數(shù)控X-Y工作臺設計

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1、精選優(yōu)質文檔-----傾情為你奉上 數(shù)控X-Y工作臺設計 目錄 4 4 4 7 8 12 12 12 14 15 15 1.引言： 現(xiàn)代科學技術的不斷發(fā)展，極大地推動了不同學科的交叉與滲透，導致了工程領域的技術革命與改造。在機械工程領域，由于微電子技術和計算機技術的迅速發(fā)展及其向機械工業(yè)的滲透所形成的機電一體化，使機械工業(yè)的技術結構、產(chǎn)

2、品機構、功能與構成、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“機電一體化”為特征的發(fā)展階段。 X-Y數(shù)控工作臺是許多機電一體化設備的基本部件，如數(shù)控車床的縱—橫向進刀機構、數(shù)控銑床和數(shù)控鉆床的X-Y工作臺、激光加工設備的工作臺、電子元件表面貼裝設備等。 模塊化的X-Y數(shù)控工作臺，通常由導軌座、移動滑塊、工作、滾珠絲杠螺母副，以及伺服電動機等部件構成。其中伺服電動機做執(zhí)行元件用來驅動滾珠絲杠，滾珠絲杠螺母帶動滑塊和工作平臺在導軌上運動，完成工作臺在X、Y方向的直線移動。導軌副、滾珠絲杠螺母副和伺服電動機等均以標準化，由專門廠家生產(chǎn)，設計時只需根據(jù)工作載荷選取即可?？刂?/p>

3、系統(tǒng)根據(jù)需要，可以選取用標準的工作控制計算機，也可以設計專用的微機控制系統(tǒng)。 2.設計任務 題目：數(shù)控X-Y工作臺設計 任務：設計一種供應式數(shù)控銑床使用的X-Y數(shù)控工作臺，主要參數(shù)如下： 1. 立銑刀最大直徑的d=15mm； 2. 立銑刀齒數(shù)Z=3; 3. 最大銑削寬度=15mm; 4. 最大背吃刀量=7mm; 5. 加工材料為碳素鋼活有色金屬。 6. X、Y方向的脈沖當量=0.004mm; 7. X、Z方向的定位精度均為mm; 8. 加工范圍為200×150㎜; 9. 工作臺空載進給最快移動速度：; 10. 工作臺進給最快移動速度:;

4、 3.總體方案的確定 3.1 機械傳動部件的選擇 3.1.1導軌副的選用 腰設計數(shù)控車床工作臺，需要承受的載荷不大，而且脈沖當量小，定位精度高，因此選用直線滾動導軌副，它具有摩擦系數(shù)小，不易爬行，傳動效率高，結構緊，安裝預緊方便等優(yōu)點。 3.1.2絲杠螺母副的選用 伺服電動機的旋轉運動需要通過絲杠螺母副轉換成直線運動，需要滿足0.004mm沖當量和mm的定位精度，滑動絲杠副為能為力，只有選用滾珠絲桿副才能達到要求，滾珠絲桿副的傳動精度高、動態(tài)響應快、運轉平穩(wěn)、壽命長、效率高、預緊后可消除反向間隙。 3.1.3減速裝置的選用 選擇了步進電動機和滾珠絲桿副以后，為了圓整脈沖

5、當量，放大電動機的輸出轉矩，降低運動部件折算到電動機轉軸上的轉動慣量，可能需要減速裝置，且應有消間隙機構，選用無間隙齒輪傳動減速箱。 3.1.4伺服電動機的選用 任務書規(guī)定的脈沖當量尚未達到0.001mm，定位精度也未達到微米級，空載最快移動速度也只有因此3000mm/min，故本設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。 3.1.5檢測裝置的選用 選用步進電動機作為伺服電動機后，可選開環(huán)控制，也可選閉環(huán)控制。任務書所給的精度對于步進電動機來說還是偏高，為了確保電動機在運動過程中不受切削負載和電網(wǎng)的影響而失步，決定采用半閉環(huán)控制，擬在電動機的

6、尾部轉軸上安裝增量式旋轉編碼器，用以檢測電動機的轉角與轉速。增量式旋轉編碼器的分辨力應與步進電動機的步距角相匹配。 考慮到X、Y兩個方向的加工范圍相同，承受的工作載荷相差不大，為了減少設計工作量，X、Y兩個坐標的導軌副、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 控制系統(tǒng)的設計 1）設計的X-Z工作臺準備用在數(shù)控車床上，其控制系統(tǒng)應該具有單坐標定位，兩坐標直線插補與圓弧插補的基本功能，所以控制系統(tǒng)設計成連續(xù)控制型。 2）對于步進電動機的半閉環(huán)控制，選用MCS-51系列的8位單片機AT89S52作為控制系統(tǒng)的CPU，能夠滿足任務書給定的相關指標。

7、 3）要設計一臺完整的控制系統(tǒng)，在選擇CPU之后，還要擴展程序存儲器，鍵盤與顯示電路，I/O接口電路，D/A轉換電路，串行接口電路等。 4）選擇合適的驅動電源，與步進電動機配套使用。 3.3 繪制總體方案圖 總體方案圖如圖所示。 總體方案圖 4.機械傳動部件的計算與選型 4.1 導軌上移動部件的重量估算 按照下導軌上面移動部件的重量來進行估算。包括工件、夾具、工作臺、上層電動機、減速箱、滾珠絲杠副、導軌座等,估計重量約為800N 4.2 銑削力的計算 設零件的加工方式為立式銑削，采用硬質合金立銑刀，工件的材料為碳鋼。則由表3-7查得立銑時

8、的銑削力計算公式為： (6-11) 今選擇銑刀的直徑為d=15mm，齒數(shù)Z=3,為了計算最大銑削力，在不對稱銑削情況下，取最大銑削寬度為，背吃刀量=7mm ，每齒進給量，銑刀轉速。則由式（6-11）求的最大銑削力： 采用立銑刀進行圓柱銑削時，各銑削力之間的比值可由表查得，考慮逆銑時的情況，可估算三個方向的銑削力分別為：,，。圖3-4a為臥銑情況，現(xiàn)考慮立銑，則工作臺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配給工作臺的縱向，則縱向銑削力，徑向銑削力為。 4.3 直線滾動導軌副的計算與選型（縱向） 4.3.

9、1 塊承受工作載荷的計算及導軌型號的選取 工作載荷是影響直線滾動導軌副使用壽命的重要因素。本例中的X-Y工作臺為水平布置，采用雙導軌、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，則單滑塊所受的最大垂直方向載荷為： (6-12) 其中，移動部件重量Ｇ＝800N，外加載荷，代入式（6-12），得最大工作載荷=686N=0.686kN。 查表根據(jù)工作載荷=0.686kN，初選直線滾動導軌副的型號為KL系列的JSA-LG15型，其額定動載荷，額定靜載荷。 任務書規(guī)定加工范圍為200×150㎜，考慮工作行程應留有一定

10、余量，查表選取導軌的長度為520mm。 4.3.2 距離額定壽命L的計算 上述所取的KL系列JSA-LG25系列導軌副的滾道硬度為60HRC，工作溫度不超過C，每根導軌上配有兩只滑塊，精度為4級，工作速度較低，載荷不大。分別取硬度系數(shù)f=1.0，溫度系數(shù)f=1.00，接觸系數(shù)f=0.81，精度系數(shù)f=0.9，載荷系數(shù)f=1.5，代入式（3-33），得距離壽命： L= 遠大于期望值50Km，故距離額定壽命滿足要求。 4.4 滾珠絲杠螺母副的計算與選型 4.4.1 最大工作載荷Fm的計算 如前所述，在立銑時，工作臺受到進給方向的載荷（與絲杠軸線平行）Fx=1

11、408N,受到橫向載荷（與絲杠軸線垂直）Fy=320N，受到垂直方向的載荷（與工作臺面垂直）Fz=486N. 已知移動部件總重量G=800N，按矩形導軌進行計算，取顛覆力矩影響系數(shù)K=1.1，滾動導軌上的摩擦系數(shù)=0.005。求得滾珠絲杠副的最大工作載荷： Fm=KFx+(Fz+Fy+G)=[1.11408+0.005(486+320+800)]N1557N 4.4.2 最大動工作載荷FQ的計算 設工作臺在承受最大銑削力時的最快進給速度v=400mm/min，初選絲杠導程Ph=5mm,則此時絲杠轉速n=v/Ph=80r/min。 取滾珠絲杠的使用壽命T=15000h,代入L0=6

12、0Nt/106,得絲杠壽命系數(shù)L0=72（單位為：106r）。 查表，取載荷系數(shù)fw=1.2,滾道硬度為60HRC時，取硬度系數(shù)fH=1.0,代入式（3-23），求得最大動載荷： FQ= 4.4.3 初選型號 根據(jù)計算出的最大動載荷和初選的絲杠導程，選擇濟寧博特精密絲杠制造有限公司生產(chǎn)的G系列2005-3型滾珠絲杠副，為內循環(huán)固定反向器單螺母式，其公稱直徑為20mm，導程為5mm，循環(huán)滾珠為3圈*1系列，精度等級取5級，額定動載荷為9309N，大于FQ，滿足要求。 4.4.4 傳動效率η的計算 將公稱直徑d0=20mm,導程Ph=5mm,代入λ=arctan[Ph/(d0

13、)]，得絲杠螺旋升角λ=4°33′。將摩擦角ψ=10′，代入η=tanλ/tan(λ+ψ),得傳動效率η=96.4%。 4.4.5 剛度的驗算 (1) X-Y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-對推力角接觸球軸承，面對面組配，左、右支承的中心距約為a=500mm；鋼的彈性模量E=2.1х105Mpa;查表得滾珠直徑Dw=3.175mm，絲杠底徑d2=16.2mm,絲杠截面積S=/4=206.12m。 忽略式（3-25）中的第二項，算得絲杠在工作載荷Fm作用下產(chǎn)生的拉/壓變形量mm=0.0180mm.。 (2) 根據(jù)公式，求得單圈滾珠數(shù)Z=20；該

14、型號絲杠為單螺母，滾珠的圈數(shù)列數(shù)為31，代入公式Z圈數(shù)列數(shù)，得滾珠總數(shù)量=60。絲杠預緊時，取軸向預緊力/3=519N。則由式（3-27），求得滾珠與螺紋滾道間的接觸變形量mm。 因為絲杠有預緊力，且為軸向負載的1/3，所以實際變形量可以減少一半，取=0.0012mm。 (3) 將以上算出的和代入，求得絲杠總變形量（對應跨度500mm）=0.0192mm=19.2 本例中，絲杠的有效行程為330mm，由表知，5級精度滾珠絲杠有效行程在315~400mm時，行程偏差允許達到25，可見絲杠剛度足夠。 4.4.6 壓桿穩(wěn)定性校核 根據(jù)公式（3-28）計算失穩(wěn)時的臨界載荷FK。取支承系數(shù)

15、=1；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）；滾動螺母至軸向固定處的距離a取最大值500mm。代入式（3-28），得臨界載荷FK=1557N，故絲杠不會失穩(wěn)。 綜上所述，初選的滾珠絲杠副滿足使用要求。 4.5 步進電動機減速箱的選用 為了滿足脈沖當量的的設計要求，增大步進電動機的輸出轉矩，同時也為了使?jié)L珠絲杠和工作臺的轉動慣量折算到電動機軸上盡可能的小，今在步進電動機的輸出軸上安裝一套齒輪機減速，采用一級減速，步進電動機的輸出軸與齒輪相連，滾珠絲杠的軸頭與大齒輪相連。其中大齒輪設計成雙片結構。 已知工作臺的脈沖當量=

16、0.004mm/脈沖，滾珠絲杠的的導程Ph=5mm， 初選步進電動機的步距角=0.75°。根據(jù)式（3-12），算得減速比： =（0.755）/（3600.004）=25/10 本設計選用常州市新月電機有限公司生產(chǎn)的JBF-3型齒輪減速箱。大小齒輪模數(shù)均為1mm，齒數(shù)比為75：30，材料為45調質鋼，齒表面淬硬后達到55HRC。減速箱中心距為[（75+30）1/2]mm=57mm,小齒輪厚度為20mm，雙片大齒輪厚度均為10mm。 4.6 步進電動機的計算與選型 4.6.1 計算加在步進電動機轉軸上的總轉動慣量Jeq 已知：滾珠絲杠的公稱直徑d0=20mm，總長l=500m

17、m，導程Ph=5mm，材料密度=7.8510-5kg/;移動部件總重力G=800N；小齒輪齒寬b1=20mm.，直徑d1=30mm，大小齒輪齒寬b2=20mm，直徑d2=75mm；傳動比i=25/10。 如表4-1所示，算得各個零部件的轉動慣量如下： 滾珠絲杠的轉動慣量Js=0.617kg·cm2;拖板折算到絲杠上的轉動慣量Jw=0.517kg·cm2;小齒輪的轉動慣量Jz1=0.125 kg·cm2；大齒輪的轉動慣量Jz2=4.877 kg·cm2。 初選步進電動機的型號為90YBG2602,為兩相混合式，由常州寶馬集團公司生產(chǎn)，二相八拍驅動時的步距角為

18、0.75°，從表查得該型號的電動機轉子的轉動慣量Jm=4 kg·cm2。 則加在步進電動機轉軸上的總轉動慣量為： =5.087 kg·cm2 4.6.2 計算加在步進電動機轉軸上的等效負載轉矩Teq 分快速空載和承受最大負載兩種情況進行計算。 1) 快速空載起動時電動機轉軸所承受的負載轉矩由式（4-8）可知，包括三部分;一部分是快速空載起動時折算到電動機轉軸上的最大加速轉矩；一部分是移動部件運動時折算到電動機轉軸上的摩擦轉矩；還有一部分是滾珠絲杠預緊后折算到電動機轉軸上的附加摩擦轉矩。因為滾珠絲杠副傳動效率很高，根據(jù)式（4-12）可知，相對于和很小，可以忽略不計。則有： =+

19、 （6-13） 根據(jù)式（4-9），考慮傳動鏈的總效率，計算空載起動時折算到電動機轉軸上最大加速轉矩： = (6-14) 其中： =1562.5r/min (6-15) 式中—空載最快移動速度，任務書指定為3000mm/min； —步進電動機步距角，預選電動機為0.75； —脈沖當量，本例=0.004mm/脈沖。 設步進電機由靜止加速至所需時間，傳動鏈總效率。則由式（6-14）求得： = 由式（4-10）知，移動部件運動時，折算到電動機轉軸上的摩擦轉矩為： =

20、(6-16) 90BYG2602電動機的運行矩頻特性曲線 式中——導軌的摩擦因素，滾動導軌取0.005 ——垂直方向的銑削力，空載時取0 ——傳動鏈效率，取0.7 最后由式（6-13）求得快速空載起動時電動機轉軸所承受的負載轉矩： =+=0.2988Nm (6-17) 2) 最大工作負載狀態(tài)下電動機轉軸所承受的負載轉矩 由式（4-13）可知，包括三部分：一部分是折算到電動機轉軸上的最大工作負載轉矩；一部分是移動部件運動時折算到電動機轉軸上的摩擦轉矩；還有一部分是滾珠絲杠預緊后折算到電動機轉軸上的附加摩擦轉矩，相對于和很小，可以忽略不計。則

21、有： =+ （6-18） 其中折算到電動機轉軸上的最大工作負載轉矩由公式（4-14）計算。有： 再由式（4-10）計算垂直方向承受最大工作負載情況下，移動部件運動時折算到電動機轉軸上的摩擦轉矩： 最后由式（6-18），求得最大工作負載狀態(tài)下電動機轉軸所承受的負載轉矩： =+=0.643N/m （6-19） 最后求得在步進電動機轉軸上的最大等效負載轉矩為： 4.6.3 步進電動機最大靜轉矩的選定 考慮到步進電動機的驅動電源受電網(wǎng)電壓影響較大，當輸入電壓降低時，其輸出轉矩會下降，

22、可能造成丟步，甚至堵轉。因此，根據(jù)來選擇步進電動機的最大靜轉矩時，需要考慮安全系數(shù)。取K=4, 則步進電動機的最大靜轉矩應滿足： （6-20） 初選步進電動機的型號為90BYG2602，查得該型號電動機的最大靜轉矩=6Nm?？梢?，滿足要求。 4.6.4 步進電動機的性能校核 1)最快工進速度時電動機的輸出轉矩校核 任務書給定工作臺最快工進速度=400mm/min，脈沖當量/脈沖，由式（4-16）求出電動機對應的運行頻率。從90BYG2602電動機的運行矩頻特性曲線圖可以看出在此頻率下，電動機的輸出轉矩5.6Nm，遠遠大于最大工作負載轉矩=0.643Nm，滿足要求。 2

23、）最快空載移動時電動機輸出轉矩校核 任務書給定工作臺最快空載移動速度=3000mm/min，求出其對應運行頻率。在此頻率下，電動機的輸出轉矩=1.7Nm，大于快速空載起動時的負載轉矩=0.2988Nm，滿足要求。 3）最快空載移動時電動機運行頻率校核 與快速空載移動速度=3000mm/min對應的電動機運行頻率為。查表知90BYG2602電動機的空載運行頻率可達20000，可見沒有超出上限。 4）起動頻率的計算 已知電動機轉軸上的總轉動慣量，電動機轉子的轉動慣量，電動機轉軸不帶任何負載時的空載起動頻率。由式（4-17）可知步進電動機克服慣性負載的起動頻率為： 說明：要想保證

24、步進電動機起動時不失步，任何時候的起動頻率都必須小于。實際上，在采用軟件升降頻時，起動頻率選得更低，通常只有100。 綜上所述，本次設計中工作臺的進給傳動系統(tǒng)選用90BYG2602步進電動機，完全滿足設計要求。 5.增量式旋轉編碼器的選用 本設計所選步進電動機采用半閉環(huán)控制，可在電動機的尾部轉軸上安裝增量式旋轉編碼器，用以檢測電動機的轉角與轉速。增量式旋轉編碼器的分辨力應與步進電動機的步距角，可知電動機轉動一轉時，需要控制系統(tǒng)發(fā)出個步進脈沖?？紤]到增量式旋轉編碼器輸出的A、B相信號，可以送到四倍頻電路進行電子四細分，因此，編碼器的分辨力可選120線。這樣控制系統(tǒng)每發(fā)一個步進脈沖，

25、電動機轉過一個步距角，編碼器對應輸出一個脈沖信號。 此次設計選用的編碼器型號為：ZLK-A-120-05VO-10-H 盤狀空心型，孔徑10mm，與電動機尾部出軸相匹配，電源電壓+5V，每秒輸出120個A/B脈沖，信號為電壓輸出。 6. 繪制進給傳動系統(tǒng)示意圖 進給傳動系統(tǒng)示意圖如圖所示。 進給傳動系統(tǒng)示意圖 7．工作臺控制系統(tǒng)的設計 根據(jù)任務書的要求，設計控制系統(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） 接受操作面板的開關與按鈕信息； （3） 接受車床限位開關信號； （4） 接受電動卡盤夾緊信號與電動刀架刀位信號；

26、 （5） 控制X，Z向步進電動機的驅動器； （6） 控制主軸的正轉，反轉與停止； （7） 控制多速電動機，實現(xiàn)主軸有級變速； （8） 控制交流變頻器，實現(xiàn)主軸無級變速； （9） 控制切削液泵啟動/停止； （10） 控制電動卡盤的夾緊與松開； （11） 控制電動刀架的自動選刀； （12） 與PC機的串行通信。 X-Y數(shù)控工作臺的控制系統(tǒng)設計，控制系統(tǒng)根據(jù)需要，可以選取用標準的工作控制計算機，也可以設計專用的微機控制系統(tǒng)。本設計CPU選用ATMEL公司的8位單片機AT89S52，由于AT89S52本身資源有限，所以擴展了一片EPROM芯片W27C512用做程序存儲器，存放系統(tǒng)底層

27、程序；擴展了一片SRAM芯片6264用做數(shù)據(jù)存儲器，存放用戶程序；由于數(shù)控工作臺還需要加入銑刀運動控制和程序輸入等指令，所以除設置了X﹑Y方向的控制指令鍵，操作開停鍵，急停鍵和復位鍵等外還采用8279來管理擴展多種按鍵。8279是一種通用的可編程鍵盤顯示器接口芯片，它能完成鍵盤輸入和顯示控制兩種功能。鍵盤部分提供掃描工作方式，可與64個按鍵的矩陣鍵盤進行連接，能對鍵盤實行不間斷的自動掃描，自動消除抖動，自動識別按鍵并給出鍵值。顯示部分包括一組數(shù)碼顯示管和七只發(fā)光二極管。與PC機的串行通信經(jīng)過MAX233，可以采用PC機將編好的程序送入本系統(tǒng)?？刂撇竭M電動機的轉動需要三個要素：方向﹑轉角和轉速。

28、對于含有硬件環(huán)形分配器的驅動電源，方向取決于控制器送出的方向電頻的高低，轉角取決于控制送出的步進脈沖個數(shù)，而轉速則取決于控制器發(fā)出的步進脈沖的頻率。在步進電動的控制中，方向和轉角控制簡單，而轉速控制則比較復雜。由于步進電動的轉速正比于控制脈沖的頻率，所以對步進電動機脈沖頻率的調節(jié)，實質上就是對步進電動機的速度的調節(jié)。步進電動機的調頻的軟件延時和硬件定時。采用軟件延時法實現(xiàn)速度的調節(jié)，程序簡單，不占用其他硬件資源；缺點是控制電動機轉動的過程中，CPU不能做其他事。硬件定時要占用一個定時器。本設計沒有從硬件上布置，由于單片機功能強大，采用軟件延時。當步進電動機的運行頻率低于它本身的起動頻率時，步進

29、電動機可以用運行頻率直接起動，并以該頻率連續(xù)運行；需要停止的時候，可以從運行頻率直接降到零，無需升降頻控制。當步進電動機的運行頻率 （為步進電動機有載起動時的起動頻率）時，若直接用 起動，由于頻率太高，步進電動機會失步，甚至會丟步，甚至停轉；同樣在 頻率下突然停止，步進電動機會超程。因此，當步進電動機在運行頻率 下工作時，就需要采用升降頻控制，以使步進電動機從起動頻率開始，逐漸加速升到運行頻率 ，然后進入勻速運行，停止前的降頻可以看作是升頻的逆過程。雖然本設計采用了半閉環(huán)控制，加入了增量式編碼器作為反饋信號，但是在編程過程中仍需設計升降頻的部分，以使步進電動機運行平穩(wěn)、精確。根據(jù)需要，可編寫出

30、驅動步進電動機的程序。AT89S52指令與80C51指令完全兼容。 控制系統(tǒng)原理框圖如圖所示。 控制系統(tǒng)原理框圖 8.步進電動機的驅動電源選用 設計中X、Y向步進電動機均為90BYG2602型，生產(chǎn)廠家為常州寶馬集團公司。選擇與之匹配的驅動電源為BD28Nb型，輸入電壓為1000VAC，相電流為4A，分配方式為二相八拍。該驅動電源與控制器的接線方式如圖所示。 BD28Nb型驅動電源接線圖 9.致謝 在此感謝幫助我的同學和老師，這次課程設計的完成，離不開老師和同學的指導、幫助和鼓勵。通過這次的課程設計，我對學習了機電一體化系統(tǒng)設計方案的擬定有了一定的認識，對傳動元件和導向元件如滾珠絲杠螺母副等的工作原理，設計計算方案的工作原理，設計計算的選用原則，電動機的工作原則，選擇控制驅動方式都有了一定的認識。在今后的學習生活中，這次課程設計的經(jīng)歷將起到重要幫助作用。 近兩年的學習就要告一段落，感謝那些愛我的人真誠的陪伴…… 參考文獻 （1）機電一體化系統(tǒng)課程設計指導書 尹志強等編著 北京:機械工業(yè)出版社 （2）機電一體化系統(tǒng)設計 曾勵主編 北京:高等教育出版社 專心---專注---專業(yè)