X-Y数控工作台机电系统设计

广西工学院机械工程系《数控机床》课程设计说明书设计题目：X-Y数控工作台机电系统设计班级：姓名：指导教师：广西工学院机电一体化教研室2010年6月2目录一、《数控机床》课程设计目的………………………………………………3二、设计任务………………………………………………………………………3三、设计主要步骤……………………………………………………………………31、确定设计总体方案………………………………………………………………4（1）、机械传动部件的选择……………………………………………………4（2）、控制系统的设计…………………………………………………………42、机械传动部件的计算与选型……………………………………………………5（1）、导轨上移动部件的重量估算……………………………………………5（2）、计算切削力………………………………………………………………5（3）、滚珠丝杠传动的设计计算及校验………………………………………6（4）、步进电机的传动计算及电动机的选用…………………………………9（5）、滚动导轨的设计计算……………………………………………………153、其余附件的选择…………………………………………………………………16四、控制系统的设计………………………………………………………………17五、机械部分装配图的绘制………………………………………………………19六、参考文献…………………………………………………………………………20七、总结体会…………………………………………………………………………203一、设计的目的《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：1、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怪知识，学习总体的方案拟定、分析与比较的方法。2、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3、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4、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5、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二、设计任务设计一套供立式数控铣床使用的X-Y数控工作台，主要参数如下：1、立铣刀最大直径的d=15mm，立铣刀齿数Z=3，最大铣削宽度ca=15mm最大背吃刀量pa=8mm，加工材料为碳素钢或有色金属。2、X、Z方向的定位精度均为±0.02mm。3、工作台面尺寸为230mm230mm，加工范围为250mm250mm;4、工作台空载进给最快移动速度：maxmax3000mm/minxyVV，工作台进给最快移动速度:maxymax400mm/minxffVV，加减速0.4s。三、设计主要步骤1、确定设计总方案⑴、机械传动部件的选择①、丝杠螺母副的选择步进电动机的旋转运动需要通过丝杠螺母副转换成直线运动，需要满足初选0.01mm脉冲4当量，因为定位精度±0.02mm，对于机械传动要有一定的精度损失，大约是1/3-1/2的定位精度，现取为1/2，即是±0.01mm和±0.02mm的定位精度，滑动丝杠副无法做到，只有选用滚珠丝杆副才能达到要求，滚珠丝杆副的传动精度高、动态响应快、运转平稳、寿命长、效率高、预紧后可消除反向间隙。同时选用内循环的形式，因为这样摩擦损失小，传动效率高，且径向尺寸结构紧凑，轴向刚度高。由于定位精度不高，故选择的调隙方式是垫片调隙式，这种调隙方式结构简单，刚性好，装卸方便。由于工作台最快的移动速度maxymax3000mm/minxVV，所需的转速不高，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形式。②、导轨副的选用要设计数控铣床工作台，需要承受的载荷不大，而且脉冲当量小，定位精度高，因此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，安装预紧方便等优点。③、伺服电机的选用选用步进电动机作为伺服电动机后，可选开环控制，也可选闭环控制。任务书所给的精度对于步进电动机来说还是偏低，为了确保电动机在运动过程中不受切削负载和电网的影响而失步，决定采用开环控制，任务书初选的脉冲当量尚未达到0.001mm，定位精度也未达到微米级，空载最快移动速度也只有3000mm/min,故本设计不必采用高档次的伺服电机，因此可以选用混合式步进电机，以降低成本，提高性价比。④、减速装置的选用选择了步进电动机和滚珠丝杆副以后，为了圆整脉冲当量，放大电动机的输出转矩，降低运动部件折算到电动机转轴上的转动惯量，可能需要减速装置，且应有消间隙机构，如果要选用减速装置，则应选用无间隙齿轮传动减速箱。⑵、控制系统的设计①、设计的X-Y工作台准备用在数控铣床上，其控制系统应该具有轮廓控制，两坐标直线插补与圆弧插补的基本功能，所以控制系统设计成连续控制型。②、对于步进电动机的开环控制系统，选用MCS-51系列的8位单片机AT89S52作为控制系统的CPU，能够满足任务书给定的相关指标。5③、要设计一台完整的控制系统，在选择CPU之后，还要扩展程序存储器，I/O接口电路，D/A转换电路，串行接口电路等。④、选择合适的驱动电源，与步进电动机配套使用。2、机械传动部件的计算和选择（1）、导轨上移动部件的重量估算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、滚珠丝杠副、直线滚动导轨副、导轨座等，估计重量约为800N。（2）、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：立铣刀最大直径的d=15mm，立铣刀齿数Z=3，最大切削宽度ea=15mm最大背吃刀量pa=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【5】中P13页的表中，可知d=15mm的硬质合金立铣刀最大的切削参数如下：每齿进给量fz=0.1mm铣刀转速n=300r/min由【2】中P200,查得立铣时切削力计算公式为：0.850.750.731.00.10cezp118afdanZF代如上式得：0.850.750.731.00.10c118150.11583003N1229NF采用立铣刀进行圆柱铣削时，各铣削力之间的比值可由【2】中查得，各铣削力之间的比值范围如下：fF/cF=(1.0~1.2)取1.1fnF/cF=(0.2~0.3)取0.25eF/cF=（0.35~0.4）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：6fcF1.1F1356NecF0.38F468NfncF0.25F308N考虑立铣，则工作台受到垂直方向的铣削力zF，受到水平方向的铣削力分别为fF和fnF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xF，径向铣削力为yF。xfFF1352NyfnFF307NzeFF467N（3）、滚珠丝杠传动设计计算及校验①、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，由【3】中P389，取颠覆力影响系数K=1.1，滚动导轨上的摩擦系数查【1】中P194可知u=0.0025—0.005,现取u=0.005，求得滚珠丝杠副的最大工作载荷：xFF(FF)eqyZkuG=1.1×1352+0.005×(307+467+800)=1500N②、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=5mm,则此时丝杠转速eqn=v/P=80r/min。预计滚珠丝杠的工作五年,每天工作八小时，由此得使用寿命为T=5×360×8=14400h，根据【1】中P110，公式5—4得：'66010eqnTT=610N其中T——使用寿命14400hN——循环次数eqn——滚珠丝杠的当量转速80r/min求得：'660801440010T≈72（610r）7查【1】中P110，表5-1、5-2得，受中等冲击载荷取值范围1.2~1.5df，现取1.3df，滚道硬度为60HRC时，硬度影响系数取值1.0hf，由【1】中P109，式5-33'cdheqCTffF代入数据得：3691.31.01495cC≈8112N②、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，选择济宁博特精密丝杠制造有限公司生产的GDM系列2005-3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20mm，导程为5mm，循环滚珠为3圈×2系列，精度等级取5级，额定动载荷为9309N，大于最大计算动载荷cC=7971，满足要求。参考网址：=37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0d20螺距P5接触角45钢球直径wd3.175螺纹滚道法面半径R0.521.651wRd偏心距e0.0449e螺纹升角arc433'hwPtgd丝杆丝杠外径1d19.3丝杠底径2d16.2螺杆接触直径zdcos17.75zwbddd丝杠螺母螺母螺纹外径D02223.212DdeR螺母内径（内循环）1D20.14表一④、传动效率的计算将公称直径d0=20mm,导程P=5mm,代入λ=arctan[P/(d0)]，得丝杠螺旋升角λ=4°33′。将摩擦角ψ=10′，代入η=tanλ/tan(λ+ψ),得传动效率η=96.4%。⑤、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。由【1】中P109，可知这种安装适用于较高精度、中等载荷的丝杠，一端采用深沟球轴承，8一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δ，查【3】中相关公式，根据公式0/WZdd，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32，代入公式ZZ圈数列数，得滚珠总数量Z=120。丝杠预紧时，取轴向预紧力eqFyF/3=498N。查【3】中相关公式，得，滚珠与螺纹滚道间接触变形3310.0013/wyPadFz式中Pa=3310.0013/wyPadFz=330.00131495/3.1754981200.0014。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1=0.0007mm。b、丝杠在工作载荷maxF作用下的抗拉压变形2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=560mm,钢的弹性模量E=2.1105MPa,由表一中可知，滚珠直径wd=3.175mm,丝杠底径2d=16.2mm，则丝杠的截面积S=22d/4π=206.122mm,由【7】中，式3-352F/eqaES其中，最大工作载荷Feq=1495N中心距a=560mm弹性模量E=2.1105MPa截面积S=22d/4π=206.122mm代入以上数据，得2=0.019mmd、则120.00070.0190.019719.7mmum总本例中，丝杠的有效行程为500mm，由【3】中知，5级精度滚珠丝杠有效行程在400~500mm时，行程偏差允许达到30m，可见丝杠刚度足够。⑥、稳定性的验算根据【3】中式5.7-1722EILKkafPπ。9取支承系数kf=2；由丝杠底径d2=16.2mm求得截面惯性矩42/64Id3380.884mm；压杆稳定安全系数K取3（丝杠卧式水平安装）；滚动螺母至轴向固定处的距离L=a取最大值560mm。代入公式，得Pa=14896kg.f=14896N大于cC=7533N，故不会失稳，满足使用要求。⑦、临界转速的验算对于丝杠有可能发