《总体设计方案》word版.doc

目录一、 设计目的二、 设计要求三、 设计的内容和步骤（一） 总体设计方案（二） 机械部分改装设计 设计机构的性能要求待改装钻床型号的确定控制方式的确定伺服系统的确定工作台参数的初步选定导轨的选型思路滚珠丝杠选型思路丝杠和电机连接零件的选取思路支承座材料的选取轴承类型的选取思路（三） 计算部分 确定工作台的尺寸及其重量支承座参数设计滚珠丝杠参数设计滚动导轨参数设计电机参数设计联轴器的选着（四） 设计总结（五） 参考文献一、 设计的目的通过本次设计，使我们全面地、系统地了解和掌握数控机床的基本内容和基本知识，初步掌握数控机床的设计方法，并学会运用手册标准等技术资料。同时培养我们学生的创新意识、工程意识和动手能力。 二、设计要求1、改造后的钻床能够加工最大面积为180×180，最大工件重量为200kg。2、数控XY工作台要求孔的定位精度在±0.02mm内，工作台快进速度为3.6m/min，加速时间为：0.1秒。三、设计的内容和步骤题目：钻床数控改装数控XY工作台的设计 设计一套简易数控XY工作台，固定在某一钻床的工作台上。XY工作台的位置控制采用步进电机数控系统，通过上述方案将该普通钻床改装成简易的经济型数控钻床。（一）、总体设计方案1、 机电一体化机械系统应具备良好的伺服性能（即高精度、快速响应性和稳定性好）从而要求本次设计传动机构满足以下几方面： （1）转动惯量小 在不影响机械系统刚度的前提下，传动机构的质量和转动惯量应尽量减小。否则，转动惯量大会对系统造成不良影响，机械负载增大；系统响应速度降低，灵敏度下降；系统固有频率减小，容易产生谐振。所以在设计传动机构时应尽量减小转动惯量。 （2）刚度大 刚度是使弹性体产生单位变形量所需的作用力。大刚度对机械系统而言是有利的：伺服系统动力损失随之减小。机构固有频率高，超出机构的频带宽度，使之不易产生共振。增加闭环伺服系统的稳定性。所以在设计时应选用大的刚度的机构。 （3）阻尼合适 机械系统产生共振时，系统的阻尼增大，其最大振幅就越小且衰减也快，但大阻尼也会使系统的稳态误差增大，精度降低，所以设计时，传动机构的阻尼要选着适当。 此外还要求摩擦小（提高机构的灵敏度）、共振性好（提高机构的稳定性）、间隙小（保证机构的传动精度），特别是其动态特性应与伺服电动机等其它环节的动态特性相匹配。 2、 将普通钻床改装成数控钻床，是一项技术性很强的工作。必须根据加工对象的要求和加工数量的大小实际情况，确定切实可行的技术改造方案，搞好机床的改造设计。进行改造的可行性分析，针对某台钻床或钻床的某一部分的现况确定改造方案。根据本次课程设计改造范围，是设计一套简易的数控工作台，固定在某台钻床的工作台上，所以要对机床的改动尽可能少，控制部分要有较高的动态特性，动态刚度，阻尼精度，耐磨性及抗热变形性能。改造前要对原钻床的性能，有关参数，以便对机床的本身精度高低来确定改造后精度和改造范围。下面钻床是本设计要改装的机床：型号Z4032  最大钻孔直径(mm)32主轴变速级数及范围12 (65-2600)最大攻丝直径(mm)M20主轴进给级数及范围3 (0.1-0.3)主轴最大行程(mm)160工作台有效工作面积(mm)450×390 主轴中心线至立柱母线距离(mm)350底座有效工作面积(mm)405×395 主轴端面至工作台距离(mm) 主柱直径(mm)120主轴端面至底座工作面距离(mm)750  工作台及托架最大行程(mm) 三相双速交流电机功率(kw)1/1.5主轴箱旋转角度±45°包装尺寸(cm)103×61×209主轴圆锥孔（莫氏）MT4毛净重（kgs）550/500总体改装思路如下：电机的选定滚珠丝杠副的选定及其支承形式直线滚动导轨的选定工作台尺寸的要求控制方式的选定导轨支座的设计3、数控系统按运动方式分为点位控制系统、直线控制系统、轮廓控制系统。本设计的钻床工作台相对刀具运动时不进行任何切削，只是在点与点之间进行精确定位，所以可以选用点位控制。4、XY 工作台系统可以设计为开环、半闭环和闭环伺服系统三种。开环的伺服系统采用步进电机驱动, 系统没有检测装置; 半闭环的伺服系统中一般采用交流或直流伺服电机驱动, 并在电机输出轴安装脉冲编码器, 将速度反馈信号传给控制单元; 闭环的伺服系统也是采用交流或直流伺服电机驱动, 位置检测装置安装在工作台末端, 将位置反馈信号传给控制单元。闭环和半闭环伺服系统价格昂贵，结构复杂，同时其可控分辨率也很高，但在本次设计中，其位置精度（±0.02mm）要求不高，考虑到成本低，维修方便，工作稳定等条件。选用步进电机伺服系统就可以满足要求。其通过单片机控制步进电机的驱动, 经传动机构带动工作台运动。工作台系统总体框图如图所示:：5、工作台条件的确定在老师给定的参数中，我选钻床能够加工的最大面积为180×180，最大工件重量200kg，所以留出装夹的尺寸后工作台应该设计为260×260，并且考虑到工件最大重量为200kg，所以我选工作台厚度为20kg，材料选HT200灰铸铁，因为其有良好的铸造性能，减磨性，耐磨性好，加上其熔化配料简单，成本低，耐腐蚀及抗震性好等。6、直线滚动导轨的选定    滚动直线导轨副是在滑块与导轨之间放入适当的钢球，使滑块与导轨之间的滑动摩擦变为滚动摩擦，大大降低二者之间的运动摩擦阻力，从而获得： 动、静摩擦力之差很小，随动性极好，即驱动信号与机械动作滞后的时间间隔极短，有益于提高数控系统的响应速度和灵敏度。 驱动功率大幅度下降，只相当于普通机械的十分之一。 与V型十字交叉滚子导轨相比，摩擦阻力可下降约40倍。 适应高速直线运动，其瞬时速度比滑动导轨提高约10倍。 能实现高定位精度和重复定位精度。 能实现无间隙运动，提高机械系统的运动刚度。 成对使用导轨副时，具有“误差均化效应”，从而降低基础件（导轨安装面）的加工精度要求，降低基础件的机械制造成本与难度。 导轨副滚道截面采用合理比值的圆弧沟槽，接触应力小，承接能力及刚度比平面与钢球点接触时大大提高，滚动摩擦力比双圆弧滚道有明显降低。 导轨采用表面硬化处理，使导轨具有良好的可校性；心部保持良好的机械性能。 简化了机械结构的设计和制造运动灵敏读高定位精度高牵引力小、移动轻便精度保持性好润滑系统简单、维修方便摩擦系数小、动摩擦系数很接近、不产生爬行现象。7、滚珠丝杠副的选用及其支承形式（1）滚珠丝杠副有如下特点：传动效率高系统刚性好传动精度高使用寿命长运动具有可逆性（既可将回转运动转变为直线运动，又可将直线运动变为回转运动，且逆传动效率几乎与正传动效率相同不会自锁可进行预紧和调隙 （2） 常用的双螺母消除轴向间隙的结构形式有三种： 垫片调隙式（该形式结构紧凑，工作可靠，调整方便，应用广，但不准确，并且当滚道磨损时不能随意调整，除非更换垫圈）螺纹调隙式（该形式结构紧凑，工作可靠，调整方便，缺点是不很精确） 齿差调隙式（该形式调整精度很高，工作可靠，但是结构复杂，加工和装配工艺性能差），其调整时，先取下两端的内齿圈，使两螺母产生相对角位移，相对地产生轴向的相对位移，从而两螺母中的滚道中的滚珠分别贴在螺旋滚道的两个相反侧面上，然后将内齿圈复位固定，故而达到消除间隙，产生算紧的目的。调整间隙：= 在本设计中，我选用第种间隙调整方式，并且选外循环滚珠丝杠做为工作台的传动机构，因为这种循环方式结构简单，工艺性好，承载能力强，成本低等优点。 （3）支承形式 ：我选用两端固定形式（FF），特点：只要轴承无间隙，丝杠的轴向刚度为一端固定的4倍 丝杠一般不会受压，无压杆稳定问题，固有频率比一端固定的高 可以预拉伸，预紧拉伸后可减小丝杠自重的下垂和热补偿膨胀。8、联轴器的选着由于要求设计的工作台属于轻载型工作台，工作台上的负载折算到电机上的转动惯量不是很大，所以电机与丝杠的连接用联轴器就可以满足要求。这样大大简化了主轴的结构，缩短传动链，提高了传动精度。同时有效地提高了主轴部件的刚度。9、导轨支承座的选着选HT150做为支承座材料，其优点耐磨，耐腐蚀，抗震性好，刚度高。10、轴承的选着由于丝杠主要受轴向力的作用，为了保证其高速、高精度可靠性。可选用“前后支承均采用高精度的单列向心推力轴承和一个深沟球轴承支承”。这样既保证了轴向载荷和径向载荷。 注：执行机构传动方式的确定为确保数控系统的传动精度和工作平稳性。在满载设计机构传动装配时，通常提出低摩擦、低惯量、高刚度、无间隙、高谐振以及有适宜阻尼的要求，所以设计时要遵守以下原则：（1） 缩短传动链，这样可以提高系统传动的传动刚度，减少传动链误差，同时可以通过预紧方式提高传动精度。（2） 工作台与导轨的安装要确保工作台与导轨的垂直度和平行度达到规定的精度。（3） 控制好两导轨的水平度和平行度，否则导致工作台在移动过程中出现卡死现象。（4） 确保电机与丝杠连接时达到规定的同轴度及调节好电机的定位精度。（5） 轴承的安装，确保预紧，提高传动精度。（二）、机械部分改装设计计算1、初步确定工作台的尺寸及其重量老师所给定的工件尺寸为A×B（A、B推荐值为180250mm）,在此我选工件尺寸为180×180。根据ue我们加工的时候要用夹具夹紧工件就必须每边留出装夹具的尺寸40mm，所以最后确定工作台尺寸为260×260。因为工作台加工的最大工件重量为200kg，考虑到刚度和强度问题，最后我选工作台的厚度为H=20mm 查阅有关资料，我选灰铸铁HT150做为工作台的设计材料，HT150特点：适用用于轴承受中等载荷的零件。如机床上的支柱、底座、齿轮箱、刀架、床身、轴承座、工作台、带轮，并且铸件厚度在2030mm时，其最小抗拉强度为130MP，HBS为110166。而密度=7.2g。 所以工作台的体积V=A·B·H=260×260×260=1352000=1352 工件质量：m=×V=7.2×1352=9734.4g=9.73kg2、支承座的确定根据工作台的尺寸确定支承座的长度 ，长宽高分别设为abc， 经过验算分别取a=260×2×130=600mm, b=200mm, c=80mm 按保守法算得支承座=abc=600×200×80=9.6×=9.6× 查阅有关资料，我选HT150灰铸铁做为支承座材料。密度=7.2g所以=9.6××7.2=69.12×g=69.12kg 最低的那根丝杠以上的所有质量为： 又对工作台上的夹具进行放大的质量：=2m=9.73×2=19.46kg又知工件质量=200kg所以=+m=69.12+19.46+200+9.73=298.31kg考虑到其他因素，再把扩大到320kg，即=320kg3、 滚珠丝杠传动的设计计算4、 滚珠丝杠螺母副的承载能力用额定负荷表示，其动静载强度计算原则与滚动轴承相类似。一般根据额定动负荷选用滚珠丝杠副，只有当n10r/min时，滚珠丝杠螺母的主要破坏形式是工作表面的疲劳点蚀，因此进行动载荷强度计算。在本设计中，我选=110r/min。因此选着以动载荷计算。 丝杠工作时的轴向压力gµ=320×9.8×0.004=12.54N其中g=9.8 µ为导轨的摩擦系数取0.004假设滚动丝杠能工作年，每年为360天,每天工作小时5×360×8=1440h又由于工作台在工作过程中无冲击、平稳运转载荷系数.2硬度系数=1.11精度系数=1.1=1.2×1.11×1.1×12.54=18.37N=×18.37=327.97N根据选着滚珠丝杠副，按滚珠丝杠副的额定运动载荷等于梢大于的原则在网上查到：同时考虑到各种因素选用的丝杠参数如下：型号：1505DS0600A丝杠轴尺寸：名义外径d=15mm 导程：5mm 螺纹长度l=540mm 总长=600mm 螺纹尺寸：外径=34mm 总长 =40mm 螺母总长=30mm 滚珠直径：3.175mm 圈数×回路数2.5×1 基本动载荷510N 基本静载荷1050N 轴向跳动：0.03max因为510N=306.75N 所以1505DS0600A合格、滚动导轨的设计计算已知作用在导轨副上的压力g320×9.8=3136N导轨工作寿命：×360×8=14400h单向行程长度：0.6m往复次数取：n=4次分导轨行程长度系数： n×14400×0.6×4×60/ =4147.2因活座数m=4所以每根导轨上使用个活座= =780N根据公式6.25得：=6803.29N=6.8KN根据其中GGE15 BA型号的导轨的=7.19KN,能满足5年的使用要求，所以选用GGE15 BA型号的滚动直线导轨。 5、电机的选着确定脉冲当量，初选步进电机脉冲当量根据系统精度来确定，对于开环系统一般为0.0050.01mm。如取得太大，无法满足系统精度要求；如取得太小，或者机械系统难以实现，或者对其精度和动态特性能提出更高的要求，是经济性降低。知道本次设计的工作台的精度为±0.02mm，所以根据经验公式得脉冲当量=×0.04=0.0125mm .又知道是用联轴器连接电机主轴和丝杠，所以传动比i=1。根据公式得步距角=360i/p=计算系统转动惯量 计算转动惯量的目的是选着步进电机的动力参数及进行系统动态特性与设计。丝杠的转动惯量的计算=1.3×kg·其中是丝杠密度（kg/ ），取7.8× kg/ ；d是丝杠的等效直径(m),取0.013m; l是丝杠的长度0.6m。 沿直线轴移动物体的惯量 工作台、工件等折算到电动机轴上的转动惯量，可由下述公式达到： =M×=×320×=0.087×kg·M工作台（包括工件）的质量，kgV工作台快进速度，mm/min N丝杠转速,r/min所以折算到电机上的总转动惯量=0.08713× kg· 空载启动时，电动机轴上的惯性转矩： =0.08713×××=9.8N·m 电动机轴上的当量摩擦转矩=mg=×320×9.8×0.004=0.1N·m 其中， t为电机加速时间：t=0.1O秒伺服传动链的总效率取为=0.99为工作台快进速度 =3.6m/min设滚动丝杠螺母副的预紧力为最大轴向载荷的1/3，则因预紧力而引起的、折算到电动机轴上的附加摩擦转矩为：=（1）=××（1）=N·m是滚珠丝杠螺母副未预紧时的传动效率。=0.9工作台上的最大轴向载荷折算到电动机轴上的负载转矩为：=×12.54=0.01 N·m在最大外载荷下工作时，电动机轴上的总负载转矩：=0.010.1= 0.11N·m根据下列公式计算正常运转时所需步进电动机的最大静转矩=0.220.37 N·m于是空载启动时电动机轴上的最大静转矩为：=9.80.1=9.9 N·m我初步选定电机为三相双六拍的电机，根据与选取启动时所需步进电动机的最大静转矩的关系：=11.43 N·m所以根据：选定110BYG3502 步距角：0.6度 相数：3 静转矩：12N·m 转动惯量：11kg·=0.11×kg·尺寸图如下：惯量匹配验算 电机轴上的总当量负载转动惯量和电机轴自身转动惯量的比值应控制在一定范围内，既不应太大，也不应太小。如果太大，则伺服系统的动态特性主要取决于负载特性，由于工作条件（如工作台位置）的变化而引起的负载质量，刚度，阻尼等的变化，将导致系统动态特性也随之产生较大的变化，使伺服系统综合性能变差，或给控制系统设计造成困难。如果该比值太小，说明电动机选或传动系统设计不太合理，经济性较差。为了系统惯量达到较合理的匹配，一般应将该比值控制在下式所规定的范围内：1=0.791说明惯量匹配合理。电动机最大运行频率确定 步进电动机在运行的输出转矩随运行频率增加而下降，因而应根据所计算出的负载转矩，按电动机运行矩频特性曲线来确定最大运行频率，并要求实使用的运行频率低于这一允许的最大运行频率。下图：当=0.11N·m时 电机的运行频率f10000HZ，而根据V=60f算得实际使用的运行频率为=4800 HZ，而f，所以满足要求。 6、联轴器的选着 弹性套柱销联轴器结构比较简单，制造容易，不用润滑，不需要与金属硫化粘结，更换弹性套方便，不用移动半联轴器，具有一定补偿两轴相对偏移和减振缓冲性能。弹性套工作是受压缩变形，由于弹性套的厚度较薄，体积小，弹性变形有限，所以，弹性套柱销联轴器虽可补偿轴线位移和弹性。弹性套柱销联轴器是依靠柱销组的锁紧力而产生于接触面的摩擦力矩，并压缩橡胶弹性套来传递转矩。适用于安装底座刚性好、对中精度较高、冲击载荷不大、对减振要求不高的中小功率轴系传动。根据选出的电机和丝杠的参数，选出下面的弹性套柱销联轴器。如图： 但是滚珠丝杠跟联轴器连接的轴端(15mm)要相应的加工为12mm才能跟联轴器配合。 （四）设计总结经过这两个星期的课程设计，完成了整个钻床XY工作台的设计，它具有直线插补和圆弧插补等数控系统所使用的常用功能，结构简单，操作方便，控制方便，控制精度相对较高，特别适合在钻床上，可以实现坐标孔系的加工。在整个设计过程中比较重点的是选用步进电机，滚珠丝杠，滚动导轨，联轴器等。在设计的过程中遇到了几个问题，在李老师经过电话的帮助下一一地解决，在此，我表示忠心的感谢。同时经过这次的亲自设计，使我对数控控制机构有了更进一步的了解，也是我更懂得使用工具书来解决问题。 最后由于本人水平有限，所以设计过程有许多的不足，恳请李老师批评指正。 （五）参考文献：【1】文怀兴、夏田 编著；数控机床系统设计；化学工业出版社2005【2】杨继昌、李金伴 主编；数控技术基础；化学工业出版社2005【3】郑堤、唐可洪 主编；机电一体化设计基础；机械工业出版社1996【4】王昆、何小柏、汪信远 主编；机械设计课程设计；高等教育出版社【5】高大伟 主编；数控系统；化学工业出版社2005【6】黄英 等主编；画法几何及机械制图；高等教育出版社22