[工学]广西科技大学数控机床课程设计钻床数控改装用数控XY工作台设计.doc
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1、广西科技大学(筹)课程设计说明书 广西科技大学(筹)课程设计说明书 设计题目 钻床数控改装用数控XY工作台设计 系 别 职 教 院 专业班级 机自? 学生姓名 ? 学 号 2010022010? 指导教师 吴 汉 夫 日 期 2012/12/14 目 录 目录.1 摘要.2一、 设计目的.3二、 设计要求.3三、 设计的内容和步骤(一)总体设计方案.31设计机构的性能要求.32待改装钻床型号的确定.43控制方式的确定.54伺服系统的确定.65工作台参数的初步确定.76导轨的选型思路.77滚珠丝杠选型思路.88丝杠和电机连续零件的选取思路.109支承座材料的选取.1010轴承类型的选取思路.10
2、(2) 机械部分改装设计与计算 1确定工作台的尺寸及其重量.122支承座参数设计.123滚珠丝杠参数计算与选型.174滚动导轨参数计算与选型.205步进电机参数计算与选型.226联轴器的选择.27四、 设计总结.28五、 参考文献.29 摘要数控XY工作台具有自动化程度高的特点。将钻床进行数控改造可以提高机床的使用性能,降低生产成本,用较少的资金投入而得到较高的机床性能和较大的经济效益。本次设计主要对数控XY工作台的机械部分进行设计,对滚珠丝杠,滚动导轨及步进电动机做了设计计算并选型,对相关支撑部件和连接部件进行了分析计算和选型改造。另外,零件图和装配图利用AutoCAD 绘制完成。 本次设计
3、我主要针对以下几个方面进行设计计算:工作台总重量的估算。滚珠丝杠的相关计算与选型。通过对滚珠丝杠的动载荷及静载荷的计算,确定所要丝杠的动静载荷值,并据此选型。滚动导轨的相关计算与选型。分别计算滚动导轨的动载荷及其工作寿命来确定滚动导轨的参数,并据此选型。 步进电动机的相关计算和选型。我分别作了其转动惯量和转动力矩的计算,根据所得的数据作步进电动机进行选型。同时对其进行了惯量验算和最大运行频率验算。最后设计出了如装配图所示的XY工作台。 关键字:XY工作台 步进电动机 滚动导轨 滚珠丝杠一、 设计目的数控机床课程设计是一个重要的实践性教学环节,要求学生综合的运用所学的理论知识,独立进行的设计训练
4、,本次设计的主要目的: 1、 通过本次设计,能够全面地、系统地了解和掌握数控机床的基本内容和基本知识,初步掌握数控机床系统设计方法,并能学会运用手册、标准等技术资料 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的工作原理、设计计算及选用的方式 3、 通过对机械系统的设计,掌握常用伺服电机的工作原理、计算控制方法与控制驱动方式 4、 培养相应的创新意识、工程意识和动手能力 5、 锻炼提高学生设计能力,为毕业设计打好基础。二、设计要求改造后的钻床能够加工最大面积为Amm*Bmm的工件,最大工件重量200kg;数控XY工作台要求孔的定位精度在0.02mm内,快进速度为3.6m/min,
5、加减速时间为0.1秒。注:A和B的推荐取值范围为180-250mm,本次设计题目A和B的数值均为240。三、设计的内容和步骤(一)总体设计方案1、设计机构的性能要求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
6、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.待改装钻床型号的确定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,
7、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Z5140B钻床是本设计要改装的机床:(钻床资料来http:/ 3、控制方式的确定数控系统按运动方式可分为点位控制系统,点位直线系统,连续控制系统。如果工件相对于刀具移动过程中不进行切削,数控钻床在工作台移动过程中钻头并不进行钻孔加工,可选用点位控制方式。数控钻床在工作台移动过程中钻头并不进行钻孔加工, 对点位系统的要求是快速定位,保证定位精度。4、伺服系统的确定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
8、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。开环控制的伺服系统存在着控制精度不能达到较高水平的基本问题 但是步进电机具有角位移与输入脉冲的严格对应关系。使步距误差不会积累;转速和输入脉冲频率严格的对应关系,而且在负载能力范围内不受电流、电压、负载大小、环境条件的波动而变化的特点。并且步进电机控制的开环系统由于不存在位置
9、检测与反馈控制的问题结构比较简单,易于控制系统的实现与调试。并且随着电子技术和计算机控制技术的发展。在改善步进电机控制性能方面也取得了可喜的发展。因此,在一定范围内,这种采用步进电机作为驱动执行元件的开环伺服系统可以满足加工要求。适宜于在精度要求不很高的一般数控系统中应用。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。选用步进电机开环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。图形如下 :5、工作台参数的初步选定在老师给定的参数中,我选钻床能够加工的最大面积为240240,最大工件重量200kg。数控XY工作台
10、要求孔的定位精度在内,工作台快进速度为3.6m/min,加减速时间为0.1秒。6、 导轨的选型思路 导轨性能的好坏,直接影响机床的加工精度、承载能力和使用性能。所以,导轨要满足以下基本要求:结构简单,有良好的导向精度、精度保持性、低速运动平稳性和工艺性好。导轨作为进给系统的重要环节,不同类型的机床,对导轨的要求也不同。数控机床的导轨比普通机床的导轨要求要高:高速进给时不发生震动,低速进给时不出现爬行现象,灵敏度高,耐磨性好,可在长期重载下连续工作,精度保持性好等。机床用户选用机床时,根据自身情况针对以上要求选择机床导轨。机床常见的导轨形式有滑动导轨、滚动导轨和静压导轨。一、滑动导轨、滚动导轨和
11、静压导轨的特点1滑动导轨 滑动导轨具有结构简单、制造方便、刚度好、抗震性强等优点,在一般的机床上应用最为广泛,常由铸铁件或镶钢导轨制成。为了提高导轨的耐磨性和精度,一般对导轨表面进行淬火,然后磨削加工。2滚动导轨 滚动导轨是在导轨工作面之间安装滚动体,滚动体可以滚珠、滚柱和滚针,与导轨之间的接触为点接触或者线接触,所以,导轨的摩擦系数就小。动静摩擦系数基本相同,启动阻力小,低速运动平稳性好,定位精度高,微量位移准确,磨损小,精度保持性好,寿命长。其缺点是抗震性差,对防护要求高。滚动导轨尤其是直线滚动导轨,近年来被大量采用,随着数控机床往高速化发展,线性导轨应用越来越广泛。3液压导轨 机床上使用
12、的液压导轨主要是静压导轨。静压导轨通常在两个相对运动的导轨面间通入压力油,使运动件浮起。油压能随着外加负载的变化而自动调节,以保证导轨面间始终处于纯液体的摩擦状态,所以,以静压导轨的摩擦系数最小,功率消耗小。这种导轨不易磨损,导轨的精度保持性好,寿命长。它的油膜厚度几乎不受速度的影响。油膜承载能力大、钢度高吸震性好,运行平稳,无爬行现象。静压导轨结构复杂,并需要过滤效果良好的液压装置,制造成本高。综上所述,要设计数控铣床工作台,需要承受的载荷不大,而且脉冲当量小,定位精度高,因此选用直线滚动导轨副。7、滚珠丝杠选型思路 (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
13、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
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