課程設(shè)計(jì)XY移動(dòng)平臺(tái)

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1、數(shù)控工作臺(tái)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì) X-Y 課程設(shè)計(jì)說明書 課題名稱 X-Y工作平臺(tái)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì) 學(xué) 院 專 業(yè) 機(jī)械電子工程 班 級(jí) — 學(xué) 號(hào) 姓 名 指導(dǎo)教師 韓雄飛 完成日期 日月年2014110 ；332 80.001 3 算 如混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)， 與步進(jìn)電動(dòng)機(jī)配套使用 得各個(gè)零部件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量如下： 可見，X DOG X13 A相X0 X軸編碼器Y DOG 相X14 X1 X 軸編碼器BX JOG+ 急停 X15 X2 X JOG- X16 X3 Y 軸編碼器 A相Y JOG+ X17 X4 Y 軸編碼器 B相Y JOG

2、- X20 X5 X軸自動(dòng)定位 X 正向極限 X6 X21 Y軸自動(dòng)定位 數(shù)控工作臺(tái)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì) X-Y 摘要 本文主要對(duì)X-Y數(shù)控工作臺(tái)機(jī)電系統(tǒng)及控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。 X-Y數(shù)控工作臺(tái)是許 多機(jī)電一體化設(shè)備的基本部件，如數(shù)控車床的縱-橫向進(jìn)刀機(jī)構(gòu)、數(shù)控銑床和數(shù) 控鉆床的X-Y工作臺(tái)、激光加工設(shè)備的工作臺(tái)、電子元件表面貼裝設(shè)備等。模塊 化的X-Y數(shù)控工作臺(tái)通常由導(dǎo)軌座、移動(dòng)滑塊、工作平臺(tái)、滾珠絲杠螺母副 ，以 及伺服電動(dòng)機(jī)等部件構(gòu)成。其中，伺服電動(dòng)機(jī)作為執(zhí)行元件用來驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠， 滾珠絲杠的螺母帶動(dòng)滑塊和工作平臺(tái)在導(dǎo)軌上運(yùn)動(dòng)，完成工作臺(tái)在 X、丫方向的 直線移動(dòng)。導(dǎo)軌副、滾珠絲杠螺母

3、副和伺服電動(dòng)機(jī)等均已標(biāo)準(zhǔn)化， 由專門廠家生 產(chǎn)，設(shè)計(jì)時(shí)只需根據(jù)工作載荷選取即可?？刂葡到y(tǒng)根據(jù)需要選用設(shè)計(jì)專用的微機(jī) 控制系統(tǒng)。 關(guān)鍵字：X-Y數(shù)控工作臺(tái)，滾珠絲杠螺母副，伺服電動(dòng)機(jī)，微機(jī)控制系統(tǒng)。 2 數(shù)控工作臺(tái)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì) X-Y 目 錄 1設(shè)計(jì)任務(wù) 3 2總體方案的確定 3 2. 1機(jī)械傳動(dòng)部件的選擇 3 2. 1 . 1導(dǎo)軌副的選用 3 2. 1. 2絲杠螺母副的選用 4 2. 1 . 3減速裝置的選用 .4 2. 1 . 4伺服電動(dòng)機(jī)的選用 .4 2. 1 . 5檢測(cè)裝置的選用 .4 2.

4、2控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) ....5 3機(jī)械傳動(dòng)部件的計(jì)算與選型 ....6 3. 1導(dǎo)軌上移動(dòng)部件的重量估算 ....6 3. 2銑削力的計(jì)算 ....6 3. 3直線滑動(dòng)導(dǎo)軌副的計(jì)算 ....7 3. 4滾珠絲杠螺母副的計(jì)算與選型 .....8 3. 4. 1最大工作載荷 Fm的計(jì)算 .8 F的計(jì)算 ....8 . 4 . 2最大動(dòng)工作載荷 3Q3 . 4 . 3初 選型號(hào) 9 3. 4 . 4傳動(dòng)效率n的計(jì)算 .9

5、 3. 4 . 5剛度的驗(yàn)算 .9 3. 4 . 6壓桿穩(wěn)定性校核 10 3. 5步進(jìn)電動(dòng)機(jī)減速箱的選用 ..11 3. 6步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的計(jì)算與選型 ..11 J 計(jì)算加在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 11 6. 13. eqT 計(jì)算加在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩 212 3. 6 . eq分快速空載和承受最大負(fù)載兩種情況進(jìn)行計(jì)算： ...12 3. 6 . 3步進(jìn)電動(dòng)機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩的選定 15 3 . 6. 4步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的性能校核 1

6、6 3 . 7增量式旋轉(zhuǎn)編碼器的選用 ..18 4步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電源選用 ..18 5控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì) ..19 6控制系統(tǒng)的部分軟件設(shè)計(jì) ..20 6.1輸入輸岀分配 ..20 6.2人機(jī)界面設(shè)計(jì) .20 6.3控制程序設(shè)計(jì) .21 參考文獻(xiàn) 21 附錄 22 3 數(shù)控工作臺(tái)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì) X-Y 1設(shè)計(jì)任務(wù) 題目：X-Y數(shù)控工作臺(tái)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì) 數(shù)控工作任務(wù)：設(shè)計(jì)一種供應(yīng)式數(shù)控銑床使用的 X-

7、Y 臺(tái)，主要參數(shù)如下： 1）立銑刀最大直徑。mmd 25 ）立銑刀齒數(shù)。22Z 。3）最大銑削寬度 mm 20 e 。4）最大背吃刀量 mm 5 p 。丫方向 的脈沖當(dāng)量5）X、脈沖/0.005 mm y 。、丫方向的定位精度均為 6）Xmm 0.02 圍加工范臺(tái)面尺寸為，作 7）工mm 450mm450 。mm300mm 300 ）工作臺(tái)最快移動(dòng)速度。8min 1800/mmv vyx 。9）工作臺(tái)進(jìn)給移動(dòng)速度 minmm/ vv 40? 導(dǎo)軌組合：滾動(dòng)一一滾動(dòng) 支承方式：雙推——簡(jiǎn)支 2總休方案的確定 機(jī)械傳動(dòng)部件的選擇12. 導(dǎo)軌副的選用1.. 21 工作臺(tái)是用

8、來配套輕型的立式數(shù)控要設(shè)計(jì)的 X-Y 4 數(shù)控工作臺(tái)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì) X-Y 銑床的，需要承受的載荷不大，但脈沖當(dāng)量小，定位 精度高，因此，決定選 用直線滑動(dòng)導(dǎo)軌副，它具有剛 動(dòng)選用直線滑 度高、制造簡(jiǎn)單、傳動(dòng)效率高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝預(yù)緊 導(dǎo)軌副 方 便等優(yōu)點(diǎn)。 .2絲杠螺母副的選用2. 1 伺服電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)需要通過絲杠螺母副轉(zhuǎn)換成 的脈沖當(dāng)量和直線運(yùn)動(dòng)， 需要滿足 0.005mnmm 0.02 的定位精度，滑動(dòng)絲杠副為能為力，只有選用滾珠絲 杠副才能達(dá)到。滾珠絲 杠副的傳動(dòng)精度高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)用滾珠絲杠選 副快、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。 減速裝置

9、的選用2. 1. 3 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，可能需要減速裝置，且間隙齒采用無 應(yīng)有消間隙機(jī)構(gòu)。為此，決定采用無間隙齒輪傳動(dòng)減 輪傳動(dòng)減速箱 速箱。 4伺服電動(dòng)機(jī)的選用2. 1. ，定位0.001mm任務(wù)書規(guī)定的脈沖當(dāng)量尚未達(dá)到 精度也未達(dá)到微米級(jí)，空載最快移動(dòng)速度也只有 。因此，本設(shè)計(jì)不必采用高 檔次的伺服電1800mm/mi n 動(dòng)機(jī)，如交流伺服電動(dòng)機(jī)或直流伺服電動(dòng)機(jī)等，可以用步進(jìn)電動(dòng)選 選用性能 好一些的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)， 機(jī) 以降低成本，提高性價(jià)比。 1. 5檢測(cè)裝置的選

10、用.2 選用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)作為伺服電動(dòng)機(jī)后，可選開環(huán)控 制，也可選閉環(huán)控制。任務(wù)書所給的精度對(duì)于步進(jìn)電 動(dòng)機(jī)來說還是偏高的，為了確保電動(dòng)機(jī)在運(yùn)動(dòng)過程中 5 數(shù)控工作臺(tái)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì) X-Y - 不受切削負(fù)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(dòng)機(jī)的尾 部轉(zhuǎn)軸上安裝增量式旋轉(zhuǎn)編碼 量式旋增選用 器，用以檢測(cè)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)角與轉(zhuǎn)速。增量式旋轉(zhuǎn)編碼 轉(zhuǎn)編碼器 器的分辨力應(yīng)與步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角相匹配。 承受的工考慮到X、Y兩個(gè)方向的加工范圍相同， 兩個(gè)坐Y、作載荷相差不大， 為了減少設(shè)計(jì)工作量，X 標(biāo)的導(dǎo)軌副、絲杠螺母副、減速裝置、伺服電動(dòng)機(jī)， 以及檢測(cè)裝置擬采用 相同的型號(hào)與規(guī)

11、格。 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)22. 其控）1設(shè)計(jì)的X-Y工作臺(tái)準(zhǔn)備用在數(shù)控銑床上， 制系統(tǒng)應(yīng)該具有單坐標(biāo)定位，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。 ）對(duì)于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的半閉環(huán)控制，選用三菱 2 制系統(tǒng)設(shè)計(jì)控 成連續(xù)控制型，應(yīng)該能夠滿足任務(wù)書給 FX3U-48MT/ESSFX3系列的 定的相關(guān)指標(biāo)。系列三菱FX3U 的在選擇控制器之要設(shè)計(jì)一臺(tái)完整的控制系統(tǒng)， 3） FX3U-48MT/ESS后，還要擴(kuò)展輸入輸出設(shè)備 選擇合適的驅(qū)動(dòng)電源，） 4 6 數(shù)控工作臺(tái)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì) X-Y 3機(jī)械傳動(dòng)部件的計(jì)算與選型 導(dǎo)軌上移動(dòng)部件的重量估算3. 1 F括工

12、件、夾具、工 計(jì)算按照下導(dǎo)軌上面移動(dòng)部件的重量來進(jìn)行估算。包 作平臺(tái)、上層電動(dòng)機(jī)、減速箱、滾 C為約重量1800N 估計(jì)重量約，珠絲杠副、直線滑動(dòng)導(dǎo)軌副、導(dǎo)軌座等 。1800N 銑削力的計(jì)算3. 2 設(shè)零件的加工方式為立式銑削，采用硬質(zhì)合金立 查得立銑時(shí)的3-7銑刀，工 件的材料為碳鋼。則由表 銑削力計(jì)算公式為： ZnfdaF 118a pecz 為了計(jì)算d=15mm齒數(shù) Z=2, 今選擇銑刀的直徑為 最大銑削力，在不對(duì)稱銑削情況下，取最大銑削寬度 計(jì)算 mm 20量齒進(jìn)給 為5mm,,背吃刀量每 Fepf 。則由上式求的最，銑刀轉(zhuǎn)速0.1mm f300r/minn = Fz

13、e N804F 大銑削力：cFfn NN 5 300 F118 20804 0.1 25 3 c 采用立銑刀進(jìn)行圓柱銑削時(shí)，各銑削力之間的比值可 計(jì)算，考慮逆銑時(shí)的情 況，可3-5查得，結(jié)合圖3-4a由表Fz估算三個(gè)方向的銑削力分別為： N 884FfFN8841.1 804 F 1.1F x cfN 306F eFN 3060.38F 0.38F 804 yceN201 Ffn N201804 F0.25F0.25 cfn為臥銑情況，現(xiàn)考慮立銑，則工作臺(tái)受到 圖3-4a 306 FN z 7 數(shù)控工作臺(tái)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì) X-Y - 受到水平方向的銑，垂直方向的銑削力 N306F

14、 F ez 今將水平方向較大的銑削力分配。削力分別為和 FFfnf計(jì)算N884F xFN F 884F 徑向給工作臺(tái)的縱向，則縱向銑削力」max N201F y銑削力為。N201F F耐 .3直線滑動(dòng)導(dǎo)軌副的計(jì)算3 工作載荷是影響直線滑動(dòng)導(dǎo)軌副使用壽命的重要 工作臺(tái)為水平布置，采用雙導(dǎo)因素。本設(shè)計(jì)中的 X-Y 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 受的最大垂直方向載荷為： G F F (3-1) _ max4 荷載1800N,外加=中，移動(dòng)部件重量G 其 )3-1，得最大工作載荷，代入式(NF F 30&N931F m

15、ax 。=756N=0.756kN=max 初選直根據(jù)工作載荷，查表 3-41，KNF 0.756-x 型，其額系列的JSA-LG15線滾動(dòng)導(dǎo)軌副的型號(hào)為KL C0a=9.5KN。定動(dòng)載荷Ca=7.94KN額定靜載荷 取導(dǎo)軌的長(zhǎng)選mm450mm 450加工， 任務(wù)書規(guī)定工作臺(tái)面尺寸為820mn度為 mmmm 300300考慮工作行程應(yīng)留有一定余量，，范圍 ，按標(biāo)準(zhǔn)系列，選取導(dǎo)軌的長(zhǎng)度為 820mm查表3-35 型導(dǎo)軌副的滾道硬度系列JSA-LG15上述選取的KL 每根導(dǎo)軌上配有兩C, 60HRC工作溫度不超過100為算滾計(jì) 杠珠絲級(jí)，工作速 度較低，載荷不大。查4只滑塊，精度為最

16、副的作大工和，溫度系數(shù)表，分別取 硬度系數(shù) 3-36~3-40=1.0 8 數(shù)控工作臺(tái)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì) X-Y - fffF載荷rtc載，精度系數(shù)=0.9 ,接觸系數(shù)=0.81 , =1.00m fw ,代入式（3-33荷系數(shù)）得距離壽命：=1.5 22176 Lkm 50km，故距離額定壽命滿足要求。遠(yuǎn)大于期望值 3.4滾珠絲杠螺母副的計(jì)算與選型 的計(jì)算3. 4. 1最大工作載荷Fm 工作臺(tái)受到進(jìn)給方向的載如前面所述，在立銑時(shí)， 受到橫向載荷（與荷（與絲杠軸線平行）,N884F x （與絲杠軸線垂直），受到垂直方向的載荷 NF 201 y 工作臺(tái)面垂直）。N306F z按

17、矩形導(dǎo)軌進(jìn)行計(jì) 已知移動(dòng)部件總重量 G=1800N ，滑動(dòng)導(dǎo)，取顛覆力矩影響系數(shù) K=1.13-29算，查表 。求得滾珠絲杠副的最大工=0.005軌上的摩擦系數(shù) 作載荷：最計(jì)算載動(dòng)大 ）G KF （FF F yxmz FNF 984 荷 Qm1800） 201 1.18840.005（306 N984 3. 4. 2最大動(dòng)工作載荷的計(jì)算 Fq 設(shè)工作臺(tái)在承受最大銑削力時(shí)的最快進(jìn)給速度 P=5mm,初選絲杠導(dǎo)程則此時(shí)絲杠轉(zhuǎn)速 v=400mm/min h P=80r/min。 n=v/ h取滾珠絲杠的使用壽命 T=15000h，代入 66,得絲杠壽命系數(shù) 10 60 9015

18、000/10nT L60/。 6。）rL10 （單位為:=810. 數(shù)控工作臺(tái)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì) X-Y 滾道硬度為,查表3-30，取載荷系數(shù)2.f 1w 代入下式，求得最大，60HRC時(shí)，取硬度系數(shù)01.f hN5109F q動(dòng)載荷：? 3 N5109 984fF LfF 81 1.2 1.0 3mQ0Hw 3初選型號(hào)3. 4. 根據(jù)計(jì)算出的最大動(dòng)載荷和初選的絲杠導(dǎo)程，查 傳算計(jì)列系選GD率效動(dòng)選擇 濟(jì)寧博特精密絲杠制造有限公司生產(chǎn)的 3-31，表型滾珠2505-3 n型滾珠絲杠副, 為內(nèi)循環(huán)固定反向器GD系列2505-3為內(nèi)循絲杠副， 固定反向器環(huán)，循環(huán)滾雙螺母式，其公稱

19、直徑為 20mm5mm導(dǎo)程為雙螺母式 級(jí)，額定動(dòng)載荷為珠為3圈1系列，精度等級(jí)取5 ，滿足要求。9309N,大于Fq 的計(jì)算43.. 4傳動(dòng)效率n 入代程=5mm,=20mr直將公稱徑導(dǎo)Pch ）]dP/（n入arctan[,° 33'。將=4得絲杠螺旋升角入oh =96.4% n 10'，代入摩擦角=,得傳動(dòng)效率tan n ）tan（入/入? =96.4%。 n .54.剛度的驗(yàn)算3 工作臺(tái)上下兩層滾珠絲杠副的支承均采用“雙 1） X-Y 絲杠的一端安裝推力軸承與深溝球推-簡(jiǎn)支”的方式。/計(jì)算拉軸承，另一端僅 安裝深溝球軸承，面對(duì)面組配，左、形變壓 量的彈性模約承的中心距為

20、 a=700mm 鋼右支S量1 5D,，得滾珠直徑=3.175mmE=2.1x 10MPa查表 3-31 w mm16.2 d積面,底絲杠徑絲杠截 2 22。mm /d Sn 4206.12 2滾計(jì)算 忽略式（3-25）中的第二項(xiàng)，算得絲杠在工作載 螺與珠. 10 數(shù)控工作臺(tái)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì) X-Y 道紋滾 荷作用下產(chǎn)生的拉/壓變形量：Fm接間的mm0.0113S 1形觸變）/（ESF S ami S 量 25 mm] [984 500 （/2.1 100.0113 206.12） 求得單圈滾珠數(shù)Z=202）根據(jù)公式，3）D（ d/Z we （3-27），求得滾珠與螺紋 ，代1

21、該型號(hào)絲杠為單螺母，滾珠的圈數(shù)列數(shù)為 3 。絲=60入公式Z圈數(shù)列數(shù)，得滾珠總數(shù)量 Z Z 。則由式杠預(yù)緊時(shí)，取軸向預(yù)緊力/3=328NF F mYj 滾道間的接觸變形量： FmQQ13 S 0.絲計(jì)算 221010Z/DF j 變杠總 形量 mm 0.0018 總 32/10328 6010 3.175 ，所以實(shí)際因?yàn)榻z杠有預(yù)緊力，且為軸向負(fù)載的 1/3 =0.0009mm =0.0009m m變形量可以減少一半，取。 2 求得絲杠總變和，代入3）將以上算出的+= 2121總=12.2 m總 =0.0122mm=12.2形量（對(duì)應(yīng)跨度720mm臨計(jì)算總荷載界級(jí)精3-2

22、7知，5絲杠的 有效行程為346mrp由表Fk行程偏差允許時(shí)，度滾珠絲杠有效行程在 315? 400mn絲杠剛度足夠 ，可見絲杠剛度足夠。達(dá)到25m 4. 6壓桿穩(wěn)定性校核3. F。查根據(jù)公式（3-28 ）計(jì)算失穩(wěn)時(shí)的臨界載荷 k df求=2;由絲杠底徑，取支承系數(shù)表 3-34=16.2mm 2k 44 ；壓桿穩(wěn)定安得截面慣性矩 mm/d643380.88 I 2 ；滾動(dòng)螺母至軸向K全系數(shù) ?。ńz杠臥式水平安裝）3 ）求3-28。則由式（500mn取最大值a固定處的距離 數(shù)控工作臺(tái)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì) X-Y 得臨界載荷： 2Elf k F k 2Ka NF 64720.92N 647

23、20.92k 遠(yuǎn)大于工作載荷故絲杠不會(huì)失穩(wěn)。N984F , m 綜上所述，初選的滾珠絲杠副滿足使用要求。絲杠不會(huì)失穩(wěn) 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)減速箱的選用3. 5 為了滿足脈沖當(dāng)量的設(shè)計(jì)要求，增大步進(jìn)電動(dòng)機(jī) 的輸出轉(zhuǎn)矩，同時(shí)也為了使?jié)L珠絲杠和工作臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng) 慣量折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上盡可能地小，今在步進(jìn)電動(dòng) 機(jī)的輸出軸上安裝一套齒輪減速箱。采用一級(jí)減速， 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的輸出軸與小齒輪聯(lián)接，滾珠絲杠的軸頭 與大齒輪聯(lián)接。其中大齒輪設(shè)計(jì)成雙片結(jié)構(gòu)，采用圖 所示的彈簧錯(cuò)齒法消除側(cè)隙。3-8 脈沖，滾珠已知工作臺(tái)的脈沖當(dāng)量/ mm0.005 角距步選進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步導(dǎo)絲杠的程，初 =5mmP h 3-12。根據(jù)

24、式()，算得 減速比：1.2 25/120.008) P)/(360) (1.2 5)/ i((360h 型JBF-3本設(shè)計(jì)選用常州市新月電機(jī)有限公司生產(chǎn)的 ，3675齒輪減速箱。大小齒輪模數(shù)均為1mm齒數(shù)比： 。減速箱中55HRC材料為45調(diào)質(zhì)鋼，齒表面淬硬后達(dá) ，小齒輪厚度為心距為 mmmm 55.5 [(75 36)1 /2] 滾計(jì)算。10mm20mm雙片大齒輪厚度均為 杠絲珠動(dòng)的轉(zhuǎn)3 . 6步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的 計(jì)算與選型 慣量JsJ 63. . 1計(jì)算加在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 eq 數(shù)控工作臺(tái)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì) X-Y ，總長(zhǎng)已知：滾珠絲杠的公稱直徑 mm20d 0 度，

25、導(dǎo)程，材料密 mmP 5mml500 h 33 ；??；移動(dòng)部件總重力 G=1800Nm/ 10kg 7.85 ;大齒輪寬度，直徑齒輪寬度 mmd b 20mm36n 。直徑，傳動(dòng)比 mmdmm 75b 20/1225i 22 拖算計(jì)如表4-1所示，算板折4 rl杠絲到J s轉(zhuǎn)上的2量慣動(dòng)2cm0.617kg J S4 3 1 50 7.8510 J22 cm0.617kgkg cm w 2 滾珠絲杠的 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量： iW 2 2P hmJ 22cm 0.517kgcm 0.517kgJw加計(jì)算 進(jìn)步在2拖板折算到絲杠上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 cm 0.517kg JW機(jī)電動(dòng) 上軸轉(zhuǎn)2

26、cm J0.259kg小齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：仁轉(zhuǎn)總的 量動(dòng)慣 2cmkg J 4.877大齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：玄山 為三相混合初選步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的型號(hào)為 90BYG3502,式，由常州寶馬集團(tuán)公司生產(chǎn)，三相三拍驅(qū)動(dòng)時(shí)的步 查得該型號(hào)的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的°，從表 4-50.75距角為 2。轉(zhuǎn)動(dòng)慣cm4kg J m 則加在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為： 22cmkg 30.35 i)J J( J JJJ SWz1 eqm;2 2cmkgJ 30.35 eq T 2計(jì)算加在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上 的等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩? ? 36 eq分快速空載和承受最大負(fù)載兩種情況進(jìn)行計(jì)算： 13 數(shù)控工作臺(tái)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì) X-Y

27、快速空載起動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩 1） Tleq 包括三部分：一部分是快）可知，由式（4-8丁他 速空載起動(dòng)時(shí)折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大加速轉(zhuǎn)矩 ；一部分是移動(dòng)部件運(yùn)動(dòng)時(shí)折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上 T maxa ;還有一部分是滾珠絲杠預(yù)緊后折算到的摩擦轉(zhuǎn)矩 T f 。因?yàn)闈L珠絲杠副傳電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的附加摩擦轉(zhuǎn)矩 T 0 和4-12 ）可知，相對(duì)于動(dòng)效率很高，根據(jù)式（TT maxao 很小，可以忽略不計(jì)。則有：T f ）+= （ 6-13TTT maxafleq ，計(jì)算空根據(jù)式（4-9），考慮傳動(dòng)鏈的總效率 載起動(dòng)時(shí)折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上最大加速轉(zhuǎn)矩： n J21meq ） （ 6-1

28、4= T _ maxa t60a 式中： —對(duì)應(yīng)空載最快移動(dòng)速度的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)最高轉(zhuǎn)速， n m r/min;單位為 轉(zhuǎn)速所需的時(shí)間，一步進(jìn)電動(dòng)機(jī)由靜止到加速至 nt- 單位為S。 vmax n其中： m 360 35002800 1.2min r/min/ r 空算計(jì) 30.008360 動(dòng)載起 minr/n 600 式中：m算折時(shí) 動(dòng)電到v ;—空載最快移動(dòng)速度，任務(wù)書指定為 1800mm/miimax軸 機(jī)轉(zhuǎn)大上最?—步進(jìn)電動(dòng)機(jī)步距角，預(yù)選電動(dòng)機(jī)為0.75 ；轉(zhuǎn)加速 一脈沖當(dāng)量， 本例=0.005mm脈沖。T矩 maxa 14 數(shù)控工作臺(tái)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì) X-Y —

29、 ，所需時(shí)間設(shè)步進(jìn)電機(jī)由靜止加速至 st 0.4nam ）求得：。則由式（傳動(dòng)鏈總效率 6-140.7折計(jì)算 電算到nJ21meq=T 轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)_ maxa t60a 的上軸 轉(zhuǎn)摩擦 4 600102 30.35 mN N m 0.85lTm 0.851 NT 0.7 0.4 60f矩maxa ）知，移動(dòng)部件運(yùn)動(dòng)時(shí)，折算到電動(dòng)由 式（4-10 機(jī)轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩為： PG）（F hz T快計(jì)算 f i2載空速 時(shí)起動(dòng) 0.005 0 18000.005 m m 0.005NN 機(jī)電動(dòng) m T 0.005N /12） （252 07所轉(zhuǎn) 軸的受承式中轉(zhuǎn)載負(fù) 一導(dǎo)軌的摩擦因素，

30、滾動(dòng)導(dǎo)軌取 0.005 ； T1eq矩 —垂直方向的銑削力，空載時(shí)取 0； F z —傳動(dòng)鏈總效率，取0.7。 ）求得快速空載起動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)最后由式（6-13 軸所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩： T +T=T maxafeq1 m0.856 N T m 0.856 N 0.851 0.005Nm1eq 最大工作負(fù)載狀態(tài)下電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)載轉(zhuǎn) 2） T 矩 2eq T包括三部分：一部分是折由式（4-13 ）可知，2eq T; 一部分是算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大工作負(fù)載轉(zhuǎn)矩 t算計(jì)折T;移動(dòng)部件運(yùn)動(dòng) 時(shí)折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩電算到f轉(zhuǎn)機(jī)動(dòng)還有一部分是滾珠絲杠預(yù)緊后 折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的

31、 的上軸. 15 數(shù)控工作臺(tái)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì) X-Y 工大最很小，可以忽略不相對(duì)于和附加摩擦轉(zhuǎn)矩，TTTTt00f載負(fù)作 計(jì)。則有：T轉(zhuǎn) 矩t += TTT tfeq2其中，折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大工作負(fù)載轉(zhuǎn)矩 移算計(jì)）計(jì)算。已知沿著絲桿軸線方向的最 4-14由公式（Tt件部動(dòng)時(shí)動(dòng)運(yùn) 有： 大進(jìn)給載荷 N884F，則x至浙算 機(jī)電動(dòng)PFhf T上轉(zhuǎn)軸 t i2擦摩的 T0.005 884m T 0.48N f轉(zhuǎn)矩 m m 0.48NN t /12） 0.7 （252 最算計(jì)）計(jì)算垂直方向承受最大工作負(fù)載 4-10再由式（作大工移動(dòng)部件運(yùn)動(dòng)時(shí) 折算到電動(dòng)機(jī)情況下，（）N306F狀載

32、負(fù)z電下態(tài) 轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩： 轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī) 承 所軸 P G）（Fhz T負(fù)的受 f i2 矩載轉(zhuǎn) T0.0051800306 0.005 m 0.006NT 2eqf m 0.006N N m /12）（250.7 2力葉十算進(jìn)在步，求得最大工作負(fù)載狀 態(tài)下電動(dòng)）最后由式（6-18機(jī)電動(dòng) 機(jī)轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩： 上轉(zhuǎn)軸 效等的TTT +=tfeq2轉(zhuǎn)載負(fù) m m 0.486N 0.48 0.006NTm T 0.486N eq矩2eq經(jīng)過上述計(jì)算后，得到加 在在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上算步計(jì)電進(jìn)動(dòng)的最大等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩為：的最機(jī) m }T 0.856N,maX{T T靜大轉(zhuǎn)21eqeqec

33、mN 0.856 T eqT max矩3步進(jìn)電動(dòng)機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩 的選定.6. 3 考慮到步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電源受電網(wǎng)電壓影響較 大，當(dāng)輸入電壓降低時(shí)，其輸出轉(zhuǎn)矩會(huì)下降，可能造. 數(shù)控工作臺(tái)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì) X-Y Teq 來選擇步進(jìn)電動(dòng)機(jī)成丟步，甚至堵轉(zhuǎn)。因此，根據(jù) 的最大靜轉(zhuǎn)矩時(shí)，需要考慮安全系數(shù)。取安全系數(shù) K=4,則步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的最 大靜轉(zhuǎn)矩應(yīng)滿足： m 3.424N T 4 0.856N mT 4m 3.424 nt maxjeqmaxj 最校核4-5初選步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的型號(hào)為 90BYG3502由表選步進(jìn)電動(dòng)初進(jìn)工快。查 得該型號(hào)電動(dòng)機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩 mN T 6的型號(hào)滿足機(jī)時(shí)速度

34、maxj要求機(jī)動(dòng)電 滿足要求。岀的輸 矩轉(zhuǎn)4步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的性能校核3. 6. Tfmax 1）最快工進(jìn)速 度時(shí)電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩校核 度進(jìn)速臺(tái)最快工 任務(wù)書給定工作 脈沖,,脈沖當(dāng)量/ min/v 400mmmm 0.005論 率行頻對(duì)電動(dòng)機(jī)應(yīng)的運(yùn)（由式 4-16）求出 v400 fmaxHz 1333f Hz90BYG3502 fmax 0.0056060 m T 15Nfmax 可以看出在此頻率1-1電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行矩頻特性曲線圖遠(yuǎn)大于最大遠(yuǎn) 工作負(fù)載轉(zhuǎn)矩，，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于最下，電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩 mN T 5.6fmax滿足要求 ，滿足要求。大工作負(fù)載轉(zhuǎn)矩 mN T0.4862eq

35、 f/Hz 最校核載快空時(shí)移動(dòng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行矩頻特性曲線 1-1 90BYG3502圖 17 數(shù)控工作臺(tái)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì) X-Y 機(jī)動(dòng)電）最快空載移動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩校核 2轉(zhuǎn)輸岀度空載移動(dòng)速任務(wù)書給定 工作臺(tái)最快 T矩max ）求出其對(duì)應(yīng)運(yùn)行，仿照式（416min/1800mmv max v1800 maxHz6000Hz f 查 1.1。由圖頻率 max 0.005 6060 ，得，在此頻率下，電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩 m 1.8NT max 最校核滿足，大于快速空載起動(dòng)時(shí)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩 m 1.8NTm 0.856NT max1eq載快空于快 速空載大時(shí)動(dòng)移要求。動(dòng)時(shí)的負(fù)載起機(jī)

36、電動(dòng)3）最快空載移動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行頻率 校核滿足要求轉(zhuǎn)矩，頻運(yùn)行 率對(duì)應(yīng)與最快速空載移動(dòng)速度 minv 1800mm/max 可知。查表的電動(dòng)機(jī)運(yùn)行頻率為 4-5Hz6000f max ，可2000090BYG350電動(dòng)機(jī)的空載運(yùn)行頻率可達(dá) Hz 見沒有超出上限。載運(yùn)行頻率空 起算計(jì)4 ）起動(dòng)頻率的計(jì)算沒有超出上限 率動(dòng) 頻 ，已知電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 fzcmkg J 30.35 Leq 2，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸不電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 cm4J kg m （查表帶任何負(fù)載時(shí)的空載起動(dòng)頻率f1800Hzq ）可以求出步進(jìn)電動(dòng)機(jī)克服慣性負(fù) 4-5）。由式（4-17 載的起動(dòng)頻率為： f1800qHz fHz 614 ? ’? l4 1J/30.35/J 1meq 上式說明，要想保證步進(jìn)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)不失步， Hz614 f。實(shí)際上，在 任何時(shí)候的起動(dòng)頻率都必須小于 Hz614l 采用軟件升降頻時(shí)，起動(dòng)頻率選得更低，通常只有滿足動(dòng)頻率起 。Hz100） 100 （即脈沖/s要求 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)選步 90BYG3502步進(jìn)電動(dòng)機(jī)， 完全滿足設(shè)計(jì)要求。用90BYG3502完全電動(dòng)機(jī)進(jìn) 18 數(shù)控工作臺(tái)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì) X-Y