畢業(yè)設計（論文）-立式銑床X-Y數控工作臺結構設計.doc

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1、中南林業(yè)科技大學本科畢業(yè)設計 立式銑床X-Y數控工作臺結構設計第1章 緒論1.1 X-Y工作臺的發(fā)展趨勢及產業(yè)化的現狀 數控技術是先進制造技術的核心，是制造業(yè)實現自動化、網絡化、智能化、復合化等的基礎。隨著科學技術的發(fā)展，數控技術發(fā)展也會越來越快，這也意味著它所需要考慮和處理的技術與非技術問題越來越多。中國的數控系統(tǒng)已經歷了40 年的發(fā)展。數控技術發(fā)展應根據我國的實際情況，制定符合國情的總體發(fā)展戰(zhàn)略，朝著高可靠穩(wěn)定、高速度、高精度化、智能化、數控編程自動化、網絡化方向發(fā)展。工作臺作為數控機床的重要組成部分，也是影響加工精度的重要組成環(huán)節(jié)。從一開始為了滿足加工簡單的零件而設計的直線運動的XY工作

2、臺，到現在為了實現多工位加工而制造的分度工作臺和回轉工作臺等。為了滿足現代制造業(yè)的發(fā)展，也為了環(huán)境的要求，一作臺的驅動裝置從原來的機械驅動變?yōu)橐郝抿寗?，現在更多的采用了氣動裝置，更好的保護了環(huán)境，節(jié)約了資源。由于工作臺是一臺機床的關鍵配套部件，因此世界各國都有對其進行研究，我國在工作臺的研究開發(fā)方面也取得了長足的進步。目前工作臺的種類繁多，傳統(tǒng)的工作臺只能安裝在某一指定機床上，伴隨著科技的與時俱進，它們的功能也由傳統(tǒng)單一性向現代的多功能性方向發(fā)展，現在一些工作臺，它不僅可以安裝在鉆床上，還可以安裝在銑床和鏜床等機床上。并且目前部分工作臺還可以作為機床的第四回轉軸，大大提高了機床的性能。例如：可

3、傾回轉工作臺，它可以實現用于數控機床和加工中心機床上，可利用原機床的兩個控制坐標控制轉臺的回轉和傾斜，也可直接利用本轉臺配套的數控裝置與機床聯接完成所需的工作循環(huán)。它可以完成任意角度的孔、槽、平面類機械加工，以及曲線、凸輪等的加工，并可達到較高的精度。另外也可用于非數控鉆、銑、鏜類機床上，獨立完成等分和不等分的角度分度工作。國外工作臺的功能與我國所生產的工作臺功能基本相似，但是在其精度方面，國外的一些公司所生產的工作臺要略高于我國所生產的工作臺。因此我國與國外相比，還是有一定的差距，因此工作臺的設計具有重要意義，我們要借助時代的步伐，與時俱進，開拓創(chuàng)新，使我國成為具有領先技術的綜合性強國。1.

4、2數控X-Y工作臺設計的意義和目的 本設計所設計的X-Y工作臺采用了低摩擦的直線滾動導軌和精密的絲杠，它的工作原理是通過MCS-51單片機來控制步進電機，使X-Y工作臺實現了數控控制。工作臺的自動化能大大減輕勞動強度，提高勞動生產效率。本設計的X-Y數控工作臺機電系統(tǒng)設計是一個開環(huán)控制系統(tǒng)，其結構簡單，實現方便而且能保證一定的精度。通過微機控制技術的簡單的應用，實現對機床的控制，使機床的加工范圍擴大，精度和可靠性進一步提高。多數數控銑床工作臺的總體布局與和它類似的普通機床的總布局是基本相同或相似的，并且已經形成了傳統(tǒng)的、經過考驗的固定形式，只是隨著生產要求與科學技術的發(fā)展，還會不斷有所改進。數

5、控銑床工作臺的總體布局是機床設計中帶有全局性的問題，它的好壞對機床的制造和使用都有很大的影響。一方面是要從機床的加工原理即機床各部件的相對運動關系，結合考慮工件的形狀、尺寸和位置等因素，來確定各主要部件之間的相對位置關系和配置，另外一方面全面考慮機床的外部因素，如外觀造型、操作維修，生產管理和人機關系等問題對機床總布局的要求。 隨著科學技術的不斷進步和工業(yè)生產的不斷發(fā)展，許多新技術新工藝新設備不斷涌現，進一步提高銑床工作臺精度及其效率，同時縮短工作臺生產成本，使之在同類工件競爭中處于優(yōu)勢地位。在本設計中著重介紹了如何對X-Y工作臺進行設計，對導軌、絲杠、電機、選用等方面進行了深入的分析。通過對

6、X-Y工作臺的設計，能夠正確運用機床數控系統(tǒng)等課程的基本理論個有關知識，學會設備數控化改造方案的擬定、比較、分析及進行必要的計算；通過對設備改造的機械部分設計，掌握數控設備典型零件的計算方法和步驟以及正確的結構設計方法；提高自己應用手冊、標準以及編寫文件等資料的能力。1.3本設計的主要內容和任務 設計一個數控X-Y工作臺及其控制系統(tǒng)，該工作臺可安裝在銑床上用于銑削加工； 1）查閱文獻收集資料確定系統(tǒng)組成方案（功能、機械傳動系統(tǒng)簡圖、主要設計參數，及方案分析、比較、說明）；2）機械部件的總體尺寸、質量、轉動慣量的估算；3）傳動部件、導向部件的設計、計算和選用；4）步進電動機計算、選用；5) 其它

7、相關零件的選型及計算。6）各部分部件的尺寸材料外形確定。7) 使用ProE或solidworks等軟件對機械結構進行三維設計（裝配圖和主要零件零件圖） 第二章.總體方案的設計2.1設計參數的確定系統(tǒng)分辨率為0.01mm，其它設計參數如下表。最大銑刀直徑最大銑削寬度ae最大銑削深度ap加工材料工作臺加工范圍（mm）最大移動速度16mm5mm2mm碳鋼X=200,y=1502m/min 工作臺草圖2.2總體方案確定為保證一定的傳動精度和平穩(wěn)性以及結構的緊湊，采用滾珠絲杠螺母傳動副。為提高傳動剛度和消除間隙，采用有預加載荷的結構。由于工作臺的運動部件重量和工作載荷不大，故選用滾動直線導軌副，從而減小

8、工作臺的摩擦系數，提高運動平穩(wěn)性。 考慮電機步距角和絲杠導程只能按標準選取，為達到分辨率0.01mm的要求，以及考慮步進電機負載匹配，簡化結構，聯軸器將電機與絲杠直接連接。2.3初選步進電動機，絲杠和聯軸器當傳動比i=1時，可用聯軸器直接將電機與絲杠連接，這種結構有利于簡化結構，提高精度。由 傳動比公式i=，b為步進電機步距角、Lo為滾珠絲杠導程、為系統(tǒng)脈沖當量。工作臺的脈沖當量=0.01mm/脈沖。 初選電動機型號為55BF009，其步矩角=。 初選絲杠規(guī)格為M12*4其導程為4mm。 由傳動比公式得 故可用聯軸器將電機與絲杠直接連接。選用夾緊螺絲固定微型剛性聯軸器。 在絲杠行程端安裝斷電保

9、護裝置。2.4確定工作臺尺寸 查國家標準，根據(GB/T 158-1996)機床工作臺T型槽及相應螺栓尺寸如下： T型槽螺栓頭部 A B C H E F Pd公稱S最大K最大61261210.540M5104 T型槽用螺母尺寸 D A偏差M56-0.3-0.5根據工作臺加工范圍200*150選工作臺T型槽板尺寸240*200*20(mm)。 根據連接布局位置關系初定滾珠絲杠長度X向L340mm Y向L=300mm B B 5060 3545 L 總體尺寸估算2.5系統(tǒng)組成框圖 定位方式采用增量坐標控制?？紤]到機床加工精度要求不高，為了簡化結構，降低成本，采用步進電機開環(huán)伺服系統(tǒng)驅動X-Y工作臺

10、。 第三章.機械部分的設計3.1傳動系統(tǒng)等效轉動慣量計算1.電機轉子轉動慣量查電機手冊得 2.絲杠的轉動慣量由公式得 3.工作臺轉動慣量 根據給定的工作臺加工范圍，設計出工作臺的尺寸和托板尺寸等，估算其重量。 X向托板（上托板）的尺寸：長寬高 22022010X向托板（上托板）的重量：重量=體積材料比重 Y向托板（下托板）的尺寸：長寬高 24020010重量=體積材料比重 上導軌座的重量： 夾具及工件重量： X-Y工作臺運動部分重量： 工作臺轉動慣量 ： 由于聯軸器的轉動慣量小故可忽略不計。 4傳動系統(tǒng)折算到電機軸上的總等效轉動慣量3.2工作載荷分析及計算銑削運動的特征是主運動為銑刀繞自身軸線

11、高速回轉,進給運動為工作臺帶動工件在垂直于銑刀軸線方向緩慢進給。銑刀的類型很多，但以圓柱銑刀和端銑刀為基本形式,此選用圓柱銑刀,銑刀材料選擇高速鋼.查金屬切削手冊常用銑刀介紹表，選擇細齒錐柄立銑刀， 其尺寸參數如下：D=16mm,齒數Z=4。（1）查金屬切削手冊細齒錐柄立銑刀切削用量表得銑削速度 查表，初選0.03mm 因此可得 查機械制造基礎課程設計指導書立式銑床主軸轉速表，選銑床型號X51，選擇其轉速表并將轉速圓整為實際切削速度為 故實際（2）根據高速鋼銑刀銑削公式 查得銑削力系數有3.3進給工作臺工作載荷計算根據下表:比值不對稱銑削逆銑順銑120903080404故有縱向進給方向工作臺垂

12、直進給方向工作臺橫向進給方向3.4滾珠絲杠及螺母副的選型和校核 絲杠是將電機的回轉運動轉化為工作臺直線運動，絲杠由螺桿、螺母和滾珠組成。由于具有很小的摩擦阻力，絲杠被廣泛應用于各種工業(yè)設備和精密儀器。 3.4.1最大工作載荷的計算 滾珠絲杠上的工作載荷為走刀抗力，移動體重力和作用在導軌上的其他切削分力相關的摩擦力。 由公式： 其中 將所得數據代入公式有：3.4.2最大動負載Q的計算及主要尺寸 式中L為壽命經查詢機械設計手冊得 當有沖擊運轉時，運轉系數，本設計??；精度等級為3級，其精度系數 。 式中 ，其中 又因為使用壽命 ，絲杠螺距 ，X向和Y向的最大進給 。X向絲杠的牽引力： 式中 當量摩擦

13、系數,Y向絲杠的牽引力：式中X向最大動負載： Y向最大動負載：3.4.3選型確定絲桿和絲桿螺母副尺寸根據給定的有效行程和經濟成本的考慮，X向和Y向的絲杠分別選取MISUMI公司的BSX1205-340和BSX1205-300，然后再使用聯軸器。其參數和連接方式如下：精度等級型式指定單位mmY螺旋方向循環(huán)數基本額定負載Type絲杠軸外徑螺距右2.5圈1列（KN）（KN）C3BSX1243403003.744.9PABTdd1hFD滾珠直徑（cm）滾珠絲杠預緊力（）84434104.584.415303.1751.55 電機與絲桿連接方式 所選滾珠絲杠螺母副幾何參數：名 稱符 號計算公式和結果 螺

14、紋滾道公稱直徑12螺距4接觸角名稱符 號計算公式和結果鋼球直徑3.175螺紋滾道法面半徑偏心距螺紋升角 螺桿螺桿外徑螺桿內徑螺桿接觸直徑螺母螺母螺紋外徑螺母內徑（外循環(huán)）3.4.4傳動效率計算滾珠絲杠螺母副的傳動效率為 3.4.5剛度驗算絲杠的拉壓變形量的計算 滿載時拉壓變形量： 滾珠與螺紋滾道間的接觸變形量由公式得式中為滾珠直徑， 為滾珠總數量滾珠絲杠副剛度的驗算絲杠總變形量變形量要少于定位精度得一半，即0.01/2=0.005=0.003690.005因此符合設計要求。3.4.6壓桿穩(wěn)定性驗算 由機械設計指導書失穩(wěn)時的臨界載荷為 絲杠截面慣量矩 查表得 穩(wěn)定性安全系數 故絲杠符合要求。3.

15、5導軌的選型和計算 導軌表面上的縱向槽或脊，用于導引、固定機器部件、專用設備、儀器等。擁有比直線軸承更高的額定負載， 同時可以承擔一定的扭矩，可在高負載的情況下實現高精度的直線運動。滾動直線滑軌是一種滾動導引，它由鋼珠在滑塊與滑軌之間作無限滾動循環(huán)，使得負載平臺能沿著滑軌輕易的以高精度作線性運動，其摩擦系數可降至傳統(tǒng)滑動導引的1/50，使之能輕易地達到m級的定位精度。由于選擇的導軌要求結構緊湊，間隙調整方便，摩損小，有良好的精度保持性且運動平穩(wěn)，故選擇直線滾動導軌，在此設計中還要求導軌能承受一定的顛覆力矩，所以在設計中選擇法蘭型導軌。滾動導軌的選用：3.5.1導軌型式：法蘭型直線導軌3.5.2

16、導軌長度：上導軌（X向）取動導軌長度 動導軌行程 支承導軌長度 下導軌（Y向）取動導軌長度 動導軌行程 支承導軌長度 3.5.3導軌工作負載計算：導軌基本額定動負載的計算： 導軌基本額定靜負載的計算：根據以上數據，選擇MISUMI公司的SEBMN型導軌，上導軌型號為SEBMN16-430，下導軌型號為SEBMN16-390，其參數如下：型式HW1滑塊尺寸導軌尺寸BL1L2WP1S1ETBECNP2滑塊SEBMN169.5344125426M477206152060H基本定負載靜態(tài)容許力矩重量C(動)KN(靜)KNM3滑塊kg滑塊標準型Kg/m165.08.2333570.151.5由導軌設計公

17、式：L50（）每個滑塊的的工作載荷取硬度系數0.53、=1、0.81、2預設導軌壽命L=50KM 則根據此壽命可算出 3267N5000N,所以選取導軌滑塊滿足設計要求。3.6步進電機的計算和選用 步進電機是將電脈沖信號轉變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元步進電機件。在非超載的情況下，電機的轉速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數，而不受負載變化的影響。步進驅動器接收到一個脈沖信號，它就驅動步進電機按設定的方向轉動一個固定的角度，稱為“步距角”，它的旋轉是以固定的角度一步一步運行的?？梢酝ㄟ^控制脈沖個數來控制角位移量，從而達到準確定位的目的；同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉動的速度和加速

18、度，從而達到調速的目的。3.6.1步進電機力矩的計算摩擦力矩 （ ）式中 導軌的摩擦力 絲杠導程（cm）； 系統(tǒng)傳動比，按 計算； 傳動鏈總效率，一般可取導軌摩擦系數滾動導軌的摩擦系數一般為：銑削力； 運動部件的重量； 工件及夾具重量；所以 附加摩擦力矩 （ ）式中 滾珠絲杠預加負荷，一般取 ， 為進給牽引力；絲杠導程（cm）；滾珠絲杠未預緊時的傳動效率， 。所以：空載起動時折算到電機軸上的力矩 （ ）式中 傳動系統(tǒng)折算到電機軸上的總等效轉動慣量（ ）； 電機最大角加速度（ ）；電機最大轉速（r/min）,；運動部件從停止起動加速到最大進給速度所需要的時間（s），因為=200ms； 運動部件的

19、最大進給速度（mm/min）；脈沖當量（mm/步）； 步進電機的步距角（ ）； 折算到電機軸上的銑削負載力矩 式中 絲杠導程（cm）；系統(tǒng)傳動比 傳動鏈總效率，一般可取 快速起動時所需力矩 即 快速進給時所需力矩 即 最大銑削負載時所需力矩 即 經過上述計算后，在 、 兩種力矩中取其大者作為選擇步進電機的依據。對于大多數數控機床來說，因為要保證一定的動態(tài)性能，系統(tǒng)時間常數較小，而等效轉動慣量又較大，故電機力矩主要是用來產生加速度的，而負載力矩往往小于加速力矩，故常常用快速空載起動力矩 作為選擇步進電機的依據。3.6.2步進電機的選擇目前經濟型數控機床中大多采用反應式步進電機，因此在本設計中采用

20、反應式步進電機。首先根據最大靜轉矩 初選電機型號，由于步進電機的起動轉矩 與最大靜轉矩 有如下關系： 式中的取值又有如下關系：步進電機相數三相四相五相六相拍數36485106120.50.8660.7070.7070.8090.9510.8660.866 在本設計中采用四相四拍的反應式步進電機，則 若不考慮啟動時運動部件慣性的影響，則啟動力矩為 取安全系數為0.3，則步進電機最高工作頻率 最大空載頻率：最快進給速度， 。為了保證不失步，采取降速措施。 最大銑削頻率：最大銑削速度， 。 根據以上數據，選取兩個55BF009型步進電機，電機的的相關參數如下：型號主要技術參數外形尺寸(mm)重量(N

21、)步距角最大靜轉矩（）最高空載啟動頻率（Hz）相數電壓(V)電流(A)外徑長度軸徑55BF0090.7825004273557060.65由于只靠最大靜轉矩 來選擇步進電機不一定能滿足實際工作時的要求，也就是說，盡管最大靜轉矩 數值能滿足要求，但是并不能保證在快速空載起動和運行時不失步。所以還必須用起動矩頻特性和運行矩頻特性兩條重要的性能曲線來檢查所選步進電機的型號是否能滿足要求。通過對兩個電機的起動矩頻特性和運行矩頻特性的分析，電機的轉矩大于總轉矩，并且，所以選擇的這兩個電機符合本設計要求。3.7 聯軸器的選用 聯軸器是用來聯接不同機構中的兩根軸（主動軸和從動軸）使之共同旋轉以傳遞扭矩的機械

22、零件。根據選用的電機D1=6mm,絲桿D2=8mm； 在滿足便用性能的前提下，應選用裝拆方便、維護簡單、成本低。本設計選用MISUMI CPRC20-6-8 夾緊螺絲固定剛性聯軸器。尺寸參數如下：型號DD1DD2LMATTFCPRC20-6-868202.56.514.75 聯軸器外形圖 第四章 各部分支承連接機構設計4.1滾珠絲杠支座設計計算在本設計里，采用一端固定，另一端簡易支承的方案。則產生失穩(wěn)的臨界負載 式中：;；絲杠支持方式系數表如下：方式一端固定一端自由兩端簡易一端固定一端簡支兩端固定0.251.002.004.00所以：臨界負載與最大工作負載Q之比稱為穩(wěn)定安全系數，如果穩(wěn)定安全系

23、數大于或等于許用安全系數，則絲杠不至失穩(wěn)。許用安全系數一般取2.54。由于Y向的工作負載最大，所以穩(wěn)定性良好。在簡易支承座中采用一個6300的深溝球軸承，在固定的電機支座中采用一個51200推力軸承和一個6300深溝球軸承。它預緊時只需調節(jié)螺母。兩端固定支座方案見圖紙。4.2 絲桿螺母支座設計 此部分設計的機構是連接絲桿螺母副與工作臺，精度要求主要是與螺母副及工作臺面固定螺孔的配合尺寸。選用材料為 Ht200，球墨鑄鐵，該材料具有較高的強度，耐磨性、耐熱性及減振性，適用于承受較大壓力，要求耐磨的零件。確定設計方案 機構側面在絲桿螺母副上以螺絲定位，限制3 個自由度，頂面以圓柱銷與工作臺限制3個

24、自由度。這種方案定位可靠，夾緊方便。 絲桿螺母副支座 結 論 本設計整個系統(tǒng)采用開環(huán)環(huán)控制系統(tǒng)，進給系統(tǒng)采用了MISUMI公司的BSX系列絲杠副和SV2RL型直線滾動導軌。伺服系統(tǒng)采用了反應式步進電機，由聯軸器直接與滾珠絲杠連接驅動絲杠傳動，絲杠副兩端的支座軸采用了推力軸承來承受絲杠運行時的軸向力，和采用一個深溝球軸承來保證其徑向的圓跳動，各部分零件通過合適的螺母螺栓連接在一起，在保證精度的同時，保證整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 致 謝在此論文撰寫過程中，要特別感謝我的導師龔忠良的指導與督促，同時感謝他的諒解與包容。沒有龔老師的幫助也就沒有今天的這篇論文。從設計的選題到資料的搜集直至最后設計的修改的整個

25、過程中，花費了龔老師很多的寶貴時間和精力，在此向導師表示衷心地感謝！導師嚴謹的治學態(tài)度，開拓進取的精神和高度的責任心都將使學生受益終生！ “不積跬步無以至千里”，這次畢業(yè)論文能夠最終順利完成，歸功于各位老師四年間的認真負責，使我能夠很好的掌握專業(yè)知識，并在畢業(yè)論文中得以體現。也正是你們長期不懈的支持和幫助才使得我的畢業(yè)論文最終順利完成。 本文參考了大量的文獻資料，在此，同時向各學術界的前輩們致敬。 參 考 文 獻1 盛伯浩.數控機床的現狀與發(fā)展.裝備維修與改造，2004. 2 李斌，李培根.數控技術和裝備發(fā)展趨勢及對策.中國制造業(yè)信息化，2002.3 周祖德,魏仁選,陳幼平.開放式控制系統(tǒng)的現

26、狀、趨勢及對策. 中國機械工程,1999 .4 周凱.數控技術與產業(yè)發(fā)展途徑探討.中國機械工程，2001.5 胡興軍,屈平. 我國數控機床產業(yè)發(fā)展現狀綜述J. 精密制造與自動化, 2004.6 楊永. 現代數控系統(tǒng)的動向J.廣東技術師范學院學報,2003 (6) .7 王曉明.電動機的單片機控制.北京：北京航空航天大學出版社，2002.8 V.Utkin ,Sliding Mode Control Design Principles and Applications to Electric Drives.IEEE Transactions on Industrial Electronics,1993,.9 復雜機電系統(tǒng)機電耦合分析與解耦控制技術,pp:19471952,December 12-15,2005.10 http:/ 朱曉春. 數控技術.北京：機械工業(yè)出版社,2006.4 .12尹志強. 機電一體化系統(tǒng)設計課程設計指導書. 機械工業(yè)出版社, 2008.313劉舜堯，劉水華. 機械制造基礎與實踐/工程材料及機械制造基礎系列教材. 中南工業(yè)大學出版社，1999.714成大先. 機械設計手冊. 化學工業(yè)出版社, 2008.415段振云. 機械加工設備及應用. 科學出版社，2009.1116韓洪濤. 機械加工設備與工裝，高等教育出版社，2009.3第 29 頁