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1、工作台模块的装配与调试泰职院 机电技术学院 数控专业工作任务工作任务 工作台的组成零件 工作台的选型及其计算步骤立式数控机床工作台卧式数控机床工作台工作台的概述及其组成工作台含义：工作台含义：支撑工件通过传动机构完成相应的回转、直线曲线、角度分度等运动，并配有夹紧装置。功能：功能：支撑工件 传递运动 定位基准功能要求：功能要求：尺寸容量尺寸容量 形体尺寸应能容纳加工零件的 最大轮廓尺寸性能要求性能要求 静刚度要高 动刚度要好 温度分布均匀 受力合理 耐磨性好工作台的组成工作台工作台螺钉螺钉支座支座定位销定位销大齿轮大齿轮活塞活塞步进电机步进电机轴承轴承螺栓螺栓底座底座挡块挡块液压缸液压缸矩形工
2、作台矩形工作台弹簧弹簧设计流程根据加工形式选型根据加工形式选型确定工作台的参数确定工作台的参数支撑结构支撑结构传动形式（消隙机构）传动形式（消隙机构）润滑密封装置润滑密封装置定位结构定位结构计算校核计算校核一.工作台的形式根据机床的不同，工作台有三种外型根据机床的不同，工作台有三种外型 方形工作台方形工作台:工作面上可加工工作面上可加工V形，形，T形形 U型型槽和圆孔，长孔等槽和圆孔，长孔等.一般适用于镗床一般适用于镗床 钻床钻床 铣铣床床 转台转台 ：适用于磨床适用于磨床 立式车床立式车床 专用机床专用机床 移动转台移动转台 ： 适用于镗铣加工中心等适用于镗铣加工中心等二.工作台参数HTK1
3、60x180HTK160x180面积mm16001800 承重kg10000 行程mm 2000(选项1000,3000,4000) 转数r/min1 移动速度mm/min1-6000 定位精度mm0.026 B(490)18(4)重复定位精度mm0.015 B(490)10(4)外形尺寸mm500023001110重量kg 13000技术参数：技术参数：承载、尺寸、行程、承载、尺寸、行程、转速、定位精度、移转速、定位精度、移动速度动速度 三. 支撑结构 台面材料：台面材料：以大型和重型化为目标的机床，材料的力学性能起着决定性的作用；以超速、超精加工为目标的现代化数控机床，其结构材料还要求具备
4、高的减震性、热稳定性和抗腐性等综合的性能。灰铸铁材料：灰铸铁材料：易于铸造，且切削加工性好，制造成本低 ，并具有良好的耐磨性和减震性，是传动的机床结构材料四.定位机构分度工作台：分度工作台：分度工作台的功能只是将工件转位换面，和自动换刀装置配合使用，实现工件一次安装能完成几个面的多种工序，提高工作效率.分度工作台的分度精度要求较高（普通级 10 精密级 5 高精密级3 ）常用的定位元件有插销定位、反靠定位、齿盘定位和钢球定位等几种。齿盘可承受很大的外载，定位刚度高，精度保持性好。 数控回转工作台：数控回转工作台：除了分度和转位的功能之外，还能实现数控圆周进给运动。 注：注：常用有转动角度的测量
5、元件(圆光栅或圆感应同步器)，由伺服电机控制使转台定位精度更高。分度定位机构又分为：分度定位机构又分为： 插销定位 反靠定位 齿盘定位 钢球定位 插销定位插销定位基本定位机构是定位销和定位套。基本定位机构是定位销和定位套。操纵定位销的插入和拔 出，有的是用杠杆或凸轮并与分度回转、夹紧等动作一起实现机械强制控制，有的则是用单独的油缸控制。齿盘定位定位精度高、刚性好、机构简单、改变分度工位时调整方便。在花盘底面和底座顶面上都装有齿盘，由齿盘的啮合使工作台定位。工作台转位时，须将花盘抬起，使两个齿盘脱开。注：承受轴向力，径向力，切向力反靠定位用两个定位块，一个固定不动，另一个由弹簧和不动定位块的作用
6、上下移动。 缺点：移动导向杆和导向套仍有磨损。(4)钢球定位除了用一圈相互挤紧的钢球代替了端面齿盘外，其分度传动的工作原理、分度延续时间、可调性及自动化程度等，均与前面介绍的齿盘定位分度相似，分度精度高于齿盘。五、传动形式两种伺服电机进给机构静压蜗杆蜗母条副传动能满足加工中心静压蜗杆蜗母条副传动能满足加工中心进给元件没有间隙、磨损小、刚度高、阻进给元件没有间隙、磨损小、刚度高、阻尼性好、传动效率高的要求尼性好、传动效率高的要求,它是丝杠螺母它是丝杠螺母机构的一种特殊形式机构的一种特殊形式,适用于龙门镗铣床、适用于龙门镗铣床、数控落地铣镗床。数控落地铣镗床。其优点表现在摩擦阻力小、使用寿命长、抗
7、振性能好, 且有足够的轴向刚度, 蜗母条能无限接长。滚珠丝杠螺母副传动滚珠丝杠螺母副是直线运动与回转运动相互转换的新型传动装置,一般应用于机械加工的高速加工中心和经济型高速数控机床, 它具有以下特点：传动效率高,摩擦损失小;给予适当的预紧,可消除丝杠和螺母螺纹间隙;运动平稳，无爬行现象,传动精度高;有可逆性;磨损小,使用寿命长。滚珠丝杠螺母副齿轮传动齿轮传动形式多应用广泛，其主要特点是：齿轮传动形式多应用广泛，其主要特点是：工作可靠传动比稳定等。工作可靠传动比稳定等。渐开线齿轮传动锥齿轮传动六、润滑密封装置回转部分的润滑：回转部分的润滑：一般采用循环喷油润滑，可以冲掉传动一般采用循环喷油润滑，
8、可以冲掉传动过程中齿轮啮合区的磨粒、减少磨损、延长使用寿命、对过程中齿轮啮合区的磨粒、减少磨损、延长使用寿命、对涡轮蜗杆进行很好的冷却与润滑等。涡轮蜗杆进行很好的冷却与润滑等。密封装置：密封装置：为防止工作过程中切屑与杂质进入旋转台，回为防止工作过程中切屑与杂质进入旋转台，回转部分与下箱之间要用密封圈封好，这样还能起到润滑轴转部分与下箱之间要用密封圈封好，这样还能起到润滑轴承的作用。承的作用。密封圈密封圈：依靠密封件发生弹性变形，在密封接触面上造成依靠密封件发生弹性变形，在密封接触面上造成接接 触压触压 力，接触压力大于被密封介质的内压，则不发生力，接触压力大于被密封介质的内压，则不发生泄漏，
9、反之则发生泄漏。泄漏，反之则发生泄漏。七、计算校核数控回转工作台传动部分的计算数控回转工作台传动部分的计算圆柱齿轮传动设计计算圆柱齿轮传动设计计算主要包括：材料选择、精度及参数选择、螺旋角选择、齿宽系数确定、计算齿轮各个直径、中心距、齿轮宽度、齿面接触强度设计、校核弯曲疲劳强度等等。涡轮蜗杆传动设计计算涡轮蜗杆传动设计计算主要包括：涡轮蜗杆材料、硬度、头数、齿数、螺旋升角、涡轮齿宽、弯曲疲劳强度校核、效率计算、热平衡计算等等。工作台设计举例图台面台面密封装置密封装置传动机构传动机构底座底座静压块静压块设计一套供立式数控铣床使用的X-Y数控工作台，主要参数如下：立铣刀最大直径的d=15mm，立铣
10、刀齿数Z=3最大铣削宽度ac=15mm最大背吃刀量ap=8mm加工材料为碳素钢或有色金属X、Y方向的脉冲当量 =0.01mm X、Z方向的定位精度均为0.04mm工作台面尺寸为250mm250mm加工范围为 300mm120mm工作台空载进给最快移动速度： Vxmax = Vymax =1500mm/min，工作台进给最快移动速度:加减速0.3s。例题解析设计主要步骤1 确定设计总方案机械传动部件的选择控制系统的设计2 机械传动部件的计算和选择工作台外形尺寸及重量初步估算计算切削力滚动导轨的设计计算滚珠丝杠传动设计计算及校验 一、 确定设计总方案1 1、机械传动部件的选择机械传动部件的选择 1
11、）丝杠螺母副的选择 步进电动机的旋转运动需要通过丝杠螺母副转换成直线运动，需要满足初选0.01mm脉冲当量，因为定位精度0.04mm，对于机械传动要有一定的精度损失，大约是1/3-1/2的定位精度，现取为1/2，即是0.02mm和0.04mm的定位精度，滑动丝杠副无法做到，只有选用滚珠丝杆副才能达到要求，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。 同时选用内循环的形式，因为这样摩擦损失小，传动效率高，径向尺寸结构紧凑，轴向刚度高。 由于定位精度不高，故选择的调隙方式是垫片调隙方式，这种调隙方式结构简单，刚性好，装卸方便。 由于工作台最快的移动速度 Vx
12、max = Vymax =1500mm/min 所需的转速不高，故可以采用一般的安装方法，即一端固定，一端游动的轴承配置形式。2）、导轨副的选用 要设计数控铣床工作台，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）、伺服电机的选用 选用步进电动机作为伺服电动机后，可选开环控制，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低，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，决定采用开环控制，任务书初选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
13、有1500mm/min,故本设计不必采用高档次的伺服电机，因此可以选用混合式步进电机，以降低成本，提高性价比。 4）、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，如果要选用减速装置，则应选用无间隙齿轮传动减速箱。2、 控制系统的设计控制系统的设计 1）设计的X-Y工作台准备用在数控铣床上，其控制系统应该具有轮廓控制，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）对于步进电动机的开环控制系统，选用MCS-51系列的8位单片机AT89S52作为控制系统
14、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，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。二 、机械传动部件的计算和选择1 1）工作台外形尺寸及重量初步估算）工作台外形尺寸及重量初步估算根据给定的有效行程,估算X向和Y向工作台承载重量WX和WY。XY工作台如图所示:X向拖板向拖板(上拖板上拖板)尺寸为尺寸为: 长*宽*高=320*270*40 重量:按重量=体积*材料比重估算为: = N=270NY向拖板向拖板(下拖板下拖板)尺寸为尺寸为: 长*宽*高= 重量 = N=320N上导轨
15、(含电机)估算重量为：240N夹具及工件重量:150NX-Y工作台运动部分总重量为: 270N+320N+240N+150N=800N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） 计算切削力计算切削力根据设计任务，加工材料为碳素钢或有色金属及如下参数：立铣刀 最大直径的 d=15mm 立铣刀齿数 Z=3 最大切削宽度 =15mm 最大背吃刀量 =8mm设零件的加工方式为立式加工，采用硬质合金铣刀，工件材料为碳素钢。d=15mm的硬质合金立铣刀最大的切削参数如下： 每齿进给量fz=0.1m
16、m 铣刀转速n=300r/min立铣时切削力计算公式为：代入上式得： 采用立铣刀进行圆柱铣削时，各铣削力之间的比值范围如下： Ff/ Fc =(1.01.2) 取1.1 / Fc =(0.20.3) 取0.25 Fe/Fc=（0.350.4） 取0.38考虑逆铣时受力最大的情况，为了安全考虑这种最危险的情况。由此可估算三个方向的铣削力分别为： （与丝杠轴线平行） （与工作台面垂直） （与丝杠轴线垂直）考虑立铣，则工作台受到垂直方向的铣削力，受到水平方向的铣削力分别为Ff和Ffn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Fx，径向铣削力为Fy。 3)滚动导轨的设计计算滚动导轨的设计计
17、算1、工作载荷的计算 工作载荷是影响导轨副寿命的重要因素，对于水平布置的十字工作台多采用双导轨、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，则单滑块所承受的最大垂直方向载荷为： 其中，移动部件重量G=800N,外加载荷外加载荷得最大工作载荷 2、小时额定工作寿命的计算预期工作台的工作寿命为5年，一年365天，取工作时间为360天，每天工作8小时，因此得到小时额定工作寿命3、距离额定寿命计算由公式 ，从而得到 式中： 为小时额定工作寿命。n为移动件每分钟往复次数（46）取5S为移动件行程长度，由加工范围为300mm120mm取330mm代入数据 得：L=2851
18、km .4、额定动载荷计算由公式从而得到：式中：Ca为额定动载荷 L为距离工作寿命，由上式可知为2851km F为滑块的工作载荷，由上式可知为668N代入数据得：Ca =5120N5、产品选型根据额定动载荷，选择滚动导轨，查滚动导轨生产厂家，选用南京工艺装备制造有限公司的GGB16BA型，相关尺寸如下所示 可知其额定动载荷可知其额定动载荷C=6.07KN，大于，大于4580N，故可知满足要求。，故可知满足要求。4)滚珠丝杠传动设计计算及校验1、最大工作载荷的计算已知移动部件总重量G=800N，按滚动导轨计算，取颠覆力影响系数K=1.1，滚动导轨上的摩擦系数u=0.00250.005,现取u=0
19、.005，求得滚珠丝杠副的最大工作载荷： =1.11352+0.005(307+468+800) =1495N2、最大计算动载荷的确定 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P=5mm,则此时丝杠转速 =v/P=80r/min。预计滚珠丝杠的工作5年,每年算360天，每天工作8小时，由此得使用寿命为： T=53608=14400h，公式得： =其中 T使用寿命 14400 h N循环次数 滚珠丝杠的当量转速 80r/min 求得： 69（ ） 受中等冲击载荷取值范围 ，现取 ，滚道硬度为60HRC时，硬度影响系数取值 ，由式代入数据得： 7971N3、规格
20、型号的初选根据计算出的最大动载荷和初选的丝杠导程，查网上生产该型号的生产厂家的资料，选择济宁博特精密丝杠制造有限公司生产的GDM系列2005-3型滚珠丝杠副，为内循环固定反向器双螺母垫片预紧式滚珠丝杠副，其公称直径为20mm，导程为5mm，循环滚珠为3圈2系列，精度等级取5级，螺母安装尺寸L=80mm，额定动载荷为9309N，大于最大计算动载荷Cc=7971,满足要求。名 称符 号计算公式和结果 丝杠滚道公称直径d020螺距P5接触角钢球直径dw3.175螺纹滚道法面半径R偏心距e螺纹升角丝杆丝杠外径d119.3丝杠底径d216.2螺杆接触直径dz丝杠螺母螺母螺纹外径D螺母内径（内循环）D12
21、0.14滚珠丝杠螺母副几何参数 （单位mm） 4、传动效率的计算将公称直径d0=20mm,导程P=5mm,代入=arctanP/(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X-Y工作台上下两层滚珠丝杠副的支承均采用“一端固定-一端游动”的轴承配置形式。可知这种安装适用于较高精度、中等载荷的丝杠，一端采用深沟球轴承，一端采用一对背对背角接触球轴承,这样能承受集中力。丝杠螺母的刚度的验算可以用接触量来校核。a、滚珠丝杠滚道间的接触变形量根据公式 求得单圈滚珠数Z=20；该型号丝杠为双螺母，滚珠的圈数列数为32，代入公式 Z圈数
22、列数，得滚珠总数量 =120。丝杠预紧时，取轴向预紧力 /3=498N。查相关公式，得，滚珠与螺纹滚道间接触变形 式中 Pa= = 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=0.0007mm。b)丝杠在工作载荷 作用下的抗拉压变形丝杠采用的是一端采用深沟球轴承，一端采用一对背对背角接触球轴承的配置形式，轴承的中心距a=500mm,钢的弹性模量E=2.1105MPa, 滚珠直径 =3.175mm,丝杠底径 =16.2mm，则丝杠的截面积S= =206.12由公式 其中 最大工作载荷 =1495N 中心距a=500mm 弹性模量E=2.1105MPa 截面积S= =2
23、06.12代入以上数据，得 =0.0172mm则总=1+2=0.0007+0.0172=0.0179mm=17.9本例中，丝杠的有效行程取330mm，由表知，5级精度滚珠丝杠有效行程在315400mm时，行程偏差允许达到25 可见丝杠刚度足够。 6)稳定性的验算根据公式 取支承系数 =2；由丝杠底径d2=16.2mm求得截面惯性矩 3380 mm；压杆稳定安全系数K取3（丝杠卧式水平安装）；滚动螺母至轴向固定处的距离L取最大值415mm。代入公式，得Pa=27089N=F大于CC=7533N，故不会失稳，满足使用要求。7)临界转速的验算对于丝杠有可能发生共振，需验算其临界转速，不会发生共振的最高转速为临界转速， 其中 20-1.23.175=16.19mm Lc为临界转速计算长度 f2为丝杠支承方式系数=3.927（一端固定，一端游动）代入数据得：nc =9428r/min临界转速远大于丝杠所需转速，故不会发生共振 8）滚珠丝杠的选型及安装连接尺寸的确定由以上验算可知，选用GDM2005型的丝杠，完全符合满足所需要求，故确定选用该型号
