钻床改装用数控XY工作台设计 (2)

1广西工学院机械工程系机电一体化系统设计课程设计说明书设计题目： 钻床改装用数控 XY 工作台设计（190*210mm 2）(C) 班 级： 姓 名： 指导教师： 教研室主任： 设计要求：设计要求包含以下几个部分：1、数控 XY 工作台机械部分的设计计算2、数控 XY 工作台机械部分装配图设计（A1）3、基于运动控制卡的控制系统硬件系统设计图（附在说明书中）4、编写设计说明书（不少于 18 页）2机电一体化系统设计课程设计指导一、 设计目的通过本次设计，使学生全面地、系统地了解和掌握机电一体化技术的基本内容和基本知识，初步掌握机电一体化系统设计方法，并能学会运用手册、标准等技术资料。同时培养学生的创新意识、工程意识和动手能力。二、 设计内容题目：钻床改装用数控 XY 工作台设计1、 设计一套简易数控 XY 工作台，固定在某个钻床的工作台上，XY 工作台的位置控制采用步进电机数控系统，通过上述方案将该普通钻床改装成简易的经济型数控钻床。2、 设计要求：改造后的钻床能够加工的最大面积为：A*B mm2 的工件，最大工件重量：150kg.数控 XY 工作台要求孔的定位精度在+/-0.02mm 内，工作台快进速度为 2m/min,加减速时间为 0.2 秒。3三、机械部分改装设计计算1、初步确定工作台的尺寸及其重量根据设计要求，所取的能够加工的最大面积为 ，最大2190m工件的重量为 。因此我初定工作台的 。工作台150kg 323的材料为 号钢，其密度为 。 （取 ）因此：437.810/kgmkgN/1.1、工作台（X 向托板）重量= 体积密度 931230107.8109GN1.2、取 Y 向托板=X 向托板 N921.3、上导轨座（连电机）重量初步取导轨座的长 ，宽为 ，高为 。因此m400m309332317.819GN所以根据上面所求，得 XY 工作台运动部分的总重量为： NG3701920321动根据要求所知，其最大加工工件为 ，因此：5kg78总2、传动系统设计2.1、脉冲当量是一个进给指令时工作台的位移量，应该小于等于工作台的位置精度的 1/2，由于定位精度在 内，因此：m02.，10.2.1m42.2、取联轴器传动，因此它的传动比为 ,取丝杠的导程为 。1i 4Pm取步距角 为 0.9 度，所以 脉冲当量 0.36P3、滚珠丝杠的设计计算及选择3.1 求丝杠的静载荷 cF已知其计算公式 数控机床系统设计 公式 5-2 dHMf10P式中的 硬度系数，取 1.0 数控机床系统设计 表 5-2,Hf载荷系数，取 1.5 数控机床系统设计 表 5-2d 10：丝杠工作时的轴向阻力MF根据： 0.31875.6ZN其中 为 0.003-0.004 因此： 1.5.684cFN3.2、确定动载荷及其使用寿命根据丝杠动载荷公式： 3HdeqCLf式中： ：额定动载荷：动载荷系数，轻微冲击取 1df：硬度系数， 取 1HRC58：当量动载荷，NeqF：寿命L根据：使用寿命使用寿命 630814Lh所以 6 60/15/2nT式中的 丝杠的最高转速，因题目中所给其工作台快进的速度为，因此其计算为：2/mi5max10/102/450/minnVPr所以： 34215.642.CN3.3 滚珠丝杠的选取查 / 根据动载荷及动载荷和公称导程值的核对，最后选取的滚珠丝杠的型号为 FF1204-3 ，其公称直径为 12mm，公称导程为 4mm，动静6载荷分别为 4KN 和 6.7KN。滚珠直径 2.381mm,刚度 208，外径0d11.3mm,丝杠底径 9.5mm,循环圈数 3。1d2d滚道半径 =1.238mm 机电一体化技术基础及应用 表01.4R 27p2-4偏心距 20.73.612dem丝杠内径 9.6mm10DeR(1)稳定性计算 式中 E=2.06 acrEIFlaGP434 10419.610.2adI m长度系数，两端用铰链时 =1 =0.3ml所以 因为 2910323.4064.79.413acrEIF Nl2.54 是安全的339.10.856crM(2)刚度验算 按最不利情况考虑，螺纹螺距因受轴向力引起的弹性变形与受转矩引起弹性变形方向是一致的。所以 式中 214216sTSFGdE, 机电一体化技术012MDTFtg006.5PtgD27P, 01.3.17tf 3 312.17605.1TtgNM S=P=4mm, 9.6mm,G=83.3 .1daGP762332 361 4 24210 1136.76 5.40489.29.0sTSF mGdEm 每米螺纹长度上距离弹性变形为 。3.610/.41/4sm滚动螺旋 可按滑动螺旋（同精度等级）的一半，根据有关表得出ps）（ =15 m/m，所以： 由网址 /查得南京艺工网 ， 选择 GGBAA/AL 四方向等载荷型滚动直线导轨副系列丝杠副滚珠。如下图所示：9选择 GGB16AA 型号，其额定基本静载荷 .013.8CKN4）验算额定静载荷取安全系数 ，按下式验算 0=3 Fmax0其中 =760N ， 满足要求1maxF0017.5cf5、步进电机的设计计算和选用已知快进速度： 丝杆导程: max2/inV4Pm所以最高转速： ax3ax50/in1rPv最高频率： max3ax6HZf1 计算系统在电机轴上的等效转动惯量工作台快速移动时的等效转动惯量：2max14nMVJ10式中：M=187kg , ,max2/inVmax3ax50/in1rPv代入上式解得： 242a21x87.764.4MKgmJ转动部件转换到电机轴上的等效转动惯量：41220.7JDL式中：D丝杆公称直径 12mm. l支座总长，l=400mm代入算得： 41241260JDLkgm因此总的转动惯量为： 52128.J总2 电动轴转矩的计算1）空载启动时，电动机的加速转矩： TnJMa6.9总式中的 为丝杠的最高转速n为电机加减速时间（0.2s）所以：T58.2410.214596.aMNm2）电机轴上的摩擦转矩 330187.041.7038fFPi式中的 为伺服传动链的总效率，取 0.83）计算附加摩擦力矩 23max00233(1)87.4.910.8523FPMi Nm11式中的 为滚珠丝杠示预紧时的效率，取 0.9。 因此由述计算可知0电动机的总的转矩为 033350.681afMNm4) 步进电动机的选择12根据上述分析，最后我选定步距角为 0.9 度的型号为 86BYG101 的步进电动机，其最大静转矩为 1.2我所需要的 0.0268。其外形结构及尺寸如下图所示：136、联轴器的选择6.1、联轴器的介绍联轴器属于机械能用零误了件范畴，用来联接不同机构中的两根轴（主动轴和从动轴）使之共同旋转以传递扭矩的机械零件。在高速重载的动力传动中，有些联轴器还有缓冲，减振和提高轴系动态性能的作用。联轴器由两半部分组成，分别与主动轴和从动轴联接。6.2、 联 轴 器 的 选 择由选择出丝杠的型号和步进电机的型号综合考虑联轴器的尺寸大小并选择相应的型号。丝杠轴端 =12mm，电机轴端 =9.5mm，由网址：1d2d/查 得 ：1415根据轴径选择联轴器的规格型号为：LK7-25-SLK7-25167、 轴 承 座 的 选 择根 据 滚 珠 丝 杠 的 公 称 直 径 为 12mm， 因 此 我 先 择 的 轴 承 座 为 ：查 / 其 外 观 图 为 ：其参数为：1718根 据 参 数 ， 我 所 选 的 型 号 为 EK-12装 配 参 数 ：四、硬件系统设计1、DMC3000DMC3000 系列是一种性能优越、功能强大的运动控制卡，特别适合于多轴插补联动等复杂用途。由于卡上带有硬件插补处理器，两轴圆弧插补和多轴直线插补均可在卡上进行处理，PC 机公需向卡上写入插补运动的终点和圆心值即可。卡上的预置寄存器可预先存储下一运动的数据，待当前运动执行完毕后，即自动装载并执行下一动动，因此本卡能很好地执行多段连续路径插补动动。此卡还有许多其它高级功能，如 T/S 形速度曲线、编码器或光栅计数、手轮输入、精密 Z 信号找零、非对称速度曲线、动态可改速度和目标位置等DMC3000 特点1） 四轴独立同时或插补运动 2）任意两轴和三轴线性插补功能3）常矢量速度连续插补功能 4）T/S 对称或非对称速度曲线5）两种编码器输入脉冲类型：A/B 相或双脉冲6）位置管理和软件限位开关功能 7）运动中可光滑改变速度和目标位置198）四轴可同时起动功能 9）功能强大的MOTION3000 测试软件10）最多可达16 进16 出I/O 11）每轴最大输出脉冲频率4MPPS12）两轴圆弧插补功能 13）由上位机控制的位图插补功能14）两种脉冲输出类型：双脉冲或脉冲/方向15）每轴编码器输入脉冲频率最大1MHZ16）板卡号ID 设置 ，同一电脑最多可插12 块卡17）支持手轮和JOG 功能 18）可编程中断源19）DMC3400 DLL 函数库和适用于Windows 95/98/NT/200020）可用VB/VC/C+ BUILDER 等编程控制卡原理结构见下图20XY 工作台控制系统结构图四 、 总 结经 过 10 天 时 间 的 课 程 设 计 完 成 了 整 个 钻 床 XY 工 作 台 的 机21械 部 分 的 设 计 、 计 算 及 选 取 。 在 结 构 上 看 似 简 单 ， 但 是 真 正 在 着手 的 时 候 发 现 自 己 还 有 很 多 方 面 不 懂 ， 因 此 需 要 努 力 加 强 自 己 的专 业 方 面 的 理 论 知 识 及 实 践 能 力 。本 次 设 计 的 主 要 内 容 包 括 ， 滚 珠 丝 杠 ， 滚 动 导 轨 及 步 进 电 动机 的 计 算 及 选 取 和 轴 承 座 、 联 轴 器 的 选 取 。 在 其 计 算 方 面 我 采 用了 最 常 规 的 方 法 ， 因 此 对 于 所 设 计 的 工 作 台 的 实 用 性 有 一 定 的 保障 。 另 外 在 导 轨 座 ， 工 作 台 及 其 配 装 的 设 计 中 ， 加 入 了 自 己 的 一些 想 法 ， 有 所 创 新 ， 也 希 望 能 够 经 的 住 实 践 的 考 验 。在 设 计 中 也 遇 到 了 一 些 问 题 ， 感 谢 梁 蔓 安 老 师 的 精 心 指 导 ，由 于 本 人 经 验 不 足 ， 专 业 水 平 有 限 以 及 一 些 不 可 预 见 的 因 素 ， 所以 设 计 中 也 必 定 会 出 现 一 些 问 题 ， 恳 请 老 师 批 评 指 正 。五 、 参 考 文 献【 1】 数 控 机 床 系 统 设 计 ， 北 京 ： 化 学 工