数控十字工作台的设计——毕业设计.doc

一. 引言：二. 设计任务三. 总体方案确定四、机械部分设计1、导轨副的选择（1）、额定寿命计算（2）、滚动导轨预紧方式的确定：2、丝杠螺母副的选用（1）、计算进给引力（2）、计算最大动负载C及主要尺寸初选3、滚珠丝杠螺母副的选型：（1）、传动效率计算（2）、刚度验算（I）、丝杠的拉伸或压缩变形量（II）、滚珠与螺纹滚道间接触变形（III）支撑滚珠丝杠轴承的轴向接触变形（VI）滚珠丝杠两端推力轴承，不会产生失稳现象不做稳定性校核4、确定齿轮传动比5、步进电机的选用（1）、步进电机力矩计算：（I）空载启动转矩(II) 快速移动时间所需力矩(III) 最大切削负载时所需力矩五、心得体会六、参考书目一.引言：数控机床课程设计是机电一体化专业教学中的一个重要的实践环节，学生学完技术基础课和专业课，特别是“数控技术及应用”课程后应用的，它是培养学生理论联系实际、解决实际问题能力的重要步骤。本课程设计是以机电一体化的典型课题-数控系统设计方案的拟定为主线，通过对数控系统设计总体方案的拟定、进给伺服系统机械部分设计，计算以及控制系统硬件电路的设计，使学生能够综合应用所学过的机械、电子和微机方面的知识，进行一次机电结合的全方面训练，从而培养学生具有初步设计计算的能力以及分析和处理生产过程中所遇到的问题的能力。二. 设计任务设计一个数控X-Y工作台。该工作台可用于铣床上坐标孔的加工和腊摸、塑料、铝合金零件的二维曲线加工，重复定位精度为±0.01mm，定位精度为0.02mm。设计主要技术要求如下：台面尺寸 长×宽400mm×250mm；工作台行程为：X=300mm，Y=150mm；脉冲当量：X 、Y都是0.01 mm；X /Y最高工作进给速度为300 mm /min；X /Y最高空载进给速度为700 mm /min；X/Y/Z向切削负载为：2000/2000/1000N（力不用计算）；工件最大重量（包括夹头）为：150KG；工作寿命为每天8小时，连续工作5年，250天/年。进给机械系统均采用滚动（珠）丝杠副和滚动（珠）导轨副；所设计的工作台应结构合理、设计参数与上述要求符合；设计装配图应表达正确，完整，技术标注规范、全面；三. 总体方案确定X - Y工作台的机电一体化系统可以设计为开环、半闭环和闭环伺服系统三种。开环的伺服系统采用步进电机驱动,系统中不设置传感与检测设备;半闭环的伺服系统中一般采用交流或直流伺服电机驱动,并在电机输出轴端设置传感与检测设备;闭环的伺服系统中也是采用交流或直流伺服电机驱动,但检测与传感设备设置在工作台末端。本文所设计的X - Y 工作台开环伺服系统,通过控制器控制步进电机的驱动,经传动机构带动工作台运动,其总体框图如下:带动工作台运动,其总体框图如下: 工作台草图四、机械部分设计导轨副的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。目前的数控机床采用导轨形式的主要有：滑动导轨，滚动导轨，静压导轨三类。要设计的X-Y工作台X/Y/Z向切削负载为2000/2000/1500，需要承受的载荷不是很大，脉冲当量为0.01 mm、定位精度高，因此，决定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、结构紧凑、安装预紧方便等优点。导轨上移动部件重量估算：包括进给工作台、夹具、上电动机、上导轨滑块、导轨座上层丝杠，由设计参数，可估计重量为4000N。滑块承受的最大载荷为Fmax4000N/41000N查表选用HJG-DA滚动直线系列DA30A，其额定功载荷为25.7kN，选用导轨长度700mm。（如下表）（1）导轨额定寿命计算上述选取的HJG-DA滚动直线系列DA30A导轨副的滚道硬度为60HRC，工作温度不超过100°C每根导轨上配有上配有两个滑块，精度为4级，工作速度较低，载荷不大。查表得fh1.0 ; 温度系数ft1.00 ; fc=0.81,fa0.9，fw=1.5，得距离寿命： L=fh*ft*fc*fa*Ca/(fw*PC)3*50=7*106L 额定寿命 fa精度系数PC 计算载荷 fw载荷系数ft 温度系数 fh硬度系数fc接触系数 大于所期望的寿命距离，故满足要求。（2）滚动导轨预紧方式的确定： 滚动导轨经过预紧，可以显著的提高其刚度，通常经过预紧的导轮的刚度可以比没有预紧的高三倍左右，因此，对于颠覆力炬较大，或要求接触刚度或移动精度叫高的导轨均匀进行预紧。但预紧力应适当，预紧力过大会使牵引力显著增加。常用的预紧方法有两种：采用过盈配合或采用调整元件，此处采用过盈配合。资料来源：2、丝杠螺母副的选用伺服电动机的旋转运动需要通过螺母副转换成直线运动，要满足0. 01mm的脉冲当量和0.05的定位精度，选用滚珠丝杠副。滚珠丝杠副的传功精度高、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。（1）、计算进给引力滚珠丝杠上的工作载荷为进给引力，移动体重力和作用在导轨上的其他切削分力相关的摩擦力。由于选择的导轨要求结构紧凑，间隙调整方便，摩损小，有良好的精度保持性且运动平稳，故选择直线滚动导轨，为了使导轨能承受一定的颠覆力矩，所以选择燕尾导轨的实验公式进行计算： (指导书)X/Y/Z向切削负载为2000/2000/1000N =2000N =2000N =1000N由所得数据代入公式有：（2）.计算最大动负载C及主要尺寸初选初选L0为6mm,选用滚珠丝杠的直径d0时，必须保证在一定轴向负载作用下，丝杠在回转100万转后，在它的滚道上不产生点蚀现象，这个轴向负载的最大值即称为该滚珠丝杠能承受的最大负载C，可用公式为： 由指导书中可知 L：使用寿命，以转为单位v：最大切削力条件下的进给速度（m/min） 以知参数v=300mm/min=0.3mm/minL0：丝杠导程T：机床使用寿命 由参数每天8小时 5年 250天/年 得T=10000hfw：运转系数 （此处选的值为1.2）n:丝杠转速，用下式：3、滚珠丝杠螺母副的选型：由制导书可知，采用WL4006外循环纹调整预紧的双螺母滚珠丝杠，1列2.5圈,其额定动负载为16400N,精度等级选3级.表2-1 滚珠丝杠螺母副几何参数名 称符 号计算公式和结果螺纹滚道公称直径40螺距6接触角钢球直径3.969螺纹滚道法面半径2.064偏心距0.056螺纹升角螺杆螺杆外径39螺杆内径35.984螺杆接触直径螺母螺母螺纹外径螺母内径（外循环）（1）、传动效率计算滚珠丝杠螺母副的传动效率为 螺旋升角 摩擦角度取 滚动摩擦系数为0.0030.004（2）、刚度验算（I）丝杠的拉伸或压缩变形量 查图4-6，根据Fm=2827N D0=40 查出L/L=1.3700=9.1由于两端均采用向心推力球轴承，且丝杠又进行了预拉伸，顾其拉压刚度可以提高4倍，其实变形量为：=1/4=2.275（II）滚珠与螺纹滚道间接触变形查表4-7，W系列1列2。5圈滚珠和罗纹滚道接触变形量：因进行了预紧，=1/2=1/26.4=0.0032mm（III）支撑滚珠丝杠轴承的轴向接触变形采用8107型推力球轴承，d1=35mm 滚动体直径dQ= 6.35mm，滚动体数目量z=18 =0.0081mm因施加预紧力，顾：=1/2=0.00405mm根据以上计算： =0.00227+0.0032+0.00405=0.0095mm<定位精度因此符合要求（VI）滚珠丝杠两端推力轴承，不会产生失稳现象不做稳定性校核Y轴向滚珠丝杠：所选燕尾导轨公式同选X轴向： (指导书)由于Y向切削负载也为2000N，进给率引力Fm几乎相同（不同处为G，但是结果相差不大）所以丝杠螺母副也采取相同型号。4、确定齿轮传动比以知脉冲当量为0.01，滚珠丝杠导程L0 =6mm，初选步进电机的步距角为。可计算出传动比 i ： i= = =0.8可选定齿轮数为：i= = 或因进给运动齿轮受力不大，模数m取2，有关参数如下表：齿数20253240分度圆40506480齿顶圆44546884齿跟圆35455975齿 宽20202020中心距4572 5、步进电机的选用步进电机是一种能将数字输入脉冲转换成旋转或直线增量运动的电磁执行元件。每输入一个脉冲电机转轴步进一个步距角增量。电机总的回转角与输入脉冲数成正比例，相应的转速取决于输入脉冲频率。 根据等效转动惯量的计算公式，得:【】 折算到电机轴上的惯性负载（）； 步进电机转轴的转动惯量（）；齿轮 的转动惯量（）；齿轮 的转动惯量（）；滚珠丝杠的转动惯量（）；M移动部件质量（）。 G4000N参考同类型号机床，初选反应式步进电机150BF003，其转子转动惯量为J0=10.5对材料为钢的圆柱零件转动惯量可按下式估算式中：D圆柱零件直径（cm）；L零件长度（cm）。所以:G=4000N代入上式：【】=10.5+0.4+【0.98+13.98+】=11.96（）考虑步进电机与传动系统惯量匹配问题：=0.88 因为： 0.881 所以惯性匹配比较符合要求。（1）、步进电机力矩计算：机床在不同的工况下，所需要转矩不同，下面分别按各阶段计算：空载启动转矩在快速空载启动阶段，加速力矩占的比例较大，具体计算公式如下：=+=启动时间为30S：=11.96 =60.84Ncm 折算到电机轴上的摩擦力矩：附加摩擦力矩= 为滚珠丝杠未预紧时的传动效率取上述三项合计： =+ =60.84+0.72+17.1=78.67 N.cm(II) 快速移动时间所需力矩：=+=17.1+0.75=17.85 N.cm(III) 最大切削负载时所需力矩: =+=+=0.72+17.1+=208.9 N.cm-在工作台上的合力折算到电机上的转矩从上面可以看出, 、三种情况，已最大切削负载时的力矩最大，所以就用此项做为初选步进电机的依据。从指导书表4-24查出，当步进电机为五相十拍时=0.951所以最大静力矩=208.9/0.951=219.7 Ncm=2.197N.m按此最大静转矩查表得，90BF004型最大静转矩为2.45>2.197 N.m,可以作为初选型号,但是还必须进一步考核步进电机起动矩频特性和运转矩频特性。1166.7HZ从表4-23中查处，90BF004型步进电机允许最高启动频率为4000HZ，运动频率为16000HZ，所以，满足设计要求，故可选用此电机。五、心得体会我觉得这次专业课程设计是对过去所学专业知识的一个全面的综合的运用。在设计的过程中我全面地温习了以前所学过的知识，包括机械专业课程的基础知识，经过复习整理所学得专业知识使得设计思路清晰系统。通过设计使我更加接近生产实际，锻炼了将理论运用于实际的分析和解决实际问题的能力，巩固、加深了有关机械设计方面的知识。还有很重要的一点是让我体会到了一个设计者的精神。在设计过程中既要自己不断思考、创造，又要注意借用现有的资料，掌握了查阅和使用标准、规范、手册、图册、及相关技术资料的基本技能以及计算、绘图、数据处理等方面的能力。通过对通用机械零件、常用机械传动或简单机械的设计，掌握了一般机械设计的程序和方法，有助于树立正确的工程设计思想，培养独立、全面、科学的机械设计能力。最后对在整个设计过程中对我辅导的卢波老师表示衷心的感谢！ 参考书目、郑堤 .唐可洪 主. 机电一体化设计基础. 北京：机械工业出版社，2006 2、周开勤. 机械零件手册第五版. 北京：高等教育出版社 ,20013、隋明阳 编著 机械设计基础     机械工业出版社  2005 24、懂海森 主编: 机械制造技术机械工业出版社 (教材)5、虞洪述 徐伯康主编:机械制图西安交通大学出版社 (教材6、徐嘉元，曾家驹主编机械制造工艺学机械工业出版社 2008.7 （教材）7、综合作业指导书