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数控铣床XY工作平台结构的设计【优秀含7张CAD图纸+数控工作台全套课程毕业设计】

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数控铣床 xy工作平台 结构 机械设计 工作台 毕业设计 数控铣床XY工作平台结构的设计 数控工作台全套课程毕业设计
资源描述：

数控X-Y工作台设计

XY数控工作平台结构的设计

铣床XY数控工作平台结构的设计

数控铣床XY工作平台结构的设计【优秀含7张CAD图纸+数控工作台全套课程毕业设计】

【带任务书+开题报告+中期检查表+文献综述+外文翻译】【16页@正文8000字】【详情如下】【需要咨询购买全套设计请加QQ1459919609】

减速器装箱体.dwg

减速器装配图.dwg

大齿轮.dwg

轴承座.dwg

导轨底座.dwg

小齿轮.dwg

装配图.dwg

文献综述.doc

毕业设计任务书.doc

毕业设计开题报告.doc

设计说明书_检测报告.zip

设计说明书终稿.docx

诚信承诺书.doc

中期检查.doc

外文翻译=数控系统发展简史及趋势=2000字符.doc

X-Y数控工作平台结构的设计

任务书

毕业设计（论文）题目XY数控工作平台结构的设计（参考书1  P185-191；）

毕业设计（论文）主要内容和要求：

XY数控工作平台是许多机电一体化设备的基本部件，通常由导轨、移动滑块，工作平台，滚珠丝杠螺母副及伺服电动机等组成。请设计一个数控X-Y工作台及其控制系统，可用于铣床上坐标孔的加工和铝合金零件的二维曲线加工。设计参数如下：负载重量G=150N；台面尺寸C×B×H＝145mm×160mm×12mm；底座外形尺寸C1×B1×H1＝210mm×220mm×140mm；最大长度L=388mm；工作台加工范围X=55mm，Y=50mm；工作台最大快移速度为1m/min。XY方向脉冲当量均为0.005mm/脉冲；XY方向定位精度均为0.025mm，重复定位精度均为±0.01mm；控制方式：手动/自动/联机。操作方式：手动/自动。供电容量10Kw，单相220V/50Hz。

设计该款机床机械传动部分，完成方案规划，设计计算，图纸绘制。

毕业设计（论文）主要参考资料：

[1] 徐铭，琚海．经济型数控雕刻机的控制系统研究[J]．制造技术与机床，2012(9)：74—81．

[2] 李绍林．低成本数控雕刻机控制系统研究开发[D]．济南：山东大学，2012．

[3] 王金娥等．机电一体化课程设计指导书[M]．北京大学出版社，2012．

毕业设计（论文）应完成的主要工作：

(1)了解本课题研究意义，调研本课题国内外研究情况及存在问题；写出调研报告。

(2)进行课题方案规划和详细设计，完成全部设计。  

(3)撰写设计计算说明书，字数不少于5000字，且打印输出并装订、格式一律参照“中国地质大学毕业设计（论文）写作规范”要求，提交毕业设计Word文档电子版并打印；

(4)提交AutoCAD图纸电子版并打印图纸。

毕业设计（论文）进度安排：

序号毕业设计（论文）各阶段内容时间安排备注

1查阅资料，准备开题20141215——20150104

2总体方案的分析、比较、论证及确定20150215——20150315

3机械系统设计20150315——20150405

4数控系统设计20150405——20150425

5整理归纳，准备答辩20150425——20150510

摘  要

本次设计的目的是使机床工作台来实现数字控制；相比普通的机床数控机床具有许多优点；可以处理更复杂的部件，精度高，有弹性，生产效率高，使用更方便等特点。并利用电脑控制，有效地消除人为误差，使零件，质量稳定可靠。自动化机器的出现明显的降低了操作人的劳动强度。

工作台是机器的重要组成部分，自动化工作台可大大降低劳动强度，提高劳动生产率，降低成本。数控X-Y工作台是数控技术，它充分利用了计算机硬件和软件的功能，从而实现机器控制，扩大加工机床的范围等最简单的应用；进一步增强了可靠性和精度。自改革开放以来，机械行业得到了充分的发展，但也有很多老机器在发展的过程中被淘汰，这些设备的改造仍然可以在生产中发挥了重要的作用，不仅提高精度和效率，并能有效地适应市场经济的需要。

关键词：数控； 工作台； 机床； 自动化

ABSTRACT

The purpose of this design is to make the machine table to achieve digital control; CNC machine tools compared to normal hard has many advantages; can process more complex parts, high precision, flexible, high production efficiency, easier to use and so on. And the use of computer control, effectively eliminating human error, so that the processing consistency of parts, stable and reliable quality. Automated machine high labor intensity of workers significantly reduced.

Workbench is an important part of the machine, automated workbench can greatly reduce labor intensity and improve labor productivity and reduce costs. CNC XY table is the simplest application of numerical control technology, which fully utilizes the capabilities of computer hardware and software in order to achieve the machine control, expanding the scope of the processing machine; further improved accuracy and reliability. Since the reform and opening up, the machinery industry has been fully developed, but there are a lot of old machines to be eliminated in the process of development, after the transformation of these devices can still play an important role in the production, not only to improve the precision and efficiency, And can effectively meet the needs of the market economy.

Key world: NC； Workbench； Machine tool； Automation

目  录

1  绪论1

1.1 X-Y 工作台的发展趋势及产业化的现状1

1.2数控X-Y工作台设计的意义和目的1

1.3本设计的主要内容和任务2

2 总体方案的设计2

2.1设计参数的确定2

2.2总体方案确定3

2.2.1机械传动部分的计算的选用与选型3

2.2.2控制系统的设计3

3 机械部分的设计3

3.1 导轨上移动部件的重量估算3

3.2 铣削力的计算4

3.3 直线滚动导轨副的计算与选型4

3.3.1 滑块承受工作载荷的计算及导轨型号的选取4

3.3.2 距离额定寿命的计算4

3.4滚珠丝杠螺母副的计算与选型5

3.4.1 最大工作载荷Fm的计算5

3.4.2 最大动载荷FQ的计算5

3.4.3 初选型号5

3.4.4 传动效率η的计算5

3.4.5 刚度的验算6

3.4.6 压杆稳定性校核6

3.5 步进电动机减速箱的选用6

3.6 步进电动机的计算与选型7

3.6.1 计算加在步进电动机转轴上的总转动惯量7

3.6.2 计算加在步进电机转轴上的等效负载转矩Teq7

3.6.3 步进电动机最大静转矩的选定9

3.6.4步进电动机的性能校核9

4 总  结10

参考文献11

致  谢12

1 绪论

1.1 X-Y 工作台的发展趋势及产业化的现状

伴随着当今社会的不断进步，科技的发展也来越快，老旧的的生产方式已经不能够满足人们日益增长的需求，所以更先进的制造技术出现了。数控技术作为核心的制造技术能够很好的满足生产的需求。我国的数控技术经历了几十年的发展，已经越来越成熟，而且朝着更高的方向发展。

数控机床的生产离不开工作台，而工作台也影响着机床的加工。以前的工作台只是为了满足直线运动从而达到加工简便，现在为了满足生产需要工作台实现了加工不同方位与角度的需求。为了提高生产的效率，以液压驱动工作台的方式渐渐取代了原来的机械驱动，并且气动的方式也越来越被广为应用，这种方式在保护了环境的同时也节约了资源。作为机床上关键的配套部件，对于他的研究也在不断的进行中，而且我们也取得了很好的成就。当今社会有很多种类的工作平台，某些特定的机床只能安装在传统的工作平台上，随着科技的不断进步与发展，由以前传统单一的功能逐步发展成为现在的多方向多功能，当前的某些工作平台，它不仅能够在钻床上安装，还能够在铣床和镗床等机床上安装。而且现在的某些工作台还可以当成机床的第四回转轴，一定程度上增强了机床的工作性能。例如：可倾回转工作台，它可以实现直接用在加工中心和数控机床上这种情况，可根据原机床的两个控制坐标用来控制转台的倾斜和回转，也可直接根据当前转台配套的数控装置和机床联接来进行所需的工作循环。它可以完成任意角度的孔、槽、平面类机械加工，以及曲线、凸轮等的加工，并且能够达到非常高的精准度。另外也可用于非数控钻、铣、镗类机床上，独立完成等分和不等分的角度分度工作。外国工作平台的所表现出来功能和国内生产的工作平台所表现出来功能大体相同，但精度方面所变现出的问题，外国的一些公司生产出来的工作平台要高出我国生产的产品一个层次。

因此国内的生产与国外的生产相比较来说，还是有些许的差距，因此设计工作平台是一件非常严谨且意义深厚的问题，我们要搭乘社会进步的步伐，推陈出新，革故鼎新，让我国不断的进步与发展，成为技术先进的综合性强国。

1.2数控X-Y工作台设计的意义和目的      

本次所要进行设计X-Y工作台采用了摩擦比较低的直线滚动导轨和条件非常精准的丝杠，它是通过MCS-51单片机来控制步进电机，并且能够使用数控来控制工作台。工作台的自动化性能能使工作强度大大的减少，劳动生产效率得到大幅度的提升。本设计的X-Y数控工作台机电系统设计是一个开环控制系统，具有简单的结构，方便机电系统更好的实现而且能够使精度得到保证。通过应用简单的微机控制技术，能够实现更好的控制机床，增大机床加工范围，能够更好的增强精度和可靠性。很多数控铣床的工作平台的整个布局与普通机床的某些布局是大体相同或类似的，而且已经达成了经典的、经过考核的特定模式，只是伴随着生产技术的不断进步与科技的不断发展，出现了越来越多的改进方式。数控铣床工作平台的整体布局的设计的问题在机床设计等方面是具有全局性的，它的优良能够精确的影响到机床的制造性能的问题和使用方面的问题。首先要从机床的制造原理即机床之间各个部件的相对运动关系，结合工件的尺寸、位置和形状等状态，来决定和判断各个重要部件之间的相对位置关系和配置，同时要全面考虑机床的外部因素，如外形、整体操作与维修，生产管理和人机关系等问题来决定整个机床的总体布局。

在本次的设计中深入的分析了如何设计对X-Y工作台，对选用导轨、丝杠、电机等方面进行了研究。  

通过X-Y工作台设计，能够正确使用数控机床和相关的知识，基本理论等课程，学会数控设备改造方案，比较，分析，并进行必要的计算;机械设备通过设计，以提高自己对应用手册，标准的使用能力，掌握计算方法和程序，学会使用典型的数控设备零件的设计方法。

1.3本设计的主要内容和任务  

本次设计的任务是设计一个数控X-Y工作台及其控制系统，可用于铣床上坐标孔的加工和铝合金零件的二维曲线加工；      

1）查阅文献收集资料确定系统组成方案（机械传动系统简图、主要设计参数，及方案分析、比较、说明）；  

2）机械部件的总体尺寸、质量、转动惯量的估算；

3）传动部件、导向部件的设计、计算和选用；

4）步进电动机计算、选用；

5) 其它相关零件的选型及计算。

6）各部分部件的尺寸材料外形确定。

7）根据计算数据绘制图。

参考文献

[1]尹志强. 机电一体化系统设计课程设计指导书.北京: 机械工业出版社,2007.58~192.

[2]范超毅.赵天婵.吴斌方.等.数控技术课程设计.武汉: 华中科技大学出版社,2007.10~190.

[3]田振亚.高东强.郭文举.等.二维数控工作台设计.机械设计与制造.2009.（2）：179~180.

[4]王晓明.电动机的单片机控制.北京：北京航空航天大学出版社.2002，181~214.

[5]康伟.王艳秋.基于单片机的机床经济型数控系统设计.辽宁工学院学报.2006.（3）：161~163.

[6]徐铭.琚海.经济型数控雕刻机的控制系统研究[J]．制造技术与机床.2012(9)：74—81．

[7]李绍林．低成本数控雕刻机控制系统研究开发[D]．济南：山东大学，2012．


内容简介：
中国地质大学长城学院 本 科 毕 业 设 计 题目 X-Y 数控工作平台结构的设计 系 别 工程技术系 专 业 机械设计制造及其自动化 学生姓名 张兴亮 学 号 05211504 指导教师 杨运强 职 称 教 授 2015 年 04 月 24 日 ntsX-Y 数控工作平台结构的设计 摘 要 本次设计的目的是使机床工作台来实现数字控制；相比普通的机床数控机床具有许多优点；可以处理更复杂的部件，精度高，有弹性，生产效率高，使用更方便等特点。并利用电脑控制，有效地消除人为误差，使零件，质量稳定可靠。自动化机器的出现明显的降低了操作人的劳动强度。 工作台是机器的重要组成部分，自动化工作台可大大降低劳动强度，提高劳动生产率，降低成本。数控 X-Y 工作台是数控技术，它充分利用了计算机硬件和软件的功能，从而实现机器控制，扩大加工机床的范围等最简单的应用；进一步增强了可靠性和精度。自改革开放以来，机械行业得到了充分的发展，但也有很多老机器在发展的过程中被淘汰，这些设备的改造仍然可以在生产中发挥了重要的作用，不仅提高精度和效率，并能有效地适应市场经济的需要。 关键词： 数控； 工作台； 机床； 自动化 ntsABSTRACT The purpose of this design is to make the machine table to achieve digital control; CNC machine tools compared to normal hard has many advantages; can process more complex parts, high precision, flexible, high production efficiency, easier to use and so on. And the use of computer control, effectively eliminating human error, so that the processing consistency of parts, stable and reliable quality. Automated machine high labor intensity of workers significantly reduced. Workbench is an important part of the machine, automated workbench can greatly reduce labor intensity and improve labor productivity and reduce costs. CNC XY table is the simplest application of numerical control technology, which fully utilizes the capabilities of computer hardware and software in order to achieve the machine control, expanding the scope of the processing machine; further improved accuracy and reliability. Since the reform and opening up, the machinery industry has been fully developed, but there are a lot of old machines to be eliminated in the process of development, after the transformation of these devices can still play an important role in the production, not only to improve the precision and efficiency, And can effectively meet the needs of the market economy. Key world: NC； Workbench； Machine tool； Automation nts目 录 1 绪论 . 1 1.1 X-Y 工作台的发展趋势及产业化的现状 . 1 1.2 数控 X-Y 工作台设计的意义和目的 . 1 1.3 本设计的主要内容和任务 . 2 2 总体方案的设计 . 2 2.1 设计参数的确定 . 2 2.2 总体方案确定 . 3 2.2.1 机械传动部分的计算的选用与选型 . 3 2.2.2 控制系统的设计 . 3 3 机械部分的设计 . 3 3.1 导轨上移动部件的重量估算 . 3 3.2 铣削力的计算 . 4 3.3 直线滚动导轨副的计算与选型 . 4 3.3.1 滑块承受工作 载荷的计算及导轨型号的选取 . 4 3.3.2 距离额定寿命的计算 . 4 3.4 滚珠丝杠螺母副的计算与选型 . 5 3.4.1 最大工作载荷 Fm 的计算 . 5 3.4.2 最大动载荷 FQ 的计算 . 5 3.4.3 初选型号 . 5 3.4.4 传动效率 的计算 . 5 3.4.5 刚度的验算 . 6 3.4.6 压杆稳定性校核 . 6 3.5 步进电动机减速箱的选用 . 6 3.6 步进电动机的计算与选型 . 7 3.6.1 计算加在步进电动机转轴上的总转动惯量 . 7 3.6.2 计算加在步进电机转轴上的等效负载转矩 Teq . 7 3.6.3 步进电动机最大静转矩的选定 . 9 3.6.4 步进电动机的性能校核 . 9 4 总 结 . 10 参考文献 .11 致 谢 . 12 nts中国地质大学长城学院 2015 届毕业设计 1 1 绪论 1.1 X-Y 工作台的发展趋势及产业化的现状 伴随着当今社会的不断进步，科技的发展也来越快，老旧的的生产方式已经不能够满足人们日益增长的需求，所以更先进的制造技术出现了。数控技术作为核心的制造技术能够很好的满足生产的需求。我国的数控技术经历了几十年的发展，已经越来越成熟，而且朝着更高的方向发展。 数控机床的生产离不开工作台，而工作台也影响着机床的加工。以前的工作台只是为了满足直线运动从而达到加工简便，现在为了满足生产需要工作台实现了加工不同方位与角度的需求。为了提高生产的效率，以液压驱动工作台的方式渐渐取代了原来的机械驱动，并且气动的方式也越来越被广为应用，这种方式在保护了环境的同时也节约了资源。作为机床上关键的配套部件，对于他的研究也在不断的进行中，而且我们也取得了很好的成就。当今社会有很多种类的工作平台， 某些特定的机床只能安装在传统的工作平台上 ，随着科技的不断进步与发展，由以前传统单一的功能逐步 发展成为现在的多方向多功能，当前的某些工作平台，它不仅能够在钻床上安装，还能够在铣床和镗床等机床上安装。而且现在的某些工作台还可以当成机床的第四回转轴，一定程度上增强了机床的工作性能。例如：可倾回转工作台，它可以实现直接用在加工中心和数控机床上这种情况，可根据原机床的两个控制坐标用来控制转台的倾斜和回转，也可直接根据当前转台配套的数控装置和机床联接来进行所需的工作循环。它可以完成任意角度的孔、槽、平面类机械加工，以及曲线、凸轮等的加工，并且能够达到非常高的精准度。另外也可用于非数控钻、铣、镗类机床上，独立完 成等分和不等分的角度分度工作。外国工作平台的所表现出来功能和国内生产的工作平台所表现出来功能大体相同，但精度方面所变现出的问题，外国的一些公司生产出来的工作平台要高出我国生产的产品一个层次。 因此国内的生产与国外的生产相比较来说，还是有些许的差距，因此设计工作平台是一件非常严谨且意义深厚的问题，我们要搭乘社会进步的步伐， 推陈出新，革故鼎新 ，让我国不断的进步与发展，成为技术先进的综合性强国。 1.2 数控 X-Y 工作台设计的意义和目的 本次所要进行设计 X-Y 工作台采用了摩擦比较低的直线滚动导轨和条件非 常精准的丝杠，它是通过 MCS-51 单片机来控制步进电机，并且能够使用数控来控制工作台。工作台的自动化性能能使工作强度大大的减少，劳动生产效率得到大幅度的提升。本设计的 X-Y数控工作台机电系统设计是一个开环控制系统，具有简单的结构，方便机电系统更好的实现而且能够使精度得到保证。通过应用简单的微机控制技术，能够实现更好的控制机床，增大机床加工范围，能够更好的增强精度和可靠性。很多数控铣床的工作平台的整个布局与普通机床的某些布局是大体相同或类似的，而且已经达成了经典的、经过考核的特定模式，只是伴随着生产技术的不断 进步与科技的不断发展，出现了越来越多的改进方式。数控铣床工作平台的整体布局的设计的问题在机床设计等方面是具有全局性的，它的优良能nts中国地质大学长城学院 2015 届毕业设计 2 够精确的影响到机床的制造性能的问题和使用方面的问题。首先要从机床的制造原理即机床之间各个部件的相对运动关系，结合工件的尺寸、位置和形状等状态，来决定和判断各个重要部件之间的相对位置关系和配置，同时要全面考虑机床的外部因素，如外形、整体操作与维修，生产管理和人机关系等问题来决定整个机床的总体布局。 在本次的设计中深入的分析了如何设计对 X-Y 工作台，对选用导轨、丝杠、电机等方面进行了研 究。 通过 X-Y 工作台设计，能够正确使用数控机床和相关的知识，基本理论等课程，学会数控设备改造方案，比较，分析，并进行必要的计算 ;机械设备通过设计，以提高自己对应用手册，标准的使用能力，掌握计算方法和程序，学会使用典型的数控设备零件的设计方法 。 1.3 本设计的主要内容和任务 本次设计的任务是设计一个数控 X-Y 工作台及其控制系统，可用于铣床上坐标孔的加工和铝合金零件的二维曲线加工； 1）查阅文献收集资料确定系统组成方案（机械传动系统简图、主要设计参数，及方案分析、比较、说明）； 2）机械部件的总体尺寸、质量、转动惯量的估算； 3）传动部件、导向部件的设计、计算和选用； 4）步进电动机计算、选用； 5) 其它相关零件的选型及计算。 6）各部分部件的尺寸材料外形确定。 7）根据计算数据绘制图。 2 总体方案的设计 2.1 设计参数的确定 负载重量 G=150N； 台面尺寸 C B H 145mm 160mm 12mm； 底座外形尺寸 C1 B1 H1 210mm 220mm 140mm；最大长度 L=388mm； 工作台加工范围 X=55mm， Y=50mm； 工作台最大快移速度为 1m/min。 XY 方向脉冲当量均为 0.005mm/脉冲； XY 方向定位精度均为 0.025mm， 重复定位精度均为 0.01mm； 控制方式：手动 /自动 /联机。 操作方式：手动 /自动。 供电容量 10Kw，单相 220V/50Hz。 nts中国地质大学长城学院 2015 届毕业设计 3 2.2 总体方案确定 2.2.1 机械传动部分的计算的选用与选型 需要完成的 XY 数控工作平台可用于铣床上坐标孔的加工和铝合金零件的二维曲线加工，由于载荷不大，但定位精度高，脉冲当量小，因此，采用直线滚动导轨副，而螺母丝杠副则采用传动精度高、灵敏度高、运转可靠的滚珠丝杠副，通过预紧可消除反向间隙。 本设计要求的脉冲当量、定位精度都不高。因此，性能好一些的步进电动机足以满足使用条件。为了更好的满足任务书中的精度要求，检测装置选用半闭环控制。 X、 Y 两个方向的加工范围相差不大，为了减少设计工作量，两个方向上的导轨副、螺母丝杠副等采用相同规格。 2.2.2 控制系统的设计 1) 设计的 XY 工作平台准备用在数控铣床上，其控制系统应该具有但坐标定位、两坐标直线插补与圆弧插补的基本功能，所以控制系统应该设计成连续控制型。 2) 对于步进电动机的半闭环控制，采用 MCS-51 系列的 8 位单片机 AT89C52 作为控制系统的 CPU，应该能够满足任务书给定的相关指标。 3) 要设计一台完整的控制系统，在选择 CPU 之后，还需要扩展程序存储器、数据存储器、键盘与显示电路、 I/O 接口电路、 D/A 转换电路、串行接口电路等。 4) 选择合适的驱动电源，与步进电动机配套使用。 3 机械部分的设计 3.1 导轨上移动部件的重量估算 X 向托板（上托板）的尺寸： 长宽高 145 160 12 X 向托板（上托板）的重量： 重量 =体积材料比重 M1=145 160 123 7.8 10-6 2.2kg G1=2.2 9.8=21.6N Y 向托盘（下托盘）的重量： 取 Y 向托盘 =X 向托盘 G1=G2=21.6N 上导轨座的重量： G3=210 220 140 7.8 10-6 9.8 494.4N 夹具及工件重量： nts中国地质大学长城学院 2015 届毕业设计 4 G4=150N X-Y 工作台运动部分重量： G 总 =G1+G2+G3+G4=21.6+21.6+494.4+150=687.6N 700N 3.2 铣削力的计算 根据设计要求，假定加工条件为立式铣削，刀具使用硬质合金 3 齿刀具，而设计要求的加工工件为碳钢和铝合金，在计算中以碳钢为准。于是铣削力的计算公式为： Fc =118ae0.85fz0.75d-0.73ap1.0n0.13Z (3-1) 假定立式铣刀铣的直径 d=15mm， Z=3，为了满足设计要求，现选取最坏的情况进行计算，取最大铣削宽度 ae=15mm,铣削深度 ap=8mm，每齿进给量 fz=0.1mm，铣刀转速n=300r/min。将数据带入式（ 3-1）中，得： FC=118 150.85 0.10.75 15-0.73 81.0 3000.13 3 1463N 采用立铣刀进行加工时，各铣削力之间的比值可通过查表得到，根据比例可以算出三个方向的铣削力分别为： Ff=1.1Fc 1609N, Fe=0.38Fc 556N, Ffn=0.25Fc 336N, Fz=Fc=556N 受到水平方向的铣削力分别为 Ff 和 Ffn 。今将水平方向较大的铣削力分配给工作台的纵向（丝杠轴线方向），则纵向铣削力 Fx=Ff=1609N，径向铣削力 Fy=Ffn=366N。 3.3 直线滚动导轨副的计算与选型 3.3.1 滑块承受工作载荷的计算及导轨型号的选取 影响直线滚动导轨副的使用寿命的最大因素为工作载荷。本设计中的 X-Y 工作台采用双导轨、四滑块支承的导轨。假定最坏的情况，即垂直于台面的工作载荷全部由一个滑块承担，则滑块所承受的最大垂向载荷为： Pc= +F （ 3-2） 其中，移动部件重量 G=700N，外加载荷 F=FZ=556N,带入上式可得其最大工作载荷PC=731=0.731kN。 根据计算得，工作载荷 PC=0.731kN，根据工作载荷可以确定直线滚动导轨副的型号为KL 系列的 JSA-LG15 型，其额定动载荷 Ca=7.94kN,额定静载荷 C0a=9.5kN。 任务书规定工作台面尺寸为 145mm 160mm，加工范围为 55mm 50mm，考虑工作行程应留有一定余量，查表可知，按照标准系列，选取导轨的长度为 280mm。 3.3.2 距离额定寿命的计算 nts中国地质大学长城学院 2015 届毕业设计 5 本次选取的导轨副为 JSA-LG15 型，其滚道的硬度为 HRC60，最大的工作时产生的温度为 100，每根导轨上安装了精度等级为 4 级的滑块两个，载荷不大而且工作时的速度较低，。硬度系数通过查表可取 fH=1.0，温度系数选取 fT=1.00,接触系数选取 fC=0.81，精度系数选取 fR=0.9,载荷系数选取 fW=1.5,带入下式 L=(fHfTfCfR/fW Ca/F)3 50 得距离寿命： L=(fHfTfCfR/fW Ca/F)3 50 7355km 远大于预期，故距离额定寿命满足要求 。 3.4 滚珠丝杠螺母副的计算与选型 3.4.1 最大工作载荷 Fm 的计算 当机床铣削时达到其最大的铣削力时，工作台在进给方向上受到的载荷为 FX=1609N,横向上受到的载荷 Fy=366N，垂直方向的载荷为 FZ=556N。已知工件在移动时的总重量G=700N,其导轨形状为矩形，查表可知颠覆力矩影响系数 K=1.1,导轨上的摩擦因数=0.005。求得滚珠丝杠副的最大工作载荷 Fm=KFX+ (FZ+Fy+G) =1.1 1609+0.005 (556+366+700)N 1778N 3.4.2 最大动载荷 FQ 的计算 设工作台在受到最大铣削力工作时的进给速度 v=400mm/min,初步选择导成为 Ph=5mm的丝杠 ,其转速为 n=v/Ph=80r/min。 取丝杠的最大使用寿命 T=15000h，计算可得丝杠寿命的系数为 LO=72(单位为： 106r)。 载荷系数由表查得 fW=1.2,当硬度为 HRC60 时，取硬度系数 fH=1.0,带入公式得 FQ= fWfHFm 8881N 3.4.3 初选型号 根据计算出的最大动载荷和初选的丝杠导程，查表可知，选择济宁博特精密丝杠制造有限公司生产的 G 系列 2005-3 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 20mm， 导程为 5mm，循环滚珠为 3 圈 1 列，精度等级取 4 级，额定动载荷为 9309N，大于FQ,满足要求。 3.4.4 传动效率的计算 将公称直径 dO=20mm,导程 Ph=5mm, nts中国地质大学长城学院 2015 届毕业设计 6 带入 =arctanPh/( dO), 得丝杠螺旋升角 =433 。 将摩擦角 =10 ，带入 =tan /tan( + ),得传动效率 =96.4%。 3.4.5 刚度的验算 X-Y 工作台采用 “ 单推 -单推 ” 式的滚珠丝杠副作为支承。丝杠的两端采用一对儿推力角接触球轴承，组配方式为面对面，两个支承的中心距离大概为 a=260mm；对于弹性模量为 2.1Mpa 的刚 ；查表所选直径为 3.175mm 的滚珠 ，丝杠底径为 16.2mm，丝杠截面积 的四分之一 为 206.12mm2。 算得丝杠在工作时所产生的拉 或 压变形量为 1=Fma/(ES) =1779 500/(2.1 206.12)mm 0.0205mm。 根据公式 Z=( d0/Dw)-3 求得单圈滚珠数 Z=20； 由于此丝杠的型号是单螺母，滚珠的圈数 列数为 3 1，带入公式： Z =Z 圈数 列数， 得滚珠总数量 Z =60。 当丝杠预紧时，轴向预紧力的大小为FYJ=Fm/3=593N。带入算得滚珠与滚道间的接触变量为 2 0.0026mm 因为丝杠的预紧力轴向载荷的 1/3，所以实际变形量为理论的 1/2，取 2=0.0013mm。 将以上算出的 1 和 2 带入 总 = 1+ 2，求得丝杠总变形量 总 =0.0218mm=21.8 m。 查表可知，精度等级在 5 级的有效行程在 315 400mm 时的滚珠丝杠，行程偏差最大的允许值为 25 m，所以丝杠刚度足够。 3.4.6 压杆稳定性校核 计算压杆在失稳时的临界载荷 FK。查表选取的支承系数为 fk=1，丝杠底径 d2=16.2mm，所以截面惯性矩的值为 I= d24/64 3380.88mm； 压杆稳定安全系数 K 取 3；滚动螺母至轴向固定处的距离 a 取最大值 500m。计算 得临界载荷 Fk=1779N,所以该压杆 稳定。 综上所述，初选的滚珠丝杠副满足使用要求。 3.5 步进电动机减速箱的选用 为了满足脉冲当量的设计要求，而且还要增大电机输出时的转矩，并且为了使滚珠丝nts中国地质大学长城学院 2015 届毕业设计 7 杠与该工作台折算到电机转轴上的转动惯量尽可能的小，所以安装一套齿轮减速箱在步进电动机的输出轴上。该减速箱为一级减速，且电机的输出轴与减速器的小齿轮连接，丝杠的轴头则与减速器的大齿轮连接。其中大齿轮的结构为双片结构，消除侧隙的方法为弹簧错齿法。 已知工作台的脉冲当量 =0.005mm/脉冲，滚珠丝杠的导程 Ph=5mm， 电机的步距角初步选 a=0.75 。根据公式算得减速比 I=(aPh)/(360 )=(0.75 5)/(360 0.005)=25:12 本设计选用 JBF-3 型齿轮减速箱。各个齿轮的模数均为 1mm，大小齿轮的齿数比为75:36，材料为 45 钢材，进行 调质处理，齿轮表面淬火而且使其表面硬度达 HRC55。减速箱中心距为 （ 75+36） 1/2mm=55.5mm； 小齿轮厚度为 20mm，大齿轮厚度为 10mm。 3.6 步进电动机的计算与选型 3.6.1 计算加在步进电动机转轴上的总转动惯量 已知：滚珠丝杠的公称直径 d0=20mm，总长 l=280mm，导程 Ph=5mm，材料密度 =7.85 10-3kg/cm3；移动部件总重量 G=700N,小齿轮宽度 b1=20mm，直径 d1=36mm；大齿轮宽度 b2=20mm，直径 d2=75mm，传动比 i=25/12。 查表算得各个零部件的转动惯量如下：滚珠丝杠的转动惯量 JS=0.345kg cm2,小齿轮的转动惯量 Jz1=0.259 kg cm2，大齿轮的转动惯量 Jz2=4.877 kg cm2，工作台折算到丝杠上的转动惯量 JW=0.450 kg cm2。 初选步进电机型号为 90BYG2602，为两相混合式，二相四拍驱动时步距角为 0.75，查表得该机型电动机转子的转动惯量 Jm=4kg cm2。 则加在步进电动机转轴上的总转动惯量为： Jeq=Jm+Jz1+(Jz2+Jw+Js)/i2 =28.88 kg cm2 3.6.2 计算加在步进电机转轴上的等效负载转矩 Teq 分快速空载启动和承受最大工作负载两种情况进行计算。 （ 1）电动机转轴在快速启动时所承受的转矩 Teq1 包括以下三部分： 1） 快速空载起动时电动机转轴上折算到的最大加速转矩为 Tamax； 2） 电机转轴摩擦转矩 T 包括部件移动时产生的 T； 3） 摩擦转矩 T 为丝杠预紧后与电机转矩的和。 因为滚珠丝杠副传动效率很高， 由于 T 相对于 T 和 Tamax 很小，可以忽略不计。则有： Teq1=Tamax+T （ 3-3） nts中国地质大学长城学院 2015 届毕业设计 8 根据公式，考虑传动链的总效率， 所以 快速空载起动时折算到电机转轴上的最大加速转矩： Tamax=2 Jeqnm/60ta 1 （ 3-4） 式中 nm 对应空载最快移动速度的步进电机最高转速， 单位为 r/min; Ta 步进电动机又静止到加速至 nm 转速所需的时间， 单位为 s。 其中： nm=(vmax )/360 （ 3-5） 式中 vmax 空载最快移动速度，任务书指定为 1000mm/min； 步进电动机步距角，预选电动机为 0.75； 脉冲当量，任务书指定为 0.005mm/脉冲。 将各数值带入公式（ 3-5）中，算得 nm=417r/min。 设电动机从静止加速到 nm 转速时所需的时间 ta=0.4s，传动链总效率 =0.7。所以 由式（ 3-4）求得： Tamax=(2 28.88 10-4 417)/(60 0.4 0.7) 0.45(N m) 移动部件运动时，折算到电动机转轴上的摩擦转矩为： Tf= (Fc+G)Ph/(2 i) (3-6) 则由上式可得： Tf=(0.005 700 0.005)/(2 0.7 25/12) 0.002(N m) 由式（ 3-3），求得快速空载起动时电动机转轴所承受的负载转矩： Teq1=Tamax+Tf=0.452(N m) (3-7) （ 2） 电动机工作时在最大载荷状态下转轴所的负载转矩为 Teq2，又因为 Teq2 包括以下三部分： 1）、电机转轴上折算到的最大负载转矩为 Tt； 2）、电动机转轴上折算到的移动部件运动时所受的的摩擦转矩 Tf； 3） 、滚珠丝杠预紧后电动机转轴上所折算的附加摩擦转矩 T0，由于 T 与 T 和 Tf 相比是很小的，忽略不计，所以 Teq2=Tt+Tf (3-8) 其中，折算到电动机转轴上的最大工作负载转矩 Tt 由公式 Tt=(FtPh)/(2 i)算得。本设计中在对滚珠丝杠进行计算的时候，已知沿着丝杠轴线方向的最大进给载荷 Fx=1609N，则有： Tt=(FfPh)/ (2 i)= 16090.0052 0.725/12 0.88(N m) 在承受垂直方向上最大工作负载为（ Fz=556N）的情况下，移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩： Tf= (Fz+G)Ph/(2 i)=0.005(556+700)0.0052 0.725/12 0.0034(N m) nts中国地质大学长城学院 2015 届毕业设计 9 最后由式（ 3-8），求得最大工作负载状态下电动机转轴所承受的负载转矩为： Teq2=Tt+Tf=0.8834N m (3-9) 经过上述计算后，得到加在步进电动机转轴上的最大等效负载转矩应为： Teq=maxTeq1， Teq2=0.8834N m 3.6.3 步进电动机最大静转矩的选定 由于步进电动机的驱动受电压的影响较大，由于输入的电压与输出转矩是成正比的，由此可能会造成丢步，更可能会造成堵转。因此，安全系数是根据 Teq 来选择步进电动机的最大静转矩时最需要考虑的。我选择的安全系数为 K=4，则不进电动机的最大静转矩应满足： Tjmax 4Teq=4 0.8834N m=3.534N m (3-10) 初选的步进电机型号为 90BYG2602，查表可知该型号电动机的最大静转矩 Tjmax=6N m。满足式（ 3-10）的要求。 3.6.4 步进电动机的性能校核 1） 最快工进速度是电动机输出转矩校核 任务书给定工作台最快工进速度 vmax=1000mm/min，脉冲当量 =0.005mm/脉冲，由公式求出电动机对应的运行频率 Fmax f=1000/(60 0.005)Hz 3333Hz。 从 90BYG2602 电动机的运行矩频特性曲线可以看出，在此频率下，电动机的输出转矩 Tmax f 5N m，远远大于最大工作负载转矩 Teq2=0.8834 N m，满足要求。 2） 最快空载移动时电动机输出转矩校核 本次设计给定的工作台空载时的最大移动速度为 vmax=1000mm/min， 可以求出对应的电动机的运行频率 fmax=1000/(60 0.005)Hz=3333Hz。 查图可知，在此频率下，电动机的输出转矩 Tmax=1.8 N m，大于快速启动时的负载转矩 Teq1=1.422 N m，所以满足要求。 3）最快空载移动时电动机运行频率校核 空载移动最快的速度为 vmax=1000mm/min 与之相对应的运行频率为 fmax=3333Hz。 查表可知型号为 90BYG2602 的电动机的最大运行频率为 20000Hz，未超出上限， 4）起动频率的计算 已知电动机转轴上的总转动惯量 Jeq=28.88kg cm2，电动机转子的转动惯量 Jm=4kg cm2，电动机转轴不带任何负载时的最高起动频率 fq=1800Hz。 所以可以求出电动机在克服惯性负载时的起动频率为： FL=fq/1+Jeq/Jm=628Hz 所以，为了使步进电动机在起动时不发生失步现象，电机在启动时的任何时候，启动频率都要小于 614Hz。实际上，在采用软件升降频率通常只有 100Hz(
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本文标题：数控铣床XY工作平台结构的设计【优秀含7张CAD图纸+数控工作台全套课程毕业设计】
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