X-Y数控机床工作台设计.docx
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1、数控机床课程设计说明书设计题目:X-Y数控机床工作台设计学 院:机械工程学院专 业:机械工程数控技术方向班 级:机械Y138班学 号:7266姓 名:李强指导老师:李冰2016年6月19日丝 杠滚道公称直径4)25螺距p5钢球直径4偏心距滚道曲率半径eq4 = (0.51 0.56)。”. = 1.682(取)e = (/; -)sina = 0.067丝杆丝杠外径4丝杠底径d2螺杆接触直 径dzd. = dw cos p = 17.75丝杠螺母螺母螺纹外 径DD - d()2e + 2r = 28.23螺母内径(内循 环)D= d0 + (0.2 0.5)。”. = 25.635 (取)(4
2、)、传动效率的计算查机床设计手册P425可得,当丝杆直径d二25nlm, P=5nim,丝杠的螺旋升 角为A二arctan(P4),代入数据得九二3.64将摩擦角。二10 ,代入 9 =tanA /lan(7也),得传动效率n二%。(5)、刚度的校验X-Y工作台上下两层滚珠丝杠副的支承均采用“一端固定端游动”的 轴承配置形式。可知这种安装适用于较高精度、中等载荷的丝杠,一端采用深沟 球轴承,一端采用一对背对背角接触球轴承,这样能承受集中力偶。丝杠螺母的刚度的验算可以用接触量来校核。 a、滚珠丝杠滚道间的接触变形量6,查机械设计手册2卷P1577的相关公 式,根据公式Z二萼求得单圈滚珠数Z =
3、25;该型号丝杠为双螺母,圈数为4, 列数为2,代入公式工总二ZX圈数义列数,得滚珠总数量Z总二200。丝杠预紧时, 取轴向预紧力与二号二竽 二 854N。查机械设计手册中相关公式,得,滚 珠与螺纹滚道间接触变形Q = 产3%“ =0.001193因为丝杠有预紧力,且为轴向负载的1/3,所以实际变形量可以减少一半,取。 Q = 0.0006 ob、丝杠在工作载荷山作用下的抗拉压变形&丝杠采用的是一端采用深沟球轴承,一端采用一对背对背角接触球轴承的配置形 式,轴承的中心距a=500mm,钢的弹性模量E=x5,由表一中可知,滚珠直径人二, 丝杠底径为二,则丝杠的截面积Sd4二353mm2,由机电一
4、体化系统课程设 计指导书(尹志强.北京:机械工业出版)中,式3-35代人以上数据,得当二则Gr, =G,+02 = 0.0006 + 0.0172 = 0.0178 nvn本例中,丝杠的有效行程取300mm,由机床设计手册(李洪.北京:辽宁科 学技术出版社,1999)中知,5级精度滚珠丝杠有效行程小于315mm时,行程偏 差允许达到,可见丝杠刚度足够。(6)、稳定性的验算根据机床设计手册(李洪.北京:辽宁科学技术出版社,1999)中必= 34x1(严警4 = 41.22式中4丝杠公称直径,m ;2一滚珠丝杠直径,?;4一丝杠最大受压长度m , 3X300mm ;力一丝杠支撑方式系数,由于为一端
5、固定,一端游动,故/二2.0;所以t/2 =25-1.2x3.175 =21.19/2/HFer = 3.4x 10 2x0.吧94 = 43260 N ”0.32因为 (”143260 N远大于Q=11932 N,故不会失稳,满足使用要求。(7)、临界转速的验算对于丝杠有可能发生共振,需验算其临界转速,不会发生共振的最高转速 为临界转速%,由数控机床系统设计(文怀兴、夏田北京:北京化工出版 社,第二版.)中P100式5T0得:= 25-1.2 x 3.175 = 21.19/?ne = 。:其中 痣一丝杠公称直径,加;2一滚珠丝杠直径,加;L,为临界转速计算长度m , Lc = 300mm人
6、为丝杠支承方式系数力=3.927 (一端固定,一端游动)带入数据得! = 10551 r/niin大于丝杠所需转速% = 80min ,故不会发生共振。(8)、滚珠丝杠的选型及安装连接尺寸的确定由以上验算可知,选用GDM2505型的丝杠,完全符合满足所需要求,故确 定选用该型号。由表一可知丝杠所需的安装连接尺寸。4、步进电机的传动计算及电动机的选用(1)、传动计算根据设计任务要求,机床加工精度为士,由于初定方案中传动部件为联轴器, 传动比例为1,并且丝杆螺距已知为t=5nim。查机械设计数控系统P111可得,选用脉冲当量为5 =0,01/72/77/Hz所以代入数据得步距角为a二陋二36,x,
7、01 = 0 52。it 1x5(2)、步进电机的计算及选型、步进电动机转轴上的总转动惯量的计算。总转动惯量J主要包括电动机转子的转动惯量、滚珠丝杠上一级移动部件等 折算到电动机轴上的转动惯量。I、滚珠丝杠的转动惯量J由数控机床系统设计P123查得:,=0.7704Lx102式中D为丝杠公称直径D二25nlmL为丝杠长度二有效行程+螺母长度+设计余量+两端支撑长度(轴承宽度+锁紧 螺母宽度+裕量)+动力输入连接长度(如果使用联轴器则大致是联轴器长度的一 半+裕量)=300+60+20+80+40=500mm代入数据得4 =L5xl04g/II、滚珠丝杠上一级移动部件等折算到电动机轴上的转动惯量
8、由数控机床系统设计P123查得,A=O2Mx10-62 71其中M为工作台的(包括工件)的质量M二G/=, S为丝杠螺距S=5mm代入数据,得:J = 5.17x1O-5*/m2III、初选常州宝马前杨电机电器有限公司的90YG5502型混合式步进电动机, 可知其转子的转动惯量人=4x10-4必根2所以(= 4 + ./2 + Jy = 6.017 X10-4验算惯量匹配,电动机轴向惯量比值应控制在一定的范围内,既不应太大也 不应太小,即伺服系统的动态特性取决于负载特性。为使该系统惯量达到较合 理的配合,一般比值人/(控制在1/4T之间,代人计算得人/(= 0.66由此可见:八&符合惯量匹配要
9、求。、步进电机转轴上的等效负载转矩M的计算。i.承受的负载转矩在不同工况下是不同的,考虑最大切削负载时电动机所需 力矩,由数控机床系统设计P122表5-5得:M=/+ % +也+%a.其中加速力矩 0 9.67其中:Jr为折算到电动机轴上的总惯量,r = Jd=5.17xl()Ag/T系统时间常数,由任务书知为T二,n切削时的转速为1500r/min ,得:叫,二0.02小b.摩擦力矩M/.2rq i其中:F0为导轨摩擦力外=(E,+ G ,其中“为滚动导轨的摩擦系数,取值为,代入数值计算得:益=8.415N, S为丝杠螺距S=5mm , i为齿轮降速比,已 计算出为1 , n为传动链总效率,
10、n=,取代入数据得:= O.OO87V/n2c.附加摩擦力矩“=3苴(1_%2)x10-32兀甲其中:死由为最大轴向载荷,入max二工=及56 N九滚珠丝杠未预紧时的效率,九二2,其余数据同上代入数据得:Mo=O.21N /r qd.切削力矩M,二Xi。- 2n)i其中:进给方向的最大切削力E = K=2556N其余参数同上。代入数据得:M=2.5NJ由此都得到等效负载转矩M=h+吃+ M, + M =2.738N加i i .快速空载时电动机所需力矩M由数控机床系统设计P122查得:“2=+a.其中加速力矩:二茎黄其中max = 1500min其余参数同上代入数据得:Manvax = 0.02
11、 Nn2b.摩擦力矩M ,同上,其中:U为导轨副的摩擦因数,滑动导轨取心其余参数同上。代入数据得:Mf = 0.004Nm2c.附加摩擦力矩:M同上其余参数同上代入数据得:M = 0.21N /所以可知快速空载时电机所需力矩:忆二+M, =0.234NP比较必和M2,取其较大者,就是最大等效负载,即:M=M=2.738N小、步进电动机的初选考虑到步进电机的驱动电源受电网的影响较大,当输入电压降低时,其输入 转矩也会下降,可能会造成丢步,甚至堵转,因此按最大等效负载M考虑一定的 安全系数入,取入二,则步进电机的最大静转矩应满足:7;. nax =A M = 2.5x2.738 = 6.8N2由所
12、选的电机型号参数可知,最大转矩7;m”=7N 根2,可知所选电动机型号 刚好适合。参数如下:、步进电动机的性能校核1)、最快工进速度时电动机时输出转矩校核任务书给定工作台最快工进速度%ax/二锹,选脉冲当量。二, 由式求出电动机对应的运行频率/maxr领/(60x0.01)=666.7z O从86BYG350CL-SAKSHL-0601型混合式步进电动机出卖商家信息可知在此频 率下,在此频率下,电动机的输出转矩Mm应=4Nm,大于最大工作负载转矩 M = 2.738Nm,满足要求。2)、最快空载移动时电动机输出转矩校核任务书给定工作台最快空载移动速度a、= 3X)0,求出电动机对应的 运行频率
13、为 /max/= 3000 /(60x0,01) -5000 Hz o在此频率下,电动机的输出转矩大约为ax/=6Nm,大于快速空载起动时的负载转矩心=0.093 Nz,满足要求3)、最快空载移动时电动机运行频率校核与快速空载移动速度hGOOOmm/min对应的电动机运行频率为人” =5000 ”z。由86BYG350CL-SAKSHL-0601型混合式步进电动机出卖商家信息可知在此频率下 的空载运行频率可达15000Hz ,可见没有超出上限。4)、启动频率的校核已知电动机转轴上的总转动惯量。电动机转子的转动惯量/=4&gc/ ,电动机转轴不带任何负载时的空载起动频率& = 2200z o可以
14、求出步进电动机 克服惯性负载的起动频率,要想保证步进电动机起动时不失步,任何时候的起动 频率都必须小于800Hz。实际上,在采用软件升降频好时,起动频率选的更低, 通常只有100Hz (即100脉冲/s) o5滑动导轨的设计计算(1)工作载荷的计算工作载荷是影响导轨副寿命的重要因素,对于水平布置的十字工作台多采用 双导轨、四滑块的支承形式。考虑最不利的情况,即垂直于台面的工作载荷全部由一个滑块承担,则单滑块所承受的最大垂直方向载荷为:工1a6其中,移动部件重量G=800N,则4w = g +丹=1016N6(2)小时额定工作寿命的计算预期工作台的工作寿命为4年,取工作时间为300天,每天工作8
15、小时,因 此得到小时额定工作寿命=4 x 300 x 8 = 9600/7(3)距离额定寿命计算,由公式L =2噌%,从而得到人10式中:4为小时额定工作寿命。n为移动件每分钟往复次数(46)取5, S为移动件行程长度,由加工范围为 250mm x 250几取 300mm代入数据得:L = 72Skm .(4)额定动载荷计算由公式L = 6.25(%)3,Fa延从而得到:Ca,式中:Ca为额定动载荷L为距离工作寿命,由上式可知为1728kmF为滑块的工作载荷,由上式可知为1016N代入数据得:Ca=6604N(5)产品选型根据额定动载荷,选择滚动导轨,查滚动导轨生产厂家,烟台同升科技发展 有限
16、公司的EGW 15cA型,相关数据如下可知额定动载荷为,大于6604N,所以满足要求。三、其余部件的选择联轴器的选择挠性联轴器结构比较简单,制造容易,具有较强的抗油性及耐腐蚀,即使 承受负载时也无回转间隙,具有较强的适应性,适用于安装底座刚性好,精度要 求高,冲击载荷不大,的小功率轴系传动,根据电机及丝杠的参数,选用沧州天 硕联轴器有限公司的TS2-30-1412型挠性联轴器。轴承的选择由于丝杠直径为25mg其与轴承连接处直径为20mm,根据国标GB,选用单 列角接触球轴承70204AC型,根据国标GB选用6204型深沟球轴承四、控制系统的设计根据任务书的要求,设计控制系统的时主要考虑以下功能
17、: 接受操作面板的开关与按钮信息;接受限位开关信号;控制X, Y向步进电动机的驱动器;与PC机的串行通信。CPU选用MCS-51系列的8位单片机AT89S52,采用8279,和W27C512, 6264 芯片做为I/O和存储器扩展芯片。W27c512用做程序存储器,存放监控程序;6264 用来扩展AT89S52的RAM存储器存放调试和运行的加工程序;8279用做键盘和 LED显示器借口,键盘主要是输入工作台方向,LED显示器显示当前工作台坐标 值;系统具有超程报警功能,并有越位开关和报警灯;其他辅助电路有复位电路, 时钟电路,越位报警指示电路。1、进给控制系统原理框图设计任务设计一套供立式数控
18、铳床使用的X-Y数控工作台,主要参数如下:1、立铳刀最大直径的dn5mm;立铳刀齿数Z=3;最大铳削宽度4二15 ; 最大背吃刀量册二8 ;加工材料为碳素钢或有色金属。2、X、Z方向的定位精度均为土。3、工作台面尺寸为23() x 230,加工范围为25() x 250mm4、工作台空载进给最快移动速度:匕max = Vymax = 3000/ 1】血,工作台进给最快移动速度:匕max 二匕max=400 /1慌口 ,加减速。摘要本设计是在数控机床工作原理之上设计一台简单的、经济型的X-Y数控工 作台。设计任务是完全围绕数控机床工作原理而展开的,本设计充分体现了机械 零部件之间的连接、装配关系
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- 关 键 词:
- 数控机床 工作台 设计
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