潘启静钻床改装用数控XY工作台设计

1广西工学院机械工程系《机电一体化系统设计》课程设计说明书设计题目：钻床改装用数控XY工作台设计（190*210mm2）(C)班级：机电071班姓名：潘启静指导教师：梁蔓安教研室主任：设计要求：设计要求包含以下几个部分：1、数控XY工作台机械部分的设计计算2、数控XY工作台机械部分装配图设计（A1）3、基于运动控制卡的控制系统硬件系统设计图（附在说明书中）4、编写设计说明书（不少于18页）广西工学院机电一体化教研室2011-1-112《机电一体化系统设计》课程设计指导一、设计目的通过本次设计，使学生全面地、系统地了解和掌握机电一体化技术的基本内容和基本知识，初步掌握机电一体化系统设计方法，并能学会运用手册、标准等技术资料。同时培养学生的创新意识、工程意识和动手能力。二、设计内容题目：钻床改装用数控XY工作台设计1、设计一套简易数控XY工作台，固定在某个钻床的工作台上，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。2、设计要求：改造后的钻床能够加工的最大面积为：A*Bmm2的工件，最大工件重量：150kg.数控XY工作台要求孔的定位精度在+/-0.02mm内，工作台快进速度为2m/min,加减速时间为0.2秒。三、机械部分改装设计计算1、初步确定工作台的尺寸及其重量3根据设计要求，所取的能够加工的最大面积为2190210mm，最大工件的重量为150kg。因此我初定工作台的320230230mm。工作台的材料为45号钢，其密度为337.810/kgm。（取kgNg/10）因此：1.1、工作台（X向托板）重量=体积×密度93123023020107.8101090GN1.2、取Y向托板=X向托板NG9021.3、上导轨座（连电机）重量初步取导轨座的长mm400，宽为mm200，高为mm30。因此93340020030107.81010190GN所以根据上面所求，得XY工作台运动部分的总重量为：NGGGG370190290321动根据要求所知，其最大加工工件为150kg，因此：150103701870GN总2、传动系统设计2.1、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的1/2，由于定位精度在mm02.0内，因此：10.020.012mm，2.2、取联轴器传动，因此它的传动比为1i,取丝杠的导程为4Pmm。取步距角β为0.9度，所以脉冲当量0.01360Pimm3、滚珠丝杠的设计计算及选择43.1求丝杠的静载荷cF已知其计算公式cdHMFffF《数控机床系统设计》110P公式5-2式中的,Hf硬度系数，取1.0《数控机床系统设计》110P表5-2df载荷系数，取1.5《数控机床系统设计》110P表5-2MF：丝杠工作时的轴向阻力根据：0.00318705.6MZFFN其中为0.003-0.004因此：1.515.68.4cFN3.2、确定动载荷及其使用寿命根据丝杠动载荷公式：3'HdeqCLffF式中：C：额定动载荷df：动载荷系数，轻微冲击取1Hf：硬度系数，HRC58取1eqF：当量动载荷，N'L：寿命根据：使用寿命使用寿命6300814400Lh所以'6660/106050014400/10432LnTh式中的n丝杠的最高转速，因题目中所给其工作台快进的速度为2/minm，因此其计算为：max1000/10002/4500/minnVPr所以：3432115.642.4CN53.3滚珠丝杠的选取查根据动载荷及动载荷和公称导程值的核对，最后选取的滚珠丝杠的型号为FF1204-3，其公称直径为12mm，公称导程为4mm，动静载荷分别为4KN和6.7KN。滚珠直径0d2.381mm,刚度208，外径1d11.3mm,丝杠底径2d9.5mm,循环圈数3。滚道半径01.042dR=1.238mm《机电一体化技术基础及应用》27p表2-46偏心距200.7073.36102deRmm丝杠内径1022dDeR9.6mm(1)稳定性计算acrEIFl式中E=2.06aGP43410419.6104.2106464adIm长度系数，两端用铰链时=1l=0.3m所以2910323.14206104.17109.41010.3acrEIFNl因为339.4101.68105.6crMFF2.5~4是安全的(2)刚度验算按最不利情况考虑，螺纹螺距因受轴向力引起的弹性变形与受转矩引起弹性变形方向是一致的。所以2124211164sTSFSGdEd式中012MDTFtg,006.05PtgD《机电一体化技术》27P010.0030.17tgftg,33112105.60.176.053.67102TtgNMS=P=4mm,1d9.6mm,G=83.3aGP.62332361422422103113113163.67104101016445.6410103.148.33109.6103.142.06109.6101.6410sTSFSmGdEdm每米螺纹长度上距离弹性变形为331.6410/0.41/410smmmms。滚动螺旋pss）（可按滑动螺旋（同精度等级）的一半，根据有关表得出7pss）（=15m/m，所以：sspss）（(3)效率验算=）（1tantan=0t6.05tan6.050.17g（）=0.9734、滚动导轨的计算与选择导轨是数控机床的重要部件之一，它在很大程度上决定数控机床的刚度，精度与精度保持性。4．滚动导轨副的结构介绍滚动直线导轨副是由导轨、滑块、钢球、返向器、保持架、密封端盖及挡板等组成，如图：1）导轨的当量载荷GGB25预加载荷类别为轻预载时，按表6.3-12（机电一体化设计手册—下册）查得预紧力为198.5N。、是两个导轨滑块的受力。111.2187056144abFFGN总12561198.5760FFN2）当量载荷333122CFFF760N.3）计算额定动、静载荷计算长度寿命：350wtcHfffCLf动Fc式中：tf——温度系数，按表6.3-3取tf=18cf——接触系数，按表6.3-4取cf=0.81wf——载荷系数，按表6.3-5取wf=1.5fH硬度系数，硬度58~64HRC时取1.0——额定动载荷，南京艺工网查得GGB16AA查得为8.51KN.41.110LKM以小时为单位的额定寿命T=式中：l——单向行程，l=0.34mn——每分钟往返次数，2n=2.94220.34Vl，取n=3代入数据解得：T=89869h6360814400hTh,T，所选导轨类型符合.由网址查得南京艺工网，选择GGBAA/AL四方向等载荷型滚动直线导轨副系列丝杠副滚珠。如下图所示：选择GGB16AA型号，其额定基本静载荷013.38CKN.94）验算额定静载荷取安全系数，按下式验算FCmax0其中1maxFF=760N，00117.5Fcf满足要求5、步进电机的设计计算和选用已知快进速度：max2/minVm丝杆导程:4Pmm所以最高转速：max3max500/min10rPvn最高频率：max3max33336010HZvf1计算系统在电机轴上的等效转动惯量工作台快速移动时的等效转动惯量：2max22max14nMVJ式中：M=187kg,max2/minVm,,max3max500/min10rPvn代入上式解得：2242max22212max18720.7610443.14500MVKgmnJ转动部件转换到电机轴上的等效转动惯量：41220.7710JDL式中：D——丝杆公称直径12mm.l——支座总长，l=400mm代入算得：4124126220.77100.7712400106.410JDLkgm因此总的转动惯量为：52128.2410JJJkgm总2电动轴转矩的计算101）空载启动时，电动机的加速转矩：TnJMa6.9总式中的n为丝杠的最高转速T为电机加减速时间（0.2s）所以：58.24105000.021459.60.2aMNm2）电机轴上的摩擦转矩33018700.0034104.4710223.140.81fFPMNmi式中的为伺服传动链的总效率，取0.83）计算附加摩擦力矩23max00233(1)10218700.0034(10.9)100.851023.140.81aFPMiNm式中的0为滚珠丝杠示预紧时的效率，取0.9。因此由述计算可知电动机的总的转矩为0333221.45104.47100.85102.6810afMMMMNm4)步进电动机的选择11根据上述分析，最后我选定步距角为0.9度的型号为86BYG101的步进电动机，其最大静转矩为1.2我所需要的0.0268。其外形结构及尺寸如下图所示：126、联轴器的选择136.1、联轴器的介绍联轴器属于机械能用零误了件范畴，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。6.2、联轴器的选择由选择出丝杠的型号和步进电机的型号综合考虑联轴器的尺寸大小并选择相应的型号。丝杠轴端1d=12mm，电机轴端2d=9.5mm，由网址：查得：1415根据轴径选择联轴器的规格型号为：LK7-25-SLK7-257、轴承座的选择根据滚珠丝杠的公称直径为12mm，因此我先择的轴承座为：查其外观图为：其参数为：1617根据参数，我所选的型号为EK-12装配参数：四、硬件系统设计1、DMC3000DMC3000系列是一种性能优越、功能强大的运动控制卡，特别适合于多轴插补联动等复杂用途。由于卡上带有硬件插补处理器，两轴圆弧插补和多轴直线插补均可在卡上进行处理，PC机公需向卡上写入插补运动的终点和圆心值即可。卡上的预置寄存器可预先存储下一运动的数据，待当前运动执行完毕后，即自动装载并执行下一动动，因此本卡能很好地执行多段连续路径插补动动。此卡还有许多其它高级功能，如T/S形速度曲线、编码器或光栅计数、手轮输入、精密Z18信号找零、非对称速度曲线、动态可改速度和目标位置等DMC3000特点1）四轴独立同时或插补运动2）任意两轴和三轴线性插补功能3）常矢量速度连续插补功能4）T/S对称或非对称速度曲线5）两种编码器输入脉冲类型：A/B相或双脉冲�6）位置管理和软件限位开关功能7）运动中可光滑改变速度和目标位置8）四轴可同时起动功能9）功能强大的MOTION3000测试软件10）最多可达16进16出I/O11）每轴最大输出脉冲频率4MPPS12）两轴圆弧插补功能13）由上位机控制的位图插补功能14）两种脉冲输出类型：双脉冲或脉冲/方向15）每轴编码器输入脉冲频率最大1MHZ16）板卡号ID设置，同一电脑最多可插12块卡17）支持手轮和JOG功能18）可编程中断源19）DMC3400DLL函数库和适用