X-Y数控机床工作台设计.doc

.数控机床课程设计说明书设计题目：X-Y数控机床工作台设计学 院：机械工程学院 专 业：机械工程数控技术方向班 级：机械Y138班 学 号：201300107266姓 名：李 强 指导老师：李 冰 2016年6月19日 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；最大背吃刀量；加工材料为碳素钢或有色金属。2、 X、Z方向的定位精度均为0.02mm。3、工作台面尺寸为，加工范围为4、工作台空载进给最快移动速度：，工作台进给最快移动速度:，加减速0.4s。摘要 本设计是在数控机床工作原理之上设计一台简单的、经济型的XY数控工作台。设计任务是完全围绕数控机床工作原理而展开的，本设计充分体现了机械零部件之间的连接、装配关系，同时也体现了数控机床机械设备部分与电气设备部分的紧密结合。 X-Y数控工作台设计包括总体方案的设计、机械零部件的计算与选型、 步进电机的选用、传动装置的设计。 本设计的经济型数控工作台精度并不高，采用开环系统；机械传动部分采用步进电机直接连接滚珠丝杠，从而驱动工作台进给。关键词： 数控机床 开环系统 传动装置设计AbstractNow the world electronic technology rapidly expand, 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 generations 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: Integration of machinery foundation basic component elements characteristic trend of development.目 录 一、设计内容 4 二、 设计主要步骤 4（一） 确定设计总体方案 41、机械传动部件的选择 42、方案的对比分析 53、最终设计方案 5（二） 机械传动部件的计算与选型 61、导轨上移动部件的重量估算 62、计算切削力 63、滚珠丝杆传动的设计计算及效验 74、步进电动机的传动计算及电机选用 125、滚动导轨的设计计算 18 （三）其余附件的选择 19（四） 控制系统的设计21第一章 致谢 25一、 设计的目的数控机床课程设计是一个重要的实践性教学环节，要求学生综合运用所学理论知识，独立进行的设计训练，主要目的是：1）通过本设计，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相关基本知识，学习总体方案拟定、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、设计计算方法及选用原则。3）通过伺服系统的设计，掌握常用伺服电动机的工作原理、计算选择方法与控制驱动方式。4）培养学生独立分析问题和解决问题的能力，学习并初步树立“系统设计”的思想。5）锻炼提高学生应用手册和标准、查阅文献资料以及撰写科技论文的能力。 二、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）方案三：、丝杠螺母副的选择： 滚珠丝杠（外循环）、导轨副的选择： 滑动导轨（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，由数控机床系统设计P99可得，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，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，由数控机床系统设计P107得，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、最终设计方案：、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G=800N。XY工作台如图所示:X-Y数控工作台外形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；最大背吃刀量；加工材料为碳素钢或有色金属。设铣刀为硬质合金铣刀，工件材料为碳素钢，由切削用量简明手册查阅可知d=15mm的硬质合金立铣刀最大的切削参数如下：由数控加工工艺与编程P24表1-9查得，每齿进给量=0.15mm由数控加工工艺与编程P24表1-10差得，粗取铣刀切削速度计算得，查切削用量简明手册P111得, 取n=15000r/min由切削用量简明手册P110表3.28查得立铣时切削力计算公式为：将以上各值代入得： 采用立铣刀进行圆柱铣削时，查得各切削了之间的关系为：=(1.01.2) 取1.1=(0.20.3) 取0.25=（0.350.4）取0.38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）（与丝杠轴线垂直）（与工作台面垂直）相对于工作台，以上各分力方向分别对应：纵向铣削力径向铣削力垂直工作台切削力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，由数控机床系统设计P180得，滚动导轨上的摩擦系数中可知=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：、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。有网上收集资料得知，每天工作8小时，每年工作300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：根据数控机床系统设计P100中公式得： 其中 T使用寿命由数控机床系统设计P99表5-1查得，取受中等冲击载荷取值范围，取1.3由数控机床系统设计P99表5-2查得，取1.0又因为最小工作载荷为所以代入数据可得：、型号规格的初选根据计算的最大载荷以及初选的丝杠导程，网上查得，如图所示，根据以上初选丝杠导程和计算出的最大动载荷，选用系列2505-3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25mm，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L1=84mm，满足要求。其他详细参数可由图得出。滚珠丝杠螺母副几何参数 （单位mm）名 称符 号计算公式和结果丝杠 滚 道 公称直径25螺距P5钢球直径3.175偏心距滚道曲率半径（取0.5）丝杆丝杠外径24.2丝杠底径21.2螺杆接触直径丝杠螺母螺母螺纹外径螺母内径（内循环） （取0.2）、传动效率的计算查机床设计手册P425可得，当丝杆直径d=25mm，P=5mm，丝杠的螺旋升角为，代入数据得将摩擦角=10，代入,得传动效率=95.93%。 、刚度的校验X-Y工作台上下两层滚珠丝杠副的支承均采用“一端固定-一端游动”的轴承配置形式。可知这种安装适用于较高精度、中等载荷的丝杠，一端采用深沟球轴承，一端采用一对背对背角接触球轴承,这样能承受集中力偶。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，查机械设计手册2卷P15-17的相关公式，根据公式求得单圈滚珠数；该型号丝杠为双螺母，圈数为4，列数为2，代入公式=Z圈数列数，得滚珠总数量。丝杠预紧时，取轴向预紧力。查机械设计手册中相关公式，得，滚珠与螺纹滚道间接触变形因为丝杠有预紧力，且为轴向负载的1/3，所以实际变形量可以减少一半，取。b、丝杠在工作载荷作用下的抗拉压变形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=2.110MPa,由表一中可知，滚珠直径=3.175mm,丝杠底径=21.2mm，则丝杠的截面积S=353,由机电一体化系统课程设计指导书（尹志强.北京:机械工业出版）中，式3-35代入以上数据，得 =0.0172mm则 本例中，丝杠的有效行程取300mm，由机床设计手册（李洪 .北京：辽宁科学技术出版社，1999）中知，5级精度滚珠丝杠有效行程小于315mm时，行程偏差允许达到0.023mm，可见丝杠刚度足够。、稳定性的验算根据机床设计手册（李洪 .北京：辽宁科学技术出版社，1999）中 5.7-17 式中 丝杠公称直径，； 滚珠丝杠直径，； 丝杠最大受压长度，取; 丝杠支撑方式系数，由于为一端固定，一端游动，故；所以 因为 远大于,故不会失稳，满足使用要求。、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，由数控机床系统设计（文怀兴、夏田 北京：北京化工出版社，第二版.）中P100 式5-10得： 其中 丝杠公称直径，； 滚珠丝杠直径，； 为临界转速计算长度， 为丝杠支承方式系数（一端固定，一端游动）带入数据得大于丝杠所需转速，故不会发生共振。、滚珠丝杠的选型及安装连接尺寸的确定 由以上验算可知，选用GDM2505型的丝杠，完全符合满足所需要求，故确定选用该型号。 由表一可知丝杠所需的安装连接尺寸。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，由于初定方案中传动部件为联轴器，传动比例为1，并且丝杆螺距已知为t=5mm。查机械设计数控系统P111可得，选用脉冲当量为所以代入数据得步距角为、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由数控机床系统设计P123查得：式中 D为丝杠公称直径D=25mmL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）=300+60+20+80+40=500mm代入数据得、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数控机床系统设计P123查得，其中 M为工作台的（包括工件）的质量M= G/9.8=81.6kg, S为丝杠螺距S=5mm代入数据，得：、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所以验算惯量匹配，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，代入计算得由此可见:符合惯量匹配要求。、步进电机转轴上的等效负载转矩M的计算。i.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，由数控机床系统设计P122表5-5得：a.其中加速力矩其中: Jr为折算到电动机轴上的总惯量T系统时间常数，由任务书知为T=0.4S ，n切削时的转速为1500r/min ,得：b.摩擦力矩其中： F0为导轨摩擦力,其中为滚动导轨的摩擦系数，取值为0.005，代入数值计算得：, 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，=0.70.8，取0.8代入数据 得：c.附加摩擦力矩其中：为最大轴向载荷，滚珠丝杠未预紧时的效率，=0.950.9 ,其余数据同上代入数据 得：d.切削力矩其中：进给方向的最大切削力 其余参数同上。代入数据得：由此都得到等效负载转矩ii.快速空载时电动机所需力矩M由数控机床系统设计P122查得：a.其中加速力矩：其中其余参数同上代入数据得： b.摩擦力矩同上，其中：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： c.附加摩擦力矩：同上其余参数同上代入数据得：所以可知快速空载时电机所需力矩：比较和，取其较大者，就是最大等效负载，即：、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：由所选的电机型号参数可知，最大转矩，可知所选电动机型号刚好适合。参数如下：、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，选脉冲当量=0.01mm，由式求出电动机对应的运行频率。从86BYG350CL-SAKSHL-0601型混合式步进电动机出卖商家信息可知在此频率下，在此频率下，电动机的输出转矩，大于最大工作负载转矩，满足要求。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，求出电动机对应的运行频率为。在此频率下，电动机的输出转矩大约为，大于快速空载起动时的负载转矩，满足要求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。由86BYG350CL-SAKSHL-0601型混合式步进电动机出卖商家信息可知在此频率下的空载运行频率可达15000，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，电动机转轴不带任何负载时的空载起动频率。可以求出步进电动机克服惯性负载的起动频率,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800Hz。实际上，在采用软件升降频好时，起动频率选的更低，通常只有100Hz(即100脉冲/s)。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：其中，移动部件重量G=800N,则 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300天，每天工作8小时，因此得到小时额定工作寿命 距离额定寿命计算，由公式，从而得到式中：为小时额定工作寿命。n为移动件每分钟往复次数（46)取5,S为移动件行程长度，由加工范围为取300mm代入数据 得： . 额定动载荷计算由公式,从而得到：Ca，式中：Ca为额定动载荷L为距离工作寿命，由上式可知为1728kmF为滑块的工作载荷，由上式可知为1016N代入数据得： Ca=6604N 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6604N，所以满足要求。三、其余部件的选择联轴器的选择挠性联轴器结构比较简单，制造容易，具有较强的抗油性及耐腐蚀，即使承受负载时也无回转间隙，具有较强的适应性，适用于安装底座刚性好，精度要求高，冲击载荷不大，的小功率轴系传动，根据电机及丝杠的参数，选用沧州天硕联轴器有限公司的TS2-30-1412型挠性联轴器。轴承的选择由于丝杠直径为25mm，其与轴承连接处直径为20mm，根据国标GB，选用单列角接触球轴承70204AC型，根据国标GB选用6204型深沟球轴承四、控制系统的设计 根据任务书的要求，设计控制系统的时主要考虑以下功能：接受操作面板的开关与按钮信息；接受限位开关信号；控制X，Y向步进电动机的驱动器；与PC机的串行通信。 CPU选用MCS-51系列的8位单片机AT89S52，采用8279，和W27C512，6264芯片做为I/O和存储器扩展芯片。W27C512用做程序存储器，存放监控程序；6264用来扩展AT89S52的RAM存储器存放调试和运行的加工程序；8279用做键盘和LED显示器借口，键盘主要是输入工作台方向，LED显示器显示当前工作台坐标值；系统具有超程报警功能，并有越位开关和报警灯；其他辅助电路有复位电路，时钟电路，越位报警指示电路。 1、进给控制系统原理框图 图6图2 2、驱动电路流程设计 步进电机的速度控制比较容易实现，而且不需要反馈电路。设计时的脉冲当量为0.01mm，步进电机每走一步，工作台直线行进给0.01mm。步进电机驱动电路中采用了光电偶合器，它具有较强的抗干扰性，而且具有保护CPU的作用，当功放电路出现故障时，不会将大的电压加在CPU上使其烧坏。图7 步进电机驱动电路图该电路中的功放电路是一个单电压功率放大电路，当A相得电时，电动机转动一步。电路中与绕组并联的二极管D起到续流作用，即在功放管截止是，使储存在绕组中的能量通过二极管形成续流回路泄放，从而保护功放管。与绕组W串联的电阻为限流电阻，限制通过绕组的电流不至超过额定值，以免电动机发热厉害被烧坏。由于步进电机采用的是五相十拍的工作方式（五个线圈A、B、C、D、E），其正转时通电顺序为：A-AB-B-BC-C-CD-D-DE-E-EA-A.其反转的通电顺序为：A-AE-E-ED-D-DC-C-CB-B-BA-A。3、驱动电源的选用，及驱动电源与控制器的接线方式 设计中X、Y向步进电动机均为90BYG5502型，生产厂家为常州宝马前杨电机电器有限公司。查步进电动机的资料，选择与之匹配的驱动电源为BD28Nb型，输入电压为50V AC，相电流为3A，分配方式为五相十拍。该驱动电源与控制器的接线方式如图8所示：图8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。精选范本