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1、攀枝花学院 攀枝花学院 学生课程设计学生课程设计（论文）论文） 题 目: x52k 铣床数控改造 学生姓名： 卿 波 学 号： 200610601319 所在院(系)： 机 电 工 程 学 院 专 业： 机械设计制造及其自动化 班 级： 2006 级 3 班 指 导 教 师： 周 汝 忠 2009 年 12 月 日 攀枝花学院教务处制1.引言： 现代科学技术的不断发展，极大地推动了不同学科的交叉与渗透，导致了工程领域的 技术革命与改造。在机械工程领域，由于微电子技术和计算机技术的迅速发展及其向机械 工业的渗透所形成的机电一体化，使机械工业的技术结构、产品机构、功能与构成、生产 方式及管理体系发
2、生了巨大变化，使工业生产由“机械电气化”迈入了“机电一体化”为 特征的发展阶段。 X-Y 数控工作台是许多机电一体化设备的基本部件， 如数控车床的纵横向进刀机构、 数控铣床和数控钻床的 X-Y 工作台、激光加工设备的工作台、电子元件表面贴装设备等。 模块化的 X-Y 数控工作台，通常由导轨座、移动滑块、工作、滚珠丝杠螺母副，以及伺服 电动机等部件构成。其中伺服电动机做执行元件用来驱动滚珠丝杠，滚珠丝杠螺母带动滑 块和工作平台在导轨上运动，完成工作台在 X、Y 方向的直线移动。导轨副、滚珠丝杠螺 母副和伺服电动机等均以标准化，由专门厂家生产，设计时只需根据工作载荷选取即可。 控制系统根据需要，
3、可以选取用标准的工作控制计算机， 也可以设计专用的微机控制系统。 2.设计任务 题目：数控 X-Y 工作台设计 任务：设计一种供应式数控铣床使用的 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 e a =15mm; 4. 最大背吃刀量 p a =5mm; 5. 每齿进给量 fz=0.4mm 6. 加工材料为碳素钢活有色金属。 7. X、Y 方向的脉冲当量 xy = =0.004mm; 8. X、Z 方向的定位精度均为 01 . 0 mm; 9. 加工范围为 200150 ; 10.工作台空载进给最快移动速度： max
4、max 3000mm/min xz VV = ; 11.工作台进给最快移动速度: maxmax 400mm/min xfzf VV = ;3.总体方案的确定 3.1 机械传动部件的选择 3.1.1 导轨副的选用 腰设计数控车床工作台，需要承受的载荷不大，而且脉冲当量小，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 便等优点。 3.1.2 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 0.004mm 冲当 量和 01 . 0 mm 的定位精度，滑动丝杠副为能为力，只有选用滚珠丝杆副才能达到要求，滚 珠丝杆副的
5、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。 3.1.3 减速装置的选用 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， 选用无间隙齿轮传动减速箱。 3.1.4 伺服电动机的选用 任务书规定的脉冲当量尚未达到 0.001mm，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。 3.1.5 检测装置的选用 选用步进电动机作为伺服电动机后，可选开
6、环控制，也可选闭环控制。任务书所给的 精度对于步进电动机来说还是偏高，为了确保电动机在运动过程中不受切削负载和电网的 影响而失步，决定采用半闭环控制，拟在电动机的尾部转轴上安装增量式旋转编码器，用 以检测电动机的转角与转速。增量式旋转编码器的分辨力应与步进电动机的步距角相匹 配。 考虑到 X、Y 两个方向的加工范围相同，承受的工作载荷相差不大，为了减少设计工 作量，X、Y 两个坐标的导轨副、丝杠螺母副、减速装置、伺服电动机以及检测装置拟采用 相同的型号与规格。 3.2 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 线插补与圆弧插补的基本功能
7、，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。 3.3 绘制总体方案图 总体方案图如图所示。 人机接口 机电接口 步进电机 步进电机 Y方向传动机构 X方向传动机构 型 机 驱 动 电 路 微 总体方案图 4.机械传动部件的计算与选型 4.1 导轨上移动部件的重量估算 按照
8、下导轨上面移动部件的重量来进行估算。包括工件、夹具、工作台、上层电动机、 减速箱、滚珠丝杠副、导轨座等,估计重量约为 800N 4.2 铣削力的计算设零件的加工方式为立式铣削， 采用硬质合金立铣刀， 工件的材料为碳钢。 则由表 3-7 查得立铣时的铣削力计算公式为： 0.850.750.731.00.13 cezp 118afda nZ F = (6-11) 今选择铣刀的直径为 d=15mm，齿数 Z=3,为了计算最大铣削力，在不对称铣削情况下， 取最大铣削宽度为 e a15mm = ，背吃刀量 p a =5mm ，每齿进给量 z f0.4mm = ，铣刀转速 n 300r/min = 。则由
9、式（6-11）求的最大铣削力： 0.850.750.731.00.13 c 118 150.41553003N2586N F = （1）主切削力 ，总切削力 F 在铣刀主运动方向上的分力，即沿铣刀外圆切线方向上 的分力，是主要消耗功率的力 （2）进给力 ,总切削力 在纵向进给方向上的分力 （3）横向进给力 ,总切削力 在横向进给方向上的分力 （4）垂直进给力 ，总切削力 在垂直进给方向上的分力 采用立铣刀进行圆柱铣削时，各铣削力之间的比值可由表查得，考虑逆铣时的情况， 可 估 算 三 个 方 向 的 铣 削 力 分 别 为 ： fc F1.1F2845N = , ec F0.38F983N =
10、 ， fnc F0.25F647N = 。图 3-4a 为卧铣情况，现考虑立铣，则工作台受到垂直方向的铣削力 ze FF983N = ，受到水平方向的铣削力分别为 f F 和 fn F 。今将水平方向较大的铣削力分配 给工作台的纵向，则纵向铣削力 xf FF2845N = ，径向铣削力为 yfn FF647N = 4.3 直线滚动导轨副的计算与选型（纵向） 4.3.1 块承受工作载荷 max F 的计算及导轨型号的选取 工作载荷是影响直线滚动导轨副使用寿命的重要因素。本例中的 X-Y 工作台为水平布 置，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
11、，则单滑块所受的最大垂直方向载荷为： max G FF 4 =+ (6-12) 其中，移动部件重量800N，外加载荷 z F=F983N = ，代入式（6-12） ，得最大工作 载荷 max F =1183N=1.183kN。 查表根据工作载荷 max F =1.183kN，初选直线滚动导轨副的型号为 KL 系列的 JSA-LG15 型，其额定动载荷 a C7.94kN = ，额定静载荷 0a C9.5kN = 。 任务书规定加工范围为 200150 ，考虑工作行程应留有一定余量，查表选取导轨的长度为 520mm。 4.3.2 距离额定寿命 L 的计算 上述所取的 KL 系列 JSA-LG15
12、 系列导轨副的滚道硬度为 60HRC，工作温度不超过100 o C，每 根导轨上配有两只滑块， 精度为 4 级， 工作速度较低， 载荷不大。 分别取硬度系数 f H =1.0， 温度系数 f T =1.00，接触系数 fc=0.81，精度系数 f R =0.9，载荷系数 fw=1.5，代入式 （3-33） ，得距离寿命： L= Km F C f f f f f a w r c t h 5625 50 ) ( 3 max 远大于期望值 50Km，故距离额定寿命满足要求。 4.4 滚珠丝杠螺母副的计算与选型 4.4.1 最大工作载荷 Fm 的计算 如前所述，在立铣时，工作台受到进给方向的载荷（与丝
13、杠轴线平行）Fx=2845N,受 到横向载荷 （与丝杠轴线垂直） Fy=647N， 受到垂直方向的载荷 （与工作台面垂直） Fz=983N. 已知移动部件总重量 G=800N，按矩形导轨进行计算，取颠覆力矩影响系数 K=1.1，滚 动导轨上的摩擦系数 =0.005。求得滚珠丝杠副的最大工作载荷： Fm=KFx+ (Fz+Fy+G)=1.12845+0.005(983+647+800)N 3142N 4.4.2 最大动工作载荷 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。 取滚珠丝杠的
14、使用寿命 T=15000h,代入 L0=60Nt/10 6 ,得丝杠寿命系数 L0=72（单位为： 10 6 r） 。 查表，取载荷系数 fw=1.2,滚道硬度为 60HRC 时，取硬度系数 fH=1.0,代入式（3-23） ， 求得最大动载荷： FQ= N F f f L m H w 15685 3 0 4.4.3 初选型号 根据计算出的最大动载荷和初选的丝杠导程，选择济宁博特精密丝杠制造有限公司生 产的 G 系列 4006-3 型滚珠丝杠副，为内循环固定反向器单螺母式，其公称直径为 40mm， 导程为 5mm，循环滚珠为 3 圈*1 系列，精度等级取 5 级，额定动载荷为 15960N，大
15、于 FQ， 满足要求。 4.4.4 传动效率的计算将公称直径 d0=40mm,导程 Ph=5mm,代入 =arctanPh/(d0)，得丝杠螺旋升角 =253。将摩擦角 =10，代入 =tan/tan(+),得传动效率 =97%。 4.4.5 刚度的验算 (1) X-Y 工作台上下两层滚珠丝杠副的支承均采用“单推-单推”的方式。丝杠的两端各采 用-对推力角接触球轴承，面对面组配，左、右支承的中心距约为 a=500mm；钢的弹性模量 E=2.110 5 Mpa; 查 表 得 滚 珠 直 径 Dw=3.969mm ， 丝 杠 底 径 d2=35.2mm, 丝 杠 截 面 积 S= 2 2 d /4
16、=972.65m 2 m 。 忽略式（3-25）中的第二项，算得丝杠在工作载荷 Fm 作用下产生的拉/压变形量 5 1 / ()3142 500/(2.1 10972.65) m F aES = mm=0.00769mm.。 (2) 根据公式 0 (/)3 W ZdD = ，求得单圈滚珠数 Z=30；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 =90。丝杠预紧时，取轴 向预紧力 YJm FF = /3=1047N。则由式（3-27） ，求得滚珠与螺纹滚道间的接触变形量 2 0.0027 mm。 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 2 =0.00136mm。 (3) 将以上算出的 1 和 2 代入 12 =+ 总 ，求得丝杠总变形量（对应跨度 500mm） 总 =0
