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大 學(xué)
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）
XY工作臺與控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
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摘 要
一個較完善的機(jī)電一體化系統(tǒng)，應(yīng)包含以下幾個基本要素：機(jī)械本體、動力與驅(qū)動部分、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、傳感測試部分、控制及信息處理部分。機(jī)電一體化是系統(tǒng)技術(shù)、計(jì)算機(jī)與信息處理技術(shù)、自動控制技術(shù)、檢測傳感技術(shù)、伺服傳動技術(shù)和機(jī)械技術(shù)等多學(xué)科技術(shù)領(lǐng)域綜合交叉的技術(shù)密集型系統(tǒng)工程。新一代的CNC系統(tǒng)這類典型機(jī)電一體化產(chǎn)品正朝著高性能、智能化、系統(tǒng)化以及輕量、微型化方向發(fā)展。
關(guān)鍵字：機(jī)電一體化的基礎(chǔ) 基本組成要素 特點(diǎn) 發(fā)展趨勢
Abstract
A perfect integration of machinery system, should contain the following several base elements: Basic machine, power and actuation part, implementing agency, sensing measurement component, control and information processing part. The integration of machinery is the system technology, the computer and the information processing and management technology, the automatic control technology, the examination sensing technology, the servo drive technology and the mechanical skill and so on multi-disciplinary area of technology synthesis overlapping technology-intensive systems engineering. New generation's CNC system this kind of model integration of machinery product toward the high performance, the intellectualization, the systematization as well as the featherweight, the microminiaturized direction develops.
key words: Integration of machinery foundation basic component elements characteristic trend of development.
目 錄
第一章 滾珠絲杠副的選擇………………………………………… 3
1.1 滾珠絲杠副的支撐形式………………………………………… 3
1.2 滾珠絲杠副的特點(diǎn)……………………………………………… 3
1.3 滾珠絲杠副的設(shè)計(jì)計(jì)算………………………………………… 4
1.4 選擇滾珠絲杠副………………………………………………… 5
1.5 穩(wěn)定性驗(yàn)算…………………………………………………… 7
1.6 剛度驗(yàn)算……………………………………………………… 8
1.7 效率驗(yàn)算……………………………………………………… 9
第二章 導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)……………………………………………10
2.1導(dǎo)軌的功用………………………………………………………10
2.2、 滾動直線導(dǎo)軌的選擇程序………………………………………10
2.2、 直線運(yùn)動滾動支承系統(tǒng)負(fù)荷的計(jì)算…………………………… 10
第三章 步進(jìn)電動機(jī)的選擇………………………………………… 12
3.1 步進(jìn)電動機(jī)的工作原理…………………………………………12
3.2 選擇電動機(jī)…………………………………………………… 13
第四章 滾動軸承的計(jì)算…………………………………………… 14
4.1 支撐方案的確定……………………………………………… 14
4.2 軸承的校核…………………………………………………… 15
第五章 機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設(shè) 17
第一節(jié) 設(shè)計(jì)內(nèi)容 17
第二節(jié) 設(shè)計(jì)步驟 17
第三節(jié) 機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì) 21
第六章 系統(tǒng)控制軟件設(shè)計(jì) 22
第七章 結(jié)束語與致謝 29
總 結(jié) ………………………………………………………………… 16
參考文獻(xiàn) ………………………………………………………………17
第一章 滾珠絲杠副的選擇
1.1 滾珠絲杠副的支承形式
支承應(yīng)限制絲杠的軸向竄動.較短的絲杠或垂直安裝的絲杠,可以一端固定,一端無支承.水平安裝絲杠較長時, 可以一端固定,一端游動;對于精密和高精度機(jī)床的滾珠絲杠副,為了提高絲杠的拉壓剛度,可以兩端固定.為了補(bǔ)償熱膨脹和減少絲杠下垂,兩端固定絲杠時還可以進(jìn)行預(yù)拉伸。
一般情況下,應(yīng)以固定端作為軸向定位基準(zhǔn),從固定端起計(jì)算絲桿杠副的長度誤差.此外,應(yīng)盡可能固定端作為驅(qū)動端。
考慮到本設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)與要求,我們決定采用一端固定一端游動(F-S)的支承形式, 如圖1.1所示。
一端固定一端游動（F~S）。固定端采用深溝球軸承2和雙向推力球軸承4，可分別承受徑向和軸向負(fù)載，螺母1、擋圈3、軸肩、支撐座5臺肩、端蓋7提供軸向限位，墊圈6可調(diào)節(jié)推力軸承4的軸向預(yù)緊力。游動端需徑向約束，軸向無約束。采用深溝球軸承8，其內(nèi)圈由擋圈9限位，外圈不限位，以保證絲杠在受熱變形后可在游動端自由伸縮。
圖1.1 一端固定一端游動支承
這種支承形勢有以下一些特點(diǎn)：
1.需保持螺母與兩端支撐同軸,故結(jié)構(gòu)較復(fù)雜,工藝較困難。
2.絲杠的軸向剛度較高。
3.壓桿穩(wěn)定性和臨界轉(zhuǎn)速較高。
4.絲杠有熱膨脹的余地。
5.適用于較長的臥式安裝絲杠。
1.2 滾珠絲杠副的特點(diǎn)
1.傳動效率高 效率高達(dá)90%~95%,耗費(fèi)的能量僅為滑動絲杠的1/3。
2.運(yùn)動具有可逆性 即可將回轉(zhuǎn)運(yùn)動變?yōu)橹本€運(yùn)動,又可將直線運(yùn)動變?yōu)榛剞D(zhuǎn)運(yùn)動,且逆?zhèn)鲃有蕩缀跖c正傳動效率相同。
3.系統(tǒng)剛度好 通過給螺母組件內(nèi)施加預(yù)壓來獲得較高的系統(tǒng)剛度,可滿足各種機(jī)械傳動要求,無爬行現(xiàn)象,始終保持運(yùn)動的平穩(wěn)性和靈敏性。
4.傳動精度高 經(jīng)過淬硬并精磨螺紋滾道后的滾珠絲杠副本身就具有和高的制造精度,又由于摩擦小,絲桿副工作時溫升和熱變形小,容易獲得較高的傳動精度。
5.使用壽命長 滾珠是在淬硬的滾道上作滾動運(yùn)動,磨損極小,長期使用后仍能保持其精度,因而壽命長,且具有很高的可靠性。其壽命一般比滑動絲杠高5~6倍。
6.不能自鎖 特別是垂直安裝的絲杠，當(dāng)運(yùn)動停止后，螺母將在重力作用下下滑，故常需設(shè)置制動裝置。
7.制造工藝復(fù)雜 滾珠絲杠和螺母等零件加工精度、表面粗糙度要求高，制造成本高。
由于滾珠絲杠副獨(dú)特的性能而受到極高的評價,因而已成為數(shù)控機(jī)床,精密機(jī)械,各種省力機(jī)械設(shè)備及各種機(jī)電一體化產(chǎn)品中不可缺少的傳動機(jī)構(gòu)。
1.3 滾珠絲杠副的設(shè)計(jì)計(jì)算
有效行程100*100，實(shí)際工作時工件及夾具重最大120公斤，最大空運(yùn)行速度,最大加工速度定位精度,重復(fù)定位精度,脈沖當(dāng)量,壽命40000小時
（1）步距角 ， ， ，。
先假設(shè)p=。
表1.1
切削力
速度
時間比
正常銑削
500
2.5
70%
快速點(diǎn)定位
0
5
30%
（2） 絲杠轉(zhuǎn)速 快速點(diǎn)定位30%，加工70%。
（3） 當(dāng)量轉(zhuǎn)速
加工
點(diǎn)定位
（4） 絲杠負(fù)荷
當(dāng)量載荷導(dǎo)軌摩擦力,。
精密加工=500N，
加工時總載荷=507.2N
快速點(diǎn)定位= =7.2N
（5） 當(dāng)量負(fù)荷
1.4 選擇滾珠絲杠副
（1）
小時，由機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)手冊表2.8-63，2.8-64，
查得：
------壽命系數(shù)，。
------轉(zhuǎn)速系數(shù)，。
------ 綜合系數(shù)，
其中為溫度系數(shù)，查表1-2得＝1；
為硬度系數(shù)，查表1-3得 ＝1.0；
為精度系數(shù)，查表1-4得＝1.0（絲杠精度為1～3級）；
為負(fù)荷性質(zhì)系數(shù)，查表1-5得＝1.3；
為可靠性系數(shù)，查表1-6得＝0.53（可靠性為90%）。
可得： 。
表1-2 溫度系數(shù)
工作溫度
175
表1-3 硬度系數(shù)
硬度（HRC）
55
52.5
50
47.5
45
40
動負(fù)荷硬度影響系數(shù)
1.0
1.11
1.35
1.56
1.92
2.4
3.85
靜負(fù)荷硬度影響系數(shù)
1.0
1.11
1.40
1.67
2.1
2.65
4.5
表1-4精度系數(shù)
精度等級
1、2、3
4、5
7
10
1.0
0.9
0.8
0.7
表1-5 負(fù)荷性質(zhì)系數(shù)
負(fù)荷性質(zhì)
無沖擊平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)
一般運(yùn)轉(zhuǎn)
有沖擊和振動運(yùn)動
1~1.2
1.2~1.5
1.5~2.5
表1-6 可靠性系數(shù)
可靠度(%)
90
95
96
97
98
99
1.00
0.62
0.53
.44
.33
0.21
（2）根據(jù)選擇滾珠絲杠副
1）假設(shè)選用FC1型號，按滾珠絲杠副的額定動載荷Ca等于或稍大于的原
查教材表2-9選以下型號規(guī)格：
FC1-2505-2.5 ，Ca=9610N
由教材表2-9得絲杠副數(shù)據(jù)：
公稱直徑
導(dǎo)程
螺旋角 =
滾珠直徑
2）按教材表2-1中尺寸公式計(jì)算：
滾道半徑
偏心距
絲杠直徑
1.5 穩(wěn)定性驗(yàn)算
1）由于一端軸向固定的長絲杠在工作時可能會發(fā)生失穩(wěn)，所以在設(shè)計(jì)時應(yīng)驗(yàn)算其安全系數(shù)S，其值應(yīng)大于絲杠副傳動機(jī)構(gòu)允許安全系數(shù)（見表1.2）。
表1.7
支撐方式
有關(guān)系數(shù)
一端固定一端自由
（F-O）
一端固定一端游動
（F-S）
兩端固定
（F-F）
3~4
2.5~3.3
——
2
2/3
——
1.875
3.927
4.730
絲杠不會發(fā)生失穩(wěn)的最大載荷稱為臨界載荷按下式計(jì)算：
式中，E為絲杠材料的彈性模量，對于剛，E=206GPa；為絲杠工作長度（m）; 為絲杠危險(xiǎn)截面的軸慣性矩；為長度系數(shù)，見表1.2。
依題意，
取，則
安全系數(shù) 。查表1.2，=2.5~3.3 。 ， 絲杠是安全的，不會失穩(wěn)。
2）高速絲杠工作時可能發(fā)生共振，因此需要驗(yàn)算其不會發(fā)生共振的最高轉(zhuǎn)速——臨界轉(zhuǎn)速。要求絲杠的最大轉(zhuǎn)速。
臨界轉(zhuǎn)速可按下式計(jì)算
式中，為臨界轉(zhuǎn)速系數(shù)，見表1.2。取 ，，則
=834r/min。 所以絲杠工作時不會發(fā)生共振。
3）此外滾珠絲杠副還會受值的限制，通常要求。
所以該絲杠副工作穩(wěn)定。
1.6 剛度驗(yàn)算
滾珠絲杠在工作負(fù)載和轉(zhuǎn)矩共同作用下引起每個導(dǎo)程的變形量為
式中，A------為絲杠面積，；
------為絲杠的極慣性距，；
G------為絲杠的切變模量，對鋼；
------為轉(zhuǎn)矩。
式中，------為摩擦角，其正切函數(shù)值為摩擦系數(shù)；
------為平均工作負(fù)載。
取摩擦系數(shù)
按最不利的情況取（其中）
則絲杠在工作長度上的彈性變形所引起的導(dǎo)程誤差為
通常要求絲杠的導(dǎo)程誤差應(yīng)小于其傳動精度的1/2，即
該絲杠的滿足上式，所以其剛度可滿足要求。
1.7 效率驗(yàn)算
滾珠絲杠副的傳動效率為
要求在90%~98%之間，所以該絲杠副合格。
經(jīng)上述驗(yàn)證，F(xiàn)C1-2505-2.5各項(xiàng)性能均符合要求，可選用。
第二章 導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)
2.1 導(dǎo)軌的功用
機(jī)電一體化產(chǎn)品要求其機(jī)械系統(tǒng)的各運(yùn)動機(jī)構(gòu)必須得到安全的支承，并能準(zhǔn)確的完成其特定方向的運(yùn)動。這個任務(wù)就由導(dǎo)向機(jī)構(gòu)來完成。機(jī)電一體化產(chǎn)品的導(dǎo)向機(jī)構(gòu)是導(dǎo)軌，其作用是支承和導(dǎo)向。
2.2 滾動直線導(dǎo)軌的選擇程序
在設(shè)計(jì)選用滾動直線導(dǎo)軌時，除應(yīng)對其使用條件，包括工作載荷、精度要求、速度、工作行程、預(yù)期工作壽命進(jìn)行研究外，還須對其剛度、摩擦特性及誤差平均、阻尼特性等綜合考慮，從而達(dá)到正確合理的選用，以滿足主機(jī)技術(shù)性能的要求。
2.3 直線運(yùn)動滾動支承系統(tǒng)負(fù)荷的計(jì)算
直線運(yùn)動支承系統(tǒng)的負(fù)荷與導(dǎo)軌配置形式(水平、豎直、傾斜等),移動件的重心和力作用點(diǎn)的位置,導(dǎo)軌上移動件牽引力作用點(diǎn)的位置,啟動及停止時的慣性力以及切削力等有關(guān)。
本設(shè)計(jì)的直線運(yùn)動導(dǎo)軌安裝形式為水平,采用臥式導(dǎo)軌、滑塊座移動。
圖2.1 導(dǎo)軌
2.4 導(dǎo)軌的選擇
由機(jī)床設(shè)計(jì)要求可知對該導(dǎo)軌設(shè)計(jì)的基本要求為:
作用在滑座上的載荷，滑座個數(shù)，單向行程長度，每分鐘往復(fù)次數(shù)為4，用于輕型機(jī)床的工作臺。
導(dǎo)軌的額定工作時間壽命=40000小時
表2-1 硬度系數(shù)
滾道表面硬度HRC
60
58
55
53
50
45
1.0
0.98
0.90
0.71
0.54
0.38
表2-2 溫度系數(shù)
工作溫度/
〈100
1.00
100~150
0.90
150~200
0.73
200~250
0.61
表2-3 接觸系數(shù)
每根導(dǎo)軌上的滑塊數(shù)
1
1.00
2
0.81
3
0.72
4
0.66
5
0.61
表2-4負(fù)荷系數(shù)
工作條件
無外部沖擊或震動的低速運(yùn)動場合。
速度小于15m/min
1~1.5
無明顯沖擊或震動的中速運(yùn)動場合。
速度小于60m/min
1.5~2
無外部沖擊或震動的高速運(yùn)動場合。
速度大于60m/min
2~2.5
（1） 計(jì)算額定動載荷
滑座的運(yùn)動速度最大為5m/min<15m\min，工作溫度在100以下，導(dǎo)軌滾道硬度為60HRC，無明顯沖擊和振動，每根導(dǎo)軌上滑塊配置數(shù)為2。
由 得：
因滑塊座M=4,所以每根導(dǎo)軌上2個，由表2-1~2-4確定，， , , 則由式
得
其中
選用的是漢江機(jī)床廠的HJG-D系列滾動直線導(dǎo)軌,查其產(chǎn)品手冊知, HJG-D型號的導(dǎo)軌的Ca值為17500N,能滿足五年的使用要求,所以可選用.
第三章 步進(jìn)電機(jī)的選擇
步進(jìn)電機(jī)在自動控制系統(tǒng)中作執(zhí)行元件。是位與電氣控制裝置和機(jī)械執(zhí)行裝置接點(diǎn)部位的一種能量轉(zhuǎn)換裝置，它能在控制裝置的控制下，將輸入的各種形式的能量轉(zhuǎn)換成機(jī)械能。
3.1步進(jìn)電機(jī)的工作原理
三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的工作原理如圖5.3所示，其中步進(jìn)電機(jī)的定子上有6個齒，其上分別纏有、、三相繞組,構(gòu)成三對磁極,轉(zhuǎn)子上則均勻分布著4個齒。步進(jìn)電動機(jī)采用直流供電。當(dāng)、、三相繞組輪流通電時，通過電磁力吸引步進(jìn)電動機(jī)轉(zhuǎn)子一步一步地旋轉(zhuǎn)。
圖3.1
3.1.1 步進(jìn)電動機(jī)的通電方式和步距角
如果步進(jìn)電動機(jī)繞組的每一次通斷電操作稱為一拍，每拍中只有一相繞組通電，其余斷電，這種通電方式稱為單相通電方式。
如果步進(jìn)電動機(jī)通電循環(huán)的每拍中都有兩相繞組通電，這種通電方式稱為雙相通電方式。
步距角是指步進(jìn)電動機(jī)每一拍轉(zhuǎn)過的角度。一個m相步進(jìn)電動機(jī)，如其轉(zhuǎn)子上有z個齒，則其步距角可通過下式計(jì)算，式中是通電方式系數(shù)，當(dāng)采用單相或雙相通電方式時，＝１，當(dāng)采用單雙向輪流通電方式是，＝２。
3.2 選電動機(jī)
3.2.1電動機(jī)轉(zhuǎn)動慣量的計(jì)算
滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動慣量，已知名義直徑，螺距p=10mm.長度L=2741mm.則查表6.6-28（機(jī)床設(shè)計(jì)手冊）可得1m長的絲杠轉(zhuǎn)動慣量為35.76kg.cm。那么次滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動慣量J=35.76×2.741=98.01kg.cm。
絲杠折算到電動機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動慣量
J=(20÷30)×98.01=43.56kg.cm。
工作臺折算到絲杠的慣量，已知導(dǎo)程10mm，工作臺以上負(fù)載1000kg。，查表6.6-29得：重10000N的轉(zhuǎn)動慣量JG=25.80kg.cm。
絲杠傳動是傳動系統(tǒng)折算到電動機(jī)軸上的總的轉(zhuǎn)動慣量
式中J—船工系統(tǒng)折算到電動機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動慣量（kg.cm）
J1—齒輪Z1的轉(zhuǎn)動慣量（kg.cm）
J2--齒輪Z2轉(zhuǎn)動慣量（kg.cm）
JS—絲杠的轉(zhuǎn)動慣量（kg.cm）
m—工作臺及共建等移動部件的質(zhì)量（N）
L0—絲杠得導(dǎo)程（cm）
J1=0.78D1L1×10=0.78×（5.988）×3×10=3kg.cm
J2=0.78D2L2×10=0.78×（9.02）×3×10=15.5kg.cm
JZ=JM+9.34+=81.06kg.cm
3.2.2 電機(jī)力矩的計(jì)算
由于此縱向進(jìn)給系統(tǒng)不做切削運(yùn)動，故只計(jì)算快速空載和快速進(jìn)給力矩。
快速空載啟動時所需力矩Mq=MA+Mf+M0
Mq—快速空載時的啟動力矩（N.m）
Mf—折算到電動機(jī)上的摩擦力矩（N.m）
M0—由于絲杠的預(yù)緊折算到電動機(jī)軸上的附加摩擦力矩（N.m）
快速進(jìn)給時所需力矩MJ
MJ=Mf+MO
因?yàn)镸J
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