【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 開(kāi)環(huán)伺服系統(tǒng)在不大的載荷情況下一般采用的伺服電機(jī)是功率步進(jìn)電機(jī)，它并不能糾正系統(tǒng)的傳動(dòng)誤差。但是對(duì)于這種加工精度不高的，要求運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性和均衡性不是那么高的場(chǎng)合，同時(shí) 為了 減少成本，以及簡(jiǎn)化機(jī)械的結(jié)構(gòu)，我們可以在這里采用步進(jìn)電機(jī)開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)來(lái)驅(qū)動(dòng) XY 工作臺(tái)。 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng) 本設(shè)計(jì)選用 MCS51 系列中的 8031 單片機(jī)擴(kuò)展控制系統(tǒng)。 MCS51 單片機(jī)系列的主要特點(diǎn)是可靠性好、運(yùn)算速度快、功能強(qiáng)、集成度高、具有很高的性能價(jià)格比。而控制系統(tǒng)由鍵盤及顯示器、步進(jìn)電機(jī)功率放 大器、 I/O 接口及光電隔離電路、微機(jī)部分等組成、系統(tǒng)的控制指令和加工程序則通過(guò)鍵盤來(lái)操作實(shí)現(xiàn)，顯示器采用數(shù)碼管顯示監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)及機(jī)床狀態(tài)信息。 系統(tǒng)工作臺(tái)的傳動(dòng)方式 為保證工作臺(tái)具有一定的傳動(dòng)精度和平穩(wěn)性，又要求其結(jié)構(gòu)緊湊，所以采用滾珠絲杠螺旋副傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，同時(shí)為提高傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的剛度和消除間隙，采用有預(yù)加負(fù)荷的結(jié)構(gòu)。 由于系統(tǒng)工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)部件重量不大，因此選用由預(yù)加載荷的雙 V形直線滾珠導(dǎo)軌副。采用滾動(dòng)導(dǎo)軌可減少兩個(gè)相對(duì)運(yùn)動(dòng)面的動(dòng)、靜摩擦系數(shù)之差，從而提高運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性，減少振動(dòng)。 考慮到本次設(shè)計(jì)所采用的步進(jìn)電 機(jī)步距角和絲杠導(dǎo)程只能按標(biāo)準(zhǔn)選取，為達(dá)到定位精度為 的要求，所以采用齒輪降速傳動(dòng)，并通過(guò)齒輪消隙的方式來(lái)降低傳動(dòng)誤差。 10 系統(tǒng)其他零部件的選擇 考慮到生產(chǎn)效率以及生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)性，工作臺(tái)采用直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副且其間隙可根據(jù)實(shí)際需求，按規(guī)定的間隙進(jìn)行調(diào)整和預(yù)緊。而且整個(gè)工作臺(tái)材料采用鑄造件進(jìn)行加工以及工作臺(tái)上所用的標(biāo)準(zhǔn)件，如滾珠絲杠、軸承等均選擇外購(gòu)形式。 綜上所訴，系統(tǒng)的總體框圖如圖 所示 圖 系統(tǒng)總體框圖 11 第 3 章 機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì) 工作臺(tái)的設(shè)計(jì) X 方向工作臺(tái)尺寸確定 根據(jù)設(shè)計(jì) 要求，我們?nèi)?X 方向?qū)к壷С袖撉虻闹行木酁?180mm， Y 方向?qū)к壷С? 鋼球的中心距為 230mm，設(shè)計(jì)工作臺(tái)簡(jiǎn)圖如圖 ： 圖 工作臺(tái)簡(jiǎn)圖 托板尺寸：長(zhǎng)寬高 666mm 320mm 25mm 上導(dǎo)軌（ X 方向） 取動(dòng)導(dǎo)軌長(zhǎng)度 pl =230mm 動(dòng)導(dǎo)軌行程 l=250mm 支承導(dǎo)軌長(zhǎng)度 L= pl +l =230+250=480mm 保持器長(zhǎng)度 al =pl +l /2=355mm Y 方向工作臺(tái)尺寸 確定 托板尺寸：長(zhǎng)寬高 666mm 320mm 25mm 下導(dǎo)軌（ Y 方向） 取動(dòng)導(dǎo)軌長(zhǎng)度 pl =320 12 動(dòng)導(dǎo)軌行程 l =250mm 支承導(dǎo)軌長(zhǎng)度 L=pl+l =320+250=570 保持器長(zhǎng)度 al =pl+l /2=445mm 工作臺(tái)重量估算 上托板重量： 321 6 6 6 3 2 0 2 5 1 0 7 .8 1 0 4 1 5 .5 8 4WN??? ? ? ? ? ? ? (1) 下托板重量： 322 6 6 6 3 2 0 2 5 1 0 7 .8 1 0 4 1 5 .5 8 4??? ? ? ? ? ? ? (2) X方向?qū)к壷亓浚? 232 ( 2 3 0 4 8 0 ) 2 0 2 0 7 .8 1 0 1 0 4 4 .3 0 4 N??? ? ? ? ? ? ? ? (3) Y方向?qū)к壷亓浚? 232 ( 3 2 0 4 8 0 ) 2 0 2 0 7 .8 1 0 1 0 4 9 .9 2 N??? ? ? ? ? ? ? ? (4) 焊接工件重量暫?。? 160N (5) X工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)部分重量： ( 1 ) ( 3 ) / 2 ( 5 ) 4 1 5 .5 8 4 4 4 .3 0 4 / 2 1 6 0 6 0 0XGN? ? ? ? ? ? ? XY 工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)部分總 重量： (1 ) ( 2 ) ( 3 ) ( 4 ) ( 5 ) 1 0 8 5XGN? ? ? ? ? ? 滾動(dòng)導(dǎo)軌 的選用 導(dǎo)軌形式及尺寸確定 首先根據(jù)上述系統(tǒng)總體方案要求，選用的是雙 V 形滾珠導(dǎo)軌。根據(jù)系統(tǒng)工作臺(tái)的使用情況，初選滾珠直徑 d=6mm，數(shù)目由 d?決定 [2]。 上導(dǎo)軌： 600XGN? 600 2 5 .7 89 .5 9 .5 6GZ d? ? ?? X方向?qū)к夐L(zhǎng)度取 pl =230mm，取 XZ =20,兩滾珠之間的間距 t= 下導(dǎo)軌 1085YGN? 1085 4 6 .6 29 .5 9 .5 6GZ d? ? ?? 13 Y方向?qū)к夐L(zhǎng)度取用pl=320mm，取 30XZ ? ，兩滾珠之間的間距 t= 導(dǎo)軌許用負(fù)荷校核 平均每個(gè)滾珠上的最大負(fù)荷 : max /GP P Z? 而： 12 ()22ZGH GPPP ??? 式中HP導(dǎo)軌的預(yù)加負(fù)荷，按最大負(fù)荷的 1/2 計(jì)算。 激光焊接時(shí)滾珠所受的負(fù)荷只有其工件的重力，因此較小可以按最大受力情況驗(yàn)算，如下： 12 ()22ZGH GPPP ??? X方向?qū)к壍淖畲筘?fù)荷： a x ???XP Y方向?qū)к壍淖畲筘?fù)荷： 108 a x ???YP 許用負(fù)荷 2[]p kd ?? 查表得 260 /k N cm? ，考慮到制造精度，且導(dǎo)軌短， k 可提高 50%，即 k取 290 /N cm ，查表得： [ ] ? max []XPp? max []YPp? 故導(dǎo)軌滿足設(shè)計(jì)要求。 導(dǎo)軌額定壽命計(jì)算 直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副的壽命計(jì)算，是以在一定載荷下行走一定距離時(shí)， 90%的支承不會(huì) 14 發(fā)生點(diǎn)蝕為依據(jù)。滾珠的距離額定壽命計(jì)算公式如下： 3( ) 5 0H T C R aWf f f f CL fF? ? ? 其中查表得： ? 、 ? 、 ? 、 ? 、 ? aC = F= 33 7 . 6( ) 5 0 ( ) 5 0 5 0 9 1 . 5 21 . 0 8 5 1 . 5H T C R aWf f f f CL k mfF? ? ? ? ? ?? 小時(shí)額定壽命的計(jì)算 ， 可以通過(guò)公式： 3102 60h LL nS?? ? 其中 S 為移動(dòng)件行程長(zhǎng)度，單位為 m， n 為移動(dòng)件每分鐘往復(fù)次數(shù)。代入數(shù)據(jù)的： 331 0 5 0 9 1 . 5 2 1 0 1 6 9 7 1 . 7 32 6 0 2 1 0 0 . 2 5 6 0h LL nS??? ? ?? ? ? ? 通常導(dǎo)軌的距離額定壽命在 50KM 以上就滿足要求。通過(guò)以上導(dǎo)軌的距離額定壽命和額定小時(shí)壽命的校核，該導(dǎo)軌完全滿足設(shè)計(jì)的要求。 滾珠絲杠副的 選用 最大工作載荷的計(jì)算 最大工作載荷 mF 是指滾珠絲杠副在驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)時(shí)滾珠絲杠 承受的軸向力，由于本次設(shè)計(jì)的工作臺(tái)主要適用于激光焊接（切割）加工，所以其工作臺(tái)主要承受工件的重力作用，且導(dǎo)軌形式為矩形導(dǎo)軌，則計(jì)算公式如下： 39。 ()m L V CF K F f F F G? ? ? ? 其中 LF 、 VF 、 CF 分別為工作臺(tái)進(jìn)給方向載荷、垂直載荷和橫向載荷（ N）； G 為移動(dòng)部件的重力； K 和 39。f 分別為考慮顛覆力矩影響的實(shí)驗(yàn)系數(shù)和導(dǎo)軌上的摩擦因數(shù)。對(duì)于本次的絲杠傳動(dòng)系統(tǒng)，計(jì)算如下； 39。 39。 39。 1 .1 0 .0 0 2 5 1 0 8 5 0 .0 0 2 5 1 6 0 3 .3 8 4m L YF KF f G Kf G f G N? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 由于是滑動(dòng)導(dǎo)軌則有 39。 ? 15 最大動(dòng)載荷的計(jì)算 最大動(dòng)載荷 QK 的計(jì)算公式如下： 3 0Q W H mF L f f F? 式中的 0L 為滾珠絲杠副的壽命，單位為 610r ， 60 60 /10L nT? 其中 T=15000h， n為絲杠每分鐘轉(zhuǎn)數(shù) 代入數(shù)據(jù)計(jì)算如下： 6 6 60 6 0 / 1 0 6 0 4 5 0 0 1 5 0 0 0 / 1 0 4 0 5 0 1 0L n T r? ? ? ? ? 3 63 0 4 0 5 0 1 0 1 .5 1 .0 3 .3 8 4 8 0 9 1 .0 8Q W H mF L f f F r? ? ? ? ? ? 初選滾珠絲杠副的規(guī)格時(shí)，應(yīng)使其額定動(dòng)載荷 aQCF? 。 同時(shí)由于滾珠絲杠副在靜態(tài)低速長(zhǎng)時(shí)間承受工作載荷，應(yīng)使額定靜載荷(2 ~ 3)oa mCF? 。根據(jù)以上條件初選滾珠絲杠的規(guī)格代號(hào)為 CLM2504—— 5 系列，其額定動(dòng)載荷為 10140N aC 足夠用 。 滾珠循環(huán)方式為內(nèi)循環(huán)螺旋槽式 [9]。 表 滾珠絲杠螺母副的幾何參數(shù) 名稱 計(jì)算公式 結(jié)果 公稱直徑 0d ―― 25mm 螺距 t ―― 4mm 接觸角 ? ―― 45176。 鋼球直徑 bd ―― 螺紋滾道法向半徑 R ? 偏心距 e ( 2) si nbe R d ?? ? ? 螺紋升角 ? 0tarctg d? ?? 176。 螺桿外徑 d 0 ( ~ ) bd d d?? 螺桿內(nèi)徑 1d 1022d d e R? ? ? 16 螺桿接觸直徑 2d 20 cosbd d d ??? 螺母螺紋外徑 D 0 22D d e R? ? ? 螺母內(nèi)徑（外循環(huán)） 1D 10 ( ~ 55 ) bD d d?? 滾珠絲桿副的預(yù)緊方式 為了消除間隙和提高滾珠絲桿副的剛度，可以預(yù)加載荷，使它在過(guò)盈的條件下工作，常用的預(yù)緊方式有：雙螺母墊片式預(yù)緊、雙螺母螺紋式預(yù)緊、雙螺母齒差式預(yù)緊等。預(yù)緊后的剛度可提高到無(wú)預(yù)緊時(shí)的 2 倍。但是，預(yù)緊載荷過(guò)大，將使壽命下降和摩擦力矩加大，通常，滾珠絲桿在出廠時(shí)，就已經(jīng)由制 造商調(diào)好預(yù)加載荷，并且預(yù)加載荷往往與絲桿副的額定動(dòng)載荷有一定的比例關(guān)系。 雙螺母墊片式預(yù)緊：①特點(diǎn)： 簡(jiǎn)單可靠 ，裝卸方便， 剛性好 ，剛度高； 在雙螺母間加墊片的形式可有專業(yè)生產(chǎn)廠根據(jù)用戶要求事先調(diào)整好預(yù)緊力，使用時(shí)裝卸非常方便 但調(diào)整不便，滾道有磨損時(shí)，不能隨時(shí)消除間隙和預(yù)緊，適用于高剛度重載傳動(dòng)。②調(diào)整方法：調(diào)整墊片厚度，使螺母產(chǎn)生軸向位移。 雙螺母螺紋式預(yù)緊：①調(diào)整方法： 利用一個(gè)螺母上的外螺紋，通過(guò)圓螺母調(diào)整兩個(gè)螺母的相對(duì)軸向位置實(shí)現(xiàn)預(yù)緊。 調(diào)整端部的圓螺母，使螺母產(chǎn)生軸向位移。②結(jié)構(gòu)緊湊，工作可靠，調(diào)整方便，但 準(zhǔn)確性差，且易于松動(dòng)，適用于剛度要求不高或隨時(shí)調(diào)節(jié)預(yù)緊的傳動(dòng)。 雙螺母齒差式預(yù)緊：①調(diào)整方法： 在兩個(gè)螺母的凸緣上分別切出齒數(shù)差為 1 的齒輪，兩個(gè)齒輪分別與兩端相應(yīng)的內(nèi)齒 兩邊的下螺母的凸緣上有外齒，分別與緊固的螺母座 4 的內(nèi)齒圈，兩個(gè)螺母向相同方向旋轉(zhuǎn)，每轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)齒，調(diào)整軸向位移。②能夠精確地調(diào)整預(yù)緊力，但結(jié)構(gòu)尺寸較大，裝配調(diào)整比較復(fù)雜，適宜用于高度精度的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)。 單螺母變導(dǎo)程自預(yù)緊 ： 將螺母的內(nèi)螺紋滾道在中部的一圈上產(chǎn)生一個(gè)導(dǎo)程突變 ， 從而使左右端的滾珠在裝配后產(chǎn)生軸向錯(cuò)位實(shí)現(xiàn)預(yù)緊 [11]。 17 傳 動(dòng)效率計(jì)算 絲杠螺母副的傳動(dòng)效率為：)( ?? ?? ?? tg tg 39。10?? 式中： 39。10?? ，為摩擦角； ? 為絲杠螺旋升角。 39。2 9 1 0 .9 7( ) 39。 39。(2 9 1 1 0 )tg tgtg tg?? ???? ? ??? ? 絲杠變形量及剛度驗(yàn)算 (1)絲杠的變形量主要指絲杠在運(yùn)動(dòng)時(shí)所受的拉伸和壓縮變形量，這部分在變形量中占的比重較大，并按以下公式計(jì)算： 21 2mFa MaES IL? ?? ? ? 其中 a 為絲杠兩端支承之間的距離，單位 mm； E 為絲杠材料的彈性模量鋼的E= 10? MPa， S 為絲杠底徑確定的截面慣性矩（ 42 / 64Id?? ），單位為 4mm ，而公式中的第二項(xiàng)由于轉(zhuǎn)矩較小，故可忽略不計(jì)。所以計(jì)算如下： 61 53 . 3 8 4 3 4 2 0 . 1 4 3 7 4 1 02 . 1 1 0 3 8 3 . 4mFaES? ?? ? ? ? ? ??? 2 21 3 8 3 .44dS m m??? (2)滾珠與螺紋滾道間的接觸變形 量，且在有預(yù)緊的情況下，計(jì)算公式 : 2 230 .0 0 1 3 1 0 / 1 0mW Y JFD F Z? ?? 式中 WD 滾珠直徑，單位 mm，滾珠總數(shù)量0( / ) 3WZ d D???， ZZ? ? ? ?圈 數(shù) 列 數(shù) YJF