XY工作台改装

1、 摘 要 XY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，对滚珠丝杆，滚动导轨及步进电动机做了设计计算及选用，并也对联轴器进行了分析和选择，另外也利用CAD进行了装配图的绘制，对其导轨座的设计及各零件的安装也做了比较详细的说明。 针对滚珠丝杆的计算，通过对滚珠丝杆的动载荷及静载荷的计算，确定所要丝杆的动静载荷值，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机的选择。 Abstract XY n

2、c workbench modification design is an open loop control system, its simple structure. Realize convenient and provide a degree of accuracy. This paper focuses on the workbench mechanical parts design, of ball screw, ball guide and stepping motors made design calculation and selection of coupling, and

3、 also analyzed and choice, also use CAD drawings of the drawing, the guide seat design and installation of various parts also compares detailed instructions. According to the calculation of ball screw, through ball screw dynamic loads and static load calculation, determined to screw the static load

4、value, and choice. Aiming at ball guide, and separately calculated the dynamic load ball rail system and its working life to determine the ball guide parameters, and selection. Aiming at the step motor selection, I respectively the rotary inertia and rotational torque calculation, according to data

5、for stepping motor choice.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。2 设计要求 1.改造后的钻床能够加工最大面积为180mm180mm的工件，最大工件重量200kg； 2.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的推荐值范围为180250mm 3.数控XY工作台机械部分装配图设计（A0）； 4.总装联系图（A4）; 5.工作台、螺母座、支承座零件图;

6、 6.按照论文格式要求的设计说明书1份（不少与20页）; 7.CNC系统总体设计框图A41张（选做）。三设计的内容和步骤 内容：设计一套建议数控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。（1） 总体设计方案1. 设计机构的性能要求 改造后的钻床能够加工最大面积为180mm180mm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。2.待改装钻床型号的确定 查/buy

7、er/offerdetail/.html 选取的钻床为：Z535型立式钻床 图1-1 Z535型立式钻床 表1-1 钻床主要技术参数型号最大钻孔直径主轴允许最大扭转力矩最大送刀抗力主电机功率主抽孔锥度主抽行程送刀箱形成（手动）主抽中心线到导轨面距离Z52525毫米2500公斤/里面900公斤2.8千瓦莫氏3号175毫米200毫米250毫米主抽转速送刀量电动机反转装置工作台行程工作台工作面积97 140 195 272 392 545 680 976 1360转/分01 0.13 0.17 0.22 0.28 0.36 0.48 0.62 0.81毫米/转手动及自动325毫米500*375毫米主

8、抽端面至工作台距离主抽端面至底面距离冷冻泵流量机床外型尺寸（长*宽*高）重量0-700毫米725-1100毫米22升/分962*825*2300毫米1070公斤3. 控制方式的确定 因为是钻床改装，所以控制方式是点位控制4. 伺服系统的确定 伺服系统(servomechanism)是使物体的位置、方位、状态等输出被控量能够跟随输入目标（或给定值）的任意变化的自动控制系统。它的主要任务是按控制命令的要求、对功率进行放大、变换与调控等处理，使驱动装置输出的力矩、速度和位置控制的非常灵活方便。 开环伺服系统在负载不大时多采用功率步进电机作为伺服电机。开环控制系统由于没有检测反馈部件，因而不能纠正系统

9、的传动误差。但开环系统结构简单，调整维修容易，在速度和精度要求不太高的场合得到广泛应用。 考虑到运动精度要求不高，为简化结构降低成本，采用步进电机开环伺服系统驱动。5. 工作台参数的初步确定 根据计算的要求，所取的加工最大面积为180190m,最大工件重量为200，根据我们加工时候要用夹具夹紧工件就必须留出我们装夹具的尺寸30-40mm。所以我决定工作台的尺寸为220230，厚度为30mm，根据工作台的行程确定导轨板的长度，因为工作台的行程初选为工作台长度的两倍，加上其他的一些安装尺寸等，所以设体积为60020030mm，工作台的材料为45号刚，其密度为7.8g/c m,取g=10N/kg，导

10、轨板的材料我选HT150灰铸铁，密度是。6. 导轨的选型思路 导轨(daogui)guide rail:金属或其它材料制成的槽或脊，可承受、固定、引导移动装置或设备并减少其摩擦的一种装置。导轨表面上的纵向槽或脊，用于导引、固定机器部件、专用设备、仪器等。导轨又称滑轨、线性导轨、线性滑轨，用于直线往复运动场合，拥有比直线轴承更高的额定负载， 同时可以承担一定的扭矩，可在高负载的情况下实现高精度的直线运动。 导轨在我们的日常生活中的应用也是很普遍的，如滑动门的滑糟、火车的铁轨等等都是导轨。 在此我采用矩形滚动导轨7. 滚珠丝杠选型思路 滚珠丝杠是将回转运动转化为直线运动，或将直线运动转化为回转运动

11、的理想的产品。 滚珠丝杠由螺杆、螺母和滚珠组成。它的功能是将旋转运动转化成直线运动，这是滚珠螺丝的进一步延伸和发展，这项发展的重要意义就是将轴承从滚动动作变成滑动动作。由于具有很小的摩擦阻力，滚珠丝杆被广泛应用于各种工业设备和精密仪器。 滚珠丝杠是工具机和精密机械上最常使用的传动元件，其主要功能是将旋转运动转换成线性运动，或将扭矩转换成轴向反覆作用力，同时兼具高精度、可逆性和高效率的特点。 按照国标GB/T17587.3-1998及应用实例，滚珠丝杠（目前已基本取代梯形丝杆，已俗称丝杆）是用来将旋转运动转化为直线运动；或将直线运动转化为旋转运动的执行元件，并具有传动效率高，定位准确等。 当滚珠

12、丝杠作为主动体时，螺母就会随丝杆的转动角度按照对应规格的导程转化成直线运动，被动工件可以通过螺母座和螺母连接，从而实现对应的直线运动。 滚珠丝杆采用外循环方式，采用双螺母调节方式。 安装方式：一端固定，一端游动。8. 丝杠和电机连接零件的选取思路 联轴器属于机械通用零部件范畴，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。一般动力机大都借助于联轴器与工作机相联接，是机械产品轴系传动最常用的联接部件。20世纪后期国内外联轴器产品发展很快，在产品

13、设计时如何从品种甚多、性能各异的各种联轴器中选用能满足机器要求的联轴器，对多数设计人员来讲，始终是一个困扰的问题。常用联轴器有膜片联轴器 ，齿式联轴器，梅花联轴器，滑块联轴器，鼓形齿式联轴器，万向联轴器，安全联轴器，弹性联轴器及蛇形弹簧联轴器。 所以丝杆和电机采用联轴器联接。9. 支承座材料的选取 材料我选灰铸铁HT150，密度是。10.轴承类型的选取 轴承（bearing）是机械中的固定机件。当其他机件在轴上彼此产生相对运动时，用来保持轴的中心位置及控制该运动的机件，就称之为 轴承。角接触轴承：球与套圈公称接触角大于0，而小于90的滚动轴承。可同时承受径向负荷和轴向负荷。能在较高的转速下工作

14、。接触角越大，轴向承载能力越高。高精度和高速轴承通常取15 度接触角。在轴向力作用下，接触角会增大。单列角接触球轴承只能承受一个方向的轴向负荷，在承受径向负荷时，将引起附加轴向力。 并且只能限制轴或外壳在一个方向的轴向位移。若是成对双联安装，使一对轴承的外圈相对，即宽端面对宽端面，窄端面对窄端面。这样即可避免引起 附加轴向力，而且可在两个方向使轴或外壳限制在轴向游隙范围内。 深沟球轴承：每个套圈均具有横截面大约为球的周长三分之一的连续沟型滚道的向心球轴承,适用于精密仪表、低噪音电机、汽车、摩托车及一般机械等，是机械工业中使用最为广泛的一类轴承。结构简易，使用维护方便。主要用来承受径向负荷、也可

15、承受一定的轴向负荷，当轴承的径向游隙加大时，具有角接触球轴承的性能，可承受较大的轴向负荷。该类轴承摩擦系数小，极限转速高，尺寸范围与形式变化多样。坚实耐用，通用性强及低噪音运行，可在高速下运转和易于安装。单列深沟球轴承另有密封型设计，可以无须再润滑和无需保养。单列带装球缺口和双列球轴承，适用于重载工况。 圆柱滚子轴承：滚动体是圆柱滚子的向心滚动轴承,属分离型 轴承 ，安装与拆卸非常方便。 圆柱滚子轴承 分为单列、双列和四列。 采用圆柱滚子轴承（二）机械部分改装与计算1. 初步确定工作台尺寸及其重量； 根据计算的要求，所取的加工最大面积为180190m,最大工件重量为200，根据我们加工时候要用

16、夹具夹紧工件就必须留出我们装夹具的尺30-40mm。所以我决定工作台的尺寸为220230，厚度为30mm，根据工作台的行程设计导轨板的长度，加上其他的一些安装尺寸等，所以设体积为50020030mm，工作台的材料为45号刚，其密度为7.8g/c m,取g=10N/kg，导轨板的材料我选HT150灰铸铁，密度是，因此 导轨板的重量为重量=体积密度G1=500200307.2216N (2-1) 预估工作台上的夹具的重量为 G2=150N (2-2) 工作台的重量 G3=220230307.8120N (2-3)又知最大加工工件重量为200kg，因此 G4=2000N (2-4) 根据上面所算的数

17、值，总的重量为 =216+150+120+2000=2486N (2-5)再考虑到其他因素(如导轨，步进电机，丝杆等)，设总的重量为3000N，即，。2. 传动系统设计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，由于定位精度在mm内，因此取 取联轴器传动，因此它的传动比为=1,取丝杆的导程为P=5mm。3. 滚珠丝杠传动的计算与选型 由于钻床产生的轴向切削力很小并且工作台是点位系统，滚珠丝杆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。因此滚珠丝杆的负荷只有运动部件的重量引起的摩擦阻力。求出螺旋传动的计算载荷Fc 其中-为载荷系数，无冲击平稳运转：1

18、.0-1.2 一般冲击：1.2-1.5;有冲击和振动：1.5-2.5取为1.5 -为硬度系数，滚道硬度HRC58：1.0；滚道硬度HRC55:1.11滚道硬度HRC50:1.56;滚道硬度HRC45:2.4;滚道硬度HRC40:3.85取为1.0 -为精度系数，精度等级C,D: 1.0; 精度等级E,F: 1.1; 精度等级G: 1.25; 精度等级H: 1.43 取为1.0 -为丝杠工作时的轴向压力， 为导轨的摩擦系数，取。 为最下面的丝杆以上的所有质量。因此 =15N (2-6) 因此 =22.5N (2-7) 额定动载荷及寿命计算初步确定滚珠丝杠的规格型号。选择的滚珠丝杆副的额定动载荷，

19、必需大于等于其计算值： (2-8)-额定动载荷（N）；-螺杆的平均转速，取90-110r/min-运转寿命（h）； -旋转传动的计算载荷（N）其中的取100r/min，因题目中所给的快进速度为3.6m/min，因此根据 h (2-9) = = 140 h (2-10)所以 =83 N (2-11)滚珠丝杠螺母副精度等级的选择查/product.asp 图2-1 滚珠丝杠 表2-1 各类型滚珠丝杠参数 根据额定动载荷和公称导程的核对，最后选取的丝杠型号为BSG187，其公称直径为20，公称导程为5，动载荷为9.3KN大于83N，静载荷为21.6KN。 表2-

20、2 BSG187型号滚珠丝杠参数规格代号 公称直径公称导程滚珠直径丝杆底径额定动载荷额定静载荷刚性BSG18720mm5mm3mm16.2mm9.3KN21.6KN234KcN/um4. 滚动导轨参数计算与选型计算导轨的工作寿命（小时），要求寿命不低于5年；取8年，一年365天，一天8小时，因此 h (2-12) 计算导轨行程长度寿命（Km), 其中：为单向行程（m),n为每分钟往复次数；（可取4-6次/分钟)取315mm，n取6次/分钟因此 =5298km (2-13)计算导轨的额定动载荷（N），可由下式求得： 其中F为每个滑座承受得工作载荷（N）； F=3000/4=750N (2-14)

21、因此 =7098 N (2-15) 根据额定动载荷确定滚动导轨的型号及结构尺寸。查/product.asp 图2-2 滚动直线导轨结构图 表2-3 各型号滚动直线导轨参数 图2-3 KL标准款型滑块根据额定动载荷，选取的滚动导轨的型号为LG15KL，其参数如下 表2-4 LG15KL型滚动直线导轨参数额定载荷（KN）额定静力矩（Nm)导轨长度L(mm）单向行程长度Ls（mm)每分钟往复次数（次/分钟）动载荷静载荷MaMbMc31568.714.570701125. 步进电机的参数计算及选型 由机床精度要求确定脉冲当量及布距角，根据上面,所以 （2-16）

22、即 （2-17） 计算电机轴上的总当量负载转动惯量- （2-18） 1. 丝杆的转动惯量： （）其中，p为丝杆密度取，d为丝杆的等效直径（m)，l为丝杆长度（0.54m）。 = （2-19) 2. 工作台，工件，夹具，支承座等等折算到电机轴上的转动惯量： （）其中，为总的质量，300kg； P为丝杆导程，5mm; *电机转子的转动惯量小的场合，可忽略不计 = (2-20)因此 =+= (2-21)电机轴转矩的计算1. 空载启动时，电机轴上的惯性转矩： （Nm)其中，为电机加减速时间（=0.1s）；P-丝杆导程（m) 为工作台快进给（=3.6m/min,换算为0.06m/s）；为传动比（1） =

23、0.19 Nm (2-22)2.电机轴上的当量摩擦转矩（工作台及工件重量引起）： （Nm)为伺服传动链的总效率，可取0.8=0.015 Nm (2-23)2. 因丝杆副预紧力引起的电机轴上的附加摩擦转矩：（设预紧力为最大轴向载荷的1/3） （Nm）为滚珠丝杆杠螺母副未预紧时的传动效率（=0.9） =Nm (2-24)空载启动时电机轴上的最大静转矩： =0.19+0.015+0.206Nm (2-25)所选取的步进电机的最大静转矩需满足： =0.238 Nm (2-26)步进电动机的选择/PRODUCTS/STEPMOTOR/SMSERIES

24、/110BYG.HTM 表2-4 各型号步进电机参数 根据上述分析，选取的布距角要在0.72到1.44度之间，我选择型号为110BYG260A的步进电机，最大静转矩为8Nm 0.238 Nm 。进行惯量匹配验算： ， 为所选电机的转动惯量，=， 则，符合要求。其外形结构及参数如下图所示： 表2-6 110BYG260A型步进电机参数 型号相数相电流外直径轴直径布距角保持转矩定位转矩转动惯量重量110BYG260A24安85mm14mm0.75度8Nm0.2Nm6.84Kg.cm26.5Kg 图2-4 步进电机外观图 图2-5 110BYG260A型步进电机外形参数 表2-7 各型号电机L值6.

25、 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。梅花形弹性联轴器是由两个带凸爪形状相同的半联轴器和弹性元件组成，利用梅花形弹性元件置于两半联轴器凸爪之间，以实现两半联轴器的联接。具有补偿两轴相对位移、减振、缓冲、径向尺寸小、结构简单、不用润滑、承载能力较高、维护方便等特点，但更换弹性元件时两半联轴器需沿轴向移动 梅花联轴器特点： 1.中间弹性体联接 2.可吸收振动、补偿径向、角向和轴向偏差 3.抗油与电气绝缘 4.顺时针与逆时针回转特性完全相同 5.定位螺丝固定 6.主体：铝合金材料因为上述所选电机的转动轴的直径为14mm，所以我选的联轴器为 查/item.htm?id=&ad_id=&am_id=&cm_id=&pm_id= 图2-6 联轴器外形尺寸图 表2-8 各型号联轴器参数值所选的型号为ST2-B30-1414 ，参数及外形尺寸如图所示 表2-9 ST2-B30-1414型联轴器参数 型号轴径（mm)外直径（mm)长度（mm) 重量 (g)