數(shù)控十字工作臺設(shè)計

1、數(shù)控十字工作臺設(shè)計說明書 姓名：田天宇學(xué)號：201202070816 指導(dǎo)老師：丁紅綱二一五年十一月浙江工業(yè)大學(xué)目錄一主要技術(shù)要求（）二 結(jié)構(gòu)設(shè)計說明（）三 關(guān)鍵零部件的設(shè)計與選型（）工作平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計簡圖（）滑塊座結(jié)構(gòu)設(shè)計簡圖（）X、Y向滾動導(dǎo)軌副選擇:（）滾珠絲桿螺母副的計算和選型（）4.1X向進給絲桿（）4.2Y向進給絲桿（ 8 ）5 電機的計算和選型（）5.1X向進給伺服電機計算（）5.2Y向進給伺服電機計算（3）四 繪制裝配圖及技術(shù)要求（6 ）一、主要技術(shù)要求: 設(shè)計可實現(xiàn)X向和Y向數(shù)控運動的工作臺. 數(shù)控運動驅(qū)動方式可以采用步進電機或伺服電機驅(qū)動,但所選電機必須與該電機生產(chǎn)廠所列技術(shù)

2、數(shù)據(jù)一致. 工作臺尺寸250*250(X/Y)(需帶T型槽). 工作臺工作行程:100*100(Y/X). 若采用步進電機驅(qū)動,則脈沖當量要求為:X向0.01/脈沖;Y向0.01/脈沖. X/Y向最高工作進給速度:300/min. X/Y向最高空載快進速度: 500/min. 工作臺重復(fù)定位精度(X、Y向)為+0.02/300. X/Y/Z向切削負載為2000/2000/1000N. 工件最大重量(包括夾具)為:150KG. 進給機構(gòu)系統(tǒng)均采用滾珠絲桿和滾動導(dǎo)軌副. 所設(shè)計的工作臺應(yīng)結(jié)構(gòu)合理、制造工藝性良好. 設(shè)計裝配圖應(yīng)表達正確、完整，技術(shù)標注規(guī)范、全面。二、工作臺臺身材料及結(jié)構(gòu) 根據(jù)設(shè)計要

3、求及相關(guān)的參考資料，工作臺臺身材料選用灰鑄鐵HT200,該材料價格便宜,而液態(tài)流動性好,減振能力強、動剛度大；容易進行切削加工，易斷屑。是目前此類零件應(yīng)用最多的材料。確定本方案數(shù)控十字工作臺的基本結(jié)構(gòu)將由底座、滑動座和工作平臺（帶T形槽）組成，此三部分由下至上重疊布置在Y-X平面上，由Y軸和X軸上各自的數(shù)控驅(qū)動元件配合相應(yīng)傳動鏈可實現(xiàn)滑動座和工作平臺獨立運動。底座與滑動座，滑動座與工作平臺之間分別通過滾動導(dǎo)軌副和滾動絲桿副聯(lián)系。底座相對滑動座和工作平臺固定不動，沿底座Y軸的方向上平行布置了兩組滾動導(dǎo)軌副和一組滾珠絲桿副，并在底座-Y軸方向的端部布置驅(qū)動元件。滑動座聯(lián)接在底座的導(dǎo)軌上由絲桿帶動可

4、沿Y軸運動。同時，在滑動座X軸的方向上平行布置了兩組滾動導(dǎo)軌副和一組滾珠絲桿副，并在滑動座-X軸方向的端部布置驅(qū)動元件。工作平臺上沿X軸方向開有T形槽，方便固定支撐工件，其整體聯(lián)接在滑動座的導(dǎo)軌上由絲桿帶動可沿X軸運動。三、關(guān)鍵零部件的設(shè)計與選型 1 X、Y向滾動導(dǎo)軌副選擇: 根據(jù)數(shù)控工作臺的整體結(jié)構(gòu)以及工作平臺的尺寸，確定X軸滾動導(dǎo)軌副形式為臥式導(dǎo)軌,導(dǎo)軌軸移動。雙列平行導(dǎo)軌各帶2個滑塊，即工作平臺和5滑動臺分別與4個滑動導(dǎo)軌塊連接并受其支撐。確定Y軸滾動導(dǎo)軌副形式為臥式導(dǎo)軌，滑塊座移動。雙列平行導(dǎo)軌各帶2個滑塊，即滑動臺和底座分別與4個滑動導(dǎo)軌塊連接并受其支撐。根據(jù)工程力學(xué)原理：X向?qū)к壐?/p>

5、總載荷WX = 工件重量+工作平臺重量+Z向切削負載 （工件重量為150Kg，工作平臺重量為250×150×70×7×/1000/1000=18.375Kg（HT200密度為7.0g*cm3）,Z向切削負載為1000N）WX = 1.5+0.18375+1=2.68375KN兩導(dǎo)軌間中心距116，滑塊座間距80。通過計算可得單個滑塊上的最大載荷為671NY向?qū)к壐笨傒d荷WY = 工件重量+工作平臺重量+Z向切削負載WY = 1.5+0.3675+1=2.8675KN兩導(dǎo)軌間中心距116，滑塊座間距80。通過計算可得單個滑塊上的最大載荷為717N。 由以上

6、計算結(jié)果并參考廠家的技術(shù)資料，選用南京工藝裝備裝備制造廠的GGBT16AB型滾動導(dǎo)軌副（帶2個滑塊）。其主要技術(shù)參數(shù)：額定動載C為7.6KN；額定靜載C0為9.5KN；單根最大長度1000mm。滾動導(dǎo)軌副額定壽命計算： 由式 式中fh、ft、fa均為1，fc為0.81，fw按1.2，計算得 X向：L=22343KM。Y向 ： L=18313KM。因計算結(jié)果大于8×60×250×5×500/1000/1000=300KM，導(dǎo)軌副滿足使用要求。 X向移動導(dǎo)軌副的型號確定為GGBT16AB2-P1-2X250-3。 Y向移動導(dǎo)軌副的型號確定為GGBT16AB2

7、-P1-2X250-3四、 滾珠絲桿螺母副的計算和選型因在工作臺X向和Y向上各有一滾珠螺母絲桿副，受力大小略有差別，首先對滑動臺上的絲桿副進行計算，以下為具體技術(shù)參數(shù)的計算過程：4.1X向進給絲桿1)、 進給率引力Fm： Fm = FX + f(Fz+FY+G)式中 f導(dǎo)軌摩擦系數(shù)，因是滾動導(dǎo)軌取0.0035；G工作平臺及工件重量，按1500+500=2000N得 Fm = 2000 + 0.0035(1000 + 2000 + 2000) = 2017.5N2)、 最大動負載C由以下計算式： 式中 滾珠絲桿導(dǎo)程，初選6mm； 最大切削力下的進給速度，可取最高進給速度的，已知最高進給速度為0.

8、3m/min； 使用壽命，按數(shù)控機床15000h； 運轉(zhuǎn)系數(shù)，按一般運轉(zhuǎn)取fw=1.3； 壽命以轉(zhuǎn)為1單位。得 n=1000*VS/L0=1000*0.3*0.5/5=30r/min L=60*n*T/106=60*30*15000/106=27 =3*1.3*2017.5=7868.25N 3)、 滾珠絲桿螺母副的選型為使得數(shù)控工作臺的結(jié)構(gòu)緊湊，根據(jù)產(chǎn)品資料，選用FFZD2505-3型內(nèi)循環(huán)螺紋預(yù)緊螺母式滾珠絲桿副，循環(huán)圈數(shù)3圈，其額定動負載為10.6KN，選定精度等級3級。4)、 傳動效率計算按式 式中 螺旋升角，選定的絲桿副為 摩擦角取，滾動摩擦系數(shù)0.0030.004；5)、 剛度驗算

9、如下面圖3所示的X向進給滾珠絲桿支承方式簡圖。 圖 3已知最大牽引力為2017.5N。支承間距L=250mm絲桿螺母及螺母均進行預(yù)緊，預(yù)緊力為最大軸向負荷的。A 絲桿的拉伸或壓縮變形量根據(jù)Fm=2017.5N，D0=25mm，查“滾珠絲桿軸向拉伸壓縮變形圖”得 1=L/L0=3.0*10-5 ，可算出：1=L/L0*250=3.0*10-5*250=0.0075（mm）由于絲桿進行了預(yù)拉伸，其抗壓強度可以提高4倍。其實際變形量為： 1=1/40.0075=1.875×10（mm）B 滾珠與螺紋滾道間接觸變形由產(chǎn)品的資料查得，已知Fm=2026.25N， =3.8因進行了預(yù)緊 =1/2

10、3.8=0.0019mmC 支承滾珠絲桿軸承的軸向接觸變形采用7204型向心推力球軸承配對使用，d1=20mm，滾動體直徑 DQ=8mm，滾動體數(shù)量z=10， =0.002/sin 1/sin2a = 0.0196(mm)因施加預(yù)緊力，故3=1/2=0.0098mm 根據(jù)以上計算： =1+2+3=0.0019+0.0019+0.098 =0.0119<定位精度(0.02)6)、 穩(wěn)定性校核 FK=fz2 EI/l2=4.0*3.143*20.6*106*2.154/64*81.52=12.82KNE絲桿彈性模量，對鋼20.6*106(N/cm)I截面慣性矩,I=d4/64FK/FM=12

11、.82/2.2=5.8因大于穩(wěn)定性安全系數(shù)2.54.所以不存在失穩(wěn)的危險. 4.2Y向進給絲桿1)、 進給率引力Fm： Fm = Fx + f(Fz+Fy+G+G1)式中 f導(dǎo)軌摩擦系數(shù)，因是滾動導(dǎo)軌取0.0035；G工作平臺及工件重量，按2000NG1滑動座的重量，按500N得 Fm = 2000 + 0.0035(1000 + 2000 + 2000+500) = 2019.25 N2)、 最大動負載C由前述數(shù)據(jù)得 n=1000*VS/L0=1000*0.3*0.5/5=30r/min L=60*n*T/106=60*30*15000/106=27 =3*1.3*2019.25=7875

12、3)、 滾珠絲桿螺母副的選型選用FFZD2505-3型內(nèi)循環(huán)螺紋預(yù)緊螺母式滾珠絲桿副可以滿足要求，其循環(huán)圈數(shù)3圈，額定動負載為10.2KN，選定精度等級3級。4)、 傳動效率計算5)、 剛度驗算如下面圖4所示的縱向（X向）進給滾珠絲桿支承方式簡圖。 圖 4通過對Y向進給絲桿最大動負載的計算，得到的結(jié)果與X向進給絲桿的值很接近，因此選用與X向絲桿一致的型號，并且由于支承方式和預(yù)縮要求也相同，所以無需再進行剛度驗算。5 電機的計算和選型5.1 x向伺服電機計算 1）、等效轉(zhuǎn)動慣量計算計算簡圖見圖3。傳動系統(tǒng)折算到電機軸上的總的轉(zhuǎn)動慣量可由下式計算：J=JS+JJ式中 JJ 移動工作臺的慣量轉(zhuǎn)化到控

13、制軸上的等效慣量； 滾珠絲桿的轉(zhuǎn)動慣量 根據(jù)資料， JJ=900mv2/2n2=900*200*1.162/3.142*1402=1.25 JS=2.24*0.25=1.8256J= JJ+ JS =1.25+1.8256=3.0756 2）、電機力矩計算工作臺在不同的工況下，其所需轉(zhuǎn)矩不同，下面分別按空載快進和工作進給進行計算：（1）、空載快進時所需力矩折算到電機軸上的摩擦力矩：M0=0.0035(2000+442.5)*0.5/2*3.14*0.8=0.85 附加摩擦力矩： =0.33*2022.25*0.5/2*3.14*0.8=60.3M快=0.85+60.3=61.15（2）、工作進

14、給時所需力矩=60.3+0.85+199.04=260.19從上面計算可以看出，和二種工況下，切削進給時所需力矩更大，以此作為初選電機的依據(jù)。按此最大靜力矩從電機資料上查得，120MB040A-2CE6E型額定靜轉(zhuǎn)矩為3.82。大于所需最大轉(zhuǎn)矩，作為初選型號，進一步考核電機慣量與負載慣量的是否匹配:由電機資料可知,電機轉(zhuǎn)子慣量JM=7.2. 堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩系數(shù)K=1.6,計算轉(zhuǎn)矩系數(shù)A=0.8 負載轉(zhuǎn)矩系數(shù)B=0.4J/JM=3.0756/7.2=0.4275.2 Y向進給伺服電機計算 1）、等效轉(zhuǎn)動慣量計算計算簡圖見圖3。傳動系統(tǒng)折算到電機軸上的總的轉(zhuǎn)動慣量可由下式計算：J=JS+JJ式中 JJ

15、移動工作臺的慣量轉(zhuǎn)化到控制軸上的等效慣量； 滾珠絲桿的轉(zhuǎn)動慣量根據(jù)資料: JJ=900mv2/2n2=900*250*1.162/3.142*1402=1.57 JS=2.24*0.78=1.7472J= JJ+ JS =1.57+1.7472=3.3172 2）、電機力矩計算工作臺在不同的工況下，其所需轉(zhuǎn)矩不同，下面分別按空載快進和工作進給進行計算：（1）、空載快進時所需力矩折算到電機軸上的摩擦力矩：M0=0.0035(4500+442.5)*0.5/2*3.14*0.8=1.72附加摩擦力矩： =0.33*2029.75*0.5/2*3.14*0.8=66.67M快=1.37+60.3=6

16、1.66工作進給時所需力矩=66.66+1.72+199.04=267.42從上面計算可以看出，和二種工況下，切削進給時所需力矩更大，以此作為初選電機的依據(jù)。按此最大靜力矩從電機資料上查得，120MB040A-2CE6E型額定靜轉(zhuǎn)矩為3.82。大于所需最大轉(zhuǎn)矩，作為初選型號，進一步考核電機慣量與負載慣量的是否匹配:由電機資料可知,電機轉(zhuǎn)子慣量JM=7.2. 堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩系數(shù)K=1.6,計算轉(zhuǎn)矩系數(shù)A=0.8 負載轉(zhuǎn)矩系數(shù)B=0.4由此可知J/JM=3.7172/7.2=0.46;A-B/K-A=0.8-0.4/1.6-0.8=0.5.數(shù)值極為相近,同時,該電機轉(zhuǎn)速為1000轉(zhuǎn),完全滿足了設(shè)計中對速

17、度的要求可以選擇該型號電機. 附一 伺服電機參數(shù)技術(shù)參數(shù)單位伺服電機型號120MB040A-2CE6E120MB055A-2CE6E120MB075A-2CE6E120MB100A-2CE6E120MB150A-2CE6E貨物編碼 031180031190031195031220031230額定輸出功率W40055075010001500額定轉(zhuǎn)矩N.m3.825.257.169.5514.32瞬間最大轉(zhuǎn)矩N.m11.4615.7521.4828.6542.97額定轉(zhuǎn)速rpm1000最高轉(zhuǎn)速rpm1200電機轉(zhuǎn)子慣量kg.cm27.29.213.217.225.2轉(zhuǎn)矩系數(shù)N.m/A1.61.61.61.61.6額定相電流A1.932.663.614.797.14瞬間最大相電流A5.87.9710.8314.3721.42電樞繞阻相電阻15.99.795.463.72.02電樞繞阻相電感mH52.8636.3622.0515.729.93機械時間常數(shù)ms4.483.532.822.491.66電氣時間常數(shù)ms3.333.714.044.254.91重量kg4.65.88.210.615.4編碼器P