X-Y數(shù)控工作臺(tái)及其控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)【說(shuō)明書(shū)+CAD】

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X-y tables CNC machinery system design is an open-loop control system. Its simple structure, convenient and can ensure the precision of certain, reduced cost, is the most simple of microcomputer control technology of application. It fully utilize the PLC to realize the control of machine tools, expanding the scope of machining accuracy and reliability, and further improved. Design task is complete on nc machine tools and working principle of the design, fully embodies the CNC machinery and electrical equipment parts. X-Y tables include overall scheme design of CNC design, selection of stepping motor driving device, the design, the design of ball screw nut pair, the selection and design of electric controlling part. The design of the economical nc workbench precision request is not high, the open loop system. Mechanical transmission through adopting step-motor synchronous belt transmission, connect to slow level on the ball screw, thus the driver. Keywords: X-Y tables, PLC, transmission machinery parts and control system目 錄摘 要IAbstractII1緒 論11.1 X-Y數(shù)控工作臺(tái)研究背景11.2 X-Y數(shù)控工作臺(tái)研究意義11.3 X-Y數(shù)控工作臺(tái)的現(xiàn)狀與發(fā)展22 X-Y數(shù)控工作臺(tái)總體方案確定42.1 傳動(dòng)系統(tǒng)方案的確定42.2 控制電機(jī)的確定52.3 控制系統(tǒng)方案的確定72.4 其他零部件的選擇83 X-Y數(shù)控工作臺(tái)機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)103.1 X-Y數(shù)控工作臺(tái)的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)103.2 主要設(shè)計(jì)參數(shù)及其依據(jù)113.3 工作載荷分析及計(jì)算113.4 直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副的計(jì)算與選型123.5 滾珠絲杠螺母副的選型和校核143.6 同步帶輪傳動(dòng)的設(shè)計(jì)和計(jì)算173.7 驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選擇193.8 其它零部件的確定234 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)274.1 PLC的組成與工作原理274.2 PLC的選型294.3 PLC 控制步進(jìn)電機(jī)的梯形圖程序設(shè)計(jì)304.4 程序的分析與比較36總 結(jié)38致 謝39參考文獻(xiàn)40附錄一 英語(yǔ)論文41附錄二 漢語(yǔ)翻譯46501 緒 論1.1 X-Y數(shù)控工作臺(tái)研究背景現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，極大地推動(dòng)了不同學(xué)科的交叉與滲透，導(dǎo)致了工程領(lǐng)域的技術(shù)革命與改造。在機(jī)械工程領(lǐng)域，由于微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展,及其向機(jī)械工業(yè)的滲透,而形成的機(jī)電一體化，使機(jī)械工業(yè)的技術(shù)結(jié)構(gòu)、產(chǎn)品機(jī)構(gòu)、功能與構(gòu)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(jī)械電氣化”邁入了以“機(jī)電一體化”為特征的發(fā)展階段。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步和社會(huì)生產(chǎn)的不斷發(fā)展，人們對(duì)機(jī)械產(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)率提出了越來(lái)越高的要求，而機(jī)械加工過(guò)程的自動(dòng)化是實(shí)現(xiàn)上述要求的有效途徑。從工業(yè)化革命以來(lái)，人們實(shí)現(xiàn)機(jī)械加工自動(dòng)化的主要手段有：1.自動(dòng)機(jī)床；2.組合機(jī)床；3.專(zhuān)用自動(dòng)生產(chǎn)線。這些設(shè)備的使用大大提高了機(jī)械加工自動(dòng)化的程度，提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率，促進(jìn)了制造業(yè)的發(fā)展。但它也存在固有的缺點(diǎn)，如：1.初始投資大；2.準(zhǔn)備周期長(zhǎng)；3.柔性差。因此，上述方法僅適用于批量較大的零件生產(chǎn)。然而，隨著市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的日趨激烈，產(chǎn)品更新?lián)Q代周期縮短，小批量產(chǎn)品的生產(chǎn)所占的比重越來(lái)越大，約占總加工量的80以上。在航空、航天、重型機(jī)床以及國(guó)防工業(yè)部門(mén)尤為突出。因此，迫切需要一種精度高，柔性好的加工設(shè)備來(lái)滿足上述需求，這是機(jī)床數(shù)控技術(shù)產(chǎn)生和發(fā)展的內(nèi)在動(dòng)力。另一方面，電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展則為NC 機(jī)床的發(fā)展提供了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。數(shù)控工作臺(tái)正是在這種背景下誕生和發(fā)展起來(lái)的，它極其有效地滿足了上述要求，為小批量、精密復(fù)雜的零件生產(chǎn)提供了自動(dòng)化加工手段。1.2 X-Y數(shù)控工作臺(tái)研究意義數(shù)控技術(shù)可以說(shuō)是先進(jìn)制造技術(shù)的基本，體現(xiàn)著數(shù)控技術(shù)的數(shù)控機(jī)床成為制造業(yè)關(guān)注的焦點(diǎn)。微機(jī)控制的數(shù)控機(jī)床、數(shù)控加工中心的高精度、高度柔性化及適合加工復(fù)雜零件的性能，正好滿足當(dāng)今市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)和工藝發(fā)展的需要?？梢哉f(shuō)，微機(jī)數(shù)字控制技術(shù)的應(yīng)用是機(jī)械制造行業(yè)現(xiàn)代化的標(biāo)志，在很大程度上決定了企業(yè)在市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中的成敗。裝備工業(yè)的技術(shù)水平和現(xiàn)代化程度決定著整個(gè)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的水品和現(xiàn)代化程度，數(shù)控技術(shù)及裝備是發(fā)展新型高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)和尖端工業(yè)的使能技術(shù)和最基本的裝備，又是當(dāng)今先進(jìn)制造技術(shù)和裝備最核心的技術(shù)。數(shù)控技術(shù)是使用數(shù)字信息對(duì)機(jī)械運(yùn)動(dòng)和工作過(guò)程進(jìn)行控制的技術(shù)，而數(shù)控裝備是以數(shù)控技術(shù)為代表的新技術(shù)對(duì)傳統(tǒng)制造產(chǎn)業(yè)和新興制造業(yè)的滲透形成的機(jī)電一體化產(chǎn)品，其技術(shù)范圍覆蓋很多領(lǐng)域。X-Y數(shù)控工作臺(tái)是一個(gè)開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)方便，而且能夠保證一定的精度、降低成本，是微機(jī)控制技術(shù)的最簡(jiǎn)單的應(yīng)用。它充分的利用了危機(jī)的軟件硬件功能以實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)床的控制，使機(jī)床的加工范圍擴(kuò)大，精度和可靠性進(jìn)一步得到提高。數(shù)控精密工作臺(tái)采用滾珠直線導(dǎo)軌副為導(dǎo)向支承，滾珠絲杠副為運(yùn)動(dòng)執(zhí)行元件的結(jié)構(gòu)，具有精度高、效率高、壽命長(zhǎng)、磨損小、節(jié)能低耗、磨擦系數(shù)小、結(jié)構(gòu)緊湊、通用性強(qiáng)等特點(diǎn)。目前已廣泛應(yīng)用于測(cè)量、激光焊接、激光切割，涂膠、打孔，插件、小型數(shù)控機(jī)床、射線掃描、雕銑機(jī)及實(shí)用教學(xué)等場(chǎng)合。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(chē)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)做執(zhí)行元件用來(lái)驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠，滾珠絲杠螺母帶動(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、Y方向的直線移動(dòng)。導(dǎo)軌副、滾珠絲杠螺母副和伺服電動(dòng)機(jī)等均以標(biāo)準(zhǔn)化，由專(zhuān)門(mén)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，可以選取用標(biāo)準(zhǔn)的工作控制計(jì)算機(jī)，也可以設(shè)計(jì)專(zhuān)用的微機(jī)控制系統(tǒng)。1.3 X-Y數(shù)控工作臺(tái)的現(xiàn)狀與發(fā)展我國(guó)數(shù)控機(jī)床產(chǎn)量持續(xù)高速增長(zhǎng)，根據(jù)市場(chǎng)需求和技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)，應(yīng)重點(diǎn)推進(jìn)高效、精密為核心的數(shù)控機(jī)床“m”級(jí)工程，加強(qiáng)發(fā)展高性能、高可靠性數(shù)控功能部件，積極開(kāi)展復(fù)合加工機(jī)床、超精密數(shù)控機(jī)床和可重構(gòu)制造系統(tǒng)的工程化研究等相應(yīng)的關(guān)鍵技術(shù)。數(shù)控機(jī)床及由數(shù)控機(jī)床組成的柔性化制造系統(tǒng)是改造傳統(tǒng)機(jī)械加工裝備產(chǎn)業(yè)、構(gòu)建數(shù)字化企業(yè)的重要基礎(chǔ)，它的發(fā)展一直備受人們關(guān)注。數(shù)控機(jī)床以其卓越的柔性自動(dòng)化的性能、優(yōu)異而穩(wěn)定的精度、靈捷而多樣化的功能引起世人矚目。它開(kāi)創(chuàng)了機(jī)械產(chǎn)品向機(jī)電一體化發(fā)展的先河，因此數(shù)控技術(shù)成為先進(jìn)制造技術(shù)中的一項(xiàng)核心技術(shù)。通過(guò)持續(xù)的開(kāi)發(fā)研究以及對(duì)信息技術(shù)的深化應(yīng)用，促進(jìn)了數(shù)控機(jī)床性能和質(zhì)量的進(jìn)一步提升，使數(shù)控機(jī)床成為國(guó)民經(jīng)濟(jì)和國(guó)防建設(shè)發(fā)展的重要制造裝備。在我國(guó)對(duì)外開(kāi)放進(jìn)一步深化的新環(huán)境下，發(fā)展我國(guó)數(shù)控技術(shù)及裝備，提高我國(guó)制造業(yè)信息化水平和國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)能力尤為重要。數(shù)控技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)：數(shù)控技術(shù)的應(yīng)用不但給傳統(tǒng)制造業(yè)帶來(lái)了革命性的變化，使制造業(yè)成為工業(yè)化的象征，而且隨著數(shù)控技術(shù)的不斷發(fā)展和應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)大，它對(duì)國(guó)計(jì)民生的一些重要行業(yè)，例如IT、汽車(chē)、輕工、醫(yī)療等的發(fā)展起著越來(lái)越重要的作用。從目前世界上數(shù)控技術(shù)及其裝備發(fā)展的趨勢(shì)來(lái)看，其主要研究熱點(diǎn)有以下幾個(gè)方面：（1）高速、高精加工技術(shù)及裝備的新趨勢(shì)；（2）5軸聯(lián)動(dòng)對(duì)三維曲面零件的加工，可用刀具最佳幾何形狀進(jìn)行切割，不僅光潔度高，而且效率也大幅度提高；（3）智能化、開(kāi)放式、網(wǎng)絡(luò)化成為當(dāng)代數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展的主要趨勢(shì)；對(duì)我國(guó)數(shù)控技術(shù)和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的戰(zhàn)略思考：（1）戰(zhàn)略考慮。我國(guó)是制造大國(guó)，在世界產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移中要盡量接受前端而不是后端的轉(zhuǎn)移，所以，我們應(yīng)站在國(guó)家安全戰(zhàn)略的高度來(lái)重視數(shù)控技術(shù)和產(chǎn)業(yè)問(wèn)題。首先從社會(huì)安全看，因?yàn)橹圃鞓I(yè)是我國(guó)就業(yè)人口最多的行業(yè)，制造業(yè)發(fā)展不僅可提高人民的生活水平，而且還可緩解我國(guó)就業(yè)的壓力，保障社會(huì)的穩(wěn)定；其次從國(guó)防安全看，西方發(fā)達(dá)國(guó)家把高精尖數(shù)控產(chǎn)品都列為國(guó)家的戰(zhàn)略物質(zhì)，對(duì)我國(guó)實(shí)現(xiàn)禁運(yùn)和限制，“東芝事件”和“考克斯報(bào)告”都是最好的例證；（2）發(fā)展策略。從我國(guó)基本國(guó)情的角度出發(fā)，以國(guó)家的戰(zhàn)略需求和國(guó)民經(jīng)濟(jì)的市場(chǎng)需求為導(dǎo)向，以提高我國(guó)制造裝備業(yè)綜合競(jìng)爭(zhēng)能力和產(chǎn)業(yè)化水平為目標(biāo)，用系統(tǒng)的方法，選擇能夠主導(dǎo)21世紀(jì)初期我國(guó)制造裝備業(yè)發(fā)展升級(jí)的關(guān)鍵技術(shù)以及支持產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的支撐技術(shù)、配套技術(shù)作為研究開(kāi)發(fā)的內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)制造裝備業(yè)的跨越式發(fā)展。強(qiáng)調(diào)市場(chǎng)需求為導(dǎo)向，即以數(shù)控終端產(chǎn)品為主，以整機(jī)如量大面廣的數(shù)控車(chē)床、銑床、高速高精高性能數(shù)控機(jī)床、曲型數(shù)字化機(jī)械、重點(diǎn)行業(yè)關(guān)鍵設(shè)備等帶動(dòng)數(shù)控產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。重點(diǎn)解決數(shù)控系統(tǒng)和相關(guān)功能部件 數(shù)字化伺服系統(tǒng)與電機(jī)、高速電主軸系統(tǒng)和新型裝備的附件等 的可靠性和生產(chǎn)規(guī)模的問(wèn)題。沒(méi)有規(guī)模就不會(huì)有高可靠性的產(chǎn)品；沒(méi)有規(guī)模就不會(huì)有價(jià)值低廉而富有競(jìng)爭(zhēng)力的產(chǎn)品；當(dāng)然，沒(méi)有規(guī)模中國(guó)的數(shù)控裝備最終難有出頭之日。 2 X-Y數(shù)控工作臺(tái)總體方案確定2.1 傳動(dòng)系統(tǒng)方案的確定主要的機(jī)械傳動(dòng)裝置：鏈傳動(dòng)、齒輪傳動(dòng)、蝸桿傳動(dòng)、帶傳動(dòng)。1 鏈傳動(dòng)鏈傳動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)： （1） 平均傳動(dòng)比準(zhǔn)確，壓軸力??； ( 2) 效率較高； ( 3) 安裝精度要求較低，成本低； （4） 適用于中心距較大的傳動(dòng)。鏈傳動(dòng)的缺點(diǎn)： （1） 瞬時(shí)傳動(dòng)比不恒定，瞬時(shí)鏈速不恒定； （2） 傳動(dòng)的平穩(wěn)性差，有噪音。鏈傳動(dòng)的應(yīng)用場(chǎng)合：用在轉(zhuǎn)速不高，兩軸中心距較大，要求平均傳動(dòng)比準(zhǔn)確的場(chǎng)合。2 齒輪傳動(dòng)齒輪傳動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)： （1） 工作可靠，壽命長(zhǎng)； （2） 傳動(dòng)比恒定； （3） 效率高； （4） 結(jié)構(gòu)緊湊； （5） 適用性廣。齒輪傳動(dòng)的缺點(diǎn)： （1） 制造及安裝精度要求高； （2） 價(jià)格較貴，不宜用于傳動(dòng)距離過(guò)大的場(chǎng)合； ( 3 ) 易產(chǎn)生低頻振蕩。3 蝸桿傳動(dòng)蝸桿傳動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)： （1） 能實(shí)現(xiàn)大的傳動(dòng)比； （2） 沖擊載荷小，傳動(dòng)平穩(wěn)，噪聲低； （3） 具有自鎖性。蝸桿傳動(dòng)的缺點(diǎn)：摩擦損失較大，效率低，工作時(shí)發(fā)熱量大。4 帶傳動(dòng)帶傳動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)： （1） 適用于中心距較大的傳動(dòng)； （2） 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低； （3） 帶有彈性，能緩沖減震，運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，噪音??； （4） 傳動(dòng)過(guò)載時(shí)，帶與帶輪打滑，保護(hù)其他零件。綜上所述，本設(shè)計(jì)要實(shí)現(xiàn)精確的傳動(dòng)，那么選擇帶中的同步齒形帶。同步齒形帶傳動(dòng)是一種新型的帶傳動(dòng)。它利用齒形帶的齒形與帶輪的輪齒依次嚙合傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力，因而兼有帶傳動(dòng)、齒輪傳動(dòng)及鏈傳動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)，且無(wú)相對(duì)滑動(dòng)，平均傳動(dòng)比較準(zhǔn)確，傳動(dòng)精度高，而且齒形帶的強(qiáng)度高、厚度小、重量輕，故可用于該設(shè)計(jì)的傳動(dòng)。齒形帶無(wú)需特別張緊，故作用在軸和軸承上的載荷小，傳動(dòng)效率也高。2.2 控制電機(jī)的確定主要的伺服電動(dòng)機(jī)有：直流伺服電動(dòng)機(jī)、交流伺服電動(dòng)機(jī)、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)2.2.1 直流伺服電動(dòng)機(jī)直流伺服電動(dòng)機(jī)是用直流的電信號(hào)控制的執(zhí)行元件，是將輸入的電壓控制信號(hào)轉(zhuǎn)換為電動(dòng)機(jī)軸上的角位移或角速度進(jìn)行輸出。它具有線性調(diào)速范圍寬、信號(hào)響應(yīng)迅速、堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩大、無(wú)控制電壓時(shí)立即停轉(zhuǎn)等特點(diǎn)，作為驅(qū)動(dòng)元件被廣泛的應(yīng)用于閉環(huán)控制系統(tǒng)中。直流伺服電機(jī)特性原則上與一般直流電機(jī)相同，但有很大的改進(jìn)和變化，已不能簡(jiǎn)單的用電壓、電流、轉(zhuǎn)矩等參數(shù)來(lái)描述，需用數(shù)據(jù)表和特性曲線來(lái)描述，使用時(shí)要查閱這些表和特性曲線。直流伺服電機(jī)的缺點(diǎn)：它的電刷盒換向器易磨損；電機(jī)最高轉(zhuǎn)速受限制，應(yīng)用環(huán)境受限制；結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造困難，成本高。2.2.2 交流伺服電動(dòng)機(jī)交流伺服電動(dòng)機(jī)特點(diǎn)： 1.控制精度高； 2.矩頻特性好； 3.具有過(guò)載能力； 4.加速性能好； 5.動(dòng)態(tài)響應(yīng)好； 6 .輸出功率大。交流伺服電機(jī)形式：1.同步型交流伺服電機(jī)：可方便的獲得與頻率成正比的可變速度，可以得到非常硬的機(jī)械特性和很寬的調(diào)速范圍，在電源電壓和頻度固定時(shí)，它的轉(zhuǎn)速是穩(wěn)定不變的。主要用在進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中。2.異步型交流感應(yīng)伺服電機(jī)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造容量大，主要用在主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中。缺點(diǎn)是不能經(jīng)濟(jì)地實(shí)現(xiàn)范圍很廣的平滑調(diào)速，必須從電網(wǎng)吸收滯后的勵(lì)磁電流，因而令電網(wǎng)功率因數(shù)變壞。2.2.3 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)步進(jìn)電機(jī)是一種離散運(yùn)動(dòng)的裝置，它和現(xiàn)代數(shù)字控制技術(shù)有著本質(zhì)的聯(lián)系。在目前國(guó)內(nèi)的數(shù)字控制系統(tǒng)中，步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用十分廣泛。為了適應(yīng)數(shù)字控制的發(fā)展趨勢(shì)，運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中大多采用步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行電動(dòng)機(jī)。步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開(kāi)環(huán)控制元件。在非超載的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)，它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度，稱(chēng)為“步距角”，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運(yùn)行的?？梢酝ㄟ^(guò)控制脈沖個(gè)數(shù)來(lái)控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；同時(shí)可以通過(guò)控制脈沖頻率來(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。由于脈沖信號(hào)數(shù)與步距角的線性關(guān)系，加上步進(jìn)電機(jī)只有周期性的誤差而無(wú)累積誤差等特點(diǎn)，使得在速度、位置等控制領(lǐng)域用步進(jìn)電機(jī)來(lái)控制變的非常的簡(jiǎn)單。 步進(jìn)電機(jī)是一種感應(yīng)電機(jī)，它的工作原理是利用電子電路，將直流電變成分時(shí)供電的，多相時(shí)序控制電流，用這種電流為步進(jìn)電機(jī)供電，步進(jìn)電機(jī)才能正常工作，驅(qū)動(dòng)器就是為步進(jìn)電機(jī)分時(shí)供電的、多相時(shí)序控制器 。雖然步進(jìn)電機(jī)已被廣泛地應(yīng)用，但步進(jìn)電機(jī)并不能像普通的直流電機(jī)、交流電機(jī)在常規(guī)下使用。它必須由雙環(huán)形脈沖信號(hào)、功率驅(qū)動(dòng)電路等組成控制系統(tǒng)方可使用。因此用好步進(jìn)電機(jī)卻非易事，它涉及到機(jī)械、電機(jī)、電子及計(jì)算機(jī)等許多專(zhuān)業(yè)知識(shí)。 步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行元件，是機(jī)電一體化的關(guān)鍵產(chǎn)品之一, 廣泛應(yīng)用在各種自動(dòng)化控制系統(tǒng)中。隨著微電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，步進(jìn)電機(jī)的需求量與日俱增，在各個(gè)國(guó)民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域都有應(yīng)用。步進(jìn)電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)：1電機(jī)旋轉(zhuǎn)的角度正比于脈沖數(shù)；2電機(jī)停轉(zhuǎn)的時(shí)候具有最大的轉(zhuǎn)矩（當(dāng)繞組激磁時(shí)）；3由于每步的精度在3%-5%，而且不會(huì)將一步的誤差積累到下一步因而有較好的位置精度和運(yùn)動(dòng)的重復(fù)性；4優(yōu)秀的起停和反轉(zhuǎn)響應(yīng)；5由于沒(méi)有電刷，可靠性較高，因此電機(jī)的壽命僅僅取決于軸承的壽命；6電機(jī)的響應(yīng)僅由數(shù)字輸入脈沖確定，因而可以采用開(kāi)環(huán)控制，這使得電機(jī)的結(jié)構(gòu)可以比較簡(jiǎn)單，而且控制成本較低；7僅僅將負(fù)載直接連接到電機(jī)的轉(zhuǎn)軸上，也可以極低速的同步旋轉(zhuǎn)。8由于速度正比于脈沖頻率，因而有比較寬的轉(zhuǎn)速范圍。步進(jìn)電機(jī)的缺點(diǎn)：1如果控制不當(dāng)容易產(chǎn)生共振；2難以運(yùn)轉(zhuǎn)到較高的轉(zhuǎn)速。開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)如圖2-1所示：圖2-1 開(kāi)環(huán)控制流程圖步進(jìn)電機(jī)最有意義的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)就是在開(kāi)環(huán)系統(tǒng)里可以實(shí)現(xiàn)精確的控制。開(kāi)環(huán)控制意味著不需要關(guān)于（轉(zhuǎn)子）位置方面的反饋信息。這種控制避免了使用昂貴的傳感器以及象光學(xué)編碼器這樣的反饋設(shè)備，因?yàn)橹恍枰欇斎氲牟竭M(jìn)脈沖就可以知道你（轉(zhuǎn)子）的位置。綜上所述，本設(shè)計(jì)中，原始參數(shù)中的脈沖當(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2000mm/min，故本設(shè)計(jì)不必采用高檔次的伺服電動(dòng)機(jī)，因此可以選用混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，以降低成本，提高性?xún)r(jià)比。采用步進(jìn)電機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)，一般情況下多采用開(kāi)環(huán)控制。因?yàn)椴竭M(jìn)電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)角與控制器提供的脈沖數(shù)有著正比關(guān)系，電機(jī)轉(zhuǎn)速與控制器提供的脈沖頻率成正比。因此通常在精確度要求不是很高時(shí)，采用步進(jìn)電機(jī)是合理的。當(dāng)然，步進(jìn)電機(jī)也具有高頻易失步，負(fù)載能力不強(qiáng)的缺點(diǎn)。2.3 控制系統(tǒng)方案的確定主要的控制器有：計(jì)算機(jī)、單片機(jī)和PLC。2.3.1 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的應(yīng)用類(lèi)型有數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、直接數(shù)字控制系統(tǒng)、監(jiān)督計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)、分級(jí)控制系統(tǒng)、現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)通常具有精度高、速度快、存儲(chǔ)容量大和有邏輯判斷功能等特點(diǎn)，因此可以實(shí)現(xiàn)高級(jí)復(fù)雜的控制方法，獲得快速精密的控制效果。計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展已使整個(gè)人類(lèi)社會(huì)發(fā)生了可觀的變化，自然也應(yīng)用到工業(yè)生產(chǎn)和企業(yè)管理中。但價(jià)格較貴，對(duì)環(huán)境要求高，抗干擾能力低。2.3.2 單片機(jī)控制系統(tǒng)單片機(jī)的特點(diǎn)： （1） 高集成度、高可靠性。 （2） 控制功能強(qiáng)。 （3） 低電壓、低功耗。 （4） 優(yōu)異的性能價(jià)格比。單片機(jī)主要的應(yīng)用領(lǐng)域如下： （1） 在測(cè)控系統(tǒng)中的應(yīng)用。 （2） 在智能化儀器儀表中的應(yīng)用。 （3） 在機(jī)電一體化中的應(yīng)用 （4） 在人類(lèi)生活中的應(yīng)用。 （5） 在智能接口中的應(yīng)用。單片機(jī)在大容量高性能化、小容量低價(jià)格化、外圍電路的內(nèi)裝化方面還待發(fā)展。單片機(jī)抗干擾能力中等，對(duì)環(huán)境要求高，性?xún)r(jià)比一般。2.3.3 PLC控制系統(tǒng)PLC的特點(diǎn)：a.高可靠性；b.采用模塊化結(jié)構(gòu)；c.編程簡(jiǎn)單易學(xué)；d.安裝簡(jiǎn)單，維修方便。PLC不需要專(zhuān)門(mén)的機(jī)房，可以在各種工業(yè)環(huán)境下直接運(yùn)行。使用時(shí)只需將現(xiàn)場(chǎng)的各種設(shè)備與PLC相應(yīng)的I/O端相連接，即可投入運(yùn)行。為了增強(qiáng)PLC的抗干擾能力，提高其可靠性，PLC的每個(gè)開(kāi)關(guān)量輸入端都采用光電隔離等技術(shù)；為了能實(shí)現(xiàn)繼電器控制線路的硬邏輯并行控制，PLC采用了不同于一般微型計(jì)算機(jī)的運(yùn)行方式（掃描技術(shù)）。PLC的功能：邏輯控制、定時(shí)控制、計(jì)數(shù)控制、步進(jìn)(順序)控制、PID控制、數(shù)據(jù)控制（PLC具有數(shù)據(jù)處理能力）、通信和聯(lián)網(wǎng)。PLC體積小、抗干擾能力強(qiáng)，對(duì)環(huán)境要求不高，可靠性高，靈活性好，性?xún)r(jià)比較好。設(shè)計(jì)要求：a.本設(shè)計(jì)對(duì)系統(tǒng)內(nèi)存要求不高；b.系統(tǒng)處理的運(yùn)算不需很復(fù)雜，CPU的計(jì)算速度要求不高；c.控制系統(tǒng)能適應(yīng)惡劣的工作環(huán)境；d.控制系統(tǒng)需有完善的監(jiān)視和診斷功能；e.操作方便、體積小、性?xún)r(jià)比高。設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的硬件電路時(shí)主要考慮以下功能：（1）接收鍵盤(pán)數(shù)據(jù)，控制LED顯示；（2）接收操作面板的開(kāi)關(guān)與按鈕信息；（3）接受銑床限位開(kāi)關(guān)信號(hào)；（4）控制X，Y向步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)；（5）控制切削液泵啟動(dòng)/停止；（6）與PC機(jī)的串行通信。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，通過(guò)對(duì)以上控制系統(tǒng)的比較，選擇PLC控制系統(tǒng)。PLC控制系統(tǒng)有以下優(yōu)點(diǎn)： （1）應(yīng)用靈活、擴(kuò)展性好。 （2） 操作方便。 （3） 標(biāo)準(zhǔn)化的硬件和軟件設(shè)計(jì)、通用性強(qiáng)。 （4） 完善的監(jiān)視和診斷功能。 （5） 控制功能強(qiáng)。 （6） 可適應(yīng)惡劣的工業(yè)應(yīng)用環(huán)境。 （7） 體積小、重量輕、性?xún)r(jià)比高、省電。2.4 其他零部件的選擇2.4.1 導(dǎo)軌副的選用按導(dǎo)軌結(jié)合面的摩檫性，導(dǎo)軌可分為滑動(dòng)導(dǎo)軌、滾動(dòng)導(dǎo)軌和靜壓導(dǎo)軌。a.滑動(dòng)導(dǎo)軌具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造方便、剛度好、抗震性高等優(yōu)點(diǎn)?；瑒?dòng)導(dǎo)軌分為普通滑動(dòng)導(dǎo)軌和塑料滑動(dòng)導(dǎo)軌。普通滑動(dòng)導(dǎo)軌是金屬與金屬的摩察，這類(lèi)導(dǎo)軌的缺點(diǎn)是靜摩檫系數(shù)大，而且動(dòng)摩檫系數(shù)隨速度變化而變化，摩檫損失大，低速時(shí)易出現(xiàn)爬行，從而會(huì)降低運(yùn)動(dòng)部件的定位精度，所以一般使用在普通機(jī)床上。塑料滑動(dòng)導(dǎo)軌是塑料與金屬的摩檫，其動(dòng)、靜摩檫系數(shù)基本相同，具有良好的摩檫特性、耐磨性及吸振性，且無(wú)爬行，同時(shí)又具有生產(chǎn)成本低、應(yīng)用工藝簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)效益顯著等特點(diǎn)。b.靜壓導(dǎo)軌的滑動(dòng)面之間開(kāi)有油腔，一定壓力的油通過(guò)節(jié)流輸入油腔，形成壓力油膜，浮起運(yùn)動(dòng)部件，使導(dǎo)軌工作表面處于純液體摩檫，不產(chǎn)生磨損，精度保持性好；同時(shí)摩檫系數(shù)也極低，使驅(qū)動(dòng)功率大大降低；低速無(wú)爬行，承載能力大，剛度好。此外，油液有吸振作用，抗振性好。其缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，要有供油系統(tǒng)，油的清潔度要求高。靜壓導(dǎo)軌較多的應(yīng)用在大型、重型數(shù)控機(jī)床上。c.滾動(dòng)導(dǎo)軌是在導(dǎo)軌面之間放置滾珠、滾柱、滾針等滾動(dòng)體，使導(dǎo)軌面之間的滑動(dòng)摩檫變成為滾動(dòng)摩檫，其優(yōu)點(diǎn)有 1）靈敏度高，且其動(dòng)摩檫系數(shù)與靜摩檫系數(shù)相差甚微，因而運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，低速移動(dòng)時(shí)不易出現(xiàn)爬行現(xiàn)象。 2）定位精度高，重復(fù)定位精度可達(dá)0.2um。 3）摩檫阻力小，移動(dòng)輕便，磨損小，精度保持性好，壽命長(zhǎng)。滾動(dòng)導(dǎo)軌特別適用于機(jī)床的工作部件要求移動(dòng)均勻、運(yùn)動(dòng)靈敏及定位精度高的場(chǎng)合。綜上所述，要設(shè)計(jì)數(shù)控銑床工作臺(tái)，需要承受的載荷不大，脈沖當(dāng)量小，定位精度高，因此選用滾動(dòng)導(dǎo)軌裝置中的直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副。它可做成獨(dú)立的標(biāo)準(zhǔn)部件，其特點(diǎn)有 1） 剛度高，承載能力大，便于拆裝，可直接裝在任意行程長(zhǎng)度的運(yùn)動(dòng)部件上； 2） 具有自調(diào)整能力，安裝基面許用誤差大； 3） 制造精度高； 4） 可高速運(yùn)行；5） 高精度保持性好； 6） 可預(yù)加負(fù)載，提高剛度。2.4.2 絲杠螺母副的選用伺服電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)需要通過(guò)絲杠螺母副轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動(dòng)，需要滿足0.01mm脈沖當(dāng)量和mm的定位精度，滑動(dòng)絲杠副不能滿足要求，只有選用滾珠絲杠副才能達(dá)到要求。滾珠絲杠副的傳動(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。 3 X-Y數(shù)控工作臺(tái)機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.1 X-Y數(shù)控工作臺(tái)的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)示意圖如圖3-1所示:伺服電動(dòng)機(jī)工作臺(tái)滾珠絲杠圖3-1 傳動(dòng)系統(tǒng)示意圖如圖3-2所示為典型X-Y工作臺(tái)。圖3-2 X-Y工作臺(tái)考慮到X、Y兩個(gè)方向的加工范圍接近，承受的工作載荷相差不大，為了減少設(shè)計(jì)工作量，X、Y兩個(gè)坐標(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)格， 3.2 主要設(shè)計(jì)參數(shù)及其依據(jù)X、Y方向的脈沖當(dāng)量為0.01mm；X、Y方向的定位精度均為mm；加工范圍為X500.Y450；工作荷載 2000N；工作壽命 15000h；時(shí)間常數(shù)T=30ms；快速進(jìn)給速度 3.3 工作載荷分析及計(jì)算3.3.1 銑削力的分析與計(jì)算銑削運(yùn)動(dòng)的特征是主運(yùn)動(dòng)為銑刀繞自身軸線高速回轉(zhuǎn)，進(jìn)給運(yùn)動(dòng)為工作臺(tái)帶動(dòng)工件在垂直于銑刀軸線方向緩慢進(jìn)給（鍵槽銑刀可沿軸線進(jìn)給）。銑刀的類(lèi)型很多，但以圓柱銑刀和端銑刀為基本形式。圓柱銑刀和端銑刀的切削部分都可看做車(chē)刀刀頭的演變，銑刀的每一刀齒相當(dāng)于一把車(chē)刀。通常假定銑削時(shí)銑刀受到的銑削力是作用在刀尖的某點(diǎn)上。設(shè)刀齒上受到切削力的合力為F，將F沿銑刀軸線、徑向和切向進(jìn)行分解，則分別為軸向銑削力 ，徑向銑削力 和切向銑削力 。其中切向銑削力 是沿銑刀主運(yùn)動(dòng)方向的分力，它消耗銑床電機(jī)功率（即銑削功率）最多。參考1數(shù)控機(jī)床與編程選銑刀。根據(jù)最大銑刀直徑d32mm，最大銑削寬度，最大銑削深度選擇莫氏錐柄立銑刀，立銑刀各參數(shù)如表3.1所示：表3.1 立銑刀各參數(shù)直徑范 圍齒數(shù)粗齒中齒細(xì)齒6-36345根據(jù)工件材料為碳鋼可確定銑削力的計(jì)算公式3-1： （3-1）式中各參數(shù)如下:銑削力系數(shù)，CFz=68.2； 最大銑削寬度，本設(shè)計(jì)為16mm；最大銑削深度，本設(shè)計(jì)為6mm；Z 銑刀齒數(shù)，齒數(shù)取5；圓柱銑刀直徑，查得d0=32mm(機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)教程)； 每齒進(jìn)給量（mm/齒），即銑刀每轉(zhuǎn)一個(gè)齒間角時(shí)，工件與銑刀的相對(duì)移動(dòng)量，查得=0.1mm/齒（3機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)）；故 =2107.12N3.3.2 進(jìn)給工作臺(tái)工作載荷計(jì)算作用在工作臺(tái)上的合力與銑刀刀齒上受到的銑削力的合力F大小相同，方向相反，合力就是設(shè)計(jì)和校核工作臺(tái)進(jìn)給系統(tǒng)時(shí)要考慮的工作載荷，它可以沿著銑床工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)方向分解為三個(gè)力：工作臺(tái)縱向進(jìn)給方向載荷，工作臺(tái)橫向進(jìn)給方向載荷和工作臺(tái)垂直進(jìn)給方向載荷。工作臺(tái)工作載荷、和與銑刀的切向銑削力之間有一定的經(jīng)驗(yàn)比值4。因此，求出后，即可計(jì)算出工作臺(tái)的計(jì)算載荷、和。3.4 直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副的計(jì)算與選型根據(jù)給定的工作荷載和估算的和計(jì)算導(dǎo)軌的靜安全系數(shù) （3-2）式中， 為導(dǎo)軌的基本靜額定荷載 KN；工作載荷 （3-3）根據(jù)計(jì)算結(jié)果查有關(guān)資料初選導(dǎo)軌：因系統(tǒng)受到中等沖擊，所以??； （3-4） （3-5） =0.5(2000+936)=1468N=1368N=41468=5872N=5472N根據(jù)計(jì)算額定靜荷載初選導(dǎo)軌：選擇HJG-A系列滾動(dòng)直線導(dǎo)軌，其型號(hào)為：HJG-DA45A，如圖3-2所示：圖3-2 滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副其參數(shù)如表3.2、表3.3：表3.2 滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副的參數(shù)額定載荷/N靜態(tài)力矩/N*M滑塊導(dǎo)軌導(dǎo)軌長(zhǎng)度動(dòng)載荷靜載荷L(mm)55008770114.8114.8191.9311.0700表3.3 滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副的參數(shù)滑座個(gè)數(shù)單向行程長(zhǎng)度每分鐘往復(fù)次數(shù)20.64導(dǎo)軌的額定動(dòng)載荷3.5 滾珠絲杠螺母副的選型和校核3.5.1 滾珠絲杠螺母副類(lèi)型選擇選用外循環(huán)，墊片式預(yù)緊方式的滾珠絲杠螺母副。預(yù)選G.GD系列的3206-2.5絲杠，表面硬度5864HRC。如圖3-3所示：圖3-3滾珠絲杠螺母副其參數(shù)具體如表3.4：表3.4滾珠絲杠螺母副的參數(shù)規(guī)格代號(hào)公稱(chēng)直徑公稱(chēng)導(dǎo)程滾珠直徑螺旋升角循環(huán)圈數(shù)額定動(dòng)載荷額定靜載荷接觸剛度3206-2.53263.1752.510.68929.9119153.5.2 滾珠絲杠螺母副的校核最大工作載荷：滾珠絲杠上的工作載荷 是指滾珠絲杠副在驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)時(shí)滾珠絲杠所承受的軸向力，也叫進(jìn)給牽引力。它包括滾珠絲杠的走刀抗力及與移動(dòng)體重力和作用在導(dǎo)軌上的其他切削分力相關(guān)的摩擦力。工作載荷的計(jì)算公式： (3-6)式中K考慮顛覆力矩影響的實(shí)驗(yàn)系數(shù)，矩形導(dǎo)軌K=1.15;滾動(dòng)導(dǎo)軌摩擦系數(shù)0.00250.005，這里取0.004； 移動(dòng)部件的重力（N）；工作臺(tái)縱向進(jìn)給方向載荷；Fc 工作臺(tái)橫向進(jìn)給方向載荷；Fv 工作臺(tái)垂直進(jìn)給方向載荷；Fm=1.152107.120.004（842.85209.8） =2427.34N3.5.3 最大動(dòng)負(fù)載C的計(jì)算及主要尺寸初選滾動(dòng)絲杠最大動(dòng)載荷C可用下式計(jì)算： （3-7）式中：L為工作壽命，單位為， （3-8）n為絲杠轉(zhuǎn)速，； t為額定使用壽命（h），可取t=15000h；為運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)系數(shù)，無(wú)沖擊取11.2，一般情況取1.21.5，有沖擊振動(dòng)取1.52.5；為滾珠絲杠工作載荷（N）。初選滾珠絲杠副的尺寸規(guī)格，相應(yīng)的額定動(dòng)載荷不得小于最大動(dòng)載荷C；。L0滾珠絲杠導(dǎo)程，初選L0=6mm；v最大切削力下的進(jìn)給速度af每齒進(jìn)給量（mm/齒）af=0.07mm/齒Z銑刀齒數(shù)，Z=4n銑刀轉(zhuǎn)速，區(qū)別與以上絲杠轉(zhuǎn)速n，取為600r/minv=0.074600=168 r/minn=(1000168)/6=28000 =1.12427.34N =78.28kN因?yàn)?，所以所選滾珠絲杠螺母副符合最大動(dòng)載荷要求。傳動(dòng)效率計(jì)算：滾珠絲杠螺母副的傳動(dòng)效率為 （3-9） 剛度驗(yàn)算：滾珠絲杠計(jì)算滿載時(shí)拉壓變形量 （3-10）其中L取540mm，滾珠與螺紋滾道間的接觸變形 （3-11）其中： ， ， ，滾珠絲杠副剛度驗(yàn)算：絲杠的總變形量應(yīng)小于允許的變形量。一般不應(yīng)大于機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)規(guī)定的定位精度值的一半?；蛘?，由絲杠精度等級(jí)查出規(guī)定長(zhǎng)度上允許的螺距誤差，則相應(yīng)長(zhǎng)度上的變形量應(yīng)該比它小。否則，應(yīng)考慮選用較大公稱(chēng)直徑的滾珠絲杠。機(jī)床的定位精度為：0.01mm，。因此所選的滾珠絲杠副剛度符合要求。壓桿穩(wěn)定性驗(yàn)算：滾珠絲杠通常屬于受軸向力的細(xì)長(zhǎng)桿，若軸向工作負(fù)載過(guò)大，將使絲杠失去穩(wěn)定而產(chǎn)生縱向屈曲，即失去穩(wěn)定。失穩(wěn)時(shí)的載荷為：（3-12）其中，（絲杠承載方式系數(shù)，選用一端固定，一端浮動(dòng)方式），I為截面慣量距，臨界載荷與絲杠工作載荷之比稱(chēng)為穩(wěn)定性安全系數(shù)，如果大于需用穩(wěn)定安全系數(shù)，則該滾珠絲杠就不會(huì)失穩(wěn)。因此，滾珠絲杠的壓桿穩(wěn)定條件為：=2.54 （3-13）因此，所選滾珠絲杠符合穩(wěn)定性要求。3.5.4 滾珠絲杠副的精度等級(jí)滾珠絲杠副的精度，9按國(guó)標(biāo)GB/T 17587.3-1998,分為七個(gè)等級(jí)，即1、2、3、4、5、7、10級(jí),1級(jí)精度最高，依次降低。立式銑床的工作精度：不平度0.04/300，平行度0.04/300，垂直度0.04/300（毫米/毫米長(zhǎng)度），表面粗糙度2.5。選用4級(jí)精度的滾珠絲杠。滾珠絲杠的行程公差如表3.5所示：表3.5 滾珠絲杠的行程公差項(xiàng)目符號(hào)有效行程（mm）精度等級(jí)4目標(biāo)行程差5001545012行程變動(dòng)差4901344012任意300mm內(nèi)行程變量16弧度內(nèi)行程變動(dòng)量73.6 同步帶輪傳動(dòng)的設(shè)計(jì)和計(jì)算同步帶傳動(dòng)示意圖如圖3-4所示：圖3-4 同步帶傳動(dòng)3.6.1 確定梯形齒同步帶輪的基本參數(shù)10（1）確定設(shè)計(jì)功率設(shè)計(jì)功率P其中為載荷修正系數(shù)根據(jù)已知工作條件查表取,則P20.105=0.21KW（2）選擇帶形和節(jié)距根據(jù)=0.21KW查表確定為L(zhǎng)型，節(jié)距9.525mm（3）傳動(dòng)比的選擇帶傳動(dòng)是一種最常見(jiàn)的機(jī)械傳動(dòng)形式，它主要用于傳遞轉(zhuǎn)矩和改變轉(zhuǎn)速。大部分帶傳動(dòng)是依靠擾性傳動(dòng)與帶輪間的摩擦力來(lái)傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力的，銑床方面的傳動(dòng)還有電機(jī)直連式，在此選擇了帶傳動(dòng)的方式，帶傳動(dòng)簡(jiǎn)單，而且效率高，選擇的傳動(dòng)比=2（4）小帶輪齒數(shù)根據(jù)帶型XL和小帶輪的轉(zhuǎn)速，由表查得小帶輪的最小齒數(shù)=12，此處取=12，則大帶輪的齒數(shù)=24（5）小帶輪的節(jié)圓直徑, （3-14）查表得其外徑=-2=36.40-0.762=35.638 其中2為節(jié)根距 （6）大帶輪節(jié)圓直徑 （3-15）查表得其外徑=72.800.762=72.038 （7）帶傳動(dòng)速度 （3-16）3.6.2 確定帶輪的中心距（1）初定軸間距查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)得 0.7 同時(shí)根據(jù)對(duì)銑床產(chǎn)品的測(cè)繪和設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)初定=100mm（2）帶長(zhǎng)及其齒數(shù)的確定 （3-17） =200171.3653.310 =374.675mm查表應(yīng)選用帶長(zhǎng)代號(hào)為150的L型同步帶，其節(jié)線長(zhǎng)度=381.00mm，節(jié)線長(zhǎng)上的齒數(shù)=40（3）實(shí)際軸間距，所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)的軸間距可調(diào)整 （3-18）3.6.3 確定帶輪的尺寸（1）小帶輪嚙合齒數(shù)的確定 （3-19）（2）帶寬 （3-20）其中：帶的基本寬度由表3.6查得：表3.6 帶的基本寬度帶型Hbs0/mm9.525.476.2當(dāng)6時(shí)=1，當(dāng)=5時(shí)=0.8，當(dāng)=4時(shí)=0.4，此處取=0.8則 （3-21）至此X向帶輪的設(shè)計(jì)已經(jīng)完成，根據(jù)上面的計(jì)算數(shù)據(jù)，取標(biāo)準(zhǔn)寬度帶號(hào)為075的L型帶，其帶寬=19.1，則帶輪的寬度=23.3。Y向帶輪也取標(biāo)準(zhǔn)帶寬代號(hào)為075的L型帶。3.7 驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選擇縱向步進(jìn)電機(jī)的選擇計(jì)算（1）計(jì)算工作臺(tái)、絲杠、以及帶輪折算到電機(jī)軸上的慣量 根據(jù)機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)所提供的計(jì)算公式11：=+/ （3-22）式中：-折算到電機(jī)軸的慣量（Kg.cm2）、-大小帶輪的慣量（）-絲杠的慣量（）-縱向工作臺(tái)及夾具重量（N）為2156NP-絲杠螺距（cm），P=6mm帶輪及絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算：由于有些傳動(dòng)件（帶輪、絲杠等）的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量不易精確計(jì)算，可將其等效成圓柱體來(lái)計(jì)算。圓柱體的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量可依據(jù)公式： J= （3-23）式中：材料密度（Kg/），對(duì)鋼取為7.8X Kg/；d圓柱體直徑（cm）（對(duì)于帶輪、絲杠等就是等效直徑）； 圓柱體長(zhǎng)度（cm）（對(duì)于帶輪絲杠等就是其等效齒寬或長(zhǎng)度）。則J1=0.04803 J2=0.00288 JS=0.0527則可算得： =+/ =0.564 （3-24）（2）慣量匹配驗(yàn)算由12 機(jī)電傳動(dòng)控制初選二相混合式步進(jìn)電機(jī)86BYG350AH-0201。其示意圖如圖3-5所示：圖3-5混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)其轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量： =1.32 轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)與步進(jìn)電機(jī)的慣量匹配條件：0.251 （3-25）而0.25=0.4271 所以慣量是匹配的。（3）負(fù)載轉(zhuǎn)矩計(jì)算及最大靜轉(zhuǎn)矩選擇計(jì)算快速空載啟動(dòng)時(shí)所需力矩，依據(jù)公式：=+ （3-26）式中：為快速空載啟動(dòng)力矩（N.CM）；：空載啟動(dòng)時(shí)折算到電動(dòng)機(jī)軸上的最大加速力矩（N.CM）；：折算到電機(jī)軸上的摩擦力矩（N.CM）； ：由于絲杠預(yù)緊時(shí)折算到電機(jī)軸上的附加摩擦力矩（N.CM）。又：=x （3-27）式中：為慣量和；=+=1.884 N.CM； 為電機(jī)最大角加速度（rad/）； 又= 其中：= =521r/min，則=21.8 rad/ 故=x=138N.CM 又因?yàn)? （3-28） 式中：-導(dǎo)軌的摩擦力（N）； -傳動(dòng)鏈效率，一般可取0.70.85先取為0.85； 又= 又：垂直方向的切削力（N）842.85N； f導(dǎo)軌摩擦系數(shù)，f=0.04； 縱向工作臺(tái)及夾具質(zhì)量（N）為2156N 則： =119.954N 故： =6.741N.CM又：= （3-29）式中：-滾珠絲杠的預(yù)加載荷，-滾珠絲杠預(yù)緊時(shí)的傳動(dòng)效率為95%故=0.37N.CM=+=145.11N.CM（4）快速進(jìn)給時(shí)所需力矩依據(jù)公式=+=6.741+0.37=7.111N.CM （3-30）（5）最大切削負(fù)載時(shí)所需力矩=+ （3-31） 式中：-折算到電機(jī)軸上的切削負(fù)載力矩又：= （3-32）式中進(jìn)給方向最大切削力（N）為210.712N=118.422N.CM； =+=125.533N.CM最大靜轉(zhuǎn)矩選擇：依據(jù)文獻(xiàn)14機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì)上有：1）對(duì)于在最大切削力下工作時(shí)所需要電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩=/0.5=251.07N.CM2）對(duì)于空載啟動(dòng)時(shí)所需要的電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩為：=/0.951=152.59N.CM由以上可知以計(jì)算的恒大于，所以就以作為選取步進(jìn)電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩的依據(jù)。而初選的步進(jìn)電機(jī)為86BYG350AH-0201，他的最大靜轉(zhuǎn)矩為300N.CM所以初選的步進(jìn)電機(jī)型號(hào)符合要求。由于Y方向與X方向的要求相差不多，可以選用同樣的絲杠，導(dǎo)軌，電機(jī)經(jīng)過(guò)以上計(jì)算，選用的部件如表3.7：表3.7 本設(shè)計(jì)選用的部件滾珠絲杠螺母副直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副混合式步進(jìn)電機(jī)X方向3206-2.5HJG-DA45A滾動(dòng)導(dǎo)軌86BYG350AH-0201Y方向3206-2.5HJG-DA45A滾動(dòng)導(dǎo)軌86BYG350AH-02013.8 其它零部件的確定3.8.1 軸承的選擇1.載荷是選擇軸承最主要的依據(jù)，通常應(yīng)根據(jù)載荷的大小、方向和性質(zhì)選擇軸承。載荷大小一般情況下，滾子軸承由于是線接觸，承載能力大，適于承受較大載荷；球軸承由于是點(diǎn)接觸，承載能力小，適用于輕、中等載荷。各種軸承承受載荷能力一般以額定載荷比表示。載荷方向純徑向力作用，宜選用深溝球軸承、圓柱滾子軸承或滾針軸承，也可考慮選用調(diào)心軸承。純軸向載荷作用，選用推力球軸承或推力滾子軸承。徑向載荷和軸向載荷聯(lián)合作用時(shí)，一般選用角接觸球軸承或圓錐滾子軸承。這兩種軸承隨接觸角的增大,承受軸向載荷的能力提高。若徑向載荷較大而軸向載荷較小時(shí)，也可選用深溝球軸承和內(nèi)、外圈都有擋邊的圓柱滾子軸承。若軸向載荷較大而徑向載荷較小時(shí)，可選用推力角接觸球軸承、推力圓錐滾子軸承。 載荷性質(zhì)有沖擊載荷時(shí)，宜選用滾子軸承。2.高速性能 一般摩擦力矩小、發(fā)熱量小的軸承高速性能好。球軸承比滾子軸承有較高的極限轉(zhuǎn)速，故高速時(shí)應(yīng)優(yōu)先考慮選用球軸承。徑向載荷小時(shí)，選用深溝球軸承；徑向載荷大時(shí)，選用圓柱滾子軸承。對(duì)聯(lián)合載荷，載荷小時(shí)，選用角接觸球軸承；載荷大時(shí)，選用圓錐滾子軸承或圓柱滾子軸承與角接觸球軸承組合。在相同內(nèi)徑時(shí)，外徑越小，滾動(dòng)體越輕越小，運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)滾動(dòng)體作用在外圈上的離心力也越小，因此更適于較高轉(zhuǎn)速下工作。在一定條件下，工作轉(zhuǎn)速較高時(shí)，宜選用直徑系列為8，9，0，1的軸承。保持架的材料與結(jié)構(gòu)對(duì)軸承轉(zhuǎn)速影響很大。實(shí)體保持架比沖壓保持架允許的轉(zhuǎn)速高。高速重載的軸承需驗(yàn)算其極限轉(zhuǎn)速。3.軸向游動(dòng)性能 一般機(jī)械工作時(shí)，因機(jī)械摩擦或工作介質(zhì)的關(guān)系而使軸發(fā)熱，從而有熱脹冷縮產(chǎn)生。在選擇軸承結(jié)構(gòu)類(lèi)型時(shí)，應(yīng)使其軸有軸向游動(dòng)的可能性。因此，常在軸的某一端選用一內(nèi)圈或一外圈無(wú)擋邊的圓柱滾子軸承或滾針軸承，以適應(yīng)由于熱脹冷縮而引起軸的伸長(zhǎng)或縮短。4.調(diào)心性能 當(dāng)軸兩端軸承孔同軸性差（制造誤差或安裝誤差所致）或軸的剛度小，變形較大，以及多支點(diǎn)軸，均要求軸承調(diào)心性好，這時(shí)應(yīng)選用調(diào)心球軸承或調(diào)心滾子軸承。5.允許的空間 在機(jī)械設(shè)計(jì)中，一般都是先確定軸的尺寸，然后根據(jù)軸的尺寸來(lái)確定軸承的尺寸。小軸選用球軸承，大軸選用滾子軸承；在內(nèi)徑尺寸（即軸尺寸）已確定，若徑向尺寸受限，可選用滾針軸承或直徑系列為8，9，0的軸承；若寬度尺寸受限，可選用寬度系列為8，0的軸承。6.安裝與拆卸方便 對(duì)于軸承使用壽命一般都難以等同主機(jī)使用壽命，在實(shí)際使用中軸承作為易損件要經(jīng)常裝拆。因此，在選用軸承結(jié)構(gòu)類(lèi)型時(shí)應(yīng)要求裝拆方便?？煞蛛x型的接觸球軸承、圓柱滾子軸承。圓錐滾子軸承、推力軸承和內(nèi)圈為錐孔、帶緊定套或退卸套的調(diào)心滾子軸承、調(diào)心球軸承等均具有裝拆方便性能。滾珠絲杠主要承受軸向載荷，他的徑向載荷主要是絲杠的自重，因此，對(duì)滾珠絲杠的軸向精度和剛度要求較高。此外滾珠絲杠的正確安裝及其支撐的結(jié)構(gòu)剛度也不容忽視。滾珠絲杠兩端常用支撐形式有三種：一端固定一端自由的支撐形式。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單軸向剛度低，適用于短絲杠和垂直絲杠。一端固定一端浮動(dòng)的支撐形式。結(jié)構(gòu)復(fù)雜，適用于較長(zhǎng)絲杠和臥式絲杠。兩端固定的支撐形式，需要軸承無(wú)間隙，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜。為了提高支承的軸向剛度，選擇適當(dāng)?shù)臐L動(dòng)軸承是十分重要的。本設(shè)計(jì)使用的滾珠絲杠較短，故此設(shè)計(jì)采用接觸角為60的角接觸球軸承和深溝球軸承，組成一端固定和一端浮動(dòng)的形式。60角接觸球軸承型號(hào)為7305AC，深溝球軸承型號(hào)為6305。其具體參數(shù)如表3.8所示：表3.8所選軸承的參數(shù)軸承內(nèi)徑d外徑D寬度B額定動(dòng)負(fù)荷額定靜負(fù)荷7305AC25621721.5KN15.8KN630525621717.2 KN11.2 KN3.8.2 絲杠軸的尺寸設(shè)計(jì)X向軸的尺寸： Y向軸的尺寸：3.8.3 聯(lián)接鍵的選擇鍵聯(lián)接的主要類(lèi)型有：平鍵聯(lián)接、半圓鍵聯(lián)接、楔鍵聯(lián)接和切向鍵聯(lián)接。平鍵聯(lián)接:鍵的兩側(cè)面是工作面，工作時(shí)，靠鍵同鍵槽側(cè)面的擠壓來(lái)傳遞轉(zhuǎn)矩。鍵的上表面和輪轂的鍵槽底面間則留有間隙。平鍵聯(lián)接具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、裝拆方便、對(duì)中性較好等優(yōu)點(diǎn)，得到廣泛應(yīng)用。根據(jù)用途的不同，平鍵分為普通平鍵、薄型平鍵、導(dǎo)向平鍵和滑鍵四種。其中普通平鍵和薄型平鍵用于靜聯(lián)接，導(dǎo)向平鍵和滑鍵用于動(dòng)聯(lián)接。普通平鍵按構(gòu)造分，有圓頭（A型）、平頭（B型）及單圓頭（C型）三種。圓頭平鍵宜放在軸上用鍵槽銑刀銑出的鍵槽中，鍵在鍵槽中軸向固定良好。平頭平鍵是放在用盤(pán)銑刀銑出的鍵槽中，對(duì)于尺寸大的鍵，需用緊定螺釘固定在軸上的鍵槽中，以防松動(dòng)。單圓頭平鍵常用于軸端與轂類(lèi)零件的連接。薄型平鍵傳遞轉(zhuǎn)矩的能力較低，常用于薄壁結(jié)構(gòu)、空心軸及一些徑向尺寸受限制的場(chǎng)合。半圓鍵連接:半圓鍵工作時(shí)，靠其側(cè)面來(lái)傳遞轉(zhuǎn)矩。這種鍵的優(yōu)點(diǎn)是工藝性良好，裝配方便，尤其適用于錐形軸端與輪轂的連接。缺點(diǎn)是軸上鍵槽較深，對(duì)軸的強(qiáng)度削弱較大，故一般只用于輕載靜連接中。楔鍵連接:鍵的上下兩面是工作面，鍵的上表面和與它相配合的輪轂鍵槽底面均有1：100的斜度。工作時(shí)，靠鍵的楔緊作用來(lái)傳遞轉(zhuǎn)矩，同時(shí)還可以承受單向的軸向載荷，對(duì)輪轂起到單向的軸向固定作用。楔鍵連接在傳遞有沖擊和振動(dòng)的較大轉(zhuǎn)矩時(shí)，仍能保證聯(lián)接的可靠性。楔鍵連接的缺點(diǎn)是鍵楔緊后，軸和輪轂的配合產(chǎn)生偏心和偏斜。因此主要是用于轂類(lèi)零件的定心精度要求不高和低轉(zhuǎn)速的場(chǎng)合。切向鍵連接:切向鍵是由一對(duì)斜度為1：100的楔鍵組成。切向鍵的工作面是由一對(duì)楔鍵沿斜面拼合后相互平行的兩個(gè)窄面，被聯(lián)接的軸和輪轂上都制有相應(yīng)的鍵槽。裝配時(shí)，把一對(duì)楔鍵分別從輪轂兩端打入，拼合而成的切向鍵就沿軸的切線方向楔緊在軸與輪轂之間。工作時(shí)，靠工作面上的擠壓力和軸與輪轂之間的摩擦力來(lái)傳遞轉(zhuǎn)矩。 本設(shè)計(jì)中要求鍵的連接結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、裝拆方便、對(duì)中性較好，故選用普通平鍵中的圓頭（A型）平鍵。由軸的直徑和輪轂的寬度選取的鍵的參數(shù)如表3.9所示表3.9鍵的參數(shù)15bhLd=206618d=1244184 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)4.1 PLC的組成與工作原理4.1.1 PLC的基本概念