X-Y數(shù)控機床工作臺設計

1、數(shù)控機床課程設計說明書設計題目：X-Y數(shù)控機床工作臺設計學 院：機械工程學院 專 業(yè)：機械工程數(shù)控技術方向班 級：機械Y138班 學 號：201300107266姓 名：李 強 指導老師：李 冰 2016年6月19日 設計任務設計一套供立式數(shù)控銑床使用的X-Y數(shù)控工作臺，主要參數(shù)如下：1、 立銑刀最大直徑的d=15mm；立銑刀齒數(shù)Z=3；最大銑削寬度；最大背吃刀量；加工材料為碳素鋼或有色金屬。2、 X、Z方向的定位精度均為0.02mm。3、工作臺面尺寸為，加工范圍為4、工作臺空載進給最快移動速度：，工作臺進給最快移動速度:，加減速0.4s。摘要 本設計是在數(shù)控機床工作原理之上設計一臺簡單的、經(jīng)

2、濟型的XY數(shù)控工作臺。設計任務是完全圍繞數(shù)控機床工作原理而展開的，本設計充分體現(xiàn)了機械零部件之間的連接、裝配關系，同時也體現(xiàn)了數(shù)控機床機械設備部分與電氣設備部分的緊密結合。 X-Y數(shù)控工作臺設計包括總體方案的設計、機械零部件的計算與選型、 步進電機的選用、傳動裝置的設計。 本設計的經(jīng)濟型數(shù)控工作臺精度并不高，采用開環(huán)系統(tǒng)；機械傳動部分采用步進電機直接連接滾珠絲杠，從而驅動工作臺進給。關鍵詞： 數(shù)控機床 開環(huán)系統(tǒng) 傳動裝置設計AbstractNow the world electronic technology rapidly expand, the microprocessor, the mi

3、crocomputer obtain the widespread application in various area of technology, to various domains technology development enormous promotion effect. A perfect integration of machinery system, should contain the following several base elements: Basic machine, power and actuation part, implementing agenc

4、y, sensing measurement component, control and information processing part. The integration of machinery is the system technology, the computer and the information processing and management technology, the automatic control technology, the examination sensing technology, the servo drive technology an

5、d the mechanical skill and so on multi-disciplinary area of technology synthesis overlapping technology-intensive systems engineering. New generations CNC system this kind of model integration of machinery product toward the high performance, the intellectualization, the systematization as well as t

6、he featherweight, the microminiaturized direction develops.key words: Integration of machinery foundation basic component elements characteristic trend of development.目 錄 一、設計內容 4 二、 設計主要步驟 4（一） 確定設計總體方案 41、機械傳動部件的選擇 42、方案的對比分析 53、最終設計方案 5（二） 機械傳動部件的計算與選型 61、導軌上移動部件的重量估算 62、計算切削力 63、滾珠絲桿傳動的設計計算及效驗 7

7、4、步進電動機的傳動計算及電機選用 125、滾動導軌的設計計算 18 （三）其余附件的選擇 19（四） 控制系統(tǒng)的設計21第一章 致謝 251、 設計的目的數(shù)控機床課程設計是一個重要的實踐性教學環(huán)節(jié)，要求學生綜合運用所學理論知識，獨立進行的設計訓練，主要目的是：1）通過本設計，使學生全面地、系統(tǒng)地了解和掌握數(shù)控機床的基本組成及其相關基本知識，學習總體方案擬定、分析與比較的方法。2）通過對機械系統(tǒng)的設計，掌握幾種典型傳動元件與導向元件的工作原理、設計計算方法及選用原則。3）通過伺服系統(tǒng)的設計，掌握常用伺服電動機的工作原理、計算選擇方法與控制驅動方式。4）培養(yǎng)學生獨立分析問題和解決問題的能力，學習

8、并初步樹立“系統(tǒng)設計”的思想。5）鍛煉提高學生應用手冊和標準、查閱文獻資料以及撰寫科技論文的能力。 二、設計主要步驟（一） 確定設計總體方案1、初擬機械傳動部件方案： 方案一: 、絲杠螺母副的選擇： 滾珠絲杠（內循環(huán)） 、導軌副的選擇： 滑動導軌、伺服電動機的選擇： 步進電機、減速裝置的選擇： 消隙式齒輪減速箱方案二：、絲杠螺母副的選擇： 滾珠絲杠（外循環(huán)）、導軌副的選擇： 滾動導軌（滾珠）、伺服電動機的選擇： 步進電機、減速裝置的選擇： 無（直接用聯(lián)軸器將電動機與絲杠連接，變速直接由脈沖頻率來控制）方案三：、絲杠螺母副的選擇： 滾珠絲杠（外循環(huán)）、導軌副的選擇： 滑動導軌（滾珠）、伺服電動機

9、的選擇： 步進電機、減速裝置的選擇：無2、方案對比分析：（1）絲杠螺母副的選擇：對于設計條件X、Y方向定位精度均為，由數(shù)控機床系統(tǒng)設計P99可得，絲杠的精度要比定位精度要高，可見只有選用滾珠絲桿副才能達到要求，滾珠絲桿副的傳動精度高、動態(tài)響應快、運轉平穩(wěn)、壽命長、效率高、預緊后可消除反向間隙。經(jīng)對比，最終選擇內循環(huán)滾珠絲杠，因為這樣摩擦損失小，傳動效率高，且徑向尺寸結構緊湊，軸向剛度高。由于安裝定位精度不是很高，故選用墊片消隙式進行調隙，這種方法結構簡單、剛性好、裝卸方便，適用于一般精度的機構。、導軌副的選擇：要設計的數(shù)控銑床工作臺，需要承受的載荷不大，對于設計任務精度要求為，要求精度較高，因

10、此選用直線滾動導軌副，它具有摩擦系數(shù)小，不易爬行，傳動效率高，結構緊，安裝預緊方便等優(yōu)點。、伺服電動機的選擇：為保證定位精度，選用步進電機作為伺服電機，由數(shù)控機床系統(tǒng)設計P107得，步進電機精度很高，開環(huán)接入也滿足本設計精度要求，根據(jù)任務要求，空載最快移動速度為3000mm/min，故本設計不必采用高檔次的伺服電機，綜合考慮之后選用的電機為混合式步進電機，提高產(chǎn)品經(jīng)濟性。 、減速裝置的選擇：選擇了步進電動機和滾珠絲桿副以后，為了圓整脈沖當量，放大電動機的輸出轉矩，降低運動部件折算到電動機轉軸上的轉動慣量，可能需要減速裝置，且應有消間隙機構，如果要選用減速裝置，則應選用無間隙齒輪傳動減速箱。但步

11、進電機本身就有調速功能，此處設計工作臺很小，輸出扭矩與慣量負載都很小，步進電機可以承受，所以此處不需要額外減速裝置。3、最終設計方案：、絲杠螺母副的選擇： 滾珠絲杠（內循環(huán)）、導軌副的選擇： 滾珠導軌、伺服電動機的選擇： 步進電機（混合式）、減速裝置的選擇： 無（二） 機械傳動部件的計算與選型1、導軌上移動部件的重量估算按照下導軌上面移動部件的重量來進行估算。包括工件、夾具、工作平臺、上層電動機、減速箱、滾珠絲杠副、直線滾動導軌副、導軌座等，估計重量約為G=800N。XY工作臺如圖所示:X-Y數(shù)控工作臺外形2、 計算切削力根據(jù)任務條件1、立銑刀最大直徑的d=15mm；立銑刀齒數(shù)Z=3；最大銑削

12、寬度；最大背吃刀量；加工材料為碳素鋼或有色金屬。設銑刀為硬質合金銑刀，工件材料為碳素鋼，由切削用量簡明手冊查閱可知d=15mm的硬質合金立銑刀最大的切削參數(shù)如下：由數(shù)控加工工藝與編程P24表1-9查得，每齒進給量=0.15mm由數(shù)控加工工藝與編程P24表1-10差得，粗取銑刀切削速度計算得，查切削用量簡明手冊P111得, 取n=15000r/min由切削用量簡明手冊P110表3.28查得立銑時切削力計算公式為：將以上各值代入得： 采用立銑刀進行圓柱銑削時，查得各切削了之間的關系為：=(1.01.2) 取1.1=(0.20.3) 取0.25=（0.350.4）取0.38因為逆銑的情況的受力最大的

13、情況，為了安全考慮這種最危險的工況。由此可估算三個方向的銑削力分別為：（與絲杠軸線平行）（與絲杠軸線垂直）（與工作臺面垂直）相對于工作臺，以上各分力方向分別對應：縱向銑削力徑向銑削力垂直工作臺切削力3、 滾珠絲杠傳動設計計算及校驗、最大工作載荷的計算已知移動部件總重量G=800N，按滾動導軌計算，由數(shù)控機床系統(tǒng)設計P180得，滾動導軌上的摩擦系數(shù)中可知=0.0025-0.005,為安全考慮現(xiàn)取=0.005，求得滾珠絲杠副的最大工作載荷：、最大計算動載荷的確定任務條件提出工作臺進給最快移動速度為V=400mm/min，初選絲杠導程P=5mm,則此時絲杠轉速。有網(wǎng)上收集資料得知，每天工作8小時，每

14、年工作300天，一般滾珠絲杠的精度在3到5年后嚴重下降，所以預計滾珠絲杠工作壽命為4年，所以使用壽命為：根據(jù)數(shù)控機床系統(tǒng)設計P100中公式得： 其中 T使用壽命由數(shù)控機床系統(tǒng)設計P99表5-1查得，取受中等沖擊載荷取值范圍，取1.3由數(shù)控機床系統(tǒng)設計P99表5-2查得，取1.0又因為最小工作載荷為所以代入數(shù)據(jù)可得：、型號規(guī)格的初選根據(jù)計算的最大載荷以及初選的絲杠導程，網(wǎng)上查得，如圖所示，根據(jù)以上初選絲杠導程和計算出的最大動載荷，選用系列2505-3型滾珠絲杠副，為內循環(huán)固定反向器雙螺母墊片預緊式滾珠絲杠副，其公稱直徑為25mm，導程為5mm，循環(huán)滾珠為3圈2系列，精度等級取5級，螺母安裝尺寸L

15、1=84mm，滿足要求。其他詳細參數(shù)可由圖得出。滾珠絲杠螺母副幾何參數(shù) （單位mm）名 稱符 號計算公式和結果絲杠 滾 道 公稱直徑25螺距P5鋼球直徑3.175偏心距滾道曲率半徑（取0.5）絲桿絲杠外徑24.2絲杠底徑21.2螺桿接觸直徑絲杠螺母螺母螺紋外徑螺母內徑（內循環(huán)） （取0.2）、傳動效率的計算查機床設計手冊P425可得，當絲桿直徑d=25mm，P=5mm，絲杠的螺旋升角為，代入數(shù)據(jù)得將摩擦角=10，代入,得傳動效率=95.93%。 、剛度的校驗X-Y工作臺上下兩層滾珠絲杠副的支承均采用“一端固定-一端游動”的軸承配置形式?？芍@種安裝適用于較高精度、中等載荷的絲杠，一端采用深溝球

16、軸承，一端采用一對背對背角接觸球軸承,這樣能承受集中力偶。絲杠螺母的剛度的驗算可以用接觸量來校核。a、滾珠絲杠滾道間的接觸變形量，查機械設計手冊2卷P15-17的相關公式，根據(jù)公式求得單圈滾珠數(shù)；該型號絲杠為雙螺母，圈數(shù)為4，列數(shù)為2，代入公式=Z圈數(shù)列數(shù)，得滾珠總數(shù)量。絲杠預緊時，取軸向預緊力。查機械設計手冊中相關公式，得，滾珠與螺紋滾道間接觸變形因為絲杠有預緊力，且為軸向負載的1/3，所以實際變形量可以減少一半，取。b、絲杠在工作載荷作用下的抗拉壓變形絲杠采用的是一端采用深溝球軸承，一端采用一對背對背角接觸球軸承的配置形式，軸承的中心距a=500mm,鋼的彈性模量E=2.110MPa,由表

17、一中可知，滾珠直徑=3.175mm,絲杠底徑=21.2mm，則絲杠的截面積S=353,由機電一體化系統(tǒng)課程設計指導書（尹志強.北京:機械工業(yè)出版）中，式3-35代入以上數(shù)據(jù)，得 =0.0172mm則 本例中，絲杠的有效行程取300mm，由機床設計手冊（李洪 .北京：遼寧科學技術出版社，1999）中知，5級精度滾珠絲杠有效行程小于315mm時，行程偏差允許達到0.023mm，可見絲杠剛度足夠。、穩(wěn)定性的驗算根據(jù)機床設計手冊（李洪 .北京：遼寧科學技術出版社，1999）中 5.7-17 式中 絲杠公稱直徑，； 滾珠絲杠直徑，； 絲杠最大受壓長度，取; 絲杠支撐方式系數(shù)，由于為一端固定，一端游動，故

18、；所以 因為 遠大于,故不會失穩(wěn)，滿足使用要求。、臨界轉速的驗算 對于絲杠有可能發(fā)生共振，需驗算其臨界轉速，不會發(fā)生共振的最高轉速為臨界轉速，由數(shù)控機床系統(tǒng)設計（文懷興、夏田 北京：北京化工出版社，第二版.）中P100 式5-10得： 其中 絲杠公稱直徑，； 滾珠絲杠直徑，； 為臨界轉速計算長度， 為絲杠支承方式系數(shù)（一端固定，一端游動）帶入數(shù)據(jù)得大于絲杠所需轉速，故不會發(fā)生共振。、滾珠絲杠的選型及安裝連接尺寸的確定 由以上驗算可知，選用GDM2505型的絲杠，完全符合滿足所需要求，故確定選用該型號。 由表一可知絲杠所需的安裝連接尺寸。4、步進電機的傳動計算及電動機的選用、傳動計算根據(jù)設計任務

19、要求，機床加工精度為0.02mm，由于初定方案中傳動部件為聯(lián)軸器，傳動比例為1，并且絲桿螺距已知為t=5mm。查機械設計數(shù)控系統(tǒng)P111可得，選用脈沖當量為所以代入數(shù)據(jù)得步距角為、步進電機的計算及選型、步進電動機轉軸上的總轉動慣量的計算?？傓D動慣量J主要包括電動機轉子的轉動慣量、滾珠絲杠上一級移動部件等折算到電動機軸上的轉動慣量。、滾珠絲杠的轉動慣量J由數(shù)控機床系統(tǒng)設計P123查得：式中 D為絲杠公稱直徑D=25mmL為絲杠長度=有效行程+螺母長度+設計余量+兩端支撐長度（軸承寬度+鎖緊螺母寬度+裕量）+動力輸入連接長度（如果使用聯(lián)軸器則大致是聯(lián)軸器長度的一半+裕量）=300+60+20+80

20、+40=500mm代入數(shù)據(jù)得、滾珠絲杠上一級移動部件等折算到電動機軸上的轉動慣量由數(shù)控機床系統(tǒng)設計P123查得，其中 M為工作臺的（包括工件）的質量M= G/9.8=81.6kg, S為絲杠螺距S=5mm代入數(shù)據(jù)，得：、初選常州寶馬前楊電機電器有限公司的90YG5502型混合式步進電動機，可知其轉子的轉動慣量所以驗算慣量匹配，電動機軸向慣量比值應控制在一定的范圍內，既不應太大也不應太小， 即伺服系統(tǒng)的動態(tài)特性取決于負載特性。為使該系統(tǒng)慣量達到較合理的配合，一般比值控制在1/4-1之間，代入計算得由此可見:符合慣量匹配要求。、步進電機轉軸上的等效負載轉矩M的計算。i.承受的負載轉矩在不同工況下是

21、不同的，考慮最大切削負載時電動機所需力矩，由數(shù)控機床系統(tǒng)設計P122表5-5得：a.其中加速力矩其中: Jr為折算到電動機軸上的總慣量T系統(tǒng)時間常數(shù)，由任務書知為T=0.4S ，n切削時的轉速為1500r/min ,得：b.摩擦力矩其中： F0為導軌摩擦力,其中為滾動導軌的摩擦系數(shù)，取值為0.005，代入數(shù)值計算得：, S為絲杠螺距S=5mm ,i為齒輪降速比，已計算出為1 ,為傳動鏈總效率，=0.70.8，取0.8代入數(shù)據(jù) 得：c.附加摩擦力矩其中：為最大軸向載荷，滾珠絲杠未預緊時的效率，=0.950.9 ,其余數(shù)據(jù)同上代入數(shù)據(jù) 得：d.切削力矩其中：進給方向的最大切削力 其余參數(shù)同上。代入

22、數(shù)據(jù)得：由此都得到等效負載轉矩ii.快速空載時電動機所需力矩M由數(shù)控機床系統(tǒng)設計P122查得：a.其中加速力矩：其中其余參數(shù)同上代入數(shù)據(jù)得： b.摩擦力矩同上，其中：為導軌副的摩擦因數(shù)，滑動導軌取u=0.005其余參數(shù)同上。代入數(shù)據(jù)得： c.附加摩擦力矩：同上其余參數(shù)同上代入數(shù)據(jù)得：所以可知快速空載時電機所需力矩：比較和，取其較大者，就是最大等效負載，即：、步進電動機的初選考慮到步進電機的驅動電源受電網(wǎng)的影響較大，當輸入電壓降低時，其輸入轉矩也會下降，可能會造成丟步，甚至堵轉，因此按最大等效負載M考慮一定的安全系數(shù)，取=2.5，則步進電機的最大靜轉矩應滿足：由所選的電機型號參數(shù)可知，最大轉矩，

23、可知所選電動機型號剛好適合。參數(shù)如下：、步進電動機的性能校核1） 、最快工進速度時電動機時輸出轉矩校核任務書給定工作臺最快工進速度，選脈沖當量=0.01mm，由式求出電動機對應的運行頻率。從86BYG350CL-SAKSHL-0601型混合式步進電動機出賣商家信息可知在此頻率下，在此頻率下，電動機的輸出轉矩，大于最大工作負載轉矩，滿足要求。2） 、最快空載移動時電動機輸出轉矩校核任務書給定工作臺最快空載移動速度，求出電動機對應的運行頻率為。在此頻率下，電動機的輸出轉矩大約為，大于快速空載起動時的負載轉矩，滿足要求3） 、最快空載移動時電動機運行頻率校核與快速空載移動速度=3000mm/min對

24、應的電動機運行頻率為。由86BYG350CL-SAKSHL-0601型混合式步進電動機出賣商家信息可知在此頻率下的空載運行頻率可達15000，可見沒有超出上限。4）、啟動頻率的校核已知電動機轉軸上的總轉動慣量。電動機轉子的轉動慣量，電動機轉軸不帶任何負載時的空載起動頻率?？梢郧蟪霾竭M電動機克服慣性負載的起動頻率,要想保證步進電動機起動時不失步，任何時候的起動頻率都必須小于800Hz。實際上，在采用軟件升降頻好時，起動頻率選的更低，通常只有100Hz(即100脈沖/s)。5 滑動導軌的設計計算 工作載荷的計算工作載荷是影響導軌副壽命的重要因素，對于水平布置的十字工作臺多采用雙導軌、四滑塊的支承形

25、式?？紤]最不利的情況，即垂直于臺面的工作載荷全部由一個滑塊承擔，則單滑塊所承受的最大垂直方向載荷為：其中，移動部件重量G=800N,則 小時額定工作壽命的計算預期工作臺的工作壽命為4年，取工作時間為300天，每天工作8小時，因此得到小時額定工作壽命 距離額定壽命計算，由公式，從而得到式中：為小時額定工作壽命。n為移動件每分鐘往復次數(shù)（46)取5,S為移動件行程長度，由加工范圍為取300mm代入數(shù)據(jù) 得： . 額定動載荷計算由公式,從而得到：Ca，式中：Ca為額定動載荷L為距離工作壽命，由上式可知為1728kmF為滑塊的工作載荷，由上式可知為1016N代入數(shù)據(jù)得： Ca=6604N 產(chǎn)品選型根據(jù)

26、額定動載荷，選擇滾動導軌，查滾動導軌生產(chǎn)廠家, 煙臺同升科技發(fā)展有限公司的EGW 15CA型，相關數(shù)據(jù)如下可知額定動載荷為7.83KN，大于6604N，所以滿足要求。三、其余部件的選擇聯(lián)軸器的選擇撓性聯(lián)軸器結構比較簡單，制造容易，具有較強的抗油性及耐腐蝕，即使承受負載時也無回轉間隙，具有較強的適應性，適用于安裝底座剛性好，精度要求高，沖擊載荷不大，的小功率軸系傳動，根據(jù)電機及絲杠的參數(shù)，選用滄州天碩聯(lián)軸器有限公司的TS2-30-1412型撓性聯(lián)軸器。軸承的選擇由于絲杠直徑為25mm，其與軸承連接處直徑為20mm，根據(jù)國標GB，選用單列角接觸球軸承70204AC型，根據(jù)國標GB選用6204型深溝

27、球軸承四、控制系統(tǒng)的設計 根據(jù)任務書的要求，設計控制系統(tǒng)的時主要考慮以下功能：接受操作面板的開關與按鈕信息；接受限位開關信號；控制X，Y向步進電動機的驅動器；與PC機的串行通信。 CPU選用MCS-51系列的8位單片機AT89S52，采用8279，和W27C512，6264芯片做為I/O和存儲器擴展芯片。W27C512用做程序存儲器，存放監(jiān)控程序；6264用來擴展AT89S52的RAM存儲器存放調試和運行的加工程序；8279用做鍵盤和LED顯示器借口，鍵盤主要是輸入工作臺方向，LED顯示器顯示當前工作臺坐標值；系統(tǒng)具有超程報警功能，并有越位開關和報警燈；其他輔助電路有復位電路，時鐘電路，越位報警指示電路。 1、進給控制系統(tǒng)原理框圖 圖6圖2 2、驅動電路流程設計 步進電機的速度控制比較容易實現(xiàn)，而且不需要反饋電路。設計時的脈沖當量為0.01mm，步進電機每走一步，工作臺直線行進給0.01mm。步進電機驅動電路中采用了光電偶合器，它具有較強的抗干擾性，而且具有保護CPU的作用，當功放電路出現(xiàn)故障時，不會將大的電壓加在CPU上使其燒壞。圖7 步進電機驅動電路圖該電路中的功放電路是一個單電壓功率放大電路，當A相得電時，電動機轉動一步。電路中與繞組并