數(shù)控機床XY工作臺課程設計

7-一、課程設的計目的通過本次設計，能夠全面地、系統(tǒng)地了解和掌握數(shù)控機床的基本內容和基本知識，初步掌握數(shù)控機床系統(tǒng)設計方法，并能學會運用手冊、標準等技術資料。同時，培養(yǎng)相應的創(chuàng)新意識、工程意識和動手能力。二、課程的設計要求1、課程設計應在老師的指導下由學生獨立完成，嚴格要求自己，不許相互抄襲；2、設計前認真閱讀《課程設計指導書》，明確設計題目及具體要求；3、認真查閱題目所涉及內容的相關資料、手冊、標準，大膽創(chuàng)新，確定合理、可行的總體設計方案；4、繪出數(shù)控XY工作臺機械部分裝配圖設計（A0），總裝聯(lián)系圖（A4），工作臺、支承座、螺母座等零件圖，繪圖符合國家標準，布圖合理，內容表達完整清晰：5、設計說明書（不少于20頁）。要求：說明書中的有關公式應標明出處；所引用的附圖及表格應附在說明書中相應位置，并有相應的說明；設計說明書格式參考教務處畢業(yè)設計論文格式的要求。三、課程設計的內容和步驟內容：設計一套簡易數(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?？傮w設計方案設計機構的性能要求（1）具有高的靜、動態(tài)剛度和良好的抗振性能（2）具有較高的幾何精度、傳動精度、定位精度和熱穩(wěn)定性（3）具有實現(xiàn)輔助操作自動化的結構部件待改裝鉆床型號的確定型號Z51100/ProductShow.asp?ID=6223、控制方式的確定控制方式按運動軌跡分類，可分為點位控制、直線控制和輪廓控制三種。點位控制的特點是只控制刀具相對于工件定位點的位置精度，不控制點與點之間的運動軌跡，在移動過程中刀具不進行切削；直線控制的特點是除了控制起點與終點之間的準確位置外，而且要求刀具由一點到另一點之間的運動軌跡為直線，并能控制位移的速度；輪廓控制的特點是能夠對兩個或兩個以上的坐標軸方向同時進行連續(xù)控制，并能夠對位移和速度進行嚴格地、不斷地控制。因數(shù)控鉆床上刀具在移動過程中沒有進行切削，故采用點位控制。4、伺服系統(tǒng)的確定伺服系統(tǒng)有開環(huán)伺服系統(tǒng)、閉環(huán)伺服系統(tǒng)、半閉環(huán)伺服系統(tǒng)。因要求將普通鉆床改裝成簡易的經(jīng)濟型數(shù)控鉆床，考慮到運動精度要求不高，為簡化結構，降低成本，所以采用步進電機開環(huán)伺服系統(tǒng)驅動。XY工作臺系統(tǒng)總體框圖如下圖所示：5、工作臺參數(shù)的初步確定因加工工件需要用夾具夾緊工件，工作臺每邊需留出30～40mm，所能夠加工的工件的最大面積為220mm×190mm，所以初步確定工作臺面積參數(shù)為：300mm×270mm。6、導軌的選型思路由于工作臺的運動部件重量和工作載荷不大，故選用直線滾動導軌副，從而減小工作臺的摩擦系數(shù)，提高運動平穩(wěn)性。7、滾珠絲桿選型思路為保證一定的傳動精度和平穩(wěn)性以及結構的緊湊，采用滾珠絲杠螺母傳動副。為提高傳動剛度和消除間隙，采用有預加載荷的結構。8、絲桿和電機連接零件的選取思路因電動機經(jīng)過聯(lián)軸器直接與絲杠聯(lián)接,進給傳動系統(tǒng)的傳動精度和傳動剛度較高，使機械結構簡單，所以絲桿和電機連接零件采用聯(lián)軸器連接。9、支承座材料的選取初選支承座材料為灰鑄鐵HT150，因其耐磨耐腐蝕，剛度高，抗震性好。10、軸承類型的選取初步設計滾珠絲杠的支承的安裝采用固定—支承式，軸承主要承受軸向載荷，所以固定端選用向心推力軸承，支持端選用深溝球軸承。機械部分改裝設計與計算1、確定工作臺的尺寸及其重量根據(jù)設計要求，能加工的工件的最大面積為220mm×190mm,因此初定工作臺尺寸為300mm×270mm×40mm?？紤]到加工時工作臺受到?jīng)_擊和振動，所以選工作臺材料為灰鑄鐵HT150，密度為7.2×103kg/m3（取g=10N／kg）。工作臺的質量為：m1=0.30×0.27×0.04×7.2×103≈23kgX向拖板(上拖板)與Y向拖板(下拖板)所選材料為HT150，尺寸為:長×寬×高=270mm×270mm×20mm上、下拖板總質量為：m2=2×0.27×0.27×0.02×7.2×103≈21kg初步取導軌座的長為650mm,寬為270mm，高為30mm，材料為HT150，則m3=0.65×0.27×0.03×7.2×103≈38kgX-Y工作臺運動部分總重量為:m總=m1＋m2＋m3+m=23+21+38+200=282kg考慮到夾具、電動機等其它因素，取m總=350kg2、滾珠絲桿參數(shù)計算與選型初選絲杠材質：CrMnTi鋼，HRC56～62，導程：p=5mm⑴求出螺旋傳動的計算載荷FCFC=KEKHKLFm其中，KF—為載荷系數(shù)，取1.5KH—為硬度系數(shù)，取1.0KL—為精度系數(shù)，取1.0Fm—為絲杠工作時的軸向壓力，F(xiàn)m=μm總g=0.004×350×10=14N（μ為導軌的摩擦系數(shù)，取0.004m總為最下面的絲杠以上的所有質量）FC=1.5×1.0×1.0×14=21N⑵額定動載荷及壽命計算初步確定滾珠絲桿的規(guī)格型號。選擇的滾珠絲桿副的額定動載荷Ca,必須大于其計算值：Ca—額定動載荷（N）；nm—螺桿的平均轉速，取100r/minLh—運轉壽命（h）；Fc—螺旋傳動的計算載荷（N）假設滾動絲桿能工作6年，每年365天，每天工作8小時，則Lh=6×365×8=17520h根據(jù)Ca>C'a原則，在網(wǎng)上查/products.asp?id=444得，選滾珠絲杠的規(guī)格型號為：SFU1605-4，其公稱直徑為16mm，導程為5mm，動靜載荷分別為780N和1790N。3、滾動導軌參數(shù)計算與選型⑴計算導軌的工作壽命Th（小時），要求壽命不低于5年；設一天工作8小時，一年365天，工作6年，則Th=6×365×8=17520h⑵計算導軌行程長度壽命Ts（Km），Ts=2ThLsn/1000其中，Ls單向行程（取0.5m），n為每分鐘往復次數(shù)（取6次/分鐘）Ts=2×17520×0.5×6×60/1000=6307km⑶計算導軌的額定動載荷Ca（N）因鉆床的切削力大概是工作臺重的1-1.2倍，所以設每根導軌上有2塊滑塊，每個滑座承受的工作載荷為F,則可由求得：=⑷根據(jù)額定動載荷Ca確定滾動導軌的型號及結構尺寸在網(wǎng)上查：/product.asp選擇四向等載荷KL標準型滑塊及滾動直線導軌，其參數(shù)如下：根據(jù)Ca>C'a原則，選取LG20KL型號的導軌。4、步進電機參數(shù)計算與選型由機床精度要求確定脈沖當量δ及步距角α：α=360δλ／p脈沖當量δ是一個進給指令時工作臺的位移量，應小于等于工作臺的定位精度，由于定位精度為±0.02mm,因此選擇脈沖當量為0.01mm。則步距角為：α=360δλ／p=360×0.01×1/5=0.72°（1）電機軸上的總當量負載轉動慣量的計算J總≈J1+J2+J轉子①絲杠的轉動慣量：（㎏·㎡）其中,ρ為絲杠密度取7.8×103㎏/m3,d為絲杠的等效直徑（m），為絲杠長度（m）。d=16×10-3mm=0.6m則，（㎏·㎡）②工作臺、工件、夾具、支承座等等折算到電機軸上的轉動慣量：（㎏·㎡）其中，m總為總的質量（kg），p為絲杠導程（mm）③電機轉子的轉動慣量小的場合，可忽略不計。所以，J總=J1＋J2=0.30×10-4+2.22×10-4=2.52×10-4（㎏·㎡）（2）電機軸轉矩的計算①空載啟動時，電機軸上的慣性轉矩：其中，△t為電機加減速時間（s），p為絲杠導程（m），Vmax為工作臺快進速度（m/s）,λ為傳動比△t=0.1sp=0.005mVmax=3.6m/min=0.06m/sλ=1則，（Nm）②電機軸上的當量摩擦轉矩（工作臺及工件重量引起）η為伺服傳動鏈的總效率，可取0.8，則=（Nm）③因絲杠副預緊力引起的電機軸上的附加摩擦轉矩設預緊力為最大軸向載荷的1/3，則為滾珠絲杠螺母副未預緊時的傳動效率（取0.9），則（Nm）空載啟動時電機軸上的最大靜轉矩：（Nm）所選取的步進電機的最大靜轉矩Ts需滿足：在網(wǎng)上查：/product.asp?Action=Detail&ID=28由上表可選步進電機的型號為：90BYG5502其外形及參數(shù)如下：矩頻特性如圖:步進電機選型時，必須同時滿足轉動慣量及靜轉矩的要求，即應進行慣量匹配驗算：（為所選電機的轉動慣量）最大靜轉矩：步進電機的最大運行頻率f滿足：所以，所選的型號為90BYG5502的步進電機合適。5、支承座參數(shù)設計設計滾珠絲杠的支承的安裝采用固定—支承式，即一端裝止推軸承，另一端裝深溝球軸承。如下圖所示：根據(jù)滾珠絲杠的公稱直徑為16mm，因此我選擇固定端的軸承內徑為12mm，支持端的軸承內徑為12mm。因為安裝采用一端固定一端游隙的方式，考慮到固定端是主要受力端，主要承受軸向力，同時也承受輕微的徑向力，所選用7201角接觸球軸承成對對稱安裝，支承端選用6201深溝球軸承，考慮到防塵問題，所以選用兩面帶防塵蓋型的軸承。在網(wǎng)上查/product_detail.asp?id=79，得在網(wǎng)上查/Show.asp?ID=14195，得因此，固定端支承座與軸承裝配的尺寸為32mm，支承端支承座與軸承的搭配尺寸為32mm。固定端軸承座外形如下圖：支持端軸承座外形如下圖：6、聯(lián)軸器的選擇伺服電機與絲杠之間的聯(lián)接我選用梅花聯(lián)軸器聯(lián)接，因為梅花聯(lián)軸器具有搞扭轉剛性和卓越靈敏度，可吸收偏角、偏心、軸向偏差和振動。網(wǎng)上查/ProShow.asp?ID=260得，根據(jù)步進電機的主軸直徑為14mm，滾珠絲杠前端直徑為10mm，聯(lián)軸器可選的型號為：G6-30T，其外徑為30mm，兩端孔徑分別為14mm、10mm。四設計總結經(jīng)過幾個星期時間的課程設計，在老師的指導和同學們的幫助下完成了一套簡易的數(shù)控XY工作臺的設計，其中內容包括總體設計方案，機械部分的設計、計算及選型。剛開始時還不知道XY工作臺結構是什么樣的，通過上網(wǎng)查閱大量的有關資料，才初步了解其結構，覺得XY工作臺的結構看起來很簡單，但隨著設計的進行，發(fā)現(xiàn)自己有好多方面是不足的，缺乏很多專業(yè)知識，在設計過程中總是做到后面幾步了才發(fā)覺前面幾步設計出錯，在不斷的修改中，不斷地完善設計，從中更加深刻地了解到XY工作臺的結構及其工作原理，同時，學會了運用手冊、標準等技術資料。通過這次課程設計，從中發(fā)現(xiàn)了自己有很多的不足之處，因此自己需要加強學習、掌握專業(yè)方面的理論知識，提高實踐能力、