)計(jì)計(jì)算

27、 ①、工作載荷的計(jì)算 工作載荷是影響導(dǎo)軌副壽命的重要因素，對(duì)于水平布置的十字工作臺(tái)多采用雙導(dǎo)軌、四滑塊的支承形式?？紤]最不利的情況，即垂直于臺(tái)面的工作載荷全部由一個(gè)滑塊承擔(dān)，則單滑塊所承受的最大垂直方向載荷為： 其中，移動(dòng)部件重量G=800N,外加載荷F==584N 代入上式，得： ②、小時(shí)額定工作壽命的計(jì)算 預(yù)期工作臺(tái)的工作壽命為5年，一年365天，取工作時(shí)間為360天，每天工作8小時(shí)，因此得到小時(shí)額定工作壽命 ③、距離額定壽命計(jì)算 由公式，從而得到 式中：為小時(shí)額定工作壽命；n為移動(dòng)件每分鐘往復(fù)次數(shù)（4—6）取5 S為移動(dòng)件行程長(zhǎng)度，由加工范圍為2

28、50mm250mm取520mm 代入數(shù)據(jù) 得： ④、額定動(dòng)載荷計(jì)算 由公式 ，從而得到： 式中：為額定動(dòng)載荷；L為距離工作壽命，由上式可知為4493km F為滑塊的工作載荷，由上式可知為784N 代入數(shù)據(jù)得： ⑤、產(chǎn)品選型 根據(jù)額定動(dòng)載荷，選擇滾動(dòng)導(dǎo)軌，查滾動(dòng)導(dǎo)軌生產(chǎn)廠家，選用南京工藝裝備制造有限公司的GGB B A四方向等載荷窄型滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副型號(hào)為GGB16BA，相關(guān)尺寸如下圖4所示，（參考網(wǎng)址： 可知其額定動(dòng)載荷C=8.51KN，大于7.023KN，故可知滿足要求。 4、其余附件的選擇 ⑴、聯(lián)軸器的選擇 剛性聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，制造容易， 免維

29、護(hù)，超強(qiáng)抗油以及耐腐蝕，即使承受負(fù)載時(shí)也無(wú)任何回轉(zhuǎn)間隙，即便是有偏差產(chǎn)生負(fù)荷時(shí)，剛性聯(lián)軸器還是剛性傳遞扭矩。適用于安裝底座剛性好、對(duì)中精度較高、沖擊載荷不大、對(duì)減振要求不高的中小功率軸系傳動(dòng)。根據(jù)選出的電機(jī)和絲杠的參數(shù)，選用沈陽(yáng)光宇科技有限公司的韓國(guó)YHB剛性聯(lián)軸器,型號(hào)為P-58-20-20。（參考網(wǎng)址 型號(hào) d1 d2 D L L1 PCD 螺紋螺栓 最大扭距kgfm 最大推力kgf 最高轉(zhuǎn)速rpm 螺栓鎖緊扭矩kgfm P-58-20-20 20 20 53 56 61 41 M6506 98.1 9.81 14500 17.7 四

30、、控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 根據(jù)任務(wù)書(shū)的要求，設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的時(shí)主要考慮以下功能： （1） 接受操作面板的開(kāi)關(guān)與按鈕信息； （2） 接受限位開(kāi)關(guān)信號(hào)； （3） 控制X，Y向步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)器； （4） 與PC機(jī)的串行通信。 CPU選用MCS-51系列的8位單片機(jī)AT89S52，采用8279，和W27C512，6264芯片做為I/O和存儲(chǔ)器擴(kuò)展芯片。W27C512用做程序存儲(chǔ)器，存放監(jiān)控程序；6264用來(lái)擴(kuò)展AT89S52的RAM存儲(chǔ)器存放調(diào)試和運(yùn)行的加工程序；8279用做鍵盤和LED顯示器借口，鍵盤主要是輸入工作臺(tái)方向，LED顯示器顯示當(dāng)前工作臺(tái)坐標(biāo)值；系統(tǒng)具有超程報(bào)警功能，并有越位開(kāi)關(guān)和報(bào)

31、警燈；其他輔助電路有復(fù)位電路，時(shí)鐘電路，越位報(bào)警指示電路。 1、進(jìn)給控制系統(tǒng)原理框圖 2、驅(qū)動(dòng)電路流程設(shè)計(jì) 步進(jìn)電機(jī)的速度控制比較容易實(shí)現(xiàn)，而且不需要反饋電路。設(shè)計(jì)時(shí)的脈沖當(dāng)量為0.01mm，步進(jìn)電機(jī)每走一步，工作臺(tái)直線行進(jìn)給0.01mm。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路中采用了光電偶合器，它具有較強(qiáng)的抗干擾性，而且具有保護(hù)CPU的作用，當(dāng)功放電路出現(xiàn)故障時(shí)，不會(huì)將大的電壓加在CPU上使其燒壞。 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路圖 該電路中的功放電路是一個(gè)單電壓功率放大電路，當(dāng)A相得電時(shí)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一步。電路中與繞組并聯(lián)的二極管D起到續(xù)流作用，即在功放管截止是，使儲(chǔ)存在繞組中的能量通過(guò)二極管形成續(xù)流回路泄放

32、，從而保護(hù)功放管。與繞組W串聯(lián)的電阻為限流電阻，限制通過(guò)繞組的電流不至超過(guò)額定值，以免電動(dòng)機(jī)發(fā)熱厲害被燒壞。 由于步進(jìn)電機(jī)采用的是五相十拍的工作方式（五個(gè)線圈A、B、C、D、E），其正轉(zhuǎn)時(shí)通電順序?yàn)椋篈-AB-B-BC-C-CD-D-DE-E-EA-A……….其反轉(zhuǎn)的通電順序?yàn)椋篈-AE-E-ED-D-DC-C-CB-B-BA-A………。 3、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 設(shè)計(jì)中X、Y向步進(jìn)電動(dòng)機(jī)均為90BYG550C型。查步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的資料，選擇與之匹配的驅(qū)動(dòng)電源為BD28Nb型，輸入電壓為80V AC，相電流為6A，分配方式為五相十拍。該驅(qū)動(dòng)電機(jī)接線圖如下： ：

33、 五、參考文獻(xiàn) 【1】、文懷興、夏田 .《數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)設(shè)計(jì)》 北京：北京化工出版社，2005. 【2】、韓榮第 .《金屬切削原理與刀具》 哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2007. 【3】、李洪 .《機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)》北京：遼寧科學(xué)技術(shù)出版社，1999. 【4】、陳家芳.《金屬切削工藝手冊(cè)》 上海：上?？茖W(xué)技術(shù)出版社, 2005. 【5】、楊建明. 《數(shù)控加工工藝與編程》北京：北京理工大學(xué)出版社，2009. 【6】、張新義.《經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)設(shè)計(jì)》北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000 【7】、尹志強(qiáng).《機(jī)電一體化系統(tǒng)課程設(shè)

34、計(jì)指導(dǎo)書(shū)》北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2007. 【8】. 孫波.《畢業(yè)設(shè)計(jì)寶典》.西安電子科技大學(xué)出版社 【9】.文懷興.《數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)實(shí)踐指南》.化學(xué)工業(yè)出版社.第一版 【10】.王愛(ài)玲.《現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床伺服及檢測(cè)技術(shù)》.國(guó)防工業(yè)出版社第三版 六、總結(jié)體會(huì) 通過(guò)本次對(duì)X-Y數(shù)控工作臺(tái)的機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)，由設(shè)計(jì)任務(wù)給定的工作尺寸，設(shè)計(jì)一種供應(yīng)式數(shù)控銑床的X-Y數(shù)控工作臺(tái)。這是一個(gè)比較具有實(shí)際意義的設(shè)計(jì)演練，不光是針對(duì)畢業(yè)設(shè)計(jì)前的一次預(yù)演，更是進(jìn)入社會(huì)前的一次實(shí)際生產(chǎn)設(shè)計(jì)。 在本次設(shè)計(jì)中讓我進(jìn)一步的理解到機(jī)械與電子聯(lián)系的緊密性，初步掌握了機(jī)電一體化產(chǎn)品

35、的設(shè)計(jì)過(guò)程。就本次機(jī)電一體化產(chǎn)品設(shè)計(jì)來(lái)談?wù)勗O(shè)計(jì)思路： 首先，確定總體設(shè)計(jì)方案：其中主要對(duì)導(dǎo)軌副、絲杠螺母副、檢測(cè)裝置的選用及控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行初步分析，再繪制總體方案圖。 其次，進(jìn)行機(jī)械傳動(dòng)部件的計(jì)算與選擇：主要進(jìn)行導(dǎo)軌上移動(dòng)部件的重量估算，銑削力的計(jì)算，直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副的計(jì)算與選型，滾珠絲杠螺母副的計(jì)算與選型，步進(jìn)電機(jī)減速箱的選用，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的計(jì)算與選型。本部分作為此設(shè)計(jì)重點(diǎn)，進(jìn)行了大量的分析、計(jì)算及驗(yàn)算，最后得到了滿足任務(wù)規(guī)定尺寸的工作要求。 再次，選用檢測(cè)裝置。本設(shè)計(jì)中選用了增量式旋轉(zhuǎn)編碼器，確定電路為觀電隔離電路，以此來(lái)對(duì)工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，從而在反饋后對(duì)工作臺(tái)進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整。

36、 最后，控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。此處主要通過(guò)進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)來(lái)對(duì)硬件電路進(jìn)行設(shè)計(jì)，并繪制控制系統(tǒng)原理框圖；然后分析選用了步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電源。 在老師的指導(dǎo)下和與同學(xué)的討論中，最后通過(guò)自己的努力終于完成了本次設(shè)計(jì)任務(wù)，盡管在本次設(shè)計(jì)中間遇到了不少問(wèn)題，如滾珠絲杠螺母副的選擇與電動(dòng)機(jī)的選擇過(guò)程中，在開(kāi)始的設(shè)計(jì)中選擇的型號(hào)總是在驗(yàn)算過(guò)程中被推翻，此時(shí)又不得不一次次重新開(kāi)始，后來(lái)通過(guò)一次次的調(diào)整，最后終于得到了滿意的結(jié)果。通過(guò)這樣的一個(gè)過(guò)程，讓我們不僅鍛煉了自己的能力，檢驗(yàn)了自己所學(xué)的知識(shí)，還讓我們認(rèn)識(shí)到了自己的不足。有了這個(gè)經(jīng)驗(yàn)對(duì)以后我們完善自己的不足是很具有指導(dǎo)意義的；另外，也會(huì)讓我們更快的適應(yīng)以后的工作。 26