X-Y數(shù)控工作臺設(shè)計說明書

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1、 一、總體方案設(shè)計 設(shè)計任務(wù) 題目: X— Y 數(shù)控工作臺的機(jī)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 B1H1=【 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+(班級序號) 5】mm,Y=【300+(班級序號) 5】

2、 mm; 4) X、Y 方向的脈沖當(dāng)量均為脈沖; 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(jìn)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 ae 20mm ; 10)最大被吃刀量 ap 10mm 。 總體方案確定 ( 1)機(jī)械傳動部件的選擇 ① 導(dǎo)軌副的選擇 ② 絲杠螺母副的選擇 ③ 減速裝置的選擇 ④ 伺服電動機(jī)的選

3、擇 ( 2)控制系統(tǒng)的設(shè)計 ① 伺服電機(jī)啟動、停止、調(diào)速、正反轉(zhuǎn)的控制 ② PLC控制電機(jī)的梯形圖編程 XY數(shù)控工作臺結(jié)構(gòu) Y 方向傳動機(jī)構(gòu) 微 機(jī) 工作臺 電 型 步 進(jìn) 電 接 動機(jī) 減速器 機(jī) 驅(qū) 滾珠絲杠 口 動 電 人機(jī)

4、接口 路 減 步 進(jìn) 電 速 滾 器 珠 動機(jī) X 方向傳動機(jī)構(gòu) 絲 杠 系統(tǒng)總體方案結(jié)構(gòu)框圖 設(shè)計的基本要求 ( 1)按照機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計的步驟進(jìn)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(jìn)行設(shè)計,完成電機(jī)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

5、 PLC協(xié)調(diào)控制 XY電機(jī)運動,繪制相關(guān)梯形圖。 二、機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計 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(jìn)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(jī))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= 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: F 118a0.85 f 0.75d 0.73a1.0 n0.13Z

6、c e z p 其中,取最大銑削寬度,最大背吃刀量, 每齒 進(jìn)給量 fz 0.1mm , 銑刀轉(zhuǎn)速 n 500r / min ,可直接帶入計算。采用立銑刀進(jìn)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 =。 現(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 Ffn = 直線

7、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。 考慮最不利 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向 載荷為 Fmax G F =。 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

8、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 C2 L1 L2 L3 H2 C a C0 a M ( 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) f H =、溫度系數(shù) fT =、接觸系數(shù) fC =、 精度系數(shù) fR =、載荷系數(shù) fW =,代入以下公式,得距離壽命(期望值為 50KM)。 L( fH fT fC f R Ca )3 50 = fWFmax 滾珠絲杠的設(shè)計計算 滾珠絲杠的負(fù)荷包括銑削力及

9、運動部件的重量所引起的進(jìn)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(jìn)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 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(jìn)行計算,查表,取傾覆力矩影響系數(shù) K=, 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: Fm KF x ( Fz Fy G) = ( 2)最大動載荷 FQ 的計算 工作臺在承受最大銑削力時的最快進(jìn)給速度 v 500mm

10、/ 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 n v / Ph 取滾珠絲杠的使用壽命 T=15000h,代入 L0 60nT /10 6 ,得絲杠壽命系數(shù) L0 查表,取載荷系數(shù) fW 1.2 ,滾道硬度為 60HRC 時,取硬度系數(shù) f H 1.0 ,代入式 FQ 3 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

11、,滿足要求。 型號  公稱 直徑  導(dǎo)程  滾珠 直徑  所選滾珠絲杠螺母副幾何參數(shù) 絲杠 絲杠 循環(huán) 螺母 底徑 外徑 列數(shù) 安裝  額定載荷  剛度 尺寸 d0  Ph  Dw  d2  d1  Ca  C0 a (4)傳動效率 的計算 將公稱直徑 d0 ,導(dǎo)程 Ph ,代入

12、  arctan[Ph / (  d0 )] ,得絲杠螺旋升角  。將摩擦角 10 ,代入  tan  / tan(  ) ,得到傳動效率。 (5)剛度的驗算 ① 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 2.1 105 MPa ,

13、由所選滾珠絲杠螺母副可得, 滾珠直徑 D w ,絲杠底徑 d2 , 絲杠截面積 S d22 / 4 = 算的絲杠在工作載荷 Fm 作用下產(chǎn)生的拉 / 壓變形量 1 Fm a / (ES) = ②滾珠與螺紋滾道間的接觸變形量20.0013 Fm ,其中,絲杠預(yù)緊時, 103 DW FYJZ 2 /10 取軸向預(yù)緊力 FYJ Fm / 3 =,Z 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, 所以實際變形量 2 可減小一半。 ③將以上計算出的 1 和 2 代入 總 1 2 ,求得絲杠總變形量 總 。通過

14、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)  fk  1 ,由絲杠底徑  d2 ,求得截面慣性矩  I  d24  / 64  =;壓桿穩(wěn) 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 k 2 EI Ka 2  , 計算失穩(wěn)時的臨界載荷 Fk ,遠(yuǎn)大于工作載荷 Fm

15、即不會失穩(wěn)。 確定齒輪傳動比 初選步進(jìn)電機(jī)步距角  0.75 o (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 i Z1 p 360o 0.005 360 12 (此計算假設(shè)導(dǎo)程為 5mm) Ph Z2 0.75 5 25 選 Z1 12,Z2 25 。 因傳遞的扭距較小,取模數(shù) m 1mm。 采用一級減速,步進(jìn)電機(jī)的輸出軸與小齒輪 連接,滾珠絲杠的軸頭與大齒輪連接,其中大齒輪設(shè)

16、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 Z  **** 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) 小齒輪  大齒輪 d mZ mm  直徑 b 3 6 m mm 齒寬 a d1 d2 mm 中心距 2 步進(jìn)電機(jī)的選用 ( 1)步進(jìn)電機(jī)的步距角 根據(jù)系統(tǒng)脈沖當(dāng)量 p 0.005mm / 脈沖,根據(jù)所選滾珠絲杠的導(dǎo)程 Ph ,初選步進(jìn)電 機(jī)步距角 (可自選)。 ( 2)計算加在步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)軸

17、上的總轉(zhuǎn)動慣量 Jeq ( 3)步進(jìn)電機(jī)快速空載啟動時轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩 Teq1 的計算 Teq1 Ta max Tf 其中 Tamax 是快速空載啟動時折算到電動機(jī)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(jī)轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩。 Ta max 2 Jeqnm 1 60ta 2 Z1 2 JeqJ0 J1 J 2 J3 M p Z2

18、 180 式中: J eq ——折算到電機(jī)軸上的慣性負(fù)載 ( kggcm2 ); J0 ——步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動慣 量( kg gcm2 );J1 ——齒輪 1 的轉(zhuǎn)動慣量( kg gcm2 );J2 ——齒輪 2 的轉(zhuǎn)動慣量( kg gcm2 ); J3 ——滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動慣量( kggcm2 ); 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 J 0.78 10 3 D 4 L kggcm2 式中: D——圓柱零件直徑(  cm);L——零件長度

19、(  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  7.85 10  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 J1 kggcm2 J2 kggcm2 J3 kggcm2 電機(jī)軸轉(zhuǎn)動慣量很小,可以忽略。 nm vmax 360 p 設(shè)步進(jìn)電機(jī)由靜止到加速至 nm 所需時間為 ta 0.4s

20、,傳動鏈總效率為 Tf ( Fz G) Ph 2 i 步進(jìn)電機(jī)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 Teq2 Tt Tf Tt 是折算到電動機(jī)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(jī) 轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩。 F f Ph Tt 2 i ( Fz G) Ph Tf i 2 Teq max{ Teq1,Teq2} ( 3)步進(jìn)電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)距的選定 考慮到步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動電源受電網(wǎng)影響較大,當(dāng)輸入電壓降低時,

21、其輸出轉(zhuǎn)矩會下 降,可能造成丟步,甚至堵轉(zhuǎn)。因此,根據(jù) Teq 來選擇步進(jìn)電機(jī)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(jìn)電機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)距應(yīng)滿足 Tj max 4Teq = ( 4)步進(jìn)電機(jī)的最高工作頻率 fmax 1000Vmax 1000 3 HZ 60 p 60 0.005 綜上,選用 **** 公司生產(chǎn)的 * 系列 * 型步進(jìn)電。電機(jī)的有關(guān)參數(shù)如下 所選步進(jìn)電機(jī)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)

22、電壓 電流 外徑 長度 軸徑 型 號 大靜 啟動頻率 (V ) ( A) ( N ) 角 o 轉(zhuǎn)距 ( step/ s) N gcm 三、控制系統(tǒng)設(shè)計 以下內(nèi)容僅提供單電機(jī)的主電路及控制電路圖, 請必須自行完成雙電機(jī)(XY軸電機(jī)) 的硬件電氣控制圖。 電動機(jī)控制電氣原理圖

23、 電動機(jī)控制主電路 電動機(jī)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) 。 電動機(jī)正反轉(zhuǎn)控制電氣原理圖 以上所用低壓電器為:停止按

24、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) 。 PLC分項控制電動機(jī)的接線圖 PLC控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)外部接線圖 PLC控制電機(jī)點動和長動外部接線圖 PLC總體控制接線圖

25、 PLC梯形圖的繪制 根據(jù)自己設(shè)計的需要,通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行梯形圖的編程設(shè)計, (至少包括實現(xiàn) 電機(jī)的啟動、停止、正反轉(zhuǎn)、電動四項基本功能) ,以下僅為各單項工作的參考。 PLC控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)的控制程序梯形圖 PLC控制電機(jī)點動和長動的控制程序梯形圖

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