兩軸微機伺服工作臺的設計機械電子工程專業畢業設計畢業論(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 一體化模塊代表了未來產品的發展方向，具有高度自主性、良好的協調性和自組織性的特點 。 ⑵ 微型化 。 微機電一體化產品體積小、耗能少、運動靈活 , 可進入一般機械無李敬：兩軸微機伺服工作臺的設計 4 法進入的空間，并易于進行精細操作，在生物醫療、軍事、信息等方面具有不可比擬的優勢。目前，利用半導體器件制造過程中的蝕刻技術，在實驗室中已制造出亞微米級的機械元件。 ⑶ 綠色化 。 21 世紀，機電一體化技術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、環境舒適和可回收的智能化機械產品，即提供一種能滿足可持續性發展的綠色產品。 ⑷ 智能化 。 目前 , 專家系統、模糊系統、神經網絡以及遺傳算法 , 是機電一體化產品 (系統 ) 實現智能化的 4 種主要技術，隨著制造自動化程度的不斷提高 , 將會出現智能制造系統控制器來模擬人類專家的智能制造活動 , 并會對制造中出現的問題進行分析、判斷、推理、構思和決策。 ⑸ 網絡化 。 現場總線和局域網技術 使 家用電器網絡化已成大勢 , 利用家庭網絡(home) 將各種家用電器連接成以計算機為中心的計算機集成家電系統 (puter integrated appliancesystem, CIAS) ,因此機電一體化產品無疑朝著網絡化方向發展。 2021屆機械電子工程專業畢業設計（論文） 5 第 2章 總體方案設計 確定主要參數 由于本文力圖設計一種小型的通用工作臺， 這種工作臺可以用在小型的銑床、鉆床上 ，還可以用于學校的視教再現，所以在參考了眾多資料書籍以后，決定選取以下設計參數： 系統分辨率： 最大鉆孔直徑為 5mm 立銑刀最大直徑φ 15mm，齒數 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 工作臺面尺寸為 230mm 230mm；加工范圍為 250mm 250mm； 工作臺 X、 Y方向空載最快移動速度為 3000mm/min； 工作臺 X、 Y方向進給最快速度為 400mm/min； 預期工作壽命 15000h 重復定位精度 10um X、 Y 方向定位精度 XY 方向的脈沖當量均為 本工作臺目的是要適合多種用途，為了盡可能的適合多種小型設備，所以計算中取值都偏大。 機械傳動部件的選擇 導軌副的選用 要設計數控工作臺，需要承受的載荷不大，而且脈沖當量小，定位精度高，因此選用直線滾動導軌副，它具有摩擦系數小，不易爬行，傳動效率高，結 構緊，安裝預緊方便等優點。 絲杠螺母副的選用 伺服電動機的旋轉運動需要通過絲杠螺母副轉換成直線運動，需要滿足 李敬：兩軸微機伺服工作臺的設計 6 沖當量和 ? mm的定位精度，只有選用滾珠絲桿副才能達到要求，滾珠絲桿副的傳動精度高、動態響應快、運轉平穩、壽命長、效率高、預緊后可消除反向間隙。 減速裝置的選用 選擇了步進電動機和滾珠絲桿副以后，為了圓整脈沖當量，放大電動機的輸出轉矩，降低運動部件折算到電動機轉軸上的轉動慣量，可能需要減速裝置，且應有消間隙機構，選用無間隙齒輪傳動減速箱。 伺服電 動機的選用 任務書規定的脈沖當量尚未達到 ，定位精度也未達到微米級，空載最快移動速度也只有因此 3000mm/min，故本設計不必采用高檔次的 伺服 電動機，因此可以選用混合式步進電動機。以降低成本，提高性價比。 控制系統 的選用 選用步進電動機作為伺服電動機后，可選開環控制，也可選閉環控制。 設計參數所給的精度對于步進電動機來說 尚可以達到 ，決定采用 開 環控制， 以降低成本。 考慮到 X、 Y兩個方向的加工范圍相同，承受的工作載荷相差不大，為了減少設計工作量， X、 Y 兩個坐標的導軌副、絲杠螺母副、減速裝置、伺服電動 機擬采用相同的型號與規格。 控制系統的設計 1）設計的 XY 工作臺準備用在數控 鉆 床 和銑床 上，其控制系統應該具有單坐標定位，兩坐標直線插補與圓弧插補的基本功能，所以控制系統設計成連續控制型。 2）對于步進電動機的 開 環控制，選用 MCS51系列的 8位單片機 89C51 作為控制系統的 CPU，能夠滿足 相關指標 。 3）要設計一臺完整的控制系統，在選擇 CPU 之后，還要擴展程序存儲器，鍵盤與顯示電路， I/O 接口電路， D/A 轉換電路，串行接口電路等。 4）選擇合適的驅動電源，與步進電動機配套使用。 系統總體框圖 2021屆機械電子工程專業畢業設計（論文） 7 圖 21 李敬：兩軸微機伺服工作臺的設計 8 第 3章 機械設計部分 工作臺的外形尺寸及重量初步估算 根據工作臺 面尺寸和 加工范圍，估算其重量。 XY工作臺 外觀圖 如下 ： 圖 31 X 方向工作臺尺寸的確定： X 向托板（上托板）的尺寸：長寬高 230mm 230mm 50mm 上導軌（ X 向） 取動導軌長度 動導軌行程 支承導軌長度 Y 方向工作臺尺寸的確定： Y 向托板（下托板）的尺寸：長寬高 600mm 200mm 20mm 下 導 軌（ Y 向） 取動導軌長度 mmlB 230?mml 250?mmllL B 480???mmlB 250?2021屆機械電子工程專業畢業設計（論文） 9 動導軌行程 支承導軌長度 重量估計： W 下 = 夾具及工件重量： XY 工作臺運動部分重量： 鉆削力和銑削力的計算 鉆削力（軸向）的計算 經查 表 38， 進給量取 ，則 銑削力的計算 設零件的加工方式為立式銑削，采用硬質合金立銑刀，工件的材料為 鋼 。則 由表37查得立銑時的銑削力計算公式為： 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 Z=3,為了計算最大銑削力，在不對稱銑削情況下，取最大銑削寬度為 α e=15mm，背吃刀量 pa =8mm，每齒進給量 fZ=，銑刀轉速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：兩軸微機伺服工作臺的設計 10 采用立銑刀進行圓柱銑削時，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 考慮逆銑時的情況，因為逆銑的情況的受力最大的情況，為了安全考慮這種最危險的工況。由此可估算三個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?? 滾動導軌的選用 導軌長度： 在工作臺外形尺寸初步估算中我們得到 X 方向導軌長度為 480mm， Y方向導軌長度為 500mm。考慮到工作行程應該留有一定余量，選取導軌的長度均為 600mm。 導軌工作負載計算 導軌基本 額定動負載的計算 ： 動 = 1 4 6 3 2 0 6 1 6 0 1 8 2 9X c XC F W W N? ? ? ? ? ? 2021屆機械電子工程專業畢業設計（論文） 11 動 Y 總= 14 63 64 4 21 07cC F W N? ? ? ? 導軌基本額定靜負載的計算 ： 根據以上數據，選擇 由濟寧博特公司生產 KL 系列的 JSALG15 型 導軌副，其參數如下 ： 塊承受工作載荷 maxF 的計算 工作載荷是影響直線滾動導軌副使用壽命的重要因素。本例中的 XY 工作臺為水平布置，采用雙導軌、四滑塊的支承形式?？紤]最不利的情況，即垂直于臺面的工作載荷全部由一個滑塊承擔，則單滑塊所受的最大垂直方向載荷為： max GFF4?? 其中，移動部件重量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 的計算 上述所取的 KL 系列 JSALG15 系列導軌副的滾道硬度為 60HRC，工作溫度不超過100 C，每根導軌上配有兩只滑塊，精度為 4級，工作速度較低，載荷不大。查表 336~表 340，分別取硬度系數 fH =，溫度系數 fT =，接觸系數 fc =，精度系數fR =，載荷系數 fw =，代入式（ 333），得距離壽命： 型號 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 裝配后 組合尺寸 導軌尺寸 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：兩軸微機伺服工作臺的設計 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。 滾珠絲杠的計算和選擇 滾珠絲杠的負荷包括 鉆削力和 銑削力及運動部件的重量所引起的進給抗力。應按銑削時的情況計算 。 最大工作載荷 Fm的計算 在立銑時，工作臺受到進給方向的載荷（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（與工作臺面垂直） zF =556N. 已知移動部件總重量 G=644N，按矩形導軌進行計算，查表 329，取顛覆力矩影響系數 K=，滾動導軌上的摩擦系數 ? =。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 最大動工作載荷 FQ 的計算 設工作臺在承受最大銑削力時的最快進給速度 v=400mm/min，初選絲杠導程 Ph=5mm,則此時絲杠轉速 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 LO=72（單位為： 106r）。 查表 330， 取載荷系數 Wf =,滾道硬度