(600×600)方台面数控回转工作台设计

X-Y数控工作台设计

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(600×600)方台面数控回转工作台设计

一、设计的目的

《数控机床》课程设计是一个重要的实践性教学环节，要求学生综合的运用所学的理论知识，独立进行的设计训练，主要目的：

1、通过设计，使学生全面地、系统地了解和掌握数控机床的基本组成及其思想

知识，学习总体的方案拟定、分析与比较的方法。

2、通过对机械系统的设计，掌握几种典型传动元件与导向元件的工作原理、设

计计算及选用的方式

3、通过对机械系统的设计，掌握常用伺服电机的工作原理、计算控制方法与控

制驱动方式

4、培养学生独立分析问题和解决问题的能力，学习并树立“系统设计”的思想

5、锻炼提高学生应用手册和标准、查阅文献资料及撰写科技论文的能力

二、设计任务

设计X-Y数控工作台，主要参数如下：

设计一台数控回转工作台并开发其控制、驱动系统，工作台台面600×600mm，分辨率为δ=5分/step，承受最大载荷Tmax=1800Nm。

三、设计主要步骤

1、确定设计总方案

⑴、机械传动部件的选择

①、丝杠螺母副的选择

步进电动机的旋转运动需要通过丝杠螺母副转换成直线运动，需要满足初选0.005mm脉冲当量，因为定位精度±0.01mm，对于机械传动要有一定的精度损失，大约是1/3-1/2的定位精度，现取为1/2，滑动丝杠副无法做到，只有选用滚珠丝杆副才能达到要求，滚珠丝杆副的传动精度高、动态响应快、运转平稳、寿命长、效率高、预紧后可消除反向间隙。

同时选用内循环的形式，因为这样摩擦损失小，传动效率高，且径向尺寸结构紧凑，轴向刚度高。

由于定位精度不高，故选择的调隙方式是垫片调隙式，这种调隙方式结构简单，刚性好，

装卸方便。

由于工作台转速不高，故可以采用一般的安装方法，即一端固定，一端游动的轴承配置形式。

②、导轨副的选用

要设计数控铣床工作台，需要承受的载荷不大，而且脉冲当量小，定位精度高，因此选用直线滚动导轨副，它具有摩擦系数小，不易爬行，传动效率高，结构紧，安装预紧方便等优点。

③、伺服电机的选用

选用步进电动机作为伺服电动机后，可选开环控制，也可选闭环控制。任务书所给的精度对于步进电动机来说还是偏低，为了确保电动机在运动过程中不受切削负载和电网的影响而失步，决定采用开环控制，任务书初选的脉冲当量尚未达到0.001mm，定位精度也未达到微米级，空载最快移动速度也只有2300mm/min,故本设计不必采用高档次的伺服电机，因此可以选用混合式步进电机，以降低成本，提高性价比。

④、减速装置的选用

选择了步进电动机和滚珠丝杆副以后，为了圆整脉冲当量，放大电动机的输出转矩，降低运动部件折算到电动机转轴上的转动惯量，可能需要减速装置，且应有消间隙机构，如果要选用减速装置，则应选用无间隙齿轮传动减速箱。

⑵、控制系统的设计

①、设计的X-Y工作台准备用在数控铣床上，其控制系统应该具有轮廓控制，两坐标直线插补与圆弧插补的基本功能，所以控制系统设计成连续控制型。

②、对于步进电动机的开环控制系统，选用MCS-51系列的8位单片机AT89S52作为控制系统的CPU，能够满足任务书给定的相关指标。

③、要设计一台完整的控制系统，在选择CPU之后，还要扩展程序存储器，I/O接口电路，D/A转换电路，串行接口电路等。

④、选择合适的驱动电源，与步进电动机配套使用。

2、机械传动部件的计算和选择

（1）、导轨上移动部件的重量估算

按照下导轨上面移动部件的重量来进行估算。包括工件、夹具、工作平台、上层电动机、减速箱、滚珠丝杠副、直线滚动导轨副、导轨座等，估计重量约为3700N。

（2）、计算切削力

根据设计任务，加工材料为碳素钢或有色金属及如下参数：

设零件的加工方式为立式加工，采用硬质合金铣刀，工件材料为碳素钢。由【5】中的表中，可知d=15mm 的硬质合金立铣刀最大的切削参数如下：

每齿进给量fz=0.1mm 铣刀转速n=300r/min

由【2】中P200,查得立铣时切削力计算公式为：

0.850.750.73 1.00.10

c e z p 118a f

d a n Z F -=

代如上式得： 1639330010251.02511810.00.173.075.085.0≈⨯⨯⨯⨯⨯⨯=-F C

采用立铣刀进行圆柱铣削时，各铣削力之间的比值可由【2】中查得，各铣削力之间的比值范围如下：

f F /c F =(1.0~1.2) 取1.1 fn F /c F =(0.2~0.3) 取0.25 e F /c F =（0.35~0.4） 取0.38

考虑逆铣时的情况，因为逆铣的情况的受力最大的情况，为了安全考虑这种最危险的工况。由此可估算三个方向的铣削力分别为： N F F C f 18031.1≈= N F F e 62338.0C ≈=

N F F C fn 41025.0≈=

考虑立铣，则工作台受到垂直方向的铣削力z F ，受到水平方向的铣削力分别为f F 和fn F 今将水平方向较大的铣削力分配给工作台的纵向，则纵向铣削力x F ，径向铣削力为y F 。 Fx=Ff=1803N Fy=Ffn=410N

Fz=Fe=623N

（3）、滚珠丝杠传动设计计算及校验

①、最大工作载荷的计算

已知移动部件总重量G=3700N ，按滚动导轨计算，由【3】中，取颠覆力影响系数K=1.1，

滚动导轨上的摩擦系数查【1】中P194可知u=0.0025—0.005,现取u=0.005，求得滚珠丝杠副的最大工作载荷：

x F F (F F )eq y Z k u G =+++

=1.1×1803+0.005×(410+623+3700)

=2007N

②、最大计算动载荷的确定 设工作

1、

2、

XXXXXXXXXX......此处删除无数+N 个字，完整设计请加扣扣:二二壹五八玖一壹五一

台在承受最大铣削力时的最快进给速度v=950mm/min ，初选丝杠导程P=5mm,则此时丝杠转速eq n =v/P=190r/min 。

预计滚珠丝杠的工作五年,每天工作八小时，由此得使用寿命为T=5×360 ×8=14400h ，根据【1】中P110，公式5—4得：'

6

6010eq n T T =

其中 T ——使用寿命 14400 h N ——循环次数

eq n ——滚珠丝杠的当量转速 190r/min

求得：6

'10

1440019060⨯⨯=

T ≈164 （6

10r ） 查【1】中P110，表5-1、5-2得，受中等冲击载荷取值范围 1.2~1.5d f =，现取 1.3d f =，滚

道硬度为60HRC 时，硬度影响系数取值 1.0h f =，由【1】中， 3c d h eq C f F =

代入数据得：20070.13.11643⨯⨯⨯=Cc ≈14281N

②、规格型号的初选

根据计算出的最大动载荷和初选的丝杠导程，查网上生产该型号的生产厂家的资料，选择济宁博特精密丝杠制造有限公司生产的GDM 系列2005-3型滚珠丝杠副，为内循环固定反向器双螺母垫片预紧式滚珠丝杠副，其公称直径为20mm ，导程为5mm ，循环滚珠为3圈×2系