通用两维运动平台说明书22

摘要X-Y工作台是指能分别沿着X向和Y向移动的工作台。

数控机床的加工系统、立体仓库中堆垛机的平面移动系统、平面绘图仪的绘图系统等,尽管结构和功能各不相同,但基本原理相同。

机电一体化系统是将机械系统与微电子系统结合而形成的一个有机整体。

本文通过对X-Y工作台的机械系统、控制系统及接口电路的设计,阐述了机电一体化系统设计中共性和关键的技术。

本次课程设计，主要设计和研究Ｘ－Ｙ工作台及其电气原理图。

确定Ｘ－Ｙ工作台的传动系统，并且选择了滚珠丝杠螺母的传动，验算了滚珠丝杠螺母的刚度、稳定性，寿命等参数；还设计了导轨，根据其用途和使用要求，选择了直线滚动导轨副，确定了其类型、转动力矩、转动惯量。

利用PLC设计其硬件电路图。

【关键词】：滚珠丝杠螺母副；直线滚动导轨副；步进电机；PLC控制目录第一章总体设计方案 (1)1.1系统运动方式的确定与驱动系统的选择 (1)1.2机械传动方式 (1)1.3数控系统选择 (1)1.4总体方案的确定 (2)第二章机床进给驱动系统机械部分设计计算 (3)2.1 设计参数 (3)2.2 滚珠丝杠螺母副的计算与选型 (3)2.2.1 X向进给丝杠 (3)2.2.2 Y向进给丝杠 (5)2.2.3滚珠丝杠副的几何参数 (7)2.3 直线滚动导轨的计算与选择 (7)2.3.1 滚动导轨副的工作载荷计算 (8)2.4 步进电机的计算与选择 (9)2.4.1 转动惯量的计算 (9)2.4.2 电机的转矩的计算 (10)第三章数控系统硬件电路设计 (13)3.1 数控系统 (13)3.2 PLC数控系统硬件电路设计 (13)3.2.1 PLC数控控制系统框图 (13)3.2.3 PLC的类型 (14)3.2.4扩展功能模块的选型 (15)3.2.5 I/O口接线设计 (15)3.3 驱动器的选型 (16)3.4 三相步进电机工作原理 (16)3.5 控制系统的工作原理 (17)第一章总体设计方案1.1系统运动方式的确定与驱动系统的选择运动方式可分为点位控制系统、点位/点线系统和连续控制系统。

为了满足二维运动平台实现X-Y两坐标联动,运动定位,暂停,急停等功能,故选择连续控制系统。

驱动系统有开环、闭环和半闭环。

本方案利用了开环系统，利用步进电机进行驱动。

1.2机械传动方式为了实现设计要求的分辨率，采用步进电机转动丝杠。

为了保证一定的传动精度和传动平稳性，尽量减小摩擦力，选用滚珠丝杠螺母副。

同时，为了提高传动刚度和消除传动间隙，采用有预加负荷的结构。

1.3数控系统选择通用平台的控制系统要求实现X-Y两坐标联动，设置工作台的越位报警和紧急事故的急停开关，并响应中断，且具有快速驱动功能。

根据以上条件考虑到数控装置的尺寸、经济型、实用性、可靠性等因素采用PLC控制系统来控制平台的运行。

1.4总体方案的确定图1—1 X—Y数控工作台总体方案设计第二章 机床进给驱动系统机械部分设计计算2.1 设计参数1、工作台台面尺寸：250³2002、工作台移动尺寸： X ³Y=160³1253、夹具和工作台总重： N 5004、最高运行速度：步进电动机运行方式：空载：1.5m/mim ：切削：0.7m/min ；交流伺服电动机运行方式：空载：15m/mim ：切削：6m/min ；5、系统分辨率：开环模式0.01mm/step ；半闭环模式0.005mm/step ；6、系统定位精度：开环模式±0.10mm ；半闭环模式±0.01mm/step ；7、切削负载：X 向300N ；Y 向 400N ；Z 向 500N ；2.2 滚珠丝杠螺母副的计算与选型2.2.1 X 向进给丝杠（1）、计算工作载荷力m F作用在滚珠丝杠上的进给牵引力主要包括切削时的走刀抗力以及移动件的重量和切削分力在导轨上的摩擦力。

因而其数值的大小与导轨的型式有关，由于在设计中采用的是加有导轨块的滚动导轨，所以选择的计算公式为综合导轨的计算公式。

计算公式为：)(G F F KF F Y Z x m +++=μ式中 X F 、Z F 、---切削分力（N ）；G ---移动部件上的重量（N ）；M ---主轴上的扭距（N ²cm ）；μ ---导轨上的摩擦系数，随导轨型式而不同；K ---考虑颠复力矩影响的实验系数；综合导轨的1.1=K , 005.0~0025.0=μ，取004.0=μ，式中N F X 300=，N F Y 400=, N F Z 500=，N =500G代入计算得 N F m 6.335=（2）、计算最大动载荷Q Fmin /700mm v =初选丝杠导程mm P h 4=，则此时丝杠转速min /175/r p v n h ==取滚珠丝杠的使用寿命h T 15000=，代入6010/60nT L =丝杠寿命系数15810/150001756060≈⨯⨯=L查表3-30取载荷系数2.1=w f ，再取硬度系数1=H f ，代入式3-23求得最大载荷N F f f L F m H w Q 217730≈=（3）、滚珠丝杠螺母副的选型所选丝杠螺母副规格如下（其中载荷单位为kgf ）表2-1 丝杠螺母副规格根据以上算得的最大动负载C 在表中选用型号额定动载荷为4612，满足前面进给方向的要求。

（4）、传动效率计算滚珠丝杠螺母副的传动效率η：()ϕλλη+=tg tg 式中 λ---丝杠螺旋升角；ϕ---摩擦角，滚珠丝杠的滚动摩擦系数004.0~003.0=f ，其摩擦角约等于'10。

mm d 160= 导程mm P h 4=代入[]0/ar ct an d P h πλ=由选用的W 1L2506的滚珠死杠的相关数据可知丝杠螺旋升角055.4=λ代入公式计算得 %38.96=η2.2.2 Y 向进给丝杠（1）计算进给牵引力作用在滚珠丝杠上的进给牵引力主要包括切削时的走刀抗力以及移动件的重量和切削分力在导轨上的摩擦力。

因而其数值的大小与导轨的型式有关，由于在设计中采用的是加有导轨块的滚动导轨，所以选择的计算公式为矩形导轨的计算公式。

最大工作载荷m F 的计算公式如下：)(G F F KF F x z y m +++=μ式中 x F ---进给方向载荷（N ）；y F ---横向载荷（N ）； z F ---垂直载荷（N ）；μ ---导轨上的摩擦因数；K ---颠复力矩影响系数；G ---移动部件总重力；综合导轨的1.1=K , 005.0~003.0=μ，取004.0=μ，式中N F X 300=，N F y 400=，N F Z 500=，N G 500=代入计算得 N F m 2.445=（2）最大动载荷Q F 的计算最大动载荷Q F 的计算公式如下： m H W Q F f f L F 30= 601060nT L =dv n π1000= 式中 h T 10000~5000=，取8000=T ；0L ---滚珠丝杠副的寿命，以r 610为一单位；W f ---载荷系数，由表3-30查的；2.1=W fH f ---硬度系数，0.1=H fm F ---滚珠丝杠副的最大工作载荷，单位为N代入计算的 )(175s r n =)10(15860r L =)(2888N F Q =（3）规格型号的初选由额定动载荷Q a F C ≥和额定静载荷m oa F C )3~2(≥，查表3-31，选择济宁博特精密丝杠制造有限公司生产的G 系列1604-3型滚珠丝杠副，为固定反向器单螺母式，其公称直径为16mm ，导程为4mm ，循环滚珠数为3圈⨯1列，精度等级取5级，额定动载荷为4612N 大于Q F ，满足要求。

（4）传动效率计算 滚珠丝杠螺母副的传动效率η：()ϕλλη+=tg tg 式中 λ---丝杠螺旋升角，由)(0d P arctg h πϕ---摩擦角，一半取010。

代入公式计算得 %38.96=η（5）、刚度的验算1、丝杠支承的中心距约为mm a 289= 钢的弹性模量MPa E 5101.2⨯=查表得滚珠直径381.2=w D 丝杠底径1.132=d 丝杠截面积22271.1344/mm d S ==π丝杠在工作载荷m F 作用下产生的拉压变形()00343.0/1==ES a F m δ2、根据公式()183/0=-=w D d Z π该型号丝杠为单螺母，圈数⨯列数 31⨯⨯=∑Z Z 圈数⨯列数=18⨯31⨯=54，取轴向预紧力87.1113/==Fm F YJ N00106.010/5187.111381.2100013.0322=⨯⨯=mF δ因为丝杠加有预紧力，且为轴向负载的1/3，所以实际变形量可减小一半mm 00053.02=δ （6）、压杆稳定性校核根据式（3—28）计算失稳时的临界载荷K F ,查表3-34，取支撑系数1=k f ；有丝杠底径mm d 1.132=，求的截面惯性矩442623.144564/mm d I ==π；压杆稳定安全系数3=K ;支撑距离289=a ，代入式（3-28），N KaEI f F k k 1195822==π, 远大于工作载荷N F m 6.335=，故丝杠不失稳。

综上述，初选的滚珠丝杠副满足使用要求。

（7）滚珠丝杠的长度确定X 向和Y 向： 螺纹长度mm L u 229=；支承跨距mm l 2891=；丝杠全长mm L 335=；2.2.3滚珠丝杠副的几何参数图2-2 滚珠丝杠副几何参数2.3 直线滚动导轨的计算与选择目前，滚动导轨在数控机床上应用非常广泛，因为其摩擦系数f =0025.0005.0~；动、静摩擦系数很接近，几乎不受运动速度的变化的影响，运动轻便、灵活，所需驱动功率小，摩擦发热小，磨损小，精度保持性好；低度运动时不易出现爬行现象，因而定位精度高，所以选用滚动导轨。

2.3.1 滚动导轨副的工作载荷计算(1)、滑块承受工作载荷max F 的计算及导轨的选取工作载荷是影响导轨副的使用寿命的重要因素。

对于水平布置的十字工作台，多采用双导轨、四滑块的支承形式。

滑块承受工作载荷max F 的计算公式： max F 6254/=+=F G N 根据m a x F =0.625KN ,初选直线导轨滚动导轨副的型号为表（3-41）JSA-KL 型直线滚动导轨任务书工作台面工作台台面尺寸：250³200工作台加工范围， X ³Y=160³125，查表（3-35）得选取导轨长度为400mm 。

(2)、距离额定寿命的计算1、额定寿命计算其计算公式如下：)*(50maxF C f f f f L a W c t h =3式中 L ---距离额定寿命，单位为Kma C ---额定动载荷；额定动载荷a C KN 94.7= max F ---计算载荷,max F KN 625.0=t f ---温度系数；运行时的温度小于100查相关资料可的00.1=t f ；c f ---接触系数；导轨上的滑块数为2查相关资料81.0=c fw f ---载荷系数；无明显冲击和震动，中速运动场合速度在15-60m/min 之间查相关资料5.1=w fh f ---硬度系数；滚道硬度不得低于HRC58故通常取1=h f代入公式计算得：)*(50maxF C f f f f L a W c t h = =11768km2、寿命时间的计算km mm L h 5.22min 6015000min /1500=⨯⨯=L 远大于h L 故初选型号满足设计要求。