xy 工作台说明书.doc

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1、广西科技大学数控机床课程设计说明书学院： 机械工程学院 班级： 机自Y115班 姓名： 陈秋梅 学号： 3 指导老师： 李冰 目 录一、 设计目的1二、 设计要求1三、 设计内容和步骤1（一）总体设计方案.1 设计机构的性能要求 .1 待改装钻床型号的确定.1 控制方式的确定.3 伺服系统的确定.3 工作台参数的初步选定.3 导轨的选型思路.3 滚珠丝杠选型思路.4 丝杠和电机连接零件的选取思路.4 支承座材料的选取.4 轴承类型的选取思路.4 （二）机械部分改装设计与计算.5 确定工作台的尺寸及其重量.5 滚珠丝杠参数计算与选型.5 滚动导轨参数计算与选型.8 步进电机参数计算与选型.10联

2、轴器的选择.15支承座参数设计 .18 轴承型号的选取.18四、 设计总结.18五、 参考文献.18一、 设计目的通过本次设计，使我们全面地、系统地了解和掌握数控机床的基本内容和基本知识，初步掌握数控机床的设计方法，并学会运用手册标准等技术资料。同时培养我们学生的创新意识、工程意识和动手能力。二、 设计要求 1、改造后的钻床能够加工最大面积为180180，最大工件重量为200kg。 2、数控XY工作台要求孔的定位精度在0.02mm内，工作台快进速度为3.6m/min，加减速时间为：0.1秒。 三、设计的内容和步骤（一）总体设计方案 设计机构的性能要求: 设计机构的性能要求有两个方面：a、是在静

3、态性能方面：工作台达到一定的几何精度、定位精度以及重复定位精度，同时也要满足相应的刚度和强度要求。b 是在动态性能方面：工作台要满足速度和加速特性以及工作的稳定性等。 待改装钻床型号的确定: 因为改造后的钻床能够加工最大面积为180180，在预留装夹具的尺寸后，工作台的尺寸应该设计为260260。根据改装后这个工作台的尺寸找出与它相对应的要改装钻床的型号。图（一）钻床 综合考虑选Z4032图（一），满足工作要求。控制方式的确定： 因为X、Y工作台的位置控制采用步进电机数控系统，由于工件相对刀具移动的过程中不进行钻削，故采用点位控制系统，要求是快速定位，保证定位精度。定位方式采用增量坐标方式。伺

4、服系统的确定： 数控XY工作台要求孔的定位精度在0.02mm内，定位精度要求不高，故选择开环伺服控制系统可以满足要求。因为开环系统稳定性好，不存在位置检测和反馈控制，结构简单，调试和维修方便、成本低。工作台参数的初步确定： 改装后的钻床工作台能够加工最大面积为180180mm的工件，所以在预留安装夹具的尺寸后，工作台应该设计为260mm260mm，考虑到工件的最大重量为200kg，为了保证工作台的刚度和强度，选取工作台厚度为25mm.估算工作台的尺寸为260mm260mm25mm。导轨的选项思路：选择的导轨应该具有摩擦系数小，动摩擦系数接近，不产生爬行现行现象，承载能力和刚度好等特点。所以我选

5、择直线滚动导轨副。它具有动、静摩擦力之差很小，随动性极好，有益于提高数控系统的响应速度和灵敏度，能实现高定位精度和重复定位精度。滚珠丝杠选型思路： 滚珠丝杠具有：传递效率高、摩擦系数小、运动灵敏、无爬行现象等优点。考虑到工作台用于数控钻床，要求加工精度比较好，低速运动平稳，所以我选滚动丝杠螺母副，并采用外循环方式。因为这种循环方式结构简单，工艺性好，承载能力强，成本低等优点。丝杠和电机连接零件的选取思路： 因为由于要求设计的工作台属于轻载型工作台，工作台上的负载折算到电机上的转动惯量不是很大，所以电机与丝杠的连接用联轴器就可以满足要求。这样大大简化了主轴的结构，缩短传动链，提高了传动精度。同时

6、有效地提高了主轴部件的刚度。 支承座材料的选取： 选HT200做为支承座材料，其具有耐磨、减摩性好、抗振性强、铸造性能良好、切削加工性良好等优点。轴承类型的选取思路： 由于丝杠主要受轴向力的作用，为了保证其高速、高精度可靠性,采用一端固定，一端游动，可选用“前后支承均采用角接触球轴承和一个深沟球轴承支承”。这样既保证了轴向载荷和径向载荷。（一） 机械部分改装设计与计算 确定工作台的尺寸及其重量 在老师给定的钻床能够加工最大面积参数中，我选择钻床能够加工最大面积为180180mm，考虑加工的时候要用夹具夹紧工件，每边留出装夹具的尺寸为40mm，最后确定工作台尺寸为260260mm。因加工工件的最

7、大重量为200kg ，考虑工作台的刚度和强度等因素。取工作台台面的厚度为25mm。查阅有关资料，我选灰铸铁HT200做为工作台的材料，其优点是耐磨、减摩性好、抗振性强、铸造性能良好、切削加工性良好。其密度是7.2kg/m。由此可以计算工作台的重量为：M=7.226026025=12.168kg。 本设计校核中总是考虑最危险的工况，因为工作台上下两轴的传动装置相同。由于下层传动装置受到的载荷比上层大很多。所以以下方的滚珠丝杠为对象进行计算。除了上层工作台外，还应考虑支承座、轴承、轴承座、联轴器、电机、最大工件质量200kg，以及夹具质量等部件后，估算工作台的总质量M=300kg。 滚珠丝杠参数计

8、算及选型：a、求出螺旋传动的计算载荷Fc：其中-为载荷系数，无冲击平稳运转：1.01.2; 一般冲击：1.21.5；有冲击和振动：1.5-2.5。根据这次设计机床的情况，我选=1.1。-为硬度系数，滚道硬度HRC58 ：1.0 ； 滚道硬度HRC55 ：1.11；滚道硬度HRC50 ：1.56；滚道硬度HRC45 ：2.4；滚道硬度40 ：3.85；参考文献【3】得滚珠丝杠的硬度应达到602HRC，即滚道硬度HRC58。由于滚道的硬度跟丝杠相近，所以我选=1.0。为精度系数，精度等级C、D : 1.0；精度等级E、F：1.1，精度等级G：1.25；精度等级H：1.43。因为滚珠丝杠螺母副精度等

9、级的选择： 普通精度的数控机床可选用D级精度，精密型数控机床选用C级。所以选择=1.0-为丝杠工作时的轴向压力。为导轨的摩擦系数。为最下面的丝杠以上的所有重量。参考文献【1】 取摩擦系数=0.003。所以=300100.003=9N。=1.11.01.09=9.9Nb、额定动载荷及寿命计算：（1）确定丝杠使用寿命：假设滚动丝杠能工作6年，每年为300天,每天工作10小时则滚珠丝杠的运转寿命=610300=18000 h取滚珠丝杠的平均转速=110r/min则根据选择滚珠丝杠螺母副，按滚珠丝杠副的额定运动载荷等于梢大于的原则，参考文献【1】图（二）滚珠丝杠螺母副图（三）滚珠丝杠参数考虑到各种因素

10、，选用的滚珠丝杠的参数如下：型号是WD2004-2.51/DL- 滚动导轨参数计算与选型：一计算导轨的工作寿命T，要求不低于6年。假设每天工作10小时，每年300天，使用6年，则：=103006=18000 h二计算导轨行程长度寿命其中为单向行程，n为每分钟往返次数（可取4-6次/分钟）取=0.2m，n=5所以=2180000.2560/1000= 2160km三计算导轨的额定动载荷 因为导轨采用四个滑块，每根导轨上使用2个滑块，已知作用在导轨副上的压力则每个滑座承受的工作载荷根据公式 ，得：根据额定动载荷确定滚动导轨的型号和结构尺寸。查得：图（四）滚动直线导轨副其中HGH15CA型号的导轨的

11、=11.38KN,能满足6年的使用要求，所以选用HGH15CA型号的滚动直线导轨，导轨的长度取450mm。 步进电机的参数计算与选型：一 由机床精度要求确定脉冲当量因为孔的定位精度为0.02mm， 假设电机的脉冲当量为0.01因为用联轴器连接电机主轴和丝杆，所以传动比=1所选的丝杆基本导程P=4mm，由公式得，电动机的步距角其中P为丝杠的导程。二计算电机轴上的总当量负载转动惯量=+ a 丝杆的转动惯量 （kg） 其中：为丝杠密度，取7.8 kg/ ， d为丝杆的等效直径，l为丝杠的长度。由所选丝杠的型号得，d=20mm=mm，l=400mm=0.4m所以丝杠的转动惯量： b工作台、工件、夹具、

12、支承座等折算到电机轴上的转动惯量：c 电机转子的转动惯量小的场合，可忽略不计。所以电机轴上的总当量转动惯量 =+=4.9010+12.1710=17.0710 kg三电机轴转矩的计算：a 空载启动时，电动机轴上的惯性转矩： Nm 其中：为电机加减速时间（=0.1s）；p为丝杠导程（m）。为工作台快进速度（=3.6m/min，换算为m/s）；为传动比。所以b 机轴上的当量摩擦转矩（工作台及工件重量引起）为伺服传动链的总效率，可取0.8。 c、因丝杠副预紧力引起的电机轴上的附加摩擦转矩：（设预紧力为最大轴向载荷的，为滚珠丝杠螺母副未预紧时的传动效率，=0.9）= = Nm空载启动时电机轴上的最大静

13、转矩：=+=16.07+0.717+0.045=0.1683 Nm 所选取的步进电机的最大静转矩根据步进电机的最大静转矩 Nm选择步进电机的型号，从网上查得：图（五）混合式步进电机型 号机身长L步距角电压电流电阻电感保持转距定位转矩转动惯量重量mmDegVAmHN.mN.mKg.cmKg110BYG2501420.98020060.455.9100.35.65.5110BYG250A1700.98020060.558.012.50.58.47.5110BYG250B1980.98020060.6710.0180.612.611110BYG250C2260.98020060.688.3220.7

14、16.813110BYG250D2540.98020060.799.7250.82115图（六） 混合式步进电机型号选择的步进电机型号如下： 110 BYG250电机具体参数是：步距角：0.9度，转动惯量：5.6kg=5.6 kg。步进电机选型的时候，必需同时满足转动惯量及静转矩的要求。即应进行惯量匹配验算：1，为所选电机的转动惯量。=1。说明惯量匹配合理。按电动机运行矩频特性曲线来确定最大运行频率，并应满足f=(为实际连续运行频率的最大值)。所选电机的矩频特性如图：110 BYG250 110VAC0.97.5/1 7.2/2 6.8/4 5.6/6 4.5/8 3.5/10 2.5/121

15、10 BYG250A 110VAC0.912.3/1 12.2/2 12.1/4 10/6 7.5/8 6/10 4/12110 BYG250B 110VAC0.915.5/1 15/2 13/4 11/6 8.5/8 7/10 4.5/12110 BYG250C 110VAC0.918/1 16/2 14/4 12/6 10/8 8/10 5/12表（一） 矩频特性（平均参考值）由矩频特性曲线知道，电机的最大运行频率f=12000HZ，根据, 。故满足要求。 联轴器的选择：因为钻床具有较大的冲击、振动和转矩变化较大的工作载荷，严重影响传动系统的工作性能。所以我选择微型狭缝弹性联轴器，以缓冲、

16、减振、补偿轴线偏移，改善传动系统工作性能。参考文献【1】得联轴器的参数，如下图所示 图（七）轮胎式联轴器图（八）轮胎式联轴器根据选出的电机和丝杠的参数，选出下面的微型狭缝弹性联轴器，因为丝杠的轴直径为12mm,电机轴直径为16mm。 所以我选择LU1 轮胎式联轴器。 支承座参数设计：根据工作台的尺寸和所选导轨的长度确定支承座的长度，同时在为了保证装上滚珠丝杠后，以丝杆的螺母座不会碰到支承座的表面为依据确定支承座的高度 ，长宽高分别设为a、b、c， 所以a=480mm, b=220mm, c=120mm。 轴承型号的选取：(1)因为滚珠丝杠采用一端固定，一端支承的支承方式。所以要选择两种类型的滚

17、动轴承。固定端采用角接触球轴承，支承端采用深沟球轴承。轴承的参数是根据滚珠丝杠的轴端直径来确定的，因为滚珠丝杠轴端直径为15mm。参考文献【1】图（九）角接触滚珠轴承选择型号为7002C型角接触轴承，其内径d为15mm,大径D为32mm，厚度B为9mm。图（十） 深沟球轴承 选择型号为6002型的深沟球轴承，其内径为15mm，大径D为32mm，厚度B为9mm。(2) 在滚珠丝杠的两端支撑座：图（十一）滚珠丝杠支撑座 因丝杠对中安装问题，考虑综合因素，选用EK15安放在固定端而EF15安放在铰支端，确保滚珠丝杠的安装固定在准确的位置。四设计总结:在刚开始设计时，遇到了很多困难，比如说工作台的尺寸

18、大小设计，丝杠的选用，步进电机的选用，都遇到了不少麻烦，错一个就要换选一批，甚至一整套零件，在选用方面花费了不少功夫。在制图中，自己对CAD软件的不熟悉也凸显了出来，好的操作将能节省不少时间。在形形色色的实物图，设计一个合适的XY数控工作台，自己走了不少弯路，也同时弄清楚了，整个设计过程注意的地方。避免以后在设计中出现同样的问题。在此感谢帮助我的同学和老师，这次课程设计的完成，离不开老师和同学的指导、帮助和鼓励。最后由于本人水平有限，所以设计过程有许多的不足，恳请李老师批评指正。五、参考文献：【1】.成大先主编，机械设计手册化学工业出版社。【2】.朱龙根主编，简明机械零件设计手册机械工业出版社。【3】.范云涨、陈兆年主编金属切削机床设计简明手册机械工业出版社。