課程設(shè)計(jì)---數(shù)控xy工作臺(tái)與控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　課程設(shè)計(jì)</b></p><p>　　內(nèi)容：數(shù)控XY工作臺(tái)與控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)</p><p>　　院(系)、部： 機(jī) 械 工 程 </p><p>　　學(xué)生姓名： </p><p>　　學(xué) 號(hào): </p><p>　　專(zhuān) 業(yè)： 數(shù) 控

2、 </p><p>　　班 級(jí)： </p><p>　　指導(dǎo)教師： </p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　設(shè)計(jì)目的</b></p><p><b>　　設(shè)計(jì)要求</b></p>

3、<p><b>　　設(shè)計(jì)的內(nèi)容和步驟</b></p><p><b>　　總體設(shè)計(jì)方案</b></p><p><b>　　機(jī)械部分改裝設(shè)計(jì)</b></p><p>　?、诖难b鉆床型號(hào)的確定</p><p><b>　　⑨支承座材料的選取</b&

4、gt;</p><p>　?、莨ぷ髋_(tái)參數(shù)的初步選定</p><p><b>　　⑥導(dǎo)軌的選型思路</b></p><p><b>　?、邼L珠絲杠選型思路</b></p><p>　?、嘟z杠和電機(jī)連接零件的選取思路</p><p>　?、廨S承類(lèi)型的選取思路</p>

5、<p><b>　　計(jì)算部分</b></p><p>　?、俅_定工作臺(tái)的尺寸及其重量</p><p><b>　?、谥С凶鶇?shù)設(shè)計(jì)</b></p><p><b>　?、蹪L珠絲杠參數(shù)設(shè)計(jì)</b></p><p><b>　?、軡L動(dòng)導(dǎo)軌參數(shù)設(shè)計(jì)</b&

6、gt;</p><p><b>　?、蓦姍C(jī)參數(shù)設(shè)計(jì)</b></p><p><b>　　⑥聯(lián)軸器的選擇</b></p><p><b>　　軸承的選用</b></p><p><b>　　設(shè)計(jì)總結(jié)</b></p><p><b

7、>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p><b>　　設(shè)計(jì)的目的</b></p><p>　　通過(guò)本次設(shè)計(jì)，使我們?nèi)娴?、系統(tǒng)地了解和掌握數(shù)控機(jī)床的基本內(nèi)容和基本知識(shí)，初步掌握數(shù)控機(jī)床的設(shè)計(jì)方法，并學(xué)會(huì)運(yùn)用手冊(cè)標(biāo)準(zhǔn)等技術(shù)資料。同時(shí)培養(yǎng)我們學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)、工程意識(shí)和動(dòng)手能力。</p><p><b>　　二、設(shè)計(jì)要求&l

8、t;/b></p><p>　　1、改造后的鉆床能夠加工最大面積為190×200，最大工件重量為200kg。</p><p>　　2、數(shù)控XY工作臺(tái)要求孔的定位精度在±0.02mm內(nèi)，工作臺(tái)快進(jìn)速度為2.4m/min，加速時(shí)間為：0.2秒。</p><p>　　三、設(shè)計(jì)的內(nèi)容和步驟</p><p>　　題目：鉆床數(shù)控

9、改裝——數(shù)控XY工作臺(tái)的設(shè)計(jì)</p><p>　　設(shè)計(jì)一套簡(jiǎn)易數(shù)控XY工作臺(tái)，固定在某一鉆床的工作臺(tái)上。XY工作臺(tái)的位置控制采用步進(jìn)電機(jī)數(shù)控系統(tǒng)，通過(guò)上述方案將該普通鉆床改裝成簡(jiǎn)易的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控鉆床。</p><p>　?。ㄒ唬?、總體設(shè)計(jì)方案</p><p><b>　?、旁O(shè)計(jì)的項(xiàng)目</b></p><p>　?、龠\(yùn)動(dòng)功能

10、的設(shè)計(jì)。包括確定機(jī)床的運(yùn)動(dòng)個(gè)數(shù)，形式，功能，及排列順序。</p><p>　?、诨緟?shù)設(shè)計(jì)。包括尺寸參數(shù)，運(yùn)動(dòng)參數(shù)和動(dòng)力參數(shù)。</p><p>　?、蹅鲃?dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。包括傳動(dòng)方式和原理圖。</p><p>　?、芸傮w結(jié)構(gòu)布局設(shè)計(jì)。包括運(yùn)動(dòng)功能分配，總體布局結(jié)構(gòu)形式。</p><p>　?、菘刂葡到y(tǒng)設(shè)計(jì)。包括控制方式和控制原理，控制系統(tǒng)圖設(shè)計(jì)。

11、 </p><p>　?、瓶傮w改裝思路如下：</p><p><b>　　控制方式的選定</b></p><p><b>　　工作臺(tái)尺寸的要求</b></p><p>　　滾珠絲杠副的選定及其支承形式</p><p><b>　　直線滾動(dòng)導(dǎo)軌的選定</b&g

12、t;</p><p><b>　　電機(jī)的選定</b></p><p>　　⑶初步確定的一些方案：</p><p>　?、僖?yàn)槭倾@床的改造，所以控制方式是點(diǎn)位控制</p><p>　?、谟貌竭M(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)絲桿</p><p>　　③滾珠絲杠采用外循環(huán)方式</p><p>　?、?/p>

13、滾珠絲杠采用雙螺母調(diào)節(jié)方式</p><p>　?、轁L珠絲杠的安裝方式：一端固定，一端游動(dòng)</p><p>　?、薏捎瞄_(kāi)環(huán)控制方式（經(jīng)濟(jì)型的）</p><p><b>　?、卟捎脠A柱滾子軸承</b></p><p>　?、嚯姍C(jī)與絲桿采用聯(lián)軸器連接</p><p><b>　?、岵捎镁匦螡L動(dòng)

14、導(dǎo)軌</b></p><p>　?、?選擇一臺(tái)臺(tái)式鉆床進(jìn)行工作臺(tái)的改進(jìn)，工作臺(tái)的參數(shù)如下</p><p>　?。ǘ?、機(jī)械部分改裝設(shè)計(jì)計(jì)算</p><p>　　1、初步確定工作臺(tái)的尺寸及其重量</p><p>　　老師所給定的工件尺寸為A×B（A、B推薦值為180—250mm）,在此我選工件尺寸為190×200

15、。根據(jù)我們加工的時(shí)候要用夾具夾緊工件就必須每邊留出裝夾具的尺寸30—40mm，所以最后確定工作臺(tái)尺寸為270×280。因?yàn)楣ぷ髋_(tái)加工的最大工件重量為200kg，考慮到剛度和強(qiáng)度問(wèn)題，預(yù)估工作臺(tái)的重量G1=20Kg。 我選灰鑄鐵HT150做為工作臺(tái)的設(shè)計(jì)材料，HT150特點(diǎn)：適用用于軸承受中等載荷的零件。如機(jī)床上的支柱、底座、齒輪箱、刀架、床身、軸承座、工作臺(tái)。該材料的密度為ρ=7.2g／。</p><

16、;p><b>　　工作臺(tái)的質(zhì)量：</b></p><p>　　m=ρ×V=ρ×A×B×H</p><p><b>　　所以高度:</b></p><p>　　H=m/(ρ×A×B)=20/(0.27×0.28×7.2×)=0.0

17、37m</p><p><b>　　所以工作臺(tái)厚度：</b></p><p><b>　　H=37mm</b></p><p><b>　　2、托板的確定</b></p><p>　　根據(jù)工作臺(tái)的行程確定支承座的長(zhǎng)度 ，因?yàn)楣ぷ髋_(tái)行程初選為工作臺(tái)長(zhǎng)度的兩倍，在加上其他的一些安裝

18、尺寸等，長(zhǎng)寬高分別設(shè)為abc， 所以分別取a=760mm, b=240mm, c=60mm</p><p>　　按保守法算得托板體積：</p><p>　　=abc=760×240×60=9.12×=9.12× </p><p>　　查閱有關(guān)資料，我選HT150灰鑄鐵做為支承座材料。密度ρ=7.2g／</p>

19、<p>　　所以=ρ=9.12××7.2=69.12×g=65.66kg </p><p>　　預(yù)估工作臺(tái)上的夾具的質(zhì)量：</p><p><b>　　=15kg</b></p><p><b>　　又知工件質(zhì)量：</b></p><p><b>

20、;　　=200kg</b></p><p>　　所以=+++m=65.66+15+200+30=310.66kg</p><p>　　考慮到其他因素，再把擴(kuò)大到400kg，即=400kg</p><p><b>　　3﹑部分?jǐn)?shù)據(jù)的初選</b></p><p>　　初選滾珠絲杠導(dǎo)程P=5mm， </p&g

21、t;<p>　　脈沖當(dāng)量S=(1/3)×0.02=0.0125</p><p>　　已知=2.4 m /min 由于電動(dòng)機(jī)與滾珠絲杠是直接i=1</p><p>　　ip 所以初定步距角</p><p>　　3﹑滾珠絲杠傳動(dòng)的設(shè)計(jì)計(jì)算</p><p>　　滾珠絲杠螺母副的承載能力用額定負(fù)荷表示，

22、其動(dòng)靜載強(qiáng)度計(jì)算原則與滾動(dòng)軸承相類(lèi)似。一般根據(jù)額定動(dòng)負(fù)荷選用滾珠絲杠副，只有當(dāng)n≤10r/min時(shí)，滾珠絲杠螺母的主要破壞形式是工作表面的疲勞點(diǎn)蝕，因此進(jìn)行靜載荷強(qiáng)度計(jì)算。</p><p>　　而我們估算=60f/360=480r/min>10 r/min。因此以動(dòng)載荷計(jì)算。</p><p>　　絲杠工作時(shí)的軸向壓力： </p><p>　　＝gµ

23、=400×9.8×0.004=15.68N</p><p><b>　　其中　g=9.8</b></p><p>　　µ為導(dǎo)軌的摩擦系數(shù)　　取0.004</p><p>　　②假設(shè)滾動(dòng)絲杠能工作6年，每年為360天,每天工作８小時(shí)</p><p>　　T＝6×360×8

24、=17280h</p><p>　　又由于工作臺(tái)在工作過(guò)程中處于平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)</p><p><b>　　∴載荷系數(shù)＝１.2</b></p><p><b>　　硬度系數(shù)=1.1</b></p><p>　　T=60T/10=497.664</p><p>　　=7.9×

25、;.1.2×1.11×15.68=165.0N</p><p>　　根據(jù)選著滾珠絲杠副，按滾珠絲杠副的額定運(yùn)動(dòng)載荷等于梢大于的原則．　　　　　 </p><p>　　同時(shí)考慮到各種因素選用的絲杠參數(shù)如下：</p><p>　　型號(hào)：DFI1605—4</p><p><b>　　絲杠軸尺寸：</b>&

26、lt;/p><p>　　名義外徑d=16mm</p><p><b>　　導(dǎo)程：Ｐ＝5mm</b></p><p>　　螺紋長(zhǎng)度l=600mm</p><p><b>　　總長(zhǎng)=660mm</b></p><p><b>　　螺紋尺寸：</b></p&

27、gt;<p><b>　　外徑Ｄ=30mm</b></p><p>　　總長(zhǎng)L =100mm</p><p><b>　　螺母總長(zhǎng)=90mm</b></p><p><b>　　滾珠直徑：</b></p><p><b>　　＝3.175mm</b

28、></p><p>　　基本動(dòng)載荷＝780N</p><p>　　基本靜載荷＝1790N</p><p>　　因?yàn)椋?80N≥=165.0N 所以DFI1605—4合格</p><p><b>　　絲杠穩(wěn)定性的驗(yàn)算</b></p><p>　　E: 為絲杠材料的彈性模量，對(duì)于鋼，E=206

29、Gpa</p><p>　　L: 為絲杠的工作長(zhǎng)度（m）</p><p>　　I：為絲杠危險(xiǎn)截面的軸慣性矩(m)</p><p>　　: 為長(zhǎng)度系數(shù)，一端固定，一端游動(dòng)時(shí)，取值2/3</p><p><b>　　I= m</b></p><p><b>　　=</b><

30、/p><p>　　安全系數(shù)S= </p><p>　　一般【S】=3~4, S>【S】,所以絲杠不會(huì)失穩(wěn)。</p><p>　?。础L動(dòng)導(dǎo)軌的設(shè)計(jì)計(jì)算</p><p>　　已知作用在導(dǎo)軌副上的壓力：</p><p>　?。停絤g＝400×9.8=3920N</p><p>　

31、　在計(jì)算導(dǎo)軌時(shí)我要考慮機(jī)床的鉆削力F:</p><p><b>　　F=3000N</b></p><p><b>　　導(dǎo)軌工作壽命： </b></p><p>　?。?×360×8=17280h</p><p><b>　　單向行程長(zhǎng)度： </b><

32、/p><p><b>　　＝0.6m</b></p><p><b>　　快速運(yùn)行速度：</b></p><p>　　=2.4 m /min</p><p><b>　　所以往復(fù)次數(shù)?。?lt;/b></p><p><b>　　n=4次／分</b

33、></p><p><b>　　導(dǎo)軌行程長(zhǎng)度系數(shù)：</b></p><p>　?。剑?n／＝２×17280×0.6×4×60/ =4976.64</p><p>　　因活座數(shù)m=4 所以每根導(dǎo)軌上使用２個(gè)活座</p><p>　　∴Ｆ1＝= =1730N<

34、/p><p><b>　　根據(jù)公式＝6.25</b></p><p>　　得：===16034.8N=16.04KN</p><p>　　根據(jù)算出的動(dòng)載荷=16.04KN，我們選擇大于它的導(dǎo)軌，在上表選擇型號(hào)為DA20AL的導(dǎo)軌,它的動(dòng)載荷19.5KN符合要求。該型號(hào)導(dǎo)軌的參數(shù)如下</p><p><b>　　5、

35、電機(jī)的選擇</b></p><p>　?、俅_定脈沖當(dāng)量，初選步進(jìn)電機(jī)</p><p>　　脈沖當(dāng)量根據(jù)系統(tǒng)精度來(lái)確定，對(duì)于開(kāi)環(huán)系統(tǒng)一般為0.005—0.01mm。如取得太大，無(wú)法滿(mǎn)足系統(tǒng)精度要求；如取得太小，或者機(jī)械系統(tǒng)難以實(shí)現(xiàn)，或者對(duì)其精度和動(dòng)態(tài)特性能提出更高的要求，是經(jīng)濟(jì)性降低。知道本次設(shè)計(jì)的工作臺(tái)的精度為±0.02mm，所以根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式得脈沖當(dāng)量δ=×

36、0.04=0.0125mm .又知道是用聯(lián)軸器連接電機(jī)主軸和絲杠，所以傳動(dòng)比i=1。根據(jù)公式初步得步距角=360iδ/p=</p><p><b>　　②計(jì)算系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量</b></p><p>　　計(jì)算轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的目的是選著步進(jìn)電機(jī)的動(dòng)力參數(shù)及進(jìn)行系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性與設(shè)計(jì)。絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算</p><p>　　===3.3×kg

37、3;</p><p>　　其中ρ是絲杠密度（kg/ ），取7.8× kg/ ；</p><p>　　d是絲杠的等效直徑(m),取0.016m; </p><p>　　l是絲杠的長(zhǎng)度0.66m。</p><p>　　沿直線軸移動(dòng)物體的慣量 工作臺(tái)、工件等折算到電動(dòng)機(jī)軸</p><p>　　上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，可

38、由下述公式達(dá)到：</p><p><b>　　=M×</b></p><p><b>　　=×400×</b></p><p>　　=0.0254×kg·</p><p>　　M——工作臺(tái)（包括工件）的質(zhì)量，kg</p><p&g

39、t;　　V——工作臺(tái)快進(jìn)速度，mm/min</p><p>　　N——絲杠轉(zhuǎn)速,r/min</p><p>　　所以折算到電機(jī)上的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：</p><p>　　=＋=0.0287× kg·</p><p>　?、?空載啟動(dòng)時(shí)，電動(dòng)機(jī)軸上的慣性轉(zhuǎn)矩： </p><p><b>　　=&l

40、t;/b></p><p>　　=0.0287×××</p><p><b>　　=7.2×N·m</b></p><p>　　電動(dòng)機(jī)軸上的當(dāng)量摩擦轉(zhuǎn)矩：==mgμ</p><p>　　=×400×9.8×0.004</p>

41、<p>　　=0.013N·m </p><p>　　△t為電機(jī)加速時(shí)間：△t=0.2O秒</p><p>　　伺服傳動(dòng)鏈的總效率取為η=0.99</p><p>　　為工作臺(tái)快進(jìn)速度 =2.4m/min</p><p>　　設(shè)滾動(dòng)絲杠螺母副的預(yù)緊力為最大軸向載荷的1/3，則因預(yù)緊力而引起的、折算到電動(dòng)機(jī)軸上的

42、附加摩擦轉(zhuǎn)矩為：</p><p><b>　　=（1－）</b></p><p><b>　　=××（1－）</b></p><p>　　=0.79×N·m</p><p>　　是滾珠絲杠螺母副未預(yù)緊時(shí)的傳動(dòng)效率。=0.9</p><p&

43、gt;　　工作臺(tái)上的最大軸向載荷折算到電動(dòng)機(jī)軸上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩為：</p><p><b>　　=</b></p><p><b>　　=×15.66</b></p><p>　　=0.013 N·m</p><p>　　在最大外載荷下工作時(shí)，電動(dòng)機(jī)軸上的總負(fù)載轉(zhuǎn)矩：</p&g

44、t;<p><b>　　=＋＋</b></p><p>　　=0.013＋0.013＋0.79×</p><p>　　= 0.02679N·m</p><p>　　于是空載啟動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)軸上的最大靜轉(zhuǎn)矩為：</p><p><b>　　=＋＋</b></p>

45、;<p>　　=7.2×＋0.013＋0.79×</p><p>　　=0.08579 N·m</p><p>　　我初步選定電機(jī)為三相雙六拍的電機(jī)，根據(jù)與選取啟動(dòng)時(shí)所需步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩的關(guān)系：</p><p>　　===0.099N·m</p><p>　　為使電機(jī)不產(chǎn)生失步空載啟

46、動(dòng)頻率要小于最高工作頻率,同時(shí)電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩要足夠大（4.9 N·m>>0.099N·m）,綜上所述選擇了型號(hào)為110BF004的電動(dòng)機(jī)。 </p><p><b>　　電機(jī)有關(guān)參數(shù)如下:</b></p><p><b>　?、軕T量匹配驗(yàn)算</b></p><p>　　電機(jī)軸上的總當(dāng)量負(fù)載轉(zhuǎn)

47、動(dòng)慣量和電機(jī)軸自身轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的比值應(yīng)控制在一定范圍內(nèi)，既不應(yīng)太大，也不應(yīng)太小。如果太大，則伺服系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性主要取決于負(fù)載特性，由于工作條件（如工作臺(tái)位置）的變化而引起的負(fù)載質(zhì)量，剛度，阻尼等的變化，將導(dǎo)致系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性也隨之產(chǎn)生較大的變化，使伺服系統(tǒng)綜合性能變差，或給控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)造成困難。如果該比值太小，說(shuō)明電動(dòng)機(jī)選或傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)不太合理，經(jīng)濟(jì)性較差。為了系統(tǒng)慣量達(dá)到較合理的匹配，一般應(yīng)將該比值控制在下式所規(guī)定的范圍內(nèi)：</p>

48、;<p><b>　　≦≦1</b></p><p><b>　　<==0.74<1</b></p><p><b>　　說(shuō)明慣量匹配合理</b></p><p><b>　　6、聯(lián)軸器的選著</b></p><p>　　彈性套柱

49、銷(xiāo)聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，制造容易，不用潤(rùn)滑，不需要與金屬硫化粘結(jié)，更換彈性套方便，不用移動(dòng)半聯(lián)軸器，具有一定補(bǔ)償兩軸相對(duì)偏移和減振緩沖性能。彈性套工作是受壓縮變形，由于彈性套的厚度較薄，體積小，彈性變形有限，所以，彈性套柱銷(xiāo)聯(lián)軸器雖可補(bǔ)償軸線位移和彈性。彈性套柱銷(xiāo)聯(lián)軸器是依靠柱銷(xiāo)組的鎖緊力而產(chǎn)生于接觸面的摩擦力矩，并壓縮橡膠彈性套來(lái)傳遞轉(zhuǎn)矩。適用于安裝底座剛性好、對(duì)中精度較高、沖擊載荷不大、對(duì)減振要求不高的中小功率軸系傳動(dòng)。</p&

50、gt;<p>　　根據(jù)選出的電機(jī)和絲杠的參數(shù)，選出下面的彈性套柱銷(xiāo)聯(lián)軸器。 </p><p>　　該聯(lián)軸器的型號(hào)：TL2 GB4323-84</p><p>　　該型號(hào)的參數(shù)如下表：</p><p>　　但是滾珠絲杠跟聯(lián)軸器連接的軸端(16mm)要相應(yīng)的加工為14mm才能跟聯(lián)軸器配合。</p><p><b>　　6﹑

51、軸承的選用</b></p><p>　　軸承是要和滾珠絲杠過(guò)盈配合的，滾珠絲杠的連接端的直徑為16mm,把絲杠磨小，使他們之間的配合是過(guò)盈配合。</p><p>　　左邊選用角接觸軸承 7202C GB292-83</p><p>　　所以右邊選深溝球軸承型號(hào)：6202 GB276-89</p><p><b>　　該型

52、號(hào)的參數(shù)如下;</b></p><p>　　左邊選用角接觸軸承 7202C GB292-83</p><p><b>　?。ㄋ模┰O(shè)計(jì)總結(jié)</b></p><p>　　經(jīng)過(guò)這兩個(gè)星期的課程設(shè)計(jì)，完成了整個(gè)鉆床XY工作臺(tái)的設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，控制方便，控制精度相對(duì)較高。在整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程中比較重點(diǎn)的是選用步進(jìn)電機(jī)，滾珠絲杠，滾動(dòng)導(dǎo)軌，

53、聯(lián)軸器等。在設(shè)計(jì)的過(guò)程中遇到了幾個(gè)問(wèn)題，在xx老師經(jīng)過(guò)電話的幫助下一一地解決，在此，我表示忠心的感謝。同時(shí)經(jīng)過(guò)這次的親自設(shè)計(jì)，使我對(duì)數(shù)控控制機(jī)構(gòu)有了更進(jìn)一步的了解，也是我更懂得使用工具書(shū)來(lái)解決問(wèn)題。</p><p>　　最后由于本人水平有限，所以設(shè)計(jì)過(guò)程有許多的不足，懇請(qǐng)xx老師批評(píng)指正。</p><p><b>　?。ㄎ澹﹨⒖嘉墨I(xiàn)：</b></p>&

54、lt;p>　　【1】文懷興、夏田 編著；數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)設(shè)計(jì)；化學(xué)工業(yè)出版社2005</p><p>　　【2】楊繼昌、李金伴 主編；數(shù)控技術(shù)基礎(chǔ)；化學(xué)工業(yè)出版社2005</p><p>　　【3】鄭堤、唐可洪 主編；機(jī)電一體化設(shè)計(jì)基礎(chǔ)；機(jī)械工業(yè)出版社1996</p><p>　　【4】王昆、何小柏、汪信遠(yuǎn) 主編；機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)；高等教育出版社</p>