鉆床改造成數控XY工作臺畢業(yè)設計論文.doc

目 錄1.設計要求32.系統方案框圖及分析說明33.機械系統各部件類型選擇及設計計算43.1 初步確定工作臺的尺寸及其重量43.2 傳動系統設計53.3 滾珠絲杠的設計計算及選擇53.4滾動導軌的選擇93.5 步進電機的計算及校核93.6 聯軸器的選擇104.控制系統工作原理框圖和設計說明114.課程設計總結與心得體會135.參考資料13鉆床改造成數控XY工作臺設計黃婉西南大學工程技術學院 重慶1.設計要求1. 系統定位精度要求在0.02mm以內，步進電機選用三相六拍，其脈沖當量為0.01mm/pulse；2. 空載啟動時間為1s，最大進給速度為2m/min；3. 能用鍵盤輸入命令，控制工作臺的x向、y向運動及實現其他功能，x向的運動范圍為0180mm，y向運動范圍為0200mm；4. 能實時顯示工作臺的當前運動位置；5. 具有越程指示報警及停止功能；6. 采用硬件進行環(huán)形分配，字符發(fā)生及鍵盤掃描均由軟件實現。2.系統方案框圖及分析說明圖1 開環(huán)伺服系統結構原理圖采用微機對傳統加工機床進行改造有兩種方法，一種是以微機為中心設計控制系統，另一種是采用標準步進電機數字控制系統作為主要控制裝置。前者需要重新設計控制系統，比較復雜；后者選用國內標準化的微機數控系統，比較簡單。這種標準的微機數控系統通常采用單板機、單片機、驅動電源、步進電機及專用控制程序組成的開環(huán)控制，如圖1所示。對機床而言，控制過程大多是由單板機或單片機，按照輸入的加工程序進行插補運算，由軟件或硬件實現脈沖分配，輸出一系列脈沖，經功率放大驅動縱、橫軸的步進電機來實現的。1、 微型機：選擇單片機，必要時進行存儲器擴展和I/O口擴展；2、 接口電路：根據實際進給運動的需要設計；3、 功放電路：將脈沖信號進行放大，以驅動步進電機運轉；4、 執(zhí)行元件：通常采用步進電機；5、 傳動機構：將旋轉運動轉換為直線運動，選擇絲杠螺母傳動，步進電機和絲杠螺母間的運動通過聯軸器或減速器傳遞；6、 執(zhí)行機構：伺服系統中多用塑料貼面滑動導軌和滾動導軌。3.機械系統各部件類型選擇及設計計算圖2 機械傳動原理圖3.1 初步確定工作臺的尺寸及其重量 根據設計要求，所取的能夠加工的最大面積為180mm200mm，最大工件的重量為150kg。因此初定工作臺的尺寸為22022015mm3。工作臺的材料為45鋼，其密度為7.85103kg/m3。（取g=9.8N/kg）因此：工作臺（X向托板）m1=220220157.85103=5.7kgG1= 2202201510-97.851039.8=55.85N 取Y向托板=X向托板m2= m1=5.7kg G2=G1=55.85N上導軌座（連電機）重量初步取導軌座的長400mm，寬為150mm，高為30mm，但導軌座中間有一大空缺，空缺部分大約2807030mm3。因此m3=(40015028070)3010-97.8103=9.52kgG3=m3*g=9.529.8=93.24N所以根據上面所求，得XY工作臺運動部分的總重量為：G=G1+G2+G3=55.852+93.24=204.94N根據要求所知，其最大加工工件為150kg，另外，還有絲杠、電機、聯軸器等，大約3kg，因此：m4=3kgG總=(150+3)9.8+204.94=1704.34N3.2 傳動系統設計=0.01mm，初選步進電機型號110BF003，步距角=0.75o，取絲杠導程Ph=5mm,根據傳動比公式可得：由此可知，可直接選擇聯軸器而不用減速器。3.3 滾珠絲杠的設計計算及選擇 由于鉆床切削時產生的軸向切削力很小并且工作臺是點位系統，滾珠絲杠運動與靜止時都不受由于切削而引起的軸向阻力，故切削力可忽略不計。因此滾珠絲杠的負荷只有運動部件的重量所引起的摩擦阻力。Fm=Fz=0.041704.34=68.1736N，其中為淬火鋼的摩擦因數。載荷系數KF=1.2，無沖擊平穩(wěn)運轉硬度系數KH=1.0，45鋼HRC58精度系數KH=1.1，數控機床精度要求選用3級故Fc=KFKHKHFm=1.21.01.168.1736=89.989N3.3.1確定動載荷及其使用壽命根據絲杠動載荷公式： 式中： C：額定動載荷 Lh：使用壽命 FC：靜載荷 ：絲杠的平均轉速因工作臺最大進給速度為2m/min，絲杠導程為5mm，可得最大轉速為，取平均轉速取L=15000h，則3.3.2滾珠絲杠的選取 根據滾珠絲杠的基本導程及額定動載荷，查表1，選取滾珠絲杠的型號為FFB1605-4 ，其公稱直徑為d=16mm，公稱導程為Ph=5mm，動、靜載荷分別為7.8KN和17.9KN。圖3 滾珠絲杠結構形式 表1 滾珠絲杠型號參數表在表1中查得，鋼球直徑為滾道半徑絲杠底徑為，為了制造方便，取偏心距3.3.3穩(wěn)定性計算及校核1) 因螺桿較長，所以穩(wěn)定性驗算應以下式求臨界載荷：式中：E：螺桿材料的彈性模量，查材料力學表，取E=206GPa Ia：螺桿危險截面的軸慣性矩 ：長度系數，雙推簡支式=2/3 絲杠的有效長度是220mm，絲杠是安全的，不會失穩(wěn)。2) 高速運轉時，需驗算其是否會發(fā)生共振的最高轉速，要求絲杠最高轉速。臨界轉速按此公式計算，不會發(fā)生共振，滿足要求。3.3.4剛度驗算按最不利的情況考慮，螺紋螺距因愛軸向力引起的彈性變形與受轉矩引起彈性變形方向是一致的，所以每一導程的變形量為 扭矩，式中 所以： 最小截面積為每米螺紋度上的螺紋距離彈性變形為，滿足精度要求，剛度合格。3.3.5效率驗算 3.4滾動導軌的選擇根據機床要求，由于導軌副行程不是很長，可以選擇相對來說成本低的滾動體不循環(huán)的滾針導軌副，材料選擇灰鑄鐵HT200，硬度180200HB，采用脂潤滑，可以保證一次裝填，長期使用。3.5 步進電機的計算及校核3.5.1 負載慣量的計算 由于試算出的傳動比很接近1，所以不要減速器，電動機軸直接通過聯軸器和絲杠相連，負載的轉動慣量也無需等效換算。絲杠的轉動慣量工作臺的轉動慣量工件的轉動慣量查表得轉子轉動慣量為，慣量匹配。3.5.2 負載轉矩的計算等效負載轉矩計算公式啟動慣性阻力矩的計算這里以最不利于啟動的快進速度進行計算，啟動加速度時間為，由于電動機轉速，取加速時間為等加速梯形曲線，故角加速度為，則步進電機輸出軸上總負載轉矩當整體機械傳動系統總效率時，為避免計算誤差和轉矩突然增大引起步進電機丟步而引起加工誤差，取安全系數K=1.4,則步進電機的總負載轉矩。若采用預選的電動機110BF003，其最大靜轉矩為，由表3-7可知，故電機能滿足要求。3.6 聯軸器的選擇上述所選電機軸徑為11mm,而絲杠公稱直徑為16mm，轉矩不大，可選擇公稱轉矩為16的LT2型聯軸器。4.控制系統工作原理框圖和設計說明4.課程設計總結與心得體會經過兩周的課程設計，最終完成了鉆床改造成為數控車床的任務。重點是各部件類型的選擇和計算校核。其中有些表格是網上查閱的，有些數據是參考的經驗數據，結果可能會有偏差，但是應該不會太大，能保證設計合理，最終的數控車床能完成指定要求。由于本人經驗不足，專業(yè)水平有限以及一些不可預見的因素，所以設計中也必定會出現一些問題，懇請老師批評指正。這次課程設計給了我很大的幫助，不管現在還是對我以后的工作。5.參考資料【1】張建明，等編著.機電一體化系統設計（第三版）.北京：高等教育出版社，2007.7【2】吳宗澤，羅圣國主編.機械設計課程設計手冊（第3版）.北京：高等教育出版社，2006.5【3】劉鴻文主編.材料力學I（第五版）. 北京：高等教育出版社，2011.1【4】胡健主編，劉玉賓、朱煥立等編著.單片機原理及接口技術.北京：機械工業(yè)出版社，2004.10