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1、 目 錄 1.設計要求 3 2.系統(tǒng)方案框圖及分析說明 3 3.機械系統(tǒng)各部件類型選擇及設計計算 4 3.1 初步確定工作臺的尺寸及其重量 4 3.2 傳動系統(tǒng)設計 5 3.3 滾珠絲杠的設計計算及選擇 5 3.4滾動導軌的選擇 9 3.5 步進電機的計算及校核 9 3.6 聯(lián)軸器的選擇 10 4.控制系統(tǒng)工作原理框圖和設計說明 11 4.課程設計總結與心得體會 13 5.參考資料 13 鉆床改造成數(shù)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(tǒng)定位精度

2、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(xiàn)其他功能，x向的運動范圍為0~180mm，y向運動范圍為0~200mm； 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(xiàn)。 2.系統(tǒng)方案框圖及分析說明 圖1 開環(huán)伺服系統(tǒng)結構原理圖 采用微機對傳統(tǒng)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(tǒng)，另一種是采用標準步進電機數(shù)字控制系統(tǒng)

3、作為主要控制裝置。前者需要重新設計控制系統(tǒng)，比較復雜；后者選用國內標準化的微機數(shù)控系統(tǒng)，比較簡單。這種標準的微機數(shù)控系統(tǒng)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(xiàn)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(xiàn)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(jù)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

4、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(lián)軸器或減速器傳遞； 6、 執(zhí)行機構：伺服系統(tǒng)中多用塑料貼面滑動導軌和滾動導軌。 3.機械系統(tǒng)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(jù)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=5.7kg G1= 2202201510

5、-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=(400150－28070)3010-97.8103=9.52kg G3=m3*g=9.529.8=93.24N 所以根據(jù)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(jù)要求所知，其最大加

6、工工件為150kg，另外，還有絲杠、電機、聯(lián)軸器等，大約3kg，因此：m4=3kg G總=(150+3)9.8+204.94=1704.34N 3.2 傳動系統(tǒng)設計 δ=0.01mm，初選步進電機型號110BF003，步距角α=0.75o，取絲杠導程Ph=5mm,根據(jù)傳動比公式可得： 由此可知，可直接選擇聯(lián)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(tǒng)，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=μFz=0.041704.

7、34=68.1736N，其中為淬火鋼的摩擦因數(shù)。 載荷系數(shù)KF=1.2，無沖擊平穩(wěn)運轉 硬度系數(shù)KH=1.0，45鋼HRC≥58 精度系數(shù)KH=1.1，數(shù)控機床精度要求選用3級 故Fc=KFKHKHFm=1.21.01.168.1736=89.989N 3.3.1確定動載荷及其使用壽命 根據(jù)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

8、取 根據(jù)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(shù)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 μ：長度系數(shù)，雙推—簡支式μ

9、=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(jù)機床要求，由于導軌副行程不是很長，可以選

10、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180~200HB，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(lián)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

11、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(tǒng)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(shù)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(lián)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(lián)軸器。 4.控制系統(tǒng)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(shù)控車床的任

12、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(shù)據(jù)是參考的經驗數(shù)據(jù)，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(shù)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(xiàn)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(xiàn)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(tǒng)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