数控铣床X-Y工作台设计含开题及5张CAD图
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数控铣床X-Y工作台设计含开题及5张CAD图,数控,铣床,工作台,设计,开题,CAD
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数控X-Y工作台设计摘 要X-Y数控工作台是是指能分别沿着X 向和Y向移动的工作台，是许多机电一体化设备的基本部件，通常由导轨座、移动滑块、工作、滚珠丝杠螺母副，以及伺服电动机等部件构成。其中伺服电动机做执行元件用来驱动滚珠丝杠，滚珠丝杠螺母带动滑块和工作平台在导轨上运动，完成工作台在X、Y方向的直线移动。导轨副、滚珠丝杠螺母副和伺服电动机等均以标准化，由专门厂家生产，设计时只需根据工作载荷选取即可。工作台是机器的重要组成部分，自动化工作台可大大降低劳动强度，提高劳动生产率，降低成本。数控X-Y工作台是数控技术，它充分利用了计算机硬件和软件的功能，从而实现机器控制，扩大加工机床的范围等最简单的应用；进一步增强了可靠性和精度。我国现在存在着大量的老式机床，对这些机床数控化改造非常重要，这能让我们明显减低生产成本，提高生产效率。关键词：X-Y工作台；伺服电动机；数控化AbstractX - Y numerical control table is refers to can respectively along the X and Y to moving workbench, is a basic component of many electromechanical integration equipment, usually by the guide rail, move the slider, work, ball screw nut pair, and servo motor and other parts.The servomotor ACTS as the actuator to drive the ball screw, and the ball screw nut drives the slider and the working platform to move on the guide rail to complete the linear movement of the worktable in the direction of X and Y.Guide rail pair, ball screw nut pair and servo motor are all standardized by special manufacturers, the design can only be selected according to the working load.Workbench is an important part of machine, automatic workbench can reduce labor intensity greatly, raise labor productivity, reduce cost.CNC x-y worktable is a numerical control technology, which makes full use of the functions of computer hardware and software, so as to realize the simplest applications such as machine control and expanding the range of machine tools.The reliability and accuracy are further enhanced.There are a large number of old machine tools in our country, which are very important for the CNC transformation of these machine tools.Key Words: X-Y workbench;Servomotor;Numerical cont目 录第1章 绪 论11.1数控X-Y工作台概述11.1.1数控X-Y工作台简述11.1.2 数控X-Y工作台的组成11.2数控X-Y工作台国内外发展趋势11.2.1我国数控产业的发展和现状11.2.2数控产业的发展趋势21.2.3国内外对比21.3设计目的及意义21.4总体方案的设计31.4.1设计机构性能要求31.4.2设计参数的确定31.4.3机械系统设计3第2章 伺服电动机的选型52.1伺服电动机的选型52.1.1电机的选择依据52.2步距角的选择52.3步进电机输出转矩的选择52.4启动矩频特性校核62.5工进运行矩频特性校核7第3章 丝杠的选型93.1丝杠的介绍93.1.1丝杠螺母机构基本传动形式93.1.2滚珠丝杠螺母副的组成及特点93.1.3滚珠丝杠螺母副的构造形式93.1.4滚珠丝杠副轴向间隙的调整和预紧103.2丝杠螺母副的选择113.3丝杠的校核123.4滚珠丝杠支承的选择133.4.1支承方式的选择133.4.2轴承的选择133.5设计滚珠丝杠应注意的问题15第4章 联轴器的选型174.1联轴器的介绍174.2选择联轴器的类型174.2.1初选联轴器的类型174.2.2初选联轴器174.3联轴器的校核184.3.1转矩的校核184.3.2销的抗剪强度的校核19第5章 导轨的选型及计算215.1 导轨的组成种类及其应满足的要求215.2导轨材料的选择及热处理215.2.1导轨材料的选择215.2.3导轨的热处理225.3导轨及其长度的预选225.4导轨副的额定寿命计算235.5滚动导轨副的技术要求245.6导轨防护罩的设计255.6.1导轨防护罩的介绍255.6.2导轨防护罩的选择255.7导轨的注意事项26第6章 机座的设计276.1机座的作用及要求276.2机座的设计276.2.1机座自身刚度276.2.2提高机座连接处的接触刚度286.3机座材料的选择28第7章 数控系统的选型297.1硬件选型297.2进电机开环伺服原理307.3电机的控制框图307.4软件程序设计317.4.1逐点比较法317.4.2程序设计31总 结35参考文献37致 谢39第1章 绪 论1.1数控X-Y工作台概述1.1.1数控X-Y工作台简述数控机床是一种用数控指令来对一台或多台机械设备进行控制使其动作的技术。它被大规模的用于机械制造及其自动化领域，它的大规模应用不但给传统的制造业带来变革型的改变，使得制造业成为工业化的代表。随着数控技术的发展及应用领域的扩张，数控X-Y工作台的应用越来越广泛，而工作台是影响数控铣床加工精度的重要部分。数控X-Y工作台大量应用在机电一体化设备上，它通常由工作平台，导轨座，滚珠丝杠等组成。其中用电动机带动丝杠使得工作平台在X向和Y向进行线性移动。伺服系统是工作台的重要组成部分，可以分为三种控制方式：开环，半闭环，闭环。开环是指伺服系统使用步进电机，并且不设置传感与检测设备，信号是单向的。开环的优点是系统稳定性好，结构简单，调试方便，维修简单，价格低廉。通常适用于经济型数控铣床。半闭环是指伺服系统使用交流或直流伺服电机驱动，并且在伺服电机的输出轴端设置有传感和检测设备。闭环是指伺服系统使用交流或直流的伺服电机驱动，并且在工作台的末端设置传感和检测装置。当前有各式的工作台在市场上流行，以前的工作台只能在规定的某一机床上使用，伴随着科技的进步，它们的功能也有单一性向多样性发展，比如现在的工作台不仅能在钻床上使用，也可在铣床和镗床上使用。工作台还可以作为机床的第四回转，提高了机床的性能和生产率。1.1.2 数控X-Y工作台的组成数控X-Y工作台由导轨座、移动滑块、工作平台、滚珠丝杠螺母副、伺服电动机等部件构成。它包含机械本体构件、动力和驱动部分、执行部分、传感部分、控制信息处理部分。1.2数控X-Y工作台国内外发展趋势1.2.1我国数控产业的发展和现状我国的数控机床研制工作起步于二十世纪六十年代，从二十世纪八十年代起，受改革开放的影响，我国从西方国家引进CNC系统（数控铣床），极大地提高了机床产品的质量。从起步之初，到现在。我国数控机床可以分为三个发展的阶段：第一阶段是从二十世纪六十年代到八十年代，在这个阶段受到西方国家对我国的技术限制以及国内种种困扰，数控机床基本上算是在自我摸索，对机床的核心技术没有掌握，故而经常出现故障；第二阶段是二十世纪八十年代到九十年代中期，在这个阶段，我国恰逢改革开放，积极向西方国家学习和引进先进技术，利用国外现有技术以及自我学习，我国数控机床有了翻天覆地的进步，缩小了中外的差距；第三阶段是二十世纪九十年代中期到现在，我国开启数控化目标，进入自主研发阶段，数控机床从质量到数量上取得了长足的进步，掌握了一些关键技术，达到了世界水平。1.2.2数控产业的发展趋势(1)高速化 (2)精密与超精密化 (3)开放化 (4)技术集成化和技术复合化 (5)智能化 (6)绿色化 1.2.3国内外对比与国外的数控机床相比，我国数控机床还存在以下几方面的问题：（1）不能达到市场的需求。（2）没有大规模的机床生产企业。（3）没有掌握核心技术。（4）没有高技术含量，背外国寡头企业握住命脉。1.3设计目的及意义本次毕业设计是对学生在毕业前的一次全面练习，目的是通过这次毕业设计使我们能够合理的运用知识，自己进行设计训练。让我们全面地，系统地把大学四年来学过的知识点巩固一遍；以及让我们把理论与实际联系起来，让我们从以下几个方面得到提升：(1)能够正确运用机电一体化系统设计的基本理论和相关知识，掌握机电一体化的设计思想和设计方法，了解并分析设计方案，提高学生分析问题和解决问题的能力。 (2)通过机械部分设计，掌握机电一体化的机械零部件和执行元件的计算、选型和结构设计。(3)通过测试及控制系统方案设计，掌握机电一体化系统控制系统的硬件组成、工作原理，和软件编程思想；(4)通过毕业设计让我们在查阅文献、编写说明书方面得到提升，提高我们的创新精神以及专业能力。1.4总体方案的设计1.4.1设计机构性能要求(1)较高的机床静、动刚度(2)减少机床的热变形(3)减少运动间的摩擦和消除传动间隙(4)提高机床的寿命和精度保持性(5)减少辅助时间和改善操作性能1.4.2设计参数的确定 本次设计的数控X-Y工作台应用于数控铣床，要求它具备坐标定位、两坐标直线插补与圆弧插补等基本功能。其具体参数如下： 工作台面的尺寸:：CB240mm260m 工作台和工件最大负载重量：G=60kg 工作台表面滑动摩擦系数为：0.5 X方向行程：100mm，Y方向行程：160mm 平均切削力：500N 快进进给速度：1m/min 最高运动速度：10000mm/min XY方向脉冲当量：0.001mm XY方向定位精度：0.02mm 工作寿命：每天8小时，工作8年，250天/年1.4.3机械系统设计(1)传动机构为了使传动精度和平稳性以及结构的紧凑得到保证，在这里使用滚珠丝杠螺母传动副。丝杠的转速为中转速，精度要求为高精度。- 43 -(2)导轨使用滚动直线导轨。滚动直线导轨副的优点是动静摩擦力之差很小，摩擦阻力小，随动性极好。(3)执行机构使用步进电机。（二）工作台外形尺寸及重量初步估算工作台草图如下图1-1：图1-1工作台流程图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。图1-2工作台实物图第2章 伺服电动机的选型2.1伺服电动机的选型2.1.1电机的选择依据电机受到两种形式力矩：一种是负载力矩和切削力矩（包括摩擦力矩）；另一种是加速力矩和减速力矩。电机选择应该满足下面的条件。(1)机床无负载时，电动机被加载的力矩要小于连续额定力矩的一半。不然，在切削或加速/减速时可能会产生发热。(2)加/减速时间要短，须在电动机的规定内。一般来讲，负载力矩能使电动机发生减速，假如加速在规定时间内完成，减速理论上也在相同时间完成。这样我们只需计算加速力矩。(3)电动机发热是因为连续定位和加减速，必须计算出电动机受到的力矩的均方根值Trms，使其小于电动机的额定力矩 Tc。(4)电动机的最大切削力矩运行的时间必须在规定内。(5)负载的惯量要小于电动机本身惯量的3倍。这里我们依据脉冲当量和最大静转据选择电机。2.2步距角的选择已知脉冲当量由 bL0i360p代入数据的b41360=0.01，b=0.9 （2-1）2.3步进电机输出转矩的选择查机械手册得，反应式步进电机启动转矩与最大静转矩的关系是:(1)加速度力矩 （2-2）(2)空载摩擦力矩（取传动系统总效率） （2-3）,(3)附加摩擦力矩为滚珠丝杠未预紧时的传动效率取故电机空载启动力矩作用在工作台的合力的计算，逆铣的时候合力大作用在工作台上的合力折算到电机上的转矩运动部件正常工作时的总负载转矩故运动部件正常运行时需的最大静转矩 此处取0.5代入得按步进电机最大静转矩选择要求所以，选择步进电机55BF0092.4启动矩频特性校核当启动力矩时对应的允许启动频率，电机的启动频率，保证了电机快速启动时不丢步。运行矩频特性校核快速进给运行矩频特性校核：由式2-34得，快进力矩查指导书2-22得，允许快进频率由式2-33得电机最高快进频率 （2-4），故电机快速进给时不丢步。2.5工进运行矩频特性校核工进时步进电机的运行频率为工进时步进电机运行所需力矩 工作负载力矩允许工进运行力矩 满足设计要求，故可选用此电机。第3章 丝杠的选型3.1丝杠的介绍3.1.1丝杠螺母机构基本传动形式丝杠螺母机构又称螺旋传动机构。它是一种将滚动转化为线性运动的机构，也可以传递能量。丝杠螺母机构又分为滑动摩擦和滚动摩擦。滑动丝杠螺母机构结构简单，成本低廉，能自锁。但摩擦阻力大，传动效率低。滚动丝杠螺母机构结构复杂，成本高。但是它摩擦阻力小，传动效率高。综合各种因素，选择滚动丝杠螺母副。根据工作台实际运动情况，本设计的传动形式选择丝杠传动螺母移动，此传动形式需要控制螺母的转动，因而得设置导向装置。它特点是结构紧凑，刚性好，在工作形成大的场合都用它。3.1.2滚珠丝杠螺母副的组成及特点滚珠丝杠螺母副是一种将滚动变为线性运动的机构。滚珠丝杠螺母机构由丝杠，螺母，滚珠，和反向器等四部分构成。滚珠丝杠副与滑动丝杠副相比，它的优势在于轴向刚度高，运动平稳，传动精度高，不易磨损，使用寿命长。3.1.3滚珠丝杠螺母副的构造形式滚珠丝杆副结构类型的区分可以在这几个方面：螺纹滚道截面形状、滚珠循环方式和消除轴向的调整方法。在这里我们只从滚珠的循环方式去选择丝杠。滚珠丝杠螺母副中的滚珠循环方式为：内循环和外循环，他们的具体区别见下面的表。表3-1滚珠的循环方式类别形式特点内循环优点:返回通道短一个循环只有一圈钢球,流畅性好,摩擦损失小,效率高,径向尺寸小,刚性好缺点:返向器钢球返回通道的曲面加工复杂复杂 外循环端盖式优点:结构紧凑,工艺性好缺点:循环回路长,流畅性差,钢球通过短槽时易卡住螺旋槽式优点:结构简单,制造方便,承载能力大缺点:钢球流畅性较差,挡珠器较易磨损插管式优点:结构简单,工艺性好,钢球的流畅性好,应用较广缺点:凸出式的插管凸出于螺母外部,径向尺寸较大3.1.4滚珠丝杠副轴向间隙的调整和预紧当滚珠丝杠副出现负载时滚珠与滚道面接触点处将发生弹性变形现象。每当进行换向它的轴向间隙会产生空回现象。此空回现象是非连续的，不但会影响传动精度，也会使系统的稳定性变差。如果选择单螺母丝杆螺母副，它的间隙消除不容易。在实际中，通常用下表的调整预紧方法。表3-2常见调整预紧办法调整预紧方式特点双螺母螺纹预紧调整式优点是结构简单、刚性好、预紧可调，缺点是不能精确定量地进行调整。双螺母齿差预紧调整式优点是能定量调整即可进行精密微调，调整容易。双螺母垫片调整预紧式优点是结构简单、刚度高、预紧可靠，缺点是调整难。弹簧式自动调整预紧式优点是可以消除工作过程中因磨损或弹性变形产生的间隙，缺点是结构复杂、轴向刚度低，不适用于重载场合。单螺母变位倒程自顶预紧式和单螺母滚珠过赢预紧式结构简单紧凑，但在使用中不能调整，且制造困难。在保证防尘防护以及对调隙及预紧的前提下，选用最优的结构形式。比如，当必须保证在有间隙存在时能够选单圆弧形螺纹滚道的单螺母滚珠丝杠螺母副；当必须保证预紧或在工作中有磨损而需要定期调整时，就选择双螺母螺纹预紧；当必须保证优秀的防尘条件以及在装配时有良好的调整间隙及预紧力的能力，选择双螺母垫片调整预紧式结构。因为本次设计设计的工作台必须保证足够的防尘条件以及在装配时有良好的调整间隙及预紧力的能力，所以我选择双螺母垫片调整预紧式。3.2丝杠螺母副的选择表3-3 丝杠螺母副数据公称直径/mm导程/mm余量/mm节距/mm255208丝杠的工作长度受到丝杠的工作行程影响，所以在这对丝杠进行初选：初选X方向丝杠的工作长度为410mm初选Y方向丝杠的工作长度为460mm滚珠丝杠的工作载荷计算公式为： （3-1）根据上述可知，由机电一体化系统设计得KF=1.2，取KH=1.2， 取D精度，取 =1.0，X方向丝杠工作载荷：S=600=864NY方向丝杠工作载荷：=600=864N额定动载荷值计算：导程初选为5mm，则 = =8645011N滚珠丝杠螺母副的选择依据是值，由于滚珠丝杠螺母副额定动载荷要求Ca=，所以查阅资料选择下面型号规格：FC1-2505-2.5 Ca=5011N公称直径D=25mm 导程P=5mm 螺旋角 滚珠直径计算可得：滚道半径 R=0.52偏心距丝杠内径3.3丝杠的校核(1)因为丝杠在工作时会产生失稳,因而得验算它的安全系数S，S要高于丝杠螺母副传动结构所要求的安全系数。临界载荷是指丝杠在工作中不产生失稳的最大载荷 其中 E=206Gpa L=0.3m 取 则 安全系数查阅文献知S=253.3，所以SS 所以丝杠是符合要求的(2)丝杠在工作时可能会产生共振现象，所以要计算不会发生共振现象的最高转速临界转速，要求丝杠的最大转速 因为 所以丝杠在工作时不会产生共振现象。(3)此外滚珠丝杠副还受Dn值的限制，通常要求： Dnmm/min Dn=25 (4)滚珠丝杠在工作负载F(N)和转矩T的交互下会指示每个导程的变形量为： （3-2）在公式中，A为丝杠截面积，A为丝杠的极惯性矩， G为丝杠切变模量对钢G=83.3GP a;T(Nm)为转矩，式中 为摩擦角，其正切函数值为摩擦系数,为平均工作载荷.摩擦系数：,则得按最不利的情况取(F=)通常要求丝杠的导程误差小于其传动精度的1/2,即由计算可知该丝杠的刚度满足要求。（4）效率验算：要求在90%-95%之间，所以该丝杠螺母副满足要求。经上述计算验证，FC1-2505-2.5满足各项性能要求。3.4滚珠丝杠支承的选择3.4.1支承方式的选择滚珠丝杠的载荷包含轴向载荷，径向载荷。所以，滚珠丝杠对于轴向刚度和位移精度很苛刻。滚珠丝杠的支承方式有以下几种：（1）两端固定，适用于高转速、高精度的丝杠；（2）一端固定一端游动，适用于中转速、高精度的丝杠；（3）一端固定一端自由，适用于低转速、中精度、短轴向的丝杠。因为要求中转速、高精度，本次选择一端固定一端游动的支承方式。固定端采用轴承连接。 3.4.2轴承的选择（1）轴承的分类轴承可以分为滚动轴承和滑动轴承。滚珠丝杠螺母副一般使用滚动轴承。滚动轴承可以分为两大类：球轴承与滚子轴承。滚动轴承一般由内圈、外圈、滚动体和保持架四部分组成。滚动轴承具体有下面几种：深沟球轴承。轴系用球轴承有单列向心球轴承和角接触轴承。单列向心球轴不能承受轴向力，在旋转精度和刚度要求不够的场合使用。角接触轴承不但可以经受径向载荷而且也能经受轴向载荷；还能调整大小。因此大规模使用于轻载。双列向心短圆柱滚子轴承。这种轴承两种：滚道开在内圈和滚道开在外圈。这两种轴承的圆柱滚子数目多、密度大，分两列交叉排列，旋转时支承刚度变化小，内圈上均有1:12的锥孔与带锥度的轴颈配合，在轴颈发生轴向移动时，内圈扩大，所以能调节轴承的径向间隙或实现预紧；使用的场合在较大载荷、较高转速要求的。圆锥滚子轴承。圆锥滚子轴承由内圈、外圈、格圈和圆锥滚子组成。它能经受大载荷，刚度高，但是转速低，不过可以达到加工精度。推力轴承。推力轴承优点是承载能力强，支承刚度高，但转速低，动作大。（2）轴承的选择选择角接触轴承7202AC，数据见下表：表3-4接触轴承的数据d(mm)D(mm)B(mm)(mm)(mm)(mm)(mm)(mm)(mm)(kN)(kN)1532918.429.60.320.453.42它的优点是：既能承受轴向载荷又能承受径向载荷，接触角大、钢球多、刚度高。（3）轴承的校核基本额定动载荷：取滚动轴承当量动载荷X的值：X=1，Y=0.92则当量动载荷为：轴承寿命的计算：轴承的预期寿命取=25000h额定动载荷的计算：N9980N所以选择的的轴承可以满足寿命和强度的的要求。(4)轴承的润滑与配合滚动轴承润滑的优点是能够使轴承内部摩擦及摩损变少，润滑效果：减少摩擦及摩损。 延长疲劳寿命。排出摩擦热、冷却。也有防止异物侵入轴承内部，或防止生锈、腐蚀之效果。轴承润滑方法：脂润滑和油润滑。为了使轴承发挥出它的潜力，就得要采用正确的润滑方法。油润滑的优点在于它的润滑性。滚动轴承轴颈和内圈的配合选择基孔制，座孔和外圈的配合选择基轴制。为了避免轴颈与内圈在作旋转发生相对运动，轴承内圈与轴颈选择m5、m6、n6、p6、r6、js5这些不松的配合。轴承外圈与座孔选择J7、K7、M7、H7这些紧的配合。载荷大小、方向和性质这些因素决定了怎么去选择配合；但最终的选择得参考机械设计手册。(5)轴承使用注意事项滚动轴承与其他的机械零件相比它的优势在于：精度高，因而对于选用它的万分小心。轴承得保证清洁卫生。用时仔细认真不能给轴承施加突然的猛烈冲击，这会造成轴承产生伤痕、断裂等损伤。意轴承的防锈在轴承的工作场所应该保证通风透气，不能在潮湿的地方，最好是装上轴套。3.5设计滚珠丝杠应注意的问题(1)为了延长使用寿命和精度，滚珠丝杠螺母副得安装在螺母上的合力上并且在丝杠轴心，这样做是为了使滚珠受力均匀，不产生倾覆力。 (2)放逆转：滚珠丝杠副传动逆效率高，一般当电机停电时，由于部件自重会使螺旋副产生逆传动，为了避免逆传动有下面几种方式：停电自锁的电机、蜗轮蜗杆机构、离合器。 (3)滚珠丝杠螺母副为了避免越程后滚珠丝杠副遭受撞击而使精度，寿命等出现问题一般都会在行程两端设置行程保护装置。 (4)防止热变形：对精密螺旋传动的定位精度有重要影响的因素是热变形。他会造成丝杠热膨胀从而拉长。解决的办法是用预拉伸或者强制冷却等用以降低热变形对丝杠的影响。 (5)防止弯曲变形：产生弯曲变形的原因是水平放置的丝杠由于自重使得轴线产生弯曲变形，这不仅会影响导程累积误差，还会影响螺母的受载。在使用细长丝杠时，要提防和降低自重弯曲变形。 (6)防护与密封：滚动体运动不流畅的原因之一是由于尘埃和杂质存在于滚道中，这会造成滚到和加速滚动体出现磨损，使滚动螺旋副精度降低。所以防尘必不可失。解决办法是在滚珠丝杠副在螺母两端已安装防尘圈和为丝杠安装防护装置。 (7) 减小驱动转矩、提高传动效率、延长螺旋副使用寿命的办法是给这些零件润滑。在这里我们可以给接触表面的装上油膜，油膜的作用有吸振、减小传动噪声和冲洗丝杠上的粉尘等杂物。 第4章 联轴器的选型4.1联轴器的介绍联轴器是指用来联接两轴或者轴与会转件使之共同旋转以传递运动和动力的机械传动件。一般可分为以下几种：联轴器可分为刚性联轴器、挠性联轴器、安全联轴器三种。刚性联轴器：刚性联轴器结构简单，价格便宜但是不具有补偿能力。在载荷平稳，转速稳定，能保证被联两轴轴线相对偏移极小的场合下才选择它。挠性联轴器：具有一定的补偿被相对偏移的能力，但关键取决于型号。无弹性元件的挠性联轴器：优点是承载能力大，但缺点也很明显他没有缓冲减震性能，有冲击噪声；在低速、重载、转速平稳的场合受到广泛欢迎。非金属弹性元件的挠性联轴器：优点是具备缓冲减震性能；但因为它的弹性元件强度低、寿命短、承载能力小、不耐高温和低温，所以只在高速、轻载和常温的场合中使用金属弹性元件的挠性联轴器：不仅有良好缓冲减震性能，它的承载能力还高，在速度变化大的场合广泛应用。 安全联轴器：最大特点是有一个保险环节，但它只能在限定载荷只中工作。每当实际载荷大于额定载荷时就会截断，从而使传动停止，起到保护作用。 起动安全联轴器：不仅有过载保护作用，还有空载起动作用。4.2选择联轴器的类型4.2.1初选联轴器的类型联轴器的选择得考虑以下几点：(1)联轴器工作时的转矩大小和性质以及对缓冲减振功能有什么需求。(2)联轴器在工作时转速的高低以及产生离心力的强弱。(3)联轴器在工作时两轴产生相对位移的多少和方向。(4) 联轴器的可靠性以及对工作环境有什么要求。(5) 联轴器的制造、安装、维护和成本。4.2.2初选联轴器根据滚珠丝杠的轴径和来选取联轴器。选择圆锥销套筒联轴器，具体数据见下表。表4-1联轴器性能类别联轴器名称转矩范围N.mm轴径范围mm最高转速r/min特点及应用说明刚性凸缘联轴器（GBT58432003）102000010180130002300结构简单，装拆、维护方便；安全、可靠；具备缓冲性和可移性 套筒夹壳联轴器（HG52131965）85900030110900380具备缓存，减震等作业，性能的极限温度低，工作平稳可靠，无噪音，工艺性好。 联轴器固定式紧箍夹壳联轴器 套筒联轴器18012500圆锥销34000平键715000半圆键8450花键1501250030110410020100103525102900380一般小于等200250其特点和使用性能与夹壳联轴器相似，但外形简单，平衡条件有所改善，夹紧力大，很适宜用于径向夹紧力大的场合。结构简单，制造容易，径向尺寸小，成本低。但装拆时需沿轴向移动较大的 距离。而且只能连接两轴直径相同的圆柱形，轴伸一般用于工作平稳的功率传动轴系。选择d=12mm的圆锥销套筒联轴器，其数据如下：表4-2 d=12mm的圆锥销套筒联轴器数据d公称转矩（Nm）DLlC圆锥销（2个）127.5224080.54224.3联轴器的校核4.3.1转矩的校核联轴器转矩的计算公式如下： （4-1）式中：K工作情况系数 P输出功率（kw） T理论转矩N.m 计算转矩N.m N工作转速r/mi n则联轴器的转矩为(根据研究取K=1.5)： =经计算可以确定选则的联轴器合适。4.3.2销的抗剪强度的校核销的抗剪强度的计算公式如下： （4-2）则销的抗剪强度为：经计算销的抗剪强度合适，材料为45号钢。第5章 导轨的选型及计算5.1 导轨的组成种类及其应满足的要求导轨分为直线导轨和回转导轨；其中直线导轨又分为滚动导轨和滑动导轨；滚动导轨副是由钢珠在滑块与导轨中作无线滚动循环，使得工作台能够沿着导轨做直线运动；它由三部分组成：滚珠、滚柱、滚针；它的优点是灵敏度高，运动平稳，不易出现爬出现象；它的优势还有定位精度高，摩擦阻力小，精度保持好；但是缺点也很明显它的抗震性差，所以对防护的要求高。机电一体化系统对导轨的基本要求是导向精度高、刚性高、运动轻便平稳、耐磨性好、温度变化影响小以及结构工艺性好。所以在选择导轨时需要考虑上述种种因素。5.2导轨材料的选择及热处理5.2.1导轨材料的选择导轨常用的材料是铸铁、钢、有色金属和塑料等。 (1) 铸铁。铸铁有良好的耐磨性、抗震性和工艺性，热稳定性好，易于铸造以及成本低廉等优点，故而在滑动导轨中被大量使用。常用的铸铁有：灰铸铁，一般选择HT200，硬度以180200HB较为适合。适当增加铸铁中含碳量和含磷量，减少含硅量，可以提高导轨的耐磨性，一般用于中等精度和运动速度较低的导轨。高磷铸铁，含磷量为0.3%0.65%的灰口铸铁，其硬度为180220HB，耐磨性比灰铸铁HT200高。低合金铸铁，优点是有很好的耐磨性。稀土铸铁，优点是强度高以及硬度好，但不足得是它的抗震性差以及成本昂贵。(2) 钢。是对含碳质量百分比介于0.02%2.11%之间的铁碳合金统称。它的有点是耐磨性好，淬火后的钢的耐磨性比不淬的铸铁高510倍。常用的钢有45钢、40Cr、T8A、T10A、GCr15等。(3) 有色金属。是指铁、锰、铬以外的所有金属的统称。常用的有色金属有铝合金、铜合金、镁合金、钛合金等，其中首推铝合金。(4) 塑料。塑料是以单分子为原料，通过加聚或聚缩反应聚合而成的高分子化合物。塑料导轨具有较好的耐磨耗性，耐冲击性好，大规模应用于生产中，抗拉扯能力大，加工成本低，可降低低速运动的临界速度，质量轻且坚固，工艺简单等特点。经过考虑所有数据，导轨材料选用灰铸铁HT2005.2.3导轨的热处理导轨热处理:一般重要的导轨，铸件粗加工后进行一次时效处理，高精度导轨铸件半精加工后还需进行第二次时效处理。常用导轨淬火方法有:(1) 接触电阻淬火，淬硬层深度0.150.2mm。硬度可达HRC55。(2) 中高频感应淬火，淬硬层深度23mm,硬度可达HRC48-55。这种淬火方法能提高二倍耐磨性。5.3导轨及其长度的预选我选择的导轨副是滚动直线导轨副。选择它的原因如下：(1)滚动直线导轨副动静摩擦系数小，有效帮助它的响应速度和灵敏度。 (2)滚动直线导轨副的承载性强，刚度高。(3)滚动直线的导轨副的摩擦特性好，直线运动时速度高，低速时不爬行。(4)滚动直线的导轨副导向精度高，结构简单，组装容易并具备互换性。综合各项要求，选择燕尾形导轨。X方向初选导轨型号为GGB20BAL2P 12940-4, Y方向初选导轨型号为GGB20AAL2P 21090-4。具体数据见机械设计手册9-149。导轨的长度：由于导轨长度影响工作台的工作精度和高度，一般可根据滑块导向部分的长度来确定导轨长度。其公式为：L=H+S+l-S1-S2 （5-1）由此公式估算出=370mm,=420mm其中: L导轨长度 H滑块的导向面长度 S滑块行程 l封闭高度调节量 S1滑块到上死点时，滑块露出导轨部分的长度 S2滑块到下死点时，滑块露出导轨部分的长度5.4导轨副的额定寿命计算（1）X方向的导轨计算X方向初选导轨型号为GGB20BAL2P 12940-4，查机械设计手册得，这种导轨的额定动，静载荷分别为Ca=13.6kN,Coa=20.3kN。因滑座数M=4,所以每根导轨上使用2个滑座。其中工作台的最大重量为:G=6010N=600N F1=F2=F3=F4=1/4(G+F)=200N 滚动导轨的额定寿命计算公式为：L=（/）K （5-2）式中：L额定寿命（km）； 额定动载荷（KN）； P当量动载荷（KN）； 受力最大滑块所受的载荷（KN）； Z导轨上的滑块数； 指数，当导轨体为滚珠时，=3；当为滚柱时 =10/3； K额定寿命单位（KM），滚珠时，K=50km；滚柱时，K=100km； 硬度系数；由于产品技术要求规定，滚道硬度不得低于58HRC，故通常可取=1ft-温度系数，查下表,得ft=1 表5-1温度系数工作温度/1001501502002002501090073060接触系数，查下表；得 =0.81表5-2接触系数 每根导轨上的滑块数12345100081072066061精度系数，查下表；取=1表5-3精度系数 工作条件无外部冲击或振动的低速运动的场合，速度小于15m/min11.5无明显冲击或振动的场合，速度为1560m/min1.52有外部冲击或高速运动的场合，速度大于60m/min23.5载荷系数，查下表；得 =1表5-4载荷系数 精度等级234510100909将数据带入公式中即可算出L=37179km（2）寿命时间的计算当行程长度一定，以h为单位的额定寿命为： 式中 寿命时间（h） L额定寿命（km） 行程长度（m） 每分钟往返次数由于一年有250个工作日，每天工作8小时。则预计的工作寿命年限为：年同理，可以求得Y方向的导轨副的额定寿命：年5.5滚动导轨副的技术要求滚动导轨副的技术要求包括包括配合性质和公差等级、配合面的形位公差和表面粗糙度等。其精度主要根据工作精度要求，结构特点和使用条件而定。（1）配合性质和公差等级：对导向精度要求较高的导轨面，常用H6/h5，H7/h6，H6/g5，H7/g6等配合，对导向精度要求不高的导轨面，可用H8/h7，H8/f7等配合。这里导向精度要求高，我们选用H7/h6配合。（2）配合面的形位公差：导轨配合面的形位公差应根据机械对导向精度的要求而定。如导向面的直线度公差，导向面对基准平面或基准轴线的平行度公差等，一般占机械导向精度的1/21/3。本次设计中本机构导轨精度取3级。（3）表面粗糙度：表面粗糙度应根据相应的公差等级确定。对于普通精度的导轨，被包容件导向面的表面粗糙度幅度参数Ra在0.632.5范围内；对于高精度的导轨，表面粗糙度幅度参数Ra在0.160.6范围内，包容件导向面的表面粗糙度相应降一级。5.6导轨防护罩的设计5.6.1导轨防护罩的介绍机床导轨防护罩，又称为机床导轨防尘罩。按材质分为钢制导轨防护罩、塑胶布导轨防尘罩、耐油橡胶防护罩。不同的机床不同的工作环境采用不同材质和形式的导轨防护罩。5.6.2导轨防护罩的选择几种导轨防护罩的区别如下：（1）只是用来防尘防油、运行速度快的机床，如：龙门铣床、线切割机床、电火花机等机床就适合用风琴式塑胶布防护罩，此类护罩行程长压缩小、护罩内没有任何金属零件，不用担心护罩工作时会出现零件松动而给机器造成严重的损坏。（2）运行速度快，并且有高温金属碎屑的机床，如：数控加工中心等机床就适合用盔甲式风琴防护罩，此类护罩适合立导轨，即通常说的Y轴导轨的防护。（3）冷却液多高温金属碎屑屑多、机床运行速度慢的机床，如：加工中心、落地镗铣床、龙门刨床等机床就适合用钢制导轨防护罩。（4）只是用来防尘、耐酸碱液、没有高温环境的机械设备，如液压机械的油缸，适合选择橡胶防尘罩。该型防尘罩具有柔软的外形、耐酸碱、使用时间长、伸缩更自如的特点。考虑各种因素，我们选择钢板防护罩。钢板防护罩钢制能防止锈蚀。防护罩有多节钢板重叠在一起组成，每节后侧均有一块立板，立板上镶有滑块或滚轮，可在导轨上滑动，防护罩可随之伸长或压缩。可以为所有的机床种类提供相应的导轨防护类型（水平、垂直、倾斜、横向）。根据运行速度及导轨的不同钢板防护罩的结构也不同。运行速度10m /min之下的我们装有聚安脂或黄铜滑块。中等速度30m /min之下的装有滚轴。驱动板、刮屑板及吸屑板之间还需要用缓冲系统，目的是减少碰撞、噪音及摩擦。钢板防护罩的节数对其比例、重量及运行特性都很重要。每个单节都应尽可能的长，这样可以减少节数，一般情况最大拉伸与最小压缩比例应在3：1和5：1之间（最高可达10：1）。宽度较大时必须折边，提高横向稳定性。屋脊型及折边都可以做到，倾斜型可以使液体及碎屑自动流走。5.7导轨的注意事项 润滑：如果产品上已涂有防锈油，使用前请先将防锈油擦拭干净，然后封装润滑油后再进行使用。组装：互换性产品（即导轨和滑块可以任意匹配的产品）的滑块是以装在暂用轴上的形式提供的。为此，在与导轨相组合时，请加以留意。如擅自拆卸各部位，就会导致粉尘的进入或使各部位组合精度的下降，为此，如不是万不得已的情况，请不要轻易拆卸。使用上的注意事项：使用时，请尽量避免粉尘或异物的进入。滑块处于反吊状态时（例如固定在天花板上滑块朝下使用时），如万一端盖受损，滚珠就会滚出，导致滑块从导轨脱落对于这种用途，请事先采取追加安全装置等相应的措施。保管：如导轨放置状态不良，就会造成导轨变形保管时，要将它放置在适当的平面上，保持水平摆放。第6章 机座的设计6.1机座的作用及要求 机座是支承其他零部件的基础部件。它既能承受其他零部件的重量和工作载荷，又能起保证各零部件相对位置的基准作用。机座多采用铸件。其基本特点是尺寸较大、结构复杂、加工面多，几何精度和相对位置精度要求高。在设计时，首先应对某些关键表面及相对位置精度提出相应的精度要求，以保证产品总精度。其次，震动将直接影响产品的正常运转，故应对其刚度和抗震性提出下列要求。（1）刚度和抗震性刚度是抵御载荷变形的能力。抵抗恒定载荷变形的能力称为静刚度；如果基础部件的刚性不行，则在工件的重力、夹紧力、按摩力、惯性力和工作载荷作用下，进而产生变形、震动或爬行现象，从而影响产品定位精度、加工精度及其他性能。提高机座的抗震性可以采用：提高静刚度；增加阻尼；在不降低机座的静刚度前提下，减轻机座重量；采取隔振措施。（2）热变形系统运转时，电动机、强光源等热源散发的热量，零部件间相对运动而摩擦生热，电子元件发热，都将传到机座上：如果热量分布不均匀、散热性能不同，就会由于不同部位的温差而产生热变形，影响其原有精度；为减小热变形，可以采用：控制热源；采用热平衡的办法，控制各处的温差，从而减小其相对变形。（3）稳定性机座的稳定性是指长时间的保持其几何尺寸和主要表面相对位置精度，以防止产品原有精度的丧失。所以，对铸件机座进行时效处理来降低机座变形的内应力。（4）其他要求除上述要求之外，还应考虑工艺性、经济性及人机工程等方面的要求。6.2机座的设计机座的结构设计必须保证其自身刚度、连接处刚度和局部刚度，同时还要考虑安装方式、材料选择、结构工艺性及节省材料、降低成本和缩短周期等问题。6.2.1机座自身刚度保证自身刚度度可以从以下几点来做：（1）合理选择截面形状和尺寸。（2）合理布置筋板和加强筋。（3）合理的开孔和加盖。6.2.2提高机座连接处的接触刚度在两个平面接触处，由于微观的不平度，实际接触只是凸起部分。当受外力作用时，接触点的压力增大，产生一定的变形，这种变形称为接触变形。为提高连接处的接触刚度，固定接触表面的表面粗糙度应小于2.5um，以便增加实际接触面积；固定螺钉应在接触面上造成一个预压力，压强一般为2.5MPa，并据此设计固定螺钉的直径和数量，以及拧紧螺母的扭矩，在安装螺钉处加厚凸缘来增加局部刚度，并提高连接刚度。6.3机座材料的选择机架材料的选用，主要根据机架的使用要求，由于多数机架形状较复杂，故一般采用铸造，因为铸铁的铸造性能好，性价比高和吸震性强，应用最广。铸铁的优点：（1）它的流动性好，体收缩和线收缩小，容易获得形状复杂的铸件。（2）在铸造中加入少量合金元素可提高耐磨性能。（3）铸铁的内摩擦大、阻尼作用强，故动态刚性好。（4）铸铁还具有切削性能好、价钱便宜和易于大量生产等优点工作台中用于镶嵌导轨的支承件选用HT100，其特点是力学性能较小，承受轻负荷，性价比高。第7章 数控系统的选型7.1硬件选型图7-1硬件图7.2进电机开环伺服原理图7-2 开环伺服原理7.3电机的控制框图图7-3电机控制图7.4软件程序设计7.4.1逐点比较法用逐点比较法进行直线插补计算，需要经过四个步骤：偏差判别：判别偏差或,从而决定哪个方向进给和采用哪个偏差计算公式。坐标进给：根据直线所在象限及偏差符号，决定沿+X、+Y、-X、-Y的哪个方向进给。偏差计算：进给一步后，计算新的加工偏差。终点判别：进给一步后，终点计数器减1。若为零，表示到达终点停止插补；不为零，则返回到第一步继续插补。终点计数判别可用两个方向坐标值来判。 图7-4直线插补程序图7.4.2程序设计设计程序时，在RAM数据区分别存放终点坐标值XE，YE，动点坐标值X，Y，偏差FM。对8位机，一般可用2字节，而行程较大时则需用3字节或4字节才能满足长度和精度要求。此外，所有的数据区必须进行初始值、X、Y向步进电机初态（控制字）。插补程序所用的内存单元如下：28H29H2AH2BH2CH70HXEYEXYFM电机正反转控字电机正反转控制字为：D7D6D5D4D3D2D1D0D1D0为X向电机控制位。D0=1运行，D0=0停止；D1=1正转，D1=0反转。D3D2为Y向电机控制位。D2=1运行，D2=0
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