《数控机床》课程设计说明书XY数控工作台机电系统设计.docx
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《数控机床》课程设计说明书XY数控工作台机电系统设计
设计题目:
X-Y数控工作台机电系统设计
班级:
姓名:
指导教师:
目录
一、《数控机床》课程设计目的………………………………………………3
二、设计任务………………………………………………………………………3
三、设计主要步骤……………………………………………………………………3
1、确定设计总体方案………………………………………………………………4
(1)、机械传动部件的选择……………………………………………………4
(2)、控制系统的设计…………………………………………………………4
2、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)、步进电机的传动计算及电动机的选用…………………………………9
(5)、滚动导轨的设计计算……………………………………………………15
3、其余附件的选择…………………………………………………………………16
四、控制系统的设计………………………………………………………………17
五、机械部分装配图的绘制………………………………………………………19
六、参考文献…………………………………………………………………………20
七、总结体会…………………………………………………………………………20
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
=15mm
最大背吃刀量
=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
,加工范围为
;
4、工作台空载进给最快移动速度:
,工作台进给最快移动速度:
,加减速0.4s。
三、设计主要步骤
1、确定设计总方案
⑴、机械传动部件的选择
1、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±0.02mm,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±0.01mm和±0.02mm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,且径向尺寸结构紧凑,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
,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有3000mm/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。
⑵、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。
2、机械传动部件的计算和选择
(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)、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。
由【5】中P13页的表中,可知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=0.1mm
铣刀转速n=300r/min
由【2】中P200,查得立铣时切削力计算公式为:
代如上式得:
采用立铣刀进行圆柱铣削时,各铣削力之间的比值可由【2】中查得,各铣削力之间的比值范围如下:
=(1.0~1.2)取1.1
/
=(0.2~0.3)取0.25
/
=(0.35~0.4)取0.38
考虑逆铣时的情况,因为逆铣的情况的受力最大的情况,为了安全考虑这种最危险的工况。
由此可估算三个方向的铣削力分别为:
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
和
今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
,径向铣削力为
。
(3)、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,由【3】中P389,取颠覆力影响系数K=1.1,滚动导轨上的摩擦系数查【1】中P194可知u=0.0025—0.005,现取u=0.005,求得滚珠丝杠副的最大工作载荷:
=1.1×1352+0.005×(307+467+800)
=1500N
②、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五年,每天工作八小时,由此得使用寿命为T=5×360
×8=14400h,根据【1】中P110,公式5—4得:
=
其中T——使用寿命14400h
N——循环次数
——滚珠丝杠的当量转速80r/min
求得:
≈72(
)
查【1】中P110,表5-1、5-2得,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【1】中P109,式5-3
代入数据得:
≈8112N
2、规格型号的初选
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,额定动载荷为9309N,大于最大计算动载荷
=7971,满足要求。
参考网址:
滚珠丝杠螺母副几何参数(单位mm)
名称
符号
计算公式和结果
丝杠滚道
公称直径
20
螺距
P
5
接触角
钢球直径
3.175
螺纹滚道法面半径
偏心距
螺纹升角
丝杆
丝杠外径
19.3
丝杠底径
螺杆接触直径
丝杠螺母
螺母螺纹外径
螺母内径(内循环)
表一
④、传动效率的计算
将公称直径d0=20mm,导程P=5mm,代入λ=arctan[P/(
d0)],得丝杠螺旋升角λ=4°33′。
将摩擦角ψ=10′,代入η=tanλ/tan(λ+ψ),得传动效率η=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。
由【1】中P109,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δ,查【3】中相关公式,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3
2,代入公式
Z
圈数
列数,得滚珠总数量
=120。
丝杠预紧时,取轴向预紧力
/3=498N。
查【3】中相关公式,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=560mm,钢的弹性模量E=2.1
10
MPa,由表一中可知,滚珠直径
=3.175mm,丝杠底径
=16.2mm,则丝杠的截面积S=
=206.12
由【7】中,式3-35
其中,最大工作载荷
=1495N
中心距a=560mm
弹性模量E=2.1
10
MPa
截面积S=
=206.12
代入以上数据,得
=0.019mm
d、则
本例中,丝杠的有效行程为500mm,由【3】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
,可见丝杠刚度足够。
⑥、稳定性的验算
根据【3】中式5.7-17
。
取支承系数
=2;
由丝杠底径d2=16.2mm求得截面惯性矩
3380.88
;
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=a取最大值560mm。
代入公式,得P
=14896kg.f=14896N大于
=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
,由【1】中P111式5-10得:
其中
20-1.2×3.175=1mm
为临界转速计算长度
为丝杠支承方式系数
=3.927(一端固定,一端游动)
代入数据得:
临界
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- 数控机床 课程设计 说明书 XY 数控 工作台 机电 系统 设计