【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 一體化模塊代表了未來產(chǎn)品的發(fā)展方向，具有高度自主性、良好的協(xié)調(diào)性和自組織性的特點(diǎn) 。 ⑵ 微型化 。 微機(jī)電一體化產(chǎn)品體積小、耗能少、運(yùn)動(dòng)靈活 , 可進(jìn)入一般機(jī)械無李敬：兩軸微機(jī)伺服工作臺(tái)的設(shè)計(jì) 4 法進(jìn)入的空間，并易于進(jìn)行精細(xì)操作，在生物醫(yī)療、軍事、信息等方面具有不可比擬的優(yōu)勢(shì)。目前，利用半導(dǎo)體器件制造過程中的蝕刻技術(shù)，在實(shí)驗(yàn)室中已制造出亞微米級(jí)的機(jī)械元件。 ⑶ 綠色化 。 21 世紀(jì)，機(jī)電一體化技術(shù)的使命是要能提供一種高性能、高原料利用率、低能耗、低污染、環(huán)境舒適和可回收的智能化機(jī)械產(chǎn)品，即提供一種能滿足可持續(xù)性發(fā)展的綠色產(chǎn)品。 ⑷ 智能化 。 目前 , 專家系統(tǒng)、模糊系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以及遺傳算法 , 是機(jī)電一體化產(chǎn)品 (系統(tǒng) ) 實(shí)現(xiàn)智能化的 4 種主要技術(shù)，隨著制造自動(dòng)化程度的不斷提高 , 將會(huì)出現(xiàn)智能制造系統(tǒng)控制器來模擬人類專家的智能制造活動(dòng) , 并會(huì)對(duì)制造中出現(xiàn)的問題進(jìn)行分析、判斷、推理、構(gòu)思和決策。 ⑸ 網(wǎng)絡(luò)化 。 現(xiàn)場(chǎng)總線和局域網(wǎng)技術(shù) 使 家用電器網(wǎng)絡(luò)化已成大勢(shì) , 利用家庭網(wǎng)絡(luò)(home) 將各種家用電器連接成以計(jì)算機(jī)為中心的計(jì)算機(jī)集成家電系統(tǒng) (puter integrated appliancesystem, CIAS) ,因此機(jī)電一體化產(chǎn)品無疑朝著網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展。 2021屆機(jī)械電子工程專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 5 第 2章 總體方案設(shè)計(jì) 確定主要參數(shù) 由于本文力圖設(shè)計(jì)一種小型的通用工作臺(tái)， 這種工作臺(tái)可以用在小型的銑床、鉆床上 ，還可以用于學(xué)校的視教再現(xiàn)，所以在參考了眾多資料書籍以后，決定選取以下設(shè)計(jì)參數(shù)： 系統(tǒng)分辨率： 最大鉆孔直徑為 5mm 立銑刀最大直徑φ 15mm，齒數(shù) Z=3； 銑削最大余量α e=15mm； 銑削最大背吃刀量α p=8mm； 加工材料為碳鋼 工作臺(tái)面尺寸為 230mm 230mm；加工范圍為 250mm 250mm； 工作臺(tái) X、 Y方向空載最快移動(dòng)速度為 3000mm/min； 工作臺(tái) X、 Y方向進(jìn)給最快速度為 400mm/min； 預(yù)期工作壽命 15000h 重復(fù)定位精度 10um X、 Y 方向定位精度 XY 方向的脈沖當(dāng)量均為 本工作臺(tái)目的是要適合多種用途，為了盡可能的適合多種小型設(shè)備，所以計(jì)算中取值都偏大。 機(jī)械傳動(dòng)部件的選擇 導(dǎo)軌副的選用 要設(shè)計(jì)數(shù)控工作臺(tái)，需要承受的載荷不大，而且脈沖當(dāng)量小，定位精度高，因此選用直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副，它具有摩擦系數(shù)小，不易爬行，傳動(dòng)效率高，結(jié) 構(gòu)緊，安裝預(yù)緊方便等優(yōu)點(diǎn)。 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 李敬：兩軸微機(jī)伺服工作臺(tái)的設(shè)計(jì) 6 沖當(dāng)量和 ? mm的定位精度，只有選用滾珠絲桿副才能達(dá)到要求，滾珠絲桿副的傳動(dòng)精度高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、壽命長(zhǎng)、效率高、預(yù)緊后可消除反向間隙。 減速裝置的選用 選擇了步進(jìn)電動(dòng)機(jī)和滾珠絲桿副以后，為了圓整脈沖當(dāng)量，放大電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩，降低運(yùn)動(dòng)部件折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，可能需要減速裝置，且應(yīng)有消間隙機(jī)構(gòu)，選用無間隙齒輪傳動(dòng)減速箱。 伺服電 動(dòng)機(jī)的選用 任務(wù)書規(guī)定的脈沖當(dāng)量尚未達(dá)到 ，定位精度也未達(dá)到微米級(jí)，空載最快移動(dòng)速度也只有因此 3000mm/min，故本設(shè)計(jì)不必采用高檔次的 伺服 電動(dòng)機(jī)，因此可以選用混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。以降低成本，提高性價(jià)比。 控制系統(tǒng) 的選用 選用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)作為伺服電動(dòng)機(jī)后，可選開環(huán)控制，也可選閉環(huán)控制。 設(shè)計(jì)參數(shù)所給的精度對(duì)于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)來說 尚可以達(dá)到 ，決定采用 開 環(huán)控制， 以降低成本。 考慮到 X、 Y兩個(gè)方向的加工范圍相同，承受的工作載荷相差不大，為了減少設(shè)計(jì)工作量， X、 Y 兩個(gè)坐標(biāo)的導(dǎo)軌副、絲杠螺母副、減速裝置、伺服電動(dòng) 機(jī)擬采用相同的型號(hào)與規(guī)格。 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 1）設(shè)計(jì)的 XY 工作臺(tái)準(zhǔn)備用在數(shù)控 鉆 床 和銑床 上，其控制系統(tǒng)應(yīng)該具有單坐標(biāo)定位，兩坐標(biāo)直線插補(bǔ)與圓弧插補(bǔ)的基本功能，所以控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)成連續(xù)控制型。 2）對(duì)于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的 開 環(huán)控制，選用 MCS51系列的 8位單片機(jī) 89C51 作為控制系統(tǒng)的 CPU，能夠滿足 相關(guān)指標(biāo) 。 3）要設(shè)計(jì)一臺(tái)完整的控制系統(tǒng)，在選擇 CPU 之后，還要擴(kuò)展程序存儲(chǔ)器，鍵盤與顯示電路， I/O 接口電路， D/A 轉(zhuǎn)換電路，串行接口電路等。 4）選擇合適的驅(qū)動(dòng)電源，與步進(jìn)電動(dòng)機(jī)配套使用。 系統(tǒng)總體框圖 2021屆機(jī)械電子工程專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 圖 21 李敬：兩軸微機(jī)伺服工作臺(tái)的設(shè)計(jì) 8 第 3章 機(jī)械設(shè)計(jì)部分 工作臺(tái)的外形尺寸及重量初步估算 根據(jù)工作臺(tái) 面尺寸和 加工范圍，估算其重量。 XY工作臺(tái) 外觀圖 如下 ： 圖 31 X 方向工作臺(tái)尺寸的確定： X 向托板（上托板）的尺寸：長(zhǎng)寬高 230mm 230mm 50mm 上導(dǎo)軌（ X 向） 取動(dòng)導(dǎo)軌長(zhǎng)度 動(dòng)導(dǎo)軌行程 支承導(dǎo)軌長(zhǎng)度 Y 方向工作臺(tái)尺寸的確定： Y 向托板（下托板）的尺寸：長(zhǎng)寬高 600mm 200mm 20mm 下 導(dǎo) 軌（ Y 向） 取動(dòng)導(dǎo)軌長(zhǎng)度 mmlB 230?mml 250?mmllL B 480???mmlB 250?2021屆機(jī)械電子工程專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 動(dòng)導(dǎo)軌行程 支承導(dǎo)軌長(zhǎng)度 重量估計(jì)： W 下 = 夾具及工件重量： XY 工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)部分重量： 鉆削力和銑削力的計(jì)算 鉆削力（軸向）的計(jì)算 經(jīng)查 表 38， 進(jìn)給量取 ，則 銑削力的計(jì)算 設(shè)零件的加工方式為立式銑削，采用硬質(zhì)合金立銑刀，工件的材料為 鋼 。則 由表37查得立銑時(shí)的銑削力計(jì)算公式為： 0 . 8 5 0 . 7 5 0 . 7 3 1 . 0 0 . 1 3c e z p1 1 8 a f d a n Z??F 今選擇銑 刀的直徑為 d=15mm，齒數(shù) Z=3,為了計(jì)算最大銑削力，在不對(duì)稱銑削情況下，取最大銑削寬度為 α e=15mm，背吃刀量 pa =8mm，每齒進(jìn)給量 fZ=，銑刀轉(zhuǎn)速n 300r/min= 。則 求的最大銑削力： 0. 85 0. 75 0 . 73 1. 0 0. 131 1 8 1 5 0 .1 1 5 8 3 0 0 3 N 1 4 6 3 N?? ? ? ? ? ? ? ?cF ?XW 23 ?????? ??NW Y 23 ??????? ??)355480(2 32 ???????? ???上W160WN?mml 250?mmllL B 500???)250500( 32 ??????? ??FFZYf F FF C d f K?600FC ? ? ? 1?FKrmmf /?總 上 + 2 0 6 1 8 7 9 1 + 1 6 0 6 4 4XYW W W W W N? ? ? ? ? ? ?1 0 . 760 0 5 0. 1 1 60 0FFZYf F FF C d f K N? ? ? ? ? ?李敬：兩軸微機(jī)伺服工作臺(tái)的設(shè)計(jì) 10 采用立銑刀進(jìn)行圓柱銑削時(shí)，各銑削力之間的比值可由 表 35 查得， 各銑削力之間的比值范圍如下： fF/ cF =(~) 取 fnF / cF =(~) 取 eF / cF =（ ~） 取 考慮逆銑時(shí)的情況，因?yàn)槟驺姷那闆r的受力最大的情況，為了安全考慮這種最危險(xiǎn)的工況。由此可估算三個(gè)方向的銑削力分別為： fcF 160 9N?? ecF 556 N?? fn cF 366 N?? 考慮立銑，則工作臺(tái)受到垂直方向的銑削力 zF ，受到水平方向的銑削力分別為 fF 和fnF 今將水平方向較大的銑削力分配給工作臺(tái)的縱向，則縱向銑削力 xF ，徑向銑削力為 yF 。 xfF F 1609N?? y fnF F 366N?? zeF F 556N?? 滾動(dòng)導(dǎo)軌的選用 導(dǎo)軌長(zhǎng)度： 在工作臺(tái)外形尺寸初步估算中我們得到 X 方向?qū)к夐L(zhǎng)度為 480mm， Y方向?qū)к夐L(zhǎng)度為 500mm?？紤]到工作行程應(yīng)該留有一定余量，選取導(dǎo)軌的長(zhǎng)度均為 600mm。 導(dǎo)軌工作負(fù)載計(jì)算 導(dǎo)軌基本 額定動(dòng)負(fù)載的計(jì)算 ： 動(dòng) = 1 4 6 3 2 0 6 1 6 0 1 8 2 9X c XC F W W N? ? ? ? ? ? 2021屆機(jī)械電子工程專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11 動(dòng) Y 總= 14 63 64 4 21 07cC F W N? ? ? ? 導(dǎo)軌基本額定靜負(fù)載的計(jì)算 ： 根據(jù)以上數(shù)據(jù)，選擇 由濟(jì)寧博特公司生產(chǎn) KL 系列的 JSALG15 型 導(dǎo)軌副，其參數(shù)如下 ： 塊承受工作載荷 maxF 的計(jì)算 工作載荷是影響直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副使用壽命的重要因素。本例中的 XY 工作臺(tái)為水平布置，采用雙導(dǎo)軌、四滑塊的支承形式?？紤]最不利的情況，即垂直于臺(tái)面的工作載荷全部由一個(gè)滑塊承擔(dān)，則單滑塊所受的最大垂直方向載荷為： max GFF4?? 其中，移動(dòng)部件重量Ｇ＝ 644N，外加載荷 F=F 556N?z ，代上式，得最大工作載荷maxF =717N=。 距離額定壽命 L 的計(jì)算 上述所取的 KL 系列 JSALG15 系列導(dǎo)軌副的滾道硬度為 60HRC，工作溫度不超過100 C，每根導(dǎo)軌上配有兩只滑塊，精度為 4級(jí)，工作速度較低，載荷不大。查表 336~表 340，分別取硬度系數(shù) fH =，溫度系數(shù) fT =，接觸系數(shù) fc =，精度系數(shù)fR =，載荷系數(shù) fw =，代入式（ 333），得距離壽命： 型號(hào) 滑塊尺寸 額定載荷 /KN 額定靜力矩 /() C1 C2 L1 L2 L3 M1 Ca C0a MA MB MC JSALG15 38 65 30 6 M5 55 55 88 型號(hào) 裝配后 組合尺寸 導(dǎo)軌尺寸 滑塊尺寸 H W B H1 I F L0max dDh1 B1 K T T1 JSALG15 24 16 15 20 60 1500 47 7 11 ‘靜 總 6 0 0 6 4 4 1 6 0 1 4 0 4YfC F W W N? ? ? ? ? ? ?39。靜 f 6 0 0 2 0 6 1 6 0 9 6 6XXC F W W N? ? ? ? ? ? ?李敬：兩軸微機(jī)伺服工作臺(tái)的設(shè)計(jì) 12 L=( H T C RWf f f ffmaxaCF )3 50≈ 1954 Km 大于期望值 50Km， 故距離額定壽命滿足要求。 滾珠絲杠的計(jì)算和選擇 滾珠絲杠的負(fù)荷包括 鉆削力和 銑削力及運(yùn)動(dòng)部件的重量所引起的進(jìn)給抗力。應(yīng)按銑削時(shí)的情況計(jì)算 。 最大工作載荷 Fm的計(jì)算 在立銑時(shí)，工作臺(tái)受到進(jìn)給方向的載荷（與絲杠軸線平行） xF =1609N,受到橫向載荷（與絲杠軸線垂直） yF =366N，受到 垂直方向的載荷（與工作臺(tái)面垂直） zF =556N. 已知移動(dòng)部件總重量 G=644N，按矩形導(dǎo)軌進(jìn)行計(jì)算，查表 329，取顛覆力矩影響系數(shù) K=，滾動(dòng)導(dǎo)軌上的摩擦系數(shù) ? =。求得滾珠絲杠副的最大工作載荷： ( ) 1 .1 1 6 0 9 0 .0 0 5 ( 5 5 6 3 3 6 6 4 4 ) 1 7 7 9?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?m x z yF k F F F G N 最大動(dòng)工作載荷 FQ 的計(jì)算 設(shè)工作臺(tái)在承受最大銑削力時(shí)的最快進(jìn)給速度 v=400mm/min，初選絲杠導(dǎo)程 Ph=5mm,則此時(shí)絲杠轉(zhuǎn)速 n=v/Ph=80r/min。 取滾珠絲杠的使用壽命 T=15000h,代入公式 0 66010nTL ? 得絲杠壽命系數(shù) LO=72（單位為： 106r）。 查表 330， 取載荷系數(shù) Wf =,滾道硬度