XY数控机床设计说明书

. 数控机床课程设计说明书设计题目：X-Y数控机床工作台设计学 院： 机械工程学院 专 业： 机械自动化班 级： 机自Y126 学 号： 201200608003姓 名： 王舒恒 指导老师： 李冰 .摘要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。关键字：机电一体化 组成要素 滚珠丝杠 滚动导轨 步进电机 AbstractNow the world electronic technology rapidly expand, the microprocessor, the microcomputer obtain the widespread application in various area of technology, to various domains technology development enormous promotion effect. A perfect integration of machinery system, should contain the following several base elements: Basic machine, power and actuation part, implementing agency, sensing measurement component, control and information processing part. The integration of machinery is the system technology, the computer and the information processing and management technology, the automatic control technology, the examination sensing technology, the servo drive technology and the mechanical skill and so on multi-disciplinary area of technology synthesis overlapping technology-intensive systems engineering. New generations CNC system this kind of model integration of machinery product toward the high performance, the intellectualization, the systematization as well as the featherweight, the microminiaturized direction develops.key words: Integration of machinery foundation basic component elements characteristic trend of development.目 录第一章 前言 1第二章 设计主要步骤 2第一节 确定设计总体方案 2一、 机械传动部件的选择 2二、 方案的比较及确定 2第二节 机械传动部件的计算与选型 3一、 导轨上移动部件的重量估算 3二、 计算切削力 4三、 滚珠丝杆传动的设计计算及效验 5四、 步进电动机的传动计算及电机选用 10五、 滚动导轨的设计计算 17六、 其余附件的选择 18第三章 致谢 21参考文献 21 第一章 前言当今世界数控技术及装备发展的趋势及我国数控装备技术发展和产业化的现状 在我国对外开放进一步深化的新环境下 ,发展我国数控技术及装备、提高我国制造业信息化水平和国际竞争能力的重要性 ,并从战略和策略两个层面提出了发展我国数控技术及装备的几点看法。装备工业的技术水平和现代化程度决定着整个国民经济的水平和现代化程度 ,数控技术及装备是发展新兴高新技术产业和尖端工业的使能技术和最基本的装备 ,又是当今先进制造技术和装备最核心的技术。数控技术是用数字信息对机械运动和工作过程进行控制的技术 ,而数控装备是以数控技术为代表的新技术对传统制造产业和新兴制造业的渗透形成的机电一体化产品 ,其技术范围覆盖很多领域。 数控机床课程设计是一个重要的时间性教学环节，要求学生综合的运用所学的理论知识，独立进行的设计训练，主要目的：一、通过设计，使学生全面地、系统地了解和掌握数控机床的基本组成及其想关知识，学习总体的方案拟定、分析与比较的方法。二、通过对机械系统的设计，掌握几种典型传动元件与导向元件的工作原理、设计计算及选用的方式。三、通过对机械系统的设计，掌握常用伺服电机的工作原理、计算控制方法与控制驱动方式。四、培养学生独立分析问题和解决问题的能力，学习并树立“系统设计”的思想。五、锻炼提高学生应用手册和标准、查阅文献资料及撰写科技论文的能力。第二章 设计主要步骤第一节 确定设计总方案一、机械传动部件的选择方案一：（一）、丝杠螺母副的选择，选用滚珠丝杠内循环方式。（二）、导轨副的选用，选用直线滚动运动导轨。（三）、伺服电动机的选用，选用步进电动机。方案二：（一）、丝杠螺母副的选择，选用滚珠丝杠外循环方式。（二）、导轨副的选用，选用直线滚动运动导轨。（三）、伺服电动机的选用，选用交流伺服电动机。方案三：（一）、丝杠螺母副的选择，滑动丝杠副。（二）、导轨副的选用，选用圆周运动导轨。（三）、伺服电动机的选用，选用直流伺服电动机。二、方案的比较及确定（一）、螺母副的选择 伺服电动机的旋转运动需要通过丝杠螺母副转换成直线运动，要满足0.005mm的脉冲当量和 0.02mm的定位精度，滑动丝杠副无能为力，只有选用滚珠丝杠副才能达到。这样能达到较高的精度要求，而且其摩擦力小，传动效率高，传动平稳，灵敏度高，低俗无爬行，轴向刚度高，反向定位精度高，磨损小，寿命长，维护简单，传动具有可逆性，不能自锁，同步性能好，有专业厂生产，选用配套方便。同时选用内循环的形式，这样滚珠的回路短，滚珠的数目少，流畅性好，摩擦力小，传动效率高，且径向尺寸紧凑，轴向精度高，但此种循环不能用于多头螺纹传动，回珠器槽复杂。由于定位精度不高，故选用垫片调隙式调隙方式，这种调隙方式结构简单，刚性好，装卸方便。由于工作台最快移动速度，所以转速不高，故可以采用一般的安装方法，即一端固定，一端游动的轴承配置方式。 （二）、导轨副的选用 要设计的X-Y工作台是用来配套轻型的立式数控铣床，需要承受的载荷不大，但脉冲当量小、定位精度高，因此，决定选用直线滚动导轨副。它具有摩擦系数小、不易爬行、传动效率高、结构紧凑、安装预紧方便等优点。（3） 、伺服电动机的选用 定位精度未达到微米级，空载最快移动速度也只有3000mm/min。因此，本设计不必采用高档次的伺服电动机，如交流伺服电动机或直流伺服电动机等，可以选用性能好一些的步进电动机，如混合式步进电动机，以降低成本，提高性/价比。根据以上比较，方案一比较合适，所以选择方案一。第二节 机动传动部件的计算与选型一、导轨上移动部件的重量估计根据给定的有效行程,估算X向和Y向工作台承载重量WX和WY。XY工作台如图所示:X-Y数控工作台外形按照下导轨上面移动部件的重量来进行估算，包括工件、夹具、工作平台、上层电动机、减速箱、滚珠丝杆副、直线滚动导轨副、导轨座等，估计重量约为800N。 二、计算切削力 根据设计任务，加工材料为碳素钢或有色金属及如下参数：立铣刀 最大直径d=15mm 立铣刀齿数z=3 最大切削宽度=15mm 最大背吃刀量=8mm设零件的加工方式为立式加工，采用硬质合金铣刀，工件材料为碳素钢，由查是简明切削手册表3-1式选用硬质合金铣刀由表3-17表3-27查的最大切削参数如下： 每齿进给量 铣刀转速 n=1875r/ min查表3-28的立铣刀的切削时的切削力计算公式为：代如上式得： 采用立铣刀进行圆柱铣削时，各铣削力之间的比值可由查得，各铣削力之间的比值范围如下：=(1.01.2) 取1.1/=(0.20.3) 取0.25/=（0.350.4） 取0.38考虑逆铣时的情况，因为逆铣的情况的受力最大的情况，为了安全考虑这种最危险的工况。由此可估算三个方向的铣削力分别为： （与丝杠轴线平行） （与工作台面垂直） （与丝杠轴线垂直）考虑立铣，则工作台受到垂直方向的铣削力，受到水平方向的铣削力分别为和，今将水平方向较大的铣削力分配给工作台的纵向，则纵向铣削力，径向铣削力为。 三、滚珠丝杠传动的设计计算及效验（一）、最大工作载荷的计算已知移动部件总重量G=800N，按滚动导轨计算，滚动导轨上的摩擦系数查数控机床系统设计（文怀兴、夏田 北京：北京化工出版社，2005.）中P170可知u=0.00250.005,现取u=0.005，求得滚珠丝杠副的最大工作载荷： =1282.6+0.005(291.5+443.08+800) =1291N （二）、最大计算动载荷的确定设工作台在承受最大铣削力时的最快进给速度v=400mm/min，初选丝杠导程P=6mm,则此时丝杠转速=v/P=100/3 r/min。预计滚珠丝杠的工作5年,每年算300天，每天工作8小时，由此得使用寿命为：根据数控机床系统设计（文怀兴、夏田 北京：北京化工出版社，2005.）中P100，公式54得：其中 T使用寿命 12000 h N循环次数 滚珠丝杠的当量转速 80r/min 求得： （）查数控机床系统设计（文怀兴、夏田 北京：北京化工出版社，2005.）中P99，表5-1、5-2得，受中等冲击载荷取值范围，现取，滚道硬度为60HRC时，硬度影响系数取值，由数控机床系统设计（文怀兴、夏田 北京：北京化工出版社，2005.）中P99，式5-3 代入数据得： (三)、规格型号的初选 根据计算出的最大动载荷和初选的丝杠导程，查网上生产该型号的生产厂家的资料，选择佛山市南海区中森精密机械有限公司DFU02506-4型滚珠丝杠副，为内循环固定反向器双螺母垫片预紧式滚珠丝杠副，其公称直径为25mm，导程为6mm，循环滚珠为3圈2系列，精度等级取5级，螺母安装尺寸L=105mm，额定动载荷为11921N，大于最大计算动载荷=4841N，满足要求。滚珠丝杠螺母副几何参数 （单位mm）名 称符 号计算公式和结果 丝杠滚道公称直径25螺距P6钢球直径3.969偏心距丝杆丝杠外径 24.6丝杠底径22.7螺杆接触直径丝杠螺母螺母螺纹外径螺母内径（内循环）表一（四）、传动效率的计算将公称直径d0=25mm,导程P=6mm,代入=arctanP/(d0)，得丝杠螺旋升角=1062。将摩擦角=10，代入=tan/tan(+),得传动效率=98.4%。 （五）、刚度的验算X-Y工作台上下两层滚珠丝杠副的支承均采用“一端固定-一端游动”的轴承配置形式。可知这种安装适用于较高精度、轻等载荷的丝杠，一端采用深沟球轴承，一端采用一对背对背角接触球轴承,这样能承受集中力偶。丝杠螺母的刚度的验算可以用接触量来校核。a、滚珠丝杠滚道间的接触变形量，查机床设计手册（李洪 .北京：辽宁科学技术出版社，1999）中相关公式，根据公式，求得单圈滚珠数Z=20 ；该型号丝杠为双螺母，滚珠的圈数列数为14，代入公式Z圈数列数，得滚珠总数量=80。丝杠预紧时，取轴向预紧力/3=431N。查机床设计手册（李洪 .北京：辽宁科学技术出版社，1999）中相关公式，得，滚珠与螺纹滚道间接触变形 式中 Pa=。因为丝杠有预紧力，且为轴向负载的1/3，所以实际变形量可以减少一半，取=0.000307mm。b、丝杠在工作载荷作用下的抗拉压变形丝杠采用的是一端采用深沟球轴承，一端采用一对背对背角接触球轴承的配置形式，轴承的中心距a=450mm,钢的弹性模量E=2.110MPa,由表一中可知，滚珠直径=3.969mm,丝杠底径=22.7mm，则丝杠的截面积S=415.48,由机电一体化系统课程设计指导书（尹志强.北京:机械工业出版）中，式3-35其中，最大工作载荷=1291N中心距a=450mm弹性模量E=2.110MPa截面积S=415.48代入以上数据，得 =0.0067mm则 0.0007+0.0172=0.0179mm=7.007本例中，丝杠的有效行程取300mm，由机床设计手册（李洪 .北京：辽宁科学技术出版社，1999）中知，5级精度滚珠丝杠有效行程315mm时，行程偏差允许达到23，可见丝杠刚度足够。（六）、稳定性的验算根据数控机床系统设计（文怀兴、夏田 北京：北京化工出版社，2005.）中 P100 取支承系数=2；丝杆公称直径丝杆最大受压长度代入公式，得P=210900N大于=4841N，故不会失稳，满足使用要求。（七）、临界转速的验算 对于丝杠有可能发生共振，需验算其临界转速，不会发生共振的最高转速为临界转速，由数控机床系统设计（文怀兴、夏田 北京：北京化工出版社，2005.）中P100式5-10得：其中 20-1.23.175=23.7mm为临界转速计算长度为丝杠支承方式系数=3.927（一端固定，一端游动）代入数据得：nc =7551r/min临界转速远大于丝杠所需转速，故不会发生共振。（八）、滚珠丝杠的选型及安装连接尺寸的确定 由以上验算可知，选用DFU02506型的丝杠，完全符合满足所需要求，故确定选用该型号。 由表一可知丝杠所需的安装连接尺寸。四、步进电动机的传动计算机电动机的选择（一）、传动计算传动计算根据加工精度确定脉冲当量、选择步距角、传动比。因为该铣床的加工精度为0.02mm，脉冲当量为0.02mm/Hz，考虑到最初决定不用减速箱取减速比i=1算的电机步距角： =360i/Pb=1.2由于传动比为1，则不需要选用减速箱，采用电动机轴与丝杠通过联轴器联接的方式。（二）、步进电动机的计算和选型a、步进电动机转轴上的总转动惯量的计算总转动惯量J主要包括电动机转子的转动惯量、滚珠丝杠上一级移动部件等折算到电动机轴上的转动惯量。、滚珠丝杠的转动惯量J由数控机床系统设计（文怀兴、夏田 北京：北京化工出版社，2005.）中P123式5-28得：式中 D为丝杠公称直径D=25mm L为丝杠长度=有效行程+螺母长度+设计余量+两端支撑长度（轴承宽度+锁紧螺母宽度+裕量）+动力输入连接长度（如果使用联轴器则大致是联轴器长度的一半+裕量）。=300+80+20+140+40=530代入数据，得：J=0.772553010=1.5910kg.、滚珠丝杠上一级移动部件等折算到电动机轴上的转动惯量 由数控机床系统设计（文怀兴、夏田 北京：北京化工出版社，2005.）中式5-31得：其中 M为工作台的（包括工件）的质量M=81.6kgS为丝杠螺距S=5mm代入数据，得： 、初选南京天创电子技术有限公司的TEC3913型混合式步进电动机，可知其转子的转动惯量 所以=1.5910+2.9810+3.4810=8.0510 Nm 验算惯量匹配，电动机轴向惯量比值应控制在一定的范围内，既不应太大也不应太小，即伺服系统的动态特性取决于负载特性。为使该系统惯量达到较合理的配合，一般比值控制在1/41之间， =0.73由此可见:,符合惯量匹配要求。（三）、步进电机轴上的等效负载转矩M的计算a、承受的负载转矩在不同工况下是不同的，考虑最大切削负载时电动机所需力矩，由数控机床系统设计（文怀兴、夏田 北京：北京化工出版社，2005.）中P122式5-27得： 其中 其中: 为折算到电动机轴上的总惯量=8.0510 T系统时间常数，由任务书知为T=0.4S 切削时的转速为1875r/min得： Mat = 其中： 为导轨摩擦力 S为丝杠螺距S=5mm i为齿轮降速比，已计算出为1 为传动链总效率，=0.70.8，取0.8代入数据得： Nm 其中： 为最大轴向预紧力，Famax=Fz=431N 为滚珠丝杠未预紧时的效率，=0.980.9 其余数据同上代入数据得： Nm 其中：进给方向的最大切削，其余参数同上。代入数据得： Nm由此都得到等效负载转矩 Nm b、快速空载时电动机所需力矩M由数控机床系统设计（文怀兴、夏田 北京：北京化工出版社，2005.）中P132式5-24得：加速力矩: 其中：，其余参数同上。代入数据得： Nm力矩摩擦: 其中：u为导轨副的摩擦因数，滚动导轨取 u=0.005，其余参数同上。代入数据得： Nm附加摩擦力矩：其余参数同上。代入数据得： Nm所以可知快速空载时电机所需力矩：=0.1259Nm比较和，取其较大者，就是最大等效负载，即：=1.68N.M（四、步进电动机的初选考虑到步进电机的驱动电源受电网的影响较大，当输入电压降低时，其输入转矩也会下降，可能会造成丢步，甚至堵转，因此按最大等效负载M考虑一定的安全系数，取=3，则步进电机的最大静转矩应满足： Nm由所选的电机型号参数可知，最大转矩 Nm，可知满足要求。（五）、步进电机性能校核 a 、最快工进速度时电动机时输出转矩校核 任务书给定工作台最快工进速度=400mm/min，脉冲当量/脉冲，求出电动机对应的运行频率。从TEC3913型混合式步进电动机出卖商家信息可知在此频率下，电动机的输出转矩6Nm，远远大于最大工作负载转矩=1.44Nm，满足要求。 b、最快空载移动时电动机输出转矩校核 任务书给定工作台最快空载移动速度=3000mm/min，求出其对应运行频fmax=3000/(600.01)=2500Hz。由TEC3913型混合式步进电动机出卖商家信息可知在此频率下，电动机的输出转矩=5Nm，大于快速空载起动时的负载转矩=0.093Nm，满足要求。c、最快空载移动时电动机运行频率校核 与快速空载移动速度=3000mm/min对应的电动机运行频率为。由TEC3913型混合式步进电动机出卖商家信息可知在此频率下的空载运行频率可达15000，可见没有超出上限。（六）、起动频率的计算已知电动机转轴上的总转动惯量，电动机转子的转动惯量，电动机转轴不带任何负载时的空载起动频率。由式可知步进电动机克服惯性负载的起动频率为：说明：要想保证步进电动机起动时不失步，任何时候的起动频率都必须小于。实际上，在采用软件升降频时，起动频率选得更低，通常只有。综上所述，本次设计中工作台的进给传动系统选用TEC3913型混合式步进电动机，完全满足设计要求。（七）、确定选型的步进电机的参数五、导轨副的设计计算（一）、最大工作载荷的计算工作载荷是影响导轨副寿命的重要因素，对于水平布置的十字工作台多采用双导轨、四滑块的支承形式。考虑最不利的情况，即垂直于台面的工作载荷全部由一个滑块承担，则单滑块所承受的最大垂直方向载荷为： 其中，移动部件重量G=800N,外加载荷外加载荷得最大工作载荷(二)、小时额定寿命计算 预计工作台的工作寿命为5年，一年365天，取工作时间为300天，每天工作8小时，因此得到小时额定工作寿命 （三） 、距离额定寿命计算由公式由公式 ，从而得到 式中：为小时额定工作寿命。n为移动件每分钟往复次数（46）取5 S为移动件行程长度，由加工范围为250mm250mm取300mm代入数据，得： L=2160km（四）、额定动载荷计算由数控机床系统设计（文怀兴、夏田 北京：北京化工出版社，2005.）P185 载荷系数取1.2 接触系数，装4个导轨，取0.66温度系数，在工作温度为100 硬度系数，当导轨面硬度为5864HRC代入数据得： =9562（五）、产品型号初选