X-Y数控工作台课程设计 - 图文

《数控机床》课程设计说明书

设计题目：班 级：学 号: 姓 名：指导教师： X-Y数控工作台设计

2015年 6月26日

设计摘要

本设计是在数控机床工作原理之上设计一台简单的、经济型的X-Y数控工作台。通过对数控回转工作台的设计，使大学生在步入社会之前，不仅能够设计出数控回转工作台，而且能够掌握机械设计的方法和步骤。本课题研究的主要内容包括：导轨上移动部件的重量估算，计算切削力，滚珠丝杠传动的设计计算及校验，步进电动机的传动计算及电动机选用滚动导轨的设计计算；最后，对各零件进行装配。

本设计中经济型数控工作台采用开环系统；机械传动部分采用联轴器将步进电机直接与滚珠丝杠连接，从而驱动工作台进给。所设计的数控X-Y工作台是简单、经济型的，且是专用于数控铣床上的。

。

关键词：数控铣床、工作台、开环、经济型

目录

一、 前言????????????????????????1 二、 设计目的及任务 ??????????????????2

(1)设计目的 ????????????????????2 (2)设计任务 ????????????????????2 三、 确立设计总体方案 ?????????????????3

(1)机械传动部件的选择 ???????????????3 (2)控制系统的设计 ?????????????????3 四、 机械传动部件的计算与选型 ?????????????5

(1)导轨上移动部件的重量估算 ????????????5 (2)计算切削力 ???????????????????5 (3)滚珠丝杠传动的设计计算及校验 ?????????6 (4)步进电动机的传动计算及电动机选用????????11 (5)滚动导轨的设计计算 ??????????????17 五、机械部分装配图的绘制????????????????20 六、总结????????????????????????21 七、参考文献??????????????????????22

前言

当今世界数控技术及装备发展的趋势及我国数控装备技术发展和产业化的现状

在我国对外开放进一步深化的新环境下 ,发展我国数控技术及装备、提高我国制造业信息化水平和国际竞争能力的重要性 ,并从战略和策略两个层面提出了发展我国数控技术及装备的几点看法。

装备工业的技术水平和现代化程度决定着整个国民经济的水平和现代化程度 ,数控技术及装备是发展新兴高新技术产业和尖端工业的使能技术和最基本的装备 ,又是当今先进制造技术和装备最核心的技术。数控技术是用数字信息对机械运动和工作过程进行控制的技术 ,而数控装备是以数控技术为代表的新技术对传统制造产业和新兴制造业的渗透形成的机电一体化产品 ,其技术范围覆盖很多领域。

《数控机床》课程设计是一个重要的时间性教学环节，要求学生综合的运用所学的理论知识，独立进行的设计训练，主要目的：

1、通过设计，使学生全面地、系统地了解和掌握数控机床的基本组成及其想关知识，学习总体的方案拟定、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的工作原理、设计计算及选用的方式

3、通过对机械系统的设计，掌握常用伺服电机的工作原理、计算控制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、查阅文献资料及撰写科技论文的能力

一、设计的目的

《数控机床》课程设计是一个重要的时间性教学环节，要求学生综合的运用

所学的理论知识，独立进行的设计训练，主要目的：

1、通过设计，使学生全面地、系统地了解和掌握数控机床的基本组成及其想怪知识，学习总体的方案拟定、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的工作原理、设计计算及选用的方式。

3、通过对机械系统的设计，掌握常用伺服电机的工作原理、计算控制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、查阅文献资料及撰写科技论文的能力。

二、设计任务

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： 1、立铣刀最大直径的d=15mm，立铣刀齿数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。

2、X、Z方向的定位精度均为±0.02mm。

3、工作台面尺寸为220mm3190mm，加工范围为240mm3210mm。 4、工作台空载进给最快移动速度： Vxmax = Vymax =3000mm/min，工作 台进给最快移动速度:Vxmaxf?Vymaxf?400mm/min，加减速0.4s。

轴承，一端采用一对背对背角接触球轴承,这样能承受集中力偶。 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δ

查《机床设计手册》中相关公式，根据公式Z??d0/dW，求得单圈滚珠数Z=20；

?Z?圈数?列数，

该型号丝杠为双螺母，滚珠的圈数?列数为2?2.5，代入公式Z?得滚珠总数量Z?=100。丝杠预紧时，取轴向预紧力Fy?Feq/3=540N。查.《机床设计手册》中相关公式，得，滚珠与螺纹滚道间接触变形

?1?0.0013Pa/3dwFyz3式中 Pa=Fm=1620N;则?33?1?0.0013Pa/3dwFyz3因为丝杠有?0.0013Pa/3.175?540?100?0.0018mm。?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?1=0.0009mm。

b、 丝杠在工作载荷Fmax作用下的抗拉压变形?2

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=450mm,钢的弹性模量E=2.1?105MPa,由表一中可知，滚珠直径dw=3.175mm,丝杠底径d2=16.2mm，则丝杠的截面积S=πd2/4=206.12mm,由《机电一体化系统课程设计指导书》中，式3-35

22?2?Feqa/ES

其中， 最大工作载荷Feq=1623N

中心距a=450mm 弹性模量E=2.1?105MPa 截面积S=πd2/4=206.12mm

代入以上数据，得 ?2=0.017m

则δ总=δ1+δ2=0.0009+0.017=0.0179mm=17.9?m

取丝杠的有效行程为500mm，由《机床设计手册》中知，5级精度滚珠丝杠有效行程在400~500mm时，行程偏差允许达到30?m,可见丝杠刚度足够。

22图二

⑥、稳定性的验算

细长丝杠在受压缩载荷时，不会发生失稳的最大压缩载荷为临界载Fer 根据《数控机床系统设计》中P100 式（5-9）得 Fer?3.4?10其中：

支承系数

10f1d2L024。

fk=2；（一端固定，一端游动）

丝杠底径d2=16.2mm 丝杠最大受压长度L0代入以上数据，得 F=3157N

因大于F=3157N Cc=8637N，故不会失稳，满足使用要求。

?385mm

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

f22d2临界转速nc，由《数控机床系统设计》中P100式5-10得：nc?99102

Lc

其中 d2

?d0?1.2Dw?20-1.233.175=16.2mm

?350mm

Lc为临界转速计算长度LC

f2为丝杠支承方式系数f2=3.927（一端固定，一端游动）

代入数据得：

nc?20210r/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，选用该系列型号的丝杠，完全符合满足所需要求，故确定

选用该型号。

（4）步进电机的传动计算及电动机的选用 ①、传动计算

因为该铣床的加工精度为±0.02mm，考虑到机械传动部分造成的精度损失，故选用铣床的脉冲当量为0.01mm/Hz，初选步进电动机的步距角α=0.72°。

传动比i=i?360360??×0.01?1 ?t0.72?5由于传动比为1，则不需要选用减速箱，采用电动机轴与丝杠通过联轴器联接的方式。

② 、步进电动机的计算和选型

a、步进电动机转轴上的总转动惯量的计算。

总转动惯量J主要包括电动机转子的转动惯量、滚珠丝杠上一级移动部件等折算到电动机轴上的转动惯量。

ⅰ、滚珠丝杠的转动惯量J

由《数控机床系统设计》中P123式5-30 得： J?0.77D4L?10?12

式中 D为丝杠公称直径D=20mm

L为丝杠长度L=500mm

代入数据，得：J =0.7732043500310?12=7.02310?5kg.㎡

ⅱ、滚珠丝杠上一级移动部件等折算到电动机轴上的转动惯量

由《数控机床系统设计》中式5-31得：J2?(s2)M?10?6 2π

G800其中 M为工作台的（包括工件）的质量M=?=81.6kg

g9.8

S为丝杠螺距S=5mm

52)?81.6?10?6?5.2?10?5kg.m2 2π 代入数据，得：J2?(

ⅲ、初选常州常州康达通用电气有限公司的11BYG550B型步进电动机，

/cm，所以： 可知其转子的转动惯量J3?8.3kg

Jd2?J1?J2?J3=7.02310?5+5.2310?5+8.3310?4=9.2310?4 N2m

验算惯量匹配，电动机轴向惯量比值应控制在一定的范围内，既不应太

大也不应太小，即伺服系统的动态特性取决于负载特性。为使该系统惯量达到较合理的配合，一般比值控制在1/4——1之间，JJ3d?8.3?10?4?49.2?10?0.9

1J3?1,符合惯量匹配要求。 由此可见:?4Jd③、步进电动机转轴上的等效负载转矩M的计算

电机在不同工况下所承受的负载转矩是不同的，考虑最大切削负载时电动机所需力矩。

a．最大切削负载时电动机所需力矩

由《数控机床系统设计》中P122式5-27得：M1?Mat?Mf?M0?Mt 加速力矩 Mat?Jrn 9.6T?42式中 Jr为折算到电动机轴上的总惯量Jr=12.72?10kgm

T系统时间常数，由任务书知为T=0.4S

nt切削时的转速为300r/min

12.72?10?4?400 代入数据得：Mat?N?m?0.1325N?m

9.6?0.4 摩擦力矩 Mf?F0S?10?3 2π?i式中： F0为导轨摩擦力Fo?u(FZ?G)?6.77N

S为丝杠螺距S=5mm i为齿轮降速比i=1

η为传动链总效率，η=0.7—0.8，取0.75

6.77?5?10?3N?m?0.0072N?m

2?3.14?0.75代入数据得：Mf? 附加摩擦力矩 M0?FamaxS(1??02)?10?3 2π?iFm?620N 3式中： Famax为最大轴向载荷，Famax?

?0为滚珠丝杠未预紧时的效率，?0=0.95≥0.9

其余数据同上

代入数据得：Mo切削力矩 Mt??0.0507 N2m

FtS?10?3 2π?i式中： Ft进给方向的最大切削力Ft代入数据得：Mt

?Fx?1683N

?1.41 N2m

最大切削负载时所需力矩：M1?Mat?Mf?Mo?Mt?1.6 N2m

b．快速空载时电动机所需力矩

由《数控机床系统设计》中P122式5-26得：M?Mamax?Mf?M0 加速力矩 Mamax?式中： nmax?代入数据得：Mamax摩擦力矩 Mf?Jrnmax 9.6TVmax3000??600r/min Ph5?0.083 N2m

F0S?10?3 2π?i

可知其额定动载荷C=11.3KN，大于6000N，故可知满足要求。

6、安装连接尺寸 ○

对于导轨的安装按照如图三所示相关尺寸安装。

（6）联轴器的选择

选择ML(LM)型梅花形弹性联轴器

特点： 具有补偿两轴相对偏移、减振、缓冲性能、径向尺寸小，结构简单、不用润滑、承载能力较高，维护方使、更换弹性元件需轴向移动 (MLS型除外)，适用于联接同轴线，起动频繁，正反转变化，中速、中等转矩传动轴系和要求工作可靠性高的工作部位。不适用于重载。

机械部分装配图的绘制

装配图见A1图纸 零件图见A4图纸

总结

经过几个星期时间的课程设计，在老师的指导和同学们的帮助下完成了一套简易的数控XY工作台的设计，其中内容包括总体设计方案，机械部分的设计、计算及选型。刚开始时还不知道XY工作台结构是什么样的，通过上网查阅大量的有关资料，才初步了解其结构，觉得XY工作台的结构看起来很简单，但随着设计的进行，发现自己有好多方面是不足的，缺乏很多专业知识，在设计过程中总是做到后面几步了才发觉前面几步设计出错，在不断的修改中，不断地完善设计，从中更加深刻地了解到XY工作台的结构及其工作原理，同时，学会了运用手册、标准等技术资料。通过这次课程设计，从中发现了自己有很多的不足之处，因此自己需要加强学习、掌握专业方面的理论知识，提高实践能力、创新能力。

参考文献

【1】文怀兴、夏田 .数控机床系统设计 北京：北京化工出版社，2011. 【2】文怀兴、夏田 .数控机床系统设计 北京：北京化工出版社，2005. 【3】李洪 . 机床设计手册 北京：辽宁科学技术出版社，1999. 【4】吴新佳. 数控加工工艺与编程 北京：人民邮电出版社, 2009. 【5】陈锡渠. 金属切削原理与刀具 北京：北京大学出版社，2009. 【6】韩荣第 . 金属切削原理与刀具 哈尔滨工业大学出版社，2007. 【7】毛昕. 机械制图 高等教育出版社，2010 【8】濮良贵、纪名刚. 机械设计 ，2009

【9】孙恒、陈作模、葛文杰. 机械原理》高等教育出版社，2009.

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/48jg.html