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目 录1.设计要求32.系统方案框图及分析说明33.机械系统各部件类型选择及设计计算43.1 初步确定工作台的尺寸及其重量43.2 传动系统设计53.3 滚珠丝杠的设计计算及选择53.4滚动导轨的选择93.5 步进电机的计算及校核93.6 联轴器的选择104.控制系统工作原理框图和设计说明114.课程设计总结与心得体会135.参考资料13钻床改造成数控XY工作台设计黄婉西南大学工程技术学院 重庆1.设计要求1. 系统定位精度要求在0.02mm以内，步进电机选用三相六拍，其脉冲当量为0.01mm/pulse；2. 空载启动时间为1s，最大进给速度为2m/min；3. 能用键盘输入命令，控制工作台的x向、y向运动及实现其他功能，x向的运动范围为0180mm，y向运动范围为0200mm；4. 能实时显示工作台的当前运动位置；5. 具有越程指示报警及停止功能；6. 采用硬件进行环形分配，字符发生及键盘扫描均由软件实现。2.系统方案框图及分析说明图1 开环伺服系统结构原理图采用微机对传统加工机床进行改造有两种方法，一种是以微机为中心设计控制系统，另一种是采用标准步进电机数字控制系统作为主要控制装置。前者需要重新设计控制系统，比较复杂；后者选用国内标准化的微机数控系统，比较简单。这种标准的微机数控系统通常采用单板机、单片机、驱动电源、步进电机及专用控制程序组成的开环控制，如图1所示。对机床而言，控制过程大多是由单板机或单片机，按照输入的加工程序进行插补运算，由软件或硬件实现脉冲分配，输出一系列脉冲，经功率放大驱动纵、横轴的步进电机来实现的。1、 微型机：选择单片机，必要时进行存储器扩展和I/O口扩展；2、 接口电路：根据实际进给运动的需要设计；3、 功放电路：将脉冲信号进行放大，以驱动步进电机运转；4、 执行元件：通常采用步进电机；5、 传动机构：将旋转运动转换为直线运动，选择丝杠螺母传动，步进电机和丝杠螺母间的运动通过联轴器或减速器传递；6、 执行机构：伺服系统中多用塑料贴面滑动导轨和滚动导轨。3.机械系统各部件类型选择及设计计算图2 机械传动原理图3.1 初步确定工作台的尺寸及其重量 根据设计要求，所取的能够加工的最大面积为180mm200mm，最大工件的重量为150kg。因此初定工作台的尺寸为22022015mm3。工作台的材料为45钢，其密度为7.85103kg/m3。（取g=9.8N/kg）因此：工作台（X向托板）m1=220220157.85103=5.7kgG1= 2202201510-97.851039.8=55.85N 取Y向托板=X向托板m2= m1=5.7kg G2=G1=55.85N上导轨座（连电机）重量初步取导轨座的长400mm，宽为150mm，高为30mm，但导轨座中间有一大空缺，空缺部分大约2807030mm3。因此m3=(40015028070)3010-97.8103=9.52kgG3=m3*g=9.529.8=93.24N所以根据上面所求，得XY工作台运动部分的总重量为：G=G1+G2+G3=55.852+93.24=204.94N根据要求所知，其最大加工工件为150kg，另外，还有丝杠、电机、联轴器等，大约3kg，因此：m4=3kgG总=(150+3)9.8+204.94=1704.34N3.2 传动系统设计=0.01mm，初选步进电机型号110BF003，步距角=0.75o，取丝杠导程Ph=5mm,根据传动比公式可得：由此可知，可直接选择联轴器而不用减速器。3.3 滚珠丝杠的设计计算及选择 由于钻床切削时产生的轴向切削力很小并且工作台是点位系统，滚珠丝杠运动与静止时都不受由于切削而引起的轴向阻力，故切削力可忽略不计。因此滚珠丝杠的负荷只有运动部件的重量所引起的摩擦阻力。Fm=Fz=0.041704.34=68.1736N，其中为淬火钢的摩擦因数。载荷系数KF=1.2，无冲击平稳运转硬度系数KH=1.0，45钢HRC58精度系数KH=1.1，数控机床精度要求选用3级故Fc=KFKHKHFm=1.21.01.168.1736=89.989N3.3.1确定动载荷及其使用寿命根据丝杠动载荷公式： 式中： C：额定动载荷 Lh：使用寿命 FC：静载荷 ：丝杠的平均转速因工作台最大进给速度为2m/min，丝杠导程为5mm，可得最大转速为，取平均转速取L=15000h，则3.3.2滚珠丝杠的选取 根据滚珠丝杠的基本导程及额定动载荷，查表1，选取滚珠丝杠的型号为FFB1605-4 ，其公称直径为d=16mm，公称导程为Ph=5mm，动、静载荷分别为7.8KN和17.9KN。图3 滚珠丝杠结构形式 表1 滚珠丝杠型号参数表在表1中查得，钢球直径为滚道半径丝杠底径为，为了制造方便，取偏心距3.3.3稳定性计算及校核1) 因螺杆较长，所以稳定性验算应以下式求临界载荷：式中：E：螺杆材料的弹性模量，查材料力学表，取E=206GPa Ia：螺杆危险截面的轴惯性矩 ：长度系数，双推简支式=2/3 丝杠的有效长度是220mm，丝杠是安全的，不会失稳。2) 高速运转时，需验算其是否会发生共振的最高转速，要求丝杠最高转速。临界转速按此公式计算，不会发生共振，满足要求。3.3.4刚度验算按最不利的情况考虑，螺纹螺距因爱轴向力引起的弹性变形与受转矩引起弹性变形方向是一致的，所以每一导程的变形量为 扭矩，式中 所以： 最小截面积为每米螺纹度上的螺纹距离弹性变形为，满足精度要求，刚度合格。3.3.5效率验算 3.4滚动导轨的选择根据机床要求，由于导轨副行程不是很长，可以选择相对来说成本低的滚动体不循环的滚针导轨副，材料选择灰铸铁HT200，硬度180200HB，采用脂润滑，可以保证一次装填，长期使用。3.5 步进电机的计算及校核3.5.1 负载惯量的计算 由于试算出的传动比很接近1，所以不要减速器，电动机轴直接通过联轴器和丝杠相连，负载的转动惯量也无需等效换算。丝杠的转动惯量工作台的转动惯量工件的转动惯量查表得转子转动惯量为，惯量匹配。3.5.2 负载转矩的计算等效负载转矩计算公式启动惯性阻力矩的计算这里以最不利于启动的快进速度进行计算，启动加速度时间为，由于电动机转速，取加速时间为等加速梯形曲线，故角加速度为，则步进电机输出轴上总负载转矩当整体机械传动系统总效率时，为避免计算误差和转矩突然增大引起步进电机丢步而引起加工误差，取安全系数K=1.4,则步进电机的总负载转矩。若采用预选的电动机110BF003，其最大静转矩为，由表3-7可知，故电机能满足要求。3.6 联轴器的选择上述所选电机轴径为11mm,而丝杠公称直径为16mm，转矩不大，可选择公称转矩为16的LT2型联轴器。4.控制系统工作原理框图和设计说明4.课程设计总结与心得体会经过两周的课程设计，最终完成了钻床改造成为数控车床的任务。重点是各部件类型的选择和计算校核。其中有些表格是网上查阅的，有些数据是参考的经验数据，结果可能会有偏差，但是应该不会太大，能保证设计合理，最终的数控车床能完成指定要求。由于本人经验不足，专业水平有限以及一些不可预见的因素，所以设计中也必定会出现一些问题，恳请老师批评指正。这次课程设计给了我很大的帮助，不管现在还是对我以后的工作。5.参考资料【1】张建明，等编著.机电一体化系统设计（第三版）.北京：高等教育出版社，2007.7【2】吴宗泽，罗圣国主编.机械设计课程设计手册（第3版）.北京：高等教育出版社，2006.5【3】刘鸿文主编.材料力学I（第五版）. 北京：高等教育出版社，2011.1【4】胡健主编，刘玉宾、朱焕立等编著.单片机原理及接口技术.北京：机械工业出版社，2004.10
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