钻床改装用数控XY工作台设计

目录一、前言—————————————二、课程设计的目的、意义及要求——三、课程设计的内容四、总体方案的确定————————五、机械部分的改装设计（1）初步确定工作台尺寸及其重量（2）计算切削力————————（3）传动系统设计———————（5）滚动导轨参数计算与选型——（7）联轴器的选择———————（8）丝杠支承座的选择—————六、总结—————————————七、参考文献———————————一、前言原机床为普通立式钻床，工作台安装在机床基座上，主轴箱安装在立柱上。加工前需先调整工件在工作台上的位置，使加工孔中心与根据课程设计的要求，可以将原普通立式机床进行XY工作台的数控改造，在保持原机床基本架构不变的情况下，设计一个XY数控工作台安装在原有机床的工作台上。，而且通过编写数控循环加工程序，还可以实现孔的循环钻削，提高了加工精度。二、 课程设计的目的、意义及要求（1）课程设计的目的课程设计是培养我们设计能力的重要实践性教学环节，是综合运用所学的机械、电子、自动控制等知识的基本设计训练。其目的是：1、 通过课程设计，能够正确运用机电一体化的基础知识和相关知识，掌握机电一体化的基本设计思想，初步了解和掌握机电一体化的设计方法，设计方案的分析、拟定及相关计算。2、 通过机械部分的设计，掌握机电一体化系统典型机械零部件和执行元件的计算、选型和结构设计方法和步骤。（2）课程设计的总体要求2、 数控XY工作台机械部分装配图3、 编写的设计说明书不少于20页4、 按时完成布置的设计内容三、课程设计的内容（1）课程设计题目设计一套简易数控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。（2）课程设计要求：1、 改造后的钻床能够加工最大面积为AXBmm2的工件，最大工件重量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加减速时间为0.1秒。四、总体方案的确定（1） 运动方式：由于是将原普通钻床的基础上设计一数控XY工作台，所以设计改造后的机床的运动方式是点位控制。（2） 传动方式：要求采用步进电机控制XY工作台的位置，因此可以采用滚珠丝杠螺母副的传动方式，用联轴器连接步进电机和滚珠丝杠实现传动。（3） 伺服电机的选择要求改造成简易的经济型数控钻床，因此采用开环伺服系统控制，其结构简单，易于调整与维修，且能保证一定精度。4）丝杠、导轨、伺服电机的计算选型。五、机械部分的改装设计机械部分改装设计的内容包括初步确定工作台尺寸及重量，确定系统脉冲当量；滚珠丝杠螺母副的设计计算和选型；滚动导轨的设计计算和选型；步进电机的参数计算和选型；联轴器的选择；丝杠支承座的选择。（1）初步确定工作台尺寸及其重量根据机床能够加工的最大工件尺寸240X260mm2，最大重量200kg。选择工作台上的T型槽底部宽度为18mm，顶部宽度为10mm,底部高度为8mm，T型槽总高为20mm，槽间距为50mm。与T型槽配合的螺栓尺寸：M8,螺栓头宽15mm、高6mm，长度100mm。T型槽参考资料：GB/T158—1996本标准等效采用国际标准ISO—299《机床工作台一T形槽和相应的螺栓》并补充了形T槽不通端型式及尺寸、T形槽用螺母。1、选取工作台尺寸为320X340mm，考虑到对工作台强度及刚度的要求，取工作台厚度为40mm工作台上铣出6条T型槽，这样能够保证在加工最大尺寸工件时，能够用T型槽与螺栓给工件定位。工作台材料取45号钢，表面热处理使其硬度达到要求，密度为7.8g/cm3。所以工作台质量：M=320X340X40X7.8X10_6kg=33.65kg12、 由于工作台XY方向长度差只有20mm,所以上下托板的长度可取相同的尺寸，取上下托板尺寸为280X280mm2,厚度为20mm,材料为45号钢。所以上下托板质量为：上托板质量：M=280X280X20X7.8X10_6kg=12.1kg2下托板质量：M=M=12.1kg323、 导轨座的总长度可以根据工件最大尺寸、步进电机安装所需要的空间和导轨余量进行估算。（上导轨座）X方向导轨长度：L=X方向工件最大尺寸X2+步进电机安装所需空间+导轨余量X所以：L=240X2＋100+120=700mmX（下导轨座）Y方向导轨长度：L=260X2+100+130=750mmY导轨座中间部分厚度取10mm，两边凸起部分高度取60mm，宽度取45mm，导轨座总宽度取280mm，材料为45号钢。所以上导轨总重量（包含步进电机）为：M=700X280X10X7.8X10_6+2X700X45X50X7.8X10_6kg4=40.1kg4、 夹具及螺杆支承座质量估算：螺杆支承座的尺寸大致为：长100mm、宽50mm、高60mm，主要材料为钢，其质量：M=100X50X60X7.8X10_6kg=2.34kg5夹具的质量估算为M=10kg65、 最大加工工件质量：M=200kg7所以，工作台运动部件总质量：M=M+M+M+M+M+M+M总 1 2 3 4 5 6 7=33.65+12.1+12.1+40.1+2.34+10+200k驴310kg（2）计算切削力将普通机床改造成数控XY工作台控制的钻床，机床的运动控制方式是点位控制，钻削时产生的轴向切削力很小；滚珠丝杠运动时不进行钻削，不受切削力的作用；静止钻削时丝杠轴向切削力很小，可忽略不计。因此，丝杠工作时只受到运动部件重量所引起的摩擦阻力。3）传动系统设计工作台的驱动方式是：用联轴器连接步进电机主轴和滚珠丝杠滚珠丝杠螺母副驱动工作台在X、Y方向上做直线运动。此种传动方式结构简单，通过步进电机直接调速，不需要经过其它传动机构。（4）滚珠丝杠的传动计算与选型滚珠丝杠的负载只有运动部件重量引起的摩擦阻力。1、求丝杠螺母副传动的静载荷：FC计算公式：F=K+K+K+FCFHLm其中,K—为载荷系数，无冲击平稳运转：1.0-1.2；—般冲击：1.2-1.5；FKH—为硬度系数，滚道硬度1RC258：1.0滚道硬度HRC255：1.11KL—为精度系数，精度等级C、D：1.0 精度等级E、F：1.1根据课题要求及传动方案取：K=1.2，K=1.0，K=1.0FHL丝杠工作时的轴向压力F=MgMm 总其中，卩为滚珠丝杠导轨的摩擦系数0.003-0.005间，取卩=0.004所以：F=310X10X0.004N=12.4Nm因此，静载荷F=1.2X1X1X12.4=14.88NC2、额定动载荷及寿命计算

动载荷计算公式C>C=动载荷计算公式C>C=aa60nLmh~1.67x104其中，Ca—额定动载荷（N）；Nm—螺杆的平均转速，取90-110r/minL—运转寿命（h）；hFc一螺旋传动的计算载荷（N）丝杠的寿命L依据与之相搭配使用的导轨的寿命进行选择，导轨要h求使用寿命不低于5年，因此选择丝杠的寿命为5年，每年工作360天，每天16个小时。所以，L=360X5X16h=28800hh所以，动载荷：Ca=（60X100X28800/1.67X104）：X14.88=324.24N3、滚珠丝杠的选用根据使用情况选择滚珠丝杠螺母的机构形式，并根据最大动载荷的数值选择滚珠丝杠的型号。

Pho：鱼林勺程CAK屮3311就10E963.175*p—D滾珪塑*-■事哥甚准並橱ZPho：鱼林勺程CAK屮3311就10E963.175*p—D滾珪塑*-■事哥甚准並橱Z沁自啊畅用独格證号仙倉走吻或荷個皿J605-325QS-3Z232&选择的滚珠丝杠是济宁市华珠机械有限公司生产的HG系冷轧滚珠丝杠副，其型号为1605-3，其主要参数如下：公称直径：16mm；公称导程：5mm；滚珠直径：3.175；负荷钢球圈数：3；额定动载荷：Ca=6.2KN>计算值0.324KN符合要求额定静载荷：12.5KN丝杠总长：L=Lu+L1+2Le其中有效行程Lu=520mm；螺母长度L1=50mm；余程Le=20所以计算的丝杠总长L=610mm4、丝杠传动效率公式：n=y/（Y+屮）其中屮为摩擦角0010';Y为螺旋生角5022'所以n=0.96滚动导轨参数计算与选型1、 计算滚动导轨的工作寿命Th(小时)要求导轨寿命不低于5年，假设导轨寿命为5年，每年工作360天，每天16个小时，则：工作寿命：Th=5X360X16h二28800(小时)2、 计算导轨行程长度寿命Ts(KM)计算公式：Ts(Km)，Ts=2ThLsn/1000Ls为单向行程(m),n为每分钟往复次数；(可取4-6次/分钟)所以：Ts=2X28800X0.6X5X60/1000二8300KM3、 计算工作载荷XY数控工作台采用双导轨，四滑块的支承形式，钻削时Z向的轴向力相对于工作台给导轨的压力小很多。因此，导轨工作载荷可估算为F=G/4=3100/4=775N总4、 计算导轨的额定动载荷Ca(N)计算公式：Ca=F(Ts/6.25)：=775X(8300/6.25)：=8408N5、 选定滑动导轨的型号及结构尺寸

型号导轨剧尺寸汐块凤寸导辆尺寸HWKBrLn0TT.03L,GGBI6AB2415.519A475B.53830457H4.574051615GGB2QAEGGE20ABI302L524Si;;5340710105105066201S导勒尺寸邢杯尺寸艇宦功载頼定力頓dxDxhF单按堵大技度L™uGNcmM/Nm)阳Njti}寻轨/米4-5x75x5.36012002.5044£1.5113.387070TOO0J7T.626XS3X&560300011M&117018A3192.726.501602601602602303100330.4523选择的滚珠丝杠是南京工艺装备制造有限公司生产的GGBXXAB/AB四方向等载荷型滚动直线导轨副系列，其型号为GGB20AB/AB其主要参数如下：额定动载荷：C=8.51KN大于8.40KN满足要求导轨宽度为20mm导轨总高为24mm导轨总长为700mm

360&入6360&入1、由机床精度要求确定脉冲当量5及步距角a:P取5取5为0.00115=x0.02~0.0067mm3所以步距角a=360X0.001X1/5=0.72电机轴转矩的计算2、电动机轴上的转动惯量J总计算公式：J=J+J+J总012J可以忽略不计0J为滚珠丝杠的转动惯量，对于圆柱体围绕其中心轴线旋转时，其1惯量可由下述公式计算计算公式：J=MD2/8X10一6对于钢材有：J=0.77D4LX10一12式中：J——惯量，kg.M2M 单位体积质量，kgD 圆柱体直径，mmL 圆柱体长度，mm所以：J二0.77X164X610X10_i2=0.31X10一kg.M21J工作台、工件等移动部件折算到电动机轴上的转动惯量，可由下2述公式计算：J=(V/2nn)2MX10,=(S/2n)2MX10一6式中：M——工作台（包括工件）的质量，kgS 丝杆螺距，mmV 工作台移动速度，mm/minn 丝杠转速，r/min所以：J二（5/2X3.14）2X310X106=1.97X104kg.M22所以：J二（0.31+1.97）10_4=2.28X10_4kg.M2总3、 步进电机空载启动时，电机轴上的加速力矩计算公式：M=Jn/9.6Tar其中：J――为电机轴上的转动惯量，等于Jr 总n 电动机转速，r/min为720r/minT——加减速时间，为0.1s所以：M二2.28X720X10_4/9.6X0.1=0.171N.Ma4、 工作台移动部件这算到电机轴上的摩擦力矩计算公式：M二FS/2nniX10一?=Mgps/2nnif 0 总式中：p 摩擦系数，为0.025S 为螺距，5mmn——总传动效率，取0.8i 为传动比，为1所以：M二310X10X0.025X5/2X3.14X0.8X1X10_3=0.077N.Mf5、 因丝杠副预紧力引起的电机轴上的附加摩擦转矩

计算公式：M二FmaxXS/2nniX(1-n2)X10_300=3100X0.025X5/(2X3.14X0.8X1)X(1-0.92)X10_3=0.015N.M6、空载启动时电机轴上的最大静转矩M=M+M+M=0.171+0.077+0.015=0223N.Maf07、步进电机的选择所选取的步进电机的最大静转矩M需满足:sM>M/0.866=0.258N.Ms步进电机的选择如下：42BYG系列二相步进电机42E¥G^列二相歩进电机：涉距角1.8JJ静力距&.21-0.45N.mr机身长38-L8iimi>引线数务6；电^G.4-1.2A技术規格型号SeiiesAIod-sl歩距角StspAtigl机身氏MotorLaiffth静力距HoldingTcrqus引线数Liad^'irs㈣）电疣RatedCuiiait㈤相电阻瑁感PhassIndiKEatics?viotorwsislit矚17PU-H501-P11.8380.2146.8120.2442BYGH604A1.S4003604302302442BYGH6121.8400361.23.03.202442BYGK4121.8480.4?43.23J^.003442BYGH6101.8480.346103.5500.3442BYGH6W-2(孜轴)離嘔0.344103.jK0.3443BYGH610AJP1.S400.346104.84.S0.42选择的步进电机是深圳市众为兴数控技术有限公司生产的42BYG系列二相步进电机。选择的型号为42BYGH6040A步距角：1.80静力距满足要求质量：0.24kg长、宽、高分别为：53mm42mm31mm（7）联轴器的选择所选择的联轴器应满足电机扭矩的要求，满足电机旋转轴直径、丝杠公称直径的要求：儿型 B型 C型 D型ZT-F型带法兰星形弹性联轴器基本参数和主要尺寸型号公称扭矩(N*m)许用转遼(rpm)轴乩直径(mm)轴孔长度L(mm)DDfl□iEs(LJIL.(l4)(mm)ZT24F70140004353055304055IS25634ZT28F1901180010-4035651904365202.56540ZT38F330950012^tS458011566782437944ZT42F530800014-5550951407594263S350ZT48F6207100诂®