经济型数控铣床X-Y工作台设计.doc

毕业设计说明书课程名称：毕业设计设计题目：经济型数控铣床X-Y工作台指导老师：设 计：班 级：学 号：目录设计题目2序言3总体方案的确定4机械部分的设计6数控系统的设计18心得体会25参考文献25设计题目：800200（工作台工作面积 长宽 mm） 经济型数控铣床x-y工作台设计。数控x-y工作台设计参数规格工作台行程（mm)工作台、夹具及工件重力（N)工作台快移速度（m/min)最大进给速度（m/min)走刀方向最大切削分力/垂向最大切削分力x,y向相同启动加速时间ms定位精度mmx纵向y纵向x纵向y纵向x纵向y纵向x纵向y纵向8002006161762750440018180.60.61500/100030+0.01-0.01 （参考资料的数据）2.机械部分的设计1.确定脉冲当量 纵向：0.005mm/步 横向：0.005mm/步2.计算切削力（1）根据已知条件，F=1500N， F=1000N根据表2-1由已知的垂直最大切削力Fv对取整处理则 =3.3KW 对进行调整(2)计算各切削分子根据表2-1可得工作台纵向切削力F,横向切削力F和垂向切削力F分别为:F=0.4F=0.42129.03=851.61NF=0.95F=0.952129.03=2022.58NF =0.55F=0.552129.03=1170.97N2.导轨摩擦力计算（1)按公式计算在切削状态下的导轨摩擦F。此时导轨动摩擦系数=0.15，查表镶条紧固力由差值法计算设在主电动机功率为3.3KW时，F=x Nx=1550 N F=1550 N则=（W+F+F+F)=0.15(7475+1550+2022.58+1170.97)=1832.78 N (3)按公式计算在不切削状态下的导轨摩擦力F和导轨静摩擦力FF=(W+F)=0.15(7475+1550)N=1353.75 NF=（W+F)=0.2(7475+1550)N=1805 N3.计算滚珠丝杠螺母副的轴向负载力（1）按公式计算最大轴向负载为 F=F+F=(851.61+1832.78)N=2684.39 N(2)按公式计算最小轴向负载力FF= F=1353.75N4.滚珠丝杠的动载荷计算和直径估算。1） 确定滚珠丝杠的导程根据已知条件，取电动机的最高转速 n=1500r/min,则由公式的L=2）计算滚珠丝杠螺母副的平均转速和平均载荷将强力切削时的轴向载荷定为最大轴向载荷F快速移动和钻镗定位时的轴向载荷定为最小轴向 F。一般切削（粗加工）和精细切削（精加工）时，滚珠丝杠螺母副的轴向载荷，分别可按下式计算：= F+20% F= F+5% F=1353.75+0.2*2684.39=1890.63 N=1353.75+0.05*2684.39=1487.97N 数控铣床滚珠丝杠的计算切削方式轴向载荷/N进给速度时间比例/(%)备注强力切削2684.39=0.610=一般切削（粗加工）1890.39=0.830=+20%精细切削（精加工）1487.97=150=+5% 快移和钻镗定位1353.75=1810=(2)计算滚珠丝杠螺母副在各种切削条件下的转速 Ni(3)按公式计算滚珠丝杠螺母副的平均速度=(4)按公式计算滚珠丝杠螺母副的平均载荷FmF=1531.691N3)确定滚珠丝杠预期的额定动载荷（1）按预定工作时间估算。查表得载荷系数=1.3.已知初步选择的滚珠丝杠的精度为2级，查表得精度系数=1，查表得可靠性系数=0.44，则由公式得=30690.57N（2）因对滚珠丝杠螺母副将实施预紧，所以按公式估算最大轴向载荷。查表2-31得：预加载荷系数=4.5则，=4.52684.39=12079.76N（3）确定滚珠丝杠预期的额定动载荷。取以上两种结果的最大值，即=30690.57N4）按精度要求确定允许的滚珠丝杠的最小螺纹底径（1）根据定位精度和重复定位精度的要求估算允许的滚珠丝杠的最大轴向变形。已知工作台的定位精度为30m，重复定位精度为20m，根据公式以及定位精度和重复定位精度的要求得：=（1/31/2）20m=（6.6710）m =（1/31/4）30m=（107.5）m取上述计算结果的较小值，即=6.67m（2）估算允许的滚珠丝杠的最小螺纹底径。本机床工作台（x轴）滚珠丝杠螺母副的安装方式拟采用两端固定方式滚珠丝杠螺母副的两个固定支撑之间的距离为L=行程+安全行程+2余程+螺母长度+支承长度 （1.21.4）行程+（2530）取L=1.4行程+30=（1.4560+3012）mm=1144mm又=1805N，由公式得，0.039=21.70mm5）初步确定滚珠丝杠螺母副的规格型号根据计算所得的，初步选择FFZD型内循环垫片预紧螺母丝滚珠丝杠螺母副FFZD 4012-4，其共称直径，基本导程，额定动载荷和丝杠底径如下： =12mm，=40mm，=36500N=30690.57 N =32.7mm=21.70mm故满足要求。6）由公式确定滚珠丝杠螺母副的预紧力=894.89N7）计算滚珠丝杠螺母副的目标行程补偿值与预拉伸力（1）按式2-31计算目标行程补偿值。已知温度变化值t=2，丝杠的线膨胀系数=1110m/，滚珠丝杠螺母副的有效行程。=工作台行程+安全行程+2余程+螺母长度 安全行程（mm）=5 =2 =（560+510+210+108）mm=752mm故：=11t10=0.017mm（2）按公式计算滚珠丝杠的预拉伸力。已知滚珠丝杠螺纹底径=32.7mm，滚珠丝杠温升变化值t=2。则：=1.81t=3870.8N8）确定滚珠丝杠螺母副支承用轴承的规格型号（1）按公式2-33计算轴承所受的最大轴向载荷=+=5212.995N(2)计算轴承的预紧力=1737.665N（3）计算轴承的当量轴向载荷=+=3269.355N（4）按照公式2-15计算轴承的基本额定动载荷已知轴承的工作转速n=230r/min，轴承所承受的当量轴向载荷=3269.355N。轴承的基本额定寿命L=20000h。轴承的径向载荷和轴向载荷分别为：=cos60=3269.3550.5N=1634.68N=sin60=3269.3550.87N=2844.34N=1.742.17 查表2-25得，径向系数x=1.9，轴向系数y=0.54故：P=X+Y=4641.83NC=30222.2N（5）确定轴承的规格型号。因为滚珠丝杠螺母副拟采用预拉伸措施，所以选用60角接触球轴承组背对背安装，以组成滚珠丝杠两端固定的支承形式。由于滚珠丝杠的螺纹底径=32.7mm，所以选用轴承内径d为30mm以满足滚珠丝杠结构的需要。在滚珠丝杠的两个固定端均选择国产60角接触轴承两件一组背对背安装组成滚珠丝杠的两端固定支承方式，轴承的型号为：760306TNI/P4DFB，尺寸（内径外径宽度）为30 mm72 mm19mm，选用脂润滑该轴承的预载荷能力=2900 N ,大于计算所得的轴承预紧力=1737.665N。并在脂润滑状态下的极限转速为1900 r/min ,高于滚珠丝杠的最高转速n=1500r/min，故满足要求。该轴承的额定动载荷为=34500 N,而该轴承在20000h工作寿命下的额定载荷 C=30222.2 N，也满足要求。9)滚珠丝杠螺母副的承载能力校验1.滚珠丝杠螺母副临界压缩载荷的校验本工作台的滚珠丝杠支承方式采用预拉伸结构，丝杠始终受拉而不受压。因此，不存在压杆不稳定问题。2.滚珠丝杠螺母副临界转速的校验根据图知，可得滚珠丝杠螺母副临界转速的计算长度=966mm。一直弹性模量E=2.1MPa，材料密度=7.8N/，重力加速度g=9.8mm/，安全系数=0.8，由表2-44得=4.73滚珠丝杠的最小惯性矩为： I=67909滚珠丝杠的最小截面积为： A=923.54故可由公式2-36得：=8830.87r/min本工作台滚珠丝杠螺母副的最高转速为1500r/min，远远小于其临界转速，故满足要求。3.滚珠丝杠螺母副额定寿命的校验滚珠丝杠螺母副的寿命主要指疲劳寿命。它是指一批尺寸、规格、精度相同的滚珠丝杠在相同的条件下回转时，其中90%不发生疲劳剥落的情况下运转的总转速查表A-3得滚珠丝杠的动载荷=46500N，运转条件系数=1，滚珠丝杠的轴向载荷=3392.907N滚珠丝杠螺母副运转速度n=1500r/min故由公式得：L=（）=2.57r=L/60n=28556h一般来讲在设计数控机床时，应保证滚珠丝杠螺母副的总时间寿命20000h，故满足要求10）计算机械传动系统的刚度（1）机械传动系统的刚度计算1.计算滚珠丝杠的拉压刚度本工作台的丝杠支承方式为两端固定，由图知，当滚珠丝杠的螺母中心位于滚珠丝杠两支承的中心位置（a=L/2，L=1252mm）时，滚珠丝杠螺母副具有最小拉压刚度，可按公式（2-45）计算。=6.6=620.19N/m当a=966mm或a=286mm时（即滚珠丝杠的螺母中心位于行程的两端位置时）滚珠丝杠螺母副具有最大拉压刚度，可按公式计算。=6.6=879.7N/m2.计算滚珠丝杠螺母副支承轴承的刚度已知轴承接触角=60，滚珠体直径=7.144mm；滚珠体个数Z=17，轴承的最大轴向工作载荷=5955.35N，查表得：=42.34=1699.8N/m3.计算滚珠与滚道的接触刚度查A-3得滚珠与滚道的接触刚度K=792N/m，额定动载荷=46500N，滚珠丝杠上承受的最大轴向载荷=3392.907N，故由公式（2-46b）得:=K()=713.01N/m4.计算进给传动系统的综合拉压刚度K。由公式得进给传动系统的综合拉压刚度的最大值为：=+=3.13=319.5N/m由公式得进给传动系统的综合拉压刚度的最小值为：=+=3.6=277.78N/m（2）滚珠丝杠螺母副的扭转刚度计算由图知，扭矩作用点之间的距离=1074mm，已知剪切模量G=8.1MPa滚珠丝杠的底径=34.3m，由公式得：=10243Nm/rad5导轨的选型和计算由于选择的导轨为直线滚动导轨由指导书式2-20L50（）每个滑块的的工作载荷取硬度系数0.53、=1、0.81、2预设导轨寿命L=50KM 则根据此寿命可算出 66962 N故选导轨型号GDA20SV符合要求，查机床设计手册可知其=6.8KN11)驱动电动机的选型与计算（1）计算折算到电动机轴上的负载惯量1.计算滚珠丝杠的转动惯量已知滚珠丝杠的密度=7.8kg/，名义直径=40mm，由公式得=0.00277kg2.工件，夹具与工作台折算到电动机轴上的惯量，工件，夹具与工作台所受的重力W=3450N=W/g（v/）=W/g（）=0.0009kg3.联轴器加上锁紧螺母等的惯量可直接查手册得：=0.001 kg4.负载总惯量=+=0.00467 kg（2）计算折算到电动机轴上的负载力矩1计算切削负载力矩已知在切削状态下坐标轴的轴向负载力=3392.907N，电动机每转一圈，机床执行部件在轴向移动的距离L=10mm=0.01m，进给传动系统的总效率=0.9由公式得，=6.00Nm2.计算摩擦负载力矩已知在不切削状态下坐标轴的轴向负载力（即为空载时的导轨摩擦力=780N），由公式得：=1.38 Nm（3）计算由滚珠丝杠的预紧而产生的附加负载力矩.已知滚珠丝杠螺母副的预紧力=1130.969 N，滚珠丝杠螺母副的基本导程=10 mm=0.01 m，滚珠丝杠螺母副的效率 =0.98,由公式得=）=0.079 Nm3计算坐标轴折算到电动机轴上的各种所需力矩（1）计算线性加速力矩。已知机床执行部件以最快的速度运动时电动机的最高转速=1500 r/min，电动机的转动惯量=62 kg com，坐标轴的负载惯量=0.00467 kg，加速时间=40 ms=0.04 s ，=，所以=25 HZ由公式得 =14.51 Nm（2）计算阶跃加速度力矩已知加速时间=0.04 s=43.54Nm（3）计算坐标轴所需的折算到电动机轴上的各种力矩。1）按公式计算线性加速时空载启动力矩。=+（+）=15.969 Nm2）计算阶跃加速时空载启动力矩=+（+）=44.999 Nm3）计算快进力矩=+=1.459 Nm4）计算工进力矩=6.079 Nm4选择驱动电动机的型号（1）选择驱动电动机的型号根据以上计算和查表 2-47 ，选择日本FANUC公司生产的12/3000i型交流伺服电动机。主要技术参数如下：额定功率，3kw；最高转速，3000r/min；转动惯量 62 kg cm；质量18kg。交流伺服电动机的力矩一般为额定力矩的510倍，按5倍计算，则该电动机的加速力矩为60 N m，均大于本机床工作台的线性加速度时所需的空载荷启动力矩=15.969 N m 以及阶跃加速时所需的空载启动力矩=44.999N m，因此不管采用何种加速方式本电动机均满足加速力矩要求。该电动机的额定力矩为 12 N m，均大于本机床工作台快进时所需的驱动力矩=1.459 N m以及工进时所需的驱动力矩6.079 N m，因此，不管是快进还是工进，本电动机均满足要求。（2）惯性匹配验算为了使机械传动系统的惯量达到较合理的匹配，系统的负载惯量与伺服电动机的转动惯量只比一般应满足公式，即0.25/1/=46.7 /62=0.750.25，1，故满足惯量匹配要求12）机械传动系统的动态分析（1）计算丝杠工作台纵向振动系统的最低固有频率已知滚珠丝杠螺母副的综合拉压刚度=277.78N/m，而滚珠丝杠螺母副和机床执行部件的等效质量=m+1/3（其中m，分别是机床执行部件的质量和滚珠丝杠螺母副的质量），则m=W/g=352kg=/4141.67.8kg=13.87kg= m+1/3=356.62kg=882.57rad/s（2）计算扭转振动系统的最低固有频率折算到滚珠丝杠轴上的系统总当量转动惯量为=+=0.00367kg已知丝杠的扭转刚度=10243Nm/rad则，=1670.63rad/s由以上计算可知，丝杠工作台纵向振动系统的最低固有频率=882.57rad/s，扭转振动系统的最低固有频率=1670.63rad/s，都比较高，一般按=300rad/s的要求来设计机械传动系统的刚度，故满足要求。13）机械传动系统的误差计算与分析（1）计算机械传动系统的反向死区已知进给传动系统的最小综合拉压刚度=277.78N/m，导轨的静摩擦力=1040N则由公式得=2=2=7.49mm即，=7.49m10m，故满足要求。（2）计算机械传动系统由综合拉压刚度变化引起的定位误差由公式得：=（）=4.89mm即=0.489m6m，故满足要求。（3）计算滚珠丝杠因扭转变形产生的误差1计算由快速进给扭矩=1459Nmm，由图得，扭矩作用点直接的距离=1074mm，丝杠底径=34.2mm。由公式得=7.21=0.0752.由扭转变形量引起的轴向移动滞后量将影响工作台的定位精度由公式得=/360=2.08m14）确定滚珠丝杠螺母副的精度等级和规格型号（1）确定滚珠丝杠螺母副的精度等级本机床工作台采用半闭环控制系统，、应满足下列要求：0.8（定位精度）=17.431m滚珠丝杠螺母副拟采用的精度等级为2级，查表2-20得=8m13.69m；查表2-21得，当螺纹长度为800mm时，即=13m13.69m，故满足设计要求。（2）确定滚珠丝杠螺母副的规格型号滚珠丝杠螺母副的规格型号为FFZD4010-5-P2/1416800，其具体参数如下。公称直径与导程：40mm，10mm；螺纹长度：800mm；丝杠长度：1416mm；类型与精度：P类，2级精度。3.数控系统的设计3.1硬件设计（硬件详细接线图见图纸）8031存储器接口输入显示 接口 MCX311 INT 限位X向编码器控制Y向编码器控制I/O扩展接口光耦功放X向电机光耦功放Y向电机3.2步进电机开环伺服原理分配后的 脉冲信号DCBA脉冲信号源脉冲分配器YBO14功率放大脉冲信号放大后的 脉冲信号3.3步进电动机的控制框图NY设步长计数器保护现场转向标志为1置正转控制字指针输出控制字是结束标志延时、控制字地址指针1返回恢复现场总步数为零置反转控制字3.4软件程序设计（逐点比较法直线插补）3.4.1用逐点比较法进行直线插补计算，每走一步，都需要以下四个步骤：偏差判别：判别偏差或,从而决定哪个方向进给和采用哪个偏差计算公式。坐标进给：根据直线所在象限及偏差符号，决定沿+X、+Y、-X、-Y的哪个方向进给。偏差计算：进给一步后，计算新的加工偏差。终点判别：进给一步后，终点计数器减1。若为零，表示到达终点停止插补；不为零，则返回到第一步继续插补。终点计数判别可用两个方向坐标值来判断，也可由一个方向的坐标值来判断。当XEYE，可用X方向走的总步数XE作为终点判别的依据，如动点X等于终点XE则停止。当XE=0？Y方向进给XYY1YXX1X？Y？返 回X方向进给3.4.2程序设计设计程序时，在RAM数据区分别存放终点坐标值XE，YE，动点坐标值X，Y，偏差FM。对8位机，一般可用2字节，而行程较大时则需用3字节或4字节才能满足长度和精度要求。此外，所有的数据区必须进行初始值、X、Y向步进电机初态（控制字）。插补程序所用的内存单元如下：28H29H2AH2BH2CH70HXEYEXYFM电机正反转控制字电机正反转控制字为：D7D6D5D4D3D2D1D0D1D0为X向电机控制位。D0=1运行，D0=0停止；D1=1正转，D1=0反转。D3D2为Y向电机控制位。D2=1运行，D2=0停止；D3=1正转，D3=0反转。第一象限直线插补的程序： ORG 2000HMAIN：MOV SP, #60HLP4: MOV 28H, #0C8H; MOV 29H, #0C8H; MOV 2AH, #00H; MOV 2BH, #00H; MOV 2EH, #00H; MOV 70H, #0AHLP3: MOV A, 2EH JB ACC.7, LP1 MOV A, 70H SETB ACC.0 CL