XY数控工作台机电系统设计

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1、目录一、设计目的 2二、设计任务 3三总体方案的确定 31、机械传动部件的选择.3(1)丝杠螺母副的选用 3(2)导轨副的选用 3(3)伺服电动机的选用 42、控制系统的设计43、绘制总体方案图4四、机械传动部件的计算与选型 51、导轨上移动部件的重量估算52、铣削力的计算5五、步进电动机的计算与选型 81、传动计算 82、计算加在步进电动机转轴上的总转动惯量Jeq93、计算加在步进电动机转轴上的等效负载转矩Teq104、步进电动机最大静转矩的选定11六、直线滚动导轨副的计算与选型 131、块承受工作载荷的计算及导轨型号的选取132、距离额定寿命L的计算13七、绘制进给传动系统示意图 14八、

2、控制系统硬件电路设计 14九、步进电动机的驱动电源选用 17结 束 语 18参考文献20一、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

3、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. 立铳刀最大直径的d=15mm；2. 立铳刀齿数Z=3；3. 最大铳削宽度a =15mm；4. 最大背吃刀量J =8mm；5. 加工材料为碳素钢活有色金属；6. X、Y方向的脉冲当量 = 5 =0.005mm/脉冲；xy7. X、Y方向的定位精度均为0. 01mm；8. 工作台尺寸230mmX230 mm，加工范围为250mmX250mm；9. 工作台空载进给最快移动速度：V二V =3000mm/min；10. 工作台进给最快移动速度: V =V =400mm

4、/min；xmax ymax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 足土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

5、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AT

6、89S52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。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、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800N。2、铣削力的计算 采用硬

7、质合金立铣刀，工件的材料为碳钢，根据金属切屑原理与 刀具200页表15-5得硬质合金立铣刀铣削力经验公式F=118 0.85 f 0.75d -0.73 a 1.0 n0.1C e z p其中铳刀的直径d=15mm,齿数Z=3，为了计算最大铳削力，在不对称铳削情况下，取最大铳削宽度a =15m m,背吃刀量a =8m m,查切削用量简明 ep手册可得，每齿进给量fZ=0.1mm,铳刀转速n=300/min。则由上公式求得最 大铣削力：F =118x0.85x 0.10.75x 15-0.73x 81.0x 3000.1 x1C=1233 N考虑逆铳时的情况，可估算三个方向的铳削力分别为：Ff=

8、lF=1356N, F =0.38f ceF =308 N, Ff =469N则工作台受到垂直方向的铳削力F=F =308N,受到水平方cfmz e向的铳削力分别为Ff和Ff。今将水平方向较大的铳削力分配给工作台的纵向（丝 ffn杠轴线方向），则纵向铳削力F=Ff=1356N,径向铳削力F=Ff=469N。x fy fn3杠螺母副的计算与选型（1）最大工作载荷F的计算m在立铳时，工作台受到进给方向的载荷（与丝杠轴线平行）F=1356N，受x到横向的载荷（与丝杠轴线垂直）F =308N，受到垂直方向的载荷（与工作台y面垂直）F =469N。z已知移动部件总质量G=800N,按矩形导轨进行计算，由

9、金属切屑机床126 页公式 17-5 得：Fm=KFx+卩(Fz+Fy+G)二1.1x1356+0.005x(469+308+500)N 1498N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铳削力时的最快进给速度v=400mm/min，初选丝杠导 程P =5mm,则此时丝杠转速n=v/P =80r/min。hh取滚珠丝杠的使用寿命T=15000h,代入L0=60nT/106,得丝杠寿命系数L=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

10、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) 传动效率n的计算 将公称直径d0=20mm，导程Ph=5mm，代入0hk=arctanPh/(nd0)， 得丝杠螺旋升角九=4。33,。将摩擦角0=10，代入 n=tanX/tan(九+0)，得传动效率 “=

11、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=2.1x105MPa；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= W2nd 2/4=224.2mm2。2则丝杠在工作载荷F作用下产生的拉/压变形量：mb=Fma/（ES）= 1498x500/（2.1x105x224.2） y0.0159mm。2）根据公式Z=（nd0/Dw）-3，求得单圈滚珠数Z=20 ；该型

12、号丝杠为单螺母，滚珠的圈数x列数为3x1,代入公式：Z = Zx圈数x列数，得滚珠总数量Z =60。丝杠 工工预紧时，取轴向预紧力Fyj=F/3=631。则求得滚珠与螺纹滚道间的接触变形 YJm8 .0027。2因为丝杠加有预紧力,且为轴向负载的1/3，所以实际变形量可减少一半，取8 =0.0013mm。17.223）将以上算出的 81 和 82 代入 8 =81+82，求得丝杠总变形量 （对应跨度12总 12500mm）8 =0.0172mm=17.2pm。总本例中，丝杠的有效行程为350mm，由表3-27知，5级精度滚珠丝杠有效行程在315400mm时，行程偏差允许达到25ym，可见丝杠刚

13、度足够。 （6）压杆稳定性校核根据公式计算失稳时的临界载荷F。查现代实用机床设计手册（上册） er944、953 页，知当滚珠丝杠的安装方式为一端固定，一端游动时，取压杆稳定安全系数fl=0.25 （丝杠卧式水平安装）；滚动螺母至轴向固定处的距离a取最大值500mm。代入式：f d4F = 3.4x10!0 L 2 得临界载荷 F =4.324x10 3 kn Fm，erL2er0故丝杠不会失稳。7）临界转速的验算：查表得临界转速公式为：f 2 dn 99102 2cL 2c式中f2丝杠支撑方式系数，一端固定一端游动时f2=1.875Lc=500mm=0.5m d2=d0-1.2Dw=15.8

14、查机床设计手册图5. 7-93，当支撑方式为GT时n二9.423x103长度L=500mm时交点在D=20的左侧，所以c临界转速验算合格. （8）滚珠丝杠的选型以及安装尺寸的确定 丝杠工作长度L，应满足控制中的行程要求。L应为丝杠工作长度：L二（1.051.1）行程+ （1014） Ph所以丝杠：L=1.1X 250+14+5=350 mm安装方式为一端固定，一端游动。综上所述，初选的滚珠丝杠副满足使用要求。故滚珠丝杠的型号为FF2005-3型滚珠丝杠副内循环浮动式反向器螺母无预紧滚 珠丝杠副。五、步进电动机的计算与选型1、传动计算为了满足加工精度在0.01-0.02范围内时，数控铣床、钻床车

15、床的脉冲当 量8可取0.005-0.01mm/Hz，因此取脉冲当量8 =0.01mm/脉冲，滚珠丝杠的的导 程P=5mm，初选步进电动机的步距角 =0.72。越高。因为步距角越小，数控机 h床的控制精度。根据数控机床系统设计式(5-18)，算得减速比：i二(aP)/(360) =(0.72* 5) / (360x0.005) =2h由此可见本机构不必要选减速箱。2、计算加在步进电动机转轴上的总转动惯量 Jeqeq由数控机床系统设计134页得：由于负载转矩情况不同，负载惯量只能 由已计算精确地得到。由电动机驱动的所有运动部件，无论是旋转运动还是直 线运动部件，都成为电动机的负载惯量，总的惯量以通过计算各个被驱动部件 的惯量，并以一定规律将其加起来即可。