1總體方案的確定
1.1引言
現代科學技術的不斷發展，極大地推動了不同學科的交叉與滲透，導致了工程領域的技術革命與改造。在機械工程領域，由於微電子技術和計算機技術的迅速發展及其向機械工業的滲透所形成的機電一體化，使機械工業的技術結構、產品機構、功能與構成、生產方式及管理體系發生了巨大變化，使工業生產由「機械電氣化」邁入了「機電一體化」為特徵的發展階段。
1.2、設計任務
主要是設計乙個具有x、y、z三個座標軸的工作台，能夠沿著x、y、z軸運動，用於加工工具機時不僅可以對空間任意平面加工,而且能對空間曲面加工；還能用於測量裝置，可以對工件的三維座標進行測量。設計包括其機械結構部分，控制系統部分的軟、硬體系統，能夠實現基本的運動功能和聯動功能。
1.3 機械傳動部件的選擇
1.3.1導軌副的選用
要設計的工作台，需要承受20kn的載荷，載荷不大，而且脈衝當量小，定位精度高，因此選用直線滾動導軌副，它具有摩擦係數小，不易爬行，傳動效率高，結構緊，安裝預緊方便等優點。
1.3.2絲槓螺母副的選用
步進電動機的旋轉運動需要通過絲槓螺母副轉換成直線運動，需要滿足0.005mm衝當量和mm的定位精度，滑動絲槓副為能為力，只有選用滾珠絲杆副才能達到要求。
1.3.3減速裝置的選用
選擇了步進電動機和滾珠絲杆副以後，為了圓整脈衝當量，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。
1.3.4步進電動機的選用
選定的脈衝當量尚未達到0.001mm，定位精度也未達到微公尺級，空載最快移動速度也只有因此3000mm/min，故設計不必採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，提高價效比。
1.3.5檢測裝置的選用
為了確保電動機在運動過程中不受切削負載和電網的影響而失步，決定採用半閉環控制，擬在電動機的尾部轉軸上安裝增量式旋轉編碼器，用以檢測電動機的轉角與轉速。增量式旋轉編碼器的分辨力應與步進電動機的步距角相匹配。
1.4 控制系統的設計
1）設計的三座標工作台準備用在數控工具機上，其控制系統應該具有單座標定位，兩座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）對於步進電動機的半閉環控制，選用mpc07運動控制卡作為控制系統的cpu，能夠滿足相關的指標。mpc07控制卡主要特徵有：開放式結構、使用簡便、功能豐富、可靠性高等
3）要設計一台完整的控制系統，在選擇cpu之後，還要擴充套件程式儲存器，鍵盤與顯示電路，i/o介面電路，d/a轉換電路，序列介面電路等。
4）選擇合適的驅動電源，與步進電動機配套使用。
2、機械傳動部件的選擇
由於所設計的三座標工作台是用於數控銑床上，所以根據參考資料設計主要引數如下：
1. 立銑刀最大直徑的d=20 mm；
2. 立銑刀齒數z=4
3. 最大銑削寬度=15mm;
4. 最大背吃刀量=10mm;
5. 加工材料為碳素鋼。
6. x、y方向的脈衝當量=0.005mm/脈衝;
7. x、z方向的定位精度均為mm;
8. 工作檯面尺寸為350mm×350mm，加工範圍為380mm×380mm;
9. 工作台空載進給最快移動速度：;
10. 工作台進給最快移動速度:;
11. 每齒進給量f=0.1mm。
12. 銑刀轉速n=300r/min。
2.1 工作台的受力分析與計算
所設計的三座標工作台是用於銑床上，零件的加工方式為立式銑削，採用硬質合金立銑刀，工件的材料為碳鋼。則由所參考資料查得立銑時的銑削力計算公式為：
今選擇銑刀的直徑為d=20mm，齒數z=4,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，背吃刀量=10mm ，每齒進給量，銑刀轉速。則由式求的最大銑削力：
=n採用立銑刀進行圓柱銑削時，各銑削力之間的比值可由參考資料查得，考慮逆銑時的情況，可估算三個方向的銑削力分別為：。現考慮立銑，則工作台受到垂直方向的銑削力，受到水平方向的銑削力分別為和。今將水平方向較大的銑削力分配給工作台的縱向，則縱向銑削力，徑向銑削力為。
2.1 z軸的選型：
2.1.2 直線滾動導軌副的計算與選型
工作載荷是影響直線滾動導軌副使用壽命的重要因素。工作台為水平布置，採用雙導軌、四滑塊的支承形式。考慮最不利的情況，即垂直於檯面的工作載荷全部由乙個滑塊承擔，則單滑塊所受的最大垂直方向載荷為：
其中，移動部件重量ｇ＝20kn，外加載荷，代入式中，得最大工作載荷=5.751kn。
由所參考資料查得，根據工作載荷=5.751kn，初選直線滾動導軌副的型號為kl系列的jsa-lg25型，其額定動載荷ca=17.7kn，額定靜載荷coa=22.6kn。
任務書規定工作檯面尺寸為350mm×350mm，加工範圍為380mm×380mm，考慮工作行程應留有一定餘量，由所參考資料查得，按標準系列，選取導軌的長度為800mm。
上述所取的kl系列jsa-lg25系列導軌副的滾道硬度為60hrc，工作溫度不超過c，每根導軌上配有兩隻滑塊，精度為4級，工作速度較低，載荷不大。由所參考資料查得，分別取硬度係數f=1.0，溫度係數f=1.
00，接觸係數f=0.81，精度係數f=0.9，載荷係數f=1.
5，代入式中，得距離壽命：
l=大於期望值50km，故距離額定壽命滿足要求。
2.1.3 滾珠絲槓螺母副的計算與選型
如前面所述，在立銑時，工作台受到進給方向的載荷（與絲槓軸線平行）fy=494n,受到橫向載荷（與絲槓軸線平行）fx=2174n，受到垂直方向的載荷（與工作檯面垂直）fz=751n.
已知移動部件總重量g=20000n，按矩形導軌進行計算，由所參考資料查得，取顛覆力矩影響係數k=1.1，滾動導軌上的摩擦係數=0.005。求得滾珠絲槓副的最大工作載荷：
設工作台在承受最大銑削力時的最快進給速度v=300mm/min，初選絲槓導程ph=5mm,則此時絲槓轉速n=v/ph=60r/min。
取滾珠絲槓的使用壽命t=15000h,代入l0=60nt/106,得絲槓壽命係數l0=54（單位為：106r）。
由所參考資料查得，取載荷係數fw=1.2,滾道硬度為60hrc時，取硬度係數fh=1.0,代入公式，求得最大動載荷：
fq= 根據計算出的最大動載荷和初選的絲槓導程，由所參考資料查得，選擇濟寧博特精密絲槓製造****生產的g系列3205-4型滾珠絲槓副，為內迴圈固定反向器單螺母式，其公稱直徑為32mm，導程為5mm，迴圈滾珠為4圈*2系列，精度等級取5級，額定動載荷為13675n，大於fq，滿足要求。
將公稱直徑d0=32mm,導程ph=5mm,代入λ=arctan[ph/(d0)]，得絲槓螺旋公升角λ=2°51′。將摩擦角ψ=10′，代入η=tanλ/tan(λ+ψ),得傳動效率η=92.1%。
2.1.4 步進電動機減速箱的選用
為了滿足脈衝當量的的設計要求，增大步進電動機的輸出轉矩，同時也為了使滾珠絲槓和工作台的轉動慣量折算到電動機軸上盡可能的小，今在步進電動機的輸出軸上安裝一套齒輪機減速，採用一級減速，步進電動機的輸出軸與齒輪相連，滾珠絲槓的軸頭與大齒輪相連。其中大齒輪設計成雙片結構。
已知工作台的脈衝當量=0.005mm/脈衝，滾珠絲槓的的導程ph=5mm， 初選步進電動機的步距角=0.75°。根據公式，算得減速比：
=（0.755）/（3600.005）=25/12
本設計選用常州市新月電機****生產的jbf-3型齒輪減速箱。大小齒輪模數均為1mm，齒數比為75：36，材料為45調質鋼，齒表面淬硬後達到55hrc。
減速箱中心距為[（75+36）1/2]mm=55.5mm,小齒輪厚度為20mm，雙片大齒輪厚度均為10mm。
2.1.5 步進電動機的計算與選型
已知：滾珠絲槓的公稱直徑d0=32mm，總長l=750mm，導程ph=5mm，材料密度=7.8510-5kg/;移動部件總重力g=20000n；小齒輪齒寬b1=20mm.
，直徑d1=36mm，大小齒輪齒寬b2=20mm，直徑d2=75mm；傳動比i=25/12。
由所參考資料查得，算得各個零部件的轉動慣量如下：
滾珠絲槓的轉動慣量js=0.473kg·cm2;拖板折算到絲槓上的轉動慣量jw= 0.298kg·cm2;小齒輪的轉動慣量jz1=0.
259 kg·cm2；大齒輪的轉動慣量jz2=4.877 kg·cm2。
初選步進電動機的型號為110byg2602,為兩相混合式，由常州寶馬集團公司生產，二相八拍驅動時的步距角為0.75°，由所參考資料查得該型號的電動機轉子的轉動慣量jm=15 kg·cm2。
則加在步進電動機轉軸上的總轉動慣量為：
=16.56kg·cm2
分快速空載和承受最大負載兩種情況計算等效負載轉矩teq。
1) 快速空載起動時電動機轉軸所承受的負載轉矩由公式可知，包括三部分;一部分是快速空載起動時折算到電動機轉軸上的最大加速轉矩；一部分是移動部件運動時折算到電動機轉軸上的摩擦轉矩；還有一部分是滾珠絲槓預緊後折算到電動機轉軸上的附加摩擦轉矩。因為滾珠絲槓副傳動效率很高，根據公式可知，相對於和很小，可以忽略不計。則有：
1）根據公式，考慮傳動鏈的總效率，計算空載起動時折算到電動機轉軸上最大加速轉矩：
2）其中1250r/min3）
式中—空載最快移動速度，為3000mm/min；
—步進電動機步距角，預選電動機為0.75；
—脈衝當量，本例=0.005mm/脈衝。
設步進電機由靜止加速至所需時間，傳動鏈總效率。則由式（2）求得：
=由公式知，移動部件運動時，折算到電動機轉軸上的摩擦轉矩為： == (4)
式中——導軌的摩擦因素，滾動導軌取0.005
——垂直方向的銑削力，空載時取0
——傳動鏈效率，取0.7
最後由式（1）求得快速空載起動時電動機轉軸所承受的負載轉矩：
=+=0.824nm
三座標工作台控制系統綜合設計
1總體方案的確定 1.1引言 現代科學技術的不斷發展，極大地推動了不同學科的交叉與滲透，導致了工程領域的技術革命與改造。在機械工程領域，由於微電子技術和計算機技術的迅速發展及其向機械工業的滲透所形成的機電一體化，使機械工業的技術結構 產品機構 功能與構成 生產方式及管理體系發生了巨大變化，使工業生產...
數控X Y工作台及其控制系統
前言數控工具機課程設計是機電一體化專業教學中的乙個重要的實踐環節，學生學完技術基礎課和專業課，特別是 數控技術及應用 課程後應用的，它是培養學生理論聯絡實際 解決實際問題能力的重要步驟。本課程設計是以機電一體化的典型課題 數控系統設計方案的擬定為主線，通過對數控系統設計總體方案的擬定 進給伺服系統機...
精密機械設計三座標實驗指導書
2 基本元素的測量 基本元素測量是所有測量和其它工作的基礎。所有零件的檢測都要通過對基本幾何元素的測量來實現。通過測量得到指定被測基本元素的有關引數值。通過此功能可測量指定點 線 面 圓 弧 橢圓 圓柱 圓錐 球 鍵槽 曲線 曲面等基本元素。用滑鼠單擊 測量 圖示，然後單擊 被測元素 圖示。工作區將...