钻床数控改装用数控XY工作台设计

摘 要数控 XY 工作台具有自动化程度高的特点。将钻床进行数控改造可以提高机床的使用性能，降低生产成本，用较少的资金投入而得到较高的机床性能和较大的经济效益。本次设计主要对数控 XY 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并选型，对相关支撑部件和连接部件进行了分析计算和选型改造。另外，零件图和装配图利用 AutoCAD 绘制完成。 本次设计我主要针对以下几个方面进行设计计算：工作台总重量的估算。滚珠丝杠的相关计算与选型。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，并据此选型。滚动导轨的相关计算与选型。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，并据此选型。 步进电动机的相关计算和选型。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进行选型。同时对其进行了惯量验算和最大运行频率验算。最后设计出了如装配图所示的 XY 工作台。 关键字：XY 工作台 步进电动机 滚动导轨 滚珠丝杠目 录一、 绪论二、 设计目的三、 设计要求四、 设计的内容和步骤（一）总体设计方案1 设计机构的性能要求2 待改装钻床型号的确定3 控制方式的确定4 伺服系统的确定5 工作台参数的初步确定6 导轨的选型思路7 滚珠丝杠选型思路8 丝杠和电机连续零件的选取思路9 支承座材料的选取10 轴承类型的选取思路（二）机械部分改装设计与计算1 确定工作台的尺寸及其重量2 支承座参数设计3 滚珠丝杠参数计算与选型4 滚动导轨参数计算与选型5 步进电机参数计算与选型6 联轴器的选择五、 结束语六、 致谢七、 参考文献绪 论据资料介绍，我国拥有 400 多万台机床，绝大部分都是多年累积生产的普通机床。这些机床自动化程度不高，加工精度低，要想在短时期内用自动化程度高的设备大量更新 替代现有的机床，无论从资金还是从我国机床制造厂的生产能力都是不可行的。但尽快将我国现有的部分普通机床实现自动化和精密化改造叉势在必行。为此， 如何改造就成了我国现有设备技术改造迫切要求解决的重要课题。把微机数控系统引入机床的改造有以下几方面的优点：可靠性高；柔性强； 易于实现机电一体化；经济性可观。为此在旧的机床上进行数控改造可以提高机床的使用性能，降低生产成本，用较少的资金投入而得到较高的机床性能和较大的经济效益。数控钻床是数字控制的以钻削为主的孔加工机床。 数控钻床按其布局形式及功能特点可划分为数控立式钻床、钻削中心、印刷线路板数控钻床、数控深孔钻床及其它大型数控钻床等。可完成钻、扩、绞、攻丝等多道工序，适用于孔间距离有一定精度要求的零件的生产。工作台可进行两座标移动，主轴可以是数控的也可以是非数控的。也就是说，采用 3 轴数控系统或 2 轴数控系统。数控立式钻床的数控系统一般是点位控制系统。 数控钻床的类型较多，其结构特点各异，数控系统也各不相同，功能主要包括：孔加工循环、插补、刀具补偿、工件坐标系设定、宏程序等。关于原理在此实在无法详尽说明。 美国的 P&W 于 1961 年最早成批生产数控钻床，Cincinnati、吉田、兄弟等都有高性能数控钻床、数控转塔钻床和钻削中心的生产。将普通钻床改装成数控钻床，是一项技术性很强的工作。必须根据加工对象的要求和加工数量的大小实际情况，确定切实可行的技术改造方案，搞好机床的改造设计。进行改造的可行性分析，针对某台钻床或钻床的某一部分的现况确定改造方案。当今世界电子技术迅速发展， 微处理器、 微型计算机在各技术领域得到了广泛应用， 对各领域技术的发展起到了极大的推动作用。 一个较完善的机电一体化系统， 应包含以下几个基本要素： 机械本体、 动力与驱动部分、 执行机构、 传感测试部分、 控制及信息处理部分。 机电一体化是系统技术、 计算机与信息处理技术、 自动控制技术、 检测传感技术、 伺服传动技术和机械技术等多学科技术领域综合交叉的技术密集型系统工程。 新一代的 CNC 系统这类典型机电一体化产品正朝着高性能、 智能化、 系统化以及轻量、 微型化方向发展。一、 设计目的通过本次设计，能够全面地、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，培养相应的创新意识、工程意识和动手能力。二 、 设 计 要 求改造后的钻床能够加工最大面积为 Amm*Bmm 的工件，最大工件重量 200kg;数控 XY 工作台要求孔的定位精度在 0.02mm 内，快进速度为3.6m/min，加减速时间为 0.1 秒。注：A 和 B 的推荐取值范围为 180-250mm。三 、 设 计 的 内 容 和 步 骤（一）总体设计方案1、设计机构的性能要求机电一体化机械系统应具备良好的伺服性能（即高精度、快速响应性和稳定性好）从而要求本次设计传动机构满足以下几方面：（1）转动惯量小 在不影响机械系统刚度的前提下，传动机构的质量和转动惯量应尽量减小。否则，转动惯量大会对系统造成不良影响，机械负载增大；系统响应速度降低，灵敏度下降；系统固有频率减小，容易产生谐振。所以在设计传动机构时应尽量减小转动惯量。（2）刚度大 刚度是使弹性体产生单位变形量所需的作用力。大刚度对机械系统而言是有利的：伺服系统动力损失随之减小。机构固有频率高，超出机构的频带宽度，使之不易产生共振。增加闭环伺服系统的稳定性。所以在设计时应选用大的刚度的机构。（3）阻尼合适 机械系统产生共振时，系统的阻尼增大，其最大振幅就越小且衰减也快，但大阻尼也会使系统的稳态误差增大，精度降低，所以设计时，传动机构的阻尼要选着适当。此外还要求摩擦小（提高机构的灵敏度） 、共振性好（提高机构的稳定性） 、间隙小（保证机构的传动精度） ，特别是其动态特性应与伺服电动机等其它环节的动态特性相匹配。2.待改装钻床型号的确定根据本次课程设计改造范围，是设计一套简易的数控工作台，固定在某台钻床的工作台上，所以要对机床的改动尽可能少，控制部分要有较高的动态特性，动态刚度，阻尼精度，耐磨性及抗热变形性能。改造前要对原钻床的性能，有关参数，以便对机床的本身精度高低来确定改造后精度和改造范围。下面钻床是本设计要改装的机床：（钻床资料来源：/product-detail/3/3217.html）产品说明 手动进给及攻丝，齿轮传动，12 级变速 独特的装卸刀装置、装卸刀方便，带邓、防护装置 主轴箱可45倾斜产品参数：型号 Z4032 最大钻孔直径(mm) 32 主轴变速级数及范围12 (65-2600)最大攻丝直径(mm) M20 主轴进给级数及范围 3 (0.1-0.3)主轴最大行程(mm)160 工作台有效工作面积(mm)450390 主轴中心线至立柱母线距离(mm)350底座有效工作面积(mm)405395 主轴端面至工作台距离(mm)主柱直径(mm)120主轴端面至工作台距离(mm)主柱直径(mm)120主轴端面至底座工作面距离(mm)750工作台及托架最大行程(mm)三相双速交流电机功率(kw)1/1.5主轴箱旋转角度 45包装尺寸(cm) 10361209主轴圆锥孔（莫氏） MT4 毛净重（kgs） 550/5003、控制方式的确定数控系统按运动方式可分为点位控制系统，点位直线系统，连续控制系统 如果工件相对于刀具移动过程中不进行切削，可选用点位控制方式。数控钻床在工作台移动过程中钻头并不进行钻孔加工， 因此数控装置可采用点位控制方式。对点位系统的要求是快速定位，保证定位精度。4、伺服系统的确定XY 工作台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，同时其可控分辨率也很高。开环控制的伺服系统存在着控制精度不能达到较高水平的基本问题 但是步进电机具有角位移与输入脉冲的严格对应关系。使步距误差不会积累；转速和输入脉冲频率严格的对应关系，而且在负载能力范围内不受电流、电压、负载大小、环境条件的波动而变化的特点。并且步进电机控制的开环系统由于不存在位置检测与反馈控制的问题结构比较简单，易于控制系统的实现与调试。并且随着电子技术和计算机控制技术的发展。在改善步进电机控制性能方面也取得了可喜的发展。因此，在一定范围内，这种采用步进电机作为驱动执行元件的开环伺服系统可以满足加工要求。适宜于在精度要求不很高的一般数控系统中应用。在本次设计中，其位置精度（0.02mm ）要求不高，考虑到成本低，维修方便，工作稳定等条件。选用步进电机开环伺服系统就可以满足要求。其通过单片机控制步进电机的驱动, 经传动机构带动工作台运动。图形如下 ：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 180180，最大工件重量 200kg。2m6、导轨的选型思路滚动直线导轨副是在导轨与滑块之间放入适当的钢球，使导轨与滑块之间的滑动摩擦转化为滚动摩擦，降低二者之间的运动摩擦的阻力，从而获得：1） 、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。 2） 、驱动功率大幅度下降，只相当于普通机械的十分之一。 3） 、与 V 型十字交叉滚子导轨相比，摩擦阻力可下降约 40 倍。 4） 、适应高速直线运动，其瞬时速度比滑动导轨提高约 10 倍。 5） 、能实现高定位精度和重复定位精度。 6） 、能实现无间隙运动，提高机械系统的运动刚度。 7） 、成对使用导轨副时，具有“误差均化效应 ”，从而降低基础件（导轨安装面）的加工精度要求，降低基础件的机械制造成本与难度。 8） 、导轨副滚道截面采用合理比值的圆弧沟槽，接触应力小，承接能力及刚度比平面与钢球点接触时大大提高，滚动摩擦力比双圆弧滚道有明显降低。 9） 、导轨采用表面硬化处理，使导轨具有良好的可校性；心部保持良好的机械性能。 10)、简化了机械结构的设计和制造。基于以上优点，选用直线滚动导轨副。7、滚珠丝杠选型思路 （1）滚珠丝杠副有如下特点：传动效率高系统刚性好传动精度高使用寿命长运动具有可逆性（既可将回转运动转变为直线运动，又可将直线运动变为回转运动，且逆传动效率几乎与正传动效率相同不会自锁可进行预紧和调隙（2） 常用的双螺母消除轴向间隙的结构形式有三种：垫片调隙式（该形式结构紧凑，工作可靠，调整方便，应用广，但不准确，并且当滚道磨损时不能随意调整，除非更换垫圈）螺纹调隙式（该形式结构紧凑，工作可靠，调整方便，缺点是不很精确） 齿差调隙式（该形式调整精度很高，工作可靠，但是结构复杂，加工和装配工艺性能差） ，其调整时，先取下两端的内齿圈，使两螺母产生相对角位移，相对地产生轴向的相对位移，从而两螺母中的滚道中的滚珠分别贴在螺旋滚道的两个相反侧面上，然后将内齿圈复位固定，故而达到消除间隙，产生算紧的目的。调整间隙： = S12kpz在本设计中，我选用第种间隙调整方式，并且选外循环滚珠丝杠做为工作台的传动机构，因为这种循环方式结构简单，工艺性好，承载能力强，成本低等优点。（3）支承形式 ：我选用两端固定形式（FF ） ，特点：只要轴承无间隙，丝杠的轴向刚度为一端固定的 4 倍 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 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。8、丝杠和电机连续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、支承座材料的选取选 45 号钢作为支承座材料，45 号钢广泛用于机械制造，这种钢的机械性能很好。10、轴承类型的选取思路由于丝杠主要受轴向力的作用，为了保证其高速、高精度可靠性，丝杠支撑端可选用深沟球轴承支承，固定端可以选用角接触球轴承。这样既保证了轴向载荷，又保证了径向载荷。（二） 、机械部分改装设计与计算设计计算与说明 结果1、确定工作台的尺寸及重量在老师给定的参数中，我选钻床能够加工的最大面积为180180 2m，最大工件重量 200kg，根据我们加工的时候要用夹具夹紧工件就必须每边留出装夹具的尺寸 3040mm，所以最后确定工作台尺寸为260260 2，因为工作台加工的最大工件重量为 200kg，考虑到刚度和强度问题，最后我选工作台的厚度为 H=30mm。我选工作台的材料为 号钢，其密度为 。 （取 ）因453/1085.7mkgkgN/8.9此：工作台的体积 V=ABH=26026030=2028000 3=2028 3cm工作台的质量：m=V=7.852028=15919.8g=15.9198kg2、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，导轨座长宽高分别设为 abc， 所以分别取 a=600mm, b=200mm, c=60mm按保守法算得导轨座体积 1V=abc=60020060=7.2106 3m=7.2103cm3查阅有关资料，我选 45 号钢做为导轨座材料。密度 = 。/1085.7kg所以 1m=V =7.21037.85=56.52 310g.X 向托板尺寸取为 26026030mm3,X 向托板体积 V4=2028 3cm则 m4= 7.852028=15919.8g=15.9198kg,取 Y 向托板等于 X 向托板，m 5= m4=15.9198kg最低的那根丝杠以上的所有质量为： m总预估工作台上的夹具的质量： 2=15kg.H=30mmV=2028 3cm m=15.9198kga=600mm, b=200mm, c=60mm1V=7.2103cm31=56.52 30g.m5=m4=15.9198kg2=15kg又知工件质量 3m=200kg，所以总=m1+m2+m3+m4+ m5+m=56.25+15+200+15.9198+15.9198+15.9198=319kg考虑到其他因素，再把 总 扩大到 350kg，即 m总 =350kg支撑方式的确定如图所示：支承座的选择：根据 /zhi15.html选择凸型支撑端的支承座如下，选择型号为 GEF12-S3m=200kg总=350kg固定端支承座的选型：根据 /zhi7.html 选取，选取型号为 GEK12-ER3、滚珠丝杠参数计算与选型滚珠丝杠的设计计算及选择 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。求出螺旋传动的计算载荷：F C=KFKHKLFm，由于工作台在工作过程中无冲击、平稳运转,则各系数取值如下：载荷系数 .5FK硬度系数 =1.0H精度系数 =1.0L又 g=3509.80.004=13.72NmF总其中g=9.8 ， 为导轨的摩擦系数，取 0.0042/s假设滚动丝杠能工作年，每年为 360 天,每天工作小时 53608=1440hhL= =1.51.01.013.72=20.58NCFHKFm= = 20.58=367.4Na341.670hnLC341060.7其中，选 =110r/minm根据 选择滚珠丝杠副，按滚珠丝杠副的额定运动载荷 大于等于aC aC的原则在网上查到：a/cpzs_view.asp?id=153.5FK=1.0H=1.0L13.72NmF=1440hhL=20.58NCF=367.4Na=110r/minmn同时考虑到各种因素选用的丝杠参数如下：型号：DFU01604-4丝杠轴尺寸：名义外径 d=16mm导程：4mm基本动载荷 625kgf=6131N 1 千克力（kgf）=9.81 牛（N）aC基本静载荷 1254kgf=12301.7N0因为 =6131N =367.4N 所以 DFU01604-4 合格aa4、滚动导轨参数计算与选型滚动导轨副的结构介绍滚动直线导轨副是由导轨、滑块、钢球、返向器、保持架、密封端盖及d=16mm4mm=6131NaC=12301.7N0挡板等组成，如图：已知作用在导轨副上的压力 g35 09.8=3724Nm总导轨工作寿命： 3608=14400hhT单向行程长度： 0.6msl往复次数取：n=4 次分导轨行程长度系数： n 144000.6460/ sThsl310=4147.2310因为钻床的切削力大概是工作台重量的 1.2 倍，所以F1 15.91981.29.8=187.2N因活座数 m=4 所以每根导轨上使用个活座则 = =977.8N14M3724+187.24根据公式 6.25 ，有 =F(Ts/6.25)1/3ST3aCFa得： = = =8528.5 N8.5KNaC36.25S25.6.417893根据 /product/p2_6.asp 进行选型：=3724N 14400hhT0.6msln=4 次分4147.2sTF1187.2N977.8N8.5KNaC其中 LG20KL 型号的导轨的 =13.6KN,能满足 5 年的使用要求，所以选用aCLG20KL 型号的滚动直线导轨。5、步进电机的选型及计算1）确定脉冲当量，初选步进电机题目要求工作台的定位精度在 0.02mm 内。脉冲当量根据系统精度来确定，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，m02.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，使经济性降低。.已知是用联轴器连接电机主轴和丝杠，所以传动比 =1。又丝杠导程 P 为 4mm。脉冲当量 取 0.0050.01mm。根据公式计算步距角 = ，得出步距角的范围是 -360p0.4592)计算系统转动惯量计算转动惯量的目的是选择步进电机的动力参数及进行系统动态特性与设计。丝杠的转动惯量的计算：= = =3 kg1j432dl34.1780.16.25102m其中 是丝杠密度（kg/ ） ，取 7.8 kg/ ；d 是丝杠的等效直径3m33(m),取 0.016m; l 是丝杠的长度 0.6m。工作台、工件、夹具、支承座等等折算到电动机轴上的转动惯量，可由下述公式求取：= M 总 = 350 =1.4210-4kg2j2P610246102mM 总 总的质量，kgP 为丝杠导程，mm电机轴上的总当量负载转动惯量 = =1.7210-4 kgJ总 1j2 2m=1=0.0050.01mm= -0.459=3 kg1j502m.=1.4210-2j4kgm3） 空载启动时，电动机轴上的惯性转矩： = =1.72 =0.16NmjTJ总 2pmaxVt4102.3.601其中， 为电机加减速时间（=0.1s） ；P-丝杠导程（m） ；tVmax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（工作台及工件重量引起）= = M 总 g= 3509.80.004=0.009Nm T2pmF0.4281其中，P-丝杠导程（m） ； 为传动比伺服传动链的总效率取为 =0.8设滚动丝杠螺母副的预紧力为最大轴向载荷的 1/3，则因丝杠副预紧力而引起的电动机轴上的附加摩擦转矩为：= （1 ）= （1 ）= 0.6910 -3Nm0T2P3mF20.48113.723 20.9其中， 是滚珠丝杠螺母副未预紧时的传动效率。 =0.90 0于是空载启动时电动机轴上的最大静转矩为：= =0.10.0090.6910 -3=0.12 NmqTj0T所选取步进电机的最大静转矩 TS需满足： = =0.14 NmST0.86q0.120.866所以根据：/produc t.asp?Action=Detail&ID=33选择的电机型号为 110BYG3500=1.7210-4 J总kg 2m=0.16NmjT=0.009NmT=0.8= 0.6910-0T3Nm=0.90=0.12 NmqT = S0.86qT=0.14 Nm0.120.866对电机进行惯量匹配验算,即所选电机的转动惯量应满足下式 14mJ总已知所选电机 Jm=6Kg.cm2，又 J 总 =1.7210-4 kg =1.72Kg.cm22m则， = 0.29，满足 1，说明惯量匹配合理。mJ总1.726 4mJ总电机的最大运行频率 f 的确定及验算：步进电动机在运行的输出转矩随运行频率增加而下降， ，按电动机运行矩频特性曲线来确定最大运行频率，并要求实使用的运行频率低于这一允许的最大运行频率。根据下图中 110BYG3500 的矩频特性曲线： 14mJ总Jm=6Kg.cm2J 总 .=1.72Kg.cm20.29m总当 =0.02Nm 时 电机的运行频率 f10000HZ，而根据由步距角 =lT=0.6，计算相应的脉冲当量 0.0067。又由 V=60f 算得实际使用360p的运行频率为 =8955 HZ，而 f，所以满足要求。f 6、联轴器的选择梅花联轴器是一种应用很普遍的联轴器,也叫爪式联轴器,是由两个金属爪盘和一个弹性体组成。两个金属爪盘一般是 45 号钢,但是在要求载荷灵敏的情况下也有用铝合金的。梅花形弹性联轴器