数控铣床工作台设计

目录

设计任务 (3)

一.系统总体方案设计 (3)

(一)机械系统 (3)

(二)接口设计 (3)

(三)伺服系统设计 (4)

(四)控制系统设计 (4)

二.机械系统的设计计算 (4)

(一) 滚珠丝杠的选型与计算 (4)

(二) 滚动直线导轨的选型与计算 (7)

(三) 电机的选择 (8)

(四)光电开关的选择 (10)

(五)限位开关的选择 (10)

三控制系统设计 (12)

1.操作面板的布置图 (12)

2.操作面板功能介绍 (12)

3.控制系统原理框图 (15)

5、光电开关和限位开关信号采集原理 (15)

6、键盘、显示器接口电路分析 (15)

四程序 (16)

五参考文献 (19)

设计任务: X方向行程:300mm Y方向行程:200mm 工作台面的参考尺寸:500X300mm

平均切削力:1500N

平均切削进给速度:600mm/min

最高运动速度:6m/min

定位精度:0.02mm

工作寿命:每天8小时,工作8年,250天/年一.系统总体方案设计

由设计任务书知,本次设计可采用如下方案

(一)机械系统

1.传动机构采用滚珠丝杠副

2.导向机构采用滚动直线导轨

3.执行机构采用步进电机

(二)接口设计

1.人机接口

(1)采用键盘作为输入

(2)采用LED作为指示标志

(3)采用数码管作为显示器

2.机电接口

采用光电耦合器作为微型机与步进电动机驱动电路的接口,实现电气隔离. (三)伺服系统设计 采用开环控制 (四)控制系统设计

二.机械系统的设计计算

(一)滚珠丝杠的选型与计算

由技术要求,平均载荷F=1500N,丝杠工作长度L=300mm, 工作寿命8250816000h L h =⨯⨯=,传动精度要求0.02mm σ=±

设导程P=5 mm ,则

max

600

120/min 5

60001200/min

5

m n r n r ====

(1) 求计算载荷

1.21.01.016001

C F H A M F K K K K N ==⨯⨯⨯= 由条件,查《机电一体化系统设计》表2-6取F K =1.2, 查表2-6取H K =1.2, 表2-4取

D 精度, 查表2-6取A K =1.0, (2)计算额定动载荷计算值Ca`由式

(2-4)

19209336Ca F N '===

(3)根据Ca '选择滚珠丝杠副 假设选用FC1型号,按滚珠丝杠副的额定动载荷Ca 等于或稍大于Ca '的原则,查表2-9选以下型号规格 FC1-2505-2.5 Ca=9610

公称直径025D mm = 导程5P m m = 螺旋角'

338λ=︒ 滚珠直径

0 3.175d mm =

按表2-1中尺寸计算

滚道半径 R=0..520d =0.52⨯3.175=1.651mm 偏心距0 3.175

0.07()0.07(1.651)0.004422

d e R mm =-

=-= 丝杠内径10222520.00442 1.65121.71d D e R mm =+-=+⨯-⨯= (4)稳定性验算

〈1〉由于一端轴向固定的长丝杠在工作时可能会发生失稳,所以在设计时应验算其安全系数S,其值应大于丝杠副传动结构允许安全系数

丝杠不会发生失稳的最大载荷称为临界载荷22

()

a

cr EI F l πμ= 其中 E=206Gpa L=0.3m 4

4

8410.02171 1.091064

64

a d I m ππ-=

=

=⨯

取2

3μ= 则2985220610 1.0910 5.53102(0.3)3cr F N π-⨯⨯⨯=

=⨯⨯ 安全系数5

3

5.5310368.981.510cr m F S F ⨯===⨯

查表2-10 [S]=2.5-3.3 S>[S] 丝杠是安全的,不会失稳

〈2〉高速长丝杠工作时可能发生共振,因此需验算其不会发生共振的最

高转速----临界转速cr n ,要求丝杠的最大转速max cr n n <

221223.9270.02821

991099108293328/min 2()(0.3)3

c cr f

d n r l μ===⨯

max cr n n < 所以丝杠不会发生共振

〈3〉此外滚珠丝杠副还受0D n 值的限制,通常要求

403

4

0710/min

25120/min 310/min 710/min

D n mm r D n mm r mm r mm r <⨯∙=⨯∙=⨯∙<⨯∙

(5)刚度验算

滚珠丝杠在工作负载F(N)和转矩T(N ∙m)共同作用下引起每个导程的变形量0()L m ∆为

202C

pF p T

L EA GJ π∆=±±

式中,A 为丝杠截面积,A=

2211

();4

C d m J π为丝杠的极惯性矩, 4411

();32C J d m π=

G 为丝杠切变模量,对钢G=83.3GP a;T(N ∙m)为转矩. 0tan()2

m D

T F λρ=+

式中, ρ为摩擦角,其正切函数值为摩擦系数; m F 为平均工作载荷.取摩擦系数为

tan 0.0025ρ=,则得840ρ'''= 3'25

1500

10tan(338840) 1.252

T Nm Nm -'''=⨯︒+≈ 按最不利的情况取(F=m F )

223322022492294

114164515001016(510)1.259.84102 3.14206100.02171 3.1483.3100.02171

C pF p T pF p T L m EA GJ Ed Gd μπππ--⨯⨯⨯⨯⨯∆=+=+=+=⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯ 则丝杠在工作长度上的弹性变形所引起的导程误差为

2

03

9.84100.3 5.9510

L L l m m p μμ--∆⨯∆==≈⨯