1、X-Y數控工作臺與其控制系統設計摘要本文旨在設計一臺簡單、經濟型的X-Y數控工作臺。一般來說，X-Y數控工作臺的機電系統設計都是通過開環控制系統實現的，所以其結構簡單，實現方便而且能夠保證一定的精度，降低了設計制造過程中的成本，因此可以說X-Y數控工作臺是微機控制技術中最常見的應用。本文設計的X-Y數控工作臺充分地利用了可編程序控制技術來實現對機床的控制，在擴大了其加工圍的同時，精度和可靠性也得到了進一步的提高。該設計完全圍繞數控機床工作原理而展開，充分體現了數控機床機械設備與電氣設備部分的緊密結合。主要設計容包括總體方案的設計；步進電機的選用；傳動裝置的設計；絲杠螺母副的設計；滾動導軌的選用

2、和電氣控制部分的設計。本設計的經濟型數控工作臺采用開環系統，機械傳動部分采用步進電機通過同步帶一級減速傳動，減速器輸出軸連接到滾珠絲杠上，絲杠上的絲杠螺母副帶動工作臺實現X-Y方向進給。關鍵詞：X-Y數控工作臺，可編程序控制技術，機械傳動部件，控制系統AbstractThisdesignisthedesignwithasimpleandeconomicalCNCofx-ytables.X-ytablesCNCmachinerysystemdesignisanopen-loopcontrolsystem.Itssimplestructure,convenientandcanensurethepr

3、ecisionofcertain,reducedcost,isthemostsimpleofmicrocomputercontroltechnologyofapplication.ItfullyutilizethePLCtorealizethecontrolofmachinetools,expandingthescopeofmachiningaccuracyandreliability,andfurtherimproved.Designtaskiscompleteonncmachinetoolsandworkingprincipleofthedesign,fullyembodiestheCNC

4、machineryandelectricalequipmentparts.X-YtablesincludeoverallschemedesignofCNCdesign,selectionofsteppingmotordrivingdevice,thedesign,thedesignofballscrewnutpair,theselectionanddesignofelectriccontrollingpart.Thedesignoftheeconomicalncworkbenchprecisionrequestisnothigh,theopenloopsystem.Mechanicaltran

5、smissionthroughadoptingstep-motorsynchronousbelttransmission,connecttoslowlevelontheballscrew,thusthedriver.Keywords:X-Ytables,PLC,transmissionmachinerypartsandcontrolsystem摘要IAbstractIi1緒論11.1 X-Y數控工作臺研究背景11.2 X-Y數控工作臺研究意義1X-Y數控工作臺的現狀與發展22X-Y數控工作臺總體方案確定32.1傳動系統方案的確定32.2控制電機的確定52.3控制系統方案的確定72.4其他零部件

6、的選擇83X-Y數控工作臺機械系統設計92.1 X-Y數控工作臺的整體結構設計93.2主要設計參數與其依據103.3工作載荷分析與計算字昔誤！未定義書簽。3.4直線滾動導軌副的計算與選型123.5滾珠絲杠螺母副的選型和校核133.6同步帶輪傳動的設計和計算173.7驅動電機的選擇193.8其它零部件的確定234控制系統的設計274.1 PLC的組成與工作原理274.2 PLC的選型294.3 PLC控制步進電機的梯形圖程序設計304.4程序的分析與比較37總結38致39參考文獻40附錄一英語論文41附錄二漢語翻譯511.1X-Y數控工作臺研究背景現代科學技術的不斷發展，極推動了不同學科的交義與

7、滲透，導致了工程領域的技術革命與改造。在機械工程領域，由丁微電子技術和計算機技術的迅速發展，與其向機械工業的滲透，而形成的機電一體化，使機械工業的技術結構、產品機構、功能與構成、生產方式與管理體系發生了巨大變化，使工業生產由“機械電氣化”邁入了以“機電一體化”為特征的發展階段。隨著科學技術的不斷進步和社會生產的不斷發展，人們對機械產品的質量和生產率提出了越來越高的要求，而機械加工過程的自動化是實現上述要求的有效途徑。從工業化革命以來，人們實現機械加工自動化的主要手段有：1.自動機床；2.組合機床；3.專用自動生產線。這些設備的使用大大提高了機械加工自動化的程度，提高了勞動生產率，促進了制造業的

8、發展。但它也存在固有的缺點，如：1.初始投資大；2.準備周期長；3.柔性差。因此，上述方法僅適用丁批量較大的零件生產。然而，隨著市場競爭的日趨激烈，產品更新換代周期縮短，小批量產品的生產所占的比重越來越大，約占總加工量的80%以上。在航空、航天、重型機床以與國防工業部門尤為突出。因此，迫切需要一種精度高，柔性好的加工設備來滿足上述需求，這是機床數控技術產生和發展的在動力。另一方面，電子技術和計算機技術的飛速發展則為NC機床的發展提供了堅實的技術基礎。數控工作臺正是在這種背景下誕生和發展起來的，它極其有效地滿足了上述要求，為小批量、精密復雜的零件生產提供了自動化加工手段。1.2X-Y數控工作臺研

9、究意義數控技術可以說是先進制造技術的基本，體現著數控技術的數控機床成為制造業關注的焦點。微機控制的數控機床、數控加工中心的高精度、高度柔性化與適合加工復雜零件的性能，正好滿足當今市場競爭和工藝發展的需要?？梢哉f，微機數字控制技術的應用是機械制造行業現代化的標志，在很大程度上決定了企業在市場競爭中的成敗。裝備工業的技術水平和現代化程度決定著整個國民經濟的水品和現代化程度，數控技術與裝備是發展新型高新技術產業和尖端工業的使能技術和最基本的裝備，乂是當今先進制造技術和裝備最核心的技術。數控技術是使用數字信息對機械運動和工作過程進行控制的技術，而數控裝備是以數控技術為代表的新技術對傳統制造產業和新興制

10、造業的滲透形成的機電一體化產品，其技術圍覆蓋很多領域。X-Y數控工作臺是一個開環控制系統，其結構簡單，實現方便，而且能夠保證一定的精度、降低成本，是微機控制技術的最簡單的應用。它充分的利用了危機的軟件硬件功能以實現對機床的控制，使機床的加工圍擴大，精度和可靠性進一步得到提高。數控精密工作臺采用滾珠直線導軌副為導向支承，滾珠絲杠副為運動執行元件的結構，具有精度高、效率高、壽命長、磨損小、節能低耗、磨擦系數小、結構緊湊、通用性強等特點。目前已廣泛應用丁測量、激光焊接、激光切割，涂膠、打孔，插件、小型數控機床、射線掃描、雕銖機與實用教學等場合。X-Y數控工作臺是許多機電一體化設備的基本部件，如數控車

11、床的縱一橫向進刀機構、數控銖床和數控鉆床的X-Y工作臺、激光加工設備的工作臺、電子元件表面貼裝設備等。模塊化的X-Y數控工作臺，通常由導軌座、移動滑塊、工作臺、滾珠絲杠螺母副,以與伺服電動機等部件構成。其中伺服電動機做執行元件用來驅動滾珠絲杠，滾珠絲杠螺母帶動滑塊和工作平臺在導軌上運動，完成工作臺在X、Y方向的直線移動。導軌副、滾珠絲杠螺母副和伺服電動機等均以標準化，由專門廠家生產，設計時只需根據工作載荷選取即可。控制系統根據需要，可以選取用標準的工作控制計算機，也可以設計專用的微機控制系統。1.3X-Y數控工作臺的現狀與發展我國數控機床產量持續高速增長，根據市場需求和技術發展趨勢，應重點推進

12、高效、精密為核心的數控機床m級工程，加強發展高性能、高可靠性數控功能部件，積極開展復合加工機床、超精密數控機床和可重構制造系統的工程化研究等相應的關鍵技術。數控機床與由數控機床組成的柔性化制造系統是改造傳統機械加工裝備產業、構建數字化企業的重要基礎，它的發展一直備受人們關注。數控機床以其卓越的柔性自動化的性能、優異而穩定的精度、靈捷而多樣化的功能引起世人矚目。它開創了機械產品向機電一體化發展的先河，因此數控技術成為先進制造技術中的一項核心技術。通過持續的開發研究以與對信息技術的深化應用，促進了數控機床性能和質量的進一步提升，使數控機床成為國民經濟和國防建設發展的重要制造裝備。在我國對外開放進一

13、步深化的新環境下，發展我國數控技術與裝備，提高我國制造業信息化水平和國際競爭能力尤為重要。數控技術的發展趨勢：數控技術的應用不但給傳統制造業帶來了革命性的變化，使制造業成為工業化的象征，而且隨著數控技術的不斷發展和應用領域的擴大，它對國計民生的一些重要行業，例如IT、汽車、輕工、醫療等的發展起著越來越重要的作用。從目前世界上數控技術與其裝備發展的趨勢來看，其主要研究熱點有以下幾個方面：（1）高速、高精加工技術與裝備的新趨勢；（2）5軸聯動對三維曲面零件的加工，可用刀具最佳幾何形狀進行切割，不僅光潔度高，而且效率也大幅度提高；（3）智能化、開放式、網絡化成為當代數控系統發展的主要趨勢；對我國數控

14、技術和產業化發展的戰略思考：（1）戰略考慮。我國是制造大國，在世界產業轉移中要盡量接受前端而不是后端的轉移，所以，我們應站在國家安全戰略的高度來重視數控技術和產業問題。首先從社會安全看，因為制造業是我國就業人口最多的行業，制造業發展不僅可提高人民的生活水平,而且還可緩解我國就業的壓力，保障社會的穩定；其次從國防安全看，西方發達國家把高精尖數控產品都列為國家的戰略物質，對我國實現禁運和限制，“東芝事件”和“考克斯報告”都是最好的例證；（2）發展策略。從我國基本國情的角度出發，以國家的戰略需求和國民經濟的市場需求為導向，以提高我國制造裝備業綜合競爭能力和產業化水平為目標，用系統的方法，選擇能夠主導

15、21世紀初期我國制造裝備業發展升級的關鍵技術以與支持產業化發展的支撐技術、配套技術作為研究開發的容，實現制造裝備業的跨越式發展。強調市場需求為導向，即以數控終端產品為主，以整機如量大面廣的數控車床、銖床、高速高精高性能數控機床、曲型數字化機械、重點行業關鍵設備等帶動數控產業的發展。重點解決數控系統和相關功能部件數字化伺服系統與電機、高速電主軸系統和新型裝備的附件等的可靠性和生產規模的問題。沒有規模就不會有高可靠性的產品；沒有規模就不會有價值低廉而富有黨爭力的產品；當然，沒有規模中國的數控裝備最終難有出頭之日。2X-Y數控工作臺總體方案確定2.1傳動系統方案的確定主要的機械傳動裝置：鏈傳動、齒輪

16、傳動、蝸桿傳動、帶傳動1鏈傳動鏈傳動的優點：(1)平均傳動比準確，壓軸力小；(2)效率較局；(3)安裝精度要求較低，成本低；(4)適用丁中心距較大的傳動。鏈傳動的缺點：(1)瞬時傳動比不包定，瞬時鏈速不包定;(2)傳動的平穩性差，有噪音。鏈傳動的應用場合：用在轉速不高，兩軸中心距較大，要求平均傳動比準確的場合。2齒輪傳動齒輪傳動的優點：(1)工作可靠，壽命長；(2)傳動比包定；(3)效率局；(4)結構緊湊；(5)適用性廣。齒輪傳動的缺點：(1)制造與安裝精度要求高；(2)價格較貴，不且用十傳動距離過大的場合;(3)易產生低頻振蕩。蝸桿傳動蝸桿傳動的優點：(1)能實現大的傳動比；(2)沖擊載荷小

17、，傳動平穩，噪聲低；(3)具有自鎖性。蝸桿傳動的缺點：摩擦損失較大，效率低，工作時發熱量大。帶傳動帶傳動的優點：(1)適用丁中心距較大的傳動；(2)3吉構簡單，成木低；(3)帶有彈性，能緩沖減震，運轉平穩，噪音小;(4)傳動過載時，而與帶輪打滑，保護其他零件。綜上所述，本設計要實現精確的傳動，那么選擇帶中的同步齒形帶。同步齒形帶傳動是一種新型的帶傳動。它利用齒形帶的齒形與帶輪的輪齒依次嚙合傳遞運動和動力，因而兼有帶傳動、齒輪傳動與鏈傳動的優點，且無相對滑動，平均傳動比較準確，傳動精度高，而且齒形帶的強度高、厚度小、重量輕，故可用丁該設計的傳動。齒形帶無需特別緊，故作用在軸和軸承上的載荷小，傳動

18、效率也高。2.2控制電機的確定主要的伺服電動機有：直流伺服電動機、交流伺服電動機、步進電動機2.2.1直流伺服電動機直流伺服電動機是用直流的電信號控制的執行元件，是將輸入的電壓控制信號轉換為電動機軸上的角位移或角速度進行輸出。它具有線性調速圍寬、信號響應迅速、堵轉轉矩大、無控制電壓時立即停轉等特點，作為驅動元件被廣泛的應用丁閉環控制系統中。直流伺服電機特性原則上與一般直流電機一樣，但有很大的改進和變化，已不能簡單的用電壓、電流、轉矩等參數來描述，需用數據表和特性曲線來描述，使用時要查閱這些表和特性曲線。直流伺服電機的缺點：它的電刷盒換向器易磨損；電機最高轉速受限制，應用環境受限制；結構復雜，制

19、造困難，成本高。2.2.2交流伺服電動機交流伺服電動機特點：1.控制精度高；2.矩頻特性好；3.具有過載能力；4.加速性能好；5.動態響應好；6.輸出功率大。交流伺服電機形式：1.同步型交流伺服電機：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械特性和很寬的調速圍，在電源電壓和頻度固定時，它的轉速是穩定不變的。主要用在進給驅動系統中。2.異步型交流感應伺服電機：結構簡單，制造容量大，主要用在主軸驅動系統中。缺點是不能經濟地實現圍很廣的平滑調速，必須從電網吸收滯后的勵磁電流，因而令電網功率因數變壞。2.2.3步進電動機步進電機是一種離散運動的裝置，它和現代數字控制技術有著本質的聯系。在

20、目前國的數字控制系統中，步進電機的應用十分廣泛。為了適應數字控制的發展趨勢，運動控制系統多采用步進電機作為執行電動機。步進電機是將電脈沖信號轉變為角位移或線位移的開環控制元件。在非超載的情況下，電機的轉速、停止的位置只取決丁脈沖信號的頻率和脈沖數，而不受負載變化的影響，當步進驅動器接收到一個脈沖信號，它就驅動步進電機按設定的方向轉動一個固定的角度，稱為“步距角”，它的旋轉是以固定的角度一步一步運行的?？梢酝ㄟ^控制脈沖個數來控制角位移量，從而達到準確定位的目的；同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉動的速度和加速度，從而達到調速的目的。由丁脈沖信號數與步距角的線性關系，加上步進電機只有周期性的誤差

21、而無累積誤差等特點，使得在速度、位置等控制領域用步進電機來控制變的非常的簡單。步進電機是一種感應電機，它的工作原理是利用電子電路，將直流電變成分時供電的，多相時序控制電流，用這種電流為步進電機供電，步進電機才能正常工作，驅動器就是為步進電機分時供電的、多相時序控制器。雖然步進電機已被廣泛地應用，但步進電機并不能像普通的直流電機、交流電機在常規下使用。它必須由雙環形脈沖信號、功率驅動電路等組成控制系統方可使用。因此用好步進電機卻非易事，它涉與到機械、電機、電子與計算機等許多專業知識。步進電機作為執行元件，是機電一體化的關鍵產品之一，廣泛應用在各種自動化控制系統中。隨著微電子和計算機技術的發展，步

22、進電機的需求量與日俱增，在各個國民經濟領域都有應用。步進電機的優點：1. 電機旋轉的角度正比丁脈沖數；2. 電機停轉的時候具有最大的轉矩（當繞組激磁時）；3. 由丁每步的精度在3%-5%而且不會將一步的誤差積累到下一步因而有較好的位置精度和運動的重復性；4. 優秀的起停和反轉響應；5. 由丁沒有電刷，可靠性較高，因此電機的壽命僅僅取決丁軸承的壽命；6. 電機的響應僅由數字輸入脈沖確定，因而可以采用開環控制，這使得電機的結構可以比較簡單，而且控制成本較低；7. 僅僅將負載直接連接到電機的轉軸上，也可以極低速的同步旋轉。8. 由丁速度正比丁脈沖頻率，因而有比較寬的轉速圍。步進電機的缺點：1.如果控

23、制不當容易產生共振；2.難以運轉到較高的轉速。開環控制系統如圖2-1所示：圖2-1開環控制流程圖步進電機最有意義的一個優點就是在開環系統里可以實現精確的控制。開環控制意味著不需要關丁（轉子）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與象光學編碼器這樣的反饋設備，因為只需要跟蹤輸入的步進脈沖就可以知道你（轉子）的位置。綜上所述，本設計中，原始參數中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2000mm/min故本設計不必采用高檔次的伺服電動機，因此可以選用混合式步進電動機，以降低成本，提高性價比。采用步進電機來實現驅動，一般情況下多采用開環控制。因為

24、步進電機的輸出轉角與控制器提供的脈沖數有著正比關系，電機轉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，采用步進電機是合理的。當然，步進電機也具有高頻易失步，負載能力不強的缺點。2.3控制系統方案的確定主要的控制器有：計算機、單片機和PLG2.3.1計算機控制系統計算機控制系統的應用類型有數據采集系統、直接數字控制系統、監督計算機控制系統、分級控制系統、現場總線控制系統。計算機控制系統通常具有精度高、速度快、存儲容量大和有邏輯判斷功能等特點，因此可以實現高級復雜的控制方法，獲得快速精密的控制效果。計算機技術的發展已使整個人類社會發生了可觀的變化，自然也應用到工業生產和企業管理

25、中。但價格較貴，對環境要求高，抗干擾能力低。2.3.2單片機控制系統單片機的特點：（1）高集成度、高可靠性。（2）控制功能強。（3）低電壓、低功耗。（4）優異的性能價格比。單片機主要的應用領域如下：（1）在測控系統中的應用。（2）在智能化儀器儀表中的應用。（3）在機電一體化中的應用（4）在人類生活中的應用。（5）在智能接口中的應用。單片機在大容量高性能化、小容量低價格化、外圍電路的裝化方面還待發展。單片機抗干擾能力中等，對環境要求高，性價比一般。2.3.3 PLC控制系統PLC的特點：a.高可靠性；b.采用模塊化結構；c.編程簡單易學；d.安裝簡單，維修方便。PLC不需要專門的機房，可以在各種

26、工業環境下直接運行。使用時只需將現場的各種設備與PLC相應的I/O端相連接，即可投入運行。為了增強PLC的抗干擾能力，提高其可靠性，PLC的每個開關量輸入端都采用光電隔離等技術；為了能實現繼電器控制線路的硬邏輯并行控制，PLC采用了不同丁一般微型計算機的運行方式（掃描技術）。PLC的功能：邏輯控制、定時控制、計數控制、步進（順序）控制、PID控制、數據控制（PLC具有數據處理能力）、通信和聯網。PLC體積小、抗干擾能力強，對環境要求不高，可靠性高，靈活性好，性價比較好。設計要求：a.本設計對系統存要求不高；b.系統處理的運算不需很復雜，CPU的計算速度要求不高；c.控制系統能適應惡劣的工作環境

27、；d.控制系統需有完善的監視和診斷功能；e.操作方便、體積小、性價比高。設計控制系統的硬件電路時主要考慮以下功能：（1）接收鍵盤數據，控制LED顯示；（2）接收操作面板的開關與按鈕信息；（3）接受銖床限位開關信號；（4）控制X,Y向步進電動機的驅動；（5）控制切削液泵啟動/停止；（6）與PC機的申行通信。根據設計要求，通過對以上控制系統的比較，選擇PLC控制系統。PLC控制系統有以下優點：（1）應用靈活、擴展性好。（2）操作方便。（3）標準化的硬件和軟件設計、通用性強。（4）完善的監視和診斷功能。（5）控制功能強。（6）可適應惡劣的工業應用環境。（7）體積小、重量輕、性價比高、省電。2.4其他

28、零部件的選擇2.4.1導軌副的選用按導軌結合面的摩榛性，導軌可分為滑動導軌、滾動導軌和靜壓導軌。a. 滑動導軌具有結構簡單、制造方便、剛度好、抗震性高等優點?；瑒訉к壏譃槠胀ɑ瑒訉к壓退芰匣瑒訉к?。普通滑動導軌是金屆與金屆的摩察，這類導軌的缺點是靜摩榛系數大，而且動摩榛系數隨速度變化而變化，摩榛損失大，低速時易出現爬行，從而會降低運動部件的定位精度，所以一般使用在普通機床上。塑料滑動導軌是塑料與金屆的摩榛，其動、靜摩榛系數基本一樣，具有良好的摩榛特性、耐磨性與吸振性，且無爬行，同時乂具有生產成本低、應用工藝簡單、經濟效益顯著等特點。b. 靜壓導軌的滑動面之間開有油腔，一定壓力的油通過節流輸入油

29、腔，形成壓力油膜，浮起運動部件，使導軌工作表面處丁純液體摩榛，不產生磨損，精度保持性好；同時摩榛系數也極低，使驅動功率大大降低；低速無爬行，承載能力大，岡度好。此外，油液有吸振作用，抗振性好。其缺點是結構復雜，要有供油系統，油的活潔度要求高。靜壓導軌較多的應用在大型、重型數控機床上。滾動導軌是在導軌面之間放置滾珠、滾柱、滾針等滾動體，使導軌面之間的滑動摩榛變成為滾動摩榛，其優點有1）靈敏度高，且其動摩榛系數與靜摩榛系數相差甚微，因而運動平穩，低速移動時不易出現爬行現象。2）定位精度高，重復定位精度可達0.2um。3）摩榛阻力小，移動輕便，磨損小，精度保持性好，壽命長。滾動導軌特別適用丁機床的工

30、作部件要求移動均勻、運動靈敏與定位精度高的場合。綜上所述，要設計數控銖床工作臺，需要承受的載荷不大，脈沖當量小，定位精度高，因此選用滾動導軌裝置中的直線滾動導軌副。它可做成獨立的標準部件，其特點有1）剛度高，承載能力大，便丁拆裝，可直接裝在任意行程長度的運動部件上；2）具有自調整能力，安裝基面許用誤差大；3）制造精度高；4）可高速運行；5）高精度保持性好；6）可預加負載，提高剛度。2.4.2絲杠螺母副的選用伺服電動機的旋轉運動需要通過絲杠螺母副轉換成直線運動,需要滿足0.01mm脈沖當量和0.01mm勺定位精度，滑動絲杠副不能滿足要求，只有選用滾珠絲杠副才能達到要求。滾珠絲杠副的傳動精度高、動

31、態響應快、運轉平穩、壽命長、效率高、預緊后可消除反向間隙。3X-Y數控工作臺機械系統設計3.1X-Y數控工作臺的整體結構設計進給傳動系統示意圖如圖3-1所示：滾珠絲杠圖3-1傳動系統示意圖如圖3-2所示為典型X-Y工作臺圖3-2X-Y工作臺考慮到X、Y兩個方向的加工圍接近，承受的工作載荷相差不大，為了減少設計工作量，X、Y兩個坐標的導軌副、絲杠螺母副、減速裝置、伺服電動機以與檢測裝置擬采用一樣的型號與規格，3.2主要設計參數與其依據X、Y方向的脈沖當量為0.01mmX、Y方向的定位精度均為0.01mm加工圍為X500.Y450mm；工作荷載2000N;工作壽命15000h;時間常數T=30m&

32、#167;快速進給速度Vmax2000mm/min3.3工作載荷分析與計算3.3.1銖削力的分析與計算鐵削運動的特征是主運動為鐵刀繞自身軸線高速回轉，進給運動為工作臺帶動工件在垂直丁鐵刀軸線方向緩慢進給（鍵槽銖刀可沿軸線進給）。鐵刀的類型很多，但以圓柱銖刀和端鐵刀為基本形式。圓柱鐵刀和端鐵刀的切削部分都可看做車刀刀頭的演變，銖刀的每一刀齒相當丁一把車刀。通常假定銖削時鐵刀受到的銖削力是作用在刀尖的某點上。設刀齒上受到切削力的合力為F,將F沿銖刀軸線、徑向和切向進行分解，則分別為軸向銖削力Fz,徑向銖削力匚和切向銖削力匚。其中切向銖削力匚是沿銖刀主運動方向的分力，它消耗銖床FxFyFy電機功率（

33、即銖削功率）最多。參考1數控機床與編程選銖刀。根據最大鐵刀直徑d=32mm最大銖削寬度ae16mm，最大銖削深度ap6mm選擇莫氏錐柄立銖刀，立鐵刀各參數如表3.1所示:表3.1立銃刀各參數直徑圍0n齒數粗齒中齒細齒6-3630451015345根據工件材料為碳鋼可確定銖削力的計算公式3-1:0.860.720.862(3-1)Fz9.81CfzaeafapZdo式中各參數如下：Cfz銖削力系數,CFz=68.2;ae最大銖削寬度，本設計為16mmap最大銖削深度，本設計為6mmZ銖刀齒數，齒數取5;d0圓柱鐵刀直徑，查得d0=32mm（機械制造技術基礎課程設計指導教程）；af每齒進給量（mm

34、齒）,即鐵刀每轉一個齒問角時，工件與鐵刀的相對移動量，查得af=0.1mm膺（3機電一體化系統設計）；故FZ9.8168.2160.860.107265320.86=2107.12N3.3.2進給工作臺工作載荷計算此處省略nnnnnnnnnnNn如需要完整說明書和設計圖紙等.請聯系扣扣：九七一九二零八零零另提供全套機械畢業設計下載！該論文已經通過答辯3.4直線滾動導軌副的計算與選型根據給定的工作荷載FZ和估算的WX和Wy計算導軌的靜安全系數fsLC°/P式中，C°為導軌的基本靜額定荷載KN;工作載荷(3-2)(3-3)fSL1.03.0(一般運行情況)fSL3.00.5(運

35、動時受沖擊、振動)P0.5(FzW)根據計算結果查有關資料初選導軌：因系統受到中等沖擊，所以取fSL4.0(3-4)(3-5)C0fSLPxyPxy0.5(FzWxy)Px=0.5(FzWx)=0.5(2000+936)=1468NPy=1368NC0X=fSLR=41468=5872NCoy=5472N根據計算額定靜荷載初選導軌：選擇HJG-A系列滾動直線導軌，其型號為：HJG-DA45A如圖3-2所示:圖3-2滾動直線導軌副其參數如表3.2、表3.3:表3.2滾動直線導軌副的參數額定載荷/N靜態力矩/N*M滑塊導軌導軌長度動載荷C靜載荷C0TaTbTcKgKg/mL(mm)55008770

36、114.8114.8191.9311.0700表3.3滾動直線導軌副的參數滑座個數單向仃程長度每分鐘往復次數MLsn20.64導軌的額定動載荷Ca17500N3.5滾珠絲杠螺母副的選型和校核3.5.1滾珠絲杠螺母副類型選擇選用外循環，墊片式預緊方式的滾珠絲杠螺母副。預選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具體如表3.4:表3.4滾珠絲杠螺母副的參數規格代號公稱直徑Do公稱導程Dho滾珠直徑Dw螺旋升角循環圈數額定動載荷Ca(KN)額定靜載荷Coa(KN)接觸剛度Kc(N/m)3206-2.53263.1753252.510.68

37、929.9119153.5.2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Fm(N)是指滾珠絲杠副在驅動工作臺時滾珠絲杠所承受的軸向力，也叫進給牽引力。它包括滾珠絲杠的走刀抗力與與移動體重力和作用在導軌上的其他切削分力相關的摩擦力。工作載荷的計算公式：FmKFlf(FvG)5(3-6)式中K考慮顛覆力矩影響的實驗系數，矩形導軌K=1.15;f-滾動導軌摩擦系數0.00250.005,這里取0.004;-移動部件的重力(可；工作臺縱向進給方向載荷；-工作臺橫向進給方向載荷；-工作臺垂直進給方向載荷；GFlFcFvFm=1.15X2107.12+0.004X842.85+209.8)=2

38、427.34N3.5.3最大動負載C的計算與主要尺寸初選滾動絲杠最大動載荷C可用下式計算：CTTfmFm回(3-7)6式中：L為工作壽命，單位為10r,L60nt/106(3-8)n為絲杠轉速(r/min),n1000v/L0；t為額定使用壽命(h),可取t=15000h;fm為運轉狀態系數，無沖擊取11.2,一般情況取1.21.5,有沖擊振動取1.52.5;扁為滾珠絲杠工作載荷(可。初選滾珠絲杠副的尺寸規格，相應的額定動載荷Ca不得小丁最大動載荷C;CaC。L0滾珠絲杠導程，初選L0=6mmv最大切削力下的進給速度af每齒進給量(mm齒)af=0.07mm/齒Z銖刀齒數,Z=4n銖刀轉速，區

39、別與以上絲杠轉速n,取為600r/minv=0.000v4X600=168r/minn=Lo=(1000X168)/6=28000°minL=60n6t=(602800015000)/=25200(r)10C"fmFm=325200X1.1X2427.34N=78.28kN因為CaC,所以所選滾珠絲杠螺母副符合最大動載荷要求。傳動效率計算：滾珠絲杠螺母副的傳動效率為tgtg()85.08%7(3-9)tg4033tg(403310)剛度驗算：滾珠絲杠計算滿載時拉壓變形量1FmL1EA0.0084mm8(3-10)2427.34540_420.610754.385L4A其中L

40、取540mmE20.610Mpa,d23122()23.14()2754.385mm222其中:FyjFm20.00133DwFyjZ2247.680.00133443.648820.002913mm8Fm1282.96N247.68kgf,Dw4,(3-11)1m-1282.96427.65Nm343.64kgfdm/Dw)3(3.1432/4)322圈數列數4.5362288滾珠絲杠副剛度驗算：絲杠的總變形量1定的定位精度值的一半?；蛘?，應長度上的變形量應該比它小。不應大丁機床進給系統規由絲杠精度等級查出規定長度上允許的螺距誤差，則相否則，應考慮選用較大公稱直徑的滾珠絲杠。2應小丁允許的變

41、形量。一般滾珠與螺紋滾道間的接觸變形2機床的定位精度為：0.01mm120.00840.0029130.011313mm0.02mm。因此所選的滾珠絲杠副剛度符合要求。壓桿穩定性驗算：滾珠絲杠通常屆丁受軸向力的細長桿，若軸向工作負載過大，將使絲杠失去穩定而產生縱向屈曲，即失去穩定。失穩時的載荷Fk為：fzei8L223.1420.61043.02104_254021.3410N(3-12)其中，fz2.0（絲杠承載方式系數，選用一端固定，一端浮動方式），I為截面慣4,量距，Id1/64mm284/643.02107mm臨界載荷Fk與絲杠工作載荷Fm之比稱為穩定性安全系數nk，如果nk大丁需用穩

42、定安全系數nk,則該滾珠絲杠就不會失穩。因此，滾珠絲杠的壓桿穩定條件為:_5(3-13)1.34105nv55.204nk=2.54Fm2427.34因此，所選滾珠絲杠符合穩定性要求。3.5.4滾珠絲杠副的精度等級滾珠絲杠副的精度，9按國標GB/T17587.3-1998,分為七個等級，即1、2、3、4、5、7、10級,1級精度最高，依次降低。立式鐵床的工作精度：不平度0.04/300,平行度0.04/300，垂直度0.04/300(毫米/毫米長度)，表面粗糙度2.5m。選用4級精度的滾珠絲杠。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目符號有效行程L(mn)精度等級4m目

43、標行程差ep5001545012行程變動差Vmp4901344012任意300mm亍程變量V300p162弧度行程變動量V2p73.6同步帶輪傳動的設計和計算同步帶傳動示意圖如圖3-4所示：圖3-4同步帶傳動3.6.1確定梯形齒同步帶輪的基本參數10(1) 確定設計功率設計功率pdkA-P其中Ka為載荷修正系數根據已知工作條件查表取Ka=2,MPd=Ka-P=2X0.105=0.21KW(2) 選擇帶形和節距根據P=0.21KW查表確定為L型，節距P.=9.525mm(3) 傳動比的選擇帶傳動是一種最常見的機械傳動形式，它主要用丁傳遞轉矩和改變轉速。大部分帶傳動是依靠擾性傳動與帶輪間的摩擦力來

44、傳遞運動和動力的，銖床方面的傳動還有電機直連式，在此選擇了帶傳動的方式，帶傳動簡單，而且效率高，選擇的傳動比i=2(4) 小帶輪齒數Z1Zmin=12,此處取根據帶型XL和小帶輪的轉速ni,由表查得小帶輪的最小齒數Zi=12,則大帶輪的齒數Z2=iZ1=24小帶輪的節圓直徑d1,36.38mm(3-14),ZiPb129.525d1查表得其外徑da1=d1-2a=36.40-0.762=35.638其中2a為節根距大帶輪節圓直徑d2d2Z2Pb249.52272.77mm(3-15)查表得其外徑da2d22=72.800.762=72.038帶傳動速度vdnv600001.27(3-16)3.

45、6.2確定帶輪的中心距(1) 初定軸間距a0查機械設計手冊得0.7(dd2)a02dd?同時根據對銖床產品的測繪和設計經驗初定a0=100mm2 帶長與其齒數的確定d2cL°2a°二d1d2一(3-17)4a。=200+171.365+3.310=374.675mm查表應選用帶長代號為150的L型同步帶，其節線長度Lp=381.00mm節線長上的齒數z=40實際軸間距a,所設計的結構的軸間距可調整LpLoaao100381374.6752103.1625mm(3-18)3.6.3確定帶輪的尺寸(1)小帶輪嚙合齒數的確定Z1pbZ1ZmentZ2Z12212ent29.925

46、1222423.14103.1612(3-19)(2) 帶寬bs其中：b50一帶的基本寬度由表3.6查得:b5b501.14PdkzP0(3-20)帶型XLLHbs0/mm9.525.476.2帶的基本寬度3.6當zm6時kz=1，當zm=5時kz=0.8，當zm=4時kz=0.4，此處取kz=0.8則(3-21)b525.41516mm-0.80.7至此X向帶輪的設計已經完成，根據上面的計算數據，取標準寬度帶號為075的L型帶，其帶寬b5=19.1,則帶輪的寬度bf=23.3Y向帶輪也取標準帶寬代號為075的L型帶3.7驅動電機的選擇縱向步進電機的選擇計算(1)計算工作臺、絲杠、以與帶輪折算

47、到電機軸上的慣量Jd根據機電一體化系統設計所提供的計算公式11：(3-22)Jd=J1+(J2J$(&)(#)2/g2式中:Jd折算到電機軸的慣量（Kg.cm2）Ji、J2大小帶輪的慣量（Kg.cm2）Js絲杠的慣量（Kg.cm2）Qx-縱向工作臺與夾具重量（N）為2156NP-絲杠螺距（cm,P=6mm帶輪與絲杠轉動慣量的計算：由丁有些傳動件（帶輪、絲杠等）的轉動慣量不易精確計算，可將其等效成圓柱體來計算。圓柱體的轉動慣量可依據公式：4J”32（3-23）式中：p材料密度（Kg/cm3），對鋼取為7.8X105Kg/cm3;d圓柱體直徑（cm）（對丁帶輪、絲杠等就是等效直徑）；i圓柱

48、體長度（cm（對丁帶輪絲杠等就是其等效齒寬或長度）。4ji=dl32=0.04803Kg?cm24J2=0.00288Kg?cm2324JS=0.0527Kg?cm232則可算得:Jd=Jl+（J2JS（&）2/i2g2=0.564Kg?cm2（3-24）（2）慣量匹配驗算由12機電傳動控制初選二相混合式步進電機86BYG350AH-0201其示意圖如圖3-5所示：圖3-5混合式步進電動機其轉子的轉動慣量：JM=1.32Kg?cm2轉動系統與步進電機的慣量匹配條件：(3-25)0.25<J<1而0.25<Jd=0.427<1所以慣量是匹配的。（3）負載轉矩計算與

49、最大靜轉矩選擇計算快速空載啟動時所需力矩M起，依據公式：(3-26)M起=Mmax+Mf+M013式中：M起：為快速空載啟動力矩（N.CM；Mmax.空載啟動時折算到電動機軸上的最大加速力矩（N.CM；Mf.折算到電機軸上的摩擦力矩（N.CM；M0.由丁絲杠預緊時折算到電機軸上的附加摩擦力矩（N.CM。(3-27)乂：Mmax=Jx£式中：J:為慣量和；J=JM+Jd=1.884N.CM;e一為電機最大角加速度（rad/S2）;nmax耳2其中：nmax故Mmax=J乂因為=Vmaxb=521r/min，貝U£=21.8rad/s2360px&=138N.CM=F0

50、L0(3-28)式中：R-導軌的摩擦力（NN;-傳動鏈效率，一般可取0.70.85先取為0.85;乂F0=f（FfN+Gx）乂：FfN垂直方向的切削力（刈842.85N;f導軌摩擦系數，f=0.04;GX縱向工作臺與夾具質量（刈為2156N則：F0=119.954N故:Mf=F0L0=6.741N.CM乂:FP0L0m2)M0-一(10)(3-29)式中：FP0-滾珠絲杠的預加載荷，0-滾珠絲杠預緊時的傳動效率為95%故M0=FP0L0(102)=0.37N.CMM起=Mmax+Mf+Mo=145.11N.CM快速進給時所需力矩M快依據公式M快=Mf+M0=6.741+0.37=7.111N.

51、CM最大切削負載時所需力矩M切=Mf+M0+mt(3-30)(3-31)式中:Mt-折算到電機軸上的切削負載力矩乂:=FfL0(3-32)式中Ff進給方向最大切削力(N)為210.712NMt=Ff-L0=118.422N.Ch/|2iM切=Mf+M0+Mt=125.533N.CM最大靜轉矩選擇：依據文獻14«機械設計基礎課程設計上有：1）對丁在最大切削力下工作時所需要電機最大靜轉矩Mfmax1=M切/0.5=251.07N.CM2）對丁空載啟動時所需要的電機最大靜轉矩為：mfmax2=M起/0.951=152.59N.CM由以上可知以計算的mfmax1包大丁Mfmax2，所以就以M

52、fmax1作為選取步進電機最大靜轉矩的依據。而初選的步進電機為86BYG350AH-020,1他的最大靜轉矩為300N.CM>Mfmax1所以初選的步進電機型號符合要求。由丁Y方向與X方向的要求相差不多，可以選用同樣的絲杠，導軌，電機經過以上計算，選用的部件如表3.7:表3.7本設計選用的部件滾珠絲杠螺母副直線滾動導軌副混合式步進電機X方向3206-2.5HJG-DA45A滾動導軌86BYG350AH-0201丫方向3206-2.5HJG-DA45A滾動導軌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，通常應根據載荷的大小、方

53、向和性質選擇軸承。載荷大小一般情況下，滾子軸承由丁是線接觸，承載能力大，適丁承受較大載荷；球軸承由丁是點接觸，承載能力小，適用丁輕、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合作用時，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，也可選用深溝球軸承和、夕卜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，可選用推力角接觸球軸承、推力圓錐滾子軸承。載荷性質有

54、沖擊載荷時，宜選用滾子軸承。高速性能一般摩擦力矩小、發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速，故高速時應優先考慮選用球軸承。徑向載荷小時，選用深溝球軸承；徑向載荷大時，選用圓柱滾子軸承。對聯合載荷，載荷小時，選用角接觸球軸承；載荷大時，選用圓錐滾子軸承或圓柱滾子軸承與角接觸球軸承組合。在一樣徑時，外徑越小,滾動體越輕越小，運轉時滾動體作用在外圈上的離心力也越小，因此更適丁較高轉速下工作。在一定條件下，工作轉速較高時，宜選用直徑系列為8,9,0,1的軸承。保持架的材料與結構對軸承轉速影響很大。實體保持架比沖壓保持架允許的轉速高。高速重載的軸承需驗算其極限轉速。軸向游動性能一般機

55、械工作時，因機械摩擦或工作介質的關系而使軸發熱，從而有熱脹冷縮產生。在選擇軸承結構類型時，應使其軸有軸向游動的可能性。因此，常在軸的某一端選用一圈或一外圈無擋邊的圓柱滾子軸承或滾針軸承，以適應由丁熱脹冷縮而引起軸的伸長或縮短。調心性能當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，以與多支點軸，均要求軸承調心性好，這時應選用調心球軸承或調心滾子軸承。允許的空間在機械設計中，一般都是先確定軸的尺寸，然后根據軸的尺寸來確定軸承的尺寸。小軸選用球軸承，大軸選用滾子軸承；在徑尺寸（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。安裝與拆卸方便對丁軸承使用壽命一般都難以等同主機使用壽命，在實際使用中軸承作為易損件要經常裝拆。因此，在選用軸承結構類型時應要求裝拆方便?？煞蛛x型的接觸球軸承、圓柱滾子軸承。圓錐滾子軸承、推力軸承和圈為錐孔、帶緊定套或退卸套的調心滾子軸承、調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與其支撐的結構剛度也不容忽視。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