【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 較寬的調(diào)速范圍，而且可以采用開環(huán)控制，電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本較低，可以提高性價(jià)比 。 而且步進(jìn)電機(jī)可以選擇配套的的驅(qū)動(dòng)器可以選用，控制方便。 西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文 4 控制部分部件的設(shè)計(jì) （ 1）控制芯片的選用 數(shù)控 XY 工作臺(tái) 作為一個(gè)數(shù)控系統(tǒng)，就需要有控制系統(tǒng)，本設(shè)計(jì)采用單片機(jī)進(jìn)行控制，考慮到計(jì)算機(jī)，體積龐大，對(duì)環(huán)境要求較高，且價(jià)格昂貴，這里不合適使用，單片機(jī)控制 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便，實(shí)現(xiàn)模塊化；單片機(jī)可靠性高，處理功能強(qiáng)，速度快。低電壓，低功耗，便于生產(chǎn)便攜式產(chǎn)品控制功能強(qiáng)，環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)。單片機(jī)控制系統(tǒng)可以完成步進(jìn)電機(jī)的控制要求，而且初選了步進(jìn)電機(jī)的開環(huán)控制系統(tǒng)中，選用對(duì)于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的開環(huán)控制系統(tǒng)后，選用單片機(jī)作為控制系統(tǒng)的控制器，是比較合適選擇。 要組成完整的系統(tǒng)，單片機(jī)還需進(jìn)行程序存儲(chǔ)器，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，以及 I/O口的擴(kuò) 展。 （ 2）步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的選用 采用步進(jìn)電機(jī)控制絲杠螺母的水平移動(dòng)，步進(jìn)電機(jī)可以用步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，此處就不用設(shè)計(jì)步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路。 （ 3）硬件電路的設(shè)計(jì) 硬件電路應(yīng)該包括以下的幾個(gè)功能， 數(shù)控 XY 工作臺(tái)需要一個(gè)輸入設(shè)備，顯示設(shè)備，和步進(jìn)電機(jī)控制電路。外部 晶振電路和時(shí)鐘電路 也要進(jìn)行設(shè)計(jì)， 工作臺(tái)總體硬件結(jié)構(gòu) 如圖所示 ： 圖 21 工作臺(tái)硬件整體方案 西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文 5 第 3 章 機(jī)械傳動(dòng)部分的設(shè)計(jì)計(jì)算 確定系統(tǒng)的脈沖當(dāng)量 脈沖當(dāng)量是指是當(dāng)控制器輸出一 個(gè)定位控制脈沖時(shí)，所產(chǎn)生的定位控制移動(dòng)的位移。對(duì)直線運(yùn)動(dòng)來說，是指移動(dòng)的距離，對(duì)圓周運(yùn)動(dòng)來說，是指其轉(zhuǎn)動(dòng)的角度。應(yīng)小于等于工作臺(tái)的位置精度 ， 故初步確定系統(tǒng)的精度為 ， 系統(tǒng)脈沖當(dāng)量 。 工作臺(tái)外形尺寸及重量初步估算 （ 1） 工作臺(tái)尺寸：（長(zhǎng) 寬） 350300（ mmmm） （ 2） 工作行程： 橫向： 320mm 縱向： 220mm 圖 31 工作臺(tái)機(jī)械部分外型 考慮到剛度和強(qiáng)工作臺(tái)上的 T 型槽 ， 根據(jù)《機(jī)械零件切削加工工藝與技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)實(shí)手》馮道版，根據(jù)機(jī)床工作臺(tái)的 T 形槽和相應(yīng)螺栓 (GB/T1581996)，由選取 T 型槽尺寸 A=5mm B=10mm C=4mm H=10mm 。 圖 32 工作臺(tái)機(jī)械部分外型 西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文 6 估計(jì)工作臺(tái)的重量： 203 0 03 5 0 ????? 高寬長(zhǎng) 由質(zhì)量 =體積 *材料密度，可得為 : xW = ?????? ?? 23 0 03 5 0 X 向拖板尺寸為 : 15250720 ?? X 向 上 拖板 重量 YW = 23 ?? ????? = 上導(dǎo)軌 (含電機(jī) )重量為夾具及工件重量約為 aW = 200N XY 工作臺(tái)上半部分運(yùn)動(dòng)部分總重量為 ： 總W = YW + xW + aW =++200≈600N 銑削力和工作載荷的計(jì)算 以加工材料為碳素鋼 或其他有色金屬及 加工材料的具體 參數(shù)，選用立銑刀 ，銑刀參數(shù)如表 31 所示： 表 31 加工銑刀的主要參數(shù) 最大銑刀直徑 最大 切削寬度 最大背吃刀量 銑刀齒 數(shù) mmd 15? mmae 15? mmaP 8? 3?Z 設(shè)零件采用硬質(zhì)合金銑刀，并以立式的方式加工，工件的材料是碳素鋼，由《數(shù)控加工工藝與編程》楊建明版，可得 mmd 15? 的硬 質(zhì)合金立銑刀的切削參數(shù)如下： 每齒進(jìn)給量 mmfz ? ，銑刀轉(zhuǎn)速 min/300rn ? ，由《 數(shù)控加工工藝與編程 》可得銑削力的計(jì)算公式 ： ZnadfaF pzec ??????? ? 將數(shù)據(jù)代入上式，可得 ： NF c 1 2 2 ???????? ? 立銑刀進(jìn)行圓柱銑削，各銑削力之間的比值 查《金屬切削原理與刀具》韓榮第版可得，銑削力之間的比值范圍 如表 32 所示 ： 考慮到逆銑，受力最大的情況取為最大，分別取于 cfFF = cmFF = ceFF = ? ?13?西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文 7 表 32 逆銑時(shí)銑削力之間的比值范圍 cfFF ~ cmFF ~ ceFF ~ 則這三個(gè)方向所受的銑削力分別為 ： NFFNFFNFFcecmcf???????????? 采用 立銑 加工 ，工作臺(tái)受到的銑削力垂直方向?yàn)?ZF ，受到水平方向銑削力分別為 fF 和 mF ，將較大的水平方向的銑削力分配給工作臺(tái)的縱向，則縱向銑削力 xF 等于fF ，徑向銑削力 yF NFFNFFNFFezmyfx?????? 滾動(dòng)直線導(dǎo)軌的計(jì)算選擇 導(dǎo)軌副的載荷計(jì)算 影響壽命的重要因素是工作載荷，故對(duì)最大垂直方向所受最大載荷進(jìn)行計(jì)算，本工作臺(tái)用雙導(dǎo)軌，四滑塊支承，當(dāng)一個(gè)滑塊承擔(dān)全部垂直臺(tái)面的工作載荷時(shí)，此時(shí)對(duì)導(dǎo)軌副垂直方向有最大承載能力的要求： 工作臺(tái)上半部分移動(dòng)部重量 ―― W=600N 外 加載荷為垂直方向載荷 ―― F= 則最大工作載荷： FWF ?? 4maxNF a x ???? ?23?西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文 8 預(yù)計(jì)工作作臺(tái)滿 足壽命 6 年，一年 300 天，每天 8 小時(shí)工作情況下，則工作臺(tái)的小時(shí)的額定壽命為 hL h 1 4 4 0 083006 ???? 考慮到特殊情況，取工作臺(tái)的額定壽命為 15000 個(gè)小時(shí)。 計(jì)算距離的額定壽命 由公式 602 103??? nsLLh 可得： 310602 ? ??? hLnsL 其中： hL —— 導(dǎo)軌按小時(shí)的額定工作壽命 ； n —— 工作間每分鐘移動(dòng)往返次數(shù)（ 4~6），取 5； s —— 為移動(dòng)件行程長(zhǎng)度，工作臺(tái) X 向行程為 320mm， Y 向行程為220mm，考慮行程較大的方向進(jìn)行計(jì)算，取為 320mm； 代入上式，得： KMLnsL h 288010 602 343 ?????????? ?? 額定動(dòng)載荷的計(jì)算，由滾珠型滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副計(jì)算壽命公式可得： )()(50 3m a x kmF Cf ffffL w acth ????? 式中： tf —— 溫度系數(shù)； af —— 精度系數(shù)； wf —— 載荷系數(shù)； cf —— 接觸系數(shù)； hf —— 硬度系數(shù)； C —— 導(dǎo)軌副的額定動(dòng)載荷； L —— 為額定動(dòng)作壽命，之前計(jì)算得 2880KM ； maxF —— 為滑塊的工作載荷，由之前計(jì)算可得 ?F ； ? ?53?? ?33?? ?43?西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文 9 表 33 溫度系數(shù) tf 工作溫度（ ?C ） 100? 150~100 200~150 250~200 tf 表 34 接觸系數(shù) cf 每根導(dǎo)軌的上的滑塊數(shù) 1 2 3 4 5 cf 表 35 精度系數(shù) af 精度等級(jí) 1 2 3 4 5 af 表 36 載荷系數(shù) wf 工作條件 wf 無外部沖擊或振動(dòng)的低速運(yùn)動(dòng)場(chǎng)合， min/15mV ? ~1 無明顯沖或振動(dòng)的中速運(yùn)動(dòng)場(chǎng)合， m in/6015 mV ?? 2~ 有外部沖擊或振動(dòng)的高速運(yùn)動(dòng)場(chǎng)合， min/60mV ? ~2 上面導(dǎo)軌硬度為 60HRC，工作溫度不超過 C?100 ，每跟導(dǎo)軌只有兩個(gè)滑塊，故精度與為 4 級(jí)根據(jù)上表得數(shù)據(jù) 取溫度系數(shù) 1?tf ；接觸系數(shù) ?cf ；精度系數(shù) 1?af ；載荷系數(shù) 2?wf ；硬度系數(shù) hf 可由下式算得 : )58 H R Cf h 滾道實(shí)際硬度的（? 一般按產(chǎn)品技術(shù)規(guī)定，滾道硬度一般不能低于 5HRC； 故一般取 hf =1 帶入上式，可得： )() (502880 3 kmC????? 經(jīng)過計(jì)算可得 : ?C 。 導(dǎo)軌副的選型和安裝 初選陜西漢江機(jī)床廠生產(chǎn)的導(dǎo)軌 HJGDA20C ? ?63?西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文 10 圖 33 直線滾動(dòng)導(dǎo)軌 導(dǎo)軌的安裝的具體尺寸如下： 圖 34 導(dǎo)軌的安裝尺寸圖及承載力矩 表 37 導(dǎo)軌的安裝尺寸 組件尺寸 導(dǎo)軌尺寸 H W W1 H1 hDd ?? F 30 12 20 18 ?? 60 滑塊尺寸 A B B1 K C L1 L N E 1?M 44 32 6 25 36 50 76 5 12 65?M 導(dǎo)軌的具體參數(shù) 如表 318： 可得導(dǎo)軌的額定動(dòng)載荷為 12600N，大于 6595N，故滿足設(shè)計(jì)要求，且有充裕余量。 裝配與安裝，由安裝尺寸進(jìn)行安裝。 西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文 11 表 38 工作臺(tái)所需導(dǎo)軌長(zhǎng)度尺寸 額定載荷 /N 靜態(tài)力矩 /N*M 滑座 重量 導(dǎo)軌 重量 導(dǎo)軌 長(zhǎng)度 動(dòng)載荷 aC 靜載荷 oC AT BT CT gK /gKm L(mm) 12600 21800 143 143 213 橫向 580mm 縱向 480mm 滑座個(gè)數(shù) 單向行程長(zhǎng)度 每分鐘往復(fù)次數(shù) M（個(gè)） Sl （ m） n 4 4 滾珠絲杠副的計(jì)算選型 最大工作載荷的計(jì)算 立銑時(shí)，工 作臺(tái)的最大工作載荷由式： 進(jìn)行計(jì)算。其中： W —— 工作臺(tái)總重量，為 600N； K —— 取顛覆力矩影響系數(shù)，取為 ， ? —— 滾動(dòng)導(dǎo)軌上的摩擦系數(shù)，由一般取為 。 XF —— 進(jìn)給方向工作載荷 ，為 ； YF —— 橫向方向工作載荷 ，為 ； ZF —— 垂直方向工作載荷 ，為 ， 求得滾珠絲杠副的最大工作載荷： 最大動(dòng)載荷的計(jì)算 工作臺(tái)的在最大負(fù)載時(shí)（及承受最大切削力時(shí)）快進(jìn)速度為 min/1000 mmV ? ，絲杠導(dǎo) X 成 mml 50 ? ，此時(shí)絲杠轉(zhuǎn)速 m in/202110000 rlvn ??? 。 給定絲杠使用壽命為 15000h， 絲杠壽命系數(shù)由式 計(jì)算得出 )( WFFKFFm yZx ???? ? ? ?73?NWFFKFFm yZx 6 2 9)( ????? ?西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文 12 61060 hnLL? 式中： hL —— 導(dǎo)軌按小時(shí)的額定工作壽命； n —— 工進(jìn)時(shí)的轉(zhuǎn)速； 代入上式，可得 )10(1801000 001500 0202101060 66 rnLL h ????? 最大動(dòng)載荷的計(jì)算： 由式 mhw FffLQ X 3? 式中： XQ —— 滾珠絲杠副的動(dòng)載荷； L —— 絲杠壽命系數(shù)； wf —— 滾珠絲杠副的載荷系數(shù)； hf —— 滾珠絲杠副的硬度系數(shù)； mF —— 滾珠絲杠副的最大工作載荷； 取載荷系數(shù)為 ，硬度系數(shù) ?hf （滾道硬度大于 60HRC） 。 代入上式可得 ： NFffLQ mhwX 1 0 4 ?????? 滾珠絲杠副的選型 絲杠選取陜西漢江機(jī)床廠 HJGS20215 型號(hào)尺寸如下 圖 35 絲杠螺母副的安裝尺寸 根據(jù)計(jì)算出的最大動(dòng)載荷和絲杠導(dǎo)程，選擇漢江機(jī)床廠生產(chǎn)的 HJGS20215 的滾珠絲杠副，為外循環(huán)單螺母突出式。其公稱直徑為 20mm， 導(dǎo)程 為 5mm。 ? ?83?? ?93?? ?103?西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文 13 表 39 絲杠的基本尺寸 公稱直徑 d0 基本導(dǎo)程 L0 絲杠外徑 d 滾珠直徑 db 螺旋升角 ? 20 5 39。334? 表 310 絲杠螺母安裝尺寸 循環(huán)圈數(shù) 螺母安裝尺寸 Dg6 D1 D2 B M d2 d3 dM h ? 36 60 48 11 4 10 M6 6 表 311 絲杠螺母計(jì)算尺寸 名稱 計(jì)算公式 結(jié)果 接觸角 ? ―― 045 鋼球直徑 bd ―― 螺紋滾道法向半徑 R bRd? 偏心距 e ( 2 ) sinbe R d ?? ? ? 螺紋升角 ? 0tarctg d? ?? ，334? 絲杠外徑 d 0 (0 .2 ~ 0 .2 5 ) bd d d?? 絲杠內(nèi)徑 1d 1022d d e R? ? ? 循環(huán)圈數(shù) ??? 額定載荷 動(dòng)載荷 15789N 靜載荷 36580N 接觸剛度 1185( mN?/ ) 傳動(dòng)效率的計(jì)算 絲杠螺母副的傳動(dòng)效率為： 西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文 14 58 )10334t g ( 334)( ?????? ， ，? ?tgtg tg ?? ??