钻床改装用数控XY工作台设计(机电一体化课程设计)

1广西工学院机械工程系《机电一体化系统设计》课程设计任务书设计题目：钻床改装用数控XY工作台设计（200*210mm2）(B)班级：姓名：指导教师：教研室主任：设计要求：设计要求包含以下几个部分：1、数控XY工作台机械部分的设计计算2、数控XY工作台机械部分装配图设计（A1）3、基于运动控制卡的控制系统硬件系统设计图（附在说明书中）4、编写设计说明书（不少于18页）广西工学院机电一体化教研室2010-12-202目录摘要--------------------------------------------------------------------------1一、设计目的--------------------------------------------------------------------2二、设计要求--------------------------------------------------------------------2三、机械部分改装设计计算--------------------------------------------------21、初步确定工作台的尺寸及其重量---------------------------------32、传动系统设计---------------------------------------------------------33、滚珠丝杠的设计计算及选择---------------------------------------44、滚动导轨的计算与选择---------------------------------------------75、步进电动机的计算与选型------------------------------------------106、联轴器的选择---------------------------------------------------------147、轴承座的选择----------------------------------------------------------15四、总结---------------------------------------------------------------------------17五、参考文献---------------------------------------------------------------------183钻床改装用数控XY工作台设计摘要X-Y数控工作台改装设计是一个开环控制系统，其结构简单。实现方便并且能够保证一定的精度。本文主要对工作台的机械部分进行设计，对滚珠丝杠，滚动导轨及步进电动机做了设计计算及选用，并也对轴承座和联轴器进行了分析和选择，另外也利用AutoCAD进行了装配图的绘制，对其导轨座的设计及各零部件的安装也作了比较详细的说明。针对滚珠丝杠的计算，通过对滚珠丝杠的动载荷及静载荷的计算，确定所要丝杠的动静载荷值，并选择。针对滚动导轨，分别计算滚动导轨的动载荷及其工作寿命来确定滚动导轨的参数，并选取。针对步进电动机的选取，我分别作了其转动惯量和转动力矩的计算，根据所得的数据作步进电动机的选择。关键词：XY工作台步进电动机滚动导轨滚珠丝杠一、设计目的通过设计一套简易的数控XY工作台，对加深对数控机床的认识有很大的帮助，同时也了解机电一体化的一些基本知识，并能够初步掌握机电一体化系统设计方法，对于今后的理论及工作起到打基础的作用，也能培养自己的创新意识和动手能力。二、设计要求1、改造后的钻床能够加工最大面积为200×210的工件，最大工件重量为150。2、数控XY工作台要求孔的定位精度在mm02.0内，工作台快进速度为2m/min，加减速时间为0.2秒。三、机械部分改装设计计算机械部分设计的内容包括：滚珠丝杠的设计计算及选择、滚动导轨的设计计算及先择，步进电动机的设计计算及先择，联轴器的选择，轴承座的选择，并通CAD设计其导轨座的外形，计算选取适当的尺寸，另外也作了装配图，适于所设计工作台的安装。其中各部分的计算及选择如下所示：4计算及说明结果1、初步确定工作台的尺寸及其重量根据设计要求，所取的能够加工的最大面积为200×210，最大工件的重量为150kg。因此我初定工作台的315240240mm。工作台的材料为45号钢，其密度为33/1085.7mkg。（取kgNg/8.9）因此：1.1、工作台（X向托板）kgm78.61085.715240240.31NG47.669.81085.710152402401391.2、取Y向托板=X向托板kgmm78.612NG47.6621.3、上导轨座（连电机）重量初步取导轨座的长mm400，宽为mm150，高为mm30，但导轨座中间有一大空缺，空缺部分大约2807030mm3。因此kgm52.9108.71030)70280150400(393NG24.938.952.93所以根据上面所求，得XY工作台运动部分的总重量为：NGGGG18.22624.93247.66321根据要求所知，其最大加工工件为kg200，另外，还有丝杠、电机、联轴器等，大约3kg，因此：m4=3kgNG58.172518.2268.9)3150(总2、传动系统设计2.1、脉冲当量是一个进给指令时工作台的位移量，应该小于等于工作台的位置精度，由于定位精度在mm02.0内，因此：mm01.002.021由于是联轴器传动，因此它的传动比为1i,取丝杠的导程为mmP5步距角72.01501.0360360PI取标准0.75。实际的脉冲当量mmPI0104.036075.015360kgm78.61NG47.661NG47.662kgm78.62NG24.933kgm52.93G=226.18NG2370总δ=0.01α=0.75。δ=0.0104mm5计算及说明3、滚珠丝杠的设计计算及选择由于钻床切削时产生的轴向切削力很小并且工作台是点位系统，滚珠丝杠运动与静止时都不受由于切削而引起的轴向阻力，故切削力可忽略不计。因此滚珠丝杠的负荷只有运动部件的重量所引起的摩擦阻力。3.1求丝杠的静载荷cF已知其计算公式：MLHFcFKKKF式中的KF：载荷系数，取1.1KH：硬度系数，取1.0KL：精度系数，取1.0FM：丝杠工作时的轴向阻力根据：NFFZM73.158.1725001.0其中为淬火钢的摩擦因数(查《数控机床系统设计》P182)。因此：NFKKKFMLHFc9.173.1111.13.2、确定动载荷及其使用寿命根据丝杠动载荷公式：CFLnC41067.1式中：C：额定动载荷n：丝杠的最高转速L：使用寿命FC：静载荷根据：hL1440068300式中的n丝杠的最高转速，因题目中所给其工作台快进的速度为min/2m，因此其计算为：min/4005/21000/1000maxrPVn所以：NFLnCC28.359.157.181067.14FM=1.73NFC=1.9NC=35.283.3滚珠丝杠的选取查安装尺寸根据动载荷及动载荷和公称导程值的核对，最后选取的滚珠丝杠的型号为FFB2005-2，其公称直径为20mm，公称导程为5mm，动静载荷分别为6.4KN和12.2KN。计算及说明结果3.4、滚道半径、偏心距在上图中查得，钢球直径为3.5mm，丝杠底径为16.9mm。滚道半径mmdR82.125.304.1204.1偏心距mmdRe31095.445sin)25.382.1(45sin)2(3.5、稳定性计算因螺杆较长，所以稳定性验算应以下式求临界载荷：22)(lEIFa式中：E：螺杆材料的弹性模量，查《材料力学》表2-2，取E=200GPaIa：螺杆危险截面的轴惯性矩μ：长度系数，查《机电一体化设计手册》得μ=1丝杠的有效长度是240mm4943410464)109.16(64mdIaNlEIFacr5299222109.7)24.01(10410200)(R=1.82mmE=4.95×10-3Ia=4×10-9m4Fcr=7.9×105N7计算及说明4109.773.11037.1McrFF2.5~4是安全的3.6、刚度过验算按最不利的情况考虑，螺纹螺距因爱轴向力引起的弹性变形与受转矩引起弹性变形方向是一致的，所以2141221416EdFPGdPTs式中：623205arctanarctan0dP001.0tan15.4001.0arctan1mNDFTm31011038.1)6235.4tan(22073.1)tan(2查《材料力学》表2-2得，μ=0.25，GPaEG80)25.01(2200)1(2所以：46239634392623321412211099.1109.11058.8)109.16(102001010573.14)109.16(108010)105(1038.1164164EdFPGdPTs每米螺纹度上的螺纹距离弹性变形为mmPs/1098.31051099.1234查《》滚动螺旋4、滚动导轨的计算与选择滚动导轨副的结构介绍滚动直线导轨副是由导轨、滑块、钢球、返向器、保持架、密封端盖及挡板等组成，如图：λ=6235.41mNT311038.141099.1s84.1、导轨的型号查《机电一体化技术手册》1卷下册6篇3章，选用GGB20BA型导轨；表6.3-11，选择导轨精度等级为4级，每个托板有两条导轨，每条导轨有两个滑块。由于丝杠的直径为20mm，跟根《机电一体化技术手册》所给的选用方法，选用导轨的规格为20。查《机电一体化技术手册》表6.3-12和表6.3-13选择导轨的预加载荷为普通载荷P=287.5N。导轨是承受力的主要部件，除工件外、工作台外，还有钻床的切削力，钻床的切削力约为100N。4.2、导轨的受力分析A=70，b=80。当机床没有切削时，NabGFa7.10477028558.17252总NabaGFb5.1910702)8570(58.17252)(总当机床在切削时候，N）（a）bFGFa4.11087028510058.17252(切总N）（aba）FGFb2.2021702)8570(10058.17252)((切总NPFFb7.23085.2872.20211NPFFb21985.2875.19102当量载荷：NllllFlFLFc7.2254)21987.2308(21)(13333232131查《》得GGB型号规格为20的导轨的动载荷为11.6KN。4.3计算导轨的寿命：50)(3cwctFCfffL式中：ft：温度系数。查《机电一体化技术手册》表6.3-3，取ft=1fc：接触系数。查《机电一体化技术手册》表6.3-4，fc=0.81fw：载荷系数。查《机电一体化技术手册》表6.3-5，fw=1.2寿命kmFCfffLccwct1.209450)7.2254106.112.181.01(50)(333NF7.23081NF21982NFc2254kmL20949根据题目要求所知其寿