数控X-Y工作台课程设计.doc

1、 目 录一、 设计目的2二、 设计要求2三、 设计内容和步骤2（一）总体设计方案.2 设计机构的性能要求 .2 待改装钻床型号的确定.2 控制方式的确定.3 伺服系统的确定.4 工作台参数的初步选定.4 导轨的选型思路.4 滚珠丝杠选型思路.4 丝杠和电机连接零件的选取思路.5 支承座材料的选取.5 轴承类型的选取思路.5 （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.6 滚动导轨参数计算与选型.10 步进电机参数计算与选型.12联轴器的选择.15支承座参数设计 .17 轴承型号的选取.19四、 设计总结.22五、 参考文献.23一、 设计目的通过本次

2、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200250，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

3、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200250，在预装夹具的尺寸后，工作台的尺寸应该设计为270310。根据改装后这个工作台的尺寸钻床Z4032刚好符合，如图（一）所示： 图（一）钻床Z4032查得钻床的资料如表（一）所示：表（一）钻床Z4032的参数控制方式的确定： 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

4、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200mm250mm的工件，所以在预留安装夹具的尺寸后，工作台应该设计为270320mm，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320mm270mm25mm。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，考虑到精度不高的导轨成本相差不多。所以选择直线滚动导轨副。它具有动、静摩擦力之差很小，随动性极好，有益于提

5、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、运动平稳、灵敏度高、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，加工方便，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，同时有效地提高了主轴部件的刚度。 支承座材料的选取： 选轴承

6、钢GCr15做为支承座材料，其具有高的耐磨性、低的摩擦系数、良好的尺寸稳定性，良好的防锈功能、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，为了保证其较高转速，较高精度,采用一端固定，一端铰支的支持方式，可选用“前支承采用角接触球轴承，后支承采用深沟球轴承”。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 在钻床能够加工最大面积参数中，选择钻床够加工最大面积为200mm250mm，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35mm，最后确定工作台尺寸为270mm320mm。根据国家标准JB/T7974-1999，工作

7、台工作硬度应为170220HB，查阅机械设计手册，选灰铸铁HT200做为工作台的材料，壁厚2030mm，取中间值25mm，其优点是强度、耐磨性、耐热性均较好，减震性也良好；铸造性能较好，需进行时效处理。其密度是7.210kg/m，取中间值，即为由此可以计算工作台的重量为：。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。滚珠丝杠参数计算及选型：a、求出螺旋传动的计算载荷Fc

8、：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。由于钻床加工时为连续动作，故我选=1.3。-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；根据国标JB/T 54826-1999得滚道丝杠的硬度应达5863HRC，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级的选择：

9、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。取摩擦系数=0.05。所以=2609.80.003=7.644 N。=1.31.01.07.644=9.94 Nb、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取滚珠丝杠的中间转速=100r/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或大于的原则，在网上查得滚动导轨副参数如表（二）所示： 表（二）滚珠丝杠螺母副根据表（

10、二），考虑到各种因素，选用的外循环垫片调隙式双螺母滚珠丝杠副，型号是WD2504-32/DL-400500，其参数如下： 表(三) WD2504-3x2参数查阅机械设计手册，根据图（二）所示滚珠丝杠轴端选择I型的头部形式 图（二） 滚珠丝杠轴端头部形式 表（四）滚珠丝杠螺母副轴端参数 表（五） 滚珠丝杠螺母副铰支轴端参数由表（四）表（五）得出轴端直径同样是17mm。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

11、）取=0.2 m，n=5，所以=2180000.2560/1000=2160 km（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，从网址上查得： 表（五）直线滚动导轨副参数其中EGH15SA型号的导轨的=5.35KN,能满足6年的使用要求，所以选用EGH15SA型号的滚动直线导轨，导轨的长度取500mm，其参数如表（六）所示：表（六） EGH15SA参数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， 设电机的脉冲当量为

12、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=4mm，由公式得： 电动机的步距角（二）计算电机轴上的总负载转动惯量=+ a 丝杆的转动惯量 （kg） 其中：为丝杠密度，取，d为丝杆的等效直径，为丝杠的长度。 由所选丝杠的型号得，d=25mm=2.5m，l=400mm=0.4m所以丝杠的转动惯量：=kg b工作台、工件、夹具、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 =+= 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）；为丝杠导程（m）。

13、为工作台快进速度（3.6m/min，换算为0.06m/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。 Nm 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转矩：=+= Nm所选取的步进电机的最大静转矩Nm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，110BYG混合式步进电机参数如表（七）所示：图（三） 110BYG混合式步进电机 表（七）永磁感应子式步进电机 选择的步进电机型号参数如表（八）所示：表（八）

14、110BYG250参数具体参数是：步距角：，相数为3，保持转矩：12Nm。转动惯量： kg=kg。该型号的步进电机的尺寸参数如图（四）所示： 图（四）110BYG250的尺寸参数 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。即进行惯量匹配验算：1，为所选电机的转动惯量。=0.27861。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下表：表（九）110BYG250的矩频特性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

15、转矩变化较大的工作载荷，严重影响传动系统的工作性能。所以我选择梅花联轴器，可吸收振动，补偿径向和角向偏差，结构简单，方便维修，改善传动系统工作性能。从网上查得联轴器的参数如表（十）所示：表（十） 梅花联轴器参数根据选出的电机和丝杠的参数，因为丝杠两端的轴直径为19mm,电机轴直径为16mm，选出的梅花联轴器其参数如表（十一）所示： 表（十一）梅花联轴器参数 支撑座参数设计：根据所选用的滚动轴承的型号选择支撑座，在网上查得，滚珠丝杠固定端支持端参数表（十二）所示： 表（十二） 滚珠丝杠固定端支持端参数由表（十二）固定端支撑座选取BK17，支持端支撑座选取BF17其参数如表（十三）所示：表（十三）

16、BK17和BF17参数 轴承型号的选取：因为滚珠丝杠采用一端固定，一端支承的支承方式安装方式如图（五）。所以要选择两种类型的滚动轴承。查阅机械设计手册，固定端采用角接触球轴承，铰支端选择深沟球轴承。图（五） 滚珠丝杠安装方式轴承的参数是根据滚珠丝杠的轴端直径来确定的，网上查得角接触球轴承和深沟球轴承型号如表（十四）和表（十五）所示： 表（十四） 角接触球轴承型号 表（十五）深沟球轴承型号 选择型号为7203C型角接触球轴承，参数如表（十六）所示：表（十六） 7203C角接触球轴承参数选择型号为6203型的深沟球轴承，参数如表（十七）所示：表（十七） 6203型深沟球轴承参数 四设计总结:在开始

17、做设计的时候没有什么思路。但在同学帮助下,然后认真阅读和理解设计要求以及老师给的设计参考格式，然后上网查阅相关资料，逐渐开始着手算数据。不过进度很慢啊,因为要找的资料很难找到，网上往往找到的资料都是厂家出售零件的一些产品介绍，某些参数又不知道去哪里查找，慢慢的快要选完型号，结果因为联轴器的不合适又重新选择其他型号，花费了很多的时间。型号选择完之后开始画图，在CAD绘图的时候，很多时候还有反过来改型号，因为有些零件的型号超过图纸A0范围，而且有些零件没有亲眼见过，使得CAD绘图更加困难，不得不去网上查找其他资料，所以使得这次设计比较缓慢。不过经过2周的辛苦，终于完成钻床数控X-Y工作台的设计。在

18、这次亲自的设计中，我学会了很多东西，如：将平时所学的知识运用与实际的设计当中，达到了理论与实际相结合的效果，使自己的知识得到巩固和提高，学会了如何查阅相关资料，如何在众多的资料中查找有用的资料，也复习了如何使用CAD绘图软件。学会了跟同学互相讨论、共同提高的能力，同时也明白了平时应该努力学习，要不然到做设计的时候会吃力。不管怎么样，经过这次课程设计，我受益匪浅，为以后的毕业设计打下了基础。在此感谢帮助我的同学和老师，这次课程设计的完成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，恳请老师批评指正。五、参考文献：1.数控机床系统设计文怀兴 夏田主编，化学工业出版社。2.机械设计手册成大先主编，化学工业出版社。23