完整版XY数控工作台设计说明书Word文件下载.docx
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工作台进给最快移动速度为0.5m/min。
7)立铣刀的最大直径d=20mm;
8)立铣刀齿数Z=3;
9)最大铣削宽度
;
10)最大被吃刀量
。
1.2总体方案确定
(1)机械传动部件的选择
①导轨副的选择
②丝杠螺母副的选择
③减速装置的选择
④伺服电动机的选择
(2)控制系统的设计
①伺服电机启动、停止、调速、正反转的控制
②PLC控制电机的梯形图编程
XY数控工作台结构
1.3设计的基本要求
(1)按照机械系统设计的步骤进行相关计算,完成手写设计说明书。
(2)计算结果作为装配图的尺寸和零部件选型的依据,通过AutoCAD软件绘制XY数控工作台的总装配图,并绘制AO图纸。
(3)按照电气控制系统的步骤进行设计,完成电机启动、停止、正反转、电动等基本工作状态控制的硬件连线图,并通过PLC协调控制XY电机运动,绘制相关梯形图。
二、机械系统设计
2.1导轨上移动部件的重量估算
质量:
按质量=体积(由尺寸求得)×
密度进行估算(45钢密度7.85g/立方厘米)
工作台面质量=
上导轨座(连电机)质量=
夹具及工件质量=
X-Y工作台运动部分的总重量G=Mg=
2.2铣削力的计算
零件的加工方式为立式铣削,采用硬质合金立铣刀,工件的材料为碳钢。
查表得立铣刀的铣削力计算公式为:
其中,取最大铣削宽度,最大背吃刀量,每齿进给量
,铣刀转速
,可直接带入计算。
采用立铣刀进行圆柱铣削时,各铣削力之间的比值可查表得出,考虑逆铣时的情况,可估算三个方向的铣削力分别为:
=;
=。
现考虑立铣,则工作台受到垂直方向的铣削力
=,受到水平方向的铣削力分别为纵向铣削力
(丝杠轴线方向)=,径向铣削力
=
2.3直线滚动导轨的参数确定
(1)滑块承受工作载荷的计算及导轨型号的选取
本设计中的X—Y工作台为水平布置,采用双导轨、四滑块的支承形式。
考虑最不利的情况,即垂直于台面的工作载荷全部由一个滑块承担,则单滑块所受的最大垂直方向载荷为
其中,移动部件重量为G,外加载荷
根据计算出的工作载荷,初选符合要求的****公司生产的*系列*型直线滚动导轨副。
根据任务规定工作台面尺寸,加工范围及工作台整体尺寸的要求,选择导轨的长度。
所选直线滚动导轨副的几何参数(由厂家说明书确定)
型号
滑块尺寸
额定载荷
额定静力矩
导轨长度
C2
L1
L2
L3
H2
M
(2)额定寿命的L的校核计算
根据上述所选导轨副,查表,分别取硬度系数
=1.0、温度系数
=1.0、接触系数
=0.81、精度系数
=0.9、载荷系数
=1.5,代入以下公式,得距离寿命(期望值为50KM)。
2.4滚珠丝杠的设计计算
滚珠丝杠的负荷包括铣削力及运动部件的重量所引起的进给抗力。
应按铣削时的情况计算。
(1)最大工作载荷
的计算在立铣时,工作台受到进给方向的载荷(与丝杠轴线平行)为
,受到横向的载荷(与丝杠轴线垂直)为
,受到垂直方向的载荷(与工作台面垂直)为
根据移动部件的总重量G,按矩形导轨进行计算,查表,取倾覆力矩影响系数K=1.1,滚动导轨上的摩擦因数
求得滚珠丝杠副的最大工作载荷为:
(2)最大动载荷
的计算
工作台在承受最大铣削力时的最快进给速度
,初选丝杠导程
(自己选择如4、5、6mm等),则此时丝杠转速
取滚珠丝杠的使用寿命T=15000h,代入
,得丝杠寿命系数
查表,取载荷系数
,滚道硬度为60HRC时,取硬度系数
,代入式
,求得最大动载荷
(3)初选型号
根据计算出的最大动载荷和初选的丝杠导程,查表,选择****公司生产的*系列*型,其额定动载荷为,大于
,满足要求。
所选滚珠丝杠螺母副几何参数
公称直径
导程
滚珠直径
丝杠底径
丝杠外径
循环列数
螺母安装尺寸
刚度
(4)传动效率
将公称直径
,导程
,代入
,得丝杠螺旋升角
将摩擦角
,得到传动效率。
(5)刚度的验算
①XY工作台上下两层滚珠丝杠副的支承均采用“单推-单推”的方式。
丝杠的两端各采用一个或一对推力角接触球轴承,面对面组配,左、右支承的中心距离约为a,钢的弹性模量
,由所选滚珠丝杠螺母副可得,滚珠直径
,丝杠底径
,丝杠截面积
算的丝杠在工作载荷
作用下产生的拉/压变形量
②滚珠与螺纹滚道间的接触变形量
其中,丝杠预紧时,取轴向预紧力
=,
为滚珠总数量。
因为丝杠有预紧力,且为轴向负载的1/3,所以实际变形量
可减小一半。
③将以上计算出的
和
代入
,求得丝杠总变形量
通过查表,得出
是否在行程的偏差允许值内。
(6)压杆稳定性校核
查表,取支承系数
,由丝杠底径
,求得截面惯性矩
压杆稳定性安全系数K取3,a为滚动螺母至轴向固定处的距离最大值。
根据公式
计算失稳时的临界载荷
远大于工作载荷
即不会失稳。
2.5确定齿轮传动比
初选步进电机步距角
(可自选),滚珠丝杠的导程
,要实现脉冲当量
,在传动系统中应加一对齿轮降速传动。
齿轮传动比
(此计算假设导程为5mm)
选
,
。
因传递的扭距较小,取模数
采用一级减速,步进电机的输出轴与小齿轮连接,滚珠丝杠的轴头与大齿轮连接,其中大齿轮设计成双片结构,采用弹簧错齿法消除齿侧间隙。
本设计选用****公司生产的*系列*型齿轮减速箱。
所选齿轮箱中齿轮尺寸参数
小齿轮
大齿轮
直径
齿宽
中心距
2.6步进电机的选用
(1)步进电机的步距角
根据系统脉冲当量
脉冲,根据所选滚珠丝杠的导程
,初选步进电机步距角
(可自选)。
(2)计算加在步进电机转轴上的总转动惯量
(3)步进电机快速空载启动时转轴所承受的负载转矩
其中
是快速空载启动时折算到电动机转轴上的最大加速转矩;
是移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩。
式中:
——折算到电机轴上的惯性负载(
);
——步进电机转轴的转动惯量(
——齿轮1的转动惯量(
——齿轮2的转动惯量(
——滚珠丝杠的转动惯量(
M——移动部件质量(
)。
对材料为钢的圆柱零件转动惯量可按下式估算
D——圆柱零件直径(cm);
L——零件长度(cm)。
所以根据滚珠丝杠的公称直径
,总长
,材料密度
,移动部件总重G,小齿轮宽度
,直径
,大齿轮宽度
,传动比i。
计算出
电机轴转动惯量很小,可以忽略。
设步进电机由静止到加速至
所需时间为
,传动链总效率为
步进电机最大工作负载状态下转轴所承受的负载转矩
是折算到电动机转轴上的最大工作负载转矩;
(3)步进电机最大静转距的选定
考虑到步进电机的驱动电源受电网影响较大,当输入电压降低时,其输出转矩会下降,可能造成丢步,甚至堵转。
因此,根据
来选择步进电机的最大静转距时,需要考虑安全系数。
本设计取安全系数K=4,则步进电机的最大静转距应满足
(4)步进电机的最高工作频率
综上,选用****公司生产的*系列*型步进电。
电机的有关参数如下
所选步进电机参数
型号
主要技术数据
外形尺寸
重量
步距角
最大静转距
最高空载启动频率(
)
相数
电压
电流
外径
长度
轴径
三、控制系统设计
以下内容仅提供单电机的主电路及控制电路图,请必须自行完成双电机(XY轴电机)的硬件电气控制图。
3.1电动机控制电气原理图
电动机控制主电路
电动机长动和点动控制电气原理图
以上所用低压电器为:
停止按钮SB1(常闭),长动按钮SB2(常开),点动按钮SB3(常开);
一个热继电器KH;
一个继电器KA(至少含两对常开辅助触点);
一个接触器KM(对辅助触点数量无要求)。
电动机正反转控制电气原理图
停止按钮SB1(常闭),正传按钮SB2(组合按钮),反转按钮SB3(组合按钮);
两个接触器KM(分别至少含一对辅助触点)。
3.2PLC分项控制电动机的接线图
PLC控制电机正反转外部接线图
PLC控制电机点动和长动外部接线图
3.3PLC总体控制接线图
3.3PLC梯形图的绘制
根据自己设计的需要,通过查阅相关文献进行梯形图的编程设计,(至少包括实现电机的启动、停止、正反转、电动四项基本功能),以下仅为各单项工作的参考。
PLC控制电机正反转的控制程序梯形图
PLC控制电机点动和长动的控制程序梯形图
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