數(shù)控機床課程設(shè)計說明書

1、一、 設(shè)計目的設(shè)計一套簡易數(shù)控XY工作臺，固定在某一鉆床的工作臺上， XY工作臺的位置控制采用步進電機數(shù)控系統(tǒng)，通過上述方案將該普通鉆床改裝成簡易的經(jīng)濟型數(shù)控鉆床。二、 設(shè)計要求 1、改造后的鉆床能夠加工最大面積為A×B的工件，最大工件重量200kg。2、數(shù)控XY工作臺要求孔的定位精度在±0.02mm內(nèi)，工作臺快進速度為3.6m/min，加減速時間為0.1秒。 三、設(shè)計的內(nèi)容和步驟（一）總體設(shè)計方案 設(shè)計機構(gòu)的性能要求: 設(shè)計機構(gòu)的性能要求有兩個方面：a 是在靜態(tài)性能方面：工作臺達到一定的幾何精度、定位精度以及重復(fù)定位精度，同時也要滿足相應(yīng)的剛度和強度要求。b 是在動態(tài)性能

2、方面：工作臺要滿足速度和加速特性以及工作的穩(wěn)定性等。 待改裝鉆床型號的確定: 因為改造后的鉆床能夠加工最大面積為200×230，在預(yù)留裝夾具的尺寸后，工作臺的尺寸應(yīng)該設(shè)計為280×310。根據(jù)改裝后這個工作臺的尺寸找出與它相對應(yīng)的要改裝鉆床的型號，圖（一）鉆床Z4032查得鉆床的資料如表一所示。我選待改裝鉆床型號為Z4032系列立式鉆床表（一）鉆床Z4032的參數(shù)控制方式的確定：因為X、Y工作臺的位置控制采用步進電機數(shù)控系統(tǒng)，由于工件相對刀具移動的過程中不進行鉆削，故采用點位控制系統(tǒng)，要求是快速定位，保證定位精度。定位方式采用增量坐標(biāo)方式。伺服系統(tǒng)的確定：數(shù)控XY工作臺要求

3、孔的定位精度在±0.02mm內(nèi)，定位精度要求不高，故選擇開環(huán)伺服控制系統(tǒng)可以滿足要求。因為開環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定性好，不存在位置檢測和回饋控制，結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)試和維修方便、成本低。工作臺參數(shù)的初步確定： 改裝后的鉆床工作臺能夠加工最大面積為200mm×230mm的工件，所以在預(yù)留安裝夾具的尺寸后，工作臺應(yīng)該設(shè)計為280mm×310mm，考慮到工件的最大重量為200kg，為了保證工作臺的剛度和強度，選取工作臺厚度為25mm.估算工作臺的尺寸為280mm×310mm×25mm。導(dǎo)軌的選項思路：選擇的導(dǎo)軌應(yīng)該具有摩擦系數(shù)小，動摩擦系數(shù)接近，不產(chǎn)生爬行現(xiàn)行現(xiàn)象，承

4、載能力和剛度好等特點。所以我選擇直線滾動導(dǎo)軌副。它具有動、靜摩擦力之差很小，隨動性極好，有益于提高數(shù)控系統(tǒng)的響應(yīng)速度和靈敏度，能實現(xiàn)高定位精度和重復(fù)定位精度。滾珠絲杠選型思路： 滾珠絲杠具有：傳遞效率高、摩擦系數(shù)小、運動靈敏、無爬行現(xiàn)象等優(yōu)點?？紤]到工作臺用于數(shù)控鉆床，要求加工精度比較好，低速運動平穩(wěn)，所以我選滾動絲杠螺母副，并采用外循環(huán)方式。因為這種循環(huán)方式結(jié)構(gòu)簡單，工藝性好，承載能力強，成本低等優(yōu)點。絲杠和電機連接零件的選取思路：因為由于要求設(shè)計的工作臺屬于輕載型工作臺，工作臺上的負(fù)載折算到電機上的轉(zhuǎn)動慣量不是很大，所以電機與絲杠的連接用聯(lián)軸器就可以滿足要求。這樣大大簡化了主軸的結(jié)構(gòu)，縮短

5、傳動鏈，提高了傳動精度。同時有效地提高了主軸部件的剛度。 支承座材料的選取：選HT150做為支承座材料，其具有耐磨、減摩性好、抗振性強、鑄造性能良好、切削加工性良好等優(yōu)點。軸承類型的選取思路：由于絲杠主要受軸向力的作用，為了保證其高速、高精度可靠性,采用一端固定，一端支承的支持方式，可選用“前后支承均采用角接觸球軸承和一個深溝球軸承支承”。這樣既保證了軸向載荷和徑向載荷。（二）機械部分改裝設(shè)計與計算 確定工作臺的尺寸及其重量,并計算切削力鉆床能夠加工最大面積為200mm×230m，考慮加工的時候要用夾具夾緊工件，每邊留出裝夾具的尺寸為40mm，最后確定工作臺尺寸為280mm×

6、;310mm。因加工工件的最大重量為200kg ，考慮工作臺的剛度和強度等因素。取工作臺臺面的厚度為25mm。查閱有關(guān)資料，我選灰鑄鐵HT150做為工作臺的材料，其優(yōu)點是耐磨、減摩性好、抗振性強、鑄造性能良好、切削加工性良好。其密度是7.8×10kg/m。(1) 工作臺（X向托板） (2) 取Y向托板=X向托板 (3) 上導(dǎo)軌座（連電機）重量 初步取導(dǎo)軌座的長，寬為，高為，但導(dǎo)軌座中間有一大空缺，空缺部分大約55011528mm3。因此所以根據(jù)上面所求，得XY工作臺運動部分的總重量為：根據(jù)要求所知，其最大加工工件為，另外，還有絲杠、電機、聯(lián)軸器等，大約3kg，因此：m4=3kg 本設(shè)

7、計校核中總是考慮最危險的工況，因為工作臺上下兩軸的傳動裝置相同。由于下層傳動裝置受到的載荷比上層大很多。所以以下方的滾珠絲杠為對象進行計算。除了上層工作臺外，還應(yīng)考慮支承座、軸承、軸承座、聯(lián)軸器、電機、最大工件質(zhì)量200kg，以及夾具質(zhì)量等部件后，估算工作臺的總質(zhì)量M=250kg。計算切削力 將普通機床改造成數(shù)控XY工作臺控制的鉆床，機床的運動控制方式是點位元控制，鉆削時產(chǎn)生的軸向切削力很?。粷L珠絲杠運動時不進行鉆削，不受切削力的作用；靜止鉆削時絲杠軸向切削力很小，可忽略不計。因此，絲杠工作時只受到運動部件重量所引起的摩擦阻力 滾珠絲杠參數(shù)計算及選型：a、求出螺旋傳動的計算載荷Fc：其中-為載

8、荷系數(shù)，無沖擊平穩(wěn)運轉(zhuǎn)：1.01.2; 一般沖擊：1.21.5；有沖擊和振動：1.5-2.5。根據(jù)這次設(shè)計機床的情況，我選=1.5。-為硬度系數(shù)，滾道硬度HRC58 ：1.0 ； 滾道硬度HRC55 ：1.11；滾道硬度HRC50 ：1.56；滾道硬度HRC45 ：2.4；滾道硬度40 ：3.85；查閱得滾道絲杠的硬度應(yīng)達到60±2HRC，即滾道硬度HRC58。由于滾道的硬度跟絲杠相近，所以我選=1.0。為精度系數(shù)，精度等級C、D : 1.0；精度等級E、F：1.1，精度等級G：1.25；精度等級H：1.43。因為滾珠絲杠螺母副精度等級的選擇： 普通精度的數(shù)控機床可選用D級精度，精密

9、型數(shù)控機床選用C級。所以選擇=1.0-為絲杠工作時的軸向壓力。µ為導(dǎo)軌的摩擦系數(shù)。為最下面的絲杠以上的所有重量。查閱，取摩擦系數(shù)µ=0.003。所以=260×10×0.003=7.8 N。=1.5×1.0×1.0×7.8=11.7 Nb、額定動載荷及壽命計算：（1）確定絲杠使用壽命：假設(shè)滾動絲杠能工作6年，每年為300天,每天工作10小時則滾珠絲杠的運轉(zhuǎn)壽命=6×10×300=18000 h取滾珠絲杠的平均轉(zhuǎn)速=100r/min則導(dǎo)軌的額定動載荷根據(jù)選擇滾珠絲杠螺母副，按滾珠絲杠副的額定運動載荷等于梢大于

10、的原則，在網(wǎng)上查得: 圖（二）滾珠絲杠螺母副考慮到各種因素，選用的滾珠絲杠的參數(shù)如下：型號是WD2005-2.51/DL-300400 表(二) 滾珠絲杠螺母副的參數(shù) 滾動導(dǎo)軌參數(shù)計算與選型：一計算導(dǎo)軌的工作壽命T，要求不低于6年。. 假設(shè)每天工作10小時，每年300天，使用6年，則：=10×300×6=18000 h二計算導(dǎo)軌行程長度壽命其中為單向行程，n為每分鐘往返次數(shù)（可取4-6次/分鐘）取=0.2 m，n=5所以=2×18000×0.2×5×60/1000=2160 km三計算導(dǎo)軌的額定動載荷 因為導(dǎo)軌采用四個滑塊，每根導(dǎo)軌上

11、使用2個滑塊，已知作用在導(dǎo)軌副上的壓力則每個滑座承受的工作載荷根據(jù)公式 ，得：根據(jù)額定動載荷確定滾動導(dǎo)軌的型號和結(jié)構(gòu)尺寸。查得： 圖（三）GGC微型滾動直線導(dǎo)軌副其中GGC15 BA型號的導(dǎo)軌的=5.5KN,能滿足6年的使用要求，所以選用GGC15 BA型號的滾動直線導(dǎo)軌，導(dǎo)軌的長度取500mm。參數(shù)數(shù)如下圖表（三）滾動直線導(dǎo)軌副GGC15BA的參數(shù) 步進電機的參數(shù)計算與選型：一 由機床精度要求確定脈沖當(dāng)量因為孔的定位精度為±0.02mm， 假設(shè)電機的脈沖當(dāng)量為0.01因為用聯(lián)軸器連接電機主軸和絲桿，所以傳動比=1所選的絲桿基本導(dǎo)程P=5mm，由公式得，電動機的步距角其中p為絲杠其本

12、導(dǎo)程。二計算電機軸上的總當(dāng)量負(fù)載轉(zhuǎn)動慣量=+ a 絲桿的轉(zhuǎn)動慣量 （kg·） 其中：為絲杠密度，取7.8× kg/ ， d為絲桿的等效直徑，l為絲杠的長度。由所選絲杠的型號得，d=20mm=2×m，l=400mm=0.4m所以絲杠的轉(zhuǎn)動慣量：=kg·b工作臺、工件、夾具、支承座等折算到電機軸上的轉(zhuǎn)動慣量： c 電機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量小的場合，可忽略不計。所以電機軸上的總當(dāng)量轉(zhuǎn)動慣量 =+=4.90×10+16.48×10=21.38×10 kg·三電機軸轉(zhuǎn)矩的計算：a 空載啟動時，電動機軸上的慣性轉(zhuǎn)矩： N·

13、m其中：為電機加減速時間（=0.1s）；p為絲杠導(dǎo)程（m）。為工作臺快進速度（=3.6m/min，換算為m/s）；為傳動比。所以 =21.38×10×=16.10× N·mb 機軸上的當(dāng)量摩擦轉(zhuǎn)矩（工作臺及工件重量引起）為伺服傳動鏈的總效率，可取0.8。 c、因絲杠副預(yù)緊力引起的電機軸上的附加摩擦轉(zhuǎn)矩：（設(shè)預(yù)緊力為最大軸向載荷的，為滾珠絲杠螺母副未預(yù)緊時的傳動效率，=0.9）=空載啟動時電機軸上的最大靜轉(zhuǎn)矩：=+=16.10×+0.8×+0.14×=17.04×=0.1704 N·m 所選取的步進電機的最

14、大靜轉(zhuǎn)矩根據(jù)步進電機的最大靜轉(zhuǎn)矩 選擇步進電機的型號，從網(wǎng)上：http:/www.sunrise- 圖（四）永磁感應(yīng)子式步進電機選擇的步進電機型號如下圖：表（四）永磁感應(yīng)子式步進電機具體參數(shù)是：步距角：0.72度，相數(shù)為5，靜轉(zhuǎn)矩：4.2 N·m。轉(zhuǎn)動慣量：2.4 kg·=2.4× kg·。該型號的步進電機的尺寸參數(shù)如圖： 圖（五）90BYG550B的尺寸參數(shù)步進電機選型的時候，必需同時滿足轉(zhuǎn)動慣量及靜轉(zhuǎn)矩的要求。即應(yīng)進行慣量匹配驗算：1，為所選電機的轉(zhuǎn)動慣量。=0.8911。說明慣量匹配合理。 聯(lián)軸器的選擇：因為鉆床具有較大的沖擊、振動和轉(zhuǎn)矩變化較大的工作載荷，嚴(yán)重影響傳動系統(tǒng)的工作性能。所以我選擇微型狹縫彈性聯(lián)軸器，以緩沖、減振、補償軸線偏移，改善傳動系統(tǒng)工作性能。從網(wǎng)址 圖（七）微型狹縫彈性聯(lián)軸器 表（五）微型狹縫彈性聯(lián)軸器的型號和參數(shù)根據(jù)選出的電機和絲杠的參數(shù)，選出下面的微型狹縫彈性聯(lián)軸器，因為絲杠兩端的軸直徑為12mm,電機軸直徑為14mm。 所以我選擇MSTS-32 微型狹縫彈性聯(lián)軸器。 表（六）MSTS-32 微型狹縫彈性聯(lián)軸器的參數(shù) 支承座參數(shù)設(shè)計：根據(jù)工作臺的尺寸和所選導(dǎo)軌的長度確定支承座的長度，同時在為了保證裝上滾珠絲杠后，以絲桿的螺母座不會碰到支承座的表面為依據(jù)確定支承座的高度 ，長寬高分別