毕业设计论文立式铣床XY数控工作台结构设计.doc

中南林业科技大学本科毕业设计 立式铣床X-Y数控工作台结构设计第一章 绪论1.1 X-Y工作台的发展趋势及产业化的现状 数控技术是先进制造技术的核心，是制造业实现自动化、网络化、智能化、复合化等的基础。随着科学技术的发展，数控技术发展也会越来越快，这也意味着它所需要考虑和处理的技术与非技术问题越来越多。中国的数控系统已经历了40 年的发展。数控技术发展应根据我国的实际情况，制定符合国情的总体发展战略，朝着高可靠稳定、高速度、高精度化、智能化、数控编程自动化、网络化方向发展。工作台作为数控机床的重要组成部分，也是影响加工精度的重要组成环节。从一开始为了满足加工简单的零件而设计的直线运动的XY工作台，到现在为了实现多工位加工而制造的分度工作台和回转工作台等。为了满足现代制造业的发展，也为了环境的要求，一作台的驱动装置从原来的机械驱动变为液旅驱动，现在更多的采用了气动装置，更好的保护了环境，节约了资源。由于工作台是一台机床的关键配套部件，因此世界各国都有对其进行研究，我国在工作台的研究开发方面也取得了长足的进步。目前工作台的种类繁多，传统的工作台只能安装在某一指定机床上，伴随着科技的与时俱进，它们的功能也由传统单一性向现代的多功能性方向发展，现在一些工作台，它不仅可以安装在钻床上，还可以安装在铣床和镗床等机床上。并且目前部分工作台还可以作为机床的第四回转轴，大大提高了机床的性能。例如：可倾回转工作台，它可以实现用于数控机床和加工中心机床上，可利用原机床的两个控制坐标控制转台的回转和倾斜，也可直接利用本转台配套的数控装置与机床联接完成所需的工作循环。它可以完成任意角度的孔、槽、平面类机械加工，以及曲线、凸轮等的加工，并可达到较高的精度。另外也可用于非数控钻、铣、镗类机床上，独立完成等分和不等分的角度分度工作。国外工作台的功能与我国所生产的工作台功能基本相似，但是在其精度方面，国外的一些公司所生产的工作台要略高于我国所生产的工作台。因此我国与国外相比，还是有一定的差距，因此工作台的设计具有重要意义，我们要借助时代的步伐，与时俱进，开拓创新，使我国成为具有领先技术的综合性强国。1.2数控X-Y工作台设计的意义和目的 本设计所设计的X-Y工作台采用了低摩擦的直线滚动导轨和精密的丝杠，它的工作原理是通过MCS-51单片机来控制步进电机，使X-Y工作台实现了数控控制。工作台的自动化能大大减轻劳动强度，提高劳动生产效率。本设计的X-Y数控工作台机电系统设计是一个开环控制系统，其结构简单，实现方便而且能保证一定的精度。通过微机控制技术的简单的应用，实现对机床的控制，使机床的加工范围扩大，精度和可靠性进一步提高。多数数控铣床工作台的总体布局与和它类似的普通机床的总布局是基本相同或相似的，并且已经形成了传统的、经过考验的固定形式，只是随着生产要求与科学技术的发展，还会不断有所改进。数控铣床工作台的总体布局是机床设计中带有全局性的问题，它的好坏对机床的制造和使用都有很大的影响。一方面是要从机床的加工原理即机床各部件的相对运动关系，结合考虑工件的形状、尺寸和位置等因素，来确定各主要部件之间的相对位置关系和配置，另外一方面全面考虑机床的外部因素，如外观造型、操作维修，生产管理和人机关系等问题对机床总布局的要求。 随着科学技术的不断进步和工业生产的不断发展，许多新技术新工艺新设备不断涌现，进一步提高铣床工作台精度及其效率，同时缩短工作台生产成本，使之在同类工件竞争中处于优势地位。在本设计中着重介绍了如何对X-Y工作台进行设计，对导轨、丝杠、电机、选用等方面进行了深入的分析。通过对X-Y工作台的设计，能够正确运用机床数控系统等课程的基本理论个有关知识，学会设备数控化改造方案的拟定、比较、分析及进行必要的计算；通过对设备改造的机械部分设计，掌握数控设备典型零件的计算方法和步骤以及正确的结构设计方法；提高自己应用手册、标准以及编写文件等资料的能力。1.3本设计的主要内容和任务 设计一个数控X-Y工作台及其控制系统，该工作台可安装在铣床上用于铣削加工； 1）查阅文献收集资料确定系统组成方案（功能、机械传动系统简图、主要设计参数，及方案分析、比较、说明）；2）机械部件的总体尺寸、质量、转动惯量的估算；3）传动部件、导向部件的设计、计算和选用；4）步进电动机计算、选用；5) 其它相关零件的选型及计算。6）各部分部件的尺寸材料外形确定。7) 使用ProE或solidworks等软件对机械结构进行三维设计（装配图和主要零件零件图） 第二章.总体方案的设计2.1设计参数的确定系统分辨率为0.01mm，其它设计参数如下表。最大铣刀直径最大铣削宽度ae最大铣削深度ap加工材料工作台加工范围（mm）最大移动速度16mm5mm2mm碳钢X=200,y=1502m/min 工作台草图2.2总体方案确定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。由于工作台的运动部件重量和工作载荷不大，故选用滚动直线导轨副，从而减小工作台的摩擦系数，提高运动平稳性。 考虑电机步距角和丝杠导程只能按标准选取，为达到分辨率0.01mm的要求，以及考虑步进电机负载匹配，简化结构，联轴器将电机与丝杠直接连接。2.3初选步进电动机，丝杠和联轴器当传动比i=1时，可用联轴器直接将电机与丝杠连接，这种结构有利于简化结构，提高精度。由 传动比公式i=，b为步进电机步距角、Lo为滚珠丝杠导程、为系统脉冲当量。工作台的脉冲当量=0.01mm/脉冲。 初选电动机型号为55BF009，其步矩角=。 初选丝杠规格为M12*4其导程为4mm。 由传动比公式得 故可用联轴器将电机与丝杠直接连接。选用夹紧螺丝固定微型刚性联轴器。 在丝杠行程端安装断电保护装置。2.4确定工作台尺寸 查国家标准，根据(GB/T 158-1996)机床工作台T型槽及相应螺栓尺寸如下： T型槽螺栓头部 A B C H E F Pd公称S最大K最大61261210.540M5104 T型槽用螺母尺寸 D A偏差M56-0.3-0.5根据工作台加工范围200*150选工作台T型槽板尺寸240*200*20(mm)。 根据连接布局位置关系初定滚珠丝杠长度X向L340mm Y向L=300mm B B 5060 3545 L 总体尺寸估算2.5系统组成框图 定位方式采用增量坐标控制。考虑到机床加工精度要求不高，为了简化结构，降低成本，采用步进电机开环伺服系统驱动X-Y工作台。 第三章.机械部分的设计3.1传动系统等效转动惯量计算1.电机转子转动惯量查电机手册得 2.丝杠的转动惯量由公式得 3.工作台转动惯量 根据给定的工作台加工范围，设计出工作台的尺寸和托板尺寸等，估算其重量。 X向托板（上托板）的尺寸：长×宽×高 220×220×10X向托板（上托板）的重量：重量=体积×材料比重 Y向托板（下托板）的尺寸：长×宽×高 240×200×10重量=体积×材料比重 上导轨座的重量： 夹具及工件重量： X-Y工作台运动部分重量： 工作台转动惯量 ： 由于联轴器的转动惯量小故可忽略不计。 4传动系统折算到电机轴上的总等效转动惯量3.2工作载荷分析及计算铣削运动的特征是主运动为铣刀绕自身轴线高速回转,进给运动为工作台带动工件在垂直于铣刀轴线方向缓慢进给。铣刀的类型很多，但以圆柱铣刀和端铣刀为基本形式,此选用圆柱铣刀,铣刀材料选择高速钢.查金属切削手册常用铣刀介绍表，选择细齿锥柄立铣刀， 其尺寸参数如下：D=16mm,齿数Z=4。（1）查金属切削手册细齿锥柄立铣刀切削用量表得铣削速度 查表，初选0.03mm 因此可得 查机械制造基础课程设计指导书立式铣床主轴转速表，选铣床型号X51，选择其转速表并将转速圆整为实际切削速度为 故实际（2）根据高速钢铣刀铣削公式 查得铣削力系数有3.3进给工作台工作载荷计算根据下表:比值不对称铣削逆铣顺铣120903080404故有纵向进给方向工作台垂直进给方向工作台横向进给方向3.4滚珠丝杠及螺母副的选型和校核 丝杠是将电机的回转运动转化为工作台直线运动，丝杠由螺杆、螺母和滚珠组成。由于具有很小的摩擦阻力，丝杠被广泛应用于各种工业设备和精密仪器。 3.4.1最大工作载荷的计算 滚珠丝杠上的工作载荷为走刀抗力，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。 由公式： 其中 将所得数据代入公式有：3.4.2最大动负载Q的计算及主要尺寸 式中L为寿命经查询机械设计手册得 当有冲击运转时，运转系数，本设计取；精度等级为3级，其精度系数 。 式中 ，其中 又因为使用寿命 ，丝杠螺距 ，X向和Y向的最大进给 。X向丝杠的牵引力： 式中 当量摩擦系数,Y向丝杠的牵引力：式中X向最大动负载： Y向最大动负载：3.4.3选型确定丝杆和丝杆螺母副尺寸根据给定的有效行程和经济成本的考虑，X向和Y向的丝杠分别选取MISUMI公司的BSX1205-340和BSX1205-300，然后再使用联轴器。其参数和连接方式如下：精度等级型式指定单位mmY螺旋方向循环数基本额定负载Type丝杠轴外径螺距右2.5圈1列（KN）（KN）C3BSX1243403003.744.9PABTdd1hFD滚珠直径（cm）滚珠丝杠预紧力（）84434104.584.415303.1751.55 电机与丝杆连接方式 所选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12螺距4接触角名称符 号计算公式和结果钢球直径3.175螺纹滚道法面半径偏心距螺纹升角 螺杆螺杆外径螺杆内径螺杆接触直径螺母螺母螺纹外径螺母内径（外循环）3.4.4传动效率计算滚珠丝杠螺母副的传动效率为 3.4.5刚度验算丝杠的拉压变形量的计算 满载时拉压变形量： 滚珠与螺纹滚道间的接触变形量由公式得式中为滚珠直径， 为滚珠总数量滚珠丝杠副刚度的验算丝杠总变形量变形量要少于定位精度得一半，即0.01/2=0.005=0.00369<0.005因此符合设计要求。3.4.6压杆稳定性验算 由机械设计指导书失稳时的临界载荷为 丝杠截面惯量矩 查表得 稳定性安全系数 故丝杠符合要求。3.5导轨的选型和计算 导轨表面上的纵向槽或脊，用于导引、固定机器部件、专用设备、仪器等。拥有比直线轴承更高的额定负载， 同时可以承担一定的扭矩，可在高负载的情况下实现高精度的直线运动。滚动直线滑轨是一种滚动导引，它由钢珠在滑块与滑轨之间作无限滚动循环，使得负载平台能沿着滑轨轻易的以高精度作线性运动，其摩擦系数可降至传统滑动导引的1/50，使之能轻易地达到m级的定位精度。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，在此设计中还要求导轨能承受一定的颠覆力矩，所以在设计中选择法兰型导轨。滚动导轨的选用：3.5.1导轨型式：法兰型直线导轨3.5.2导轨长度：上导轨（X向）取动导轨长度 动导轨行程 支承导轨长度 下导轨（Y向）取动导轨长度 动导轨行程 支承导轨长度 3.5.3导轨工作负载计算：导轨基本额定动负载的计算： 导轨基本额定静负载的计算：根据以上数据，选择MISUMI公司的SEBMN型导轨，上导轨型号为SEBMN16-430，下导轨型号为SEBMN16-390，其参数如下：型式HW1滑块尺寸导轨尺寸BL1L2WP1S1ETBECNP2滑块SEBMN169.5344125426M477206152060H基本定负载静态容许力矩重量C(动)KN(静)KNM3滑块kg滑块标准型Kg/m165.08.2333570.151.5由导轨设计公式：L50（）每个滑块的的工作载荷取硬度系数0.53、=1、0.81、2预设导轨寿命L=50KM 则根据此寿命可算出 3267N<5000N,所以选取导轨滑块满足设计要求。3.6步进电机的计算和选用 步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元步进电机件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响。步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度，称为“步距角”，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。3.6.1步进电机力矩的计算摩擦力矩 （ ）式中 导轨的摩擦力 丝杠导程（cm）； 系统传动比，按 计算； 传动链总效率，一般可取导轨摩擦系数滚动导轨的摩擦系数一般为：铣削力； 运动部件的重量； 工件及夹具重量；所以 附加摩擦力矩 （ ）式中 滚珠丝杠预加负荷，一般取 ， 为进给牵引力；丝杠导程（cm）；滚珠丝杠未预紧时的传动效率， 。所以：空载起动时折算到电机轴上的力矩 （ ）式中 传动系统折算到电机轴上的总等效转动惯量（ ）； 电机最大角加速度（ ）；电机最大转速（r/min）,；运动部件从停止起动加速到最大进给速度所需要的时间（s），因为=200ms； 运动部件的最大进给速度（mm/min）；脉冲当量（mm/步）； 步进电机的步距角（ ）； 折算到电机轴上的铣削负载力矩 式中 丝杠导程（cm）；系统传动比 传动链总效率，一般可取 快速起动时所需力矩 即 快速进给时所需力矩 即 最大铣削负载时所需力矩 即 经过上述计算后，在 、 两种力矩中取其大者作为选择步进电机的依据。对于大多数数控机床来说，因为要保证一定的动态性能，系统时间常数较小，而等效转动惯量又较大，故电机力矩主要是用来产生加速度的，而负载力矩往往小于加速力矩，故常常用快速空载起动力矩 作为选择步进电机的依据。3.6.2步进电机的选择目前经济型数控机床中大多采用反应式步进电机，因此在本设计中采用反应式步进电机。首先根据最大静转矩 初选电机型号，由于步进电机的起动转矩 与最大静转矩 有如下关系： 式中的取值又有如下关系：步进电机相数三相四相五相六相拍数36485106120.50.8660.7070.7070.8090.9510.8660.866 在本设计中采用四相四拍的反应式步进电机，则 若不考虑启动时运动部件惯性的影响，则启动力矩为 取安全系数为0.3，则步进电机最高工作频率 最大空载频率：最快进给速度， 。为了保证不失步，采取降速措施。 最大铣削频率：最大铣削速度， 。 根据以上数据，选取两个55BF009型步进电机，电机的的相关参数如下：型号主要技术参数外形尺寸(mm)重量(N)步距角最大静转矩（）最高空载启动频率（Hz）相数电压(V)电流(A)外径长度轴径55BF0090.7825004273557060.65由于只靠最大静转矩 来选择步进电机不一定能满足实际工作时的要求，也就是说，尽管最大静转矩 数值能满足要求，但是并不能保证在快速空载起动和运行时不失步。所以还必须用起动矩频特性和运行矩频特性两条重要的性能曲线来检查所选步进电机的型号是否能满足要求。通过对两个电机的起动矩频特性和运行矩频特性的分析，电机的转矩大于总转矩，并且，所以选择的这两个电机符合本设计要求。3.7 联轴器的选用 联轴器是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。根据选用的电机D1=6mm,丝杆D2=8mm； 在满足便用性能的前提下，应选用装拆方便、维护简单、成本低。本设计选用MISUMI CPRC20-6-8 夹紧螺丝固定刚性联轴器。尺寸参数如下：型号DD1DD2LMATTFCPRC20-6-868202.56.514.75 联轴器外形图 第四章 各部分支承连接机构设计4.1滚珠丝杠支座设计计算在本设计里，采用一端固定，另一端简易支承的方案。则产生失稳的临界负载 式中：;；丝杠支持方式系数表如下：方式一端固定一端自由两端简易一端固定一端简支两端固定0.251.002.004.00所以：临界负载与最大工作负载Q之比称为稳定安全系数，如果稳定安全系数大于或等于许用安全系数，则丝杠不至失稳。许用安全系数一般取2.54。由于Y向的工作负载最大，所以稳定性良好。在简易支承座中采用一个6300的深沟球轴承，在固定的电机支座中采用一个51200推力轴承和一个6300深沟球轴承。它预紧时只需调节螺母。两端固定支座方案见图纸。4.2 丝杆螺母支座设计 此部分设计的机构是连接丝杆螺母副与工作台，精度要求主要是与螺母副及工作台面固定螺孔的配合尺寸。选用材料为 Ht200，球墨铸铁，该材料具有较高的强度，耐磨性、耐热性及减振性，适用于承受较大压力，要求耐磨的零件。确定设计方案 机构侧面在丝杆螺母副上以螺丝定位，限制3 个自由度，顶面以圆柱销与工作台限制3个自由度。这种方案定位可靠，夹紧方便。 丝杆螺母副支座 结 论 本设计整个系统采用开环环控制系统，进给系统采用了MISUMI公司的BSX系列丝杠副和SV2RL型直线滚动导轨。伺服系统采用了反应式步进电机，由联轴器直接与滚珠丝杠连接驱动丝杠传动，丝杠副两端的支座轴采用了推力轴承来承受丝杠运行时的轴向力，和采用一个深沟球轴承来保证其径向的圆跳动，各部分零件通过合适的螺母螺栓连接在一起，在保证精度的同时，保证整个系统的稳定性。 致 谢在此论文撰写过程中，要特别感谢我的导师龚忠良的指导与督促，同时感谢他的谅解与包容。没有龚老师的帮助也就没有今天的这篇论文。从设计的选题到资料的搜集直至最后设计的修改的整个过程中，花费了龚老师很多的宝贵时间和精力，在此向导师表示衷心地感谢！导师严谨的治学态度，开拓进取的精神和高度的责任心都将使学生受益终生！ “不积跬步无以至千里”，这次毕业论文能够最终顺利完成，归功于各位老师四年间的认真负责，使我能够很好的掌握专业知识，并在毕业论文中得以体现。也正是你们长期不懈的支持和帮助才使得我的毕业论文最终顺利完成。 本文参考了大量的文献资料，在此，同时向各学术界的前辈们致敬。 参 考 文 献1 盛伯浩.数控机床的现状与发展.装备维修与改造，2004. 2 李斌，李培根.数控技术和装备发展趋势及对策.中国制造业信息化，2002.3 周祖德,魏仁选,陈幼平.开放式控制系统的现状、趋势及对策. 中国机械工程,1999 .4 周凯.数控技术与产业发展途径探讨.中国机械工程，2001.5 胡兴军,屈平. 我国数控机床产业发展现状综述J. 精密制造与自动化, 2004.6 杨永. 现代数控系统的动向J.广东技术师范学院学报,2003 (6) .7 王晓明.电动机的单片机控制.北京：北京航空航天大学出版社，2002.8 V.Utkin ,Sliding Mode Control Design Principles and Applications to Electric Drives.IEEE Transactions on Industrial Electronics,1993,.9 复杂机电系统机电耦合分析与解耦控制技术,pp:19471952,December 12-15,2005.10 11 朱晓春. 数控技术.北京：机械工业出版社,2006.4 .12尹志强. 机电一体化系统设计课程设计指导书. 机械工业出版社, 2008.3 13刘舜尧，刘水华. 机械制造基础与实践/工程材料及机械制造基础系列教材. 中南工业大学出版社，1999.714成大先. 机械设计手册. 化学工业出版社, 2008.415段振云. 机械加工设备及应用. 科学出版社，2009.1116韩洪涛. 机械加工设备与工装，高等教育出版社，2009.3第 28 页