x-y数控工作台及其控制系统设计_毕业设计

XY数控工作台及其控制系统设计摘要本文旨在设计一台简单、经济型的XY数控工作台。一般来说，XY数控工作台的机电系统设计都是通过开环控制系统实现的，所以其结构简单，实现方便而且能够保证一定的精度，降低了设计制造过程中的成本，因此可以说XY数控工作台是微机控制技术中最常见的应用。本文设计的XY数控工作台充分地利用了可编程序控制技术来实现对机床的控制，在扩大了其加工范围的同时，精度和可靠性也得到了进一步的提高。该设计完全围绕数控机床工作原理而展开，充分体现了数控机床机械设备与电气设备部分的紧密结合。主要设计内容包括总体方案的设计；步进电机的选用；传动装置的设计；丝杠螺母副的设计；滚动导轨的选用和电气控制部分的设计。本设计的经济型数控工作台采用开环系统，机械传动部分采用步进电机通过同步带一级减速传动，减速器输出轴连接到滚珠丝杠上，丝杠上的丝杠螺母副带动工作台实现XY方向进给。关键词XY数控工作台，可编程序控制技术，机械传动部件，控制系统ABSTRACTTHISDESIGNISTHEDESIGNWITHASIMPLEANDECONOMICALCNCOFXYTABLESXYTABLESCNCMACHINERYSYSTEMDESIGNISANOPENLOOPCONTROLSYSTEMITSSIMPLESTRUCTURE,CONVENIENTANDCANENSURETHEPRECISIONOFCERTAIN,REDUCEDCOST,ISTHEMOSTSIMPLEOFMICROCOMPUTERCONTROLTECHNOLOGYOFAPPLICATIONITFULLYUTILIZETHEPLCTOREALIZETHECONTROLOFMACHINETOOLS,EXPANDINGTHESCOPEOFMACHININGACCURACYANDRELIABILITY,ANDFURTHERIMPROVEDDESIGNTASKISCOMPLETEONNCMACHINETOOLSANDWORKINGPRINCIPLEOFTHEDESIGN,FULLYEMBODIESTHECNCMACHINERYANDELECTRICALEQUIPMENTPARTSXYTABLESINCLUDEOVERALLSCHEMEDESIGNOFCNCDESIGN,SELECTIONOFSTEPPINGMOTORDRIVINGDEVICE,THEDESIGN,THEDESIGNOFBALLSCREWNUTPAIR,THESELECTIONANDDESIGNOFELECTRICCONTROLLINGPARTTHEDESIGNOFTHEECONOMICALNCWORKBENCHPRECISIONREQUESTISNOTHIGH,THEOPENLOOPSYSTEMMECHANICALTRANSMISSIONTHROUGHADOPTINGSTEPMOTORSYNCHRONOUSBELTTRANSMISSION,CONNECTTOSLOWLEVELONTHEBALLSCREW,THUSTHEDRIVERKEYWORDSXYTABLES,PLC,TRANSMISSIONMACHINERYPARTSANDCONTROLSYSTEM目录摘要IABSTRACTII1绪论111XY数控工作台研究背景112XY数控工作台研究意义113XY数控工作台的现状与发展22XY数控工作台总体方案确定421传动系统方案的确定422控制电机的确定523控制系统方案的确定724其他零部件的选择83XY数控工作台机械系统设计1031XY数控工作台的整体结构设计1032主要设计参数及其依据1133工作载荷分析及计算1134直线滚动导轨副的计算与选型1235滚珠丝杠螺母副的选型和校核1436同步带轮传动的设计和计算1737驱动电机的选择1938其它零部件的确定234控制系统的设计2741PLC的组成与工作原理2742PLC的选型2943PLC控制步进电机的梯形图程序设计3044程序的分析与比较36总结38致谢39参考文献40附录一英语论文41附录二汉语翻译461绪论11XY数控工作台研究背景现代科学技术的不断发展，极大地推动了不同学科的交叉与渗透，导致了工程领域的技术革命与改造。在机械工程领域，由于微电子技术和计算机技术的迅速发展,及其向机械工业的渗透,而形成的机电一体化，使机械工业的技术结构、产品机构、功能与构成、生产方式及管理体系发生了巨大变化，使工业生产由“机械电气化”迈入了以“机电一体化”为特征的发展阶段。随着科学技术的不断进步和社会生产的不断发展，人们对机械产品的质量和生产率提出了越来越高的要求，而机械加工过程的自动化是实现上述要求的有效途径。从工业化革命以来，人们实现机械加工自动化的主要手段有1自动机床；2组合机床；3专用自动生产线。这些设备的使用大大提高了机械加工自动化的程度，提高了劳动生产率，促进了制造业的发展。但它也存在固有的缺点，如1初始投资大；2准备周期长；3柔性差。因此，上述方法仅适用于批量较大的零件生产。然而，随着市场竞争的日趋激烈，产品更新换代周期缩短，小批量产品的生产所占的比重越来越大，约占总加工量的80以上。在航空、航天、重型机床以及国防工业部门尤为突出。因此，迫切需要一种精度高，柔性好的加工设备来满足上述需求，这是机床数控技术产生和发展的内在动力。另一方面，电子技术和计算机技术的飞速发展则为NC机床的发展提供了坚实的技术基础。数控工作台正是在这种背景下诞生和发展起来的，它极其有效地满足了上述要求，为小批量、精密复杂的零件生产提供了自动化加工手段。12XY数控工作台研究意义数控技术可以说是先进制造技术的基本，体现着数控技术的数控机床成为制造业关注的焦点。微机控制的数控机床、数控加工中心的高精度、高度柔性化及适合加工复杂零件的性能，正好满足当今市场竞争和工艺发展的需要。可以说，微机数字控制技术的应用是机械制造行业现代化的标志，在很大程度上决定了企业在市场竞争中的成败。装备工业的技术水平和现代化程度决定着整个国民经济的水品和现代化程度，数控技术及装备是发展新型高新技术产业和尖端工业的使能技术和最基本的装备，又是当今先进制造技术和装备最核心的技术。数控技术是使用数字信息对机械运动和工作过程进行控制的技术，而数控装备是以数控技术为代表的新技术对传统制造产业和新兴制造业的渗透形成的机电一体化产品，其技术范围覆盖很多领域。XY数控工作台是一个开环控制系统，其结构简单，实现方便，而且能够保证一定的精度、降低成本，是微机控制技术的最简单的应用。它充分的利用了危机的软件硬件功能以实现对机床的控制，使机床的加工范围扩大，精度和可靠性进一步得到提高。数控精密工作台采用滚珠直线导轨副为导向支承，滚珠丝杠副为运动执行元件的结构，具有精度高、效率高、寿命长、磨损小、节能低耗、磨擦系数小、结构紧凑、通用性强等特点。目前已广泛应用于测量、激光焊接、激光切割，涂胶、打孔，插件、小型数控机床、射线扫描、雕铣机及实用教学等场合。XY数控工作台是许多机电一体化设备的基本部件，如数控车床的纵横向进刀机构、数控铣床和数控钻床的XY工作台、激光加工设备的工作台、电子元件表面贴装设备等。模块化的XY数控工作台，通常由导轨座、移动滑块、工作台、滚珠丝杠螺母副，以及伺服电动机等部件构成。其中伺服电动机做执行元件用来驱动滚珠丝杠，滚珠丝杠螺母带动滑块和工作平台在导轨上运动，完成工作台在X、Y方向的直线移动。导轨副、滚珠丝杠螺母副和伺服电动机等均以标准化，由专门厂家生产，设计时只需根据工作载荷选取即可。控制系统根据需要，可以选取用标准的工作控制计算机，也可以设计专用的微机控制系统。13XY数控工作台的现状与发展我国数控机床产量持续高速增长，根据市场需求和技术发展趋势，应重点推进高效、精密为核心的数控机床“M”级工程，加强发展高性能、高可靠性数控功能部件，积极开展复合加工机床、超精密数控机床和可重构制造系统的工程化研究等相应的关键技术。数控机床及由数控机床组成的柔性化制造系统是改造传统机械加工装备产业、构建数字化企业的重要基础，它的发展一直备受人们关注。数控机床以其卓越的柔性自动化的性能、优异而稳定的精度、灵捷而多样化的功能引起世人瞩目。它开创了机械产品向机电一体化发展的先河，因此数控技术成为先进制造技术中的一项核心技术。通过持续的开发研究以及对信息技术的深化应用，促进了数控机床性能和质量的进一步提升，使数控机床成为国民经济和国防建设发展的重要制造装备。在我国对外开放进一步深化的新环境下，发展我国数控技术及装备，提高我国制造业信息化水平和国际竞争能力尤为重要。数控技术的发展趋势数控技术的应用不但给传统制造业带来了革命性的变化，使制造业成为工业化的象征，而且随着数控技术的不断发展和应用领域的扩大，它对国计民生的一些重要行业，例如IT、汽车、轻工、医疗等的发展起着越来越重要的作用。从目前世界上数控技术及其装备发展的趋势来看，其主要研究热点有以下几个方面（1）高速、高精加工技术及装备的新趋势；（2）5轴联动对三维曲面零件的加工，可用刀具最佳几何形状进行切割，不仅光洁度高，而且效率也大幅度提高；（3）智能化、开放式、网络化成为当代数控系统发展的主要趋势；对我国数控技术和产业化发展的战略思考（1）战略考虑。我国是制造大国，在世界产业转移中要尽量接受前端而不是后端的转移，所以，我们应站在国家安全战略的高度来重视数控技术和产业问题。首先从社会安全看，因为制造业是我国就业人口最多的行业，制造业发展不仅可提高人民的生活水平，而且还可缓解我国就业的压力，保障社会的稳定；其次从国防安全看，西方发达国家把高精尖数控产品都列为国家的战略物质，对我国实现禁运和限制，“东芝事件”和“考克斯报告”都是最好的例证；（2）发展策略。从我国基本国情的角度出发，以国家的战略需求和国民经济的市场需求为导向，以提高我国制造装备业综合竞争能力和产业化水平为目标，用系统的方法，选择能够主导21世纪初期我国制造装备业发展升级的关键技术以及支持产业化发展的支撑技术、配套技术作为研究开发的内容，实现制造装备业的跨越式发展。强调市场需求为导向，即以数控终端产品为主，以整机如量大面广的数控车床、铣床、高速高精高性能数控机床、曲型数字化机械、重点行业关键设备等带动数控产业的发展。重点解决数控系统和相关功能部件数字化伺服系统与电机、高速电主轴系统和新型装备的附件等的可靠性和生产规模的问题。没有规模就不会有高可靠性的产品；没有规模就不会有价值低廉而富有竞争力的产品；当然，没有规模中国的数控装备最终难有出头之日。2XY数控工作台总体方案确定21传动系统方案的确定主要的机械传动装置链传动、齿轮传动、蜗杆传动、带传动。1链传动链传动的优点（1）平均传动比准确，压轴力小；2效率较高；3安装精度要求较低，成本低；（4）适用于中心距较大的传动。链传动的缺点（1）瞬时传动比不恒定，瞬时链速不恒定；（2）传动的平稳性差，有噪音。链传动的应用场合用在转速不高，两轴中心距较大，要求平均传动比准确的场合。2齿轮传动齿轮传动的优点（1）工作可靠，寿命长；（2）传动比恒定；（3）效率高；（4）结构紧凑；（5）适用性广。齿轮传动的缺点（1）制造及安装精度要求高；（2）价格较贵，不宜用于传动距离过大的场合；3易产生低频振荡。3蜗杆传动蜗杆传动的优点（1）能实现大的传动比；（2）冲击载荷小，传动平稳，噪声低；（3）具有自锁性。蜗杆传动的缺点摩擦损失较大，效率低，工作时发热量大。4带传动带传动的优点（1）适用于中心距较大的传动；（2）结构简单，成本低；（3）带有弹性，能缓冲减震，运转平稳，噪音小；（4）传动过载时，带与带轮打滑，保护其他零件。综上所述，本设计要实现精确的传动，那么选择带中的同步齿形带。同步齿形带传动是一种新型的带传动。它利用齿形带的齿形与带轮的轮齿依次啮合传递运动和动力，因而兼有带传动、齿轮传动及链传动的优点，且无相对滑动，平均传动比较准确，传动精度高，而且齿形带的强度高、厚度小、重量轻，故可用于该设计的传动。齿形带无需特别张紧，故作用在轴和轴承上的载荷小，传动效率也高。22控制电机的确定主要的伺服电动机有直流伺服电动机、交流伺服电动机、步进电动机221直流伺服电动机直流伺服电动机是用直流的电信号控制的执行元件，是将输入的电压控制信号转换为电动机轴上的角位移或角速度进行输出。它具有线性调速范围宽、信号响应迅速、堵转转矩大、无控制电压时立即停转等特点，作为驱动元件被广泛的应用于闭环控制系统中。直流伺服电机特性原则上与一般直流电机相同，但有很大的改进和变化，已不能简单的用电压、电流、转矩等参数来描述，需用数据表和特性曲线来描述，使用时要查阅这些表和特性曲线。直流伺服电机的缺点它的电刷盒换向器易磨损；电机最高转速受限制，应用环境受限制；结构复杂，制造困难，成本高。222交流伺服电动机交流伺服电动机特点1控制精度高；2矩频特性好；3具有过载能力；4加速性能好；5动态响应好；6输出功率大。交流伺服电机形式1同步型交流伺服电机可方便的获得与频率成正比的可变速度，可以得到非常硬的机械特性和很宽的调速范围，在电源电压和频度固定时，它的转速是稳定不变的。主要用在进给驱动系统中。2异步型交流感应伺服电机结构简单，制造容量大，主要用在主轴驱动系统中。缺点是不能经济地实现范围很广的平滑调速，必须从电网吸收滞后的励磁电流，因而令电网功率因数变坏。223步进电动机步进电机是一种离散运动的装置，它和现代数字控制技术有着本质的联系。在目前国内的数字控制系统中，步进电机的应用十分广泛。为了适应数字控制的发展趋势，运动控制系统中大多采用步进电机作为执行电动机。步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度，称为“步距角”，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。由于脉冲信号数与步距角的线性关系，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点，使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单。步进电机是一种感应电机，它的工作原理是利用电子电路，将直流电变成分时供电的，多相时序控制电流，用这种电流为步进电机供电，步进电机才能正常工作，驱动器就是为步进电机分时供电的、多相时序控制器。虽然步进电机已被广泛地应用，但步进电机并不能像普通的直流电机、交流电机在常规下使用。它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。因此用好步进电机却非易事，它涉及到机械、电机、电子及计算机等许多专业知识。步进电机作为执行元件，是机电一体化的关键产品之一,广泛应用在各种自动化控制系统中。随着微电子和计算机技术的发展，步进电机的需求量与日俱增，在各个国民经济领域都有应用。步进电机的优点1电机旋转的角度正比于脉冲数；2电机停转的时候具有最大的转矩（当绕组激磁时）；3由于每步的精度在35，而且不会将一步的误差积累到下一步因而有较好的位置精度和运动的重复性；4优秀的起停和反转响应；5由于没有电刷，可靠性较高，因此电机的寿命仅仅取决于轴承的寿命；6电机的响应仅由数字输入脉冲确定，因而可以采用开环控制，这使得电机的结构可以比较简单，而且控制成本较低；7仅仅将负载直接连接到电机的转轴上，也可以极低速的同步旋转。8由于速度正比于脉冲频率，因而有比较宽的转速范围。步进电机的缺点1如果控制不当容易产生共振；2难以运转到较高的转速。开环控制系统如图21所示图21开环控制流程图步进电机最有意义的一个优点就是在开环系统里可以实现精确的控制。开环控制意味着不需要关于（转子）位置方面的反馈信息。这种控制避免了使用昂贵的传感器以及象光学编码器这样的反馈设备，因为只需要跟踪输入的步进脉冲就可以知道你（转子）的位置。综上所述，本设计中，原始参数中的脉冲当量尚未达到0001MM，定位精度也未达到微米级，空载最快移动速度也只有2000MM/MIN，故本设计不必采用高档次的伺服电动机，因此可以选用混合式步进电动机，以降低成本，提高性价比。采用步进电机来实现驱动，一般情况下多采用开环控制。因为步进电机的输出转角与控制器提供的脉冲数有着正比关系，电机转速与控制器提供的脉冲频率成正比。因此通常在精确度要求不是很高时，采用步进电机是合理的。当然，步进电机也具有高频易失步，负载能力不强的缺点。23控制系统方案的确定主要的控制器有计算机、单片机和PLC。231计算机控制系统计算机控制系统的应用类型有数据采集系统、直接数字控制系统、监督计算机控制系统、分级控制系统、现场总线控制系统。计算机控制系统通常具有精度高、速度快、存储容量大和有逻辑判断功能等特点，因此可以实现高级复杂的控制方法，获得快速精密的控制效果。计算机技术的发展已使整个人类社会发生了可观的变化，自然也应用到工业生产和企业管理中。但价格较贵，对环境要求高，抗干扰能力低。232单片机控制系统单片机的特点（1）高集成度、高可靠性。（2）控制功能强。（3）低电压、低功耗。（4）优异的性能价格比。单片机主要的应用领域如下（1）在测控系统中的应用。（2）在智能化仪器仪表中的应用。（3）在机电一体化中的应用（4）在人类生活中的应用。（5）在智能接口中的应用。单片机在大容量高性能化、小容量低价格化、外围电路的内装化方面还待发展。单片机抗干扰能力中等，对环境要求高，性价比一般。233PLC控制系统PLC的特点A高可靠性；B采用模块化结构；C编程简单易学；D安装简单，维修方便。PLC不需要专门的机房，可以在各种工业环境下直接运行。使用时只需将现场的各种设备与PLC相应的I/O端相连接，即可投入运行。为了增强PLC的抗干扰能力，提高其可靠性，PLC的每个开关量输入端都采用光电隔离等技术；为了能实现继电器控制线路的硬逻辑并行控制，PLC采用了不同于一般微型计算机的运行方式（扫描技术）。PLC的功能逻辑控制、定时控制、计数控制、步进顺序控制、PID控制、数据控制（PLC具有数据处理能力）、通信和联网。PLC体积小、抗干扰能力强，对环境要求不高，可靠性高，灵活性好，性价比较好。设计要求A本设计对系统内存要求不高；B系统处理的运算不需很复杂，CPU的计算速度要求不高；C控制系统能适应恶劣的工作环境；D控制系统需有完善的监视和诊断功能；E操作方便、体积小、性价比高。设计控制系统的硬件电路时主要考虑以下功能（1）接收键盘数据，控制LED显示；（2）接收操作面板的开关与按钮信息；（3）接受铣床限位开关信号；（4）控制X，Y向步进电动机的驱动；（5）控制切削液泵启动/停止；（6）与PC机的串行通信。根据设计要求，通过对以上控制系统的比较，选择PLC控制系统。PLC控制系统有以下优点（1）应用灵活、扩展性好。（2）操作方便。（3）标准化的硬件和软件设计、通用性强。（4）完善的监视和诊断功能。（5）控制功能强。（6）可适应恶劣的工业应用环境。（7）体积小、重量轻、性价比高、省电。24其他零部件的选择241导轨副的选用按导轨结合面的摩檫性，导轨可分为滑动导轨、滚动导轨和静压导轨。A滑动导轨具有结构简单、制造方便、刚度好、抗震性高等优点。滑动导轨分为普通滑动导轨和塑料滑动导轨。普通滑动导轨是金属与金属的摩察，这类导轨的缺点是静摩檫系数大，而且动摩檫系数随速度变化而变化，摩檫损失大，低速时易出现爬行，从而会降低运动部件的定位精度，所以一般使用在普通机床上。塑料滑动导轨是塑料与金属的摩檫，其动、静摩檫系数基本相同，具有良好的摩檫特性、耐磨性及吸振性，且无爬行，同时又具有生产成本低、应用工艺简单、经济效益显著等特点。B静压导轨的滑动面之间开有油腔，一定压力的油通过节流输入油腔，形成压力油膜，浮起运动部件，使导轨工作表面处于纯液体摩檫，不产生磨损，精度保持性好；同时摩檫系数也极低，使驱动功率大大降低；低速无爬行，承载能力大，刚度好。此外，油液有吸振作用，抗振性好。其缺点是结构复杂，要有供油系统，油的清洁度要求高。静压导轨较多的应用在大型、重型数控机床上。C滚动导轨是在导轨面之间放置滚珠、滚柱、滚针等滚动体，使导轨面之间的滑动摩檫变成为滚动摩檫，其优点有1）灵敏度高，且其动摩檫系数与静摩檫系数相差甚微，因而运动平稳，低速移动时不易出现爬行现象。2）定位精度高，重复定位精度可达02UM。3）摩檫阻力小，移动轻便，磨损小，精度保持性好，寿命长。滚动导轨特别适用于机床的工作部件要求移动均匀、运动灵敏及定位精度高的场合。综上所述，要设计数控铣床工作台，需要承受的载荷不大，脉冲当量小，定位精度高，因此选用滚动导轨装置中的直线滚动导轨副。它可做成独立的标准部件，其特点有1）刚度高，承载能力大，便于拆装，可直接装在任意行程长度的运动部件上；2）具有自调整能力，安装基面许用误差大；3）制造精度高；4）可高速运行；5）高精度保持性好；6）可预加负载，提高刚度。242丝杠螺母副的选用伺服电动机的旋转运动需要通过丝杠螺母副转换成直线运动，需要满足001MM脉冲当量和MM的定位精度，滑动丝杠副不能满足要求，只有选用滚珠丝杠副才01能达到要求。滚珠丝杠副的传动精度高、动态响应快、运转平稳、寿命长、效率高、预紧后可消除反向间隙。3XY数控工作台机械系统设计31XY数控工作台的整体结构设计进给传动系统示意图如图31所示滚珠丝杠图31传动系统示意图如图32所示为典型XY工作台。图32XY工作台考虑到X、Y两个方向的加工范围接近，承受的工作载荷相差不大，为了减少设计工作量，X、Y两个坐标的导轨副、丝杠螺母副、减速装置、伺服电动机以及检测装伺服电动机工作台置拟采用相同的型号与规格，32主要设计参数及其依据X、Y方向的脉冲当量为001MM；X、Y方向的定位精度均为MM；01加工范围为X500Y450；工作荷载2000N；工作寿命15000H；时间常数T30MS；快速进给速度MAX20/INV33工作载荷分析及计算331铣削力的分析与计算铣削运动的特征是主运动为铣刀绕自身轴线高速回转，进给运动为工作台带动工件在垂直于铣刀轴线方向缓慢进给（键槽铣刀可沿轴线进给）。铣刀的类型很多，但以圆柱铣刀和端铣刀为基本形式。圆柱铣刀和端铣刀的切削部分都可看做车刀刀头的演变，铣刀的每一刀齿相当于一把车刀。通常假定铣削时铣刀受到的铣削力是作用在刀尖的某点上。设刀齿上受到切削力的合力为F，将F沿铣刀轴线、径向和切向进行分解，则分别为轴向铣削力，径向铣削力和切向铣削力。其中切向铣削力是沿铣刀主运动方向的分力，它消耗铣床电机功率（即铣削功率）最多。参考1数控机床与编程选铣刀。根据最大铣刀直径D32MM，最大铣削宽度，最大铣削深度选择莫氏锥柄立铣刀，立铣刀各参数如表31所MAE16MAP6示表31立铣刀各参数齿数直径范围0N粗齿中齿细齿636304515345ZFXYFY根据工件材料为碳钢可确定铣削力的计算公式31（31）08672086291ZFZEFPCAD式中各参数如下铣削力系数，CFZ682；FZC最大铣削宽度，本设计为16MM；EA最大铣削深度，本设计为6MM；PZ铣刀齿数，齿数取5；圆柱铣刀直径，查得D032MM机械制造技术基础课程设计指导教程0D；每齿进给量（MM/齿），即铣刀每转一个齿间角时，工件与铣刀的相对FA移动量，查得01MM/齿（3机电一体化系统设计）；F故210712N086720869812153ZF332进给工作台工作载荷计算此处省略NNNNNNNNNNNN字。如需要完整说明书和设计图纸等请联系扣扣九七一九二零八零零另提供全套机械毕业设计下载该论文已经通过答辩34直线滚动导轨副的计算与选型根据给定的工作荷载和估算的和计算导轨的静安全系数FZXWY/SLFCP0（32）式中，C0为导轨的基本静额定荷载KN；工作载荷05ZF（33）103SLF一般运行情况）305SLF运动时受冲击、振动）根据计算结果查有关资料初选导轨因系统受到中等冲击，所以取40SLF；SLXYCFP（34）5XYZFW（35）0520009361468NZ0X1368NYP414685872N0XCSLXF5472NY根据计算额定静荷载初选导轨选择HJGA系列滚动直线导轨，其型号为HJGDA45A，如图32所示图32滚动直线导轨副其参数如表32、表33表32滚动直线导轨副的参数额定载荷/N静态力矩/NM滑块导轨导轨长度动载荷C静载荷0ATBCTGK/GMLMM550087701148114819193110700表33滚动直线导轨副的参数滑座个数单向行程长度每分钟往复次数MSLN2064导轨的额定动载荷1750ACN35滚珠丝杠螺母副的选型和校核351滚珠丝杠螺母副类型选择选用外循环，垫片式预紧方式的滚珠丝杠螺母副。预选GGD系列的320625丝杠，表面硬度5864HRC。如图33所示图33滚珠丝杠螺母副其参数具体如表34表34滚珠丝杠螺母副的参数规格代号公称直径0D公称导程H滚珠直径W螺旋升角循环圈数额定动载荷KNCA额定静载荷OA接触刚度/MNKC3206253263175325。251068929911915352滚珠丝杠螺母副的校核最大工作载荷滚珠丝杠上的工作载荷是指滚珠丝杠副在驱动工作台时滚珠丝杠所承受的轴向力，也叫进给牵引力。它包括滚珠丝杠的走刀抗力及与移动体重力和作用在导轨上的其他切削分力相关的摩擦力。NFM工作载荷的计算公式365MLVFKFG式中K考虑颠覆力矩影响的实验系数，矩形导轨K115滚动导轨摩擦系数000250005，这里取0004；F移动部件的重力（N）；G工作台纵向进给方向载荷；LFFC工作台横向进给方向载荷；FV工作台垂直进给方向载荷；FM1152107120004（842852098）242734N353最大动负载C的计算及主要尺寸初选滚动丝杠最大动载荷C可用下式计算（37）63MLFF式中L为工作寿命，单位为，R610（38）6/NTN为丝杠转速，；T为额定使用寿命（H），可取T15000H；MIN/R0V为运转状态系数，无冲击取112，一般情况取1215，有冲击振动取1525；MF为滚珠丝杠工作载荷（N）。F初选滚珠丝杠副的尺寸规格，相应的额定动载荷不得小于最大动载荷C；AC。CAL0滚珠丝杠导程，初选L06MM；V最大切削力下的进给速度AF每齿进给量（MM/齿）AF007MM/齿Z铣刀齿数，Z4N铣刀转速，区别与以上丝杠转速N，取为600R/MINV0074600168R/MINN1000168/62800001LVMIR628015/20RT11242734N7828KNMFFC33因为，所以所选滚珠丝杠螺母副符合最大动载荷要求。A传动效率计算滚珠丝杠螺母副的传动效率为（30743851TGT9）刚度验算滚珠丝杠计算满载时拉压变形量1（310）184273504068MFLEAM其中L取540MM，MPA41222357413MD滚珠与螺纹滚道间的接触变形2（311）238320147680913MWYJFDZM其中，1289MFNKGF4W，KGFNYJ635763，24/1/WMDDZ8列数圈数滚珠丝杠副刚度验算丝杠的总变形量应小于允许的变形量。一般不应大于机床进给系统规12定的定位精度值的一半。或者，由丝杠精度等级查出规定长度上允许的螺距误差，则相应长度上的变形量应该比它小。否则，应考虑选用较大公称直径的滚珠丝杠。机床的定位精度为001MM，。120842913002M因此所选的滚珠丝杠副刚度符合要求。压杆稳定性验算滚珠丝杠通常属于受轴向力的细长杆，若轴向工作负载过大，将使丝杠失去稳定而产生纵向屈曲，即失去稳定。失稳时的载荷为KF（312）其中，（丝杠承载方式系数，选用一端固定，一端浮动方式），I为截面惯02ZF量距，MMDI744110236/86/临界载荷与丝杠工作载荷之比称为稳定性安全系数，如果大于需用稳定KFMFKNK安全系数，则该滚珠丝杠就不会失稳。因此，滚珠丝杠的压杆稳定条件为KN254（313）513402427KKKMNF因此，所选滚珠丝杠符合稳定性要求。354滚珠丝杠副的精度等级滚珠丝杠副的精度，9按国标GB/T1758731998,分为七个等级，即1、2、3、4、5、7、10级,1级精度最高，依次降低。立式铣床的工作精度不平度004/300，平行度004/300，垂直度004/300（毫米/毫米长度），表面粗糙度25。M选用4级精度的滚珠丝杠。滚珠丝杠的行程公差如表35所示表35滚珠丝杠的行程公差精度等级4项目符号有效行程（MM）L50015目标行程差PE4501249013行程变动差MPV44012任意300MM内行程变量3016弧度内行程变动量22P751N44223061308ZKFEIFL36同步带轮传动的设计和计算同步带传动示意图如图34所示图34同步带传动361确定梯形齿同步带轮的基本参数10（1）确定设计功率设计功率PADKP其中为载荷修正系数AK根据已知工作条件查表取,2AK则P20105021KWDP（2）选择带形和节距根据021KW查表确定为L型，节距9525MMBP（3）传动比的选择带传动是一种最常见的机械传动形式，它主要用于传递转矩和改变转速。大部分带传动是依靠扰性传动与带轮间的摩擦力来传递运动和动力的，铣床方面的传动还有电机直连式，在此选择了带传动的方式，带传动简单，而且效率高，选择的传动比I2（4）小带轮齿数1Z根据带型XL和小带轮的转速，由表查得小带轮的最小齿数12，此处取1NMINZ12，则大带轮的齿数241Z2I（5）小带轮的节圆直径,1DPZB386529（314）查表得其外径23640076235638其中2为节根距1A（6）大带轮节圆直径2DMPZB72594（315）查表得其外径72800762720382A（7）带传动速度V（316）12760DNV362确定带轮的中心距（1）初定轴间距0A查机械设计手册得0721021DAD同时根据对铣床产品的测绘和设计经验初定100MM（2）带长及其齿数的确定02121042ADAL（317）2001713653310374675MM查表应选用带长代号为150的L型同步带，其节线长度38100MM，节线长上PL的齿数Z40（3）实际轴间距A，所设计的结构的轴间距可调整MP162503274381020（318）363确定带轮的尺寸（1）小带轮啮合齿数的确定51246031429522121ENTZPZENTBM（319）（2）带宽S14050PKBZD（320）其中带的基本宽度由表36查得50B表36带的基本宽度带型HBS0/MM95254762当6时1，当5时08，当4时04，此处取08MZZKMZKMZZKZK则（321）1455216087B至此X向带轮的设计已经完成，根据上面的计算数据，取标准宽度带号为075的L型带，其带宽191，则带轮的宽度233。5FBY向带轮也取标准带宽代号为075的L型带。37驱动电机的选择纵向步进电机的选择计算（1）计算工作台、丝杠、以及带轮折算到电机轴上的惯量DJ根据机电一体化系统设计所提供的计算公式11/（322）DJ1PG2XJSG（）（）（）2I式中折算到电机轴的惯量（KGCM2）D、大小带轮的惯量（）1J22KGCM丝杠的惯量（）S纵向工作台及夹具重量（N）为2156NXGP丝杠螺距（CM），P6MM带轮及丝杠转动惯量的计算由于有些传动件（带轮、丝杠等）的转动惯量不易精确计算，可将其等效成圆柱体来计算。圆柱体的转动惯量可依据公式J（323）432DL式中材料密度（KG/），对钢取为78XKG/；CM5103CMD圆柱体直径（CM）（对于带轮、丝杠等就是等效直径）；圆柱体长度（CM）（对于带轮丝杠等就是其等效齿宽或长度）。L则J1004803432DL2KGCMJ20002884LJS005274L322GC则可算得/JD1PG2XJSG（）（）（）2I0564（324）KCM（2）惯量匹配验算由12机电传动控制初选二相混合式步进电机86BYG350AH0201。其示意图如图35所示图35混合式步进电动机其转子的转动惯量132MJ2KGCM转动系统与步进电机的惯量匹配条件0251（325）D而02504271所以惯量是匹配的。DMJ（3）负载转矩计算及最大静转矩选择计算快速空载启动时所需力矩，依据公式起（326）起MAXFM130式中为快速空载启动力矩（NCM）；起空载启动时折算到电动机轴上的最大加速力矩（NCM）；MMAX折算到电机轴上的摩擦力矩（NCM）；F由于丝杠预紧时折算到电机轴上的附加摩擦力矩（NCM）。0又X（327）MMAXJ式中为惯量和；J1884NCM；JD为电机最大角加速度（RAD/）；2S又AX602NT其中521R/MIN，则218RAD/MAX3VBP2S故X138NCMMJ又因为（328）FM02FLI式中导轨的摩擦力（N）；0F传动链效率，一般可取07085先取为085；又GFX又垂直方向的切削力（N）84285N；F导轨摩擦系数，F004；纵向工作台及夹具质量（N）为2156N则119954N0F故6741NCMFM2LI又（329）0FP210I式中滚珠丝杠的预加载荷，滚珠丝杠预紧时的传动效率为950故037NCMM0FLP210I14511NCM起MAXF（4）快速进给时所需力矩快依据公式67410377111NCM（330）M快F0（5）最大切削负载时所需力矩（331）切F0TM式中折算到电机轴上的切削负载力矩T又（332）TF02FLI式中进给方向最大切削力（N）为210712NFF118422NCM；TM02LI125533NCM切FT最大静转矩选择依据文献14机械设计基础课程设计上有1）对于在最大切削力下工作时所需要电机最大静转矩/0525107NCMFMAXM切2）对于空载启动时所需要的电机最大静转矩为/095115259NCM起由以上可知以计算的恒大于，所以就以作为选取步进电FMAX1MFAX2FMAX1M机最大静转矩的依据。而初选的步进电机为86BYG350AH0201，他的最大静转矩为300NCMFAX1所以初选的步进电机型号符合要求。由于Y方向与X方向的要求相差不多，可以选用同样的丝杠，导轨，电机经过以上计算，选用的部件如表37表37本设计选用的部件滚珠丝杠螺母副直线滚动导轨副混合式步进电机X方向320625HJGDA45A滚动导轨86BYG350AH0201Y方向320625HJGDA45A滚动导轨86BYG350AH020138其它零部件的确定381轴承的选择1载荷是选择轴承最主要的依据，通常应根据载荷的大小、方向和性质选择轴承。载荷大小一般情况下，滚子轴承由于是线接触，承载能力大，适于承受较大载荷；球轴承由于是点接触，承载能力小，适用于轻、中等载荷。各种轴承承受载荷能力一般以额定载荷比表示。载荷方向纯径向力作用，宜选用深沟球轴承、圆柱滚子轴承或滚针轴承，也可考虑选用调心轴承。纯轴向载荷作用，选用推力球轴承或推力滚子轴承。径向载荷和轴向载荷联合作用时，一般选用角接触球轴承或圆锥滚子轴承。这两种轴承随接触角的增大,承受轴向载荷的能力提高。若径向载荷较大而轴向载荷较小时，也可选用深沟球轴承和内、外圈都有挡边的圆柱滚子轴承。若轴向载荷较大而径向载荷较小时，可选用推力角接触球轴承、推力圆锥滚子轴承。载荷性质有冲击载荷时，宜选用滚子轴承。2高速性能一般摩擦力矩小、发热量小的轴承高速性能好。球轴承比滚子轴承有较高的极限转速，故高速时应优先考虑选用球轴承。径向载荷小时，选用深沟球轴承；径向载荷大时，选用圆柱滚子轴承。对联合载荷，载荷小时，选用角接触球轴承；载荷大时，选用圆锥滚子轴承或圆柱滚子轴承与角接触球轴承组合。在相同内径时，外径越小，滚动体越轻越小，运转时滚动体作用在外圈上的离心力也越小，因此更适于较高转速下工作。在一定条件下，工作转速较高时，宜选用直径系列为8，9，0，1的轴承。保持架的材料与结构对轴承转速影响很大。实体保持架比冲压保持架允许的转速高。高速重载的轴承需验算其极限转速。3轴向游动性能一般机械工作时，因机械摩擦或工作介质的关系而使轴发热，从而有热胀冷缩产生。在选择轴承结构类型时，应使其轴有轴向游动的可能性。因此，常在轴的某一端选用一内圈或一外圈无挡边的圆柱滚子轴承或滚针轴承，以适应由于热胀冷缩而引起轴的伸长或缩短。4调心性能当轴两端轴承孔同轴性差（制造误差或安装误差所致）或轴的刚度小，变形较大，以及多支点轴，均要求轴承调心性好，这时应选用调心球轴承或调心滚子轴承。5允许的空间在机械设计中，一般都是先确定轴的尺寸，然后根据轴的尺寸来确定轴承的尺寸。小轴选用球轴承，大轴选用滚子轴承；在内径尺寸（即轴尺寸）已确定，若径向尺寸受限，可选用滚针轴承或直径系列为8，9，0的轴承；若宽度尺寸受限，可选用宽度系列为8，0的轴承。6安装与拆卸方便对于轴承使用寿命一般都难以等同主机使用寿命，在实际使用中轴承作为易损件要经常装拆。因此，在选用轴承结构类型时应要求装拆方便。可分离型的接触球轴承、圆柱滚子轴承。圆锥滚子轴承、推力轴承和内圈为锥孔、带紧定套或退卸套的调心滚子轴承、调心球轴承等均具有装拆方便性能。滚珠丝杠主要承受轴向载荷，他的径向载荷主要是丝杠的自重，因此，对滚珠丝杠的轴向精度和刚度要求较高。此外滚珠丝杠的正确安装及其支撑的结构刚度也不容忽视。滚珠丝杠两端常用支撑形式有三种一端固定一端自由的支撑形式。结构简单轴向刚度低，适用于短丝杠和垂直丝杠。一端固定一端浮动的支撑形式。结构复杂，适用于较长丝杠和卧式丝杠。两端固定的支撑形式，需要轴承无间隙，但结构复杂。为了提高支承的轴向刚度，选择适当的滚动轴承是十分重要的。本设计使用的滚珠丝杠较短，故此设计采用接触角为60的角接触球轴承和深沟球轴承，组成一端固定和一端浮动的形式。60角接触球轴承型号为7305AC，深沟球轴承型号为6305。其具体参数如表38所示表38所选轴承的参数轴承内径D外径D宽度B额定动负荷额定静负荷7305AC256217215KN158KN6305256217172KN112KN382丝杠轴的尺寸设计X向轴的尺寸Y向轴的尺寸383联接键的选择键联接的主要类型有平键联接、半圆键联接、楔键联接和切向键联接。平键联接键的两侧面是工作面，工作时，靠键同键槽侧面的挤压来传递转矩。键的上表面和轮毂的键槽底面间则留有间隙。平键联接具有结构简单、装拆方便、对中性较好等优点，得到广泛应用。根据用途的不同，平键分为普通平键、薄型平键、导向平键和滑键四种。其中普通平键和薄型平键用于静联接，导向平键和滑键用于动联接。普通平键按构造分，有圆头（A型）、平头（B型）及单圆头（C型）三种。圆头平键宜放在轴上用键槽铣刀铣出的键槽中，键在键槽中轴向固定良好。平头平键是放在用盘铣刀铣出的键槽中，对于尺寸大的键，需用紧定螺钉固定在轴上的键槽中，以防松动。单圆头平键常用于轴端与毂类零件的连接。薄型平键传递转矩的能力较低，常用于薄壁结构、空心轴及一些径向尺寸受限制的场合。半圆键连接半圆键工作时，靠其侧面来传递转矩。这种键的优点是工艺性良好，装配方便，尤其适用于锥形轴端与轮毂的连接。缺点是轴上键槽较深，对轴的强度削弱较大，故一般只用于轻载静连接中。楔键连接键的上下两面是工作面，键的上表面和与它相配合的轮毂键槽底面均有1100的斜度。工作时，靠键的楔紧作用来传递转矩，同时还可以承受单向的轴向载荷，对轮毂起到单向的轴向固定作用。楔键连接在传递有冲击和振动的较大转矩时，仍能保证联接的可靠性。楔键连接的缺点是键楔紧后，轴和轮毂的配合产生偏心和偏斜。因此主要是用于毂类零件的定心精度要求不高和低转速的场合。切向键连接切向键是由一对斜度为1100的楔键组成。切向键的工作面是由一对楔键沿斜面拼合后相互平行的两个窄面，被联接的轴和轮毂上都制有相应的键槽。装配时，把一对楔键分别从轮毂两端打入，拼合而成的切向键就沿轴的切线方向楔紧在轴与轮毂之间。工作时，靠工作面上的挤压力和轴与轮毂之间的摩擦力来传递转矩。本设计中要求键的连接结构简单、装拆方便、对中性较好，故选用普通平键中的圆头（A型）平键。由轴的直径和轮毂的宽度选取的键的参数如表39所示表39键的参数15BHLD206618D1244184控制系统的设计41PLC的组成与工作原理411PLC的基本概念可编程控制器PROGRAMMABLECONTROLLER是计算机家族中的一员，是为工业控制应用而设计制造的。早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器PROGRAMMABLELOGICCONTROLLER，简称PLC，它主要用来代替继电器实现逻辑控制。随着技术的发展，这种装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围，因此，今天这种装置称作可编程控制器，简称PC。但是为了避免与个人计算机PERSONALCOMPUTER的简称混淆，所以将可编程控制器简称PLC。412PLC的基本结构PLC实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相16同，如图41所示CPUEPROMAI/I/OI/PLCEROM图41PLC硬件系统结构示意图其主要结构如下所示1微处理器CPUCPU是PLC的核心部分，它包括微处理器和控制接口电路。2存储器存储器是PLC存放系统程序、用户程序和运行数据的单元。3输入/输出接口输入单元接受操作命令和现场的状态信息，如控制按钮、限位开关、继电器触点、行程开关、接近开关等信号，并通过滤波电路、光电隔离和电平转换将这些信号转换成CPU能够接收和处理的信号。输出单元将CPU送出的开关状态控制信号通过输出电路的光电隔离，以继电器触点形式、集电极开路的晶体管形式或晶闸管形式，辅以外部功率电源，将状态控制信号放大转换成现场所需要的强电信号输出，以驱动继电器、接触器电磁阀等执行元件。A开关量输入单元直流输入单元，如图42所示PLCLEDCR2R1VD图42直流开关量输入单元B开关量输出单元它的作用是把PLC的内部信号转换成现场执行机构的各种开关信号。晶体管输出方式如图43所示图43晶体管输出示意图晶体管输出特点响应速度快、动作频率高，只能用于驱动直流负载413PLC的工作过程PLC的工作过程分为输入采样、程序执行、输出刷新三个阶段。PLC的工作过程是按这样三个阶段进行周期性循环扫描。如图44所示图44PLC的工作过程（1）输入采样阶段PLC按顺