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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、（二） 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：（钻床资料来产品图片及相关参数见下图： 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
8、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。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
9、由于不存在位置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。
10、数控XY工作台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
11、轨、滚动导轨和静压导轨的特点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
12、轨 机床上使用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
13、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
14、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，齿差调隙式。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、 丝杠和电机连续零件的选取思路 滚珠丝杠与伺服电机连接方式有联轴器连接，皮带连接，齿轮连接。大部分是使用联轴器连接。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
15、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、支承座材料的选取选45号钢作为支承座材料，45号钢广泛用于机械制造，这种钢的机械性能很好。10、轴承类型的选取思路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，丝杠支撑端可选用深沟球轴承支承，固定端可以选用角接触球轴承。这样既保证了轴向载荷，又保证了径向载荷。（二） 、机械部分改装设计与计算机械部分设计的内容包括：滚珠丝杠的设计计算及选择、滚动导轨的设计计算及先择，步进电动机的设计计算及先择，联轴器的选择，轴承座的选择，
16、并通CAD设计其导轨座的外形，计算选取适当的尺寸，另外也作了装配图，适于所设计工作台的安装。其中各部分的计算及选择如下所示：设计计算与说明结果1、确定工作台的尺寸及重量 根据设计要求，所取的能够加工的最大面积为，最大工件的重量为，考虑装夹实际情况，每边预留装夹尺寸30mm。因此我初定工作台的。工作台的材料为号钢，其密度为。（取）因此： 工作台重量=体积密度工作台的体积:V=ABH=30030025=2250000=2250工作台的质量：=V=7.852250=17.6625kg2、支承座参数设计 根据工作台的行程确定支承座的长度 ，因为工作台行程初选为工作台长度的两倍，在加上其他的一些安装尺寸
17、等，导轨座长宽高分别设为 abc， 所以分别取a=620mm, b=220mm, c=60mm但导轨座中间有一大空缺，空缺部分大约4105560mm3。因此按保守法算得导轨座 X向托板尺寸取为30030025mm3,X向托板体积V4=2250则m4= 7.852250=17.6625kg,取Y向托板等于X向托板， m5= m4=17.6625kg 最低的那根丝杠以上的所有质量为：预估工作台上的夹具的质量：=15kg又知工件质量=200kg，所以=m1+m2+m3+m4+ m5+m=53.205+15+200+17.6625+17.6625=321.1925kg考虑到其他因素，再把扩大到330k
18、g，即=350kg支撑方式简图如下：支撑侧选用BF12http:/www.dg-固定侧选用BK12http:/www.dg-3、滚珠丝杠参数计算与选型滚珠丝杠的设计计算及选择 由于钻床切削时产生的轴向切削力很小并且工作台是点位系统，滚珠丝杠运动与静止时都不受由于切削而引起的轴向阻力，故切削力可忽略不计。因此滚珠丝杠的负荷只有运动部件的重量所引起的摩擦阻力。 3.1求丝杠的静载荷已知其计算公式：由于工作台在工作过程中无冲击、平稳运转,则各系数取值如下： ：载荷系数，取1.1 ：硬度系数，取1.0 ：精度系数，取1.0（精度等级C、D） ：丝杠工作时的轴向阻力根据：其中为导轨的摩擦因数(查数控机床
19、系统设计) 。因此：3.2、确定动载荷及其使用寿命根据丝杠动载荷公式： =式中：初步计算的额定动载荷 ：丝杠的最高转速 ：使用寿命 FC：静载荷根据： T=h所以： 根据选择滚珠丝杠副，按滚珠丝杠副的额定运动载荷大于等于的原则：在网上查到：http:/www.tj-同时考虑到各种因素选用的丝杠参数如下：型号：SFIO1605-4丝杠轴尺寸：名义外径d=16mm导程：5mm基本动载荷640kgf=6272N 1千克力（kgf）=9.81牛（N）基本静载荷1340kgf=13132N因为=6272N=390.4149N 所以SFIO1604-4合格4、滚动导轨参数计算与选型滚动导轨副的结构介绍滚动
20、直线导轨副是由导轨、滑块、钢球、返向器、保持架、密封端盖及挡板等组成，如图：已知作用在导轨副上的压力g3509.8=3430N导轨工作寿命：36524=43800h单向行程长度：0.62m往复次数取：n=6次分导轨行程长度系数： n438000.626/ =325.872KM因为钻床的切削力大概是工作台重量的1.2倍，所以 N因活座数m=4所以每根导轨上使用个活座，则 = =909.4278N根据公式6.25，有=F(Ts/6.25)1/3得：= =3397.4826 N3.398KN根据其中JSA-LG20KL型号的导轨的=13.6KN,能满足5年的使用要求，所以选用JSA-LG20KL型号
21、的滚动直线导轨。5、步进电机的选型及计算1）确定脉冲当量，初选步进电机脉冲当量是一个进给指令时工作台的位移量，应该小于等于工作台的位置精度,对于开环系统脉冲当量一般为0.0050.01mm。又已知是用联轴器连接电机主轴和丝杠，所以传动比=1。又丝杠导程P为5mm。脉冲当量取0.01mm。根据公式计算步距角 与标准值相同，即=2)计算系统转动惯量 计算转动惯量的目的是选择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=3.1kg其中是丝杠密度（kg/ ），取7.8 kg/ ；d是丝杠的等效直径(m),取0.016m; l是丝杠的长度0.62m。 工作台、工件、夹具、支承座等等折
22、算到电动机轴上的转动惯量，可由下述公式求取： =M总=350=2.216510-4kgM总总的质量，kgP为丝杠导程，mm电机轴上的总当量负载转动惯量=2.526510-4 kg3） 空载启动时，电动机轴上的惯性转矩： =2.5265=0.1905Nm其中，为电机加减速时间（=0.1s）；P-丝杠导程（m）；Vmax为工作台快进速度（=3.6m/min，换算为m/s）；为传动比电动机轴上的当量摩擦转矩（工作台及工件重量引起）= = M总g= 3509.80.004=0.0136Nm 其中，P-丝杠导程（m）；为传动比伺服传动链的总效率取为=0.8设滚动丝杠螺母副的预紧力为最大轴向载荷的1/3，
23、则因丝杠副预紧力而引起的电动机轴上的附加摩擦转矩为：=（1）=（1）=0.864310-3Nm其中，是滚珠丝杠螺母副未预紧时的传动效率。=0.9于是空载启动时电动机轴上的最大静转矩为：=0.19050.01360.864310-3=0.2050Nm所选取步进电机的最大静转矩TS需满足： = =0.2367Nm所以根据：http:/www.bm- 最后我初步选定步距角为0.72度的型号为90BYG5502的步进电动机，其最大静转矩为5.0Nm0.2367Nm。其外形结构及尺寸如下图所示： 对电机进行惯量匹配验算,即所选电机的转动惯量应满足下式1 已知所选电机Jm=4Kg.cm2，又J总=2.52
24、6510-4 kg=2.5265Kg.cm2则，= 0.6316，满足1，说明惯量匹配合理。电机的最大运行频率f的确定及验算由 HZ,故满足要求。根据下图右下角中90BYG5502的矩频特性曲线：6、 联轴器的选择 常用联轴器大多已标准化或规格化，一般情况下只需正确选择联轴器的类型、确定联轴器的型号及尺寸。必要时，可对其易损的薄弱环节进行负荷能力的校核计算，转速高时，还应验算其外缘的离心应力和弹性元件的变形，进行平衡检验等。1、联轴器类型的选择选择联轴器类型时，应考虑：(1)所需传递转矩的大小和性质，对缓冲、减振功能的要求以及是否可能发生共振等。(2)由制造和装配误差、轴受载和热膨胀变形以及部
25、件之间的相对运动等引起两轴轴线的相对位移程度。(3)许用的外形尺寸和安装方法，为了便于装配、调整和维修所必需的操作空间。对于大型的联轴器，应能在轴不需作轴向移动的条件下实现装拆。此外，还应考虑工作环境、使用寿命以及润滑和密封和经济性等条件，再参考各类联轴器特性，选择一种合用的联轴器类型。2、联轴器型号、尺寸的确定 （1）计算联轴器的计算扭矩，其中为工作功率，n电机转速，均可从电机铭牌读取，有 =9550=9550=57.3Nm 又丝杆端部直径10mm电机轴直径14mm，依据初选联轴器型号XLS2 其公称转矩70Nm 57.3Nm ,满足使用情况。四、设计总结回首设计最初，那时候感觉很难，没有一
26、点的思路。于是利用了一天左右的时间仔细研读数控X、Y工作台的主要构成以及老师给的设计参考格式，我慢慢的有点思路了，不过进度很慢啊,因为要找的资料很难找到，又要去图书馆找书查某些参数，又要上网找合适的零件等等。经过两个星期的努力，终于完成了钻床数控X-Y工作台的设计。在这次亲自的设计中，我学会了很多东西，比如：将平时所学的知识运用与实际的设计当中，达到了理论与实际相结合的效果，使自己的知识得到巩固和提高，会了如何查阅相关资料，也学会了如何使用CAD这个画图工具。学会了跟同学互相讨论、共同提高的能力，同时也明白了平时应该努力学习，要不然到做设计的时候会吃力。不管怎么样，经过这次课程设计，我受益匪浅
27、，为以后的毕业设计打下了基础。在此感谢帮助我的同学和老师，这次课程设计的完成，尤其离不开老师不厌其烦的指导、帮助。最后由于本人水平有限，所以设计过程有许多的不足，恳请吴老师批评指正。通过本次设计，逐步培养了理论联系实际以及分析和解决工程实际问题的才能，并使所学的知识得到进一步巩固、深化和扩展。同时也使我认识到了耐心和细心的重要性。五、参考文献 【1】机械设计实用手册机械设计实用手册编委会，作者王少怀，徐东安，高红霞等14人：机械工业出版社 2008.4 【2】机械零部件手册吴宗泽，余梦生 主编，北京:机械工业出版社 1996.6 【3】机械制造装备设计大连理工大学冯辛安 主编，北京：机械工业出
28、版社 1999.12 【4】机械设计基础（第五版）杨可桢、程光蕴、李仲生 主编， 北京： 高等教育出版社 2006.5 【5】数控技术基础杨继昌，李金伴 主编， 北京 ：化学工业出版社 2005.5.H=25mmV=2250 m=17.6625kga=620mm, b=220mm, c=60mm=8.184103=53.205kgm5=17.6625kgm5=m4=15kg=200kg=350kgFM=13.72N=0.004FC=15.092N=110r/mind=16mm5mm=6272N=13132N3430N43800h0.62m325.872KMF1207.711N909.4278N3.398KN=1=0.01mm=.=kg=2.526510-4 kg=0.1905Nm=0.0136Nm=0.8 = 0.864310-3Nm=0.9=0.2050 Nm 0.2367Nm转动轴的直径为14mm1Jm=4Kg.cm2J总.=2.5265Kg.cm20.631630
