【正文】 中的一項(xiàng)核心技術(shù)。 XY 數(shù)控工作臺(tái)是許多機(jī)電一體化設(shè)備的基本部件，如數(shù)控車床的縱 —橫向進(jìn)刀機(jī)構(gòu)、數(shù)控銑床和數(shù)控鉆床的 XY 工作臺(tái)、激光加工設(shè)備的工作臺(tái)、電子元件表面貼裝設(shè)備等。微機(jī)控制的數(shù)控機(jī)床、數(shù)控加工中心的高精度、高度柔性化及適合加工復(fù)雜零件的性能，正好滿足當(dāng)今市場(chǎng)競(jìng)爭和工藝發(fā)展的需要。但它也存在固有的缺點(diǎn)，如： ； ； 。主要設(shè)計(jì)內(nèi)容包括總體方案的設(shè)計(jì)；步進(jìn)電機(jī)的選用；傳動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)；絲杠螺母副的設(shè)計(jì)；滾動(dòng)導(dǎo)軌的選用和電氣控制部分的設(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)完全圍繞數(shù)控機(jī)床工作原理而展開，充分體現(xiàn)了數(shù)控機(jī)床機(jī)械設(shè)備與電氣設(shè)備部分 的緊密結(jié)合。 這些設(shè)備的使用大大提高了機(jī)械加工自動(dòng)化的程度，提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率，促進(jìn)了制造業(yè)的發(fā)展。 XY 數(shù)控工作臺(tái)研究意義 數(shù)控技術(shù)可以說是先進(jìn)制造技術(shù)的基本，體現(xiàn)著數(shù)控技術(shù)的數(shù)控機(jī)床成為制造業(yè)關(guān)注的焦點(diǎn)。目前已廣泛應(yīng)用于測(cè)量、激光焊接、激光切割，涂膠、打孔，插件、小型數(shù)控機(jī)床、射線掃描、雕銑機(jī)及實(shí)用教學(xué)等場(chǎng)合。數(shù)控機(jī)床以其卓越的柔性自動(dòng)化的性能、優(yōu)異而穩(wěn)定的精度、靈捷而多樣化的功能引起世人矚目。從我國基本國情的角度出發(fā)，以國家的戰(zhàn)略需求和國民經(jīng)濟(jì)的市場(chǎng)需求為 導(dǎo)向，以提高我國制造裝備業(yè)綜合競(jìng)爭能力和產(chǎn)業(yè)化水平為目標(biāo)，用系統(tǒng)的方法，選擇能夠主導(dǎo) 21世紀(jì)初期我國制造裝備業(yè)發(fā)展升級(jí)的關(guān)鍵技術(shù)以及支持產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的支撐技術(shù)、配套技術(shù)作為研究開發(fā)的內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)制造裝備業(yè)的跨越式發(fā)展。 2 齒輪傳動(dòng) 齒輪傳動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)： （ 1） 工作可靠，壽命長； （ 2） 傳動(dòng)比恒定； （ 3） 效率高； （ 4） 結(jié)構(gòu)緊湊； （ 5） 適用性廣。齒形帶無需特別張緊，故作用在軸和軸承上的載荷小，傳動(dòng)效率也高。 ：結(jié)構(gòu)簡單，制造容量大，主要用在主軸驅(qū)動(dòng)系 統(tǒng)中。由于脈沖信號(hào)數(shù)與步距 角的線性關(guān)系，加上步進(jìn)電機(jī)只有周期性的誤差而無累積誤差等特點(diǎn)，使得在速度、位置等控制領(lǐng)域用步進(jìn)電機(jī)來控制變的非常的簡單。 8．由于速度正比于脈沖頻率，因而有比較寬的轉(zhuǎn)速范圍。因此通常在精確度要求不是很高時(shí)，采用步進(jìn)電機(jī)是合理的。 （ 2） 控制功能強(qiáng)。 單片機(jī)抗干擾能力中等，對(duì)環(huán)境要求高，性價(jià)比一般。 設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的硬件電路時(shí)主要考慮以下功能：（ 1）接收鍵盤數(shù)據(jù)，控制 LED 顯示；（ 2）接收操作面板的開關(guān)與按鈕信息；（ 3）接受銑床限位開關(guān)信號(hào)；（ 4）控制 X，Y 向步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)；（ 5）控制切削液泵啟動(dòng) /停止；（ 6）與 PC 機(jī)的串行通信。 （ 7） 體積小、重量輕、性價(jià)比高、省電。其缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，要有供油系統(tǒng)，油的清潔度要求高。 絲杠螺母副的選用 伺服電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)需要通過絲杠螺母副轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動(dòng)，需要滿足 脈沖當(dāng)量和 ? mm 的定位精度，滑動(dòng)絲杠副不能滿足要求，只有選用滾珠絲杠副才能達(dá)到要求。其中切向銑削力 是沿銑刀主運(yùn)動(dòng)方向的分力，它消耗銑床電機(jī)功率（即銑削功率）最多。 工作載荷的計(jì)算公式： [ 5]()m L VF K F f F G?? ? ? (36) 式中 K———考慮顛覆力矩影響的實(shí)驗(yàn)系 數(shù)，矩形導(dǎo)軌 K=。 機(jī)床的定位精度為： ， 12 0. 00 84 0. 00 29 13 0. 01 13 13 0. 02m m m m? ? ?? ? ? ? ? ?。滾珠絲杠的行程公差如表 所示： 表 滾珠絲杠的行程公差 項(xiàng)目 符號(hào) 有效行程 L? （ mm） 精度等級(jí) 4 m? 目標(biāo)行程差 pe 500 15 450 12 行程變動(dòng)差 mpV 490 13 440 12 任意 300mm內(nèi)行程變量 300pV 16 2? 弧度內(nèi)行程變動(dòng)量 2pV? 7 同步帶輪傳動(dòng)的設(shè)計(jì)和計(jì)算 同步帶傳動(dòng)示意圖如圖 34 所示： 圖 34 同步帶傳動(dòng) ……本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 18 確定梯形齒同步帶輪的 基本參數(shù) [10] （ 1）確定設(shè)計(jì)功率 設(shè)計(jì)功率 Ad kp ? ……本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 21 其示意圖如圖 35 所示： 圖 35 混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī) 其轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量： MJ = 2?Kgcm 轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)與步進(jìn)電機(jī)的慣量匹配條件： ＜ dMJJ ＜ 1 （ 325） 而 ＜ dMJJ =＜ 1 所以慣量是匹配的。純軸向載荷作用，選用推力球軸承或推力滾子軸承。徑向載荷小時(shí)，選用深溝球軸承；徑向載荷大時(shí)，選用圓柱滾子軸承。在選擇軸承結(jié)構(gòu)類型時(shí)，應(yīng)使其軸有軸向游動(dòng)的可能性。圓錐滾子軸承、推力軸承和內(nèi)圈為錐孔、帶緊定套或退卸套的調(diào)心滾子軸承、調(diào)心球軸承等均具有裝拆方便性能。 為了提高支承的軸向剛度，選擇適當(dāng)?shù)臐L動(dòng)軸承是十分重要的。平鍵聯(lián)接具有結(jié)構(gòu)簡單、裝拆方便、對(duì)中性較……本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 26 好等優(yōu)點(diǎn)，得到廣泛應(yīng)用。 半圓鍵連接 :半圓鍵工作時(shí)，靠其側(cè)面來傳遞轉(zhuǎn)矩。 切向鍵連接 :切向鍵是由一對(duì)斜度為 1： 100 的楔鍵組成。但是為了避免與個(gè)人計(jì)算機(jī) (Personal Computer)的簡稱混淆，所以 將可編程控制器簡稱 PLC。如圖 44 所示： 圖 44 PLC 的工作過程 （ 1）輸入采樣階段 PLC 按順序采樣所有的輸入端子，并將輸入點(diǎn)的狀態(tài)或輸入數(shù)據(jù)存入內(nèi)存中各對(duì)應(yīng)的輸入映象寄存器。 本文 選用 S7200 型 PLC。 PLC 對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制程序設(shè)計(jì)可有多種方法，所選應(yīng)用指令的不同、程序設(shè)計(jì)思路的不同，可使程序的長短、復(fù)雜程度、柔性化程度有較大的差別。 圍繞這 些 方面 ，可提出具體的控制要求如下 : (1) 可正轉(zhuǎn)起動(dòng)或反轉(zhuǎn)起動(dòng)； (2) 運(yùn)行過程中 ,正反轉(zhuǎn)可隨時(shí)不停機(jī)切換； ……本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 31 (3) 步進(jìn)速度可分為高速 (0. 05 s) 、中速 (0. 1s) 、低速 (0. 5 s) 三檔 ,并可隨時(shí)手控變速； (4) 停止時(shí) ,應(yīng)對(duì)移位寄存器清零 ,使每次起動(dòng)均從 A 相開始。 三相繞組的控制邏輯關(guān)系式 : 正轉(zhuǎn)時(shí) A 相 Q0. 0 = M0. 5 + M0. 4 + M0. 0 B 相 Q0. 1 = M0. 4 + M0. 3 + M0. 2 C 相 Q0. 2 = M0. 2 + M0. 1 + M0. 0 反轉(zhuǎn)時(shí) A 相 Q0. 0 = M0. 5 + M0. 4 + M0. 0 B 相 Q0. 1 = M0. 2 + M0. 1 + M0. 0 C 相 Q0. 2 = M0. 4 + M0. 3 + M0. 2 ……本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 33 表 移位寄存器輸出狀態(tài)及步進(jìn)電機(jī)繞組狀態(tài)真值表 移位寄存器 MB0 正轉(zhuǎn) 反轉(zhuǎn) A B C A B C 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 0 1 1 0 1 0 1 0 0 1 0 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 1 1 0 1 1 0 0 0 0 1 0 0 0 1 0 1 0 0 0 0 0 0 1 1 0 1 1 1 0 3 梯形圖程序 根據(jù)程序模塊及三相繞組的控制邏輯關(guān)系 ， 即可編寫出梯形圖控制程序。 圖 45 步進(jìn)電機(jī)控制程序框圖 梯形圖程序設(shè)計(jì) 1 輸入 / 輸出編址 控制步進(jìn)電機(jī)的各輸入開關(guān)及控制 A 、 B 、 C 三相繞組工作的輸出端在 PLC 中的I/ O 編址如表 所示： ……本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 32 表 輸入 / 輸出編址 輸入端 輸出端 I0. 0 步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)起動(dòng)按鈕 Q0. 0 控制 A 相繞組 I0. 1 步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)起動(dòng)按鈕 Q0. 1 控制 B相繞組 I0. 2 停止及清零按鈕 Q0. 2 控制 C相繞組 I1. 0 低速開關(guān) I1. 1 中速開關(guān) I1. 2 高速開關(guān) 2 狀態(tài)真值表 采用移位指令進(jìn)行步進(jìn)控制。因此 ,在實(shí)現(xiàn)控制要求的基礎(chǔ)上 ， 應(yīng)使程序盡量簡捷、緊湊 ； 另一方面 ， 同一個(gè)控制對(duì)象 ， 根據(jù)生產(chǎn)的工藝流程的不同 ， 控制要求或控制時(shí)序會(huì)發(fā)生變化 ， 此時(shí)要求程序修改方便、簡單 ， 即要求程序有較好的柔性。使用范圍可覆蓋從替代繼電器的簡單控制到更復(fù)雜的自動(dòng)化控制。 PLC 的主要生產(chǎn)廠家： 目前生產(chǎn) PLC 的廠家較多。 輸出單元將 CPU 送出的開關(guān)狀態(tài)控制信號(hào)通過輸出電路的光電隔離，以繼電器觸點(diǎn)形式 、 集電極開路的晶體管形式或晶閘管形式，輔以外部功率電源，將狀態(tài)控制信號(hào)放大轉(zhuǎn)換成現(xiàn)場(chǎng)所需要的強(qiáng)電信號(hào)輸出，以驅(qū)動(dòng)繼電器、接觸器電磁閥等執(zhí)行元件。 本設(shè)計(jì)中要求鍵的連接結(jié)構(gòu)簡單、裝拆方便、對(duì)中性較好，故選用普通平鍵中的圓頭（ A 型）平鍵。工作時(shí)，靠鍵的楔緊作用來傳遞轉(zhuǎn)矩，同時(shí)還可以承受單向的軸向載荷，對(duì)輪轂起到單向的軸向固定作用。圓頭平鍵宜放在軸上用鍵槽銑刀銑出的鍵槽中，鍵在鍵槽中軸向固定良好。角接觸球軸承型號(hào)為 7305AC，深溝球軸承型號(hào)為 6305。結(jié)構(gòu)簡單軸向剛度低，適用于短絲杠和垂直絲杠。小軸選用球軸承，大軸選用滾子軸承；在內(nèi)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。保持架的材料與結(jié)構(gòu)對(duì)軸承轉(zhuǎn)速影響很大。若軸向載荷較大而徑向載荷較小時(shí)，可選用推力角接觸球軸承、推力圓錐滾子軸承。 由于 Y 方向與 X 方向的要求相差不多，可以選用同樣的絲杠，導(dǎo)軌，電機(jī)經(jīng)過以上計(jì)算，選用的部件如表 ： 表 本設(shè)計(jì)選用的部件 滾珠絲杠螺母副 直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副 混合式步進(jìn)電機(jī) X方向 HJGDA45A滾動(dòng)導(dǎo)軌 86BYG350AH0201 Y方向 HJGDA45A滾動(dòng)導(dǎo)軌 86BYG350AH0201 其它零部件的確定 軸承的選擇 是選擇軸承最主要的依據(jù)，通常應(yīng)根據(jù)載荷的大小、方向和性質(zhì)選擇軸承。 Y 向帶輪也取標(biāo)準(zhǔn)帶寬代號(hào)為 075 的 L 型帶。因此，滾珠絲杠的壓桿穩(wěn)定條件為： ? ?51 . 3 4 1 0 5 5 . 2 0 42 4 2 7 . 3 4KkkmFnnF ?? ? ? ? ?=~4 （ 313） 因此，所選滾珠絲杠符合穩(wěn)定性要求。 傳動(dòng)效率計(jì)算： 滾珠絲杠螺母副的傳動(dòng)效率 ? 為 0[ 7 ]0()4 33 %( 4 33 10 )tgtgtgtg????? ??????? （ 39） ……本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 16 剛度驗(yàn)算： 滾珠絲杠計(jì)算滿載時(shí)拉壓變形量 1? 1[ 8 ]42 4 2 7 . 3 4 5 4 0 0 . 0 0 8 42 0 . 6 1 0 7 5 4 . 3 8 5mFLEAmm? ???? ? ??? （ 310） 其中 L 取 540mm， M p aE ?? ， 222 3 8 5 4)231()2( mmdA ???? ? 滾珠與螺紋滾道間的接觸變形 2? 2 23[ 8 ]3 20 .0 0 1 32 4 7 .6 80 .0 0 1 3 0 .0 0 2 9 1 34 4 3 .6 4 8 8mw Y JFD F Zmm???? ? ??? （ 311） 其中： 1 2 8 2 . 9 6 2 4 7 . 6 8mF N k g f??， 4?wD ， k g fNFF mYJ ????? ， 223)4/(3)/( ?????? wm DdZ ? ， 88225 3 ???????? 列數(shù)圈數(shù)ZZ 滾珠絲杠副剛度驗(yàn)算： 絲杠的總變形量 12? ? ???應(yīng)小于允許的變形量。預(yù)選 系列的 絲杠，表面硬度 58~64HRC。銑刀的類型很多，但以圓柱銑刀和端銑刀為基本形式。 3）摩檫阻力小，移動(dòng)輕便，磨損小，精度保持性好，壽命長。 普通滑動(dòng)導(dǎo)軌是金屬與金屬的摩察，這類導(dǎo)軌的缺點(diǎn)是靜摩檫系數(shù)大，而且動(dòng)摩檫……本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 9 系數(shù)隨速度變化而變化，摩檫損失大，低速時(shí)易出現(xiàn)爬行，從而會(huì)降低運(yùn)動(dòng)部件的定位精度，所以一般使用在普通機(jī)床上。 （ 3） 標(biāo)準(zhǔn)化的硬件和軟件設(shè)計(jì)、通用性強(qiáng)。 為了增強(qiáng) PLC 的抗干擾能力，提高其可靠性， P