2005 (600×600)方臺(tái)面數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)設(shè)計(jì)

2005 (600×600)方臺(tái)面數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)設(shè)計(jì),臺(tái)面,數(shù)控,回轉(zhuǎn),工作臺(tái),設(shè)計(jì) X-Y 數(shù)控工作臺(tái)設(shè)計(jì)學(xué) 生：學(xué) 號(hào)：專(zhuān) 業(yè)：班 級(jí)：指導(dǎo)教師： 2(600×600)方臺(tái)面數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)設(shè)計(jì)目錄一、課程設(shè)計(jì)目的…………………………………………………………………4二、設(shè)計(jì)任務(wù)………………………………………………………………………4三、設(shè)計(jì)主要步驟……………………… ……………………………………………51、確定設(shè)計(jì)總體方案………………………………………………………………5（1） 、機(jī)械傳動(dòng)部件的選擇……………………………………………………5（2） 、控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)…………………………………………………………62、機(jī)械傳動(dòng)部件的計(jì)算與選型……………………………………………………6（1） 、導(dǎo)軌上移動(dòng)部件的重量估算……………………………………………6（2） 、計(jì)算切削力………………………………………………………………6（3） 、滾珠絲杠傳動(dòng)的設(shè)計(jì)計(jì)算及校驗(yàn)………………………………………7(4)、步進(jìn)電機(jī)的選用…………………………………………………………10（5） 、滾動(dòng)導(dǎo)軌的設(shè)計(jì)計(jì)算……………………………………………………153、其余附件的選擇…………………………………………………………………16四、控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)………………………………………………………………17五、總結(jié)體會(huì)………………………………………………………………………… 19六、參考文獻(xiàn)………………………………………………………………………193一、設(shè)計(jì)的目的《數(shù)控機(jī)床》課程設(shè)計(jì)是一個(gè)重要的實(shí)踐性教學(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)床的基本組成及其思想知識(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) X-Y 數(shù)控工作臺(tái)，主要參數(shù)如下：設(shè)計(jì)一臺(tái)數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)并開(kāi)發(fā)其控制、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，工作臺(tái)臺(tái)面 600×600mm，分辨率為 δ=5 分/step，承受最大載荷 Tmax=1800Nm。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、 絲杠螺母副的選擇步進(jìn)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(xiàn)運(yùn)動(dòng)，需要滿(mǎn)足初選 0.005mm 脈沖當(dāng)量，因?yàn)槎ㄎ痪取?.01mm，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，滑動(dòng)絲杠副無(wú)法做到，只有選用滾珠絲桿副才能達(dá)到要求，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。同時(shí)選用內(nèi)循環(huán)的形式，因?yàn)檫@樣摩擦損失小，傳動(dòng)效率高，且徑向尺寸結(jié)構(gòu)緊湊，軸4向剛度高。由于定位精度不高，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，剛性好，裝卸方便。由于工作臺(tái)轉(zhuǎn)速不高，故可以采用一般的安裝方法，即一端固定，一端游動(dòng)的軸承配置形式。②、導(dǎo)軌副的選用要設(shè)計(jì)數(shù)控銑床工作臺(tái)，需要承受的載荷不大，而且脈沖當(dāng)量小，定位精度高，因此選用直線(xiàn)滾動(dòng)導(dǎo)軌副，它具有摩擦系數(shù)小，不易爬行，傳動(dòng)效率高，結(jié)構(gòu)緊，安裝預(yù)緊方便等優(yōu)點(diǎn)。③、伺服電機(jī)的選用選用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)作為伺服電動(dòng)機(jī)后，可選開(kāi)環(huán)控制，也可選閉環(huán)控制。任務(wù)書(shū)所給的精度對(duì)于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)還是偏低，為了確保電動(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，決定采用開(kāi)環(huán)控制，任務(wù)書(shū)初選的脈沖當(dāng)量尚未達(dá)到 0.001mm，定位精度也未達(dá)到微米級(jí)，空載最快移動(dòng)速度也只有 2300mm/min,故本設(shè)計(jì)不必采用高檔次的伺服電機(jī)，因此可以選用混合式步進(jìn)電機(jī)，以降低成本，提高性?xún)r(jià)比。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(xiàn)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(mǎn)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（1） 、導(dǎo)軌上移動(dòng)部件的重量估算5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(xiàn)滾動(dòng)導(dǎo)軌副、導(dǎo)軌座等，估計(jì)重量約為 3700N。（2） 、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)：設(shè)零件的加工方式為立式加工，采用硬質(zhì)合金銑刀，工件材料為碳素鋼。由【5】中的表中，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=0.1mm銑刀轉(zhuǎn)速 n=300r/min由【2】中 P200,查得立銑時(shí)切削力計(jì)算公式為： 0.85.70.31.0cezp1afdanZF??代如上式得： 16393025.2..173.. ?????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由【2】中查得，各銑削力之間的比值范圍如下：=(1.0~1.2) 取 1.1fF/c/ =(0.2~0.3) 取 0.25fn/ =（0.35~0.4） 取 0.38ec考慮逆銑時(shí)的情況，因?yàn)槟驺姷那闆r的受力最大的情況，為了安全考慮這種最危險(xiǎn)的工況。由此可估算三個(gè)方向的銑削力分別為：NFCf1803.??e62Cfn45.考慮立銑，則工作臺(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zFfFfnF今將水平方向較大的銑削力分配給工作臺(tái)的縱向，則縱向銑削力 ，徑向銑削力為 。xFyFx=Ff=1803NFy=Ffn=410NFz=Fe=623N6（3） 、滾珠絲杠傳動(dòng)設(shè)計(jì)計(jì)算及校驗(yàn)①、最大工作載荷的計(jì)算已知移動(dòng)部件總重量 G=3700N，按滾動(dòng)導(dǎo)軌計(jì)算，由【3】中，取顛覆力影響系數(shù)K=1.1，滾動(dòng)導(dǎo)軌上的摩擦系數(shù)查【1】中 P194 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： xF(F)eqyZkuG??=1.1×1803+0.005×(410+623+3700)=2007N②、最大計(jì)算動(dòng)載荷的確定設(shè)工作臺(tái)在承受最大銑削力時(shí)的最快進(jìn)給速度 v=950mm/min，初選絲杠導(dǎo)程 P=5mm,則此時(shí)絲杠轉(zhuǎn)速 =v/P=190r/min。eqn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=5×360×8=14400h，根據(jù)【1】中 P110，公式 5—4 得： '601eqnT?其中 T——使用壽命 14400 hN——循環(huán)次數(shù)——滾珠絲杠的當(dāng)量轉(zhuǎn)速 190r/mineqn求得： ≈164 （ ）6' 1049??T610r查【1】中 P110，表 5-1、5-2 得，受中等沖擊載荷取值范圍 ，現(xiàn)取 ，滾1.2~5df?1.3df?道硬度為 60HRC 時(shí)，硬度影響系數(shù)取值 ，由【1】中， .hf?3'cheqCTfF代入數(shù)據(jù)得： ≈14281N207.13643?Cc②、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，查網(wǎng)上生產(chǎn)該型號(hào)的生產(chǎn)廠(chǎng)家的資料，選擇濟(jì)寧博特精密絲杠制造有限公司生產(chǎn)的 GDM 系列 2005-3 型滾珠絲杠副，為內(nèi)循環(huán)固定反向器雙螺母墊片預(yù)緊式滾珠絲杠副，其公稱(chēng)直徑為 20mm，導(dǎo)程為 5mm，循環(huán)滾珠為 3 圈×2系列，精度等級(jí)取 5 級(jí)。滾珠絲杠螺母副幾何參數(shù) （單位 mm）名 稱(chēng) 符 號(hào) 計(jì)算公式和結(jié)果公稱(chēng)直徑 0d207螺距 P 5接觸角 ?4?鋼球直徑 wd3.175螺紋滾道法面半徑 R0.21.65wd?偏心距 e9絲杠滾道螺紋升角 ?arc43'hwPtg??絲杠外徑 1d19.3絲杠底徑 26.絲桿螺桿接觸直徑 z cos17.5zwbd????螺母螺紋外徑 D0232eR?絲杠螺母螺母內(nèi)徑（內(nèi)循環(huán)） 1.4表一④、傳動(dòng)效率的計(jì)算將公稱(chēng)直徑 d0=20mm,導(dǎo)程 P=5mm,代入 λ=arctan[P/( d0)]，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(dòng)效率 η=96.4%。⑤、剛度的驗(yàn)算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【1】中 P109，可知這種安裝適用于較高精度、中等載荷的絲杠，一端采用深溝球軸承，一端采用一對(duì)背對(duì)背角接觸球軸承,這樣能承受集中力偶。絲杠螺母的剛度的驗(yàn)算可以用接觸量來(lái)校核。a、滾珠絲杠滾道間的接觸變 δ，查【3】中相關(guān)公式，根據(jù)公式 ，求得單圈0/WZd??滾珠數(shù) Z=20；該型號(hào)絲杠為雙螺母，滾珠的圈數(shù) 列數(shù)為 3 2，代入公式 Z 圈數(shù) 列???數(shù)，得滾珠總數(shù)量 =120。絲杠預(yù)緊時(shí)，取軸向預(yù)緊力 /3=669N。查【3】中相關(guān)公Z? eqFy式，得， 滾珠與螺紋滾道間接觸變形 3310./wyPadz???= =0.0014。因?yàn)榻z杠有預(yù)緊力，3310./wyPadFz???326975./491.0??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 =0.0007mm。1b、絲杠在工作載荷 作用下的抗拉壓變形max 2?絲杠采用的是一端采用深溝球軸承，一端采用一對(duì)背對(duì)背角接觸球軸承的配置形式，軸承的中心距 a=560mm,鋼的彈性模量 E=2.1 10 MPa,由表一中可知，滾珠直徑 =3.175mm,絲杠底徑?5 wd8=16.2mm，則絲杠的截面積 S= =206.12 ,由【7】中，式 3-352d2d/4π 2m2FeqaES??其中， 最大工作載荷 =2007N中心距 a=560mm彈性模量 E=2.1 10 MPa?5截面積 S= =206.122d/4π 2m代入以上數(shù)據(jù)，得 =0.026mm2?c、則 ，絲杠的有效行程為 500mm，由【3】中u.726.07.1 ????總知，5 級(jí)精度滾珠絲杠有效行程在 400~500mm 時(shí)，行程偏差允許達(dá)到 30um，可見(jiàn)絲杠剛度足夠。⑥、穩(wěn)定性的驗(yàn)算根據(jù)【3】 。2EILKkafP?π取支承系數(shù) =2；kf由絲杠底徑 d2=16.2mm 求得截面慣性矩 3380.88 ；42/6Id???4m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 560mm。代入公式，得 P =14481kg,f=14481N 大于 =14281N，故不會(huì)失穩(wěn)，滿(mǎn)足使用要求。a cC⑦、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 ，cn由【1】中 P111 式 5-10 得：2cfdn910L?其中 20-1.2×3.175=16.2mm20wd1.D??為臨界轉(zhuǎn)速計(jì)算長(zhǎng)度cLc216.d為絲杠支承方式系數(shù) =3.927（一端固定，一端游動(dòng)）2f f代入數(shù)據(jù)得： min/943rc?9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由以上驗(yàn)算可知，選用 GDM2005 型的絲杠，完全符合滿(mǎn)足所需要求，故確定選用該型號(hào)，由表一可知絲杠所需的安裝連接尺寸（4） 、步進(jìn)電機(jī)的選用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的計(jì)算和選型a、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算?？傓D(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【1】中 P134 式 5-28 得： 4120.7DL???式中 D 為絲杠公稱(chēng)直徑 D=20mmL 為絲杠長(zhǎng)度 L=560mm代入數(shù)據(jù)，得：J=0.77×20 ×560×10 =6.9×10 kg.㎡412?5?ⅱ、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)慣量由【1】中式 5-29 得： 262()0sJM???π其中 M 為工作臺(tái)的（包括工件）的質(zhì)量 M= kggG6.378.90??S 為絲杠螺距 S=5mm代入數(shù)據(jù)，得： 2462 10.2.37)5( mkJ???????ⅲ、初選常州寶馬前楊電機(jī)電器有限公司的 90YG5502 型混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，可知其轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 4310kg.?㎡所以 =6.9×10 +2.4×10 +4×10 =7.09×10 N·m12dJJ??54?4?4?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， 56.019.7443???Jd10由此可見(jiàn): ,符合慣量匹配要求。314dJ?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)所需力矩，由【1】中 P132 式 5-25 得： 10atft??其中 9.6ratJnMT?其中: 為折算到電動(dòng)機(jī)軸上的總慣量 = =7.09×10r rJd4?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/mintn得： mNat ???????24105..06931.7302fFSMi??π其中： 為導(dǎo)軌摩擦力0??NuGz 6.2105.)3762(????S 為絲杠螺距 S=5mmi 為齒輪降速比，已計(jì)算出為 1η 為傳動(dòng)鏈總效率，η=0.7—0.8，取 0.8代入數(shù)據(jù) 得： mNMf ????205.23max00(1)FSMi????π其中： 為最大軸向載荷，maxFNFeqa693mx?為滾珠絲杠未預(yù)緊時(shí)的效率， =0.95≥0.9 0?0?其余數(shù)據(jù)同上代入數(shù)據(jù) 得： NM??65.0其中： 進(jìn)給方向的最大切削力3102ttFSMi????π tFNFxt1803?11其余參數(shù)同上。代入數(shù)據(jù)得： N·m9.71Mt?由此都得到等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩 N·m 93.10??fatb、快速空載時(shí)電動(dòng)機(jī)所需力矩 M由【1】中 P132 式 5-24 得： max0f?加速力矩 其中：maxax9.6rJnMT?in/46axrPVh其余參數(shù)同上入數(shù)據(jù)得： mNa??02.mx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3012fFSi????πu=0.005其余參數(shù)同上。代入數(shù)據(jù)得： N·m021.Mf?附加摩擦力矩： 23max00(1)FSMi????π其余參數(shù)同上代入數(shù)據(jù)得： N·mmN??65.0所以可知快速空載時(shí)點(diǎn)擊所需力矩： 2ax0fM?=0.02+0.021+0.065=0.106 N·m比較 和 ，取其較大者，就是最大等效負(fù)載，即： = =1.93N.m1M2 1M③、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=2，則步進(jìn)電機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩應(yīng)滿(mǎn)足：N·m86.39.12max???MTj12由所選的電機(jī)型號(hào)參數(shù)可知，最大轉(zhuǎn)矩 N·m，可知滿(mǎn)足要求。max5jT?④、確定選型的步進(jìn)電機(jī)的參數(shù)所選電動(dòng)機(jī)參數(shù)如下圖所示：圖 2外形尺寸安裝接線(xiàn)圖和和矩頻特性如圖 3 所示13圖 3圖 4（5） 、滾動(dòng)導(dǎo)軌的設(shè)計(jì)計(jì)算14①、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：max4GF??其中，移動(dòng)部件重量 G=800N,外加載荷 F= =623NZF代入上式，得： N1548max?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 140hL?③、距離額定壽命計(jì)算由公式 ，從而得到31026hLnS???32610hnS?式中， 為小時(shí)額定工作壽命。hn 為移動(dòng)件每分鐘往復(fù)次數(shù)（4—6）取 5S 為移動(dòng)件行程長(zhǎng)度，由加工范圍為 600mm×300mm 取 900mm代入數(shù)據(jù) 得： kmLh76?④、額定動(dòng)載荷計(jì)算由公式 36.25(/)aCF從而得到： 6.25L?式中： 為額定動(dòng)載荷aL 為距離工作壽命，由上式可知為 7776kmF 為滑塊的工作載荷，由上式可知為 1548N代入數(shù)據(jù)得： NCa1649?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(chǎng)家，選用南京工藝裝備制造有限公司的 GGB25BA 型，相關(guān)尺寸如下圖 4 所示，15圖 5可知其額定動(dòng)載荷 C=17.7KN，大于 16.649KN，故可知滿(mǎn)足要求。⑥、安裝連接尺寸。對(duì)于導(dǎo)軌的安裝按照如圖 5 所示相關(guān)尺寸安裝。3、其余附件的選擇1、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)軸器還能剛性傳遞扭矩。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 LK13-C32-1012 型剛性聯(lián)軸器。四、控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)16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(pán)和 LED 顯示器借口，鍵盤(pán)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)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)原理框圖圖 62、 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 0.005mm，步進(jìn)電機(jī)每走一步，工作臺(tái)直線(xiàn)行進(jìn)給 0.005mm。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。17圖 7 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，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(xiàn)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(xiàn)方式設(shè)計(jì)中 X、Y 向步進(jìn)電動(dòng)機(jī)均為 90BYG5502 型，生產(chǎn)廠(chǎng)家為常州寶馬前楊電機(jī)電器有限公司。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 50V AC，相電流為 3A，分配方式為五相十拍。該驅(qū)動(dòng)電源與控制器的接線(xiàn)方式如圖 8 所示：圖 818五、總結(jié)體會(huì)我覺(jué)得本次課程設(shè)計(jì)是對(duì)過(guò)去所學(xué)專(zhuān)業(yè)知識(shí)的一個(gè)全面的綜合的運(yùn)用。在設(shè)計(jì)的過(guò)程中我全面地溫習(xí)了以前所學(xué)過(guò)的知識(shí)，包括機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)和機(jī)械制圖方面的基礎(chǔ)知識(shí)，還有剛學(xué)過(guò)的數(shù)控機(jī)床和機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，經(jīng)過(guò)復(fù)習(xí)整理所學(xué)得專(zhuān)業(yè)知識(shí)使得設(shè)計(jì)思路清晰系統(tǒng)。通過(guò)設(shè)計(jì)使我更加接近生產(chǎn)實(shí)際，鍛煉了將理論運(yùn)用于實(shí)際的分析和解決實(shí)際問(wèn)題的能力，鞏固、加深了有關(guān)機(jī)械設(shè)計(jì)方面的知識(shí)。在此過(guò)程中我不僅運(yùn)用了以前所學(xué)的各個(gè)學(xué)科方面的知識(shí)，而且學(xué)到了課本以外的知識(shí)。在此次設(shè)計(jì)過(guò)程中遇到了不少問(wèn)題，也走了不少?gòu)澛?，通過(guò)此次設(shè)計(jì)實(shí)踐讓我學(xué)會(huì)虛心求教，細(xì)心體察，大膽實(shí)踐。任何能力都是在實(shí)踐中積累起來(lái)的，都會(huì)有一個(gè)從不會(huì)到會(huì)，從不熟練到熟練的過(guò)程，人常說(shuō)“生活是最好的老師”就是說(shuō)只有在生活實(shí)踐中不斷磨練，才能提高獨(dú)立思考和解決問(wèn)題的能力；同時(shí)也培養(yǎng)了自己優(yōu)良的學(xué)風(fēng)、高尚的人生、團(tuán)結(jié)和合作的精神；學(xué)會(huì)了勤奮、求實(shí)的學(xué)習(xí)態(tài)度。還有很重要的一點(diǎn)是讓我體會(huì)到了一個(gè)設(shè)計(jì)者的精神。在設(shè)計(jì)過(guò)程中既要自己不斷思考、創(chuàng)造，又要注意借用現(xiàn)有的資料，掌握了查閱和使用標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范、手冊(cè)、圖冊(cè)、及相關(guān)技術(shù)資料的基本技能以及計(jì)算、繪圖、數(shù)據(jù)處理等方面的能力。通過(guò)對(duì)通用機(jī)械零件、常用機(jī)械傳動(dòng)或簡(jiǎn)單機(jī)械的設(shè)計(jì)，掌握了一般機(jī)械設(shè)計(jì)的程序和方法，有助于樹(shù)立正確的工程設(shè)計(jì)思想，培養(yǎng)獨(dú)立、全面、科學(xué)的機(jī)械設(shè)計(jì)能力。最后對(duì)在整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程中對(duì)老師認(rèn)真、耐心輔導(dǎo)表示衷心的感謝！六、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，2008.【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】張建民.機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].北京：高等教育出版社.2001【8】張訓(xùn)文.機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用[M].北京：北京理工大學(xué)出版社.2006【9】張立勛等.機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)出版社. X-Y 數(shù)控工作臺(tái)設(shè)計(jì)學(xué) 生：學(xué) 號(hào)：專(zhuān) 業(yè)：班 級(jí)：指導(dǎo)教師： 2(600×600)方臺(tái)面數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)設(shè)計(jì)目錄一、課程設(shè)計(jì)目的…………………………………………………………………4二、設(shè)計(jì)任務(wù)………………………………………………………………………4三、設(shè)計(jì)主要步驟……………………… ……………………………………………51、確定設(shè)計(jì)總體方案………………………………………………………………5（1） 、機(jī)械傳動(dòng)部件的選擇……………………………………………………5（2） 、控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)…………………………………………………………62、機(jī)械傳動(dòng)部件的計(jì)算與選型……………………………………………………6（1） 、導(dǎo)軌上移動(dòng)部件的重量估算……………………………………………6（2） 、計(jì)算切削力………………………………………………………………6（3） 、滾珠絲杠傳動(dòng)的設(shè)計(jì)計(jì)算及校驗(yàn)………………………………………7(4)、步進(jìn)電機(jī)的選用…………………………………………………………10（5） 、滾動(dòng)導(dǎo)軌的設(shè)計(jì)計(jì)算……………………………………………………153、其余附件的選擇…………………………………………………………………16四、控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)………………………………………………………………17五、總結(jié)體會(huì)………………………………………………………………………… 19六、參考文獻(xiàn)………………………………………………………………………193一、設(shè)計(jì)的目的《數(shù)控機(jī)床》課程設(shè)計(jì)是一個(gè)重要的實(shí)踐性教學(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)床的基本組成及其思想知識(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) X-Y 數(shù)控工作臺(tái)，主要參數(shù)如下：設(shè)計(jì)一臺(tái)數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)并開(kāi)發(fā)其控制、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，工作臺(tái)臺(tái)面 600×600mm，分辨率為 δ=5 分/step，承受最大載荷 Tmax=1800Nm。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、 絲杠螺母副的選擇步進(jìn)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(xiàn)運(yùn)動(dòng)，需要滿(mǎn)足初選 0.005mm 脈沖當(dāng)量，因?yàn)槎ㄎ痪取?.01mm，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，滑動(dòng)絲杠副無(wú)法做到，只有選用滾珠絲桿副才能達(dá)到要求，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。同時(shí)選用內(nèi)循環(huán)的形式，因?yàn)檫@樣摩擦損失小，傳動(dòng)效率高，且徑向尺寸結(jié)構(gòu)緊湊，軸4向剛度高。由于定位精度不高，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，剛性好，裝卸方便。由于工作臺(tái)轉(zhuǎn)速不高，故可以采用一般的安裝方法，即一端固定，一端游動(dòng)的軸承配置形式。②、導(dǎo)軌副的選用要設(shè)計(jì)數(shù)控銑床工作臺(tái)，需要承受的載荷不大，而且脈沖當(dāng)量小，定位精度高，因此選用直線(xiàn)滾動(dòng)導(dǎo)軌副，它具有摩擦系數(shù)小，不易爬行，傳動(dòng)效率高，結(jié)構(gòu)緊，安裝預(yù)緊方便等優(yōu)點(diǎn)。③、伺服電機(jī)的選用選用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)作為伺服電動(dòng)機(jī)后，可選開(kāi)環(huán)控制，也可選閉環(huán)控制。任務(wù)書(shū)所給的精度對(duì)于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)還是偏低，為了確保電動(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，決定采用開(kāi)環(huán)控制，任務(wù)書(shū)初選的脈沖當(dāng)量尚未達(dá)到 0.001mm，定位精度也未達(dá)到微米級(jí)，空載最快移動(dòng)速度也只有 2300mm/min,故本設(shè)計(jì)不必采用高檔次的伺服電機(jī)，因此可以選用混合式步進(jìn)電機(jī)，以降低成本，提高性?xún)r(jià)比。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(xiàn)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(mǎn)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（1） 、導(dǎo)軌上移動(dòng)部件的重量估算5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(xiàn)滾動(dòng)導(dǎo)軌副、導(dǎo)軌座等，估計(jì)重量約為 3700N。（2） 、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)：設(shè)零件的加工方式為立式加工，采用硬質(zhì)合金銑刀，工件材料為碳素鋼。由【5】中的表中，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=0.1mm銑刀轉(zhuǎn)速 n=300r/min由【2】中 P200,查得立銑時(shí)切削力計(jì)算公式為： 0.85.70.31.0cezp1afdanZF??代如上式得： 16393025.2..173.. ?????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由【2】中查得，各銑削力之間的比值范圍如下：=(1.0~1.2) 取 1.1fF/c/ =(0.2~0.3) 取 0.25fn/ =（0.35~0.4） 取 0.38ec考慮逆銑時(shí)的情況，因?yàn)槟驺姷那闆r的受力最大的情況，為了安全考慮這種最危險(xiǎn)的工況。由此可估算三個(gè)方向的銑削力分別為：NFCf1803.??e62Cfn45.考慮立銑，則工作臺(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zFfFfnF今將水平方向較大的銑削力分配給工作臺(tái)的縱向，則縱向銑削力 ，徑向銑削力為 。xFyFx=Ff=1803NFy=Ffn=410NFz=Fe=623N6（3） 、滾珠絲杠傳動(dòng)設(shè)計(jì)計(jì)算及校驗(yàn)①、最大工作載荷的計(jì)算已知移動(dòng)部件總重量 G=3700N，按滾動(dòng)導(dǎo)軌計(jì)算，由【3】中，取顛覆力影響系數(shù)K=1.1，滾動(dòng)導(dǎo)軌上的摩擦系數(shù)查【1】中 P194 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： xF(F)eqyZkuG??=1.1×1803+0.005×(410+623+3700)=2007N②、最大計(jì)算動(dòng)載荷的確定設(shè)工作臺(tái)在承受最大銑削力時(shí)的最快進(jìn)給速度 v=950mm/min，初選絲杠導(dǎo)程 P=5mm,則此時(shí)絲杠轉(zhuǎn)速 =v/P=190r/min。eqn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=5×360×8=14400h，根據(jù)【1】中 P110，公式 5—4 得： '601eqnT?其中 T——使用壽命 14400 hN——循環(huán)次數(shù)——滾珠絲杠的當(dāng)量轉(zhuǎn)速 190r/mineqn求得： ≈164 （ ）6' 1049??T610r查【1】中 P110，表 5-1、5-2 得，受中等沖擊載荷取值范圍 ，現(xiàn)取 ，滾1.2~5df?1.3df?道硬度為 60HRC 時(shí)，硬度影響系數(shù)取值 ，由【1】中， .hf?3'cheqCTfF代入數(shù)據(jù)得： ≈14281N207.13643?Cc②、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，查網(wǎng)上生產(chǎn)該型號(hào)的生產(chǎn)廠(chǎng)家的資料，選擇濟(jì)寧博特精密絲杠制造有限公司生產(chǎn)的 GDM 系列 2005-3 型滾珠絲杠副，為內(nèi)循環(huán)固定反向器雙螺母墊片預(yù)緊式滾珠絲杠副，其公稱(chēng)直徑為 20mm，導(dǎo)程為 5mm，循環(huán)滾珠為 3 圈×2系列，精度等級(jí)取 5 級(jí)。滾珠絲杠螺母副幾何參數(shù) （單位 mm）名 稱(chēng) 符 號(hào) 計(jì)算公式和結(jié)果公稱(chēng)直徑 0d207螺距 P 5接觸角 ?4?鋼球直徑 wd3.175螺紋滾道法面半徑 R0.21.65wd?偏心距 e9絲杠滾道螺紋升角 ?arc43'hwPtg??絲杠外徑 1d19.3絲杠底徑 26.絲桿螺桿接觸直徑 z cos17.5zwbd????螺母螺紋外徑 D0232eR?絲杠螺母螺母內(nèi)徑（內(nèi)循環(huán)） 1.4表一④、傳動(dòng)效率的計(jì)算將公稱(chēng)直徑 d0=20mm,導(dǎo)程 P=5mm,代入 λ=arctan[P/( d0)]，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(dòng)效率 η=96.4%。⑤、剛度的驗(yàn)算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【1】中 P109，可知這種安裝適用于較高精度、中等載荷的絲杠，一端采用深溝球軸承，一端采用一對(duì)背對(duì)背角接觸球軸承,這樣能承受集中力偶。絲杠螺母的剛度的驗(yàn)算可以用接觸量來(lái)校核。a、滾珠絲杠滾道間的接觸變 δ，查【3】中相關(guān)公式，根據(jù)公式 ，求得單圈0/WZd??滾珠數(shù) Z=20；該型號(hào)絲杠為雙螺母，滾珠的圈數(shù) 列數(shù)為 3 2，代入公式 Z 圈數(shù) 列???數(shù)，得滾珠總數(shù)量 =120。絲杠預(yù)緊時(shí)，取軸向預(yù)緊力 /3=669N。查【3】中相關(guān)公Z? eqFy式，得， 滾珠與螺紋滾道間接觸變形 3310./wyPadz???= =0.0014。因?yàn)榻z杠有預(yù)緊力，3310./wyPadFz???326975./491.0??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 =0.0007mm。1b、絲杠在工作載荷 作用下的抗拉壓變形max 2?絲杠采用的是一端采用深溝球軸承，一端采用一對(duì)背對(duì)背角接觸球軸承的配置形式，軸承的中心距 a=560mm,鋼的彈性模量 E=2.1 10 MPa,由表一中可知，滾珠直徑 =3.175mm,絲杠底徑?5 wd8=16.2mm，則絲杠的截面積 S= =206.12 ,由【7】中，式 3-352d2d/4π 2m2FeqaES??其中， 最大工作載荷 =2007N中心距 a=560mm彈性模量 E=2.1 10 MPa?5截面積 S= =206.122d/4π 2m代入以上數(shù)據(jù)，得 =0.026mm2?c、則 ，絲杠的有效行程為 500mm，由【3】中u.726.07.1 ????總知，5 級(jí)精度滾珠絲杠有效行程在 400~500mm 時(shí)，行程偏差允許達(dá)到 30um，可見(jiàn)絲杠剛度足夠。⑥、穩(wěn)定性的驗(yàn)算根據(jù)【3】 。2EILKkafP?π取支承系數(shù) =2；kf由絲杠底徑 d2=16.2mm 求得截面慣性矩 3380.88 ；42/6Id???4m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 560mm。代入公式，得 P =14481kg,f=14481N 大于 =14281N，故不會(huì)失穩(wěn)，滿(mǎn)足使用要求。a cC⑦、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 ，cn由【1】中 P111 式 5-10 得：2cfdn910L?其中 20-1.2×3.175=16.2mm20wd1.D??為臨界轉(zhuǎn)速計(jì)算長(zhǎng)度cLc216.d為絲杠支承方式系數(shù) =3.927（一端固定，一端游動(dòng)）2f f代入數(shù)據(jù)得： min/943rc?9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由以上驗(yàn)算可知，選用 GDM2005 型的絲杠，完全符合滿(mǎn)足所需要求，故確定選用該型號(hào)，由表一可知絲杠所需的安裝連接尺寸（4） 、步進(jìn)電機(jī)的選用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的計(jì)算和選型a、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算?？傓D(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【1】中 P134 式 5-28 得： 4120.7DL???式中 D 為絲杠公稱(chēng)直徑 D=20mmL 為絲杠長(zhǎng)度 L=560mm代入數(shù)據(jù)，得：J=0.77×20 ×560×10 =6.9×10 kg.㎡412?5?ⅱ、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)慣量由【1】中式 5-29 得： 262()0sJM???π其中 M 為工作臺(tái)的（包括工件）的質(zhì)量 M= kggG6.378.90??S 為絲杠螺距 S=5mm代入數(shù)據(jù)，得： 2462 10.2.37)5( mkJ???????ⅲ、初選常州寶馬前楊電機(jī)電器有限公司的 90YG5502 型混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，可知其轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 4310kg.?㎡所以 =6.9×10 +2.4×10 +4×10 =7.09×10 N·m12dJJ??54?4?4?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， 56.019.7443???Jd10由此可見(jiàn): ,符合慣量匹配要求。314dJ?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)所需力矩，由【1】中 P132 式 5-25 得： 10atft??其中 9.6ratJnMT?其中: 為折算到電動(dòng)機(jī)軸上的總慣量 = =7.09×10r rJd4?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/mintn得： mNat ???????24105..06931.7302fFSMi??π其中： 為導(dǎo)軌摩擦力0??NuGz 6.2105.)3762(????S 為絲杠螺距 S=5mmi 為齒輪降速比，已計(jì)算出為 1η 為傳動(dòng)鏈總效率，η=0.7—0.8，取 0.8代入數(shù)據(jù) 得： mNMf ????205.23max00(1)FSMi????π其中： 為最大軸向載荷，maxFNFeqa693mx?為滾珠絲杠未預(yù)緊時(shí)的效率， =0.95≥0.9 0?0?其余數(shù)據(jù)同上代入數(shù)據(jù) 得： NM??65.0其中： 進(jìn)給方向的最大切削力3102ttFSMi????π tFNFxt1803?11其余參數(shù)同上。代入數(shù)據(jù)得： N·m9.71Mt?由此都得到等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩 N·m 93.10??fatb、快速空載時(shí)電動(dòng)機(jī)所需力矩 M由【1】中 P132 式 5-24 得： max0f?加速力矩 其中：maxax9.6rJnMT?in/46axrPVh其余參數(shù)同上入數(shù)據(jù)得： mNa??02.mx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3012fFSi????πu=0.005其余參數(shù)同上。代入數(shù)據(jù)得： N·m021.Mf?附加摩擦力矩： 23max00(1)FSMi????π其余參數(shù)同上代入數(shù)據(jù)得： N·mmN??65.0所以可知快速空載時(shí)點(diǎn)擊所需力矩： 2ax0fM?=0.02+0.021+0.065=0.106 N·m比較 和 ，取其較大者，就是最大等效負(fù)載，即： = =1.93N.m1M2 1M③、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=2，則步進(jìn)電機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩應(yīng)滿(mǎn)足：N·m86.39.12max???MTj12由所選的電機(jī)型號(hào)參數(shù)可知，最大轉(zhuǎn)矩 N·m，可知滿(mǎn)足要求。max5jT?④、確定選型的步進(jìn)電機(jī)的參數(shù)所選電動(dòng)機(jī)參數(shù)如下圖所示：圖 2外形尺寸安裝接線(xiàn)圖和和矩頻特性如圖 3 所示13圖 3圖 4（5） 、滾動(dòng)導(dǎo)軌的設(shè)計(jì)計(jì)算14①、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：max4GF??其中，移動(dòng)部件重量 G=800N,外加載荷 F= =623NZF代入上式，得： N1548max?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 140hL?③、距離額定壽命計(jì)算由公式 ，從而得到31026hLnS???32610hnS?式中， 為小時(shí)額定工作壽命。hn 為移動(dòng)件每分鐘往復(fù)次數(shù)（4—6）取 5S 為移動(dòng)件行程長(zhǎng)度，由加工范圍為 600mm×300mm 取 900mm代入數(shù)據(jù) 得： kmLh76?④、額定動(dòng)載荷計(jì)算由公式 36.25(/)aCF從而得到： 6.25L?式中： 為額定動(dòng)載荷aL 為距離工作壽命，由上式可知為 7776kmF 為滑塊的工作載荷，由上式可知為 1548N代入數(shù)據(jù)得： NCa1649?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(chǎng)家，選用南京工藝裝備制造有限公司的 GGB25BA 型，相關(guān)尺寸如下圖 4 所示，15圖 5可知其額定動(dòng)載荷 C=17.7KN，大于 16.649KN，故可知滿(mǎn)足要求。⑥、安裝連接尺寸。對(duì)于導(dǎo)軌的安裝按照如圖 5 所示相關(guān)尺寸安裝。3、其余附件的選擇1、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)軸器還能剛性傳遞扭矩。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 LK13-C32-1012 型剛性聯(lián)軸器。四、控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)16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(pán)和 LED 顯示器借口，鍵盤(pán)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)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)原理框圖圖 62、 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 0.005mm，步進(jìn)電機(jī)每走一步，工作臺(tái)直線(xiàn)行進(jìn)給 0.005mm。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。17圖 7 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，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(xiàn)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(xiàn)方式設(shè)計(jì)中 X、Y 向步進(jìn)電動(dòng)機(jī)均為 90BYG5502 型，生產(chǎn)廠(chǎng)家為常州寶馬前楊電機(jī)電器有限公司。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 50V AC，相電流為 3A，分配方式為五相十拍。該驅(qū)動(dòng)電源與控制器的接線(xiàn)方式如圖 8 所示：圖 818五、總結(jié)體會(huì)我覺(jué)得本次課程設(shè)計(jì)是對(duì)過(guò)去所學(xué)專(zhuān)業(yè)知識(shí)的一個(gè)全面的綜合的運(yùn)用。在設(shè)計(jì)的過(guò)程中我全面地溫習(xí)了以前所學(xué)過(guò)的知識(shí)，包括機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)和機(jī)械制圖方面的基礎(chǔ)知識(shí)，還有剛學(xué)過(guò)的數(shù)控機(jī)床和機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，經(jīng)過(guò)復(fù)習(xí)整理所學(xué)得專(zhuān)業(yè)知識(shí)使得設(shè)計(jì)思路清晰系統(tǒng)。通過(guò)設(shè)計(jì)使我更加接近生產(chǎn)實(shí)際，鍛煉了將理論運(yùn)用于實(shí)際的分析和解決實(shí)際問(wèn)題的能力，鞏固、加深了有關(guān)機(jī)械設(shè)計(jì)方面的知識(shí)。在此過(guò)程中我不僅運(yùn)用了以前所學(xué)的各個(gè)學(xué)科方面的知識(shí)，而且學(xué)到了課本以外的知識(shí)。在此次設(shè)計(jì)過(guò)程中遇到了不少問(wèn)題，也走了不少?gòu)澛罚ㄟ^(guò)此次設(shè)計(jì)實(shí)踐讓我學(xué)會(huì)虛心求教，細(xì)心體察，大膽實(shí)踐。任何能力都是在實(shí)踐中積累起來(lái)的，都會(huì)有一個(gè)從不會(huì)到會(huì)，從不熟練到熟練的過(guò)程，人常說(shuō)“生活是最好的老師”就是說(shuō)只有在生活實(shí)踐中不斷磨練，才能提高獨(dú)立思考和解決問(wèn)題的能力；同時(shí)也培養(yǎng)了自己優(yōu)良的學(xué)風(fēng)、高尚的人生、團(tuán)結(jié)和合作的精神；學(xué)會(huì)了勤奮、求實(shí)的學(xué)習(xí)態(tài)度。還有很重要的一點(diǎn)是讓我體會(huì)到了一個(gè)設(shè)計(jì)者的精神。在設(shè)計(jì)過(guò)程中既要自己不斷思考、創(chuàng)造，又要注意借用現(xiàn)有的資料，掌握了查閱和使用標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范、手冊(cè)、圖冊(cè)、及相關(guān)技術(shù)資料的基本技能以及計(jì)算、繪圖、數(shù)據(jù)處理等方面的能力。通過(guò)對(duì)通用機(jī)械零件、常用機(jī)械傳動(dòng)或簡(jiǎn)單機(jī)械的設(shè)計(jì)，掌握了一般機(jī)械設(shè)計(jì)的程序和方法，有助于樹(shù)立正確的工程設(shè)計(jì)思想，培養(yǎng)獨(dú)立、全面、科學(xué)的機(jī)械設(shè)計(jì)能力。最后對(duì)在整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程中對(duì)老師認(rèn)真、耐心輔導(dǎo)表示衷心的感謝！六、參考文獻(xiàn)【1】、文懷興、夏田 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