《XY数控工作台机电系统设计》由会员分享，可在线阅读，更多相关《XY数控工作台机电系统设计（19页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、1目 录 一、设计目的.3 二、设计任务.4 三总体方案的确定.41、机械传动部件的选择.4(1)丝杠螺母副的选用 .5(2)导轨副的选用 .5(3)伺服电动机的选用 .52、控制系统的设计.53、绘制总体方案图.6 四、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、铣削力的计算.6 五、步进电动机的计算与选型.101、传动计算.102、计算加在步进电动机转轴上的总转动惯量 Jeq.103、计算加在步进电动机转轴上的等效负载转矩 Teq.114、步进电动机最大静转矩的选定.13 六、直线滚动导轨副的计算与选型.151、块承受工作载荷的计算及导轨型号的选取.152、距离额定寿
2、命 L 的计算 .152七、 绘制进给传动系统示意图.16 八、控制系统硬件电路设计.16 九、步进电动机的驱动电源选用.19 结 束 语.19参考文献.203一、设计目的一、设计目的数控机床课程设计是一个很重要的实践性教学环节，要求学生综合运用所学的理论知识，独立进行设计训练，主要目的：1） 通过本设计，使学生全面地，系统地了解和掌握数控机床得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得工作原理、设计计算方法及选用原则。3） 通过伺服系统得设计，掌握常用伺服电机得工作原理、计算选择方法与控制驱动方式。4） 培养学生
3、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、设计任务二、设计任务任务任务：设计一种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； 2.立铣刀齿数 Z=3； 3.最大铣削宽度 =15mm；ea 4.最大背吃刀量=8mm；pa 5.加工材料为碳素钢活有色金属；46.X、Y 方向的脉冲当量 x =y =0.005mm/脉冲； 7.X、Y 方向的定位精度均为0.01mm； 8.工作台尺寸 230mm230，加工范围为 250mm250mm； 9.工作台空载进给最快移
4、动速度：Vxmax =Vymax =3000mm/min； 10.工作台进给最快移动速度: Vxmax =Vymax =400mm/min；三总体方案的确定三总体方案的确定1、机械传动部件的选择(1)丝杠螺母副的选用伺服电动机的旋转运动需要通过丝杠螺母副转换成直线运动，需要满足0.001mm 的定位精度，滑动丝杠副不能达到要求，因此选用滚珠丝杆副，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。轴向间隙的调整和预紧方式：选用垫片调隙式，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滚珠丝杠的安装：采用一端固定，一端游动的方式，因其压杆稳定性和临界转
5、速较高(2)导轨副的选用要设计数控车床工作台，需要承受的载荷不大，而且定位精度高，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，安装预紧方便好且精度保持性等优点。选滚珠导轨，适合用于导轨上运动部件重量小于 200kg 的机床，摩擦阻力小，制造容易，成本较低。(3)伺服电动机的选用5任务书规定的定位精度也未达到微米级，空载最快移动速度也只有因此3000mm/min，故本设计不必采用高档次的伺服电动机，因此可以选用混合式步进电动机。以降低成本，提高性价比。2、控制系统的设计1）设计的 X-Z 工作台准备用在数控车床上，其控制系统应该具有单坐标定位，两坐标直线插补与圆弧插补
6、的基本功能，所以控制系统设计成连续控制型。2）对于步进电动机的半闭环控制，选用 MCS-51 系列的 8 位单片机 AT89S52 作为控制系统的 CPU，能够满足任务书给定的相关指标。3）要设计一台完整的控制系统，在选择 CPU 之后，还要扩展程序存储器，键盘与显示电路，I/O 接口电路，D/A 转换电路，串行接口电路等。4）选择合适的驱动电源，与步进电动机配套使用。3、绘制总体方案图总体方案图如图 3.1 所示。微 型 机接 口 电 路功 放 电 路执 行 元 件机械 传动 机构机械 执行 机构图 3.1 总体方案图四、机械传动部件的计算与选型四、机械传动部件的计算与选型1、导轨上移动部件
7、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、铣削力的计算 采用硬质合金立铣刀，工件的材料为碳钢，根据金属切屑原理与6刀具200 页表 15-5 得硬质合金立铣刀铣削力经验公式FC=118e0.85fz0.75d-0.73 ap1.0 n0.1其中铣刀的直径 d=15mm，齿数 Z=3，为了计算最大铣削力，在不对称铣削情况下，取最大铣削宽度 ae=15mm，背吃刀量 ap=8mm，查切削用量简明手册可得，每齿进给量 fz=0.1mm，铣刀转速 n=300/min。则由上公
8、式求得最大铣削力：FC=118x0.85x 0.10.75x 15-0.73x 81.0x 3000.1 x1=1233 N考虑逆铣时的情况，可估算三个方向的铣削力分别为：Ff=1Fc=1356N，Fe=0.38 Fc=308 N，Ffm=469 N 则工作台受到垂直方向的铣削力 Fz=Fe=308N，受到水平方向的铣削力分别为 Ff和 Ffn。今将水平方向较大的铣削力分配给工作台的纵向（丝杠轴线方向） ，则纵向铣削力 Fx=Ff=1356N，径向铣削力 Fy=Ffn=469N。3杠螺母副的计算与选型（1）最大工作载荷 Fm的计算 在立铣时，工作台受到进给方向的载荷（与丝杠轴线平行）Fx=13
9、56N，受到横向的载荷（与丝杠轴线垂直）Fy =308N，受到垂直方向的载荷（与工作台面垂直）Fz =469N。已知移动部件总质量 G=800N，按矩形导轨进行计算，由金属切屑机床 126 页公式 17-5 得： Fm=KFx+(Fz+Fy+G)=1.1 1356+0.005 (469+308+500)N1498N 取摩擦系数 =0.005。取颠覆力矩影响系数 K=1.1,求得滚珠丝杠副的最大 工作载荷： （2）最大动载荷 FQ的计算 设工作台在承受最大铣削力时的最快进给速度 v=400mm/min，初选丝杠导程 Ph=5mm，则此时丝杠转速 n=v/Ph=80r/min。7取滚珠丝杠的使用寿
10、命 T=15000h，代入 L0=60nT/106，得丝杠寿命系数L0=72 (单位为：106r)。查课本 110 页表 5-1,5-2，取载荷系数 fW=1.2，滚道硬度为 60HRC 时，取硬度系数 fH=1.0，求得最大动载荷：FQ7478 N（3）初选型号 根据计算出的最大动载荷和初选的丝杠导程，查现代实用机床设计手册 （上册）967 页，选择南京工艺装备制造有限公司生产的FF2005-3 型滚珠丝杠副，为内循环浮动式反向器螺母无预紧滚珠丝杠副，其公称直径为 20mm，导程为 5mm，循环滚珠总圈数为 3 圈，精度等级取 5 级，额定动载荷为 9100N，大于 FQ满足要求。（4）传动
11、效率 的计算 将公称直径 d0=20mm，导程 Ph=5mm，代入=arctanPh/(d0)，得丝杠螺旋升角 =433。将摩擦角 =10，代入=tan/tan(+)，得传动效率 =96.4%。（5）刚度的验算1）X-Y 工作台上下两层滚珠丝杠副的支撑均采用“单推-单推”的方式。丝杠的两端各采用一对推力角接触球轴承，面对面组配，左、右支撑的中心距离约为a=500mm；钢的弹性模量 E=2.1105MPa；查现代实用机床设计手册 （上册）967 页，得滚珠直径 DW=3.5mm，丝杠底径 d2=16.9mm，丝杠截面积 S= d22/4=224.2mm2。则丝杠在工作载荷 Fm作用下产生的拉/压变形量：1=Fma/(ES)= 1498500/(2.1105224.2)0.0159mm。2）根据公式 Z=(d0/DW)-3，求得单圈滚珠数 Z=20；该型号丝杠为单螺母，滚珠的圈数列数为 31，代入公式：Z= Z圈数列数，得滚珠总数量 Z=60。8丝杠预紧时，取轴向预紧力 FYJ =Fm/3=631。则求得滚珠与螺纹滚道间的接触变形 20.0
