內蒙古工業大學機電裝備課程設計摘 要【摘要】：小型立式銑床工作臺升降和制動裝置設計。數控機床的加工系統、立體倉庫中堆垛機的平面移動系統、平面繪圖儀的繪圖系統等,盡管結構和功能各不相同,但基本原理相同。機電一體化系統是將機械系統與微電子系統結合而形成的一個有機整體。本文通過對小型立式銑床工作臺的機械系統、控制系統及接口電路的設計,闡述了機電一體化系統設計中共性和關鍵的技術。本次課程設計，主要設計和研究小型立式銑床工作臺及其電氣原理圖。確定小型立式銑床工作臺的傳動系統，選擇了螺旋傳動，驗算了螺旋傳動的剛度、穩定性，壽命等參數；還設計了導軌，根據其用途和使用要求，選擇了直線滾動導軌副，確定了其類型、轉動力矩、轉動慣量?！娟P鍵詞】：小型立式數控銑床；滾珠絲杠螺母副；直線滾動導軌副；步進電動機；AbstractAbstract: small vertical milling machine table lift and brake design. CNC machining systems, warehouse stacker in the plane Yidong systems, flat plotter graphics system, etc., although the structure and function vary, but the same basic principles. Mechatronic systems is the mechanical systems and microelectronics systems combine to form an organic whole. Based on the small vertical milling machine table of the mechanical system, control system and interface circuit design, describes the design of mechatronic systems and critical technologies the Chinese Communists.The curriculum design, the main design and research of small vertical milling machine table and electrical schematics. Small vertical milling machine table to determine the transmission, select the screw drive, screw drive checking the stiffness, stability, life and other parameters; also designed a guide, according to its purpose and use requirements, choose the Linear Rolling Guide to determine its type, rotating torque, moment of inertia.Key words: small vertical milling machine; ball screw nut; Linear Rolling Guide; stepping motor;目 錄第一章 總體設計方案擬定41.1系統運動方式的確定與伺服系統的選擇41.2機械傳動方式41.3計算機系統選擇4第二章 機床進給伺服系統機械部分設計計算42.1 設計參數42.2 滾珠絲杠螺母副的計算與選型52.3 滾動導軌的計算與選擇102.3.1 滾動導軌副的額定壽命102.3.2 直線導軌副的參數122.4 步進電機的計算與選擇13第三章 微機數控系統硬件電路設計183.1 控制系統183.2步進電機介紹193.2.1繪制電氣控制系統框圖193.2.2正反轉工作原理20主要參考文獻:22第一章 總體設計方案擬定1.1系統運動方式的確定與伺服系統的選擇數控系統按運動方式可分為點位控制系統、直線控制系統和連續控制系統。為了滿足小型立式銑床工作臺運動定位,暫停,急停等功能,故選擇連續控制系統。伺服系統有開環和半閉環?？紤]到工作臺實際位移的檢測，補償系統的誤差，故采用半閉環控制系統，利用步進電機進行驅動。1.2機械傳動方式 為了實現設計要求的分辨率，采用步進電機轉動絲杠。為了保證一定的傳動精度和傳動平穩性，盡量減小摩擦力，選用滾珠絲杠螺母副。同時，為了提高傳動剛度和消除傳動間隙，采用有預加負荷的結構。1.3計算機系統選擇 采用三菱PLC伺服系統第二章 機床進給伺服系統機械部分設計計算2.1 設計參數1、工作臺尺寸：長*寬=500*3202、工作臺升降行程：250 3、工作臺總重：4、最高運行速度：步進電機運行方式：空載：0.5m/mim：切削：0.1m/min；交流伺服電動機運行方式：空載：8m/min：切削：2m/min；5、系統分辨率：開環模式0.01mm/step；半閉環模式0.005mm/step；6、系統定位精度：開環模式0.10mm；半閉環模式0.01mm；7、切削負載：X向600N；Y向800N；Z向 1200N； 2.2 滾珠絲杠螺母副的計算與選型2.2.1 計算進給牽引力作用在滾珠絲杠上的進給牽引力主要包括切削時的走刀抗力以及移動件的重量和切削分力在導軌上的摩擦力。因而其數值的大小與導軌的型式有關，由于在設計中采用的是加有導軌塊的滾動導軌，所以選擇的計算公式為矩形導軌的計算公式。計算公式為：式中 -X向切削分力（N）； -Y向切削分力（N）； -Z向切削分力（N）； -移動工作臺總重（N） -導軌上的摩擦系數，隨導軌型式而不同； -顛覆力矩影響系數；矩形導軌的,式中，,代入計算得 2.2.2 計算最大動載荷C選用滾珠絲杠副的直徑時，必須保證在一定軸向載荷作用下，絲杠在回轉100萬轉（106轉）后，在它的滾道上不產生點蝕現象。這個軸向負載的最大值即稱為該滾珠絲杠能承受的最大動負載，用下式計算選擇： 式中 -額定壽命，15000h； -絲杠轉速，； -溫度系數，查表3-23，工作溫度小于100，取=1 -硬度系數，查表3-24，=1；-精度系數，查表3-25，取=0.9； -負載性質系數，查表326， =1.3-可靠性系數，查表327，取=0.62，可靠度為95初選導程=6，由任務書可知最大切削力下的速度，則代入公式可計算得 =16.67 2.2.3 滾珠絲杠螺母副的選型根據以上算得的最大動負載在設計指導書中選用型號為GD2505-3的滾珠絲杠，其名義直徑為,滾珠的排列為4圈2列，額定動載荷為，滿足前面進給方向的要求。精度等級按機電裝備設計課程設計指導書表4-15選為4級。2.2.4 傳動效率計算 滾珠絲杠螺母副的傳動效率： 式中 -絲杠螺旋升角； -摩擦角，滾珠絲杠的滾動摩擦系數，其摩擦角約等于。由選用的GD2505-3的滾珠絲杠的相關數據可知絲杠螺旋升角代入公式計算得 2.2.5 剛度的驗算先畫出此進給滾珠絲杠支承方式草圖,如圖所示.最大牽引力為, 滾珠絲杠的有效行程=250mm，滾珠絲杠的余程=18mm,絲杠螺紋長度取= 250+182+72=358mm,支撐跨度= 540mm,絲杠的全長L=630mm。圖2-2 Z向進給系統計算簡圖 G ML滾珠絲杠副的軸向變行會影響進給系統的定位精度及運動的平穩性，因此應考慮以下引起軸向變形的因素：1)、絲杠的拉伸或壓縮變形量在總的變形量中占的比重較大,可以用計算方法或查圖表的方法決定，查圖4-6，根據下式計算： 式中 絲杠的最大工作載荷，單位為N;a滾珠絲杠兩支承間的距離；E絲杠材料的彈性模量，鋼的；S絲杠按底經確定的截面積，單位為；計算得 2)、滾珠與螺紋滾道間接觸變形絲杠螺母及軸承均進行預緊,預緊力為最大軸向負載的1/3.由于一端雙向推力球軸承，一端采用深溝球軸承，而且絲杠又進行了預拉伸，故其拉壓剛度可以提高4倍實際變形量有預緊時按下式計算：式中 滾珠直徑，單位為mm； 滾珠總數量，； 單圈滾珠數，（內循環），（外循環）； 預緊力，單位為N。根據以上計算由表3-274精度滾珠絲杠的有效行程在315以下時，行程允許的偏差為，小于要求的定位精度，符合設計的要求。2.2.6 穩定性驗算 對已選定尺寸的絲杠在給定的支承條件下，承受最大軸向負載時，應驗算其有沒有產生縱向彎曲（失穩）的危險，產生失穩的臨界負載用下式計算： 式中 絲杠材料彈性模量，對鋼； 截面慣性矩,絲杠截面慣性矩(為絲杠螺紋的底徑)；絲杠兩支承間距離；絲杠的支承方式系數，由表3-34，取=1；壓桿穩定安全系數，一般取為2.54，取=3。根據前面的相關數據可知上式中的截面慣性矩：絲杠兩支承端距離，我所選用滾珠絲杠的支承方式是單推-單推,則查指導書中的表3-34可知則代入數據算得 = 滿足設計要求2.2.8 滾珠絲杠副的幾何參數表2-1滾珠絲杠的幾何參數名稱符號公式WD4506螺紋滾道公稱直徑20導程4接觸角鋼球直徑2.381滾道法面半徑1.238偏心距0.003螺紋升角螺桿螺桿外徑19.524螺桿內徑17.533螺桿接觸直徑17.624螺母螺紋直徑22.467螺母內徑20.4762.3 滾動導軌的計算與選擇目前，滾動導軌在數控機床上應用非常廣泛，因為其摩擦系數=；動、靜摩擦系數很接近，幾乎不受運動速度的變化的影響，運動輕便、靈活，所需驅動功率小，摩擦發熱小，磨損小，精度保持性好；低度運動時不易出現爬行現象，因而定位精度高，所以選用滾動導軌。2.3.1 滾動導軌副的額定壽命(1)、滾動導軌的額定動載荷的計算：由于要計算額定動載荷首先需要計算出作用在滾動導軌副上的載荷,由資料文獻可知作用在滾動導軌副上的載荷計算公式如下：圖2-3 工作臺及導軌塊的放置 式中的為作用于同一平面內的若干套導軌副的總載荷在這里我的設計任務中指出了，。則式中、分別取，,，將上面的數據代入相應的公式中可得到滑塊上的工作載荷根據工作載荷選型號為SBG15FL的導軌，其參數為。 (2)、滾動導軌副的額定壽命1、額定壽命計算其計算公式如下： 式中 -額定壽命； -額定動載荷； -滑塊上的工作載荷；-溫度系數；運行時的溫度小于100查相關資料可的；-接觸系數；導軌上的滑塊數為2查相關資料；-精度系數；精度等級為4級查相關資料；-載荷系數；.3；-硬度系數；滾道硬度不得低于HRC58故通常取。使用壽命 -單向行程，=250；n-每分鐘往返次數，初選直線導軌副型參為SBG15FL 額定動載C=8500N代入公式計算得：2、壽命時間的計算 15000h 故初選型號滿足設計要求。2.3.2 直線導軌副的參數2.4 步進電機的計算與選擇2.4.1步進電動機減速箱的選用為了滿足脈沖當量的設計要求，增大的步進電動機輸出轉矩，同時也為了使滾珠絲杠和工作臺的轉動慣量折算到電動機轉軸上盡可能地小，在步進電動機的輸出軸上安裝一套齒輪減速箱。采用一級減速，步進電動機的輸出軸與小齒輪連接，滾珠絲桿的軸頭與大齒輪連接。已知工作臺的脈沖當量 ，滾珠絲桿的導程為，初選步進電動機的步距角為根據式3-10，算得減速比：本設計選用常州市新月電機有限公司生產的JBF-3型齒輪減速箱。大小齒輪模數均為1mm,齒數比為75:45，材料為45調質鋼，齒表面硬后達55HRC。減速箱中心距為，小齒輪厚度為20mm，大齒輪厚度為20 mm。2.4.2步進電動機的計算與選型2.4.2.1計算加在步進電動機的轉軸上的總轉動慣量已知：滾珠絲桿的公稱直徑，總長為，導程為，材料密度，工作臺總重為，小齒輪寬度為，直徑為，大齒輪寬度為，直徑為；傳動比為。由表4-1，算得各部件的轉動慣量如下：1滾珠絲杠的轉動慣量為 式中 -圓柱體直徑； -圓柱體長度或原度； -鋼材的密度從設計的零件中可知絲杠的公稱直徑為2cm，把絲杠近似的看成一個圓柱體則，考慮到我的任務書中的尺寸比較大，對與絲杠支撐端以外的絲杠對總體的影響較小所以忽略不記，則取。根據以上的數據代入公式算得 2工作臺折算到絲杠上的轉動慣量 其公式為：式中 -工作臺重量；， -重力加速度（9.8m/s2）； -絲杠導程 ;代入公式3小齒輪的轉動慣量為4大齒輪的轉動慣量為初選步進電動機的型號為90BYG2602，為兩相混合式，由常州寶馬集團公司生產，二相八拍驅動時的步距角為，從表4-5查得該型號電動機轉子的轉動慣量則加在步進電動機的轉軸上的總轉動慣量為：2.4.2.1計算加在步進電動機的轉軸上的等效負載轉矩 分快速空載啟動和承受最大工作載荷兩種情況計算。1）快速空載啟動時電動機的轉軸所承受的負載轉矩由式4-8可知，包括三部分：一部分是快速空載啟動時折算到電動機的轉軸上的最大加速轉矩；一部分是移動部件運動時折算到電動機的轉軸上的摩擦轉矩；還有一部分是滾珠絲杠預緊后折算到電動機的轉軸上的附加。因為滾珠絲杠副的傳動效率很高，根據式4-12可知，相對于和很小，可以忽略不計。則有：根據式4-9，考慮傳動鏈的總效率，計算快速空載啟動時折算到電動機的轉軸上的最大加速轉矩：式中 對應空載最快移動速度的步進電動機最高轉速，單位為； 步進電動機由靜止到加速至轉速所需的時間，單位為s。其中 式中 空載最快移動速度，任務書指定為0.5； 步進電動機步距角，預選電動機為； 脈沖當量。將以上各值代入得設步進電動機由靜止到加速至轉速所需的時間，傳動鏈的總效率。則由式4-10可知，移動部件運動時，折算到電動機的轉軸上的摩擦轉矩為：式中 導軌的摩擦因數，滾動導軌取0.004； 垂直方向的銑削力，空載為0； 傳動鏈的總效率。則得快速空載啟動時電動機的轉軸所承受的負載轉矩：2）最大工作負載狀態下電動機轉軸所承受的負載轉矩，由式4-13可知，包括三部分：一部分是折算到電動機的轉軸上的最大工作負載轉矩；一部分是移動部件運動時折算到電動機的轉軸上的摩擦轉矩；還有一部分是滾珠絲杠預緊后折算到電動機的轉軸上的附加。因為滾珠絲杠副的傳動效率很高，根據式4-12可知，相對于和很小，可以忽略不計，則有：其中，折算到電動機的轉軸上的最大工作負載轉矩由式4-14計算。在對滾珠絲杠進行計算時，已知沿著絲杠軸線方向的最大進給載荷，則：再計算垂直方向承受最大工作負載的情況下，移動部件運動時折算到電動機的轉軸上的摩擦轉矩：最后求得最大工作負載狀態下電動機轉軸所承受的負載轉矩為：則加在步進電動機轉軸上的的最大等效負載轉矩為:2.4.2.3步進電動機最大靜轉矩的選定考慮到步進電動機的驅動電源受電網電壓影響較大，當輸入電壓降低時，其輸出轉矩會下降，可能造成丟步，甚至堵轉。因此，根據來選擇步進電動機的最大靜轉矩時，需要考慮安全系數。取，則步進電動機的最大靜轉矩應滿足：上述初選的步進電動機型號為90BYG2602,由表4-5差得該型號電動機的最大靜轉矩為?？梢?，滿足要求。2.4.2.4步進電動機的性能校核1）最快工進速度時電動機輸出轉矩校核工作臺最快工進速度為，脈沖當量為，由式4-16求出電動機對應的運行頻率。從90BYG2602電動機的運行矩頻特性曲線圖可以看出，在此頻率下，電動機的輸出轉矩，遠大于最大工作負載轉矩，滿足要求。2）最快空載移動時電動機輸出轉矩校核工作臺最快空載移動速度為，電動機對應的運行頻率。在此頻率下，電動機的輸出轉矩，大于最大工作負載轉矩，滿足要求。3）最快空載移動時電動機運行頻率校核與最快空載移動速度對應的電動機的運行頻率。查表4-5可知90BYG2602電動機的空載運行頻率可達20000Hz,可見沒有超出上限。4）啟動頻率計算已知電動機轉軸上的轉動慣量，電動機轉子轉動慣量，電動機轉軸不帶任何負載時的空載啟動頻率。則由式4-17可以求出步進電動機克服慣性負載的啟動頻率：上式說明，要想保證步進電動機啟動時不失步，任何時候的啟動頻率都必須小于1107Hz.綜上所述，工作臺選用的90BYG2602電動機，完全滿足設計要求。第三章 微機數控系統硬件電路設計3.1 控制系統隨著微電子技術和計算機技術的發展，可編程序控制器有了突飛猛進的發展，其功能已 遠遠超出了邏輯控制、順序控制的范圍，它與計算機有效結合，可進行模擬量控制，具有遠程通信功能等，有人將其稱為現代工業控制的三大支柱(即PIE，機器人，CADCAM)之一。目前PLC已廣泛應用于冶金、礦業、機械、輕工等領域，為工業自動化提供了有力的工具。由于步進電機具有精度高、慣性小、工作可靠，能實現高精度快速開環控制的特點，被廣泛應用在各種不同的運動控制系統中。步進電機作為一種常用的電氣執行元件，廣泛應用于自動化控制領域。對步進電機的控制通常有兩種方法：一種是采用專用控制器，這種控制器主要由脈沖信號發生器、環形脈沖分配器和功率放大器組成；另一種是用PLC主控單元加位控單元實現步進電機控制，該方法提高了通用化程度，單位控單元價格昂貴，甚至遠高于主控單元?？刂撇竭M電機電源的脈沖與方向信號源常用數控系統，但對于一些在運行過程中移動距離和速度均需確定的具體設備，采用PLC是一種理想的技術方案。在操作面板上設定移動距離、速度和方向，通過PLC的運算產生脈沖、方向信號，控制步進電機的驅動電源，達到對距離、速度、方向控制的目的。操作面板上的位置旋鈕控制移動的距離，速度旋鈕控制移動的速度，方向按鈕控制移動的方向，啟停按鈕控制電機的啟動與停止。在實際系統中，位置與速度往往需要分成幾擋，故位置、速度旋鈕可選用波段開關，通過對波段開關的不同跳線進行編碼，可減少操作面板與PLC的連線數量，同時也減少了PLC的輸入點數，節省了成本。3.2步進電機介紹步進電機是一種將脈沖信號轉換成直線位移或角位移的執行元件。步進電機的輸出位移量與輸入脈沖個數成正比，其速度與單位時間內輸入的脈沖數(即脈沖頻率)成正比，其轉向與脈沖分配到步進電機的各相繞組的相序有關。所以只要控制指令脈沖的數量、頻率及電機繞組通電的相序，便可控制步進電機的輸出位移量、速度和方向。步進電機具有較好的控制性能，其啟動、停車、反轉及其它任何運行方式的改變都可在少數脈沖內完成，且可獲得較高的控制精度，因而得到了廣泛的應用。3.2.1繪制電氣控制系統框圖數控系統是由硬件和軟件兩部分組成，硬件是組成系統的基礎，有了硬件軟件才能有效的運行。圖 3-1 僅用PLC控制