数控十字工作台毕业设计

数控十字工作台毕业设计内容摘要：

100 ㎜； (3)快速定位速度 1000 ㎜ /min；进给速度 50~100 ㎜ /min； (4)加速度 ； (5)切削力约 100N； (6)工件夹具约 25 ㎏ ； 加工材料为碳钢 工作台台面尺寸 230mm 230mm X、 Y 方向定位精度 XY 方向的脉冲当量均为 黄河科技学院毕业设计说明书 第 6 页 工作台的外形尺寸 根据工作台面尺寸和加工范围。 磨齿 工作台外观图 大致 如下 ： 图 2． 1 磨齿工作台外观图 X 方向工作台尺寸的确定： X 向托板（上托板）的尺寸：长宽高 上导轨（ X 向） 取动 导轨长度 动导轨行程 支承导轨长度 Y 方向工作台尺寸的确定： Y 向托板（下托板）的尺寸：长宽高 600mm 230mm 30mm 下 导轨（ Y 向） 取动导轨长度 250BL mm mmmm 50230mm230 mmlB 230mml 250mm l l L B 480    黄河科技学院毕业设计说明书 第 7 页 动导轨行程 100l mm 支承导轨长度 350bL l l mm   机械传动部件的选择 导轨副的选用 要设计数控工作台，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，它具有摩擦系数小，不易爬行，传动效率高，结构紧，安装预紧方便等优点。 丝杠螺母副的选用 伺服电动机的旋转运动需要通过丝杠螺母副转换成直线运动，需要满足 冲当量和  mm 的定位精度，只有选用滚珠丝杆副才能达到要求，滚珠丝杆副的传动精度高、动态响应快、运转平稳、寿 命长、效率高、预紧后可消除反向间隙。 伺服电动机的选用 任务书规定的脉冲当量尚未达到 ，定位精度也未达到微米级，空载最快移动速度也只有因此 1000mm/min，故本设计不必采用高档次的 伺服 电动机，因此可以选用混合式步进电动机。 以降低成本，提高性价比。 控制系统 的选用 选用步进电动机作为伺服电动机后，可选开环控制，也可选闭环控制。 设计参数所给的精度对于步进电动机来说 尚可以达到 ，决定采用 开 环控制， 以降低成本。 考虑到 X、 Y 两个方向的加工范围不是很大 ，承受的工作载荷相差 也 不大，为了减少设计工作量， X、 Y 两个坐标的导轨副、丝杠螺母副、减速装置、伺服电动机拟采用相同的型号与规格。 控制系统的设计 1）设计的 XY 工作台准备用在 磨床上，其控制系统应该具有单坐标定位 ，所以控制系统设计成连续控制型。 2）对于步进电动机的 开 环控制，选用 S7200PLC 作为控制系统的 CPU，能够满足 相关指标。 3）要设计一台完整的控制系统，在选择 CPU 之后，还要扩展程序存储器， 便于 黄河科技学院毕业设计说明书 第 8 页 存储编写程序。 4）选择合适的驱动电源，与步进电动机配套使用。 系统总体框图 图 2． 2 系统总体框图 黄河科技学院毕业设计说明书 第 9 页 3 机械设计部分 工作台重量初步估算 重量估计： W 下 = 夹具及工件重量： XY 工作台运动部分重量： 磨 削力的计算 根据已知的数据可知，磨床使用碗形砂轮 D=200mm，转速为 1400r/min，磨床的额定功率为 3KW,带传动的机械效率η =， 计算砂轮的磨削力。 砂轮转速 n=1400 =1152 r/min 根据公式 可知，代入 数值 V= 由 P=FV可知 计算工作时砂轮对于工作台的纵向力 ，和横向力 由 图 32 可知 XW 23   黄河科技学院毕业设计说明书 第 10 页 图 3． 1 受力分析图 滚动导轨的选用 导轨长度： 在工作台外形尺寸初步估算中我们得到 X 方向导轨长度为 480mm， Y方向导轨长度为 350mm。 考虑到工作行程应该留有一定余量，选取导轨的长度均为600mm 此时工作台的重量如下： 导轨工作负载计算 导轨基本额定动负载的计算 ： 根 据以上数据，选择 由济宁博特公司生产 KL 系列的 JSALG15 型 导轨副，其参数如下 ： 表 3． 1 导轨副参数 型号 滑块尺寸 额定载荷 /KN 额定静力矩 /() C1 C2 L1 L2 L3 M1 Ca C0a MA MB MC JSALG15 38 65 30 6 M5 55 55 88 黄河科技学院毕业设计说明书 第 11 页 块承受工作载荷 maxF 的计算 工作载荷是影响直线滚动导轨副使用寿命的重要因素。 本例中的 XY 工作台为水平布置，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，则单滑块所受的最大垂直方向载荷为： max GFF4 （ 31） 其中，移动部件重 量Ｇ＝ ，外加载荷 ，代上式，得最大工作载荷 maxF ==。 距离额定寿命 L的计算 上述所取的 KL 系列 JSALG15 系列导轨副的滚道硬度为 60HRC，工作温度不超过 100 C，每根导轨上配有两只滑块，精度为 4 级，工作速度较低，载荷不大。 分别取硬度系数 fH =，温度系数 fT =，接触系数 fc =，精度系数 fR =，载荷系数fw =，代入式（ 333），得距离寿命： L=( H T C RWf f f ffmaxaCF )3 50≈ 48965 Km 大于期望值 50Km， 故距离额定寿命满足要求。 滚珠丝杠的计算和选择 滚珠丝杠的负荷包括 钻削力和 铣削力及运动部件 的重量所引起的进给抗力。 应按铣削时的情况计算。 型号 装配后 组合尺寸 导轨尺寸 滑块尺寸 H W B H1 I F L0max dDh1 B1 K T T1 JSALG15 24 16 15 20 60 1500 47 7 11 黄河科技学院毕业设计说明书 第 12 页 最大工作载荷 Fm的计算 在立铣时，工作台受到进给方向的载荷（与丝杠轴线平行） xF =,受到横向载荷（与丝杠轴线垂直）yF=，受到垂直方向的载荷（与工作台面垂直） zF =. 已知移动部件总重量 G=644N，按矩形导轨进行计算，取颠覆力矩影响系数 K=，滚动导轨上的摩擦系 数  =。 求得滚珠丝杠副的最大工作载荷 : 最大动工作载荷 FQ的计算 设工作台在承受最大铣削力时的最快进给速度 v=1000mm/min，初选丝杠导程Ph=5mm,则此时丝杠转速 n=v/Ph=100r/min。 取滚珠丝杠的使用寿命 T=15000h,代入公式 0 66010nTL  （ 32） 得丝杠寿命系数 LO=180（单位为： 106r）。 取载荷系数 Wf =,滚道硬度为 60HRC 时，取硬度系数 Hf =,代入 下 式，求得最大动载荷： FQ= 3 0 W H mL f f F ≈ N 型号的选择与校核 规格型号的初选 根据计算出的最大动载荷和初选的丝杠导程，查网上生产该型号的生产厂家的资料， 选择济宁博特精密丝杠制造有限公司生产的 GDM 系列 20203 型滚珠丝杠副，为内循环固定反向器双螺母垫片预紧式滚珠丝杠副，其公称直径为 20mm，导程为 5mm，循环滚珠为 3 圈 2 系列，精度等级取 5 级，额定动载荷为 9309N，大于最大计算动载荷最大动工作载荷 FQ，满足要求。 工作台在钻削加工时受载，滚珠接触面产生变形，即应该考虑滚珠丝杠的额定静载荷 Coa是否充分超过了滚珠丝杠的 最大工作载荷 Fm，一般使 Coa/Fm=2～ 3。 所选丝杠的额定静载荷为 21569 远大于 1779， 杠满足要求。 黄河科技学院毕业设计说明书 第 13 页 表 3． 2 滚珠丝杠螺母副几何参 数 （单位 mm） 名 称 符 号 计算公式和结果 丝杠滚道 公称直径 0d 20 螺距 P 5 接触角  45 钢球直径 wd 螺纹滚道法面半径 R  偏心距 e  螺纹升角  a rc 4 3 3 39。 hwPtg d  丝杆 丝杠外径 1d 丝杠底径 2d 螺杆接触直径 zd c os 17. 75z w bd d d    丝杠螺母 螺母螺纹外径 D 0 2 2 2D d e R    螺母内径（内循环） 1D 传动效率η的计算 将公称直径 d0=20mm,导程 Ph=5mm,代入 0arctanhPd  （ 33） 得丝杠螺旋升角 λ=4176。 33′。 将摩擦角 ψ=10′，代入 tantan( )   （ 34） 得传动效率 η=%。 刚度的验算 XY 工作台上下两层滚珠丝杠副的支承均采用“单推 单推”的方式，丝杠的两端各采用 对推力角接触球轴承，面对面组 配，左、右支承的中心距约为 a=500mm；钢的弹性模量 E=。 滚珠直径 Dw=，丝杠底径 d2=,丝杠截面积 222 4 20 6. 12S d m m。 算得丝杠在工作载荷 Fm作用下产生的拉 /压变形量 黄河科技学院毕业设计说明书 第 14 页 根据公式 0 3WZ d D，求得单圈滚珠数 Z=20；该型号丝杠为单螺母，滚珠的圈数  列数为 3 1，代入公式 Z Z 圈数  列数，得滚珠总数量 Z =60。 丝杠预紧时，取轴向预紧力 YJ mFF /3=。 求得滚珠与螺纹滚 间的接触变形量 2  。 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 2 = 将以上算出的 1 和 2 代入 12  总 ，求得丝杠总变形量（对应跨度 500mm） 总 == m。 本例中，丝杠的有效行程为 330mm，由表 327 知， 5 级精度滚珠丝杠有效行程在315~400mm时，行程偏差允许达到 25um，可见丝杠刚度足够。 压杆稳定性校核 计算 失稳时的临界载荷 FK。 ，取支承系数 kf =1；由丝杠底径 d2= 求得截面惯性矩 42 / 64Id 4mm ； 压杆稳定安全系数 K 取 3（丝杠卧式水平安装）；滚动螺母至轴向固定处的距离 a 取最大值 500mm。 代 入式 22kkF f E I ka 得临界载荷 等于 9343N，远大于工作载荷 故丝杠不会失稳。 综上所述，初选的滚珠丝杠副 满足使用要求。 步进电动机的计算与选型 计算加在步进电动机转轴上的总转动惯量 Jeq 已知：滚珠丝杠的公称直径 d0=20mm，总长 l=554mm，导程 Ph=5mm，材料密度 = 103kg/ 2cm。 移动部件总重力 G=；传动比 i=1。 机械系统各部件的转动惯量可以根据相关公式计算，对于某些传动件（齿轮、丝杠）不容易精确计 算 ， 可以用圆柱体公式进行相似计算。 黄河科技学院毕业设计说明书 第 15 页 22hW PJM 22S LRJ  22Z RJ  b 滚 珠 丝杠 的 转动 惯量 Js= cm2。 拖 板 折 算 到 丝杠 上的 转 动惯 量Jw= cm2。 初选 步进电动机的型号为 90YBG2602,为两相混合式，由常州宝马 前杨电机有限 公司生产，二相八拍驱动时的步距角为 176。 ，查得该型号的电动机转子的转动惯量 Jm=4 kg cm2。 步进电动机的 驱动器选择的是常州伟通机电制造有限公司生产的 MD21 型驱动器，满足。