xy數(shù)控課程設(shè)計(jì)論文

1、X-Y數(shù)控工作臺(tái)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)1、 設(shè)計(jì)任務(wù) 設(shè)計(jì)一種供立式數(shù)控銑床使用的X-Y數(shù)控工作臺(tái)，主要參數(shù)如下：（1）立銑刀最大直徑d =15 mm；（2）立銑刀齒數(shù)Z=3；（3）最大銑削寬度ae=15 mm；（4）最大銑削深度ap=8 mm； （5）加工材料為碳素鋼或有色金屬；（6）X、Y方向的脈沖當(dāng)量x = y = 0.005mm/脈沖；（7）X、Y方向的定位精度均為 ± 0.01 mm；（8）工作臺(tái)面尺寸為230 mm×230 mm，加工范圍為250 mm×250 mm；（9）工作臺(tái)空載最快移動(dòng)速度vxmax = vymax = 3000 mm/min；（10）工作

2、臺(tái)進(jìn)給最快移動(dòng)速度vxmaxf = vymaxf = 400 mm/min。2、 總體方案的確定1. 機(jī)械傳動(dòng)部件的選擇（1）導(dǎo)軌副的選用 要設(shè)計(jì)的X-Y工作臺(tái)是用來(lái)配套輕型的立式數(shù)控銑床，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)緊湊、安裝預(yù)緊方便等優(yōu)點(diǎn)。（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)，要滿足0.005mm的脈沖當(dāng)量和 ±0.01mm的定位精度，滑動(dòng)絲杠副無(wú)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)快、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、壽命長(zhǎng)、效率高，預(yù)緊后

3、可消除反向間隙。（3）減速裝置的選用 選擇了步進(jìn)電動(dòng)機(jī)和滾珠絲杠副以后，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)，所以采用無(wú)間隙齒輪傳動(dòng)減速箱。（4）伺服電動(dòng)機(jī)的選用 任務(wù)書規(guī)定的脈沖量尚未達(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3000mm/min。因此，本設(shè)計(jì)不必采用高檔次的伺服電動(dòng)機(jī)，如交流伺服電動(dòng)機(jī)或直流伺服電動(dòng)機(jī)等，可以選用性能好一些的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，如混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，以降低成本，提高性價(jià)比。（5）檢測(cè)裝置的選用 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)書所給的

4、精度對(duì)于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)還是偏高的，為了確保電動(dòng)機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)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)編碼器的分辨率應(yīng)與步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角相匹配。 考慮到X、Y兩個(gè)方向的加工范圍相同，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。 2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)應(yīng)該設(shè)計(jì)成連續(xù)控制型。（2）對(duì)于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的半

5、閉環(huán)控制，選用MCS-51系列的8位單片機(jī)AT89C52作為控制系統(tǒng)的CPU，應(yīng)該能夠滿足任務(wù)書給定的相關(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，還需要擴(kuò)展程序存儲(chǔ)器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、鍵盤與顯示電路、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。3、 機(jī)械傳動(dòng)部件的計(jì)算與選型 1. 導(dǎo)軌上移動(dòng)部件的重量估算 按照下導(dǎo)軌之上移動(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、直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副、導(dǎo)軌座等，估計(jì)重量約為800N。 2. 銑削力的計(jì)算設(shè)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

6、鋼。則查表得立銑時(shí)的銑削力計(jì)算公式為： （1）今選擇銑刀直徑d=15mm，齒數(shù)Z=3，為了計(jì)算最大銑削力，在不對(duì)稱銑削情況下，取最大銑削寬度ae=15mm，銑削深度ap=8mm，每齒進(jìn)給量mm，銑刀轉(zhuǎn)速。則由式（1）求得最大銑削力： Fc=118×150.85×0.10.75×15-0.73×81.0×3000.13×3 N1463 N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查表，并考慮逆銑時(shí)的情況，可估算三個(gè)方向的銑削力分別為：Ff =1.1Fc1609N，F(xiàn)e =0.38Fc556N，F(xiàn)fn =0.25Fc366N，工作臺(tái)

7、受到垂直方向的銑削力Fz= Fe =556N，受到水平方向的銑削力分別為Ff和Ffn。今將水平方向較大的銑削力分配給工作臺(tái)的縱向（絲杠軸線方向），則縱向銑削力Fx= Ff=1609N，徑向銑削力Fy =Ffn= 366N。 3. 直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副的計(jì)算與選型（1）滑塊承受工作載荷的計(jì)算及導(dǎo)軌型號(hào)的選取 工作載荷是影響直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副使用壽命的重要因素。本例中的X-Y工作臺(tái)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(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向載荷為： （2）其中，移動(dòng)部件重量G800N，外加載荷F= Fz= 556N，代入（2）式得最大工作載荷P

8、C=756N=0.756kN。查表，根據(jù)工作載荷PC=0.756kN，初選直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副的型號(hào)為KL系列的JSA-LG15型，其額定動(dòng)載荷Ca=7.94 kN，額定靜載荷C0a=9.5 kN。任務(wù)書規(guī)定工作臺(tái)面尺寸為230mm×230mm，加工范圍250mm×250mm，考慮工作行程應(yīng)留有一定余量，按標(biāo)準(zhǔn)系列，選取導(dǎo)軌的長(zhǎng)度為520mm。（2）距離額定壽命的計(jì)算 上述選取的KL系列JSA-LG15型導(dǎo)軌副的滾道硬度為HRC60，工作溫度不超過(guò)100，每根導(dǎo)軌上配有兩只滑塊，精度為4級(jí)，工作速度較低，載荷不大。查表，分別取硬度系數(shù)=1.0，溫度系數(shù)=1.00，接觸系數(shù)=0.8

9、1，精度系數(shù)=0.9， 載荷系數(shù)=1.5，得距離壽命： 遠(yuǎn)大于期望值50km，故距離額定壽命滿足要求。4. 滾珠絲杠螺母副的計(jì)算與選型（1）最大工作載荷Fm的計(jì)算 當(dāng)承受最大銑削力時(shí)，工作臺(tái)受到進(jìn)給方向的載荷（與絲杠軸線平行）Fx=1609N，受到橫向的載荷（與絲杠軸線垂直）Fy = 366N，受到垂向的載荷（與工作臺(tái)面垂直）Fz= 556N。已知移動(dòng)部件總重量G=800N，按矩形導(dǎo)軌進(jìn)行計(jì)算，查表，取顛覆力矩影響系數(shù)K=1.1，滾動(dòng)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： Fm = KFx + （Fz + Fy + G）= 1.1×1609 + 0.005 &#

10、215; ( 556 + 366 + 800 ) N 1779 N（2）最大動(dòng)載荷FQ的計(jì)算 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=400mm/min，初選絲杠導(dǎo)程=5 mm，則此時(shí)絲杠轉(zhuǎn)速n=v/Ph = 80 r/min。取滾珠絲杠的使用壽命T=15000 h，代入L0=60nT/106，得絲杠壽命系數(shù)L0=72（單位為：106 r）。查表，取載荷系數(shù)fW =1.2，滾道硬度為HRC60時(shí)，取硬度系數(shù)fH=1.0，求得最大動(dòng)載荷： FQ 8881 N（3）初選型號(hào) 根據(jù)計(jì)算出的最大動(dòng)載荷和初選的絲杠導(dǎo)程，查表，選擇濟(jì)寧博特精密絲杠制造有限公司生產(chǎn)的G系列2005-3型滾珠絲杠副，為內(nèi)

11、循環(huán)固定反向器單螺母式，其公稱直徑為20 mm，導(dǎo)程為5 mm，循環(huán)滾珠為3圈×1列，精度等級(jí)取4級(jí)，額定動(dòng)載荷為9309 N，大于FQ，滿足要求。（4）傳動(dòng)效率的計(jì)算 將公稱直徑d0=20mm，導(dǎo)程Ph=5mm，代入= arctanPh/(d0)，得絲杠螺旋升角=4 33。將摩擦角=10，代入=tan / tan(+)，得傳動(dòng)效率 =96.4%。（5）剛度的驗(yàn)算 1）X-Y工作臺(tái)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對(duì)推力角接觸球軸承，面對(duì)面組配，左、右支承的中心距離約為a=500mm；鋼的彈性模量2.1 Mpa；查表，得滾珠直徑=3.175mm，絲

12、杠底徑=16.2 mm，絲杠截面積 /4=206.12mm2。得絲杠在工作載荷Fm作用下產(chǎn)生的拉/壓變形量1=Fma/（ES）=1779×500/（2.1 ×206.12） mm 0.0205 mm。 2）根據(jù)公式 Z( )-3,求得單圈滾珠數(shù)Z=20；該型號(hào)絲杠為單螺母，滾珠的圈數(shù)×列數(shù)為3×1，代入公：Z×圈數(shù)×列數(shù)，得滾珠總數(shù)量=60。絲杠預(yù)緊時(shí)，取軸向預(yù)緊力 = /3=593 N，求得滾珠與螺紋滾道間的接觸變形量 0.0026 mm。因?yàn)榻z杠加有預(yù)緊力，且為軸向負(fù)載的1/3，所以實(shí)際變形量可減小一半，取=0.0013mm。 3

13、）將以上算出的和代入，求得絲杠總變形量（對(duì)應(yīng)跨度500mm）0.0218 mm=21.8m。由表知,5級(jí)精度滾珠絲杠有效行程在315400mm時(shí)，行程偏差允許達(dá)到25m，可見(jiàn)絲桿剛度足夠。（6）壓桿穩(wěn)定性校核 根據(jù)公式計(jì)算失穩(wěn)時(shí)的臨界載荷Fk。查表，取支承系數(shù)=1；由絲杠底徑=16.2 mm，求得截面慣性矩 3380.88 mm；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a取最大值500mm，得臨界載荷 9343N，遠(yuǎn)大于工作載荷=1779N，故絲杠不會(huì)失穩(wěn)。 綜上所述，初選的滾珠絲杠副滿足使用要求。5. 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)減速箱的選用 為了滿足脈沖當(dāng)量的設(shè)計(jì)要求，增大步進(jìn)

14、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)，采用彈簧錯(cuò)齒法消除側(cè)隙。 已知工作臺(tái)的脈沖當(dāng)量=0.005 mm/脈沖，滾珠絲杠的導(dǎo)程Ph=5 mm，初選步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角=0.75°，算得減速比： i=(Ph)/(360) =(0.75×5)/(360×0.005)=25:12 本設(shè)計(jì)選用大小齒輪模數(shù)均為1mm，齒數(shù)比為75:36，材料為45號(hào)調(diào)質(zhì)鋼，齒表面淬硬后達(dá)HRC55。減速箱

15、中心距為(75+36)×1/2 mm55.5 mm，小齒輪厚度為20mm，雙片大齒輪厚度均為10mm。 6. 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的計(jì)算與選型 （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 已知：滾珠絲杠的公稱直徑=20 mm，總長(zhǎng)l =500mm，導(dǎo)程5mm，材料密度 ；移動(dòng)部件總重量G=800N;小齒輪寬度20mm，直徑=36 mm;大齒輪寬度20mm，直徑=75 mm；傳動(dòng)比i =25/12。參照表，算得各個(gè)零部件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量如下（具體計(jì)算過(guò)程從略）：滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量=0.617，拖板折算到絲杠上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣=0.517，小齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量=0.259，大齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量=4.877 。初選步進(jìn)電

16、動(dòng)機(jī)型號(hào)為90BYG2602，為兩相混合式，二相四拍驅(qū)動(dòng)時(shí)步距角為0.75º，則加在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為 = +(+)/=30.35（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)矩分快速空載起動(dòng)和承受最大工作負(fù)載兩種情況進(jìn)行計(jì)算。1）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)矩包括三部分：一部分是快速空載起動(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)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩；還有一部分是滾珠絲杠預(yù)緊后折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的附加摩擦轉(zhuǎn)矩。因?yàn)闈L珠絲杠副傳動(dòng)效率很高，相對(duì)于和很小，可以忽略不計(jì)。則有： =+ （3）考慮傳動(dòng)鏈的總效率，計(jì)算快速空載起動(dòng)時(shí)折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸

17、上的最大加速轉(zhuǎn)矩： （4） 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，單位為r/min； 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)由靜止到加速至轉(zhuǎn)速所需的時(shí)間，單位為s。 其中： （5）式中空載最快移動(dòng)速度，任務(wù)書指定為3000mm/min； 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)步距角，預(yù)選電動(dòng)機(jī)為； 脈沖當(dāng)量，本例=0.005mm/脈沖。將以上各值代入式（5），算得nm=1250r/min。設(shè)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)由靜止到加速至nm轉(zhuǎn)速所需時(shí)間=0.4s，傳動(dòng)鏈總效率=0.7。則由式（4）求得：1.42（N·m）當(dāng)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)矩為： （6）則由式（6），得：0.002（N·m）最后由式（3），求得快速空

18、載起動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩：= + = 1.422 N （7）2）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)矩 包括三部分：一部分是折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大工作負(fù)載轉(zhuǎn)矩Tt ；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)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩Tf ；還有一部分是滾珠絲杠預(yù)緊后折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的附加摩擦轉(zhuǎn)矩T0，T0相對(duì)于Tt和Tf很小，可以忽略不計(jì)。則有：= Tt + Tf （8）本例中在對(duì)滾珠絲杠進(jìn)行計(jì)算的時(shí)候，已知沿著絲杠軸線方向的最大進(jìn)給載荷Fx=1609N ，則折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大工作負(fù)載轉(zhuǎn)矩Tt有： 0.88（N·m）再計(jì)算垂直方向承受最大工作負(fù)載（Fz=556N）情況下，移

19、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： = 0.004（N·m）最后由式（8），求得最大工作負(fù)載狀態(tài)下電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩為： = Tt + Tf = 0.884 N·m （9） 經(jīng)過(guò)上述計(jì)算后，得到加在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩應(yīng)為： = max， = 1.422 N·m（3）步進(jìn)電動(dòng)機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩的選定 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，可能造成丟步，甚至堵轉(zhuǎn)。因此，選擇步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩時(shí)，需要考慮安全系數(shù)。本例中取安全系數(shù)K=4，則步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩應(yīng)滿足： Tjmax 4×

20、1.422 N·m =5.688 N·m (10)上述初選的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)型號(hào)為90BYG2602，查表得該型號(hào)電動(dòng)機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩Tjmax = 6 N·m ?？梢?jiàn)，滿足（10）式的要求。（4）步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的性能校核 1）最快工進(jìn)速度時(shí)電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩校核 任務(wù)書給定工作臺(tái)最快工進(jìn)速度=400mm/min，脈沖當(dāng)量=0.005mm/脈沖，可求出電動(dòng)機(jī)對(duì)應(yīng)的運(yùn)行頻率 =400/(60×0.005)Hz 1333Hz。從90BYG2602電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行矩頻特性曲線圖1可以看出，在此頻率下，電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩5.6N·m，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于最大工作負(fù)載轉(zhuǎn)矩=0.884N&

21、#183;m，滿足要求。2）最快空載移動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩校核 任務(wù)書給定工作臺(tái)最快空載移動(dòng)速度=3000mm/min，可求出電動(dòng)機(jī)對(duì)應(yīng)的運(yùn)行頻率=3000/（60×0.005）Hz =10000Hz。在此頻率下，電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩=1.8 N·m，大于快速空載起動(dòng)時(shí)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩= 1.422N·m，滿足要求。 3）最快空載移動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行頻率校核 最快空載移動(dòng)速度=3000mm/min對(duì)應(yīng)的電動(dòng)機(jī)運(yùn)行頻率=10000Hz。查表知90BYG2602電動(dòng)機(jī)的極限運(yùn)行頻率為20000Hz，可見(jiàn)沒(méi)有超出上限。 4）起動(dòng)頻率的計(jì)算 已知電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jeq=30.35電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸不帶任何負(fù)載時(shí)的最高起動(dòng)頻率=1800Hz。可求出步進(jìn)電