机械课程设计-X-Y二坐标数控工作台设计.doc

全套图纸加153893706二坐标数控工作台设计说明书目 录一.绪论 （3）二.总体方案拟定 （3）三X轴参数确定及选择 （3）1.脉冲当量选择 （3）2.圆柱齿轮传动设计 （3）2.1齿轮强度计算 （5）2.2齿轮尺寸计算 （5）2.3等效转动惯量计算 （6）2.4等效负载转矩计算 （6）3.X轴联轴器选择 （7）4.x轴滚珠丝杠设计计算 （9）5.X轴滚动导轨设计计算 （9）四.Y轴参数确定及选择 （9）1.脉冲当量选择 （9）2.等效转动惯量计算 （9）3.等效负载转矩计算 （10）4.Y轴联轴器选择 （10）5.Y轴滚珠丝杠设计计算 （11）6.Y轴滚动导轨设计计算 （11）五、参考文献 （17）2一、绪 论1.1 课题研究的目的和意义工作台是一种在计算机控制下带有自动换刀系统的能完成多工序复合加工的自动化机床，并正向高速高效、高精度、模块化、网络化和复合化方向发展。由于工作台是典型的集高新技术于一体的机械加工设备，其生产效率高、柔性好、一机多用和易于加工复杂的曲线、曲面零件等特点，早已成为工业发达国家军民机械工业的主力加工设备。一个国家的工作台拥有量、消费量及总体技术水平与这个国家机械工业的加工制造技术水平息息相关。我国的工作台从70年代开始，已有很大发展，但技术、品种和数量上都还远远不能适应我国的经济、技术发展的需要。进入21世纪以后，中国工作台的消费量随着军民机械工业的大规模技术改造而迅速增长，如2001年中国工作台的消费量仅为2662台（其中进口2290台），而同年美国、日本和德国的工作台消费量分别为11505、6090和5291台。到了2005年，中国工作台的消费量猛增至约13200台（估计值，工作台的产量数据未公布），其中进口10343台。2005年工作台的消费量是2001年的4.96倍，年均增幅达49.2%，一举超过美、日、德诸国，成为世界上消费工作台最多的国家。综上所诉，工作台进给机构的开发和设计具有很高研究的意义.本课题采用类似的机床结构设计成果的方法，进行工作台进给机构的设计，使其能够实现更好的工业生产自动化。本课题对工作台进给机构部件进行了设计，研究了结构，主要部件及典型零件的设计方法，其意义如下：1、通过对数控机床的结构设计和研究掌握机构设计的一般步骤和方法；2、通过对课题的研究，了解国内外有关数控机床的技术现状和发展趋势；3、通过毕业设计培养自己的创新精神，提供分析问题和解决问题的能力。1.2 数控系统的发展1946诞生了世界上第一台电子计算机，这表明人类创造了可增强和部分代替脑力劳动的工具。它创造和农业的人，那些只是增加相比，手工工具的工业社会，从一个质的飞跃，为信息时代的到来奠定了基础。6年后，在1952，计算机技术应用到本机，在美国出世第一台数控机床。从此，传统机床产生了质的变化。近半个世纪以来，数控系统经历了两个阶段和六代。数控相（1952 - 1970年）早期计算机的运算速度低，当时的科学计算和数据处理的影响很小，但不能适应机床实时控制的要求。人们不得不采用数字逻辑电路；作为一个专用计算机数控系统的机床，称为数控硬件连接（HARD-WIRED NC），简称为数控（NC）。随着元器件的发展，这个时期经历了三代，1952的第一代管；1959晶体管的第二代；小规模集成电路第三代1965。电脑数值控制（CNC）阶段（1970至今）1970，通用汽车一直在电脑的小批量生产。所以它将被移植作为数控系统的核心部件，开始进入计算机数控（CNC）阶段（计算机和它的“通用”两个字省略前面）。1971，美国英特尔公司在世界上首次将两个计算机算术单元和控制器的核心部件，集成在一个芯片采用大规模集成电路技术，称为微处理器（微处理器），也被称为中央处理单元（CPU）。1974微处理器被应用于数控系统。这是因为计算机的功能太小，机床的控制能力富裕（时间已被用来控制机床，称为组），如采用微处理器经济合理。而且当时的小型机可靠性不理想。早期的微处理器速度和功能还不够高，但可以通过多处理器结构来解决。微处理器是计算机的核心部件，它仍称为计算机数控。1990，PC机（个人计算机，国内习惯称微机）的性能已发展到很高的阶段，可以满足数控系统的要求为核心部件。数控系统已经进入了基于PC的阶段总之，计算机数控阶段也经历了三代。1970的小型计算机第四代；1974第五代和第六代1990基于PC微处理器（国外称为PC-BASED）。同时指出，虽然国外已改名为电脑数值控制（CNC），而在中国，它仍然是指数控（NC）。所以我们日常说：数控实质上是指计算机数值控制。3数控系统的未来发展趋势（1）继续开放的，基于PC机开发的第六代随着开放，成本低，可靠性高的PC，丰富的软硬件资源特点的基础上，更多的数控系统生产厂家会走上这条道路。至少采用PC机作为它的前端机，解决了人机界面，编程，网络通信的问题，通过对原系统的数控任务。PC机具有友好的人机界面，将普及到所有的数控系统。远程通讯，远程诊断和维修将更常见。（2）高速度和高精度的发展这是为了满足机床的高速度和高精度方向发展的需要。（3）向智能化方向发展在计算机领域的不断渗透人工智能的发展而发展，数控系统的智能化程度将不断提高。1.3 工作台进给系统工作台进给系统是一机床移动位置为控制量的自动控制系统。它根据数控装置输出的电脉冲信号，是机床工作台、主轴等移动部件按照规定的运动速度、运动方向和位置要求做相应的移动，并对其定位精度加以控制。工作台性能在很大程度上取决于进给系统的性能。进给运动是机床成型运动的一个重要部分，其传动质量直接关系到机床的加工性能。工作台的进给运动是数字控制的直接对象被加工工件最终坐标位置精度和轮廓精度都会受到进给运动的传动的影响。对进给系统的要求集中在精度、稳定和快速响应等方面。为满足这种要求，首先需要高性能的驱动电机，同时也需要高质量的机械结构与之匹配。因此工作台的进给传动系统机械结构需满足如下要求。（1）高的传动精度与定位精度 工作台进给系统的传动精度和定位精度，是机床最重要的性能指标。传动精度直接影响机床加工轮廓面的精度，定位精度直接关系到加工的尺寸精度。（2）宽的进给调速范围 为保证工作台在不同工况下对进给速度的选择，进给系统应该有较大的调速范围。工作台的进给系统一般为3-10000mm/min。（3）快的响应速度 所谓快速响应，是指进给系统对指令信号的变化跟踪要快，并能迅速趋于稳定。目前，工作台已较普遍的采用了电动机不通过减速环节直接连接丝杠带动运动部件实现运动的方案。本次设计就是采用了这个方案来获取快的响应速度。（4）低速、大转矩 根据机床的加工特点，经常在低速下进行重切削，即在低速下进给驱动系统必须有大的转矩输出。 此次设计采用的是半闭环系统。半闭环系统的精度虽然比闭环系统的精度要低一些，但是它的结构与调整比较简单。而且，在半闭环系统中，转角测量表较容易实现。应用非常广泛。图1-1 半闭环进给系统原理图1.4 驱动装置驱动装置接收数控系统发出的进给指令信号，并将其转换为角位移或直线位移，从而驱动执行部件实现要求的运动。驱动装置应该满足如下要求。（1）精度高。输出位移有足够的精度，即实际位移与指令位移之差要小。（2）应该具有较长时间的大过载能力，以满足低速大转矩的要求。一般直流电动机要求数分钟内过载4-6倍而不损坏。（3）调速范围宽，而且从最低速到最高速时，电动机均能平滑运转，转矩波动小，特别是在低速（如0.1r/min或更低）时，速度平稳而无爬行现象。（4） 能承受频繁振动、制动和反转。二、总体方案拟定方案拟定即确定工作台传动的形式和控制方式及主要部件或器件的类型。（1）驱动控制方式 由给定的工作台精度要求较低，为简化结构，故采用单片机控制的步进电机驱动系统。主要由步进电机、单片机驱动控制电路、滚珠丝杠副组成。（2）传动形式确定工作台X方向和Y方向两个坐标分别采用步进电机单独驱动。数控工作台采用由步进电机驱动的开环控制结构,其单向驱动系统结构简图如图所示:实际设计的工作台为X、Y双坐标联动工作台,工作台是由上拖板、中拖板、下拖板及导轨、滚珠丝杠等组成.其中下拖板与床身固联,它上面固定X向导轨,中拖板在下拖板的导轨上横向运动,其上固定Y向导轨,上拖板与工作台固联,在Y向导轨上移动.X、Y导轨方向互相垂直。.工作台X方向采用一级齿轮传动方式，可以通过降速扩大转矩输出，匹配进给系统惯量，获得要求的输出机械特性，同时减小脉冲当量。工作台Y方向采用直接传动方式，电机通过刚性联轴器与滚珠丝杠联结。结构紧凑，传动效率高。丝杠转速与转矩输出完全与电机的输出特性一致。三、X轴步进电机参数确定及选择 1 工作台外形尺寸及重量估算 组号工作台长 宽 (mm)工作重量 ( N )工作台行程(mm)脉冲当量(mm/P)24003002000X=60-100；Y=50-800.050.08根据台面尺寸为400300，根据课程设计指导书，初步取工作台厚度35mm，则重量：按重量=体积材料比重估算（其中工作台为铸铁，密度为7.8Kg/m3,重力加速度10N/Kg X向拖板（上拖板）: 取Y向拖板= X向拖板 估计上丝杆长度，为余程查表5-4取20mm，电动机约30N(2kg)(2个），其他部件(丝杆，导轨 ，螺丝等）估算150N。工作物重为 所以总重量2. X轴步进电机参数确定及选择1 脉冲当量选择初选三相电机，按三相六拍工作时，步矩角=0.75,初定脉冲当量=0.05mm/p, 丝杠导程tsP=5 mm,初选齿轮传动比i=2.1由i确定齿轮齿数为Z1=20, Z2=43, 模数m=2mm,大齿轮齿宽b2=10mm ，则b1=10mm2 圆柱直齿轮传动设计选择材料、热处理方式、精度等级及齿数由表7-1，选择小齿轮材料40Cr，调质处理，硬度241286HBS；大齿轮材料35SiMn，调质处理，硬度229286HBS。齿轮精度为8级。 取小齿轮齿数，大齿轮齿数，为防止磨损集中在某几个齿上，而造成齿轮过早报废，两齿轮齿数应互质，故取。按齿面接触强度设计a.确定各参数数值初选载荷系数由表7-5，初选齿宽系数由表7-6，查得弹性系数由图7-12查取节点区域系数由图7-18,查得接触疲劳强度极限，； 假设V=2m/min，则 nmax=(vmax/)(/360) =(2000/0.005) (0.75/360) =833r/min T1=95.5105Px/nx=95.51050.0833/833=955N.mm小齿轮应力循环次数；大齿轮应力循环次数；由图7-19查得接触疲劳系数，（允许局部点蚀）取安全系数，则： b.确定传动尺寸初算小分度圆直径圆周速度查图7-7得动载荷系数；由表7-2查得使用系数；由表7-3，假设，得齿间载荷分配系数；由图查取齿向载荷分布系数（设轴刚性大）；故载荷系数按K值对修正，即确定模数，按表7-7，取m=2mm；中心距 其他几何尺寸的计算（，）齿顶高 由于正常齿轮， 所以齿根高 由于正常齿 所以全齿高 齿顶圆直径 校核齿根弯曲疲劳强度a.确定各参数由表7-4查取齿形系数和应力校正系数，；，由图7-17查得弯曲疲劳寿命系数，；由图7-16查表得齿轮弯曲疲劳极限，取安全系数，计算得许用弯曲应力：b.验算齿根弯曲强度 弯曲疲劳强度足够。c.验算合适。3等效转动惯量计算(不计传动效率)小齿轮转动惯量Jg1=(d14b1)32=2941.47.8510-332 =0.27610-4 kg.m2式中 钢密度=7.8510-3 kg/cm3同理,大齿轮转动惯量 Jg2=0.49810-4 kg.m2 式中 钢密度=7.8510-3 kg/cm3拖板及工作物重和导轨折算到电机轴上的转动惯量,因此,折算到电机轴上的等效转动惯量Je 3)等效负载转矩计算(以下为折算到电机轴的转矩)由3式(4-7)(4-9)可知:上述式中 丝杠预紧时的传动效率取 =0.8为摩擦系数取0.06nmax=(vmax/)(/360)=(1300/0.004) (0.36/360)=325r/min取起动加速时间t=0.03 s初选电动机型号75BF006A,根据矩频特性图所示,其最大静转矩 Mjmax=1.98N.m,转动惯量Jm=0.710-4 kgm2, fm=1450Hz.故 式中 Fp0滚珠丝杠预加负荷,一般取Fx/3 Fx 进给牵引力(N) 0滚珠丝杠未预紧时的传动效率,取0.9J=(Je +Jm)= 5.7410-5 kgm2+710-5 kg.m2 =12.7410-5 kg.m2Ma=(Je +Jm)(2nmax)/(60t)= 12.7410-5 (2325)(600.03)= 0.14446N.mMq= Mamax+ Mf+ M0=0.14446+0.018632+0.00807=0.17116N.mMc= Mt+ Mf+ M0=0.136+0.018632+0.00807=0.1627N.mMk= Mf+ M0=0.018632+0.00807=0.0267N.m从计算可知, Mq最大,作为初选电动机的依据.Mq/ Mjmax=0.0850.9 满足所需转矩要求.4)步进电机动态特性校验Je /Jm=5.74/7=0.82 fLfc=v1max/(60)=130/(600.004)= 541.667 fL所以,与fc对应的Mc按电机最大静转矩校核,显然满足要求.综上所述,可选该型号步进电机,具有一定的裕量.3.X轴联轴器选择联轴器除联接两轴并传递转矩外，有些还有补偿两轴因制造和安装误差而造成的轴线偏移的功能，以及具有缓冲、吸振、安全保护等功能。因此要根据传动装置工作要求来选定联轴器类型。本方案选择刚性套筒联轴器。4. X轴滚珠丝杠设计（1）滚珠丝杠副的结构类型滚珠循环方式 由设计指导书表5-1查得,选择外循环插管式 轴向间隙预紧方式 预紧目的在于消除滚珠螺旋传动的间隙,避免间隙引起的空程,从而提高传动精度.由表5-2查得,采用单螺母变位导程方式. (2)滚珠丝杠副直径和基本导程系列采用丝杠公称直径 20mm,导程为5mm, 丝杠外径19.5mm，丝杠底径17.76mm，循环圈数2.5，基本动载荷7417N，基本静载荷15311N，刚度376N/um.(3)滚珠丝杠精度等级确定丝杠有效行程 由导程查得余程le=20 mm，精度等级 由表5-5得,精度等级为T2(4)滚珠丝杠副支承形式选择滚珠丝杠主要承受轴向载荷,应选用运转精度高,轴向刚度高、摩擦力距小的滚动轴承.滚珠丝杠副的支承主要约束丝杠的轴向串动,其次才是径向约束.由表5-6查得,采用单推单推支承形式.(5)滚珠丝杠副的选择高速或较高转速情况，按额定动负荷CaCaj选择滚珠丝杠副由式（3-2）可知：Caj=(Fefw)/(fhftfafk)(60Lhne)/(106)1/3式中 Caj -滚珠丝杠副的计算轴向动负荷(N) Fe-丝杠轴向当量负荷(N). 取进给抗力和摩擦力之和的一半 ne-丝杠当量转速(r/min).取最大工作进给转速 Lh-丝杠工作寿命(h). 查考2表5-7得Lh=15000 h. ft-温度系数. 查2表5-8,得ft=0.70 fa-精度系数. 查2表5-9得fa=1.0 fw-负载性质系数. 查2表5-10得fw=0.95 fh-硬度系数.查2表5-11得fh=1.0 fk-可靠性系数.查2表5-12得fk=0.21（可靠度99%）计算得Caj=5.11KNFmax临界转速 对于在高速下工作的长丝杠，须验算其临界转速，以防止丝杠共振. ncr=92824(f22d2)/Lc2式中 f2-丝杠支承方式系数,F -S取3.927 Lc -临界转速计算长度. Lc =0.25m. d2-丝杠螺纹底径,取0.016mncr= 9962r/min nmax,同时验算丝杠另一个临界值 d0n=20*833=1666070000轴承选角接触球轴承7001AC. (7)滚动导轨副的防护滚珠丝杠副的防护装置 ,采用专业生产的伸缩式螺旋弹簧钢套管.滚珠丝杠副的密封 滚珠丝杠副两端的密封圈如装配图所示.材料为四氟乙烯,这种接触式密封须防止松动而产生附加阻力.滚珠丝杠副的润滑 润滑剂用锂基润滑剂.5.X轴滚动导轨设计计算导轨的功用是使运动部件沿一定的轨迹运动,并承受运动部件上的载荷,即起导向和承载作用,导轨副中,运动的一方称作运动导轨,与机械的运动部件联结,不动的一方称作支承导轨,与机械的支承部件联结.支承部件用以支承和约束运动导轨,使之按功能要求作正确的运动.(1) 选日本NSK 型滚动导轨 ，E级精度，fh=1,ft=1,fc=0.81 ,fa=1,fww=1(2) 寿命按每年工作300天,每天两班,每班8h,开机率0.8计,额定寿命为:Lh=1030080.8=38400 h 每分钟往复次数nz=8(3) L=(2lsnz60Lh)/(103)= 3686.4 km计算四滑块的载荷,工作台及其物重约为390NP=390/4=97.5N计算需要的动载荷C(4)(5) 选用NSK LY15AL型号滚动导轨副,其Co=605N. Coa=745N(3)滚动导轨间隙调整预紧可以明显提高滚动导轨的刚度,预紧采用过盈配合,装配时,滚动体、滚道及导轨之间有一定的过盈量.(4)润滑与防护润滑:采用脂润滑,使用方便,但应注意防尘.防护装置的功能主要是防止灰尘、切屑、冷却液进入导轨,以提高导轨寿命.防护方式用盖板式.四、Y轴方案及参数计算1 脉冲当量选择初选五相电机，按五相五拍工作时，步矩角=0.36,初定脉冲当量=0.05mm/p, 丝杠导程tsP=5 mm,中间齿轮传动比i=12 等效转动惯量计算(不计传动效率)Jg1=(d14b1)32=(4)41.27.8510-332 =0.210-4kg.m2式中 钢密度=7.8510-3 kg/cm3同理,大齿轮转动惯量 Jg2=0.48110-4 kg.m2 初选滚珠丝杠CDM2005-3, 得到 d0=20 mm 滚珠丝杠转动惯量 Js=(d04l)32=(2)4387.8510-33210-4 kg.m2 =0.46810-4 kg.m2Jw=(w/g)(tsP2) 2 i2 =25(0.52) 2 2210-4 kg.m2 =3.96210-6 kg.m2因此,折算到电机轴上的等效转动惯量JeJe= Jg1+ Jw+( Jg2+Js) i2 =0.47710-4 kg.m2 3 等效负载转矩计算(以下为折算到电机轴的转矩)由指导书(4-7)(4-9)可知:Mt=(Fy+Fx) tsP/(2i)= (2000+0.062000) 0.005/(20.82)=0.075 N.mMf= (Ff tsP)/(2i)= (W tsP)/(2i)=(0.061200.005)/ (20.82)=3.5810-3N.m上述式中 丝杠预紧时的传动效率取 =0.8为摩擦系数取0.06nmax=(vmax/)(/360)=(1450/0.005) (0.72/360)=580r/min取起动加速时间t=0.03 s初选电动机型号75BF006A,其最大静转矩 Mjmax=1.95N.m,转动惯量Jm=0.710-4 kgm2, fm=1450Hz.故 M0=(Fp0tsp)(2i) (1-02)= (1/3Fytsp)(2i) (1-02) =(1/3) 1400.005(20.82) 1-0.92=0.0044 N.m式中 Fp0滚珠丝杠预加负荷,一般取Fy/3 Fy进给牵引力(N) 0滚珠丝杠未预紧时的传动效率,取0.9J=( Je +Jm)= 0.47710-4 kgm2+0.710-4 kg.m2 =1.17710-4 kg.m2Ma=( Je +Jm)( 2nmax)/(60t)=1.17710-4 (2580)(600.03)= 0.238N.mMq= Ma+ Mf+ M0=0.238+0.00358+0.0044=0.2459N.mMc= Mt+ Mf+ M0=0.0075+0.00358+0.0044=0.01548N.mMk= Mf+ M0=0.00358+0.0044=0.00798N.m从计算可知, Mq最大,作为初选电动机的依据.Mq/ Mjmax=0.140.9 满足所需转矩要求.4) 步进电机动态特性校验初选电动机型号75BF006A,根据矩频所示,其最大静转矩 Mjmax=1.98N.m,转动惯量Jm=0.710-4 kgm2, fm=1450Hz.故 式中 Fp0滚珠丝杠预加负荷,一般取Fy/3 Fy进给牵引力(N) 0滚珠丝杠未预紧时的传动效率,取0.9J=(Je +Jm)= 12.8910-5 kgm2+710-5 kg.m2 =19.8910-5 kg.m2Ma=(Je +Jm)(2nmax)/(60t)= 19.8910-5 (2500)(600.03)= 0.346N.mMq= Mamax+ Mf+ M0=0.346+0.00811+0.00454=0.346N.mMc= Mt+ Mf+ M0=0.0755+0.00811+0.0454=0.359N.mMk= Mf+ M0=0.00811+0.0454=0.01265N.m从计算可知, Mq最大,作为初选电动机的依据.Mq/ Mjmax=0.1810.9 满足所需转矩要求.4)步进电机动态特性校验Je /Jm=12.86/7=1.837 fLfc=v1max/(60)=100/(600.004)=416.7 fL所以,与fc对应的Mc按电机最大静转矩校核,显然满足要求.综上所述,可选该型号步进电机,具有一定的裕量.综上所述,可选该型号步进电机,具有一定的裕量.联轴器除联接两轴并传递转矩外，有些还有补偿两轴因制造和安装误差而造成的轴线偏移的功能，以及具有缓冲、吸振、安全保护等功能。因此要根据传动装置工作要求来选定联轴器类型。本方案选择套筒联轴器。5 Y轴滚珠丝杠设计计（1）滚珠丝杠副的结构类型滚珠循环方式 由表5-1查得,选择外循环插管式 轴向间隙预紧方式 预紧目的在于消除滚珠螺旋传动的间隙,避免间隙引起的空程,从而提高传动精度.由表5-2查得,采用单螺母变位导程式. (2)滚珠丝杠副直径和基本导程系列采用丝杠公称直径 20mm,导程为5mm, 丝杠外径19.5mm，丝杠底径17.76mm，循环圈数5，基本动载荷14205N，基本静载荷38244N，刚度730N/um.(3)滚珠丝杠精度等级确定丝杠有效行程 由导程查得余程le=20 mm，得丝杠有效行程lv=lu-le，lu =395-20=375 mm精度等级 根据有效行程内的平均行程允许偏差ep=0.015/300*375*103=4um由表5-5得,精度等级为T1(4)滚珠丝杠副支承形式选择由表5-6查得,采用单推-单推式支承形式.(5)滚珠丝杠副的选择本方案属于高速或较高转速情况，按额定动负荷CaCaj选择滚珠丝杠副Caj=(Fefw)/(fhftfafk)(60Lhne)/(106)1/3式中 Caj -滚珠丝杠副的计算轴向动负荷(N) Fe-丝杠轴向当量负荷(N). 取进给抗力和摩擦力之和的一半 ne-丝杠当量转速(r/min).取最大工作进给转速 Lh-丝杠工作寿命(h). 查考2表5-7得Lh=15000 h. ft-温度系数. 查2表5-8,得ft=0.70 fa-精度系数. 查2表5-9得fa=1.0 fw-负载性质系数. 查2表5-10得fw=0.95 fh-硬度系数.查2表5-11得fh=1.0 fk-可靠性系数.查2表5-12得fk=0.21（可靠度99%）计算得Caj=3854.9NFmax临界转速 对于在高速下工作的长丝杠，须验算其临界转速，以防止丝杠共振. ncr=92824(f22d2)/Lc2式中 f2-丝杠支承方式系数,F -S取3.927 Lc -临界转速计算长度. Lc =0.32m. d2-丝杠螺纹底径,取0.0175mncr= 26117r/min nmax,轴承选角接触球轴承7001AC. (7)滚动导轨副的防护滚珠丝杠副的防护装置 ,采用专业生产的伸缩式螺旋弹簧钢套管.滚珠丝杠副的密封 滚珠丝杠副两端的密封圈如装配图所示.材料为四氟乙烯,这种接触式密封须防止松动