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XY数控工作台改装课程设计

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一、设计目的
通过本次设计，能够全面地、系统地了解和掌握数控机床的基本内容和基本知识，初步掌握数控机床的设计方法,并能学会运用手册、标准等技术资料.同时,培养相应的创新意识、工程意识和动手能力。

二 设计要求
（一） 、改造后的钻床能够加工最大面积为的工件,最大工件重量200kg；
（二） 、数控XY工作台要求孔的定位精度在mm内，快进速度为3.6m/min，加减速度时间为0．1秒.

三 设计内容和步骤
（一）总体设计方案
1、设计机构的性能要求
（1）、改造后的钻床能够加工最大面积为的工 件，最大工件重量200kg；
（2)、数控XY工作台要求孔的定位精度在mm内，快进速度为3.6m/min,加减速度时间为0．1秒。

2、待改装钻床型号的确定：机床样式如图（a）

图(a）

表（一）

3、控制方式的确定
因为是钻床改装成为数控钻床，所以选用点位控制.

4、伺服系统的确定
依据题目要求，要求把普通钻床改装成建议的经济型数控钻床。所以经过对各种伺服系统特点的比较,决定选用开环伺服系统。该系统符合一般精度要求以及经济性良好，符合题目要求。如下图：

图（b）

5、承载台参数的初步选定
(1)尺寸：依题目要求，加工面积为190mm*190mm。而根据平时经验,加工时考虑到工件要用夹具进行夹紧，故工作台的工作面的尺寸要比最大加工面积的尺寸每边大30-40mm，所以选定工作太尺寸为270mm*270mm＊30mm。
（2）材料：工作台在工作状态下受到一定的冲击和振动，所以工作台选用牌号为HT150的灰铸铁。HT350具有铸造性能良好、切削性能良好、减摩性好、减振性强及缺口敏感性低等诸多优点。（参考《工程材料与机械设计基础》第65页；密度为）
6、导轨的选型思路
根据题目中最大工件的的质量为200kg，故应选用重载型导轨。经过参考《数控技术基础》8.4。1（208—211页），经过比较，选择直线滚动导轨副。直线滚动导轨副的摩擦系数小于0.005，动摩擦系数很接近。在网上查找后，选择KL标准宽型滑块及导轨。

图(c)

表（二）
（注：直线滚动导轨及滑块的参数来源于深圳市赛瑞德精工技术有限公司，网址为：http://www。szbsg。com/product。asp）

7、丝杠和电机连接零件的选取思路
丝杆和电机之间直接按传动比为1.0来设计，即电机未经任何外在的变速装置而通过联轴器直接与丝杆连接在一起。所以丝杠和电机之间的连接零件只有联轴器，即选用联轴器把丝杠和电机连接起来。
8、滚珠丝杠选型思路
滚珠丝杆的导程初选为5mm以内，其余参数因数据不全所以在初选是无法确定，在机械部分设计再加以确定。
9、支承座材料的选取
支承座的选型应考虑抗震性和刚度方面，材料故选用20#钢（参考《工程材料与机械设计基础》第六章-55页）。

10、轴承类型的选取思路
在本次设计中，轴承用于支承滚珠丝杠。而因工作台定位精度的要求，所以对丝杠的刚度要求较高,本设计选用两端装双重止推轴承及深沟球轴承（固定—支承式）如图（b)。故选用深沟球轴承和推力球轴承。

（c）

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220×300，最大工件的重量为200kg。因此我初定工作台的。工作台的材料为HT200，其密度为.(取）因此：
1.1、 工作台(X向托板）

1.2、取Y向托板=X向托板

1。3、上导轨座(连电机）重量
初步取导轨座的长,宽为，高为，但导轨座中间有一大空缺，空缺部分大约2807030mm3。因此

所以根据上面所求，得XY工作台运动部分的总重量为：

根据要求所知，其最大加工工件为，另外，还有丝杠、电机、联轴器等,大约3kg,因此：m4=3kg

（二）机械部分改装设计与计算
1、确定承载台的尺寸及其重量（由于X、Y方向的尺寸相同，所以X、Y向所用的拖板类型也相同）
承载台的数量为2块 2、拖板参数设计(由于X、Y方向的尺寸相同,所以X、Y向所用的拖板类型也相同)
（1）拖 故选用与承载台相同的材料,牌号为HT150。
（2）拖板的尺寸：
拖板的尺寸选择为：
拖板的质量:因为拖板中间还有一深为35mm宽210mm的凹槽,故对拖板进行近似计算，保守估计按高度为40mm来计算

（）
且

3、工作台板的参数和设计
（1）工作台板因工作时承受一定的冲击和震动，故选用选用牌号为HT150的灰铸铁.
（2)工作台板尺寸为:
（3）工作台板的质量：

（4）具体尺寸图样：

图（d）
4、滚动导轨参数计算与选型
（1）滚动导轨的工作寿命:
设计要求滚动导轨的寿命不低于五年，按双班制计算,所以导轨的工作寿命
(2）计算导轨的行程寿命：

(3）计算导轨的额定动载荷：
每块承载台由四个滑块支承，导轨的选用按载荷最大的来选用。总的载荷为最下面的四个滑块之上所有部件以及工件的重量的总和和切削力的和.
已知最下面四个滑块所承载的部件和工件有：承载台质量为,数量为2；拖板质量为，数量为1；工作台板质量为;步进电机质量假设为，数量为1；工件最大重量为；丝杠质量估计为，数量为1；支承座的质量保守估计为，数量为一套；夹具质量设为；切削力等效为1.1倍工作板台的重量，即;导轨及滑块的质量为，
数量为两套.

a
由公式:

经比较后，选用LG20KL2F0型的滚动导轨和滑块。长度定为580mm,每根导轨上装两个滑块。
其参数如下：

图（e）
表(三）

5、滚珠丝杠参数计算与选型
（1）参数计算
a、求出螺旋传动的计算载荷

式中： --—为载荷系数，无冲击平稳运转：1.0—1。2
一般冲击：1.2—1.5；有冲击和振动；1.5-2。5
—-—为硬度系数，滚道硬度HRC58, 1。0；滚道硬度HRC55, 1。11；滚道硬度HRC50, 1。56；滚道硬度HRC45, 2.4；滚道硬度HRC40， 3.85
--—为精度系数，精度等级C、D， 1。0；精度等级E、F, 1.1;精度等级G, 1.25;精度等级H，1。43
---为丝杠工作时的轴向压力,Fm=g
为导轨的摩擦系数、m总为最下面的丝杠以上的所有质量.
b、计算动载荷及寿命
应选择的滚珠丝杠副的额定动载荷，必须大于等于其计算值：

-—--额定动载荷（N）；
——--螺杆的平均转速,取90-110r/min
—-——运转寿命（h）；
-—--螺旋转动的计算载荷（N)
考虑到性能及安装等要求，经过比较筛选后，丝杠的选用深圳赛瑞德精工机械技术有限公司产的BSG187轴端标准化滚珠丝杠。其参如下：

图（f）

6、轴承的选型
轴承选用深沟球轴承和一对角接触球轴承
深沟球轴承型号选6003型参
图（g)
http://item.taobao。com/item。htm？id=6813999759
角接触轴承的选型号为7002AC46102型的角接触球轴承，其参数如下:

图（h)
http：//item。taobao。com/item。htm？id=5936863419
7、步进电机参数计算与选型
（1)步距角的确定：
已知滚珠丝杆的导程为5mm，又根据题目对工作台的定位精度在0.02内的要求，又根据一般开环系统机床的脉冲当量一般在之间.由此可以对电机的步距角进行计算：

式中：为脉冲当量，取0。005mm—0.01mm
S为丝杠导程，取4mm
为电机与丝杠之间的传动比，此处为1。0
注：一般步进电机的步距角在之间

（2）电机轴上总的负载转动惯量：
由机床电机轴上的总当量负载转动惯量-—-
①丝杠的转动惯量：
(）
其中：为丝杠密度取,d为丝杠的等效直径（m），l为丝杠长度(m）。
②工作台、工件、夹具、支承座等折算到电机轴上的转动惯量：

其中：为总的质量,kg;P为丝杠导程，mm*电机转子的转动惯量小的场合，可忽略不计.
（2）步进电机转矩的计算
①空载启动时，电机轴上的惯性转矩:
（Nm）
(Nm）
其中：Δt为电机加减速的时间(=0。1s);
P丝杆导程（m）
为工作台快进速度(=3.6m/min,换算为m/s)；
为传动比.

②电机轴上的当量摩擦转矩(工作台级工件重量引起)：

(）

（)
其中:为伺服传动链的总效率，可取0.8。

③因丝杠副预紧力引起的点击走上的附加摩擦转矩；
设预紧力为最大轴向载荷的1/3
（Nm)
（Nm)
其中： 为滚珠丝杠螺母副为预紧时的传动效率（=0。9)。
空载启动时电机轴上的最大静转矩：

（Nm）
所选取的步进电机的最大静转矩应满足:
（Nm）
(3）型号确定：选用90BYG350C型步距角为的步进电机，其参数如下。

图(i）
表（四）
技术参数
型号
相数
相电流
电感
步距角
保持转矩
空载起动频率
空载运行频率
转动惯量
重量
A
mH
度
N。m
KHz
KHz
Kg。cm^2
Kg
90BYG250A
2
4。0
4
0.9/1.8
2.1
2。5
20
1.2
2。2
90BYG250B
2
4.0
8
0。9/1。8
4。2
2.5
20
2.4
3。6
90BYG250C
2
4。0
12
0。9/1。8
6.3
2。5
20
3.6
4.8
90BYG350A
3
3.0
3。2
0。6/1.2
2.1
2.0
15
1.2
2。2
90BYG350B
3
3.0
4
0。6/1.2
4.2
2.0
15
2.4
3。6
90BYG350C
3
3。0
5。2
0.6/1。2
6.3
2.0
15
3.6
4.8
90BYG550A
5
3.0
3。0
0。36/0.72
2。1
3。0
30
1.2
2.2
90BYG550B
5
3。0
3。6
0.36/0。72
4.2
3.0
30
2.4
3.6
90BYG550C
5
3.0
4。2
0。36/0.72
6.3
3。0
30
3。6
4.8
90BYG5200B
5
3。0
/
0.09/0。18
5.0
6.0
100
3.84
3.5

型号
L
90BYG250A/90BYG350A/90BYG550A
69
90BYG250B/90BYG350B/90BYG550B
98
90BYG250C/90BYG350C/90BYG550C
128
表(五）

参数来源：
http://www.sunrise-

匹配验算:
·精度验算:，定位精度可达0.016mm，符合改装后定位精度在0。02mm内的要求.
·步进电机选型的时候，必须同时满足转动惯量及静转矩的要求。转动惯量匹配验算：

为所选电机的转动惯量
·由步进电机的转矩特性曲线确定电机的最大运行频率f，并应满足: Hz
为实际连续运行频率的最大值

8、联轴器的选择：选用YL1联轴器ST2—□30-1214型，具体参数下.

图（j）
参数来源：http：//

图（k）
9、支承座参数设计
设计参考形状
远电机端： 近电机端：

图（l） 图（m）
支承座是用与支承丝杆的支承不件，其尺寸参数要考虑到丝杠的中心高，及丝杠螺母副的位置。
·丝杠远离电机端的支承座的基本尺寸为：
10、传动座的参数及设计：见CAD图

图（n）

设计心得
这次设计是上大学以来的仅次次于毕业设计的一次设计。这次设计相对于我自己来说是有一些难度的,而且也很繁琐。因为在进行设计的过程中有很多地方是之前已经设计好了的，到了后面验证后发现达不到要求,而又得改动，往往这一改动就会牵涉到很多地方.这体现了设计工作的先假设后验证再改动的特点。虽然这次设计很累，但确实能让人学到很多的东西，也让我了解到了很多关于设计的一些常识和技巧.在刚开始选择一些部件如滚珠丝杠、导轨等部件的时候，还以为是自己想要多长就要多长，可是在经过查找和比较后才发现，原来这些东西都是有着自己的规格与标准的，比如每种丝杠的长度都是一定的，并不是说我们设计者想要多长的行程就选多长的滚珠丝杠，而是只能选择有着与之相近螺纹长度的丝杠，然后在调整拖板的长度.导轨也是类似。
在这次设计中，遇到了很多之前没有遇到过的问题。开始的是后是问题越来越多，有时候一天就找了老师很问了好几次的问题，但随着老师的耐心讲解，问题也就越来越少,而学到的新知识也随之增加.为我们在设计方面打开了一扇大门，丰富了我们关于设计的知识,为我们以后从事于相关的行业打下了一个良好的实践基础.同时也巩固了所学到的理论知识，让我们能把所学到的知识在这次设计中得以验证和运用，加深了对理论知识的理解，加强了我们对理论知识的运用以及动手实践的能力。
总而言之，这次设计让我们受益匪浅。虽然比较辛苦，但的确是能学到东西，这是一个实践的机会，我们应该把握好每一次实践的机会。

参考文献:
［1]《互换性与技术测量》 中国计量出版社出版 由廖念钊、古莹菴、莫雨松、李硕根、杨兴骏编著.
[2］《机械设计机械设计基础课程设计》高等教育出版社出版 由华中理工大学王昆、重庆大学何小柏、同济大学汪信远主编。
[3］《数控技术基础》化学工业出版社教材出版中心出版 由杨继昌、李金伴主编。
［4］《机械设计基础》 高等教育出版社出版 由杨可桢、程光蕴、李仲生主编。
[5]《工程材料与机械制造基础》 化工工业出版社出版 由陶亦亦、潘玉娴主编，由戈晓岚、姜左主审。
[6］《画法几何及机械制图》第三版机械类专用 高等教育出版社出版 由东北大学工程图学教学与研究中心编 由毛盺、张秀艳、黄英、肖平阳主编.

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