XY数控机床设计说明书.doc

广西科技大学（筹）机械工程学院数控机床课程设计说明书 设计题目： X-Y数控工作台机电系统设计 班级： 机自Y093班 姓名： 黄剑锋 指导教师： 李 冰 徐武彬 广西科技大学（筹）机电一体化教研系2012年 6 月目 录第一章 数控机床课程设计的3第二章 设计任务3第三章 设计主要步骤4 1.1确定设计总体方案 4 1.11机械传动部件的选择4 1.12控制系统的设计4 1.2机械传动部件的计算与选型 5 1.21导轨上移动部件的重量估算5 1.22计算切削力。（查手册）5 1.23滚珠丝杠传动的设计计算及校验。（课本P109）6 1.24步进电机的传动计算及电动机的选用。（课本P121）9 1.25滚动导轨的设计计算。（课本P198） 14 1.3其余附件（轴承、联轴器等）的选择 18第四章 控制系统的设计18第五章 机械部分装配图的绘制20第六章 参考文献21第七章 总结体会21一、设计的目的数控机床课程设计是一个重要的时间性教学环节，要求学生综合的运用所学的理论知识，独立进行的设计训练，主要目的： 1.通过设计，使学生全面地、系统地了解和掌握数控机床的基本组成及其想怪知识，学习总体的方案拟定、分析与比较的方法。 2.通过对机械系统的设计，掌握几种典型传动元件与导向元件的工作原理、设计计算及选用的方式 3.通过对机械系统的设计，掌握常用伺服电机的工作原理、计算控制方法与控制驱动方式 4.培养学生独立分析问题和解决问题的能力，学习并树立“系统设计”的思想 5.锻炼提高学生应用手册和标准、查阅文献资料及撰写科技论文的能力二、设计任务设计一套供立式数控铣床使用的X-Y数控工作台，主要参数如下：1.立铣刀最大直径的d=15mm，立铣刀齿数Z=3，最大铣削宽度=15mm最大背吃刀量=8mm，加工材料为碳素钢或有色金属。2.X、Z方向的定位精度均为0.02mm。3.工作台面尺寸为，加工范围为;4.工作台空载进给最快移动速度：，工作台进给最快移动速度:，加减速0.4s。三、设计主要步骤1.确定设计总方案机械传动部件的选择丝杠螺母副的选择步进电动机的旋转运动需要通过丝杠螺母副转换成直线运动，需要满足初选0.01mm脉冲当量，因为定位精度0.02mm，对于机械传动要有一定的精度损失，大约是1/3-1/2的定位精度，现取为1/2，即是0.01mm和0.02mm的定位精度，滑动丝杠副无法做到，只有选用滚珠丝杆副才能达到要求，滚珠丝杆副的传动精度高、动态响应快、运转平稳、寿命长、效率高、预紧后可消除反向间隙。同时选用内循环的形式，因为这样摩擦损失小，传动效率高，且径向尺寸结构紧凑，轴向刚度高。由于定位精度不高，故选择的调隙方式是垫片调隙式，这种调隙方式结构简单，刚性好，装卸方便。由于工作台最快的移动速度，所需的转速不高，故可以采用一般的安装方法，即一端固定，一端游动的轴承配置形式。导轨副的选用要设计数控铣床工作台，需要承受的载荷不大，而且脉冲当量小，定位精度高，因此选用直线滚动导轨副，它具有摩擦系数小，不易爬行，传动效率高，结构紧，安装预紧方便等优点。伺服电机的选用选用步进电动机作为伺服电动机后，可选开环控制，也可选闭环控制。任务书所给的精度对于步进电动机来说还是偏低，为了确保电动机在运动过程中不受切削负载和电网的影响而失步，决定采用开环控制，任务书初选的脉冲当量尚未达到0.001mm，定位精度也未达到微米级，空载最快移动速度也只有3000mm/min,故本设计不必采用高档次的伺服电机，因此可以选用混合式步进电机，以降低成本，提高性价比。减速装置的选用选择了步进电动机和滚珠丝杆副以后，为了圆整脉冲当量，放大电动机的输出转矩，降低运动部件折算到电动机转轴上的转动惯量，可能需要减速装置，且应有消间隙机构，如果要选用减速装置，则应选用无间隙齿轮传动减速箱。控制系统的设计 设计的X-Y工作台准备用在数控铣床上，其控制系统应该具有轮廓控制，两坐标直线插补与圆弧插补的基本功能，所以控制系统设计成连续控制型。对于步进电动机的开环控制系统，选用MCS-51系列的8位单片机AT89S52作为控制系统的CPU，能够满足任务书给定的相关指标。要设计一台完整的控制系统，在选择CPU之后，还要扩展程序存储器，I/O接口电路，D/A转换电路，串行接口电路等。选择合适的驱动电源，与步进电动机配套使用。2.机械传动部件的计算和选择（1）导轨上移动部件的重量估算按照下导轨上面移动部件的重量来进行估算。包括工件、夹具、工作平台、上层电动机、减速箱、滚珠丝杠副、直线滚动导轨副、导轨座等，估计重量约为800N。（2）计算切削力根据设计任务，加工材料为碳素钢或有色金属及如下参数：立铣刀 最大直径的d=15mm，立铣刀齿数Z=3，最大切削宽度=15mm最大背吃刀量=8mm，每齿进给量fz=0.1mm铣刀转速n=300r/min设零件的加工方式为立式加工，采用硬质合金铣刀，工件材料为碳素钢，由【2】中P200,查得立铣时切削力计算公式为：求得： 采用立铣刀进行圆柱铣削时，各铣削力之间的比值可由【2】查得，各铣削力之间的比值范围如下：=(1.01.2) 取1.1/=(0.20.3) 取0.25/=（0.350.4） 取0.37考虑逆铣时的情况，因为逆铣的情况的受力最大的情况，为了安全考虑最危险的工况。由此可估算三个方向的铣削力分别为： 考虑立铣，则工作台受到垂直方向的铣削力，受到水平方向的铣削力分别为和今将水平方向较大的铣削力分配给工作台的纵向，则纵向铣削力，径向铣削力为。 滚珠丝杠传动设计计算及校验最大工作载荷的计算。已知移动部件总重量G=800N，按矩形导轨计算，查手册，取颠覆力影响系数K=1.0，滚动导轨上的摩擦系数查课本P194可知u=0.00250.005,现取u=0.0025，求得滚珠丝杠副的最大工作载荷： =1.01357+0.0025(308+456.4+800)=1361N最大计算动载荷的确定设工作台在承受最大铣削力时的最快进给速度v=400mm/min，初选丝杠导程Ph=5mm,则此时丝杠转速n=v/Ph=80r/min。预计滚珠丝杠的工作五年,每天工作八小时，由此得使用寿命为T=53608=14400h15000h，根据课本P100，公式54得：=其中T使用寿命15000h N循环次数 滚珠丝杠的当量转速80r/min 求得：72（）由表5-1、5-2查得，受中等冲击载荷取，滚道硬度为60HRC时，取硬度影响系数，由公式5-3带入数据求得： 规格型号的初选根据计算出的最大动载荷和初选的丝杠导程，查资料，选择济宁博特精密丝杠制造有限公司生产的G系列1605-3型滚珠丝杠副，为内循环固定反向器单螺母式，其公称直径为16mm，导程为5mm，循环滚珠为3圈1系列，精度等级取5级，额定动载荷为5661.9N，大于Feq，满足要求。由此得滚珠丝杠螺母副的集合关系（单位mm）表一名 称符 号计算公式和结果 螺纹滚道公称直径20螺距Ph5接触角钢球直径3.5螺纹滚道法面半径偏心距螺纹升角螺杆丝杠外径15.5丝杠底径12.9螺杆接触直径螺母螺母螺纹外径螺母内径（外循环）传动效率的计算将公称直径d0=20mm,导程Ph=5mm,代入=arctanPh/(d0)，得丝杠螺旋升角=433。将摩擦角=10，代入=tan/tan(+),得传动效率=96.4%。、步进电机的传动计算及电动机的选用。（课本P121）(1)传动计算因为该铣床的加工精度为0.02mm，考虑到机械传动部分造成的精度损失，故选用铣床的脉冲当量为0.01mm/Hz，初选步进电动机的步距角=0.72。由课本P111式5-20得：传动比i=由于传动比为1，则不需要选用减速箱，采用电动机轴与丝杠通过联轴器联接的方式。(2)步进电动机的计算和选型步进电动机转轴上的总转动惯量的计算。总转动惯量J主要包括电动机转子的转动惯量、滚珠丝杠上一级移动部件等折算到电动机轴上的转动惯量。a、 滚珠丝杠的转动惯量J由课本P123式5-30得：式中D为丝杠公称直径D=16mm L为丝杠长度L=520mm 代入数据，得：J=0.771652010=610kg.b、 滚珠丝杠上一级移动部件等折算到电动机轴上的转动惯量 由课本式5-31得：其中M为工作台的（包括工件）的质量M=81.6kg S为丝杠螺距S=5mm 代入数据，得： 初选常州宝马集团电机电器有限公司的90YG5502，可知其转子的转动惯量 所以=6.410+5.210+2.410=3.5710N.m 验算惯量匹配，电动机轴向惯量比值应控制在一定的范围内，既不应太大也不应太小，即伺服系统的动态特性取决于负载特性。为使该系统惯量达到较合理的配合，一般比值控制在1/41之间，由此可见:,符合惯量匹配要求。步进电机轴上的等效负载转矩M的计算 a、承受的负载转矩在不同工况下是不同的，考虑最大切削负载时电动机所需力矩，由课本P122式5-25及表5-5，得：其中 其中为折算到电动机轴上的总惯量=3.5710T系统时间常数，由任务书知为T=0.4S切削时的转速为300r/min求得： 其中：为导轨摩擦力 S为丝杠螺距S=5mm i为齿轮降速比，已计算出为1 为传动链总效率，=0.70.85，取0.8代入数据得：其中：为最大轴向载荷， 为滚珠丝杠未预紧时的效率，=0.950.9 其余数据同上 代入数据求得：其中：进给方向的最大切削力 其余参数同上。代入数据得： 由此都得到等效负载转矩 b、快速空载时电动机所需力矩M由课本P122式5-26得：加速力矩其中：,其余参数同上 入数据得：力矩摩擦其中：u为导轨副的摩擦因数，滚动导轨取 U=0.005 其余参数同上。入数据得：附加摩擦力矩：参数同上。代入数据得： 所以可知快速空载时点击所需力矩： =0.056+0.00625+0.048 0.11N.m比较和，取其较大者，就是最大等效负载，即：=1.42 步进电机的初选 考虑到步进电机的驱动电源受电网的影响较大，当输入电压降低时，其输入转矩也会下降，可能会造成丢步，甚至堵转，因此按最大等效负载M考虑一定的安全系数，取=3，则步进电机的最大静转矩应满足： 由所选的电机型号参数可知，最大转矩，可知满足要求。 步进电机性能校核 a 、最快工进速度时电动机 输出转矩校核任务书给定工作台最快工进速度=400mm/min，脉冲当量/脉冲，求出电动机对应的运行频率。从90BYG2602电动机的运行矩频特性曲线图可以看出在此频率下，电动机的输出转矩5Nm，远远大于最大工作负载转矩=1.42Nm，满足要求。 b、最快空载移动时电动机输出转矩校核 任务书给定工作台最快空载移动速度=3000mm/min，求出其对应运行频。由图查得，在此频率下，电动机的输出转矩=3.5Nm，大于快速空载起动时的负载转矩=0.11Nm，满足要求。c、最快空载移动时电动机运行频率校核 与快速空载移动速度=3000mm/min对应的电动机运行频率为查表4-5可知90BYG2602电动机的空载运行频率可达20000，可见没有超出上限。 起动频率的计算 已知电动机转轴上的总转动惯量，电动机转子的转动惯量，电动机转轴不带任何负载时的空载起动频率。由式可知步进电动机克服惯性负载的起动频率为：说明：要想保证步进电动机起动时不失步，任何时候的起动频率都必须小于。实际上，在采用软件升降频时，起动频率选得更低，通常只有。综上所述，本次设计中工作台的进给传动系统选用90YG5502步进电动机，完全满足设计要求。 确定选型的步进电机的参数外形尺寸和矩频特性如表2所示表二安装接线图和外形图如图1所示图1滚动导轨的设计计算 工作载荷的计算 工作载荷是影响导轨副寿命的重要因素，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。考虑最不利的情况，即垂直于台面的工作载荷全部由一个滑块承担，则单滑块所承受的最大垂直方向载荷为： 其中，移动部件重量G=800N,外加载荷F=456.4N代入上式，得： 小时额定工作寿命的计算预期工作台的工作寿命为5年，一年365天，取工作时间为360天，每天工作8小时，因此得到小时额定工作寿命 距离额定寿命计算由公式，从而得到式中，为小时额定工作寿命。 n为移动件每分钟往复次数（46）取5 S为移动件行程长度，由加工范围为250mm250mm取520mm代入数据得： 额定动载荷计算由公式从而得到：式中：为额定动载荷 L为距离工作寿命，由上式可知为4493km F为滑块的工作载荷，由上式可知为656.4N代入数据得：N 产品选型根据额定动载荷，选择滚动导轨，查滚动导轨生产厂家，选用南京工艺装备制造有限公司的GGB20BA型，相关尺寸如下图3所示，表三可知其额定动载荷C=11.6KN，远大于5.488KN，故可知满足要求。 安装连接尺寸。对于导轨的安装按照如图4所示相关尺寸安装。3.其余附件（轴承、联轴器等）的选择1.联轴器的选择 刚性联轴器结构比较简单，制造容易， 免维护，超强抗油以及耐腐蚀，即使承受负载时也无任何回转间隙，即便是有偏差产生负荷时，刚性联轴器还是刚性传递扭矩。适用于安装底座刚性好、对中精度较高、冲击载荷不大、对减振要求不高的中小功率轴系传动。根据选出的电机和丝杠的参数，选用沈阳光宇科技有限公司的SLK13-C32型刚性联轴器。参考网址 /asp/cpzx-show.asp?productid=1753如表4：表四四、控制系统的设计根据任务书的要求，设计控制系统的时主要考虑以下功能：（1） 接受操作面板的开关与按钮信息；（2） 接受限位开关信号；（3） 控制X，Y向步进电动机的驱动器；（4） 与PC机的串行通信。 CPU选用MCS-51系列的8位单片机AT89S52，采用8279，和W27C512，6264芯片做为I/O和存储器扩展芯片。W27C512用做程序存储器，存放监控程序；6264用来扩展AT89S52的RAM存储器存放调试和运行的加工程序；8279用做键盘和LED显示器借口，键盘主要是输入工作台方向，LED显示器显示当前工作台坐标值；系统具有超程报警功能，并有越位开关和报警灯；其他辅助电路有复位电路，时钟电路，越位报警指示电路。 1.进给控制系统原理框图 图2 2.驱动电路流程设计 如图3所示：图3 3.驱动电源的选用，并完成该驱动电源与控制器的接线方式 设计中X、Y向步进电动机均为90BYG2602型，生产厂家为常州宝马集团公司。查步进电动机的资料，选择与之匹配的驱动电源为BD28Nb型，输入电压为1000VAC，相电流为4A，分配方式为二相八拍。该驱动电源与控制器的接线方式如图4所示：图4五、机械部分装配图的绘制见附件CAD A1图纸六、参考文献 【1】、文怀兴、夏田 编著数控机床系统设计北京：北京化工出版社，2005.5 【2】、韩荣第金属切削原理与刀具哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2007、8（2008、