钻床改装用数控XY工作台设计

- 1 -钻床改装用数控 XY 工作台设计摘要X-Y 数控工作台改装设计是一个开环控制系统，其结构简单。实现方便并且能够保证一定的精度。本文主要对工作台的机械部分进行设计，对滚珠丝杠，滚动导轨及步进电动机做了设计计算及选用，并也对轴承座和联轴器进行了分析和选择，另外也利用 AutoCAD 进行了装配图的绘制，对其导轨座的设计及各零部件的安装也作了比较详细的说明。针对滚珠丝杠的计算，通过对滚珠丝杠的动载荷及静载荷的计算，确定所要丝杠的动静载荷值，并选择。针对滚动导轨，分别计算滚动导轨的动载荷及其工作寿命来确定滚动导轨的参数，并选取。针对步进电动机的选取，我分别作了其转动惯量和转动力矩的计算，根据所得的数据作步进电动机的选择。关键词：XY 工作台 步进电动机 滚动导轨 滚珠丝杠 - 2 -一、 课程设计的目的根据课堂讲授内容，我们做相应的自主练习，消化课堂所讲解的内容。通过本次设计，使我们全面地、系统地了解和掌握数控机床的基本内容和基本知识，初步掌握数控机床的设计方法，并学会运用手册标准等技术资料。同时培养我们学生的创新意识、工程意识和动手能力。- 3 -二、设计要求1、改造后的钻床能够加工最大面积为 180180 ，最大工2m件重量为 200kg。2、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 3.6m/min，加速时间为：0.1 秒。3、课程设计的内容和步骤（一） 、总体设计方案课程设计课题：钻床数控改装用数控 X、Y 工作台的设计课程设计内容：设计一套简易数控 XY 工作台，固定在某一钻床的工作台上。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。（二） 、机械部分改装设计1、数控机床机构性能应满足以下要求：（1） 、较高的机床静、动刚度数控机床是按照数控自动编程或手动输入数据方式提供的指令- 4 -自动进行加工的。由于机械结构(如机床床身、导轨、工作台、刀架和主轴箱等)的几何精度与变形产生的定位误差在加工过程中不能人为地调整与补偿，因此，必须把各处机械结构部件产生的弹性变形控制在最小限度内，以保证所要求工件的加工精度与表面质量。（2） 、减少机床的热变形在内外热源的影响下，机床各部件将发生不同程度的热变形，使工件与刀具之间的相对运动关系遭到破环，也是机床季度下降。对于数控机床来说，因为全部加工过程是计算的指令控制的，热变形的影响就更为严重。（3） 、减少运动间的摩擦和消除传动间隙数控机床工作台(或拖板)的位移量十一脉中当量为最小单位的，通常又要求能以基地的速度运动。为了使工作台能对数控装置的指令作出准确响应，就必须采取相应的措施。目前常用的滑动导轨、滚动导轨和静压导轨在摩擦阻尼特性方面存在着明显的差别。在进给系统中用滚珠丝杠代替滑动丝杠也可以收到同样的效果。目前，数控机床几乎无一例外地采用滚珠丝杠传动。（4） 、提高机床的寿命和精度保持性为了提高机床的寿命和精度保持性，在设计时应充分考虑数控机场零部件的耐磨性，尤其是机床导轨、进给伺服电机主轴部件等影响进度的主要零件的耐磨性。在使用过程中，应保证数控机床各部件润滑良好。（5） 、减少辅助时间和改善操作性能数控机床的单件加工中，辅助时间(非切屑时间)占有较大的比- 5 -重。要进一步提高机床的生产率，就必须采取促使最大限度地压缩辅助时间。目前已经有很多数控机床采用了多主轴、多刀架、以及带刀库的自动换刀装置等，以减少换刀时间。对于切屑用量加大的数控机床，床身机构必须有利于排屑。2、待改装钻床型号的确定在本设计中我选择型号为 Z4050 的立式钻床进行改装，数据来源：/offerdetail/408128.html项目 参数最大钻孔直径 铸件：50 mm钢件：45 mm最大攻丝能力 钢件：M422,M303.5mm主轴锥孔锥度 MT4主轴最大行程 150 mm主轴转速范围 60-1500r/min;40-995r/min主轴转速级数 6级主轴中心至立柱表面距离 310mm主轴端部到工作台最大距离 728mm工作台面尺寸 400 * 380 mm立柱直径 130 mm电动机/功率 Y90L-4/1.5kW;Y90L-6/1.1kW包装尺寸 860 * 640 * 1500mm净重 300kg- 6 -3、运动控制方式的确定数控系统按运动方式分为点位控制系统、直线控制系统、轮廓控制系统。点位控制的特点是只控制刀具相对于工件定位点的位置精度，不控制点与点之间的运动轨迹，在移动过程中刀具不进行切削；直线控制的特点是除了控制起点与终点之间的准确位置外，而且要求刀具由一点到另一点之间的运动轨迹为直线，并能控制位移的速度；轮廓控制的特点是能够对两个或两个以上的坐标轴方向同时进行连续控制，并能够对位移和速度进行严格地、不断地控制。本设计的钻床工作台相对刀具运动时不进行任何切削，只是在点与点之间进行精确定位，所以选用点位控制。4、伺服系统的确定伺服系统可以设计为开环、半闭环和闭环伺服系统三种。开环的伺服系统采用步进电机驱动, 系统没有检测装置; 半闭环的伺服系统中一般采用交流或直流伺服电机驱动, 并在电机输出轴安装脉冲编码器, 将速度反馈信号传给控制单元; 闭环的伺服系统也是采用交流或直流伺服电机驱动, 位置检测装置安装在工作台末端, 将位置反馈信号传给控制单元。闭环和半闭环伺服系统价格昂贵，结构复杂，由于本次设计中，其位置精度（0.02mm）要求不高，考虑到成本低，维修方便等条件，选用步进电机驱动的开环伺服系统就可满足要求。XY 工作台系统总体框图如下图所示： - 7 -5、工作台参数的初步选定在老师给定的参数中，我选钻床能够加工的最大面积为 180， 最大工件重量 200kg。所以留出装夹的尺寸后工作台应该设2m为 ，并且考虑到工件最大重量为 200 ，所以我选工作6072 kg台厚度为 20 ，材料选 HT150 灰铸铁，因为其有良好的铸造性能，减磨性，耐磨性好，加上其熔化配料简单，成本低，耐腐蚀及抗震性好等。6、导轨的选定思路导轨是数控机床的重要部件之一，它在很大程度上决定数控机床的刚度，精度和精度保持性。其中直线滚动导轨副是在滑块与导轨之间放入适当的钢球，使滑块与导轨之间的滑动摩擦变为滚动摩擦，大大降低二者之间的运动摩擦阻力，从而获得： 动、静摩擦力之差很小，随动性极好，即驱动信号与机械动作滞后的时间间隔极短，有益于提高数控系统的响应速度和灵敏度。驱动功率大幅度下降，只相当于普通机械的十分之一。 适应高速直线运动，其瞬时速度比滑动导轨提高约 10 倍。 能实现高定位精度和重复定位精度。 能实现无间隙运动，提高机械系统的运动刚度。因此导轨选用直线- 8 -滚动导轨。7、滚珠丝杠选型思路滚珠丝杠螺母机构是回转运动与直线运动相互转换的传动装置，是数控机床伺服进给系统中使用最为广泛的传动装置。其特点如下：（1） 、摩擦损失小、传动效率高；（2） 、运动平稳，摩擦力小、灵敏度高、低速时无爬行；（3） 、轴向刚度高、反向定位精度高；（4） 、在磨损下、寿命长、维护简单；（5） 、传动具有可逆性、不能自锁；（6） 、同步性好；（7） 、有专业厂生产。常用的双螺母消除轴向间隙的结构形式有三种：（1） 、垫片调隙式，其优点是结构简单、刚性好、装卸方便，缺点是调整时需要对垫片反复修磨，工作中不能进行随时调整，因此适用一般精度的机构；（2） 、螺纹调隙式，其优点是结构简单、调整方便，但是调整量难以精确控制；（3） 、齿差调隙式，其优点是精确可靠，但是结构复杂，其调整间隙公式是：= S21zkp丝杠的安装有四种形式：（1） 、一端固定，一端自由；（2） 、两端游动；（3） 、一端固定，一端游动；（4） 、两端固定。在本次设计中我选用的是第三种调隙式，并且选外循环滚珠丝杠做为工作台的传动机构。其理由是这样选择的循环方式具有结构简单，工艺性好，承载能力强，成本低等优点。其安装方式我选择两端固定的方式，其特点是：（1） 、刚度最高，只要轴承无间隙，丝杠的轴向刚度为一端固定的 4 倍；（2） 、丝杠一般不会受压，无压杆稳定问题，固有频率比一端固定的高； （3） 、可以预拉伸，预紧拉伸后可减小丝杠自重的下垂和热补偿膨胀。- 9 -8、丝杠和电机连接零件的选取思路由于要求设计的工作台属于轻载型工作台，工作台上的负载折算到电极机上的转动惯量不是很大，所以电机与丝杠的连接用联轴器就可以满足要求。这样大大简化了主轴的结构，缩短传动链，提高了传动精度。同时有效地提高了主轴部件的刚度。9、支承座材料的选取支承座的材料选 HT150 做为支承座材料，其优点耐磨，耐腐蚀，抗震性好，刚度高。10、轴承类型的选取思路根据承受载荷性质的不同或公称接触角的不同，滚动轴承可分为向心轴承、推力轴承。向心轴承：主要承受径向载荷，也承受一定的轴向载荷。又分为径向接触轴承 和向心接触轴承（ ） 。钢球0045与外圈内表面的接触角 有 、 和 三种。 大能承受120603的轴向载荷大。推力轴承：同时承受径向载荷和较大的轴向载荷。又分为轴向接触轴承 和推力角接触轴承（ ） 。外圈0900945或内圈有可拆和不可拆两种；滚动元件有单列和双列的两种。由于本设计中丝杠主要受轴向力的作用，为了保证其高速、高精度可靠性。可选用“前后支承均采用高精度的单列向心推力轴承和一个深沟球轴承支承” 。这样既保证了轴向载荷和径向载荷。需要注意的是机械部分改装设计要确保数控系统的传动精度和工作平稳性。在满载设计机构传动装配时，通常提出低摩- 10 -擦、低惯量、高刚度、无间隙、高谐振以及有适宜阻尼的要求，所以设计时要遵守以下原则：（1） 缩短传动链，这样可以提高系统传动的传动刚度，减少传动链误差，同时可以通过预紧方式提高传动精度。（2） 工作台与导轨的安装要确保工作台与导轨的垂直度和平行度达到规定的精度。（3） 控制好两导轨的水平度和平行度，否则导致工作台在移动过程中出现卡死现象。（4） 确保电机与丝杠连接时达到规定的同轴度及调节好电机的定位精度。（5） 轴承的安装，确保预紧，提高传动精度。（三） 、机械部分改装设计的计算部分1、确定工作台的尺寸及其重量在老师所给定的工件尺寸中我选工件尺寸为180180 。根据我们加工的时候要用夹具夹紧工件就必须2m每边留出装夹具的尺寸 40mm，所以最后确定工作台尺寸为。因为工作台加工的最大工件重量为 200kg，考虑60272到刚度和强度问题，最后我选工作台的厚度为 H=20mm。经过查阅，我选灰铸铁 HT150 做为工作台的设计材料。因为 HT150 特点如下：适用用于轴承受中等载荷的零件。如机床上的支柱、底座、齿轮箱、刀架、床身、轴承座、工作台、带轮，并且铸件厚度在 2030mm 时，其最小抗拉强度为130MP，HBS 为 110166。而密度 =7.2g 。 3cm所以工作台的体积- 11 -V=ABH=27026020=1404000 =14043m3c工作台质量：m= V=7.21404=10108.8g=10.11kg 2、支承座参数设计根据工作台的行程确定支承座的长度 ，因为工作台行程初选为工作台长度的两倍，在加上其他的一些安装尺寸等，长宽高分别设为 abc， 所以分别取 a=600mm, b=200mm, c=96mm。按保守法算得支承座=abc= =11520 =11.52 1V6920310m310cm查阅有关资料，我选 HT150 灰铸铁做为支承座材料。密度 =7.2g3cm所以 = =11.52 7.2=82.944 g=82.944kg1 3 3又对工作台上的夹具进行放大的质量： =20kg2最低的那根丝杠以上的所有质量为：M又知工件质量 =200kg3所以 M= + + +m=82.944+20+200+10.11=313.05kg12考虑到其他因素，再把 M 扩大到 320kg，即 M=320kg3、滚珠丝杠参数设计与选型计算滚珠丝杠螺母副的承载能力用额定负荷表示，其动静载强度计算原则与滚动轴承相类似。由于钻床切削时产生的轴向切削力很小并且工作台是点位系统，滚珠丝杠运动与静止时都不受由于切削而引起的轴向阻力，故切削力可忽略不计。因此滚珠丝杠的负荷只有运动部件的重量所引起的摩擦阻力。（1） 、求丝杠的静载荷 cF已知其计算公式： MLHFcK式中的 为载荷系数，无冲击平稳运转：1.0-1.2FK一般冲击：1.2-1.5；有冲击和振动：1.5-2.5；该设计取 1.5为硬度系数, 滚道硬度 HRC58：1.0；滚道硬度 HRC55：1.11H- 12 -滚道硬度 HRC50：1.56；滚道硬度 HRC45：2.4； 滚道硬度 HRC 40：3.85；该设计取 1.0为精度系数，精度等级 C、D： 1.0； 精度等级 E、F： LK1.1精度等级 G： 1.25； 精度等级 H：1.43； 该设计取 1.0为丝杠工作时的轴向压力。MF根据：3.2N100.g m总M其中 为淬火钢的摩擦因数 取值为 0.001， 为最下面的丝杠以总m上的所有质量，前面计算可知应取值为 =M=320总因此：4.8N321.5cF（2） 、确定额定动载荷及其使用寿命初步确定滚珠丝杠的规格型号。选择的滚珠丝杠副的额定动载荷 Ca，必需大于等于其计算值：Ca额定动载荷（N） ；nm螺杆的平均转速，取 90-110r/min 该设计取 100r/min Lh运转寿命（h） ； Fc螺旋传动的计算载荷（N）假设滚动丝杆能工作 6 年，每年 365 天，每天工作 8 小时，则0h1356hT752834601.7mhaa CnLCF- 13 -NCa 3921341067.520 根据丝杠动载荷公式： eqdHFfLC式中： ：额定动载荷C：动载荷系数，轻微冲击取 1df：硬度系数， 取 1HR58：丝杠承受的轴向力eqF：使用寿命L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n为 ，因此其计算为：3.6m/i720r/min3.6/510Pax10Vn 根据： 864.5716Ts/L 6所以： N93.213756.84C 12.（3） 、滚珠丝杠的选取查 /products_Content.asp?id=37- 14 - 16 - 17 -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 CTF1610-2.5，其公称直径为 16，公称导程为 10，动静载荷分别为 6.8KN 和 13.1KN。（4）滚珠丝杠螺母副精度等级的选择： 普通精度的数控机床可选用 D 级精度，精密型数控机床选用 C 级。- 18 -滚珠丝杠螺母副的标注： 4、滚动导轨参数设计（1） 、导轨的工作寿命根据题目要求所知其寿命要在 6 年以上，因此我取一年 365 天，一天 8 小时，因此 0h135hT7528导轨行程长度的寿命此标注表示：外循环垫片调隙式的双螺母滚珠丝杠副，名义直径为 30，螺距为 5，一个螺母工作滚珠 3.5 圈，单列，D 级精度，左旋，丝杠的螺纹部分长度为 800，丝杠的总长度为 1000。 4、滚动导轨参数设计与选型计算（1） 、导轨的工作寿命根据题目要求所知其寿命要在 5 年以上，因此我取一年 365 天，一天 24 小时，因此 h1365hT75208导轨行程长度的寿命其公式为： 3n/10slh2T式中 为单行程，取 300mmsl为第分钟往复次数（取 6 次/分钟）n左 -结 构 类 型 代 号公 称 直 径 （ 名 义 直 径 ）螺 距滚 珠 的 工 作 圈 数一 个 螺 母 的 滚 珠 列 数精 度 等 级螺 纹 旋 向丝 杠 螺 纹 长 度丝 杠 总 长 度 D L- 19 -因此： km360/10.13012sT 2.78475 （2） 、计算导轨的额定动载荷根据额定动载荷的公式：325.6FCTas从而得到： 3125.6saTFC因钻床的切削力 大概是工作台重的 1-1.2 倍该设计取 1.2，钻所以NgmF3481029.12.1钻假设每根导轨上有 2 块滑块，每个滑座承受的工作载荷为 F,则FgF 874310324钻总可由求得： KN7N7.25)(3784/68Ca 31 5.02.4差 /得到如下数据- 20 - 21 -根据额定动载荷，最后我选定的导轨副的型号为 GGB20BA，其尺寸见上图。- 22 -5 根据额定动载荷 Ca确定滚动导轨的型号及结构尺寸在网上查：/product.asp 选择四向等载荷 KL 标准型滑块及滚动直线导轨，其参数如下：- 23 -根据 CaCa原则，选取 LG20KL 型号的导轨。6、步进电机参数设计与选型计算（1） 、确定脉冲当量，初选步进电机脉冲当量根据系统精度来确定，对于开环系统一般为 0.0050.01mm。如取得太大，无法满足系统精度要求；如取得太小，或者机械系统难以实现，或者对其精度和动态特性能提出更高的要求，是经济性降低。知道本次设计的工作台的精度为0.02mm，所以根据经验公式得脉冲当量 。又知道是用联轴0.125m431 器连接电机主轴和丝杠，所以传动比 =1。根据公式得步距角。9.0p360 （2） 、计算系统转动惯量计算转动惯量的目的是选着步进电机的动力参数及进行系统动- 24 -态特性与设计。丝杠的转动惯量的计算=1.9 （kg ）32l d1j44102m其中 是丝杠密度（kg/ ） ，取 7.8 kg/ ；d 是丝杠33103m的等效直径(m),取 0.013m; l 是丝杠的长度 0.6m。沿直线轴移动物体的惯量 工作台、工件等折算到电动机轴上的转动惯量，可由下述公式达到：2mkg4102.361032702 3610M2 n2j总 M工作台（包括工件）的质量，kgV工作台快进速度，mm/minN丝杠转速,r/min所以折算到电机上的总转动惯量 = = kg 。J总 1j241093.2m*电机转子的转动惯量小的场合，可忽略不计。 （3） 、电机轴转矩的计算空载启动时，电动机轴上的惯性转矩：m)15.3(N0630.51213.9 tVp2JT4max总j 其中，t 为电机加减速时间（=0.1s） ；P-丝杠导程(m)Vmax 为工作台快进速度（=3.6m/min，换算为 m/s） ； 为传动比.电动机轴上的当量摩擦转矩262PJ总- 25 -m)0.1(N41320.92 05mF2 pT 其中， t 为电机加速时间：t=0.1O 秒伺服传动链的总效率取为 =0.8为工作台快进速度 =3.6m/minmaxVmaxV设滚动丝杠螺母副的预紧力为最大轴向载荷的 1/3，则因预紧力而引起的、折算到电动机轴上的附加摩擦转矩为： mN310.6209132.541092 .13mF2 p0T 是滚珠丝杠螺母副未预紧时的传动效率。 =0.9 工作台上的最大轴向载荷折算到电动机轴上的负载转矩为：= 12.54=0.01 NmmF2 ipTw0.5291在最大外载荷下工作时，电动机轴上的总负载转矩：=0.010.1 = 0.11Nm0Tl30.6根据下列公式计算正常运转时所需步进电动机的最大静转矩m0.37N20.5310.Tls1 于是空载启动时电动机轴上的最大静转矩为： 154610jq 我初步选定电机为三相双六拍的电机，根据 与选取启动时qT所需步进电动机的最大静转矩 的关系：ST- 26 -m17.8N0.8654Tqs （4） 、电机的选定/product/stepmotor/350/110BYG.html经过筛选最终选定 110BYG3502。（5） 、惯量匹配验算电机轴上的总当量负载转动惯量 和电机轴自身转动惯量总J的比值应控制在一定范围内，既不应太大，也不应太小。如果太mJ大，则伺服系统的动态特性主要取决于负载特性，由于工作条件（如工作台位置）的变化而引起的负载质量，刚度，阻尼等的变化，将导致系统动态特性也随之产生较大的变化，使伺服系统综合性能- 27 -变差，或给控制系统设计造成困难。如果该比值太小，说明电动机选或传动系统设计不太合理，经济性较差。为了系统惯量达到较合理的匹配，一般应将该比值控制在下式所规定的范围内： 1mJ总410.3280.539总 24说明惯量匹配合理。（6） 、电动机最大运行频率确定步进电动机在运行的输出转矩随运行频率增加而下降，因而应根据所计算出的负载转矩 ，按电动机运行矩频特性曲线来确定最大lT运行频率，并要求实使用的运行频率低于这一允许的最大运行频率。下图：- 28 -当 =0.15Nm 时 电机的运行频率 f10000HZ，而根据lTV=60f 算得实际使用的运行频率为 =4800 HZ，而 f，所以f 满足要求。查 /jichuang/cnc/dianji.htm/PRODUCTS/STEPMOTOR/SMSERIES/60BYG.HTM- 29 -根据上述分析，最后我选定步距角为 0.36 度的型号为60BYG550A 的步进电动机，其最大静转矩为 0.6我所需要的 0.22 。其外形结构及尺寸如下图所示：- 30 - 31 -7、联轴器的选择弹性套柱销联轴器结构比较简单，制造容易，不用润滑，不需要与金属硫化粘结，更换弹性套方便，不用移动半联轴器，具有一定补偿两轴相对偏移和减振缓冲性能。弹性套工作是受压缩变形，由于弹性套的厚度较薄，体积小，弹性变形有限，所以，弹性套柱销联轴器虽可补偿轴线位移和弹性。弹性套柱销联轴器是依靠柱销组的锁紧力而产生于接触面的摩擦力矩，并压缩橡胶弹性套来传递转矩。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，选出下面的弹性套柱销联轴器。如图：但是滚珠丝杠跟联轴器连接的轴端(15mm)要相应的加工为12mm 才能跟联轴器配合。- 32 -8、 轴 承 座 的 选 择设计滚珠丝杠的支承的安装采用固定支承式，即一端装止推轴承，另一端装深沟球轴承。如下图所示： /product_det