鉆床改裝用數(shù)控XY工作臺(tái)設(shè)計(jì)

目錄一、前言—————————————二、課程設(shè)計(jì)的目的、意義及要求——三、課程設(shè)計(jì)的內(nèi)容四、總體方案的確定————————五、機(jī)械部分的改裝設(shè)計(jì)（1）初步確定工作臺(tái)尺寸及其重量（2）計(jì)算切削力————————（3）傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)———————（5）滾動(dòng)導(dǎo)軌參數(shù)計(jì)算與選型——（7）聯(lián)軸器的選擇———————（8）絲杠支承座的選擇—————六、總結(jié)—————————————七、參考文獻(xiàn)———————————一、前言原機(jī)床為普通立式鉆床，工作臺(tái)安裝在機(jī)床基座上，主軸箱安裝在立柱上。加工前需先調(diào)整工件在工作臺(tái)上的位置，使加工孔中心與根據(jù)課程設(shè)計(jì)的要求，可以將原普通立式機(jī)床進(jìn)行XY工作臺(tái)的數(shù)控改造，在保持原機(jī)床基本架構(gòu)不變的情況下，設(shè)計(jì)一個(gè)XY數(shù)控工作臺(tái)安裝在原有機(jī)床的工作臺(tái)上。，而且通過(guò)編寫數(shù)控循環(huán)加工程序，還可以實(shí)現(xiàn)孔的循環(huán)鉆削，提高了加工精度。二、 課程設(shè)計(jì)的目的、意義及要求（1）課程設(shè)計(jì)的目的課程設(shè)計(jì)是培養(yǎng)我們?cè)O(shè)計(jì)能力的重要實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)，是綜合運(yùn)用所學(xué)的機(jī)械、電子、自動(dòng)控制等知識(shí)的基本設(shè)計(jì)訓(xùn)練。其目的是：1、 通過(guò)課程設(shè)計(jì)，能夠正確運(yùn)用機(jī)電一體化的基礎(chǔ)知識(shí)和相關(guān)知識(shí)，掌握機(jī)電一體化的基本設(shè)計(jì)思想，初步了解和掌握機(jī)電一體化的設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)方案的分析、擬定及相關(guān)計(jì)算。2、 通過(guò)機(jī)械部分的設(shè)計(jì)，掌握機(jī)電一體化系統(tǒng)典型機(jī)械零部件和執(zhí)行元件的計(jì)算、選型和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法和步驟。（2）課程設(shè)計(jì)的總體要求2、 數(shù)控XY工作臺(tái)機(jī)械部分裝配圖3、 編寫的設(shè)計(jì)說(shuō)明書不少于20頁(yè)4、 按時(shí)完成布置的設(shè)計(jì)內(nèi)容三、課程設(shè)計(jì)的內(nèi)容（1）課程設(shè)計(jì)題目設(shè)計(jì)一套簡(jiǎn)易數(shù)控XY工作臺(tái)，固定在某一鉆床的工作臺(tái)上，XY工作臺(tái)的位置控制采用步進(jìn)電機(jī)數(shù)控系統(tǒng)，通過(guò)上述方案將該普通鉆床改裝成簡(jiǎn)易的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控鉆床。（2）課程設(shè)計(jì)要求：1、 改造后的鉆床能夠加工最大面積為AXBmm2的工件，最大工件重量200kg。2、 數(shù)控XY工作臺(tái)要求孔的定位精度在±0.02mm內(nèi)，工作臺(tái)快進(jìn)速度為3.6m/min加減速時(shí)間為0.1秒。四、總體方案的確定（1） 運(yùn)動(dòng)方式：由于是將原普通鉆床的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)一數(shù)控XY工作臺(tái)，所以設(shè)計(jì)改造后的機(jī)床的運(yùn)動(dòng)方式是點(diǎn)位控制。（2） 傳動(dòng)方式：要求采用步進(jìn)電機(jī)控制XY工作臺(tái)的位置，因此可以采用滾珠絲杠螺母副的傳動(dòng)方式，用聯(lián)軸器連接步進(jìn)電機(jī)和滾珠絲杠實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)。（3） 伺服電機(jī)的選擇要求改造成簡(jiǎn)易的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控鉆床，因此采用開環(huán)伺服系統(tǒng)控制，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于調(diào)整與維修，且能保證一定精度。4）絲杠、導(dǎo)軌、伺服電機(jī)的計(jì)算選型。五、機(jī)械部分的改裝設(shè)計(jì)機(jī)械部分改裝設(shè)計(jì)的內(nèi)容包括初步確定工作臺(tái)尺寸及重量，確定系統(tǒng)脈沖當(dāng)量；滾珠絲杠螺母副的設(shè)計(jì)計(jì)算和選型；滾動(dòng)導(dǎo)軌的設(shè)計(jì)計(jì)算和選型；步進(jìn)電機(jī)的參數(shù)計(jì)算和選型；聯(lián)軸器的選擇；絲杠支承座的選擇。（1）初步確定工作臺(tái)尺寸及其重量根據(jù)機(jī)床能夠加工的最大工件尺寸240X260mm2，最大重量200kg。選擇工作臺(tái)上的T型槽底部寬度為18mm，頂部寬度為10mm,底部高度為8mm，T型槽總高為20mm，槽間距為50mm。與T型槽配合的螺栓尺寸：M8,螺栓頭寬15mm、高6mm，長(zhǎng)度100mm。T型槽參考資料：GB/T158—1996本標(biāo)準(zhǔn)等效采用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO—299《機(jī)床工作臺(tái)一T形槽和相應(yīng)的螺栓》并補(bǔ)充了形T槽不通端型式及尺寸、T形槽用螺母。1、選取工作臺(tái)尺寸為320X340mm，考慮到對(duì)工作臺(tái)強(qiáng)度及剛度的要求，取工作臺(tái)厚度為40mm工作臺(tái)上銑出6條T型槽，這樣能夠保證在加工最大尺寸工件時(shí)，能夠用T型槽與螺栓給工件定位。工作臺(tái)材料取45號(hào)鋼，表面熱處理使其硬度達(dá)到要求，密度為7.8g/cm3。所以工作臺(tái)質(zhì)量：M=320X340X40X7.8X10_6kg=33.65kg12、 由于工作臺(tái)XY方向長(zhǎng)度差只有20mm,所以上下托板的長(zhǎng)度可取相同的尺寸，取上下托板尺寸為280X280mm2,厚度為20mm,材料為45號(hào)鋼。所以上下托板質(zhì)量為：上托板質(zhì)量：M=280X280X20X7.8X10_6kg=12.1kg2下托板質(zhì)量：M=M=12.1kg323、 導(dǎo)軌座的總長(zhǎng)度可以根據(jù)工件最大尺寸、步進(jìn)電機(jī)安裝所需要的空間和導(dǎo)軌余量進(jìn)行估算。（上導(dǎo)軌座）X方向?qū)к夐L(zhǎng)度：L=X方向工件最大尺寸X2+步進(jìn)電機(jī)安裝所需空間+導(dǎo)軌余量X所以：L=240X2＋100+120=700mmX（下導(dǎo)軌座）Y方向?qū)к夐L(zhǎng)度：L=260X2+100+130=750mmY導(dǎo)軌座中間部分厚度取10mm，兩邊凸起部分高度取60mm，寬度取45mm，導(dǎo)軌座總寬度取280mm，材料為45號(hào)鋼。所以上導(dǎo)軌總重量（包含步進(jìn)電機(jī)）為：M=700X280X10X7.8X10_6+2X700X45X50X7.8X10_6kg4=40.1kg4、 夾具及螺桿支承座質(zhì)量估算：螺桿支承座的尺寸大致為：長(zhǎng)100mm、寬50mm、高60mm，主要材料為鋼，其質(zhì)量：M=100X50X60X7.8X10_6kg=2.34kg5夾具的質(zhì)量估算為M=10kg65、 最大加工工件質(zhì)量：M=200kg7所以，工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)部件總質(zhì)量：M=M+M+M+M+M+M+M總 1 2 3 4 5 6 7=33.65+12.1+12.1+40.1+2.34+10+200k驢310kg（2）計(jì)算切削力將普通機(jī)床改造成數(shù)控XY工作臺(tái)控制的鉆床，機(jī)床的運(yùn)動(dòng)控制方式是點(diǎn)位控制，鉆削時(shí)產(chǎn)生的軸向切削力很?。粷L珠絲杠運(yùn)動(dòng)時(shí)不進(jìn)行鉆削，不受切削力的作用；靜止鉆削時(shí)絲杠軸向切削力很小，可忽略不計(jì)。因此，絲杠工作時(shí)只受到運(yùn)動(dòng)部件重量所引起的摩擦阻力。3）傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作臺(tái)的驅(qū)動(dòng)方式是：用聯(lián)軸器連接步進(jìn)電機(jī)主軸和滾珠絲杠滾珠絲杠螺母副驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)在X、Y方向上做直線運(yùn)動(dòng)。此種傳動(dòng)方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，通過(guò)步進(jìn)電機(jī)直接調(diào)速，不需要經(jīng)過(guò)其它傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。（4）滾珠絲杠的傳動(dòng)計(jì)算與選型滾珠絲杠的負(fù)載只有運(yùn)動(dòng)部件重量引起的摩擦阻力。1、求絲杠螺母副傳動(dòng)的靜載荷：FC計(jì)算公式：F=K+K+K+FCFHLm其中,K—為載荷系數(shù)，無(wú)沖擊平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)：1.0-1.2；—般沖擊：1.2-1.5；FKH—為硬度系數(shù)，滾道硬度1RC258：1.0滾道硬度HRC255：1.11KL—為精度系數(shù)，精度等級(jí)C、D：1.0 精度等級(jí)E、F：1.1根據(jù)課題要求及傳動(dòng)方案?。篕=1.2，K=1.0，K=1.0FHL絲杠工作時(shí)的軸向壓力F=MgMm 總其中，卩為滾珠絲杠導(dǎo)軌的摩擦系數(shù)0.003-0.005間，取卩=0.004所以：F=310X10X0.004N=12.4Nm因此，靜載荷F=1.2X1X1X12.4=14.88NC2、額定動(dòng)載荷及壽命計(jì)算

動(dòng)載荷計(jì)算公式C>C=動(dòng)載荷計(jì)算公式C>C=aa60nLmh~1.67x104其中，Ca—額定動(dòng)載荷（N）；Nm—螺桿的平均轉(zhuǎn)速，取90-110r/minL—運(yùn)轉(zhuǎn)壽命（h）；hFc一螺旋傳動(dòng)的計(jì)算載荷（N）絲杠的壽命L依據(jù)與之相搭配使用的導(dǎo)軌的壽命進(jìn)行選擇，導(dǎo)軌要h求使用壽命不低于5年，因此選擇絲杠的壽命為5年，每年工作360天，每天16個(gè)小時(shí)。所以，L=360X5X16h=28800hh所以，動(dòng)載荷：Ca=（60X100X28800/1.67X104）：X14.88=324.24N3、滾珠絲杠的選用根據(jù)使用情況選擇滾珠絲杠螺母的機(jī)構(gòu)形式，并根據(jù)最大動(dòng)載荷的數(shù)值選擇滾珠絲杠的型號(hào)。

Pho：魚林勺程CAK屮3311就10E963.175*p—D滾珪塑*-■事哥甚準(zhǔn)並櫥ZPho：魚林勺程CAK屮3311就10E963.175*p—D滾珪塑*-■事哥甚準(zhǔn)並櫥Z沁自啊暢用獨(dú)格證號(hào)仙倉(cāng)走吻或荷個(gè)皿J605-325QS-3Z232&選擇的滾珠絲杠是濟(jì)寧市華珠機(jī)械有限公司生產(chǎn)的HG系冷軋滾珠絲杠副，其型號(hào)為1605-3，其主要參數(shù)如下：公稱直徑：16mm；公稱導(dǎo)程：5mm；滾珠直徑：3.175；負(fù)荷鋼球圈數(shù)：3；額定動(dòng)載荷：Ca=6.2KN>計(jì)算值0.324KN符合要求額定靜載荷：12.5KN絲杠總長(zhǎng)：L=Lu+L1+2Le其中有效行程Lu=520mm；螺母長(zhǎng)度L1=50mm；余程Le=20所以計(jì)算的絲杠總長(zhǎng)L=610mm4、絲杠傳動(dòng)效率公式：n=y/（Y+屮）其中屮為摩擦角0010';Y為螺旋生角5022'所以n=0.96滾動(dòng)導(dǎo)軌參數(shù)計(jì)算與選型1、 計(jì)算滾動(dòng)導(dǎo)軌的工作壽命Th(小時(shí))要求導(dǎo)軌壽命不低于5年，假設(shè)導(dǎo)軌壽命為5年，每年工作360天，每天16個(gè)小時(shí)，則：工作壽命：Th=5X360X16h二28800(小時(shí))2、 計(jì)算導(dǎo)軌行程長(zhǎng)度壽命Ts(KM)計(jì)算公式：Ts(Km)，Ts=2ThLsn/1000Ls為單向行程(m),n為每分鐘往復(fù)次數(shù)；(可取4-6次/分鐘)所以：Ts=2X28800X0.6X5X60/1000二8300KM3、 計(jì)算工作載荷XY數(shù)控工作臺(tái)采用雙導(dǎo)軌，四滑塊的支承形式，鉆削時(shí)Z向的軸向力相對(duì)于工作臺(tái)給導(dǎo)軌的壓力小很多。因此，導(dǎo)軌工作載荷可估算為F=G/4=3100/4=775N總4、 計(jì)算導(dǎo)軌的額定動(dòng)載荷Ca(N)計(jì)算公式：Ca=F(Ts/6.25)：=775X(8300/6.25)：=8408N5、 選定滑動(dòng)導(dǎo)軌的型號(hào)及結(jié)構(gòu)尺寸

型號(hào)導(dǎo)軌劇尺寸汐塊鳳寸導(dǎo)輛尺寸HWKBrLn0TT.03L,GGBI6AB2415.519A475B.53830457H4.574051615GGB2QAEGGE20ABI302L524Si;;5340710105105066201S導(dǎo)勒尺寸邢杯尺寸艇宦功載頼定力頓dxDxhF單按堵大技度L?uGNcmM/Nm)陽(yáng)Njti}尋軌/米4-5x75x5.36012002.5044￡1.5113.387070TOO0J7T.626XS3X&560300011M&117018A3192.726.501602601602602303100330.4523選擇的滾珠絲杠是南京工藝裝備制造有限公司生產(chǎn)的GGBXXAB/AB四方向等載荷型滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副系列，其型號(hào)為GGB20AB/AB其主要參數(shù)如下：額定動(dòng)載荷：C=8.51KN大于8.40KN滿足要求導(dǎo)軌寬度為20mm導(dǎo)軌總高為24mm導(dǎo)軌總長(zhǎng)為700mm

360&入6360&入1、由機(jī)床精度要求確定脈沖當(dāng)量5及步距角a:P取5取5為0.00115=x0.02~0.0067mm3所以步距角a=360X0.001X1/5=0.72電機(jī)軸轉(zhuǎn)矩的計(jì)算2、電動(dòng)機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J總計(jì)算公式：J=J+J+J總012J可以忽略不計(jì)0J為滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，對(duì)于圓柱體圍繞其中心軸線旋轉(zhuǎn)時(shí)，其1慣量可由下述公式計(jì)算計(jì)算公式：J=MD2/8X10一6對(duì)于鋼材有：J=0.77D4LX10一12式中：J——慣量，kg.M2M 單位體積質(zhì)量，kgD 圓柱體直徑，mmL 圓柱體長(zhǎng)度，mm所以：J二0.77X164X610X10_i2=0.31X10一kg.M21J工作臺(tái)、工件等移動(dòng)部件折算到電動(dòng)機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，可由下2述公式計(jì)算：J=(V/2nn)2MX10,=(S/2n)2MX10一6式中：M——工作臺(tái)（包括工件）的質(zhì)量，kgS 絲桿螺距，mmV 工作臺(tái)移動(dòng)速度，mm/minn 絲杠轉(zhuǎn)速，r/min所以：J二（5/2X3.14）2X310X106=1.97X104kg.M22所以：J二（0.31+1.97）10_4=2.28X10_4kg.M2總3、 步進(jìn)電機(jī)空載啟動(dòng)時(shí)，電機(jī)軸上的加速力矩計(jì)算公式：M=Jn/9.6Tar其中：J――為電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，等于Jr 總n 電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min為720r/minT——加減速時(shí)間，為0.1s所以：M二2.28X720X10_4/9.6X0.1=0.171N.Ma4、 工作臺(tái)移動(dòng)部件這算到電機(jī)軸上的摩擦力矩計(jì)算公式：M二FS/2nniX10一?=Mgps/2nnif 0 總式中：p 摩擦系數(shù)，為0.025S 為螺距，5mmn——總傳動(dòng)效率，取0.8i 為傳動(dòng)比，為1所以：M二310X10X0.025X5/2X3.14X0.8X1X10_3=0.077N.Mf5、 因絲杠副預(yù)緊力引起的電機(jī)軸上的附加摩擦轉(zhuǎn)矩

計(jì)算公式：M二FmaxXS/2nniX(1-n2)X10_300=3100X0.025X5/(2X3.14X0.8X1)X(1-0.92)X10_3=0.015N.M6、空載啟動(dòng)時(shí)電機(jī)軸上的最大靜轉(zhuǎn)矩M=M+M+M=0.171+0.077+0.015=0223N.Maf07、步進(jìn)電機(jī)的選擇所選取的步進(jìn)電機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩M需滿足:sM>M/0.866=0.258N.Ms步進(jìn)電機(jī)的選擇如下：42BYG系列二相步進(jìn)電機(jī)42E￥G^列二相歩進(jìn)電機(jī)：涉距角1.8JJ靜力距&.21-0.45N.mr機(jī)身長(zhǎng)38-L8iimi>引線數(shù)務(wù)6；電^G.4-1.2A技術(shù)規(guī)格型號(hào)SeiiesAIod-sl歩距角StspAtigl機(jī)身氏MotorLaiffth靜力距HoldingTcrqus引線數(shù)Liad^'irs㈣）電疣RatedCuiiait㈤相電阻瑁感PhassIndiKEatics?viotorwsislit矚17PU-H501-P11.8380.2146.8120.2442BYGH604A1.S4003604302302442BYGH6121.8400361.23.03.202442BYGK4121.8480.4?43.23J^.003442BYGH6101.8480.346103.5500.3442BYGH6W-2(孜軸)離嘔0.344103.jK0.3443BYGH610AJP1.S400.346104.84.S0.42選擇的步進(jìn)電機(jī)是深圳市眾為興數(shù)控技術(shù)有限公司生產(chǎn)的42BYG系列二相步進(jìn)電機(jī)。選擇的型號(hào)為42BYGH6040A步距角：1.80靜力距滿足要求質(zhì)量：0.24kg長(zhǎng)、寬、高分別為：53mm42mm31mm（7）聯(lián)軸器的選擇所選擇的聯(lián)軸器應(yīng)滿足電機(jī)扭矩的要求，滿足電機(jī)旋轉(zhuǎn)軸直徑、絲杠公稱直徑的要求：兒型 B型 C型 D型ZT-F型帶法蘭星形彈性聯(lián)軸器基本參數(shù)和主要尺寸型號(hào)公稱扭矩(N*m)許用轉(zhuǎn)遼(rpm)軸乩直徑(mm)軸孔長(zhǎng)度L(mm)DDfl□iEs(LJIL.(l4)(mm)ZT24F70140004353055304055IS25634ZT28F1901180010-4035651904365202.56540ZT38F330950012^tS458011566782437944ZT42F530800014-5550951407594263S350ZT48F6207100詁?