课程设计---数控XY工作台与控制系统设计.doc

课程设计内容：数控XY工作台与控制系统设计院(系)、部： 机 械 工 程 学生姓名： 学 号: 专 业： 数 控 班 级： 指导教师： 目录一、 设计目的二、 设计要求三、 设计的内容和步骤（一） 总体设计方案（二） 机械部分改装设计待改装钻床型号的确定支承座材料的选取工作台参数的初步选定导轨的选型思路滚珠丝杠选型思路丝杠和电机连接零件的选取思路轴承类型的选取思路（三） 计算部分 确定工作台的尺寸及其重量支承座参数设计滚珠丝杠参数设计滚动导轨参数设计电机参数设计联轴器的选择 轴承的选用（四） 设计总结（五） 参考文献一、 设计的目的通过本次设计，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。 二、设计要求1、改造后的钻床能够加工最大面积为190200，最大工件重量为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2.4m/min，加速时间为：0.2秒。三、设计的内容和步骤题目：钻床数控改装数控XY工作台的设计 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。（一）、总体设计方案设计的项目运动功能的设计。包括确定机床的运动个数，形式，功能，及排列顺序。基本参数设计。包括尺寸参数，运动参数和动力参数。 传动系统设计。包括传动方式和原理图。 总体结构布局设计。包括运动功能分配，总体布局结构形式。 控制系统设计。包括控制方式和控制原理，控制系统图设计。 总体改装思路如下：控制方式的选定工作台尺寸的要求滚珠丝杠副的选定及其支承形式直线滚动导轨的选定电机的选定初步确定的一些方案： 因为是钻床的改造，所以控制方式是点位控制 用步进电动机驱动丝杆 滚珠丝杠采用外循环方式 滚珠丝杠采用双螺母调节方式 滚珠丝杠的安装方式：一端固定，一端游动 采用开环控制方式（经济型的） 采用圆柱滚子轴承 电机与丝杆采用联轴器连接 采用矩形滚动导轨 选择一台台式钻床进行工作台的改进，工作台的参数如下型号Z4050最大钻孔直径(mm)50主轴变速级数及范围60150040-955最大攻丝直径(mm)M402主轴端面台距至工作离(mm)728主轴最大行程(mm)150工作台工作面积(mm)400380 主轴中心线至立柱母线距离(mm)310主柱直径(mm)130 主轴转速范围6包装尺寸(cm)8606401500主轴圆锥孔（莫氏）MT4毛净重（kgs）300（二）、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老师所给定的工件尺寸为AB（A、B推荐值为180250mm）,在此我选工件尺寸为190200。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270280。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，预估工作台的重量G1=20Kg。 我选灰铸铁HT150做为工作台的设计材料，HT150特点：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。该材料的密度为=7.2g。 工作台的质量：m=V=ABH所以高度:H=m/(AB)=20/(0.270.287.2)=0.037m所以工作台厚度：H=37mm2、托板的确定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=760mm, b=240mm, c=60mm 按保守法算得托板体积：=abc=76024060=9.12=9.12 查阅有关资料，我选HT150灰铸铁做为支承座材料。密度=7.2g所以=9.127.2=69.12g=65.66kg 预估工作台上的夹具的质量：=15kg又知工件质量：=200kg所以=+m=65.66+15+200+30=310.66kg考虑到其他因素，再把扩大到400kg，即=400kg3部分数据的初选 初选滚珠丝杠导程P=5mm， 脉冲当量S=(1/3)0.02=0.0125已知=2.4 m /min 由于电动机与滚珠丝杠是直接i=1ip 所以初定步距角3滚珠丝杠传动的设计计算 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。一般根据额定动负荷选用滚珠丝杠副，只有当n10r/min时，滚珠丝杠螺母的主要破坏形式是工作表面的疲劳点蚀，因此进行静载荷强度计算。而我们估算=60f/360=480r/min10 r/min。因此以动载荷计算。 丝杠工作时的轴向压力： g=4009.80.004=15.68N其中g=9.8为导轨的摩擦系数取0.004假设滚动丝杠能工作6年，每年为360天,每天工作小时T63608=17280h又由于工作台在工作过程中处于平稳运转 载荷系数.2 硬度系数=1.1T=60T/10=497.664=7.9.1.21.1115.68=165.0N根据选着滚珠丝杠副，按滚珠丝杠副的额定运动载荷等于梢大于的原则 同时考虑到各种因素选用的丝杠参数如下：型号：DFI16054丝杠轴尺寸：名义外径d=16mm 导程：5mm 螺纹长度l=600mm 总长=660mm 螺纹尺寸：外径=30mm 总长L =100mm 螺母总长=90mm 滚珠直径：3.175mm 基本动载荷780N 基本静载荷1790N 因为780N=165.0N 所以DFI16054合格 丝杠稳定性的验算 E: 为丝杠材料的弹性模量，对于钢，E=206Gpa L: 为丝杠的工作长度（m） I：为丝杠危险截面的轴惯性矩(m) : 为长度系数，一端固定，一端游动时，取值2/3I= m= 安全系数S= 一般【S】=34, S【S】,所以丝杠不会失稳。、滚动导轨的设计计算 已知作用在导轨副上的压力：mg4009.8=3920N 在计算导轨时我要考虑机床的钻削力F: F=3000N导轨工作寿命： 63608=17280h单向行程长度： 0.6m快速运行速度：=2.4 m /min所以往复次数取：n=4次分导轨行程长度系数： n172800.6460/ =4976.64因活座数m=4 所以每根导轨上使用个活座1= =1730N根据公式6.25得：=16034.8N=16.04KN根据算出的动载荷=16.04KN，我们选择大于它的导轨，在上表选择型号为DA20AL的导轨,它的动载荷19.5KN符合要求。该型号导轨的参数如下额定载荷/N静态力矩/N*M滑座重量导轨重量导轨长度动载荷静载荷L(mm)19500291002482482480.472.3760滑座个数单向行程长度每分钟往复次数M40.645、电机的选择确定脉冲当量，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=0.04=0.0125mm .又知道是用联轴器连接电机主轴和丝杠，所以传动比i=1。根据公式初步得步距角=360i/p=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态特性与设计。丝杠的转动惯量的计算=3.3kg其中是丝杠密度（kg/ ），取7.8 kg/ ；d是丝杠的等效直径(m),取0.016m; l是丝杠的长度0.66m。 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： =M=400=0.0254kgM工作台（包括工件）的质量，kgV工作台快进速度，mm/min N丝杠转速,r/min所以折算到电机上的总转动惯量：=0.0287 kg 空载启动时，电动机轴上的惯性转矩： =0.0287=7.2Nm 电动机轴上的当量摩擦转矩：=mg=4009.80.004=0.013Nm t为电机加速时间：t=0.2O秒伺服传动链的总效率取为=0.99为工作台快进速度 =2.4m/min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：=（1）=（1）=0.79Nm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：=15.66=0.013 Nm在最大外载荷下工作时，电动机轴上的总负载转矩：=0.0130.0130.79= 0.02679Nm于是空载启动时电动机轴上的最大静转矩为：=7.20.0130.79=0.08579 Nm我初步选定电机为三相双六拍的电机，根据与选取启动时所需步进电动机的最大静转矩的关系：=0.099Nm为使电机不产生失步空载启动频率要小于最高工作频率,同时电机最大静转矩要足够大（4.9 Nm0.099Nm）,综上所述选择了型号为110BF004的电动机。 电机有关参数如下:型号主要技术参数相数步距角电压(V)相电流(A)最大静转矩(n.m)空载启动频率空载运行频率分配方式110BF00430.753044.915003相6拍外形尺寸(mm)重量kg转子转动惯量Kg.m外直径长度轴直径110125.534.3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：1=0.741说明惯量匹配合理6、联轴器的选着 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。 该联轴器的型号：TL2 GB4323-84该型号的参数如下表：型号主要技术参数公称扭矩（N.m）许用转速nr/mY型L(mm)许用补偿量（mm）径向 角向TL2 GB4323-8416铁5500钢;7600320.2 外形尺寸(mm)重量kg转子转动惯量Kg.m外直径长度轴直径806712 145.50.001 但是滚珠丝杠跟联轴器连接的轴端(16mm)要相应的加工为14mm才能跟联轴器配合。6轴承的选用 轴承是要和滚珠丝杠过盈配合的，滚珠丝杠的连接端的直径为16mm,把丝杠磨小，使他们之间的配合是过盈配合。左边选用角接触轴承 7202C GB292-83 所以右边选深沟球轴承型号：6202 GB276-89 该型号的参数如下; 外形尺寸（mm）安装尺寸（mm）dDBminmaxma6 左边选用角接触轴承 7202C GB292-83 （四）设计总结经过这两个星期的课程设计，完成了整个钻床XY工作台的设计，结构简单，操作方便，控制方便，控制精度相对较高。在整个设计过程中比较重点的是选用步进电机，滚珠丝杠，滚动导轨，联轴器等。在设计的过程中遇到了几个问题，在李老师经过电话的帮助下一一地解决，在此，我表示忠心的感谢。同时经过这次的亲自设计，使我对数控控制机构有了更进一步