XY数控工作台机电系统设计---yl

1目录一、设计目的..........................................................3二、设计任务..........................................................3三．总体方案的确定..............................................41、机械传动部件的选择.........................................................................…….4(1)丝杠螺母副的选用.................................................................................4(2)导轨副的选用.........................................................................................4(3)伺服电动机的选用.................................................................................42、控制系统的设计..........................................................................................53、绘制总体方案图..........................................................................................5四、机械传动部件的计算与选型..........................51、导轨上移动部件的重量估算....................................................................52、铣削力的计算..............................................................................................5五、步进电动机的计算与选型..............................91、传动计算......................................................................................................92、计算加在步进电动机转轴上的总转动惯量Jeq.......................................93、计算加在步进电动机转轴上的等效负载转矩Teq................................104、步进电动机最大静转矩的选定...............................................................12六、直线滚动导轨副的计算与选型....................141、块承受工作载荷的计算及导轨型号的选取.....................................142、距离额定寿命L的计算....................................................................142七、绘制进给传动系统示意图..........................15八、控制系统硬件电路设计................................15九、步进电动机的驱动电源选用........................18结束语................................................................18参考文献...................................................................203一、设计目的《数控机床》课程设计是一个很重要的实践性教学环节，要求学生综合运用所学的理论知识，独立进行设计训练，主要目的：1）通过本设计，使学生全面地，系统地了解和掌握数控机床得基本组成及其相关基本知识，学习总体方案拟定、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得工作原理、设计计算方法及选用原则。3）通过伺服系统得设计，掌握常用伺服电机得工作原理、计算选择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，学习并初步树立“系统设计”的思想。5）锻炼提高学生应用手册和标准、查阅文献资料以及撰写科技论文的能力。二、设计任务任务：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.立铣刀最大直径的d=15mm；2.立铣刀齿数Z=3；3.最大铣削宽度ea=15mm；4.最大背吃刀量pa=8mm；5.加工材料为碳素钢活有色金属；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±0.01mm；8.工作台尺寸230mm×230㎜，加工范围为250mm×250mm；49.工作台空载进给最快移动速度：Vxmax=Vymax=3000mm/min；10.工作台进给最快移动速度:Vxmax=Vymax=400mm/min；三．总体方案的确定1、机械传动部件的选择(1)丝杠螺母副的选用①伺服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±0.001mm的定位精度，滑动丝杠副不能达到要求，因此选用滚珠丝杆副，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。②轴向间隙的调整和预紧方式：选用垫片调隙式，这种方法结构简单、刚性好、装卸方便，适用于一般精度的机构③滚珠丝杠的安装：采用一端固定，一端游动的方式，因其压杆稳定性和临界转速较高(2)导轨副的选用要设计数控车床工作台，需要承受的载荷不大，而且定位精度高，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，安装预紧方便好且精度保持性等优点。选滚珠导轨，适合用于导轨上运动部件重量小于200kg的机床，摩擦阻力小，制造容易，成本较低。(3)伺服电动机的选用任务书规定的定位精度也未达到微米级，空载最快移动速度也只有因此3000mm/min，故本设计不必采用高档次的伺服电动机，因此可以选用混5合式步进电动机。以降低成本，提高性价比。2、控制系统的设计1）设计的X-Z工作台准备用在数控车床上，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，所以控制系统设计成连续控制型。2）对于步进电动机的半闭环控制，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，键盘与显示电路，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。3、绘制总体方案图总体方案图如图3.1所示。微型机接口电路功放电路执行元件机械传动机构机械执行机构图3.1总体方案图四、机械传动部件的计算与选型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、铣削力的计算采用硬质合金立铣刀，工件的材料为碳钢，根据《金属切屑原理与刀具》200页表15-5得硬质合金立铣刀铣削力经验公式FC=118e0.85fz0.75d-0.73ap1.0n0.16其中铣刀的直径d=15mm，齿数Z=3，为了计算最大铣削力，在不对称铣削情况下，取最大铣削宽度ae=15mm，背吃刀量ap=8mm，查《切削用量简明手册》可得，每齿进给量fz=0.1mm，铣刀转速n=300/min。则由上公式求得最大铣削力：FC=118x0.85x0.10.75x15-0.73x81.0x3000.1x1=1233N考虑逆铣时的情况，可估算三个方向的铣削力分别为：Ff=1Fc=1356N，Fe=0.38Fc=308N，Ffm=469N则工作台受到垂直方向的铣削力Fz=Fe=308N，受到水平方向的铣削力分别为Ff和Ffn。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=1356N，径向铣削力Fy=Ffn=469N。3．杠螺母副的计算与选型（1）最大工作载荷Fm的计算在立铣时，工作台受到进给方向的载荷（与丝杠轴线平行）Fx=1356N，受到横向的载荷（与丝杠轴线垂直）Fy=308N，受到垂直方向的载荷（与工作台面垂直）Fz=469N。已知移动部件总质量G=800N，按矩形导轨进行计算，由《金属切屑机床》126页公式17-5得：Fm=KFx+(Fz+Fy+G)=[1.11356+0.005(469+308+500)]N1498N取摩擦系数μ=0.005。取颠覆力矩影响系数K=1.1,求得滚珠丝杠副的最大工作载荷：（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=727(单位为：106r)。查课本110页表5-1,5-2，取载荷系数fW=1.2，滚道硬度为60HRC时，取硬度系数fH=1.0，求得最大动载荷：FQ≈7478N（3）初选型号根据计算出的最大动载荷和初选的丝杠导程，查《现代实用机床设计手册》（上册）967页，选择南京工艺装备制造有限公司生产的FF2005-3型滚珠丝杠副，为内循环浮动式反向器螺母无预紧滚珠丝杠副，其公称直径为20mm，导程为5mm，循环滚珠总圈数为3圈，精度等级取5级，额定动载荷为9100N，大于FQ满足要求。（4）传动效率η的计算将公称直径d0=20mm，导程Ph=5mm，代入λ=arctan[Ph/(πd0)]，得丝杠螺旋升角λ=4°33′。将摩擦角φ=10′，代入η=tanλ/tan(λ+φ)，得传动效率η=96.4%。（5）刚度的验算1）X-Y工作台上下两层滚珠丝杠副的支撑均采用“单推-单推”的方式。丝杠的两端各采用一对推力角接触球轴承，面对面组配，左、右支撑的中心距离约为a=500mm；钢的弹性模量E=2.1×105MPa；查《现代实用机床设计手册》（上册）967页，得滚珠直径DW=3.5mm，丝杠底径d2=16.9mm，丝杠截面积S=πd22/4=224.2mm2。则丝杠在工作载荷Fm作用下产生的拉/压变形量：δ1=Fma/(ES)=1498×500/(2.1×105×224.2)≈0.0159mm。2）根据公式Z=(πd0/DW)-3，求得单圈滚珠数Z=20；该型号丝杠为单螺母，滚珠的圈数×列数为3×1，代入公式：Z∑=Z×圈数×列数，得滚珠总数量Z∑=60。丝杠预紧时，取轴向预紧力FYJ=Fm/3=631。则求得滚珠与螺纹滚道间的接触变形8δ2≈0.0027。因为丝杠加有预紧力,且为轴向负载的1/3，所以实际变形量可减少一半，取δ2=0.0013mm。17.23)将以上算出的δ1和δ2代入δ总=δ1+δ2，求得丝杠总变形量(对应跨度500mm)δ总=0.0172mm=17.2μm。本例中，丝杠的有效行程为350mm，由表3-27知，5级精度滚珠丝杠有效行程在315~400mm时，行程偏差允许达到25μm，可见丝杠刚度足够。（6）压杆稳定性校核根据公式计算失稳时的临界载荷Fer。查《现代实用机床设计手册》（上册）944、953页，知当滚珠丝杠的安装方式