XY工作台课程设计数控.doc

数控机床课程设计说明书 设计课题 X Y 数控工作台设计 院 别 专业班级 学 号 姓 名 指导老师 目录 摘要 I 一 前言 1 二 设计任务 1 三 设计主要步骤 2 一 确定设计总体方案 2 1 初拟机械传动部件方案 2 2 方案对比分析 2 3 最终方案 3 二 机械传动部件的计算与选型 3 1 导轨上移动部件的重量估算 3 2 计算切削力 3 3 滚珠丝杠传动设计计算及校验 5 4 步进电机的传动计算及电动机的选用 10 5 滑动导轨的设计计算 16 6 其余部件的选取 17 结论 20 致谢 21 参考文献 21 摘要 21 世纪以来 人类经济高速发展 人们生活发生了日新月异的变化 微处理器 微型计算机在各技术领域得到了广泛应用 对各领域技术的发展起到了极大的推动作 用 一个较完善的机电一体化系统 应包含以下几个基本要素 机械本体 动力与驱 动部分 执行机构 传感测试部分 控制及信息处理部分 机电一体化是系统技术 计算机与信息处理技术 自动控制技术 检测传感技术 伺服传动技术和机械技术等 多学科技术领域综合交叉的技术密集型系统工程 新一代的 CNC 系统这类典型机电一 体化产品正朝着高性能 智能化 系统化以及轻量 微型化方向发展 关键字 十字工作台 滚珠丝杠 滚动导轨 步进电机 Abstract Since the 21st century the human economy has developed high speed the people live have had the change which changes with each new day the microprocessor the microcomputer 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 agency 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 and the mechanical skill and so on multi disciplinary area of technology synthesis overlapping technology intensive systems engineering New generation s CNC system this kind of model integration of machinery product toward the high performance the intellectualization the systematization as well as the featherweight the microminiaturized direction develops key words Cross table Ball screw Rolling guide Stepper motor 一 前言 当今世界数控技术及装备发展的趋势及我国数控装备技术发展和产业化的现状 在我国对外开放进一步深化的新环境下 发展我国数控技术及装备 提高我国制 造业信息化水平和国际竞争能力的重要性 并从战略和策略两个层面提出了发展我国 数控技术及装备的几点看法 装备工业的技术水平和现代化程度决定着整个国民经济的水平和现代化程度 数 控技术及装备是发展新兴高新技术产业和尖端工业的使能技术和最基本的装备 又是 当今先进制造技术和装备最核心的技术 数控技术是用数字信息对机械运动和工作过 程进行控制的技术 而数控装备是以数控技术为代表的新技术对传统制造产业和新兴 制造业的渗透形成的机电一体化产品 其技术范围覆盖很多领域 数控机床 课程设计是一个重要的时间性教学环节 要求学生综合的运用所学 的理论知识 独立进行的设计训练 主要目的 1 通过设计 使学生全面地 系统地了解和掌握数控机床的基本组成及其想关知 识 学习总体的方案拟定 分析与比较的方法 2 通过对机械系统的设计 掌握几种典型传动元件与导向元件的工作原理 设计 计算及选用的方式 3 通过对机械系统的设计 掌握常用伺服电机的工作原理 4 培养学生独立分析问题和解决问题的能力 学习并树立 系统设计 的思想 5 锻炼提高学生应用手册和标准 查阅文献资料及撰写科技论文的能力 二 设计任务 设计一套供立式数控铣床使用的 X Y 数控工作台 主要参数如下 1 立铣刀最大直径的 d 15mm 立铣刀齿数 Z 3 最大铣削宽度 15mm 最大背吃刀ca 量 8mm 加工材料为碳素钢或有色金属 pa 2 X Z 方向的定位精度均为 0 02mm 3 工作台面尺寸为 230mm 230mm 加工范围为 250mm 250mm 4 工作台空载进给最快移动速度 工作台进给最快移动maxya30 minV 速度 加减速 0 4s maxya40 inV 三 设计主要步骤 一 确定设计总体方案 1 初拟机械传动部件方案 方案一 丝杠螺母副的选择 滚珠丝杠 内循环 导轨副的选择 滑动导轨 伺服电动机的选择 步进电机 减速装置的选择 消隙式齿轮减速箱 方案二 丝杠螺母副的选择 滚珠丝杠 外循环 导轨副的选择 滚动导轨 滚珠 伺服电动机的选择 步进电机 减速装置的选择 无 直接用联轴器将电动机与丝杠连接 变速直接由脉冲频率来控制 2 方案对比分析 1 丝杠螺母副的选择 对于设计条件 X Y 方向定位精度均为 0 02mm 丝杠的精度要比定位精度要高 可见只有选用滚珠丝杆副才能达到要求 滚珠丝杆副的传动精度高 动态响应快 运 转平稳 寿命长 效率高 预紧后可消除反向间隙 经对比 最终选择内循环滚珠丝杠 因为这样摩擦损失小 传动效率高 且径向 尺寸结构紧凑 轴向刚度高 由于安装定位精度不是很高 故选用垫片消隙式进行调隙 这种方法结构简单 刚性好 装卸方便 适用于一般精度的机构 导轨副的选择 要设计的数控铣床工作台 需要承受的载荷不大 对于设计任务精度要求为 0 02mm 要求精度较高 因此选用直线滚动导轨副 它具有摩擦系数小 不易爬行 传动效率高 结构紧 安装预紧方便等优点 伺服电动机的选择 为保证定位精度 选用步进电机作为伺服电机 步进电机精度很高 开环接入也 满足本设计精度要求 根据任务要求 空载最快移动速度为 3000mm min 故本设计不 必采用高档次的伺服电机 综合考虑之后选用的电机为混合式步进电机 提高产品经 济性 减速装置的选择 选择了步进电动机和滚珠丝杆副以后 为了圆整脉冲当量 放大电动机的输出转 矩 降低运动部件折算到电动机转轴上的转动惯量 可能需要减速装置 且应有消间 隙机构 如果要选用减速装置 则应选用无间隙齿轮传动减速箱 但步进电机本身就 有调速功能 此处设计工作台很小 输出扭矩与惯量负载都很小 步进电机可以承受 所以此处不需要额外减速装置 3 最终方案 丝杠螺母副的选择 滚珠丝杠 内循环 导轨副的选择 滚珠导轨 伺服电动机的选择 步进电机 混合式 减速装置的选择 无 二 机械传动部件的计算与选型 1 导轨上移动部件的重量估算 按照下导轨上面移动部件的重量来进行估算 包括工件 夹具 工作平台 上层 电动机 减速箱 滚珠丝杠副 直线滚动导轨副 导轨座等 估计重量约为 800N 2 计算切削力 根据任务条件 1 立铣刀最大直径的 d 15mm 立铣刀齿数 Z 3 最大铣削宽度 15mm 最大背吃刀量 8mm 加工材料为碳素钢或有色金属 capa 设铣刀为硬质合金铣刀 工件材料为碳素钢 由 2 P170 表 10 1 可知 d 15mm 的硬质合金立铣刀最大的切削参数如下 每齿进给量 fz 0 15mm 粗取铣刀转速 n 300r min 查得立铣时切削力计算公式为 0 85 70 31 0cezp1afdanZF 将以上各值代入得 1671N 5 7 1083N 采用立铣刀进行圆柱铣削时 由上表可得各切削了之间的关系为 1 0 1 2 取 1 1fF c 0 2 0 3 取 0 25fn 0 35 0 4 取 0 38ec 因为逆铣的情况的受力最大的情况 为了安全考虑这种最危险的工况 由此可估 算三个方向的铣削力分别为 与丝杠轴线平行 1 83fcFN 与丝杠轴线垂直 0254fn 与工作台面垂直 6ec 相对于工作台 以上各分力方向分别对应 纵向铣削力 xfF 183N 径向铣削力 yfn4 垂直工作台切削力 ze65 3 滚珠丝杠传动设计计算及校验 最大工作载荷的计算 已知移动部件总重量 G 800N 按滚动导轨计算 滚动导轨上的摩擦系数查 3 中 P194 可知 0 0025 0 005 为安全考虑现取 0 005 求得滚珠丝杠副的最大工 作载荷 xF F eqyZuG 1838 0 005 418 635 800 1847N 最大计算动载荷的确定 任务条件提出工作台进给最快移动速度为 V 400mm min 初选丝杠导程 P 5mm 则 此时丝杠转速 v P 80r min eqn 有网上收集资料得知 每天工作 8 小时 每年工作 360 天 一般滚珠丝杠的精度 在 3 到 5 年后严重下降 所以预计滚珠丝杠工作寿命为 4 年 所以使用寿命为 T 4 360 8 11520h 根据 3 p110 中公式 5 4 得 601eqnT 6N 其中 T 使用寿命 11520 h N 循环次数 滚珠丝杠的当量转速 80r mineqn 求得 55 608152T 610r 查 3 中 P110 表 5 1 5 2 得 受中等冲击载荷取值范围 现取 1 2 5df 1 3df 滚道硬度为 60HRC 时 硬度影响系数取值 由 3 中 P109 式 5 3 hf 3 cdheqCTfF 将以上数据代入得 9131N351 0847cC 型号规格的初选 表 1 山东博特精工股份有限公司 G GD 系列滚珠丝杠 网上查得的山东博特精工股份有限公司 G GD 系列滚珠丝杠如上 根据以上初选 丝杠导程和计算出的最大动载荷 选用山东博特精工股份有限公司 GD 系列 2005 3 型 滚珠丝杠副 为内循环固定反向器双螺母垫片预紧式滚珠丝杠副 其公称直径为 20mm 导程为 5mm 循环滚珠为 3 圈 2 系列 精度等级取 5 级 螺母安装尺寸 L 80mm 额定动载 荷为 9309N 大于最大计算动载荷 9131N 满足要求 其他详细cC 参数可由上图得出 滚珠丝杠螺母副几何参数 单位 mm 名 称 符 号 计算公式和结果 公称直径 0d20 螺距 P 5 接触角 4 钢球直径 wd3 175 丝杠滚道 螺纹滚道法面半径 R0 521 6wd 偏心距 e0 49 螺纹升角 arc3 hwPtgd 丝杠外径 1d19 3 丝杠底径 26 丝杆 螺杆接触直径 z cos17 5zwbd 螺母螺纹外径 D0232eR 丝杠螺母 螺母内径 内循环 1 4 传动效率的计算 由上表可知丝杠的螺旋升角为 4 33 将摩擦角 10 代入 tan tan 得传动效率 96 4 刚度的校验 对于这种较高精度 中等载荷的丝杠 我们两层工作台都采用一端固定一端游动 的安装方式 即一端采用深沟球轴承 一端采用一对背对背角接触球轴承 丝杠螺母的刚度的验算可以用接触量来校核 a 滚珠丝杠滚道间的接触变形量 查 4 中相关公式 根据公式 求得单圈滚珠数 Z 20 该型号丝杠为双螺母 滚珠的圈数 列数为0 WZd 3 2 代入公式 Z 圈数 列数 得滚珠总数量 120 丝杠预紧时 取轴向预紧 Z 力 3 616N 查 4 中相关公式 得 滚珠与螺纹滚道间接触变形 eqFy 式中 Pa 3310 wyPadFz 3310 wyPadFz 因为丝杠有预紧力 且为轴向负载的3 847 15620 16 1 3 所以实际变形量可以减少一半 取 0 0008mm b 丝杠在工作载荷 作用下的抗拉压变形maxF2 丝杠采用的是一端采用深沟球轴承 一端采用一对背对背角接触球轴承的配置形式 轴承的中心距 a 500mm 钢的弹性模量 E 2 1 10 MPa 由表一中可知 滚珠直径 5 3 175mm 丝杠底径 16 2mm 则丝杠的截面积 S 206 12 有公式wd2d2d 4 2m 2F eqaES 其中 最大工作载荷 1847N 中心距 a 500mm 由机床设计手册零件部分查得 弹性模量 E 2 1 10 MPa 5 截面积 S 206 122d 4 2m 代入以上数据 得 0 0213mm2 则 总 1 2 0 0008 0 0213 0 0187mm 18 7 根据网络版机械设计手册查得 设计任务要求加工范围为 250mm 250mm 所以取丝杠有效行程为 290mm 由上图可知 5 级精度的丝杠有效行程小于 315mm 时 行程偏差允许到 23 可见丝杠刚度满足 m 稳定性的验算 根据 5 P115 公式 4 18 对于细长丝杆 不会发生失稳的最大压缩载荷为临界力 erF 41023 erfdFL 式中 m 20 wdD 为丝杆公称直径 m 0 为滚珠丝杠直径 m wD 为丝杠最大受压长度 m 滚动螺母至轴向固定处的距离 L 取最大值0L 365mm 为丝杠支承方式系数 当一端固定一段游动的时 1f 12 0f 代入相应数字得 41023 erfdFL 4102 6 35 35155N 取压杆稳定系数 K 为 3 丝杆卧式水平安装 则 临界力大于额定动载荷 Cc 9131N 所以满足eraFP 51 78N 使用要求 临界转速的验算 对于丝杠有可能发生共振 需验算其临界转速 不会发生共振的最高转速为临界 转速 由 5 中 P115 式 4 19 得 cn 2cfdn910L 其中 20 1 2 3 175 16 19mm20wd1 D 为临界转速计算长度cLc216 d 为丝杠支承方式系数 一端固定 一端游动时 3 9272f 2f 代入数据得 n c 9428r min 临界转速远大于丝杠所需转速 故不会发生共振 滚珠丝杠的选型及安装连接尺寸的确定 通过以上验算可知初选的 GD2005 3 型的丝杠是完全满足要求的 故确认选用该 型号 其安装连接尺寸可由以上表 1 中得出 4 步进电机的传动计算及电动机的选用 传动计算 根据设计任务要求 机床加工精度为 0 02mm 选用脉冲当量为 0 01 mm Hz 丝杠导程为 5mm 又由于初定方案中不用减速箱 而用联轴器直接将电动机与丝杠连接 所以取减速比为 i 1 算的电机步距角 360i P b 0 72 步进电机的计算及选型 步进电动机转轴上的总转动惯量的计算 总转动惯量 J 主要包括电动机转子的转动惯量 滚珠丝杠上一级移动部件等折算到 电动机轴上的转动惯量 滚珠丝杠的转动惯量 J 由 3 中 P134 式 5 28 得 4120 7DL 式中 D 为丝杠公称直径 D 20mm L 为丝杠长度 有效行程 螺母长度 设计余量 两端支撑长度 轴 承宽度 锁紧螺母宽度 裕量 动力输入连接长度 如果使用联轴器则大致是联轴器长 度的一半 裕量 290 80 20 100 40 530 代入数据得 J 0 77 20 530 10 6 53 10 kg 412 5 滚珠丝杠上一级移动部件等折算到电动机轴上的转动惯量 由 3 中 P134 式 5 29 得 262 0sJM 其中 M 为工作台的 包括工件 的质量 M 81 6kg809 Gg S 为丝杠螺距 S 5mm 代入数据 得 265225 81 0 1 Jkm 初选常州宝马前杨电机电器有限公司的 90YG5502 型混合式步进电动机 可 知其转子的转动惯量 430kg 所以 6 53 10 5 2 10 4 10 5 2 10 N m12dJJ 55 4 4 验算惯量匹配 电动机轴向惯量比值应控制在一定的范围内 既不应太大也不应太小 即伺服系统的动态特性取决于负载特性 为使该系统惯量达到较合理的配合 一般比 值 控制在 1 4 1 之间 0 3123J 4 由此可见 符合惯量匹配要求 123J4 J3 步进电机转轴上的等效负载转矩 M 的计算 a 承受的负载转矩在不同工况下是不同的 考虑最大切削负载时电动机所需力 矩 由 3 中 P132 式 5 25 得 10atftM 其中加速力矩 9 6ratJnT 其中 为折算到电动机轴上的总惯量 5 2 10r rJd4 T 系统时间常数 由任务书知为 T 0 4S 切削时的转速为 300r mintn 得 Mat 0 041 N m 45 210396 摩擦力矩 30fFSi 其中 为导轨摩擦力0 63580 57 2ZFGuN S 为丝杠螺距 S 5mm i 为齿轮降速比 已计算出为 1 为传动链总效率 0 7 0 8 取 0 8 代入数据 得 N m0 7fM 附加摩擦力矩 23max00 1 FSi 其中 为最大轴向载荷 Famax Fx 1838Nax 为滚珠丝杠未预紧时的效率 0 95 0 9 0 0 其余数据同上 代入数据 得 N m0 178M 切削力矩 其中 进给方向的最大切削力3102ttFSMi tF183txFN 其余参数同上 代入数据得 N m1 89t 由此都得到等效负载转矩 N m102 atftM b 快速空载时电动机所需力矩 M 由 3 中 P132 式 5 24 得 max0f 加速力矩 maxax9 6rJnMT 其中 max1530 in hVnrP 其余参数同上 代入数据得 N mmax0 31 摩擦力矩 2 fGSuMi 其中 u 为导轨副的摩擦因数 滑动导轨取 u 0 005 其余参数同上 代入数据得 N m0 4f 附加摩擦力矩 23max00 1 FSMi 其余参数同上 代入数据得 N m0 78 所以可知快速空载时电机所需力矩 0 213N m2max0fM 比较 和 取其较大者 就是最大等效负载 即 2 0N M1M2 1M 步进电动机的初选 考虑到步进电机的驱动电源受电网的影响较大 当输入电压降低时 其输入转 矩也会下降 可能会造成丢步 甚至堵转 因此按最大等效负载 M 考虑一定的安全 系数 取 2 5 则步进电机的最大静转矩应满足 N mmax32 50 jTM 由所选的电机型号参数可知 最大转矩 N m 可知所选电动机型号刚好max5jT 适合 步进电动机的性能校核 1 最快工进速度时电动机时输出转矩校核 任务书给定工作台最快工进速度 400mm min 脉冲当量 脉冲 maxfV0 1m 求出电动机对应的运行频率 从 90BYG5502 电动机的max 40 6 1 67f Hz 运行矩频特性曲线图 下图 可以看出在此频率下 电动机的输出转矩 4N m maxfT 远远大于最大工作负载转矩 1 94N m 满足要求 2eqT 2 最快空载移动时电动机输出转矩校核 任务书给定工作台最快空载移动速度 3000mm min 求出其对应运行频maxv fmax 3000 60 0 01 5000Hz 由图查得 在此频率下 电动机的输出转矩 3 2N m 大于快速空载起动时的负载转矩 0 213N m 满足要求 maxT 1eqT 3 最快空载移动时电动机运行频率校核 与快速空载移动速度 3000mm min 对应的电动机运行频率为 查上图maxv max50zfH 技术参数中相应表格 可知 90BYG5502 电动机的空载运行频率可达 20000 可见没 有超出上限 4 启动频率的校核 已知电动机转轴上的总转动惯量 电动机转子的转动惯量25 eqJkgcm 电动机转轴不带任何负载时的空载起动频率 由式可知2mJkgc 20qzfH 步进电动机克服惯性负载的起动频率为 1381 qLemff zJ 说明 要想保证步进电动机起动时不失步 任何时候的起动频率都必须小于 实际上 在采用软件升降频时 起动频率选得更低 通常只有 138Hz 10Hz 综上所述 本次设计中工作台的进给传动系统选用 90BYG5502 步进电动机 完全 满足设计要求 5 滑动导轨的设计计算 工作载荷的计算 工作载荷是影响导轨副寿命的重要因素 对于水平布置的十字工作台多采用双导 轨 四滑块的支承形式 考虑最不利的情况 即垂直于台面的工作载荷全部由一个滑 块承担 则单滑块所承受的最大垂直方向载荷为 max4GF 其中 移动部件重量 G 800N 外加载荷外加载荷 635FeN 得最大工作载荷 ax8350 Nk 小时额定工作寿命的计算 预期工作台的工作寿命为 4 年 取工作时间为 360 天 每天工作 8 小时 因此得 到小时额定工作寿命 1520hL 距离额定寿命计算 由公式 从而得到 3260hnS 32601hLnS 式中 为小时额定工作寿命 hL n 为移动件每分钟往复次数 4 6 取 5 S 为移动件行程长度 由加工范围为 250mm 250mm 取 290mm 代入数据 得 L 2004km 额定动载荷计算 由公式 36 25 aCF 从而得到 6 25L 式中 为额定动载荷a L 为距离工作寿命 由上式可知为 2004km F 为滑块的工作载荷 由上式可知为 835N 代入数据得 5715NaC 产品选型 根据额定动载荷 选择滚动导轨 查滚动导轨生产厂家 烟台同升科技发展 有限公司的 EGW 15CA 型 相关数据如下 可知额定动载荷为 7 83KN 大于 5715N 所以满足要求 6 其余部件的选取 1 联轴器的选择 选用伺服电机常用的挠性联轴器 挠性联轴器特点如下 根据大于最大工作负载转矩 2 0N m 电动机轴径 14mm 选择沧州天硕联轴器有2eqT 限公司的 TS2 25S 型梅花联轴器 具体参数如下图 2 轴承的选择 由于丝杠直径为 20 其与轴承连接处直径为 15 根据国标 GB T292 2007 选用单列 角接触球轴承 7002AC 型 根据国标 GB T 276 1994 选用 6002 型深沟球轴承 3 卡簧的选择 网上查的卡簧规格参数如下 由轴径为 15 选择相应卡簧 结论 整个系统采用开环控制系统 进给系统采用了 GDM 系列滚珠丝杠副 其型号为 2005 3 以提高整个系统的进给要求 根据切削力的分析选用滚动导轨 减少摩擦损 失 同时保证了强度与精度要求 伺服系统采用了混合步进电机通过弹性联轴器直接 与滚珠丝杠连接驱动丝杠传动 而且轴承采用的是角接触轴承保证其主轴不窜动 采 用一个深沟球轴承来保证其径向的圆跳动 选用 0 72 步距脚的控制伺服电机单位正 转 反转及转速 同时为了保证一定的精度的要求 在设计中我们兼顾经济性 考虑 满足精度的要求 因此对于设备及元件的选择都要求具有高精度 因此设计的成本较 高 致谢 这次的课程设计是对过去所学专业知识的一个全面的综合的运用 在设计的过程 中我全面地温习了以前所学过的知识 包括机械设计基础和机械制图方面的基础知识 进一步掌握了整个设计的步骤 经过复习整理所学得专业知识使得设计思路清晰系统 通过设计使我更加接近生产实际 锻炼了将理论运用于实际的分析和解决实际问题的 能力 巩固 加深了有关机械设计方面的知识 还有很重要的一点是让我体会到了一个设计者的精神 在设计过程中既要自己不 断思考 创造 又要注意借用现有的资料 掌握了查阅和使用标准 规范 手册 图 册 及相关技术资料的基本技能以及计算 绘图 数据处理等方面的能力 通过对通用机械零件 常用机械传动或简单机械的设计 掌握了一般机械设计的 程序和方法 借助于 CAD 软件绘图 不但更加熟练地掌握 CAD 软件的应用 而且有助 于树立正确的工程设计思想 培养独立 全面 科学的机械设计能力 在整个设计过程中 发现了自己的很多不足 比如基础的遗忘 没有掌握更快捷 方法等 有很多地方都要参考 询问其他人 再如设计图形的表达方式 那些该剖 怎样剖才更更清楚等等 发现自己距离真正的设计师还有很大很大的距离 但是 网 络是我们的优势 百度谷歌就是我们万能的导师 相信我们足够努力 我们会一步一 步靠近我们的目标 最后对在整个设计过程中对老师认真 耐心辅导表示衷心的感谢 参考文献 1 吴新佳 数控加工工艺与编程 北京 人民邮电出版社 2009 2 陆剑中 金属切削原理与刀具 北京 机械工业出版社 2005 3 文怀兴 夏田 数控机床系统设计 北京 北京化工出版社 2005 4 李洪 机床设计手册 北京 辽宁科学技术出版社 1999 5 文怀兴 夏田 数控机床系统设计实践指南 北京 北京化工出版社 2008