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1、中南林业科技大学本科毕业设计立式铣床 X-Y 数控工作台结构设计第 1 页第一章 绪论1.1 X-Y 工作台的发展趋势及产业化的现状数控技术是先进制造技术的核心，是制造业实现自动化、网络化、智能化、复合化等的基础。随着科学技术的发展，数控技术发展也会越来越快，这也意味着它所需要考虑和处理的技术与非技术问题越来越多。中国的数控系统已经历了40 年的发展。数控技术发展应根据我国的实际情况，制定符合国情的总体发展战略，朝着高可靠稳定、高速度、高精度化、智能化、数控编程自动化、网络化方向发展。工作台作为数控机床的重要组成部分，也是影响加工精度的重要组成环节。从一开始为了满足加工简单的零件而设计的直线运
2、动的XY工作台， 到现在为了实现多工位加工而制造的分度工作台和回转工作台等。为了满足现代制造业的发展，也为了环境的要求，一作台的驱动装置从原来的机械驱动变为液旅驱动，现在更多的采用了气动装置，更好的保护了环境，节约了资源。由于工作台是一台机床的关键配套部件，因此世界各国都有对其进行研究，我国在工作台的研究开发方面也取得了长足的进步。目前工作台的种类繁多，传统的工作台只能安装在某一指定机床上，伴随着科技的与时俱进，它们的功能也由传统单一性向现代的多功能性方向发展，现在一些工作台，它不仅可以安装在钻床上，还可以安装在铣床和镗床等机床上。并且目前部分工作台还可以作为机床的第四回转轴，大大提高了机床的
3、性能。例如：可倾回转工作台，它可以实现用于数控机床和加工中心机床上，可利用原机床的两个控制坐标控制转台的回转和倾斜，也可直接利用本转台配套的数控装置与机床联接完成所需的工作循环。它可以完成任意角度的孔、槽、平面类机械加工，以及曲线、凸轮等的加工，并可达到较高的精度。另外也可用于非数控钻、 铣、镗类机床上， 独立完成等分和不等分的角度分度工作。国外工作台的功能与我国所生产的工作台功能基本相似，但是在其精度方面，国外的一些公司所生产的工作台要略高于我国所生产的工作台。因此我国与国外相比，还是有一定的差距，因此工作台的设计具有重要意义，我们要借助时代的步伐，与时俱进，开拓创新，使我国成为具有领先技术
4、的综合性强国。中南林业科技大学本科毕业设计立式铣床 X-Y 数控工作台结构设计第 2 页1.2 数控 X-Y 工作台设计的意义和目的本设计所设计的 X-Y 工作台采用了低摩擦的直线滚动导轨和精密的丝杠，它的工作原理是通过 MCS-51 单片机来控制步进电机， 使 X-Y工作台实现了数控控制。工作台的自动化能大大减轻劳动强度，提高劳动生产效率。本设计的X-Y 数控工作台机电系统设计是一个开环控制系统，其结构简单，实现方便而且能保证一定的精度。通过微机控制技术的简单的应用，实现对机床的控制，使机床的加工范围扩大，精度和可靠性进一步提高。多数数控铣床工作台的总体布局与和它类似的普通机床的总布局是基本
5、相同或相似的，并且已经形成了传统的、经过考验的固定形式，只是随着生产要求与科学技术的发展，还会不断有所改进。数控铣床工作台的总体布局是机床设计中带有全局性的问题，它的好坏对机床的制造和使用都有很大的影响。一方面是要从机床的加工原理即机床各部件的相对运动关系，结合考虑工件的形状、尺寸和位置等因素，来确定各主要部件之间的相对位置关系和配置，另外一方面全面考虑机床的外部因素，如外观造型、操作维修，生产管理和人机关系等问题对机床总布局的要求。随着科学技术的不断进步和工业生产的不断发展，许多新技术新工艺新设备不断涌现，进一步提高铣床工作台精度及其效率，同时缩短工作台生产成本，使之在同类工件竞争中处于优势
6、地位。在本设计中着重介绍了如何对X-Y 工作台进行设计， 对导轨、丝杠、电机、 选用等方面进行了深入的分析。通过对 X-Y 工作台的设计，能够正确运用机床数控系统等课程的基本理论个有关知识，学会设备数控化改造方案的拟定、比较、分析及进行必要的计算；通过对设备改造的机械部分设计，掌握数控设备典型零件的计算方法和步骤以及正确的结构设计方法；提高自己应用手册、标准以及编写文件等资料的能力。中南林业科技大学本科毕业设计立式铣床 X-Y 数控工作台结构设计第 3 页1.3 本设计的主要内容和任务设计一个数控 X-Y 工作台及其控制系统，该工作台可安装在铣床上用于铣削加工；1）查阅文献收集资料确定系统组成
7、方案（功能、机械传动系统简图、 主要设计参数，及方案分析、比较、说明） ；2）机械部件的总体尺寸、质量、转动惯量的估算；3）传动部件、导向部件的设计、计算和选用；4）步进电动机计算、选用；5) 其它相关零件的选型及计算。6）各部分部件的尺寸材料外形确定。7) 使用 ProE或 solidworks等软件对机械结构进行三维设计（装配图和主要零件零件图）中南林业科技大学本科毕业设计立式铣床 X-Y 数控工作台结构设计第 4 页第二章 . 总体方案的设计2.1 设计参数的确定系统分辨率为 0.01mm ，其它设计参数如下表。工作台草图2.2 总体方案确定为保证一定的传动精度和平稳性以及结构的紧凑，采
8、用滚珠丝杠螺母传动副。为提高传动刚度和消除间隙，采用有预加载荷的结构。由于工作台的运动部件重量和工作载荷不大，故选用滚动直线导轨副，从而减小工作台的摩擦系数，提高运动平稳性。考虑电机步距角和丝杠导程只能按标准选取，为达到分辨率0.01mm的要求，以及考虑步进电机负载匹配，简化结构，联轴器将电机与丝杠直接连接。最 大 铣 刀 直径最 大 铣 削 宽度 ae 最 大 铣 削深度 ap 加工材料工 作 台 加 工 范 围（mm）最大移动速度16mm 5mm 2mm 碳钢X=200,y=150 2m/min 中南林业科技大学本科毕业设计立式铣床 X-Y 数控工作台结构设计第 5 页2.3 初选步进电动
9、机，丝杠和联轴器当传动比 i=1 时，可用联轴器直接将电机与丝杠连接，这种结构有利于简化结构，提高精度。由传动比公式 i=pbL 360，b为步进电机步距角、 Lo 为滚珠丝杠导程、p为系统脉冲当量。工作台的脉冲当量=0.01mm/脉冲。初选电动机型号为55BF009 ，其步矩角b=9.0。初选丝杠规格为M12*4 其导程为 4mm 。由传动比公式pbLi3600得1 01. 036049. 0i故可用联轴器将电机与丝杠直接连接。选用夹紧螺丝固定微型刚性联轴器。在丝杠行程端安装断电保护装置。2.4 确定工作台尺寸查国家标准，根据 (GB/T 158-1996) 机床工作台 T 型槽及相应螺栓尺
10、寸如下：T 型槽螺栓头部A B C H E F P d 公称S 最大K 最大6 12 6 12 1 0.5 40 M5 10 4 T 型槽用螺母尺寸D A 偏差M5 6 -0.3 -0.5 中南林业科技大学本科毕业设计立式铣床 X-Y 数控工作台结构设计第 6 页根据工作台加工范围200*150 选工作台 T型槽板尺寸 240*200*20(mm)。根据连接布局位置关系初定滚珠丝杠长度X向 L340mm Y向 L=300mm B 5060 3545 L 总体尺寸估算B 中南林业科技大学本科毕业设计立式铣床 X-Y 数控工作台结构设计第 7 页2.5 系统组成框图定位方式采用增量坐标控制。 考虑
11、到机床加工精度要求不高， 为了简化结构，降低成本，采用步进电机开环伺服系统驱动X-Y 工作台。中南林业科技大学本科毕业设计立式铣床 X-Y 数控工作台结构设计第 8 页第三章 . 机械部分的设计3.1 传动系统等效转动惯量计算1. 电机转子转动惯量查电机手册得20701.0cmkgJD2.丝杠的转动惯量由公式2341078.0cmkgLDJS得234424. 010340278.0cmkgJS3.工作台转动惯量GJ根据给定的工作台加工范围， 设计出工作台的尺寸和托板尺寸等，估算其重量。X向托板（上托板）的尺寸：长宽高 22022010 X向托板（上托板）的重量：重量=体积材料比重Y向托板（下托
12、板）的尺寸：长宽高 24020010 重量=体积材料比重上导轨座的重量：夹具及工件重量：X-Y工作台运动部分重量：XWN5.37108.7101022022023NWY4 .37108.7101020024023N12210108 .7)1715500210220600(32 上WNW80NWWWWYX9.276801225.374 .37上总中南林业科技大学本科毕业设计立式铣床 X-Y 数控工作台结构设计第 9 页工作台转动惯量：2220.112.06.27)14.324.0()2(cmkgmLJG由于联轴器的转动惯量小故可忽略不计。4传动系统折算到电机轴上的总等效转动惯量26061.011
13、2.0424. 00701. 0cmkgJJJJGSD3.2 工作载荷分析及计算铣削运动的特征是主运动为铣刀绕自身轴线高速回转, 进给运动为工作台带动工件在垂直于铣刀轴线方向缓慢进给。铣刀的类型很多，但以圆柱铣刀和端铣刀为基本形式 , 此选用圆柱铣刀 , 铣刀材料选择高速钢 . 查 金属切削手册 常用铣刀介绍表，选择细齿锥柄立铣刀，其尺寸参数如下： D=16mm, 齿数 Z=4。（ 1）查 金 属切 削 手 册 细 齿 锥 柄 立 铣 刀切 削用 量表 得铣 削速 度min/20mv查表，初选fa0.03mm 因此可得min/375403.045rZavnf查机械制造基础课程设计指导书立式铣床
14、主轴转速表， 选铣床型号 X51，选择其转速表并将转速圆整为min/380rn实际切削速度为min/1.19 10003801614.31000mndv中南林业科技大学本科毕业设计立式铣床 X-Y 数控工作台结构设计第 10 页故实际mmnZvaf0296. 0380445（2）根据高速钢铣刀铣削公式zadaaCFpfeFZZ86.0072.086.081. 9查得铣削力系数2.68FZC有NFZ139.19552160296.052.6881. 986.072. 086. 03.3 进给工作台工作载荷计算根据下表 : 比值不对称铣削逆铣顺铣ZLFF/1 2 09 ZVFF/0 3 08 ZC
15、FF/0 4 04 故有纵向进给方向NFNFLSLN 625.175139.1959 .0167.234139.1952.1工作台垂直进给方向NFNFVSVN 11.156139.1958.054.58139.1953.0工作台横向进给方向NFFCSCN055.78139.1954. 0中南林业科技大学本科毕业设计立式铣床 X-Y 数控工作台结构设计第 11 页3.4 滚珠丝杠及螺母副的选型和校核丝杠是将电机的回转运动转化为工作台直线运动，丝杠由螺杆、螺母和滚珠组成。由于具有很小的摩擦阻力，丝杠被广泛应用于各种工业设备和精密仪器。3.4.1 最大工作载荷的计算滚珠丝杠上的工作载荷mF为走刀抗力
16、，移动体重力和作用在导轨上的其他切削分力相关的摩擦力。由公式：)2(GFFfkFFCVLm其中4. 1k2.0f将所得数据代入公式有：NFm974.383)052.66055.78211.156(2 .0167.2344 .13.4.2 最大动负载 Q的计算及主要尺寸式中 L 为寿命经查询机械设计手册得当有冲击运转时，运转系数5.25 .1wf，本设计取2wf；精度等级为 3 级，其精度系数。式中，其中又因为使用寿命，丝杠螺距，X向和 Y向的最大进给。PffLQHw31.1Hf61060nTLtVnMax1000 fMaxaV48.0min/2maf15000hT4mmtmin/96.0248.048. 0maVfMaxmin/240496.010001000rtVnMax)10(2161015000240601060666转nTL中南林业科技大学本科毕业设计立式铣床 X-Y 数控工作台结构设计第 12 页X向丝杠的牵引力：式中当量摩擦系数 , Y向丝杠的牵引力：式中X
