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1、數(shù)控機(jī)床課程設(shè)計(jì)說明書 設(shè)計(jì)課題 ： X-Y 數(shù)控工作臺(tái)設(shè)計(jì) 院 別 ： 專業(yè)班級(jí) ： 學(xué) 號(hào) ： 姓 名 ： 指導(dǎo)老師 ： i 目錄 摘要 .I 一 前言 .1 二 設(shè)計(jì)任務(wù) .1 三 設(shè)計(jì)主要步驟 .2 （一） 確定設(shè)計(jì)總體方案 .2 1、初擬機(jī)械傳動(dòng)部件方案： .2 2、方案對(duì)比分析： .2 3、最終方案： .3 （二） 機(jī)械傳動(dòng)部件的計(jì)算與選型 .3 1 導(dǎo)軌上移動(dòng)部件的重量估算。 .3 2 計(jì)算切削力 .3 3 滾珠絲杠傳動(dòng)設(shè)計(jì)計(jì)算及校驗(yàn) .5 4 步進(jìn)電機(jī)的傳動(dòng)計(jì)算及電動(dòng)機(jī)的選用 .10 5 滑動(dòng)導(dǎo)軌的設(shè)計(jì)計(jì)算 .16 6 其余部件的選取 .17 結(jié)論 .20 致謝 .21 參考文
2、獻(xiàn) .21 ii 摘要 21 世紀(jì)以來，人類經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，人們生活發(fā)生了日新月異的變化，微處理器、 微型計(jì)算機(jī)在各技術(shù)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，對(duì)各領(lǐng)域技術(shù)的發(fā)展起到了極大的推動(dòng)作 用。一個(gè)較完善的機(jī)電一體化系統(tǒng)，應(yīng)包含以下幾個(gè)基本要素：機(jī)械本體、動(dòng)力與驅(qū) 動(dòng)部分、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、傳感測(cè)試部分、控制及信息處理部分。機(jī)電一體化是系統(tǒng)技術(shù)、 計(jì)算機(jī)與信息處理技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、檢測(cè)傳感技術(shù)、伺服傳動(dòng)技術(shù)和機(jī)械技術(shù)等 多學(xué)科技術(shù)領(lǐng)域綜合交叉的技術(shù)密集型系統(tǒng)工程。新一代的 CNC 系統(tǒng)這類典型機(jī)電一 體化產(chǎn)品正朝著高性能、智能化、系統(tǒng)化以及輕量、微型化方向發(fā)展。 關(guān)鍵字：十字工作臺(tái)；滾珠絲杠；滾動(dòng)導(dǎo)軌；步進(jìn)電機(jī)
3、iii Abstract Since the 21st century, the human economy has developed high speed, the people live have had the change which changes with each new day, the microprocessor, the microcomputer obtain the widespread application in various area of technology, to various domains technology development enorm
4、ous promotion effect. A perfect integration of machinery system, should contain the following several base elements: Basic machine, power and actuation part, implementing agency, sensing measurement component, control and information processing part. The integration of machinery is the system techno
5、logy, the computer and the information processing and management technology, the automatic control technology, the examination sensing technology, the servo drive technology and the mechanical skill and so on multi-disciplinary area of technology synthesis overlapping technology-intensive systems en
6、gineering. New generations CNC system this kind of model integration of machinery product toward the high performance, the intellectualization, the systematization as well as the featherweight, the microminiaturized direction develops. key words: Cross table Ball screw Rolling guide Stepper motor 1
7、一 前言 當(dāng)今世界數(shù)控技術(shù)及裝備發(fā)展的趨勢(shì)及我國(guó)數(shù)控裝備技術(shù)發(fā)展和產(chǎn)業(yè)化的現(xiàn)狀 在我國(guó)對(duì)外開放進(jìn)一步深化的新環(huán)境下 ,發(fā)展我國(guó)數(shù)控技術(shù)及裝備、提高我國(guó)制 造業(yè)信息化水平和國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)能力的重要性 ,并從戰(zhàn)略和策略兩個(gè)層面提出了發(fā)展我國(guó) 數(shù)控技術(shù)及裝備的幾點(diǎn)看法。 裝備工業(yè)的技術(shù)水平和現(xiàn)代化程度決定著整個(gè)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的水平和現(xiàn)代化程度 ,數(shù) 控技術(shù)及裝備是發(fā)展新興高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)和尖端工業(yè)的使能技術(shù)和最基本的裝備 ,又是 當(dāng)今先進(jìn)制造技術(shù)和裝備最核心的技術(shù)。數(shù)控技術(shù)是用數(shù)字信息對(duì)機(jī)械運(yùn)動(dòng)和工作過 程進(jìn)行控制的技術(shù) ,而數(shù)控裝備是以數(shù)控技術(shù)為代表的新技術(shù)對(duì)傳統(tǒng)制造產(chǎn)業(yè)和新興 制造業(yè)的滲透形成的機(jī)電一體化產(chǎn)品
8、,其技術(shù)范圍覆蓋很多領(lǐng)域。 數(shù)控機(jī)床課程設(shè)計(jì)是一個(gè)重要的時(shí)間性教學(xué)環(huán)節(jié)，要求學(xué)生綜合的運(yùn)用所學(xué) 的理論知識(shí)，獨(dú)立進(jìn)行的設(shè)計(jì)訓(xùn)練，主要目的： 1、通過設(shè)計(jì)，使學(xué)生全面地、系統(tǒng)地了解和掌握數(shù)控機(jī)床的基本組成及其想關(guān)知 識(shí)，學(xué)習(xí)總體的方案擬定、分析與比較的方法。 2、通過對(duì)機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，掌握幾種典型傳動(dòng)元件與導(dǎo)向元件的工作原理、設(shè)計(jì) 計(jì)算及選用的方式 3、通過對(duì)機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，掌握常用伺服電機(jī)的工作原理 4、培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立分析問題和解決問題的能力，學(xué)習(xí)并樹立“系統(tǒng)設(shè)計(jì)”的思想 5、鍛煉提高學(xué)生應(yīng)用手冊(cè)和標(biāo)準(zhǔn)、查閱文獻(xiàn)資料及撰寫科技論文的能力 二 設(shè)計(jì)任務(wù) 設(shè)計(jì)一套供立式數(shù)控銑床使用的 X-Y 數(shù)控工
9、作臺(tái)，主要參數(shù)如下： 1、 立銑刀最大直徑的 d=15mm；立銑刀齒數(shù) Z=3；最大銑削寬度 =15mm；最大背吃刀ca 量 =8mm；加工材料為碳素鋼或有色金屬。pa 2、 X、Z 方向的定位精度均為0.02mm。 3、工作臺(tái)面尺寸為 230mm230mm，加工范圍為 250mm250mm 4、工作臺(tái)空載進(jìn)給最快移動(dòng)速度： ，工作臺(tái)進(jìn)給最快移動(dòng)maxya30/minV 速度: ，加減速 0.4s。maxya40/inV 2 三 設(shè)計(jì)主要步驟 （一） 確定設(shè)計(jì)總體方案 1、初擬機(jī)械傳動(dòng)部件方案： 方案一：、絲杠螺母副的選擇： 滾珠絲杠（內(nèi)循環(huán)） 、導(dǎo)軌副的選擇： 滑動(dòng)導(dǎo)軌 、伺服電動(dòng)機(jī)的選擇：
10、 步進(jìn)電機(jī) 、減速裝置的選擇： 消隙式齒輪減速箱 方案二：、絲杠螺母副的選擇： 滾珠絲杠（外循環(huán)） 、導(dǎo)軌副的選擇： 滾動(dòng)導(dǎo)軌（滾珠） 、伺服電動(dòng)機(jī)的選擇： 步進(jìn)電機(jī) 、減速裝置的選擇： 無（直接用聯(lián)軸器將電動(dòng)機(jī)與絲杠連接， 變速直接由脈沖頻率來控制） 2、方案對(duì)比分析： （1）絲杠螺母副的選擇： 對(duì)于設(shè)計(jì)條件 X、Y 方向定位精度均為 0.02mm，絲杠的精度要比定位精度要高， 可見只有選用滾珠絲桿副才能達(dá)到要求，滾珠絲桿副的傳動(dòng)精度高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、運(yùn) 轉(zhuǎn)平穩(wěn)、壽命長(zhǎng)、效率高、預(yù)緊后可消除反向間隙。 經(jīng)對(duì)比，最終選擇內(nèi)循環(huán)滾珠絲杠，因?yàn)檫@樣摩擦損失小，傳動(dòng)效率高，且徑向 尺寸結(jié)構(gòu)緊湊，軸向剛
11、度高。 由于安裝定位精度不是很高，故選用墊片消隙式進(jìn)行調(diào)隙，這種方法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、 剛性好、裝卸方便，適用于一般精度的機(jī)構(gòu)。 、導(dǎo)軌副的選擇： 要設(shè)計(jì)的數(shù)控銑床工作臺(tái)，需要承受的載荷不大，對(duì)于設(shè)計(jì)任務(wù)精度要求為 0.02mm，要求精度較高，因此選用直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副，它具有摩擦系數(shù)小，不易爬行， 傳動(dòng)效率高，結(jié)構(gòu)緊，安裝預(yù)緊方便等優(yōu)點(diǎn)。 、伺服電動(dòng)機(jī)的選擇： 為保證定位精度，選用步進(jìn)電機(jī)作為伺服電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)精度很高，開環(huán)接入也 3 滿足本設(shè)計(jì)精度要求，根據(jù)任務(wù)要求，空載最快移動(dòng)速度為 3000mm/min，故本設(shè)計(jì)不 必采用高檔次的伺服電機(jī)，綜合考慮之后選用的電機(jī)為混合式步進(jìn)電機(jī)，提高產(chǎn)品經(jīng) 濟(jì)性。
12、 、減速裝置的選擇： 選擇了步進(jìn)電動(dòng)機(jī)和滾珠絲桿副以后，為了圓整脈沖當(dāng)量，放大電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn) 矩，降低運(yùn)動(dòng)部件折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，可能需要減速裝置，且應(yīng)有消間 隙機(jī)構(gòu)，如果要選用減速裝置，則應(yīng)選用無間隙齒輪傳動(dòng)減速箱。但步進(jìn)電機(jī)本身就 有調(diào)速功能，此處設(shè)計(jì)工作臺(tái)很小，輸出扭矩與慣量負(fù)載都很小，步進(jìn)電機(jī)可以承受， 所以此處不需要額外減速裝置。 3、最終方案： 、絲杠螺母副的選擇： 滾珠絲杠（內(nèi)循環(huán)） 、導(dǎo)軌副的選擇： 滾珠導(dǎo)軌 、伺服電動(dòng)機(jī)的選擇： 步進(jìn)電機(jī)（混合式） 、減速裝置的選擇： 無 （二） 機(jī)械傳動(dòng)部件的計(jì)算與選型 1 導(dǎo)軌上移動(dòng)部件的重量估算。 按照下導(dǎo)軌上面移動(dòng)部件的重量
13、來進(jìn)行估算。包括工件、夾具、工作平臺(tái)、上層 電動(dòng)機(jī)、減速箱、滾珠絲杠副、直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副、導(dǎo)軌座等，估計(jì)重量約為 800N。 2 計(jì)算切削力 根據(jù)任務(wù)條件 1、立銑刀最大直徑的 d=15mm；立銑刀齒數(shù) Z=3；最大銑削寬度 =15mm；最大背吃刀量 =8mm；加工材料為碳素鋼或有色金屬。capa 設(shè)銑刀為硬質(zhì)合金銑刀，工件材料為碳素鋼，由【2】P170 表 10-1 4 可知 d=15mm 的硬質(zhì)合金立銑刀最大的切削參數(shù)如下： 每齒進(jìn)給量 fz=0.15mm 粗取銑刀轉(zhuǎn)速 n=300r/min 查得立銑時(shí)切削力計(jì)算公式為： 0.85.70.31.0cezp1afdanZF 將以上各值代入得：
14、1671N.5.7.1083N 采用立銑刀進(jìn)行圓柱銑削時(shí)，由上表可得各切削了之間的關(guān)系為： =(1.01.2) 取 1.1fF/c / =(0.20.3) 取 0.25fn / =（0.350.4） 取 0.38ec 5 因?yàn)槟驺姷那闆r的受力最大的情況，為了安全考慮這種最危險(xiǎn)的工況。由此可估 算三個(gè)方向的銑削力分別為： （與絲杠軸線平行） 1.83fcFN （與絲杠軸線垂直）0254fn （與工作臺(tái)面垂直）.6ec 相對(duì)于工作臺(tái)，以上各分力方向分別對(duì)應(yīng)： 縱向銑削力 xfF=183N 徑向銑削力 yfn4 垂直工作臺(tái)切削力 ze65 3 滾珠絲杠傳動(dòng)設(shè)計(jì)計(jì)算及校驗(yàn) 、最大工作載荷的計(jì)算 已知移
15、動(dòng)部件總重量 G=800N，按滾動(dòng)導(dǎo)軌計(jì)算，滾動(dòng)導(dǎo)軌上的摩擦系數(shù)查【3】 中 P194 可知 =0.00250.005,為安全考慮現(xiàn)取 =0.005，求得滾珠絲杠副的最大工 作載荷： 6 xF(F)eqyZuG =1838+0.005 （418+635+800） =1847N 、最大計(jì)算動(dòng)載荷的確定 任務(wù)條件提出工作臺(tái)進(jìn)給最快移動(dòng)速度為 V=400mm/min，初選絲杠導(dǎo)程 P=5mm,則 此時(shí)絲杠轉(zhuǎn)速 =v/P=80r/min。eqn 有網(wǎng)上收集資料得知，每天工作 8 小時(shí)，每年工作 360 天，一般滾珠絲杠的精度 在 3 到 5 年后嚴(yán)重下降，所以預(yù)計(jì)滾珠絲杠工作壽命為 4 年， 所以使用
16、壽命為：T=43608=11520h 根據(jù)【3】p110 中公式 5-4 得： = 601eqnT6N 其中 T使用壽命 11520 h N循環(huán)次數(shù) 滾珠絲杠的當(dāng)量轉(zhuǎn)速 80r/mineqn 求得： 55（ ） 608152T610r 查【3】中 P110，表 5-1、5-2 得，受中等沖擊載荷取值范圍 ，現(xiàn)取1.25df ，滾道硬度為 60HRC 時(shí)，硬度影響系數(shù)取值 ，由【3】中 P109，式 5-3 1.3df .hfcdheqCTfF 將以上數(shù)據(jù)代入得： 9131N351.0847cC 、型號(hào)規(guī)格的初選 表（1） 山東博特精工股份有限公司 G、GD 系列滾珠絲杠 7 網(wǎng)上查得的山東博特
17、精工股份有限公司 G、GD 系列滾珠絲杠如上，根據(jù)以上初選 絲杠導(dǎo)程和計(jì)算出的最大動(dòng)載荷，選用山東博特精工股份有限公司 GD 系列 2005-3 型 滾珠絲杠副，為內(nèi)循環(huán)固定反向器雙螺母墊片預(yù)緊式滾珠絲杠副，其公稱直徑為 20mm，導(dǎo)程為 5mm，循環(huán)滾珠為 3 圈2 系列，精度等級(jí)取 5 級(jí)，螺母安裝尺寸 L=80mm，額定動(dòng)載 荷為 9309N，大于最大計(jì)算動(dòng)載荷 =9131N，滿足要求。其他詳細(xì)cC 參數(shù)可由上圖得出。 滾珠絲杠螺母副幾何參數(shù) （單位 mm） 名 稱 符 號(hào) 計(jì)算公式和結(jié)果 公稱直徑 0d20 螺距 P 5 接觸角 4 鋼球直徑 wd3.175 絲杠滾道 螺紋滾道法面半徑
18、 R0.521.6wd 8 偏心距 e0.49 螺紋升角 arc3hwPtgd 絲杠外徑 1d19.3 絲杠底徑 26. 絲桿 螺桿接觸直徑 z cos17.5zwbd 螺母螺紋外徑 D0232eR絲杠螺母 螺母內(nèi)徑（內(nèi)循環(huán)） 1.4 、傳動(dòng)效率的計(jì)算 由上表可知絲杠的螺旋升角為 433，將摩擦角 =10，代入 =tan/tan(+),得傳動(dòng)效率 =96.4%。 、剛度的校驗(yàn) 對(duì)于這種較高精度、中等載荷的絲杠，我們兩層工作臺(tái)都采用一端固定一端游動(dòng) 的安裝方式，即一端采用深溝球軸承，一端采用一對(duì)背對(duì)背角接觸球軸承。 絲杠螺母的剛度的驗(yàn)算可以用接觸量來校核。 a、 滾珠絲杠滾道間的接觸變形量 ，查
19、【4】中相關(guān)公式，根據(jù)公式 ，求得單圈滾珠數(shù) Z=20；該型號(hào)絲杠為雙螺母，滾珠的圈數(shù) 列數(shù)為0/WZd 3 2，代入公式 Z 圈數(shù) 列數(shù)，得滾珠總數(shù)量 =120。絲杠預(yù)緊時(shí)，取軸向預(yù)緊Z 力 /3=616N。查【4】 中相關(guān)公式，得，滾珠與螺紋滾道間接觸變形 eqFy 式中 Pa= = 3310./wyPadFz 3310./wyPadFz 。因?yàn)榻z杠有預(yù)緊力，且為軸向負(fù)載的3.847.15620.16 1/3，所以實(shí)際變形量可以減少一半，取 =0.0008mm。 b、 絲杠在工作載荷 作用下的抗拉壓變形maxF2 絲杠采用的是一端采用深溝球軸承，一端采用一對(duì)背對(duì)背角接觸球軸承的配置形式，
20、軸承的中心距 a=500mm,鋼的彈性模量 E=2.1 10 MPa,由表一中可知，滾珠直徑5 =3.175mm,絲杠底徑 =16.2mm，則絲杠的截面積 S= =206.12 ,有公式wd2d2d/4 2m 9 2F/eqaES 其中，最大工作載荷 =1847N 中心距 a=500mm,（由機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)零件部分查得） 彈性模量 E=2.1 10 MPa5 截面積 S= =206.122d/4 2m 代入以上數(shù)據(jù)，得 =0.0213mm2 則 總 = 1+ 2=0.0008+0.0213=0.0187mm=18.7 根據(jù)網(wǎng)絡(luò)版機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)查得 設(shè)計(jì)任務(wù)要求加工范圍為 250mm 250mm，所
21、以取絲杠有效行程為 290mm，由上圖可知， 5 級(jí)精度的絲杠有效行程小于 315mm 時(shí)，行程偏差允許到 23 ，可見絲杠剛度滿足。m 、穩(wěn)定性的驗(yàn)算 根據(jù)【5】P115 公式 4-18，對(duì)于細(xì)長(zhǎng)絲桿，不會(huì)發(fā)生失穩(wěn)的最大壓縮載荷為臨界力 erF 41023.erfdFL 式中 ，m；20.wdD 為絲桿公稱直徑，m；0 10 為滾珠絲杠直徑，m；wD 為絲杠最大受壓長(zhǎng)度，m；滾動(dòng)螺母至軸向固定處的距離 L 取最大值0L 365mm。 為絲杠支承方式系數(shù)。當(dāng)一端固定一段游動(dòng)的時(shí) 。1f 12.0f 代入相應(yīng)數(shù)字得 41023.erfdFL 4102.6.35 =35155N 取壓桿穩(wěn)定系數(shù) K
22、 為 3（絲桿臥式水平安裝） 則 臨界力大于額定動(dòng)載荷 Cc=9131N，所以滿足eraFP=51/=78N 使用要求。 、臨界轉(zhuǎn)速的驗(yàn)算 對(duì)于絲杠有可能發(fā)生共振，需驗(yàn)算其臨界轉(zhuǎn)速，不會(huì)發(fā)生共振的最高轉(zhuǎn)速為臨界 轉(zhuǎn)速 ，由【5】 中 P115 式 4-19 得：cn 2cfdn910L 其中 20-1.23.175=16.19mm20wd1.D 為臨界轉(zhuǎn)速計(jì)算長(zhǎng)度cLc216.d 為絲杠支承方式系數(shù)，一端固定，一端游動(dòng)時(shí) =3.9272f 2f 代入數(shù)據(jù)得：n c =9428r/min 臨界轉(zhuǎn)速遠(yuǎn)大于絲杠所需轉(zhuǎn)速，故不會(huì)發(fā)生共振。 、滾珠絲杠的選型及安裝連接尺寸的確定 通過以上驗(yàn)算可知初選的
23、GD2005-3 型的絲杠是完全滿足要求的，故確認(rèn)選用該 型號(hào)。 其安裝連接尺寸可由以上表（1）中得出。 11 4 步進(jìn)電機(jī)的傳動(dòng)計(jì)算及電動(dòng)機(jī)的選用 、傳動(dòng)計(jì)算 根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)要求，機(jī)床加工精度為0.02mm，選用脈沖當(dāng)量為 0.01 mm/Hz， 絲杠導(dǎo)程為 5mm，又由于初定方案中不用減速箱，而用聯(lián)軸器直接將電動(dòng)機(jī)與絲杠連接， 所以取減速比為 i=1 算的電機(jī)步距角： =360i/P b=0.72 、步進(jìn)電機(jī)的計(jì)算及選型 、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算。 總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 J 主要包括電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、滾珠絲杠上一級(jí)移動(dòng)部件等折算到 電動(dòng)機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。 、滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 J 由【
24、3】中 P134 式 5-28 得： 4120.7DL 式中 D 為絲杠公稱直徑 D=20mm L 為絲杠長(zhǎng)度=有效行程+螺母長(zhǎng)度+設(shè)計(jì)余量+兩端支撐長(zhǎng)度（軸 承寬度+鎖緊螺母寬度+裕量）+動(dòng)力輸入連接長(zhǎng)度（如果使用聯(lián)軸器則大致是聯(lián)軸器長(zhǎng) 度的一半+裕量）=290+80+20+100+40=530 代入數(shù)據(jù)得 J=0.7720 53010 =6.5310 kg.4125 、滾珠絲杠上一級(jí)移動(dòng)部件等折算到電動(dòng)機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 由【3】中 P134 式 5-29 得： 262()0sJM 其中 M 為工作臺(tái)的（包括工件）的質(zhì)量 M= =81.6kg809.Gg S 為絲杠螺距 S=5mm 代入數(shù)據(jù)
25、，得： 265225()81.0.1.Jkm 、初選常州寶馬前楊電機(jī)電器有限公司的 90YG5502 型混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，可 知其轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 430kg. 所以 =6.5310 +5.210 +410 =5.210 Nm12dJJ5544 驗(yàn)算慣量匹配，電動(dòng)機(jī)軸向慣量比值應(yīng)控制在一定的范圍內(nèi)，既不應(yīng)太大也不應(yīng)太小， 即伺服系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性取決于負(fù)載特性。為使該系統(tǒng)慣量達(dá)到較合理的配合，一般比 值 12 控制在 1/41 之間， = =0.3123J.4 由此可見: ,符合慣量匹配要求。123J4(J3) 、步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)軸上的等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩 M 的計(jì)算。 a、承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩在不同工況下是不同的，考
26、慮最大切削負(fù)載時(shí)電動(dòng)機(jī)所需力 矩，由【3】中 P132 式 5-25 得： 10atftM 其中加速力矩 9.6ratJnT 其中: 為折算到電動(dòng)機(jī)軸上的總慣量 = =5.210r rJd4 T 系統(tǒng)時(shí)間常數(shù)，由任務(wù)書知為 T=0.4S 切削時(shí)的轉(zhuǎn)速為 300r/mintn 得： Mat = =0.041 Nm 45.210396. 摩擦力矩 30fFSi 其中： 為導(dǎo)軌摩擦力0 ()(63580).57.2ZFGuN S 為絲杠螺距 S=5mm i 為齒輪降速比，已計(jì)算出為 1 為傳動(dòng)鏈總效率，=0.70.8，取 0.8 代入數(shù)據(jù) 得： Nm0.7fM 附加摩擦力矩 23max00(1)FS
27、i 其中： 為最大軸向載荷， Famax=Fx=1838Nax 為滾珠絲杠未預(yù)緊時(shí)的效率， =0.950.9 0 0 其余數(shù)據(jù)同上 代入數(shù)據(jù) 得： Nm0.178M 13 切削力矩 其中： 進(jìn)給方向的最大切削力3102ttFSMi tF183txFN 其余參數(shù)同上。 代入數(shù)據(jù)得： Nm1.89t 由此都得到等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩 Nm102.atftM b、快速空載時(shí)電動(dòng)機(jī)所需力矩 M 由【3】中 P132 式 5-24 得： max0f 加速力矩 maxax9.6rJnMT 其中： max1530/inhVnrP 其余參數(shù)同上 代入數(shù)據(jù)得： Nmmax0.31 摩擦力矩 2 fGSuMi 其中：u 為
28、導(dǎo)軌副的摩擦因數(shù)，滑動(dòng)導(dǎo)軌取 u=0.005 其余參數(shù)同上。 代入數(shù)據(jù)得： Nm0.4f 附加摩擦力矩： 23max00(1)FSMi 其余參數(shù)同上 代入數(shù)據(jù)得： Nm0.78 所以可知快速空載時(shí)電機(jī)所需力矩： =0.213Nm2max0fM 比較 和 ，取其較大者，就是最大等效負(fù)載，即： = =2.0N.M1M2 1M 、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的初選。 考慮到步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電源受電網(wǎng)的影響較大，當(dāng)輸入電壓降低時(shí)，其輸入轉(zhuǎn) 矩也會(huì)下降，可能會(huì)造成丟步，甚至堵轉(zhuǎn)，因此按最大等效負(fù)載 M 考慮一定的安全 系數(shù) ，取 =2.5，則步進(jìn)電機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩應(yīng)滿足： 14 Nmmax32.50.jTM 由所選的電機(jī)型號(hào)
29、參數(shù)可知，最大轉(zhuǎn)矩 Nm，可知所選電動(dòng)機(jī)型號(hào)剛好max5jT 適合。 、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的性能校核 1） 、最快工進(jìn)速度時(shí)電動(dòng)機(jī)時(shí)輸出轉(zhuǎn)矩校核 任務(wù)書給定工作臺(tái)最快工進(jìn)速度 =400mm/min，脈沖當(dāng)量 /脈沖，maxfV0.1m 15 求出電動(dòng)機(jī)對(duì)應(yīng)的運(yùn)行頻率 。從 90BYG5502 電動(dòng)機(jī)的max40/(6.1)67f Hz 運(yùn)行矩頻特性曲線圖（下圖）可以看出在此頻率下，電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩 4Nm，maxfT 遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于最大工作負(fù)載轉(zhuǎn)矩 =1.94Nm，滿足要求。2eqT 2） 、最快空載移動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩校核 任務(wù)書給定工作臺(tái)最快空載移動(dòng)速度 =3000mm/min，求出其對(duì)應(yīng)運(yùn)行頻maxv
30、 fmax=3000/(600.01)=5000Hz。由圖查得，在此頻率下，電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩 =3.2Nm，大于快速空載起動(dòng)時(shí)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩 =0.213Nm，滿足要求。maxT 1eqT 3） 、最快空載移動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行頻率校核 與快速空載移動(dòng)速度 =3000mm/min 對(duì)應(yīng)的電動(dòng)機(jī)運(yùn)行頻率為 。查上圖maxv max50zfH 技術(shù)參數(shù)中相應(yīng)表格，可知 90BYG5502 電動(dòng)機(jī)的空載運(yùn)行頻率可達(dá) 20000 ，可見沒 有超出上限。 4） 、啟動(dòng)頻率的校核 已知電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 ，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量25.eqJkgcm ，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸不帶任何負(fù)載時(shí)的空載起動(dòng)頻率 。由式可知2mJkg
31、c 20qzfH 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)克服慣性負(fù)載的起動(dòng)頻率為： 1381/qLemff zJ 說明：要想保證步進(jìn)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)不失步，任何時(shí)候的起動(dòng)頻率都必須小于 。實(shí)際上，在采用軟件升降頻時(shí)，起動(dòng)頻率選得更低，通常只有 。138Hz 10Hz 綜上所述，本次設(shè)計(jì)中工作臺(tái)的進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)選用 90BYG5502 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，完全 滿足設(shè)計(jì)要求。 16 5 滑動(dòng)導(dǎo)軌的設(shè)計(jì)計(jì)算 工作載荷的計(jì)算 工作載荷是影響導(dǎo)軌副壽命的重要因素，對(duì)于水平布置的十字工作臺(tái)多采用雙導(dǎo) 軌、四滑塊的支承形式?？紤]最不利的情況，即垂直于臺(tái)面的工作載荷全部由一個(gè)滑 塊承擔(dān)，則單滑塊所承受的最大垂直方向載荷為： max4GF 其中，移動(dòng)
32、部件重量 G=800N,外加載荷外加載荷 635FeN 得最大工作載荷 。ax8350.Nk 小時(shí)額定工作壽命的計(jì)算 預(yù)期工作臺(tái)的工作壽命為 4 年，取工作時(shí)間為 360 天，每天工作 8 小時(shí)，因此得 到小時(shí)額定工作壽命 1520hL 距離額定壽命計(jì)算 由公式 ，從而得到 3260hnS32601hLnS 式中： 為小時(shí)額定工作壽命。hL n 為移動(dòng)件每分鐘往復(fù)次數(shù)（46）取 5 S 為移動(dòng)件行程長(zhǎng)度，由加工范圍為 250mm250mm 取 290mm 代入數(shù)據(jù) 得： L=2004km . 額定動(dòng)載荷計(jì)算 由公式 36.25(/)aCF 從而得到： 6.25L 式中： 為額定動(dòng)載荷a L 為
33、距離工作壽命，由上式可知為 2004km F 為滑塊的工作載荷，由上式可知為 835N 代入數(shù)據(jù)得： =5715NaC 產(chǎn)品選型 根據(jù)額定動(dòng)載荷，選擇滾動(dòng)導(dǎo)軌，查滾動(dòng)導(dǎo)軌生產(chǎn)廠家, 煙臺(tái)同升科技發(fā)展 17 有限公司的 EGW 15CA 型，相關(guān)數(shù)據(jù)如下： 可知額定動(dòng)載荷為 7.83KN，大于 5715N，所以滿足要求。 6 其余部件的選取 （1）聯(lián)軸器的選擇 選用伺服電機(jī)常用的撓性聯(lián)軸器，撓性聯(lián)軸器特點(diǎn)如下： 根據(jù)大于最大工作負(fù)載轉(zhuǎn)矩 =2.0Nm，電動(dòng)機(jī)軸徑 14mm，選擇滄州天碩聯(lián)軸器有2eqT 限公司的 TS2-25S 型梅花聯(lián)軸器，具體參數(shù)如下圖： 18 19 （2）軸承的選擇 由于絲
34、杠直徑為 20，其與軸承連接處直徑為 15，根據(jù)國(guó)標(biāo) GB/T2922007，選用單列 角接觸球軸承 7002AC 型， 根據(jù)國(guó)標(biāo) GB/T 2761994 選用 6002 型深溝球軸承 （3） 卡簧的選擇 網(wǎng)上查的卡簧規(guī)格參數(shù)如下： 20 由軸徑為 15 選擇相應(yīng)卡簧。 結(jié)論 整個(gè)系統(tǒng)采用開環(huán)控制系統(tǒng)，進(jìn)給系統(tǒng)采用了 GDM 系列滾珠絲杠副，其型號(hào)為： 2005-3。以提高整個(gè)系統(tǒng)的進(jìn)給要求。根據(jù)切削力的分析選用滾動(dòng)導(dǎo)軌，減少摩擦損 失，同時(shí)保證了強(qiáng)度與精度要求，伺服系統(tǒng)采用了混合步進(jìn)電機(jī)通過彈性聯(lián)軸器直接 與滾珠絲杠連接驅(qū)動(dòng)絲杠傳動(dòng)。而且軸承采用的是角接觸軸承保證其主軸不竄動(dòng)，采 用一個(gè)深
35、溝球軸承來保證其徑向的圓跳動(dòng)。選用 0.72步距腳的控制伺服電機(jī)單位正 轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)及轉(zhuǎn)速，同時(shí)為了保證一定的精度的要求。在設(shè)計(jì)中我們兼顧經(jīng)濟(jì)性，考慮 滿足精度的要求，因此對(duì)于設(shè)備及元件的選擇都要求具有高精度，因此設(shè)計(jì)的成本較 高。 21 致謝 這次的課程設(shè)計(jì)是對(duì)過去所學(xué)專業(yè)知識(shí)的一個(gè)全面的綜合的運(yùn)用。在設(shè)計(jì)的過程 中我全面地溫習(xí)了以前所學(xué)過的知識(shí)，包括機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)和機(jī)械制圖方面的基礎(chǔ)知識(shí)， 進(jìn)一步掌握了整個(gè)設(shè)計(jì)的步驟，經(jīng)過復(fù)習(xí)整理所學(xué)得專業(yè)知識(shí)使得設(shè)計(jì)思路清晰系統(tǒng)。 通過設(shè)計(jì)使我更加接近生產(chǎn)實(shí)際，鍛煉了將理論運(yùn)用于實(shí)際的分析和解決實(shí)際問題的 能力，鞏固、加深了有關(guān)機(jī)械設(shè)計(jì)方面的知識(shí)。 還有很重要
36、的一點(diǎn)是讓我體會(huì)到了一個(gè)設(shè)計(jì)者的精神。在設(shè)計(jì)過程中既要自己不 斷思考、創(chuàng)造，又要注意借用現(xiàn)有的資料，掌握了查閱和使用標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范、手冊(cè)、圖 冊(cè)、及相關(guān)技術(shù)資料的基本技能以及計(jì)算、繪圖、數(shù)據(jù)處理等方面的能力。 通過對(duì)通用機(jī)械零件、常用機(jī)械傳動(dòng)或簡(jiǎn)單機(jī)械的設(shè)計(jì)，掌握了一般機(jī)械設(shè)計(jì)的 程序和方法，借助于 CAD 軟件繪圖，不但更加熟練地掌握 CAD 軟件的應(yīng)用，而且有助 于樹立正確的工程設(shè)計(jì)思想，培養(yǎng)獨(dú)立、全面、科學(xué)的機(jī)械設(shè)計(jì)能力。 在整個(gè)設(shè)計(jì)過程中，發(fā)現(xiàn)了自己的很多不足，比如基礎(chǔ)的遺忘、沒有掌握更快捷 方法等，有很多地方都要參考、詢問其他人，再如設(shè)計(jì)圖形的表達(dá)方式，那些該剖， 怎樣剖才更更清楚等等，發(fā)現(xiàn)自己距離真正的設(shè)計(jì)師還有很大很大的距離；但是，網(wǎng) 絡(luò)是我們的優(yōu)勢(shì)，百度谷歌就是我們?nèi)f能的導(dǎo)師，相信我們足夠努力，我們會(huì)一步一 步靠近我們的目標(biāo)。 最后對(duì)在整個(gè)設(shè)計(jì)過程中對(duì)老師認(rèn)真、耐心輔導(dǎo)表示衷心的感謝。 參考文獻(xiàn) 【1】 、吳新佳 數(shù)控加工工藝與編程北京：人民郵電出版社，2009 【2】 、陸劍中金屬切削原理與刀具北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005 【3】文懷興、夏田 數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)設(shè)計(jì) 北京：北京化工出版社，2005 【4】 、李洪 .機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)北京：遼寧科學(xué)技術(shù)出版社，1999. 【5】文懷興、夏田 數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)踐指南 北京：北京化工出版社， 2008
XY工作臺(tái)課程設(shè)計(jì)數(shù)控.doc
