方臺面數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺設計【600×600】

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絲杠螺母副的選擇步進電動機的旋轉(zhuǎn)運動需要通過絲杠螺母副轉(zhuǎn)換成直線運動，需要滿足初選0.005mm脈沖當量，因為定位精度0.01mm，對于機械傳動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，滑動絲杠副無法做到，只有選用滾珠絲桿副才能達到要求，滾珠絲桿副的傳動精度高、動態(tài)響應快、運轉(zhuǎn)平穩(wěn)、壽命長、效率高、預緊后可消除反向間隙。同時選用內(nèi)循環(huán)的形式，因為這樣摩擦損失小，傳動效率高，且徑向尺寸結構緊湊，軸向剛度高。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)隙方式結構簡單，剛性好，裝卸方便。由于工作臺轉(zhuǎn)速不高，故可以采用一般的安裝方法，即一端固定，一端游動的軸承配置形式。、導軌副的選用要設計數(shù)控銑床工作臺，需要承受的載荷不大，而且脈沖當量小，定位精度高，因此選用直線滾動導軌副，它具有摩擦系數(shù)小，不易爬行，傳動效率高，結構緊，安裝預緊方便等優(yōu)點。、伺服電機的選用選用步進電動機作為伺服電動機后，可選開環(huán)控制，也可選閉環(huán)控制。任務書所給的精度對于步進電動機來說還是偏低，為了確保電動機在運動過程中不受切削負載和電網(wǎng)的影響而失步，決定采用開環(huán)控制，任務書初選的脈沖當量尚未達到0.001mm，定位精度也未達到微米級，空載最快移動速度也只有2300mm/min,故本設計不必采用高檔次的伺服電機，因此可以選用混合式步進電機，以降低成本，提高性價比。、減速裝置的選用選擇了步進電動機和滾珠絲桿副以后，為了圓整脈沖當量，放大電動機的輸出轉(zhuǎn)矩，降低運動部件折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的轉(zhuǎn)動慣量，可能需要減速裝置，且應有消間隙機構，如果要選用減速裝置，則應選用無間隙齒輪傳動減速箱。、控制系統(tǒng)的設計 、設計的X-Y工作臺準備用在數(shù)控銑床上，其控制系統(tǒng)應該具有輪廓控制，兩坐標直線插補與圓弧插補的基本功能，所以控制系統(tǒng)設計成連續(xù)控制型。、對于步進電動機的開環(huán)控制系統(tǒng)，選用MCS-51系列的8位單片機AT89S52作為控制系統(tǒng)的CPU，能夠滿足任務書給定的相關指標。、要設計一臺完整的控制系統(tǒng)，在選擇CPU之后，還要擴展程序存儲器，I/O接口電路，D/A轉(zhuǎn)換電路，串行接口電路等。、選擇合適的驅(qū)動電源，與步進電動機配套使用。2、機械傳動部件的計算和選擇（1）、導軌上移動部件的重量估算按照下導軌上面移動部件的重量來進行估算。包括工件、夾具、工作平臺、上層電動機、減速箱、滾珠絲杠副、直線滾動導軌副、導軌座等，估計重量約為3700N。（2）、計算切削力根據(jù)設計任務，加工材料為碳素鋼或有色金屬及如下參數(shù)：設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：每齒進給量fz=0.1mm銑刀轉(zhuǎn)速n=300r/min由【2】中P200,查得立銑時切削力計算公式為：代如上式得： 采用立銑刀進行圓柱銑削時，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：=(1.01.2) 取1.1/=(0.20.3) 取0.25/=（0.350.4） 取0.38考慮逆銑時的情況，因為逆銑的情況的受力最大的情況，為了安全考慮這種最危險的工況。由此可估算三個方向的銑削力分別為： 考慮立銑，則工作臺受到垂直方向的銑削力，受到水平方向的銑削力分別為和今將水平方向較大的銑削力分配給工作臺的縱向，則縱向銑削力，徑向銑削力為。 Fx=Ff=1803N Fy=Ffn=410N Fz=Fe=623N（3）、滾珠絲杠傳動設計計算及校驗、 最大工作載荷的計算已知移動部件總重量G=3700N，按滾動導軌計算，由【3】中，取顛覆力影響系數(shù)K=1.1，滾動導軌上的摩擦系數(shù)查【1】中P194可知u=0.00250.005,現(xiàn)取u=0.005，求得滾珠絲杠副的最大工作載荷： =1.11803+0.005(410+623+3700) =2007N、最大計算動載荷的確定設工作臺在承受最大銑削力時的最快進給速度v=950mm/min，初選絲杠導程P=5mm,則此時絲杠轉(zhuǎn)速=v/P=190r/min。預計滾珠絲杠的工作五年,每天工作八小時，由此得使用壽命為T=53608=14400h，根據(jù)【1】中P110，公式54得：其中 T使用壽命 14400 h N循環(huán)次數(shù) 滾珠絲杠的當量轉(zhuǎn)速 190r/min 求得：164 （）查【1】中P110，表5-1、5-2得，受中等沖擊載荷取值范圍，現(xiàn)取，滾道硬度為60HRC時，硬度影響系數(shù)取值，由【1】中， 代入數(shù)據(jù)得：14281N、 規(guī)格型號的初選根據(jù)計算出的最大動載荷和初選的絲杠導程，查網(wǎng)上生產(chǎn)該型號的生產(chǎn)廠家的資料，選擇濟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緊式滾珠絲杠副，其公稱直徑為20mm，導程為5mm，循環(huán)滾珠為3圈2系列，精度等級取5級。滾珠絲杠螺母副幾何參數(shù) （單位mm）名 稱符 號計算公式和結果 絲杠滾道公稱直徑20螺距P5接觸角鋼球直徑3.175螺紋滾道法面半徑偏心距螺紋升角絲桿絲杠外徑19.3絲杠底徑螺桿接觸直徑絲杠螺母螺母螺紋外徑螺母內(nèi)徑（內(nèi)循環(huán)）表一、傳動效率的計算將公稱直徑d0=20mm,導程P=5mm,代入=arctanP/(d0)，得絲杠螺旋升角=433。將摩擦角=10，代入=tan/tan(+),得傳動效率=96.4%。、剛度的驗算X-Y工作臺上下兩層滾珠絲杠副的支承均采用“一端固定，一端游動”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，一端采用一對背對背角接觸球軸承,這樣能承受集中力偶。絲杠螺母的剛度的驗算可以用接觸量來校核。a、滾珠絲杠滾道間的接觸變，查【3】中相關公式，根據(jù)公式，求得單圈滾珠數(shù)Z=20；該型號絲杠為雙螺母，滾珠的圈數(shù)列數(shù)為32，代入公式Z圈數(shù)列數(shù)，得滾珠總數(shù)量=120。絲杠預緊時，取軸向預緊力/3=669N。查【3】中相關公式，得， 滾珠與螺紋滾道間接觸變形 =0.0014。因為絲杠有預緊力，且為軸向負載的1/3，所以實際變形量可以減少一半，取=0.0007mm。b、 絲杠在工作載荷作用下的抗拉壓變形絲杠采用的是一端采用深溝球軸承，一端采用一對背對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=2.110MPa,由表一中可知，滾珠直徑=3.175mm,絲杠底徑=16.2mm，則絲杠的截面積S=206.12,由【7】中，式3-35其中， 最大工作載荷=2007N 中心距a=560mm彈性模量E=2.110MPa截面積S=206.12代入以上數(shù)據(jù)，得 =0.026mm c、則，絲杠的有效行程為500mm，由【3】中知，5級精度滾珠絲杠有效行程在400500mm時，行程偏差允許達到30um，可見絲杠剛度足夠。、穩(wěn)定性的驗算根據(jù)【3】 。取支承系數(shù)=2；由絲杠底徑d2=16.2mm求得截面慣性矩3380.88；壓桿穩(wěn)定安全系數(shù)K取3（絲杠臥式水平安裝）；滾動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，故不會失穩(wěn)，滿足使用要求。、臨界轉(zhuǎn)速的驗算對于絲杠有可能發(fā)生共振，需驗算其臨界轉(zhuǎn)速，不會發(fā)生共振的最高轉(zhuǎn)速為臨界轉(zhuǎn)速，由【1】中P111式5-10得：其中 20-1.23.175=16.2mm 為臨界轉(zhuǎn)速計算長度 為絲杠支承方式系數(shù)=3.927（一端固定，一端游動）代入數(shù)據(jù)得：臨界轉(zhuǎn)速遠大于絲杠所需轉(zhuǎn)速，故不會發(fā)生共振。、滾珠絲杠的選型及安裝連接尺寸的確定由以上驗算可知，選用GDM2005型的絲杠，完全符合滿足所需要求，故確定選用該型號，由表一可知絲杠所需的安裝連接尺寸（4）、步進電機的選用步進電動機的計算和選型a、步進電動機轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動慣量的計算?？傓D(zhuǎn)動慣量J主要包括電動機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量、滾珠絲杠上一級移動部件等折算到電動機軸上的轉(zhuǎn)動慣量。、滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動慣量J由【1】中P134式5-28得：式中 D為絲杠公稱直徑D=20mm L為絲杠長度L=560mm 代入數(shù)據(jù)，得：J=0.772056010=6.910kg.、滾珠絲杠上一級移動部件等折算到電動機軸上的轉(zhuǎn)動慣量 由【1】中式5-29得：其中 M為工作臺的（包括工件）的質(zhì)量M= S為絲杠螺距S=5mm 代入數(shù)據(jù)，得： 、初選常州寶馬前楊電機電器有限公司的90YG5502型混合式步進電動機，可知其轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量 所以=6.910+2.410+410=7.0910 Nm 驗算慣量匹配，電動機軸向慣量比值應控制在一定的范圍內(nèi)，既不應太大也不應太小，即伺服系統(tǒng)的動態(tài)特性取決于負載特性。為使該系統(tǒng)慣量達到較合理的配合，一般比值控制在1/41之間，由此可見:,符合慣量匹配要求。、步進電機軸上的等效負載轉(zhuǎn)矩M的計算 a、承受的負載轉(zhuǎn)矩在不同工況下是不同的，考慮最大切削負載時電動機所需力矩，由【1】中P132式5-25得：其中 其中: 為折算到電動機軸上的總慣量=7.0910 T系統(tǒng)時間常數(shù)，由任務書知為T=0.4S 切削時的轉(zhuǎn)速為300r/min得： 其中： 為導軌摩擦力 S為絲杠螺距S=5mm i為齒輪降速比，已計算出為1 為傳動鏈總效率，=0.70.8，取0.8代入數(shù)據(jù) 得： 其中： 為最大軸向載荷， 為滾珠絲杠未預緊時的效率，=0.950.9 其余數(shù)據(jù)同上 代入數(shù)據(jù) 得： 其中：進給方向的最大切削力 其余參數(shù)同上。代入數(shù)據(jù)得： Nm 由此都得到等效負載轉(zhuǎn)矩 Nm b、快速空載時電動機所需力矩M由【1】中P132式5-24得：加速力矩其中： 其余參數(shù)同上 入數(shù)據(jù)得： 力矩摩擦其中：u為導軌副的摩擦因數(shù)，滾動導軌取 u=0.005 其余參數(shù)同上。代入數(shù)據(jù)得：Nm附加摩擦力矩：其余參數(shù)同上代入數(shù)據(jù)得： Nm所以可知快速空載時點擊所需力矩： =0.02+0.021+0.065 =0.106 Nm比較和，取其較大者，就是最大等效負載，即：=1.93N.m 、步進電機的初選 考慮到步進電機的驅(qū)動電源受電網(wǎng)的影響較大，當輸入電壓降低時，其輸入轉(zhuǎn)矩也會下降，可能會造成丟步，甚至堵轉(zhuǎn)，因此按最大等效負載M考慮一定的安全系數(shù)，取=2，則步進電機的最大靜轉(zhuǎn)矩應滿足： Nm由所選的電機型號參數(shù)可知，最大轉(zhuǎn)矩 Nm，可知滿足要求。 、確定選型的步進電機的參數(shù)所選電動機參數(shù)如下圖所示：圖2 外形尺寸安裝接線圖和和矩頻特性如圖3所示圖3圖4（5）、滾動導軌的設計計算、工作載荷的計算 工作載荷是影響導軌副壽命的重要因素，對于水平布置的十字工作臺多采用雙導軌、四滑塊的支承形式?？紤]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，則單滑塊所承受的最大垂直方向載荷為： 其中，移動部件重量G=800N,外加載荷F=623N代入上式，得：N 、小時額定工作壽命的計算預期工作臺的工作壽命為5年，一年365天，取工作時間為360天，每天工作8小時，因此得到小時額定工作壽命、距離額定壽命計算由公式，從而得到式中，為小時額定工作壽命。 n為移動件每分鐘往復次數(shù)（46）取5 S為移動件行程長度，由加工范圍為600mm300mm取900mm代入數(shù)據(jù) 得：、額定動載荷計算由公式從而得到：式中：為額定動載荷 L為距離工作壽命，由上式可知為7776km F為滑塊的工作載荷，由上式可知為1548N代入數(shù)據(jù)得：、產(chǎn)品選型根據(jù)額定動載荷，選擇滾動導軌，查滾動導軌生產(chǎn)廠家，選用南京工藝裝備制造有限公司的GGB25BA型，相關尺寸如下圖4所示， 圖5可知其額定動載荷C=17.7KN，大于16.649KN，故可知滿足要求。、安裝連接尺寸。對于導軌的安裝按照如圖5所示相關尺寸安裝。3、其余附件的選擇1、聯(lián)軸器的選擇 剛性聯(lián)軸器結構比較簡單，制造容易， 免維護，超強抗油以及耐腐蝕，即使承受負載時也無任何回轉(zhuǎn)間隙，即便是有偏差產(chǎn)生負荷時，剛性聯(lián)軸器還能剛性傳遞扭矩。適用于安裝底座剛性好、對中精度較高、沖擊載荷不大、對減振要求不高的中小功率軸系傳動。根據(jù)選出的電機和絲杠的參數(shù)，選用沈陽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)的設計根據(jù)任務書的要求，設計控制系統(tǒng)的時主要考慮以下功能：（1） 接受操作面板的開關與按鈕信息；（2） 接受限位開關信號；（3） 控制X，Y向步進電動機的驅(qū)動器；（4） 與PC機的串行通信。 CPU選用MCS-51系列的8位單片機AT89S52，采用8279，和W27C512，6264芯片做為I/O和存儲器擴展芯片。W27C512用做程序存儲器，存放監(jiān)控程序；6264用來擴展AT89S52的RAM存儲器存放調(diào)試和運行的加工程序；8279用做鍵盤和LED顯示器借口，鍵盤主要是輸入工作臺方向，LED顯示器顯示當前工作臺坐標值；系統(tǒng)具有超程報警功能，并有越位開關和報警燈；其他輔助電路有復位電路，時鐘電路，越位報警指示電路。1、 進給控制系統(tǒng)原理框圖 圖62、 驅(qū)動電路流程設計步進電機的速度控制比較容易實現(xiàn)，而且不需要反饋電路。設計時的脈沖當量為0.005mm，步進電機每走一步，工作臺直線行進給0.005mm。步進電機驅(qū)動電路中采用了光電偶合器，它具有較強的抗干擾性，而且具有保護CPU的作用，當功放電路出現(xiàn)故障時，不會將大的電壓加在CPU上使其燒壞。圖7 步進電機驅(qū)動電路圖該電路中的功放電路是一個單電壓功率放大電路，當A相得電時，電動機轉(zhuǎn)動一步。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，使儲存在繞組中的能量通過二極管形成續(xù)流回路泄放，從而保護功放管。與繞組W串聯(lián)的電阻為限流電阻，限制通過繞組的電流不至超過額定值，以免電動機發(fā)熱厲害被燒壞。由于步進電機采用的是五相十拍的工作方式（五個線圈A、B、C、D、E），其正轉(zhuǎn)時通電順序為：A-AB-B-BC-C-CD-D-DE-E-EA-A.其反轉(zhuǎn)的通電順序為：A-AE-E-ED-D-DC-C-CB-B-BA-A。 3、驅(qū)動電源的選用，及驅(qū)動電源與控制器的接線方式 設計中X、Y向步進電動機均為90BYG5502型，生產(chǎn)廠家為常州寶馬前楊電機電器有限公司。查步進電動機的資料，選擇與之匹配的驅(qū)動電源為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)動電源與控制器的接線方式如圖8所示：圖8五、總結體會 我覺得本次課程設計是對過去所學專業(yè)知識的一個全面的綜合的運用。在設計的過程中我全面地溫習了以前所學過的知識，包括機械設計基礎和機械制圖方面的基礎知識，還有剛學過的數(shù)控機床和機電一體化系統(tǒng)設計，經(jīng)過復習整理所學得專業(yè)知識使得設計思路清晰系統(tǒng)。通過設計使我更加接近生產(chǎn)實際，鍛煉了將理論運用于實際的分析和解決實際問題的能力，鞏固、加深了有關機械設計方面的知識。在此過程中我不僅運用了以前所學的各個學科方面的知識，而且學到了課本以外的知識。在此次設計過程中遇到了不少問題，也走了不少彎路，通過此次設計實踐讓我學會虛心求教，細心體察，大膽實踐。任何能力都是在實踐中積累起來的，都會有一個從不會到會，從不熟練到熟練的過程，人常說“生活是最好的老師”就是說只有在生活實踐中不斷磨練，才能提高獨立思考和解決問題的能力；同時也培養(yǎng)了自己優(yōu)良的學風、高尚的人生、團結和合作的精神；學會了勤奮、求實的學習態(tài)度。還有很重要的一點是讓我體會到了一個設計者的精神。在設計過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準、規(guī)范、手冊、圖冊、及相關技術資料的基本技能以及計算、繪圖、數(shù)據(jù)處理等方面的能力。通過對通用機械零件、常用機械傳動或簡單機械的設計，掌握了一般機械設計的程序和方法，有助于樹立正確的工程設計思想，培養(yǎng)獨立、全面、科學的機械設計能力。最后對在整個設計過程中對老師認真、耐心輔導表示衷心的感謝！六、參考文獻【1】、文懷興、夏田 .數(shù)控機床系統(tǒng)設計 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)大學出版社，2007. 【3】、李洪 .機床設計手冊北京：遼寧科學技術出版社，1999. 【4】、陳家芳.金屬切削工藝手冊 上海：上海科學技術出版社, 2005.【5】、楊建明. 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