数控机床XY工作台课程设计

7-一、课程设的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、课程的设计要求1、课程设计应在老师的指导下由学生独立完成，严格要求自己，不许相互抄袭；2、设计前认真阅读《课程设计指导书》，明确设计题目及具体要求；3、认真查阅题目所涉及内容的相关资料、手册、标准，大胆创新，确定合理、可行的总体设计方案；4、绘出数控XY工作台机械部分装配图设计（A0），总装联系图（A4），工作台、支承座、螺母座等零件图，绘图符合国家标准，布图合理，内容表达完整清晰：5、设计说明书（不少于20页）。要求：说明书中的有关公式应标明出处；所引用的附图及表格应附在说明书中相应位置，并有相应的说明；设计说明书格式参考教务处毕业设计论文格式的要求。三、课程设计的内容和步骤内容：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。总体设计方案设计机构的性能要求（1）具有高的静、动态刚度和良好的抗振性能（2）具有较高的几何精度、传动精度、定位精度和热稳定性（3）具有实现辅助操作自动化的结构部件待改装钻床型号的确定型号Z51100/ProductShow.asp?ID=6223、控制方式的确定控制方式按运动轨迹分类，可分为点位控制、直线控制和轮廓控制三种。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。因数控钻床上刀具在移动过程中没有进行切削，故采用点位控制。4、伺服系统的确定伺服系统有开环伺服系统、闭环伺服系统、半闭环伺服系统。因要求将普通钻床改装成简易的经济型数控钻床，考虑到运动精度要求不高，为简化结构，降低成本，所以采用步进电机开环伺服系统驱动。XY工作台系统总体框图如下图所示：5、工作台参数的初步确定因加工工件需要用夹具夹紧工件，工作台每边需留出30～40mm，所能够加工的工件的最大面积为220mm×190mm，所以初步确定工作台面积参数为：300mm×270mm。6、导轨的选型思路由于工作台的运动部件重量和工作载荷不大，故选用直线滚动导轨副，从而减小工作台的摩擦系数，提高运动平稳性。7、滚珠丝杆选型思路为保证一定的传动精度和平稳性以及结构的紧凑，采用滚珠丝杠螺母传动副。为提高传动刚度和消除间隙，采用有预加载荷的结构。8、丝杆和电机连接零件的选取思路因电动机经过联轴器直接与丝杠联接,进给传动系统的传动精度和传动刚度较高，使机械结构简单，所以丝杆和电机连接零件采用联轴器连接。9、支承座材料的选取初选支承座材料为灰铸铁HT150，因其耐磨耐腐蚀，刚度高，抗震性好。10、轴承类型的选取初步设计滚珠丝杠的支承的安装采用固定—支承式，轴承主要承受轴向载荷，所以固定端选用向心推力轴承，支持端选用深沟球轴承。机械部分改装设计与计算1、确定工作台的尺寸及其重量根据设计要求，能加工的工件的最大面积为220mm×190mm,因此初定工作台尺寸为300mm×270mm×40mm。考虑到加工时工作台受到冲击和振动，所以选工作台材料为灰铸铁HT150，密度为7.2×103kg/m3（取g=10N／kg）。工作台的质量为：m1=0.30×0.27×0.04×7.2×103≈23kgX向拖板(上拖板)与Y向拖板(下拖板)所选材料为HT150，尺寸为:长×宽×高=270mm×270mm×20mm上、下拖板总质量为：m2=2×0.27×0.27×0.02×7.2×103≈21kg初步取导轨座的长为650mm,宽为270mm，高为30mm，材料为HT150，则m3=0.65×0.27×0.03×7.2×103≈38kgX-Y工作台运动部分总重量为:m总=m1＋m2＋m3+m=23+21+38+200=282kg考虑到夹具、电动机等其它因素，取m总=350kg2、滚珠丝杆参数计算与选型初选丝杠材质：CrMnTi钢，HRC56～62，导程：p=5mm⑴求出螺旋传动的计算载荷FCFC=KEKHKLFm其中，KF—为载荷系数，取1.5KH—为硬度系数，取1.0KL—为精度系数，取1.0Fm—为丝杠工作时的轴向压力，Fm=μm总g=0.004×350×10=14N（μ为导轨的摩擦系数，取0.004m总为最下面的丝杠以上的所有质量）FC=1.5×1.0×1.0×14=21N⑵额定动载荷及寿命计算初步确定滚珠丝杆的规格型号。选择的滚珠丝杆副的额定动载荷Ca,必须大于其计算值：Ca—额定动载荷（N）；nm—螺杆的平均转速，取100r/minLh—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Lh=6×365×8=17520h根据Ca>C'a原则，在网上查/products.asp?id=444得，选滚珠丝杠的规格型号为：SFU1605-4，其公称直径为16mm，导程为5mm，动静载荷分别为780N和1790N。3、滚动导轨参数计算与选型⑴计算导轨的工作寿命Th（小时），要求寿命不低于5年；设一天工作8小时，一年365天，工作6年，则Th=6×365×8=17520h⑵计算导轨行程长度寿命Ts（Km），Ts=2ThLsn/1000其中，Ls单向行程（取0.5m），n为每分钟往复次数（取6次/分钟）Ts=2×17520×0.5×6×60/1000=6307km⑶计算导轨的额定动载荷Ca（N）因钻床的切削力大概是工作台重的1-1.2倍，所以设每根导轨上有2块滑块，每个滑座承受的工作载荷为F,则可由求得：=⑷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：根据Ca>C'a原则，选取LG20KL型号的导轨。4、步进电机参数计算与选型由机床精度要求确定脉冲当量δ及步距角α：α=360δλ／p脉冲当量δ是一个进给指令时工作台的位移量，应小于等于工作台的定位精度，由于定位精度为±0.02mm,因此选择脉冲当量为0.01mm。则步距角为：α=360δλ／p=360×0.01×1/5=0.72°（1）电机轴上的总当量负载转动惯量的计算J总≈J1+J2+J转子①丝杠的转动惯量：（㎏·㎡）其中,ρ为丝杠密度取7.8×103㎏/m3,d为丝杠的等效直径（m），为丝杠长度（m）。d=16×10-3mm=0.6m则，（㎏·㎡）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，m总为总的质量（kg），p为丝杠导程（mm）③电机转子的转动惯量小的场合，可忽略不计。所以，J总=J1＋J2=0.30×10-4+2.22×10-4=2.52×10-4（㎏·㎡）（2）电机轴转矩的计算①空载启动时，电机轴上的惯性转矩：其中，△t为电机加减速时间（s），p为丝杠导程（m），Vmax为工作台快进速度（m/s）,λ为传动比△t=0.1sp=0.005mVmax=3.6m/min=0.06m/sλ=1则，（Nm）②电机轴上的当量摩擦转矩（工作台及工件重量引起）η为伺服传动链的总效率，可取0.8，则=（Nm）③因丝杠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，则为滚珠丝杠螺母副未预紧时的传动效率（取0.9），则（Nm）空载启动时电机轴上的最大静转矩：（Nm）所选取的步进电机的最大静转矩Ts需满足：在网上查：/product.asp?Action=Detail&ID=28由上表可选步进电机的型号为：90BYG5502其外形及参数如下：矩频特性如图:步进电机选型时，必须同时满足转动惯量及静转矩的要求，即应进行惯量匹配验算：（为所选电机的转动惯量）最大静转矩：步进电机的最大运行频率f满足：所以，所选的型号为90BYG5502的步进电机合适。5、支承座参数设计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：根据滚珠丝杠的公称直径为16mm，因此我选择固定端的轴承内径为12mm，支持端的轴承内径为12mm。因为安装采用一端固定一端游隙的方式，考虑到固定端是主要受力端，主要承受轴向力，同时也承受轻微的径向力，所选用7201角接触球轴承成对对称安装，支承端选用6201深沟球轴承，考虑到防尘问题，所以选用两面带防尘盖型的轴承。在网上查/product_detail.asp?id=79，得在网上查/Show.asp?ID=14195，得因此，固定端支承座与轴承装配的尺寸为32mm，支承端支承座与轴承的搭配尺寸为32mm。固定端轴承座外形如下图：支持端轴承座外形如下图：6、联轴器的选择伺服电机与丝杠之间的联接我选用梅花联轴器联接，因为梅花联轴器具有搞扭转刚性和卓越灵敏度，可吸收偏角、偏心、轴向偏差和振动。网上查/ProShow.asp?ID=260得，根据步进电机的主轴直径为14mm，滚珠丝杠前端直径为10mm，联轴器可选的型号为：G6-30T，其外径为30mm，两端孔径分别为14mm、10mm。四设计总结经过几个星期时间的课程设计，在老师的指导和同学们的帮助下完成了一套简易的数控XY工作台的设计，其中内容包括总体设计方案，机械部分的设计、计算及选型。刚开始时还不知道XY工作台结构是什么样的，通过上网查阅大量的有关资料，才初步了解其结构，觉得XY工作台的结构看起来很简单，但随着设计的进行，发现自己有好多方面是不足的，缺乏很多专业知识，在设计过程中总是做到后面几步了才发觉前面几步设计出错，在不断的修改中，不断地完善设计，从中更加深刻地了解到XY工作台的结构及其工作原理，同时，学会了运用手册、标准等技术资料。通过这次课程设计，从中发现了自己有很多的不足之处，因此自己需要加强学习、掌握专业方面的理论知识，提高实践能力、