说明书

辽宁工业大学课程设计说明书（论文）1第一章绪论1.1研究内容的现状据资料介绍，我国拥有400多万台机床，绝大部分都是多年累积生产的普通机床。这些机床自动化程度不高，加工精度低，要想在短时期内用自动化程度高的设备大量更新，替代现有的机床，无论从资金还是从我国机床制造厂的生产能力都是不可行的。但尽快将我国现有的部分普通机床实现自动化和精密化改造又势在必行。为此，如何改造就成了我国现有设备技术改造迫切要求解决的重要课题。在过去的几十年里，金属切削机床的基本动作原理变化不大，但社会生产力特别是微电子技术，计算机技术的应用发展很快。反映到机床控制系统上，它技能提高机床的自动化程度，又能提高加工的精度，现已有一些企业在这方面做了有益的尝试。实践证明，改造后的机床既满足了技术进步和较高生产率的要求，又由于产品精度提高，型面加工范围增多也使改造后的设备适应能力加大了许多。这更加突出了在机床上进行数控技术改造的必要性和迫切性。由于新型机床价格昂贵，一次性投资巨大，如果把旧机床设备全部以新型机床替代，国家要花费大量的资金，而替换下的机床又会闲置起来造成浪费，若采用改造技术加以现代化，则可以节省50%的资金。从我国的具体情况来讲，一套经济型数控装置的价格仅为全功能数控装置的1/3到1/5，一般用户都承担得起。这为资金紧张的中小型企业的技术发展开创了新路，也对实力雄厚的大型企业产生了极大的经济吸引力，起到了事半功倍的积极作用。据国内资料统计订购新的数控机床的交货周期一般较长，往往不能满足生产需要。因此机床的数控改造就成为满足市场需求的主要补充手段。在机械工业生产中，多品种，中小批量甚至单件生产是现代机械制造的基本特征，占有相当大的比重。要完成这些生产任务，不外乎选择通用机床，专用机床或数控机床，其中数控机床最能适应这种生产需要的。辽宁工业大学课程设计说明书（论文）21.2选题的意义数控机床改造是建立在微电子现代技术与传统技术相结合的基础上。通过理论的推导和实践使用的证明，把微机数控系统引入机床的改造有以下几方面的优点：1）可靠性高；柔性强，；易于实现机电一体化；2）经济性可观。为此在旧的机床上进行数控改造可以提高机床的使用性能，降低生产成本，用较少的资金投入而得到较高的机床性能和较大的经济效益。X-Y数控工作台机电系统是一个开环控制系统,其结构简单,实用方便而且能够保证一定的精度。X-Y数控工作台是许多机电一体化设备的基本部件，如数控车床的纵-横向进刀机构、数控铣床和数控钻床的X-Y工作台、激光加工设备的工作台、电子元件表面贴装设备等。因此，选择X-Y数控工作台作为课程设计是对我们机械电子专业的学生具有普遍意义.1.3设计内容本文结合普通数控铣床的基本结构，设计了一台X-Y数控工作台，为铣床的数控化奠定了基础。首先，确定了X-Y数控工作台的总体设计方案，包括机械传动部件的选择和数控系统的设计，机械传动部件的选择如导轨副选用，丝杆螺母副的选用，减速装置的选用，步进电动机的选择等。其次，对X-Y数控工作台进行机械部分设计，包括直线导轨副的计算与选型，滚珠丝杠螺母副的计算与选型等。最后，对X-Y数控工作台系统控制的设计。辽宁工业大学课程设计说明书（论文）3第二章总体方案的设计2.1设计任务题目：小型数控铣床X-Y工作台的设计任务：设计一种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d=15mm2）立铣刀齿数Z=33）最大铣削宽度ae=15mm4）最大背吃刀量ap=8mm5）加工材料为碳素钢6）X、Y方向的脉冲当量δx=δy=0.005mm/脉冲7）X、Y方向的定位精度均为±0.01mm8）工作台空载最快移动速度vx=vy=3000mm/min9）工作台进给最快移动速度vxmax=vymax=400mm/min10）工作台尺寸为300mm×300mm11）加工范围伟350mm×350mm2.2方案的确定本设计采用如图2-1所示的总体方案图2-1系统结构总体框图辽宁工业大学课程设计说明书（论文）42.2.1机械传动部件的选择（1）导轨副的选用要设计的X-Y工作台是用来配套轻型的立式数控铣床的，需要承受的载荷不大，但脉冲当量小、定位精度高，因此，决定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、结构紧凑、安装预紧方便等优点，广泛应用于精密机床，数控机床和测量仪器等。直线滚动导轨副由滑块和导轨组成，一般滑块装有两组滚珠，当滚珠从工作轨道滚到滑块端部时，会经过端面挡板和滑块中的返回轨道返回，在导轨和滑块之间的滚道内循环滚动。（2）丝杆螺母副的选用伺服电动机的旋转运动需要通过丝杆螺母副转换成直线运动，要满足0.005mm的脉冲当量±0.01mm和的定位精度，滑动滑动丝杆副无能为力，只有选用滚珠丝杆副才能达到。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。（3）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，且应有消间隙结构。为此，决定采用谐波齿轮减速器，其特点是传动精度与传动效率高，传动平稳，体积小，重量轻等。（4）伺服电动机的选用任务书规定的脉冲当量尚未达到0.001mm，定位精度也未达到微米级，空载最快速度也只有3000mm/min。因此，本设计不必采用高档次的伺服电动机，如交流伺服电动机或直流伺服电动机等，可以选用性能好一些的步进电动机，如混合式步进电动机，以降低成本，提高性价比。（5）检测装置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高的，为了确保电动机在运转过程中不受切削负载和电网的影响而失步，决定采用半闭环控制，考虑到X、Y两个方向的加工范围相同，承受的工作载荷相差不大，为了减少设计工作量，X、Y两个坐标的导轨副、丝杆螺母副、减速装置、伺服电动机，以及检测装置拟采用相同的型号与规格。辽宁工业大学课程设计说明书（论文）52.2.2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单坐标定位、两坐标直线插补与圆弧插补的基本功能，所以控制系统应该设计成连续控制型。2)对于步进电动机的半闭环控制，选用s7-200系列的plc单片机s7-226作为控制系统的CPU，应该能够满足任务书给定的相关指标。辽宁工业大学课程设计说明书（论文）6第三章机械传动部件的计算与选型3.1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1300N。3.2铣削力的计算设零件的加工方式为立式铣削，采用硬质合金立铣刀，工件的材料为碳钢。则查表得立铣时的铣削力计算公式为：Fc=118ae0.85fz0.75d−0.73ap1.0n0.13Z(1)今选择铣刀直径d=15mm，齿数Z=3，为了计算最大铣削力，在不对称铣削的情况下，取得最大铣削宽度ae=15mm，背吃刀量ap=8mm，每齿进给fz=0.1mm，铣刀转速n=300r/min。则由(1)式求得最大铣削力：Fc=118×150.85×0.10.75×15−0.73×81.0×3000.13×3N≈1463N采用立铣刀进行圆柱铣削时，各铣削力之间的比值可由表查得，考虑逆铣时的情况，可估算三个方向的铣削力分别为Ff=1.1Fc≈1609N,Fe=0.38Fc≈556N,Ffn=0.25Fc≈366N,工作台受到垂直方向的铣削力Fz=Fe=556N，受到水平方向的铣削力分别为Ff和Ff。今将水平方向较大的铣削力分配给工作台的纵向（丝杠轴线方向），则纵向铣削力Fx=Ff=1609N，径向铣削力Fy=Ffn=366N。3.3直线滚动导轨副的计算与选型3.3.1滑块承受工作载荷的计算及导轨型号的选取工作载荷是影响直线滚动导轨副使用寿命的重要因素。本设计中的X-Y工作台为水平布置，采用双导轨、四滑块的支承形式。考虑最不利的情况，即垂直于台面的工作载荷全部由一个滑块承担，则单滑块所受的最大垂直方向载荷为：Pc=G4+F辽宁工业大学课程设计说明书（论文）7其中，移动部件重量G=1300N，外加载荷F=Fz=556N，得最大工作载荷Pc=881N=0.881kN。根据工作载荷Pc=0.881kN，初选直线滚动导轨副的型号为KL系列的JSA-LG15型，其额定动载荷Ca=7.6kN，额定静载荷C0a=12.3kN。；图3-2所示为直线滚动导轨副；各项尺寸参数如下表3-1。图3-2JSA-KL型直线导轨副表3-1直线滚动导轨副尺寸参数型号滑块尺寸额定载荷/KN额定静力矩/（N·m）JSA-LG15C1C2L1L2L3φM1CaC0aMAMBMC4.5386540.5306M57.612.3616198型号装配后组合尺寸导轨尺寸滑块尺寸JSA-LG15HWBH1IFL0maxd×D×h1B1KTT12415.5161520615004.5×7.5×5.34719.4711任务书规定工作台台面尺寸为300mm×300mm，加工范围为350mm×350mm，考虑工作行程留有一定余量，查表，按标准系列，选取导轨长度是640mm。辽宁工业大学课程设计说明书（论文）83.3.2距离额定寿命L的计算上述选取的KL系列JSA—LG15型导轨副的滚道硬度为HRC60，工作温度不超过100摄氏度，每根导轨上配有两只滑块，精度为4级，工作速度较低，载荷不大。查表3-2~表3-5，分别取硬度系数fH=1.0,温度系数fT=1.00,接触系数fC=0.81,精度系数fR=0.9,载荷系数fW=1.5，得距离寿命：L=(fHfTfCfRfW·Capc)3×50≈6649km远大于期望值50km，故距离额定寿命满足要求。表3-2硬度系数滚到硬度505558-64fH0.530.81.0表3-3温度系数工作温度＜100-150150-200200-250fT1.000.900.730.60表3-4接触系数每根导轨滑块数12345fC1.000.810.720.660.61表3-5精度系数精度等级2345fH1.01.00.90.9表3-5载荷系数工况无外部冲击或振动的低速场合速度小于15m/min无明显冲击或振动的中速场合，速度为15~60m/min有外部冲击或振动的高速场合速度大于60m/minfW1-1.51.5-22-3.5辽宁工业大学课程设计说明书（论文）93.4滚珠丝杠螺母副的计算与选型3.4.1最大工作载荷的计算如前页所述，在立铣时，工作台受到进给方向的载荷（与丝杠轴线平行）Fx=1609N，受到横向的载荷（与丝杠轴线垂直）Fy=366N，受到垂直方向的载荷（与工作台垂直）Fz=556N。已知移动部件总重量G=1300N，按矩形导轨进行计算，查表3-29，取颠覆力矩影响系数K=1.1，滚动导轨上的摩擦因数μ=0.005。求得滚珠丝杠副的最大工作载荷：Fm=KFX+μ(Fz+Fy+G)=1779N3.4.2最大动载荷FQ的计算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Ph=5mm，则此时丝杠转速n=v/Ph=80r/min。取滚珠丝杠的使用寿命T=15000h，代入L0=60nT/106，得丝杠寿命系数L0=72（单位为：106r）查表，取载荷系数fW=1.2，滚道硬度为HRC60时，取硬度系数fH=1.0，求得最大载荷：FQ=√L03fWfHFm≈8881N3.4.3初选型号根据计算出的最大载荷和初选的丝杠导程，查表，选择G系列2006-3型滚珠丝杠副，为内循环固定反向器单螺母式，其公称直径为20mm，导程为5mm，滚珠直径是3.5mm，丝杠底径是15.8mm，丝杠外径是19.3mm。循环滚珠为3圈×1列，精度等级取5级，额定动载荷为9366N。大于FQ，满足要求。辽宁工业大学课程设计说明书（论文）103.4.4传动效率η的计算将公称直径D0=20mm，导程p