數(shù)控機(jī)床XY工作臺(tái)課程設(shè)計(jì)

7-一、課程設(shè)的計(jì)目的通過本次設(shè)計(jì)，能夠全面地、系統(tǒng)地了解和掌握數(shù)控機(jī)床的基本內(nèi)容和基本知識(shí)，初步掌握數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，并能學(xué)會(huì)運(yùn)用手冊(cè)、標(biāo)準(zhǔn)等技術(shù)資料。同時(shí)，培養(yǎng)相應(yīng)的創(chuàng)新意識(shí)、工程意識(shí)和動(dòng)手能力。二、課程的設(shè)計(jì)要求1、課程設(shè)計(jì)應(yīng)在老師的指導(dǎo)下由學(xué)生獨(dú)立完成，嚴(yán)格要求自己，不許相互抄襲；2、設(shè)計(jì)前認(rèn)真閱讀《課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書》，明確設(shè)計(jì)題目及具體要求；3、認(rèn)真查閱題目所涉及內(nèi)容的相關(guān)資料、手冊(cè)、標(biāo)準(zhǔn)，大膽創(chuàng)新，確定合理、可行的總體設(shè)計(jì)方案；4、繪出數(shù)控XY工作臺(tái)機(jī)械部分裝配圖設(shè)計(jì)（A0），總裝聯(lián)系圖（A4），工作臺(tái)、支承座、螺母座等零件圖，繪圖符合國家標(biāo)準(zhǔn)，布圖合理，內(nèi)容表達(dá)完整清晰：5、設(shè)計(jì)說明書（不少于20頁）。要求：說明書中的有關(guān)公式應(yīng)標(biāo)明出處；所引用的附圖及表格應(yīng)附在說明書中相應(yīng)位置，并有相應(yīng)的說明；設(shè)計(jì)說明書格式參考教務(wù)處畢業(yè)設(shè)計(jì)論文格式的要求。三、課程設(shè)計(jì)的內(nèi)容和步驟內(nèi)容：設(shè)計(jì)一套簡(jiǎn)易數(shù)控XY工作臺(tái)，固定在某一鉆床的工作臺(tái)上，XY工作臺(tái)的位置控制采用步進(jìn)電機(jī)數(shù)控系統(tǒng)。通過上述方案將該普通鉆床改裝成簡(jiǎn)易的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控鉆床?？傮w設(shè)計(jì)方案設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)的性能要求（1）具有高的靜、動(dòng)態(tài)剛度和良好的抗振性能（2）具有較高的幾何精度、傳動(dòng)精度、定位精度和熱穩(wěn)定性（3）具有實(shí)現(xiàn)輔助操作自動(dòng)化的結(jié)構(gòu)部件待改裝鉆床型號(hào)的確定型號(hào)Z51100/ProductShow.asp?ID=6223、控制方式的確定控制方式按運(yùn)動(dòng)軌跡分類，可分為點(diǎn)位控制、直線控制和輪廓控制三種。點(diǎn)位控制的特點(diǎn)是只控制刀具相對(duì)于工件定位點(diǎn)的位置精度，不控制點(diǎn)與點(diǎn)之間的運(yùn)動(dòng)軌跡，在移動(dòng)過程中刀具不進(jìn)行切削；直線控制的特點(diǎn)是除了控制起點(diǎn)與終點(diǎn)之間的準(zhǔn)確位置外，而且要求刀具由一點(diǎn)到另一點(diǎn)之間的運(yùn)動(dòng)軌跡為直線，并能控制位移的速度；輪廓控制的特點(diǎn)是能夠?qū)蓚€(gè)或兩個(gè)以上的坐標(biāo)軸方向同時(shí)進(jìn)行連續(xù)控制，并能夠?qū)ξ灰坪退俣冗M(jìn)行嚴(yán)格地、不斷地控制。因數(shù)控鉆床上刀具在移動(dòng)過程中沒有進(jìn)行切削，故采用點(diǎn)位控制。4、伺服系統(tǒng)的確定伺服系統(tǒng)有開環(huán)伺服系統(tǒng)、閉環(huán)伺服系統(tǒng)、半閉環(huán)伺服系統(tǒng)。因要求將普通鉆床改裝成簡(jiǎn)易的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控鉆床，考慮到運(yùn)動(dòng)精度要求不高，為簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，降低成本，所以采用步進(jìn)電機(jī)開環(huán)伺服系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)。XY工作臺(tái)系統(tǒng)總體框圖如下圖所示：5、工作臺(tái)參數(shù)的初步確定因加工工件需要用夾具夾緊工件，工作臺(tái)每邊需留出30～40mm，所能夠加工的工件的最大面積為220mm×190mm，所以初步確定工作臺(tái)面積參數(shù)為：300mm×270mm。6、導(dǎo)軌的選型思路由于工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)部件重量和工作載荷不大，故選用直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副，從而減小工作臺(tái)的摩擦系數(shù)，提高運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性。7、滾珠絲桿選型思路為保證一定的傳動(dòng)精度和平穩(wěn)性以及結(jié)構(gòu)的緊湊，采用滾珠絲杠螺母?jìng)鲃?dòng)副。為提高傳動(dòng)剛度和消除間隙，采用有預(yù)加載荷的結(jié)構(gòu)。8、絲桿和電機(jī)連接零件的選取思路因電動(dòng)機(jī)經(jīng)過聯(lián)軸器直接與絲杠聯(lián)接,進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)的傳動(dòng)精度和傳動(dòng)剛度較高，使機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，所以絲桿和電機(jī)連接零件采用聯(lián)軸器連接。9、支承座材料的選取初選支承座材料為灰鑄鐵HT150，因其耐磨耐腐蝕，剛度高，抗震性好。10、軸承類型的選取初步設(shè)計(jì)滾珠絲杠的支承的安裝采用固定—支承式，軸承主要承受軸向載荷，所以固定端選用向心推力軸承，支持端選用深溝球軸承。機(jī)械部分改裝設(shè)計(jì)與計(jì)算1、確定工作臺(tái)的尺寸及其重量根據(jù)設(shè)計(jì)要求，能加工的工件的最大面積為220mm×190mm,因此初定工作臺(tái)尺寸為300mm×270mm×40mm。考慮到加工時(shí)工作臺(tái)受到?jīng)_擊和振動(dòng)，所以選工作臺(tái)材料為灰鑄鐵HT150，密度為7.2×103kg/m3（取g=10N／kg）。工作臺(tái)的質(zhì)量為：m1=0.30×0.27×0.04×7.2×103≈23kgX向拖板(上拖板)與Y向拖板(下拖板)所選材料為HT150，尺寸為:長×寬×高=270mm×270mm×20mm上、下拖板總質(zhì)量為：m2=2×0.27×0.27×0.02×7.2×103≈21kg初步取導(dǎo)軌座的長為650mm,寬為270mm，高為30mm，材料為HT150，則m3=0.65×0.27×0.03×7.2×103≈38kgX-Y工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)部分總重量為:m總=m1＋m2＋m3+m=23+21+38+200=282kg考慮到夾具、電動(dòng)機(jī)等其它因素，取m總=350kg2、滾珠絲桿參數(shù)計(jì)算與選型初選絲杠材質(zhì)：CrMnTi鋼，HRC56～62，導(dǎo)程：p=5mm⑴求出螺旋傳動(dòng)的計(jì)算載荷FCFC=KEKHKLFm其中，KF—為載荷系數(shù)，取1.5KH—為硬度系數(shù)，取1.0KL—為精度系數(shù)，取1.0Fm—為絲杠工作時(shí)的軸向壓力，F(xiàn)m=μm總g=0.004×350×10=14N（μ為導(dǎo)軌的摩擦系數(shù)，取0.004m總為最下面的絲杠以上的所有質(zhì)量）FC=1.5×1.0×1.0×14=21N⑵額定動(dòng)載荷及壽命計(jì)算初步確定滾珠絲桿的規(guī)格型號(hào)。選擇的滾珠絲桿副的額定動(dòng)載荷Ca,必須大于其計(jì)算值：Ca—額定動(dòng)載荷（N）；nm—螺桿的平均轉(zhuǎn)速，取100r/minLh—運(yùn)轉(zhuǎn)壽命（h）；Fc—螺旋傳動(dòng)的計(jì)算載荷（N）假設(shè)滾動(dòng)絲桿能工作6年，每年365天，每天工作8小時(shí)，則Lh=6×365×8=17520h根據(jù)Ca>C'a原則，在網(wǎng)上查/products.asp?id=444得，選滾珠絲杠的規(guī)格型號(hào)為：SFU1605-4，其公稱直徑為16mm，導(dǎo)程為5mm，動(dòng)靜載荷分別為780N和1790N。3、滾動(dòng)導(dǎo)軌參數(shù)計(jì)算與選型⑴計(jì)算導(dǎo)軌的工作壽命Th（小時(shí)），要求壽命不低于5年；設(shè)一天工作8小時(shí)，一年365天，工作6年，則Th=6×365×8=17520h⑵計(jì)算導(dǎo)軌行程長度壽命Ts（Km），Ts=2ThLsn/1000其中，Ls單向行程（取0.5m），n為每分鐘往復(fù)次數(shù)（取6次/分鐘）Ts=2×17520×0.5×6×60/1000=6307km⑶計(jì)算導(dǎo)軌的額定動(dòng)載荷Ca（N）因鉆床的切削力大概是工作臺(tái)重的1-1.2倍，所以設(shè)每根導(dǎo)軌上有2塊滑塊，每個(gè)滑座承受的工作載荷為F,則可由求得：=⑷根據(jù)額定動(dòng)載荷Ca確定滾動(dòng)導(dǎo)軌的型號(hào)及結(jié)構(gòu)尺寸在網(wǎng)上查：/product.asp選擇四向等載荷KL標(biāo)準(zhǔn)型滑塊及滾動(dòng)直線導(dǎo)軌，其參數(shù)如下：根據(jù)Ca>C'a原則，選取LG20KL型號(hào)的導(dǎo)軌。4、步進(jìn)電機(jī)參數(shù)計(jì)算與選型由機(jī)床精度要求確定脈沖當(dāng)量δ及步距角α：α=360δλ／p脈沖當(dāng)量δ是一個(gè)進(jìn)給指令時(shí)工作臺(tái)的位移量，應(yīng)小于等于工作臺(tái)的定位精度，由于定位精度為±0.02mm,因此選擇脈沖當(dāng)量為0.01mm。則步距角為：α=360δλ／p=360×0.01×1/5=0.72°（1）電機(jī)軸上的總當(dāng)量負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算J總≈J1+J2+J轉(zhuǎn)子①絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：（㎏·㎡）其中,ρ為絲杠密度取7.8×103㎏/m3,d為絲杠的等效直徑（m），為絲杠長度（m）。d=16×10-3mm=0.6m則，（㎏·㎡）②工作臺(tái)、工件、夾具、支承座等等折算到電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：（㎏·㎡）其中，m總為總的質(zhì)量（kg），p為絲杠導(dǎo)程（mm）③電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小的場(chǎng)合，可忽略不計(jì)。所以，J總=J1＋J2=0.30×10-4+2.22×10-4=2.52×10-4（㎏·㎡）（2）電機(jī)軸轉(zhuǎn)矩的計(jì)算①空載啟動(dòng)時(shí)，電機(jī)軸上的慣性轉(zhuǎn)矩：其中，△t為電機(jī)加減速時(shí)間（s），p為絲杠導(dǎo)程（m），Vmax為工作臺(tái)快進(jìn)速度（m/s）,λ為傳動(dòng)比△t=0.1sp=0.005mVmax=3.6m/min=0.06m/sλ=1則，（Nm）②電機(jī)軸上的當(dāng)量摩擦轉(zhuǎn)矩（工作臺(tái)及工件重量引起）η為伺服傳動(dòng)鏈的總效率，可取0.8，則=（Nm）③因絲杠副預(yù)緊力引起的電機(jī)軸上的附加摩擦轉(zhuǎn)矩設(shè)預(yù)緊力為最大軸向載荷的1/3，則為滾珠絲杠螺母副未預(yù)緊時(shí)的傳動(dòng)效率（取0.9），則（Nm）空載啟動(dòng)時(shí)電機(jī)軸上的最大靜轉(zhuǎn)矩：（Nm）所選取的步進(jìn)電機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩Ts需滿足：在網(wǎng)上查：/product.asp?Action=Detail&ID=28由上表可選步進(jìn)電機(jī)的型號(hào)為：90BYG5502其外形及參數(shù)如下：矩頻特性如圖:步進(jìn)電機(jī)選型時(shí)，必須同時(shí)滿足轉(zhuǎn)動(dòng)慣量及靜轉(zhuǎn)矩的要求，即應(yīng)進(jìn)行慣量匹配驗(yàn)算：（為所選電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量）最大靜轉(zhuǎn)矩：步進(jìn)電機(jī)的最大運(yùn)行頻率f滿足：所以，所選的型號(hào)為90BYG5502的步進(jìn)電機(jī)合適。5、支承座參數(shù)設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)滾珠絲杠的支承的安裝采用固定—支承式，即一端裝止推軸承，另一端裝深溝球軸承。如下圖所示：根據(jù)滾珠絲杠的公稱直徑為16mm，因此我選擇固定端的軸承內(nèi)徑為12mm，支持端的軸承內(nèi)徑為12mm。因?yàn)榘惭b采用一端固定一端游隙的方式，考慮到固定端是主要受力端，主要承受軸向力，同時(shí)也承受輕微的徑向力，所選用7201角接觸球軸承成對(duì)對(duì)稱安裝，支承端選用6201深溝球軸承，考慮到防塵問題，所以選用兩面帶防塵蓋型的軸承。在網(wǎng)上查/product_detail.asp?id=79，得在網(wǎng)上查/Show.asp?ID=14195，得因此，固定端支承座與軸承裝配的尺寸為32mm，支承端支承座與軸承的搭配尺寸為32mm。固定端軸承座外形如下圖：支持端軸承座外形如下圖：6、聯(lián)軸器的選擇伺服電機(jī)與絲杠之間的聯(lián)接我選用梅花聯(lián)軸器聯(lián)接，因?yàn)槊坊?lián)軸器具有搞扭轉(zhuǎn)剛性和卓越靈敏度，可吸收偏角、偏心、軸向偏差和振動(dòng)。網(wǎng)上查/ProShow.asp?ID=260得，根據(jù)步進(jìn)電機(jī)的主軸直徑為14mm，滾珠絲杠前端直徑為10mm，聯(lián)軸器可選的型號(hào)為：G6-30T，其外徑為30mm，兩端孔徑分別為14mm、10mm。四設(shè)計(jì)總結(jié)經(jīng)過幾個(gè)星期時(shí)間的課程設(shè)計(jì)，在老師的指導(dǎo)和同學(xué)們的幫助下完成了一套簡(jiǎn)易的數(shù)控XY工作臺(tái)的設(shè)計(jì)，其中內(nèi)容包括總體設(shè)計(jì)方案，機(jī)械部分的設(shè)計(jì)、計(jì)算及選型。剛開始時(shí)還不知道XY工作臺(tái)結(jié)構(gòu)是什么樣的，通過上網(wǎng)查閱大量的有關(guān)資料，才初步了解其結(jié)構(gòu)，覺得XY工作臺(tái)的結(jié)構(gòu)看起來很簡(jiǎn)單，但隨著設(shè)計(jì)的進(jìn)行，發(fā)現(xiàn)自己有好多方面是不足的，缺乏很多專業(yè)知識(shí)，在設(shè)計(jì)過程中總是做到后面幾步了才發(fā)覺前面幾步設(shè)計(jì)出錯(cuò)，在不斷的修改中，不斷地完善設(shè)計(jì)，從中更加深刻地了解到XY工作臺(tái)的結(jié)構(gòu)及其工作原理，同時(shí)，學(xué)會(huì)了運(yùn)用手冊(cè)、標(biāo)準(zhǔn)等技術(shù)資料。通過這次課程設(shè)計(jì)，從中發(fā)現(xiàn)了自己有很多的不足之處，因此自己需要加強(qiáng)學(xué)習(xí)、掌握專業(yè)方面的理論知識(shí)，提高實(shí)踐能力、