一種改裝用數(shù)控XY平臺機械部件設(shè)計含CAD圖
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一種改裝用數(shù)控 XY 平臺機械部件設(shè)計
摘要
X-Y 數(shù)控工作臺改裝設(shè)計是一個開環(huán)控制系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)簡單。實現(xiàn)方便并且能夠保證一定的精度。 本文主要對工作臺的機械部分進行設(shè)計，對滾珠絲杠， 滾動導(dǎo)軌及步進電動機做了設(shè)計計算及選用，并也對軸承座和聯(lián)軸器進行了分析 和選擇，另外也利用 AutoCAD 進行了裝配圖的繪制，對其導(dǎo)軌座的設(shè)計及各零部件的安裝也作了比較詳細的說明。 針對滾珠絲杠的計算，通過對滾珠絲杠的動載荷及靜載荷的計算，確定所要絲杠的動靜載荷值，并選擇。 針對滾動導(dǎo)軌， 分別計算滾動導(dǎo)軌的動載荷及其工作壽命來確定滾動導(dǎo)軌的參數(shù)，并選取。 針對步進電動機的選取，我分別作了其轉(zhuǎn)動慣量和轉(zhuǎn)動力矩的計算，根據(jù)所得的數(shù) 據(jù)作步進電動機的選擇。
關(guān)鍵詞：XY 工作臺 步進電動機 滾動導(dǎo)軌 滾珠絲杠
III
ABSTRACT
X - Y numerical control table modified design is an open-loop control system, its structure is simple. Implementation is convenient and can guarantee the accuracy. This article mainly discusses the mechanical part design workbench, the ball screw, rolling guide and the stepping motor to do the design calculation and selection, and also analyses the bearing and coupling and choice, was also done using AutoCAD draw assembly drawings, the guide rail bridge design and installation of parts of also made a more detailed instructions. According to the calculation of ball screw, through the dynamic load of ball screw and the calculation of the static load, determine the value of dynamic and static load of a ball screw, and choose. In view of the rolling guide, dynamic load and the working life of the rolling guide are calculated respectively to determine the parameters of the rolling guide, and selection. In view of the stepper motor selection, I respectively for the calculation of moment of inertia and rotational torque, according to the data for the selection of the stepper motor.
Keywords:
XY worktable stepper motor rolling guide Ball screw
目錄
摘要 II
ABSTRACT III
第一章《數(shù)控機床》課程設(shè)計指導(dǎo)書 1
1.1 、設(shè)計的目的 1
1.2 、設(shè)計的內(nèi)容及步驟 1
1.2.1 、設(shè)計目的： 1
1.2.2 、設(shè)計主要步驟 1
1.2.3 設(shè)計的總體要求 2
第二章、緒論 3
2.2 課題來源及意義 3
2.2.1 數(shù)控機床XY 工作臺設(shè)計依據(jù) 3
2.2.2 課題的意義 4
2.2.3 發(fā)展現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢 4
第三章、總體方案的確定 7
3.1 、機械傳動部件的選擇 7
3.1.1 、導(dǎo)軌副的選用 7
3.1.2 、絲杠螺母副的選用 7
3.1.3 、伺服電動機的選用 7
第四章、機械部分改裝設(shè)計計算 8
4.1 、初步確定工作臺的尺寸及其重量 8
4.2 、傳動系統(tǒng)設(shè)計 8
4.3 、滾珠絲杠的設(shè)計計算及選擇： 9
4.3.1 、求出螺旋傳動的計算載荷 FC
............................ 9
4.3.2 、額定動載荷及壽命計算： 9
4.3.3 、滾珠絲杠的選?。?10
4.3.4 、滾道半徑、偏心距、絲杠內(nèi)徑的計算 12
4.3.5 、穩(wěn)定性計算 12
4.4 、滾動導(dǎo)軌參數(shù)計算與選型： 13
4.4.1 、導(dǎo)軌的當量載荷 14
4.4.2 、當量載荷： 14
4.4.4、驗算額定靜載荷： 15
4.5 、步進電機的設(shè)計計算和選用 15
4.5.1 、計算系統(tǒng)在電機軸上的等效轉(zhuǎn)動慣量： 16
4.5.2 、電動軸轉(zhuǎn)矩的計算： 16
4.5.3 、步進電動機的選擇: 17
4.6 、聯(lián)軸器的選擇 18
4.6.1 、聯(lián)軸器的介紹: 18
4.6.2 、聯(lián)軸器的選擇: 18
4.7 、螺桿支撐座的選擇： 20
第五章、總結(jié) 21
第六章、參考文獻 22
V
第一章《數(shù)控機床》課程設(shè)計指導(dǎo)書
1.1 、設(shè)計的目的
通過本設(shè)計，使學(xué)生全面地、系統(tǒng)地了解和掌握機電一體化技術(shù)的基本內(nèi)容 和基本知識，初步掌握機電一體化系統(tǒng)設(shè)計方法，并能學(xué)會運用手冊、標準等技 術(shù)資料。同時培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識、工程意識和動手能力。
1.2 、設(shè)計的內(nèi)容及步驟
題目：鉆床改裝用數(shù)控 XY 工作臺設(shè)計
1.2.1 、設(shè)計目的：
設(shè)計一套簡易數(shù)控 XY 工作臺，固定在某一鉆床的工作臺上， XY 工作臺的位置控制采用步進電機數(shù)控系統(tǒng)，通過上述方案將該普通鉆床改裝成簡易的經(jīng)濟 型數(shù)控鉆床。
設(shè)計要求：
1、改造后的鉆床能夠加工最大面積為 A×Bmm2 的工件，最大工件重量 200kg。
2、數(shù)控 XY 工作臺要求孔的定位精度在±0.02mm 內(nèi)，工作臺快進速度為
3.6m/min，加減速時間為 0.1 秒。
1.2.2 、設(shè)計主要步驟
1. 確定設(shè)計總體方案
熟悉了原機床的操作過程及傳動系統(tǒng)后，根據(jù)設(shè)計要求，以原鉆床為基礎(chǔ)保 留其主要結(jié)構(gòu)基本不變，考慮如何將設(shè)計的 XY 工作臺融入原機床機構(gòu)，使得 XY 工作臺的移動能夠通過步進電機數(shù)控系統(tǒng)控制。數(shù)控系統(tǒng)采用何種方案等。
2. 機械部分改裝設(shè)計（XY 工作臺的設(shè)計計算）
1） 初步確定工作臺尺寸及其重量
2） 傳動系統(tǒng)設(shè)計（脈沖當量的確定，傳動比的確定，齒輪設(shè)計計算，各 傳動軸及各部件轉(zhuǎn)動慣量計算）
3） 步進電機的設(shè)計計算與選用（可參考教材）
6
4） 滾珠絲杠傳動的設(shè)計計算（可參考教材及附注一《FF、FFb 型內(nèi)循環(huán)浮動式法蘭型螺母》或http://www.njyigong.com/）
5） 滾動導(dǎo)軌的設(shè)計計算
①計算導(dǎo)軌工作壽命Th（小時），假設(shè)要求壽命為 5 年以上。
② 計算導(dǎo)軌行程長度壽命 Ts（Km），Ts＝2Thlsn/103，其中 ls 為單向行程（m），n 為每分鐘往復(fù)次數(shù)。
③ 計算導(dǎo)軌的額定動載荷 Ca（N），可由公式 Ts＝6.25（Ca/F）3 求得。其中F 為每個滑座承受的工作載荷（N）
④ 根據(jù)額定動載荷 Ca 確定滾動導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)尺寸。（參見附注二《GGB 型 四 R 單 圓 弧 滾 動 直 線 導(dǎo) 軌 副 尺 寸 系 列 》 或http://www.njyigong.com/）
3. XY 工作臺裝配圖設(shè)計
4. 編寫設(shè)計說明書（不少于 20 頁）。
1.2.3 設(shè)計的總體要求
課程設(shè)計題目由指導(dǎo)教師選定，經(jīng)教研室主任審定簽字后發(fā)給學(xué)生。 設(shè)計要求包括以下幾個部分：
1. 數(shù)控XY 工作臺機械部分設(shè)計計算；
2. 數(shù)控XY 工作臺機械部分裝配圖設(shè)計（A0）；
3. 編寫設(shè)計說明書 （不少于 20 頁）
按教學(xué)計劃規(guī)定，機電一體化課程設(shè)計總學(xué)時數(shù)為 2 周，其進度及時間大致分配如下：
設(shè)計總體方案及系統(tǒng)總體設(shè)計的確定 1 天
機械部分計算、結(jié)構(gòu)設(shè)計、裝配圖繪制 5～7 天
編寫設(shè)計說明書 1～2 天
答辯 1 天
第二章、緒論
我國現(xiàn)今工業(yè)發(fā)展的迅速程度和環(huán)境，發(fā)展我國機電數(shù)控技術(shù)及裝備、提 高我國制造業(yè)信息化水平和國際競爭能力已非常重要。機電一體化這新興學(xué)科有 其技術(shù)基礎(chǔ)、設(shè)計理論和研究方法，只有對其充分理解，才能正確的進行這方面 的工作，機電一體化的目的重在多功能、高效率、高可靠性、省材料、省能源、 不斷滿足人們生活和生產(chǎn)的多樣化需求。所以機電一體化的研究方法應(yīng)該是從系 統(tǒng)的角度出發(fā)，采用現(xiàn)代化設(shè)計分析方法，充分發(fā)揮邊緣科學(xué)技術(shù)的優(yōu)勢。
2.2 課題來源及意義
2.2.1 數(shù)控機床XY 工作臺設(shè)計依據(jù)
數(shù)控機床是用數(shù)控指令來實現(xiàn)一臺或多臺機械設(shè)備動作控制的技 術(shù)。它廣泛應(yīng)用于機械制造和自動化領(lǐng)域，數(shù)控機床的應(yīng)用不但給傳統(tǒng)的制造業(yè) 帶來了革命性的變化，使制造業(yè)成為工業(yè)化的象征，而且隨著數(shù)控機床的不斷發(fā)展和 應(yīng)用領(lǐng)域的擴大，所以 X-Y 數(shù)控工作臺設(shè)計對國計民生的一些重要行業(yè)（IT 汽車 輕工 醫(yī)療等）的發(fā)展起著越來越重要的作用。
目前國內(nèi)中小企業(yè)多采用經(jīng)濟型 X-Y 數(shù)控沖床系統(tǒng)，其加工速度 慢、編程復(fù)雜、人機界面不友好，因此生產(chǎn)效率低、工人勞動強度大。因此研制 和開發(fā)一套基于雙單片機的 X-Y 數(shù)控沖床數(shù)控系統(tǒng)， 用于裝配新沖床或?qū)?jīng)濟型 數(shù)控沖床進行改造，能夠有效的改善人機界面、提高加工速度、方便操作人員編 寫用戶加工程序，對提高企業(yè)生產(chǎn)效率、改善工人的工作環(huán)境有很大的實際意義, 工作臺是機床上必不可少的部件，工作臺的自動化能大大減輕勞動強度，提高勞 動生產(chǎn)率。隨著經(jīng)濟的發(fā)展，機械行業(yè)的許多普通機床和閑置設(shè)備，經(jīng)過數(shù)控改 造以后，不但可以提高加工精度和生產(chǎn)率，而且能有效的適應(yīng)多種品種，小批量 的市場需求，使之更有效的發(fā)揮經(jīng)濟效益和設(shè)計效益。
總而言之，目前，X-Y 數(shù)控機床的發(fā)展日新月異，高速化、高精度化、 復(fù)合化、 智能化、開放化、并聯(lián)驅(qū)動化、網(wǎng)絡(luò)化、極端化、綠色化以成為數(shù)控機 床
發(fā)展的趨勢和方向。中國作為一個制作大國，主要還是依靠勞動力、價格、資 源等方面的優(yōu)勢，而在產(chǎn)品的技術(shù)創(chuàng)新與自主開發(fā)方面與國外同行的差距還很 大。中國的數(shù)控產(chǎn)業(yè)不能安于現(xiàn)狀，應(yīng)該抓住機會不斷發(fā)展，努力縮短與發(fā)達國 家之間的差距。力爭早日實現(xiàn) X-Y 數(shù)控機床產(chǎn)品從低端到高端、從初級產(chǎn)品到高精尖端產(chǎn)品制作的變更。
2.2.2 課題的意義
通過對該課題的設(shè)計能夠正確運用機電系統(tǒng)的基本理論和相關(guān)知識，掌握機 電一體化系統(tǒng)的功能構(gòu)成，特點和設(shè)計思想、設(shè)計方法、了解設(shè)計方案的擬定、 比較、分析和計算。掌握典型機械零部件和執(zhí)行元件的計算、工作原理和軟件編 程思想。
當今世界，工業(yè)發(fā)達國家對機床工業(yè)高度重視，競相發(fā)展機電一體化、高精、 高效、高自動化先進機床，以加速工業(yè)和國民經(jīng)濟的發(fā)展。長期以來，歐、美、 亞在國際市場上相互展開激烈競爭，已形成一條無形戰(zhàn)線，特別是隨微電子、計 算機技術(shù)的進步，數(shù)控機床在 20 世紀 80 年代以后加速發(fā)展，各方用戶提出更多需求，早已成為四大國際機床展上各國機床制造商競相展示先進技術(shù)、爭奪用戶、 擴大市場的焦點。中國加入 WTO 后，正式參與世界市場激烈競爭，今后如何加強機床工業(yè)實力、加速數(shù)控機床產(chǎn)業(yè)發(fā)展，實是緊迫而又艱巨的任務(wù)。
2.2.3 發(fā)展現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢
從20 世紀60 年代以前稱為初期階段，這個時期研制和開發(fā)還處于自發(fā)狀態(tài)， 電 子技術(shù)還沒有發(fā)展到一定水平，信息技術(shù)還處于萌芽階段，因此機電技術(shù)還沒廣泛深入的發(fā)展。70 年代至 80 年代為蓬勃發(fā)展階段，這一時期，計算機技術(shù)、控制技術(shù)、通訊技術(shù)的發(fā)展，微機電一體化的發(fā)展奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。到了 20 世
紀 90 年代后期，機電一體化技術(shù)向智能化自動化邁進了新的階段，機電一體化進入了深入發(fā)展的階段。并出現(xiàn)了虛擬制造（VM）、敏捷制造（AM）快速成型制造（RPM）、并行工程（CE）等新技術(shù)。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，機電一體化已從原來的以機械為主的領(lǐng)域拓展到目前的汽車、電站、儀表、化工、通信、冶金等多 項領(lǐng)域。機電一體化產(chǎn)業(yè)覆蓋面非常廣，而我們的人力物力財力和技術(shù)都是有限 的，因此我們在機電一體化產(chǎn)業(yè)發(fā)展時不能做到面面俱到，但應(yīng)分清主次大膽取 舍，在機電產(chǎn)業(yè)做到可持續(xù)發(fā)展壯大。
我國機械制造裝備中較多的采用了數(shù)控機床、機器人、柔性制造單元和系統(tǒng) 高等技術(shù)的集成，來滿足產(chǎn)品個性化和多樣化的要求，以滿足社會個消費群體的 不同要求。 目前機械技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到廣泛采用微型計算機的階段，今后也將不斷出現(xiàn)“具有神經(jīng)系統(tǒng)的機械”或“智能化的機械”。并且機電一體化技術(shù)貫穿 于工程系統(tǒng)設(shè)計之中，從簡單的單參數(shù)顯示，到復(fù)雜的多參數(shù)、舵機控制，從簡 單的零件自動加工生產(chǎn)線，到各種現(xiàn)代機械設(shè)備的自動化生產(chǎn)等，機電一體化技 術(shù)已應(yīng)用到不同層次、覆蓋面很廣的應(yīng)用領(lǐng)域。
數(shù)控機床綜合運用了電子計算機、自動控制、伺服驅(qū)動、精密檢測與新型機 械結(jié)構(gòu)等方面的技術(shù)成果具有高柔性、高精度與高自動化的特點，因此它提高了 機械制造的制造水平，解決了制造中的常規(guī)加工技術(shù)難以解決甚至無法解決的浮 渣幸免零件加工，為社會提供了高質(zhì)量、多品種及高可靠的機械產(chǎn)品取得了巨大 的經(jīng)濟效益，目前，數(shù)控技術(shù)已逐步晉級，數(shù)控車床在工業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛的 應(yīng)用，已成為機械自動化的一個重要發(fā)展方向。
機電一體化是集機械、電子、光學(xué)、控制理論、計算機技術(shù)和信息技術(shù)等多 學(xué)科交叉融合的產(chǎn)物，大力推進制造業(yè)信息化、網(wǎng)絡(luò)化和綠色環(huán)?；蠓忍?高產(chǎn)品檔次、技術(shù)含量和附加值，是機電一體化發(fā)展的重點方向。隨著制造業(yè)生 產(chǎn)模式的演變，對機械制造裝備提出了不同的要求，使現(xiàn)代化數(shù)控系統(tǒng)裝備的發(fā) 展呈如下趨勢：
1） 向高效、高速、高精度方向發(fā)展
效率、質(zhì)量是先進制造技術(shù)的主體，高速和高精度加工時制造技術(shù)永無止境 的追求。告訴。高精度加工技術(shù)可是數(shù)控系統(tǒng)能夠進行高速插補、高實時運算， 在高速運行中保持較高的定位精度，極大地提高效率提高產(chǎn)品的質(zhì)量和檔次，縮 短生產(chǎn)周期和提高尺長競爭能力。
2） 多功能復(fù)合化、柔性自動化的產(chǎn)品成為發(fā)展的主流
從近幾屆國內(nèi)外舉辦的國際機床展覽上展出的裝備情況來看，新穎的高技 術(shù)含量的展品逐年增加。國際上多功能復(fù)合加工機床的發(fā)展不再以簡單的零件加 工為主，而是以結(jié)構(gòu)復(fù)雜、形狀各異的箱體類零件加工或更為復(fù)雜的零件加工為 發(fā)展趨勢。展出的機床類型很多、有最新的復(fù)合加工機床、五軸加工機床、納米 加工機床、新型并聯(lián)加工機床等。展示出世界制造裝備的精華，展示了世界制造
技術(shù)發(fā)展的最新動向。
3） 智能制造技術(shù)和智能化裝備方向發(fā)展
通過借助于現(xiàn)代的工具和方法，通過集成傳統(tǒng)制造技術(shù)。計算機與自動化科 學(xué)、信息技術(shù)和人工智能等發(fā)展了一種新型的制造技術(shù)與系統(tǒng)，他將人工智能應(yīng) 用與機械制造裝備中，使機器智能化。及其職能化石智能之災(zāi)的主要研究內(nèi)容之 一，他是智能制造系統(tǒng)的物理基礎(chǔ)，包括智能加工機床、工具和材料傳送、監(jiān)測 和試驗裝備等，要求具有加工任務(wù)和加工環(huán)境的廣泛適應(yīng)性，能夠在環(huán)境和自身 的不確定變化中自主實現(xiàn)最佳行為策略。數(shù)控系統(tǒng)智能化是面向世紀的先進制造 模式，當前智能機床是在數(shù)控機床和加工中心的基礎(chǔ)上實現(xiàn)的，它與普通自動化 機床的主要區(qū)別在于除了具有數(shù)控加工功能外，還具有感知、推理、決策、控制、 通信、學(xué)習(xí)等智能功能。目前國外研究機構(gòu)在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)越來越發(fā)雜，產(chǎn)品精度要 求越來越高等情況下，提高加工設(shè)備的智能型、可靠性和加工精度是提高企業(yè)競 爭力的主要途徑?，F(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)今后的發(fā)展將是以創(chuàng)新、提升、優(yōu)化為主要模式， 未來的中國制造業(yè)已不能僅僅滿足與“制造”，而是要進一步發(fā)展成為“智造”，即用知識、技術(shù)、頭腦去創(chuàng)新、去創(chuàng)造。
第三章、總體方案的確定
3.1 、機械傳動部件的選擇
X Y 工作臺中X 、Y 方向的移動, 可采用螺旋機械或齒輪齒條傳動機構(gòu), 這兩種均可把旋轉(zhuǎn)運動變?yōu)橹本€運動。因為此機構(gòu)以傳遞運動為主, 要求有較高的傳動精度, 又要求結(jié)構(gòu)緊湊, 所以選用螺旋機構(gòu)。但常用的螺旋機構(gòu)中絲杠和螺母之間的相對運動是滑動, 磨損較嚴重, 影響傳動精度, 壽命短, 效率低,不能滿足高速度、高效率和高精度等傳動要求。為了使運動靈敏又能滿足精度要求, 選用滾珠螺旋機構(gòu)。滾珠螺旋傳動是在螺桿和螺母間放人適當數(shù)量的滾珠, 使螺桿和螺母之間的摩擦由滑動摩擦變?yōu)闈L動摩擦的一種傳動裝置。現(xiàn)采用了間隙可 調(diào)的滾珠絲杠傳動。為使傳動穩(wěn)定可靠, 采用絲杠轉(zhuǎn)動, 螺母帶著工作臺作移動的傳動形式。螺母帶著工作臺在底座的導(dǎo)軌上移動, 因為運動部件重量不大, 切削力也不大, 行程較小, 所以確定采用有預(yù)加載荷雙 v 形滾珠導(dǎo)軌。 數(shù)控X Y 工作臺主要是對滾珠絲杠、滾珠導(dǎo)軌、步進電機的選擇, 使其滿足數(shù)控 X Y 工作臺傳動系統(tǒng)高速度、高效率、高精度的要求
3.1.1 、導(dǎo)軌副的選用
要設(shè)計數(shù)控鉆床工作臺，需要承受的載荷不大，而且脈沖當量小，定位精度 高，因此選用直線滾動導(dǎo)軌副，它具有摩擦系數(shù)小，不易爬行，傳動效率高，結(jié) 構(gòu)緊，安裝預(yù)緊方便等優(yōu)點。
3.1.2 、絲杠螺母副的選用
伺服電動機的旋轉(zhuǎn)運動需要通過絲杠螺母副轉(zhuǎn)換成直線運動，需要滿足
± 0.02 mm 的定位精度，滑動絲杠副無能為力，只有選用滾珠絲桿副才能達到要求， 滾珠絲桿副的傳動精度高、動態(tài)響應(yīng)快、運轉(zhuǎn)平穩(wěn)、壽命長、效率高、預(yù)緊后可 消除反向間隙。
3.1.3 、伺服電動機的選用
任務(wù)書規(guī)定的脈沖當量尚未達到 0.001mm，定位精度也未達到微米級，故本設(shè)計不必采用高檔次的伺服電動機，因此可以選用一般的且適用的步進電動機。 以降低成本，提高性價比。
8
第四章、機械部分改裝設(shè)計計算
4.1 、初步確定工作臺的尺寸及其重量
根據(jù)設(shè)計要求，所取的能夠加工的最大面積為 250 ′ 220mm2 ，最大工件的重
量為 200kg 。因此我初定工作臺的 270 ′ 270 ′ 40mm3 。工作臺的材料為45 號鋼， 其密度為 7 × 85 ′103 kg / m3 ，取 g = 9 × 8N / kg 。因此：
（1） 、工作臺（X 向托板）根據(jù)： G = rVg
1
G = 270 ′ 270 ′ 20 ′10-9 ′ 7.85′103 ′ 9 × 8 ? 224.32N
（2） 、取Y 向托板=X 向托板G2 = 224.32N
（3） 、上導(dǎo)軌座（連電機）重量
初步取導(dǎo)軌座的長700mm ，寬為 200mm ，高為100mm ，因此
3
G = 700 ′ 200 ′100 ′10-9 ′ 7.85′103 ′ 9 × 8 ? 1077 × 02N
所以根據(jù)上面所求，得 XY 工作臺運動部分的總重量為：
G運動部分 = G1+ G2 + G3 = 224.32 ′ 2 +1077.02 = 1525.66N
根據(jù)要求所知，其最大加工工件為 200kg ，另外，還有絲杠、電機、聯(lián)軸器等， 大約 3kg，因此：
G總 = 200 ′ 9 × 8 +1525.66 + 3′ 9 × 8 = 3515.06N
4.2 、傳動系統(tǒng)設(shè)計：
(1）、脈沖當量是一個進給指令時工作臺的位移量，應(yīng)該小于等于工作臺的位置精度，由于定位精度在± 0.02mm 內(nèi)，因此：
d = 1 ′ 0.02 = 0.01mm 2
由于是聯(lián)軸器傳動，因此它的傳動比為i = 1 ,取絲杠的導(dǎo)程為 P = 5mm
10
步距角a = 360d
Pi
取標準 0.75°
= 360 ′ 0.01 = 0.72°
5 ′1
《數(shù)控機床系統(tǒng)設(shè)計》P111 公式 5-20，
實際的脈沖當量d = Pia
360
= 5 ′1′ 0.75 = 0.0104mm 取d = 0.01mm 360
4.3 、滾珠絲杠的設(shè)計計算及選擇：
由于鉆床切削時產(chǎn)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。
4.3.1 、求出螺旋傳動的計算載荷 FC ：
FC = KF KH KL Fm
其中， KF —為載荷系數(shù)，無沖擊平穩(wěn)運轉(zhuǎn)：1.0-1.2
一般沖擊：1.2-1.5；有沖擊和振動：1.5-2.5
KH —為硬度系數(shù), 滾道硬度HRC≥58：1.0；滾道硬度HRC≥55：1.11 滾道硬度HRC≥50：1.56；滾道硬度 HRC≥45：2.4；滾道硬度 HRC≥40：3.85
KL —為精度系數(shù)，精度等級 C、D： 1.0； 精度等級E、F： 1.1 精度等級G： 1.25； 精度等級H：1.43
Fm —為絲杠工作時的軸向壓力， Fm = mm總g
μ 為導(dǎo)軌的摩擦系數(shù)。
m總 為最下面的絲杠以上的所有質(zhì)量。
所以?。?KF
= 1.1
KH = 1.0
KL = 1.0
m = 0.001
故： Fm = mFN
= mG總 = 0.001′ 3515.06 = 3.52N
FC = KF KH KL Fm = 1.1′1.0 ′1.0 ′ 3.52 = 3.872N
4.3.2 、額定動載荷及壽命計算：
初步確定滾珠絲杠的規(guī)格型號。選擇的滾珠絲杠副的額定動載荷 Ca ，必需大
'
Ca ?C a = FC
于等于其計算值
Ca —額定動載荷（N）；
Lh —運轉(zhuǎn)壽命（h）；
nm —螺桿的平均轉(zhuǎn)速，取 90-110r/min
FC —螺旋傳動的計算載荷（N）
?。?Lh = 6年
nm = 100r / min
故： Lh = 6 ′ 300 ′ 8 = 14400h
a
C ?C ' a =
4.3.3 、滾珠絲杠的選?。?查http://www.njyigong.com/
′ 3.872 = 66.97N
12
根據(jù)動載荷和公稱導(dǎo)程值的核對，最后選取的滾珠絲杠的型號為 FF1204-3 ，其公稱直徑為 d0 = 12mm ，公稱導(dǎo)程為 L0 = 4mm ，動靜載荷分別為Ca = 4KN 和
C0a = 6.7KN 。滾珠直徑 DW = 2.381mm ,剛度 208 N / mm ，外徑 d1 = 11.3mm,絲杠
底徑 d2 = 9.5mm,循環(huán)圈數(shù) 3。
4.3.4 、滾道半徑、偏心距、絲杠內(nèi)徑的計算：
滾道半徑 R = 1.04 d0
2
= 1.04 ′ 2.381 = 1.238mm 《機械設(shè)計手冊》P15—15 表
2
15.2—16
偏心距 e =
?
0.707 ? R
- d0 ? = 3.36′10-2 mm《機械設(shè)計手冊》P15—15 表 15.2—16
÷
2
è ?
絲杠內(nèi)徑 d3 = d0 + 2e - 2R = 9.6mm 《機械設(shè)計手冊》P15—15 表 15.2—16
4.3.5 、穩(wěn)定性計算：
因螺桿較長，所以穩(wěn)定性驗算應(yīng)用以下式求臨界載荷：
Fcr
= p 2 EI
(ml)2
《工程力學(xué)》
P173 式 10—2
式中：E：螺桿材料的彈性模量，查《工程力學(xué)》P77 表 5.1，取E=200GPa I：螺桿危險截面的軸慣性矩
μ：長度系數(shù)，查《工程力學(xué)》P174 表 10.1 得μ=1
絲杠的有效長度是 270mm
pd 4 p ′ (9.6 ′10-3 )4
24
I = ?3 =
64 64
= 4.2 ′10-10 mm4
《機械零件設(shè)計手冊》P803
所以 Fcr
= p 2 EI
(ml)2
= p 2 ′ 200 ′109 ′ 4.2 ′10-10 (1′ 0.27)2
= 11360.86N 因為
Fcr Fm
= 11360.86 = 3.23′103 ?2.5 ~ 4 3.52
是安全的，穩(wěn)定校核通過 查《機械零件
設(shè)計手冊》P803
3）、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(zhuǎn)矩引起彈
d = 16T P2 + 4FP
性變形方向是一致的，所以
1
s
式中： l = arctan
P
pd0
= arctan
p 2Gd 4
1
5
p ′12
pEd 2
1
= 7.56o
tan r1 = m = 0.001 T r1 = arctan 0.001 = 4.5o
T = F
d0 tan(l + r ) = 3.52 ′
12 ′10-3
tan(7.56o + 4.5o ) = 4.51′10-3 N · m
1 m 2 1 2
查《工程力學(xué)》P77 表 5.1 得，μ=0.25， G =
所以：
E
2(m +1)
= 200
2(1+ 0.25)
= 80GPa
1
d = 16T P 2 + 4FP
2
2
s p 2Gd 4 pEd 2
= 16 ′ 4.51′10-3 ′ (5 ′10-3 )2 ′106 +
p 2 ′ 80 ′109 ′ (9.5 ′10-3 )4
= 1.92 ′10-4 + 8.47 ′10-4 = 1.04 ′10-3
4 ′ 3.52 ′ 5 ′10-3 ′106
p ′ 200 ′109 ′ (9.5 ′10-3 )2
每米螺紋度上的螺紋距離彈性變形為4．4、滾動導(dǎo)軌參數(shù)計算與選型：
d = 1.04 ′10-3
s
P 5 ′10-3
= 2.08 ′10-1 mm / m
導(dǎo)軌是數(shù)控機床的重要部件之一，且很大程度上決定數(shù)控機床的剛度，精度 與精度保持性。
直線滾動導(dǎo)軌副是由導(dǎo)軌、滑塊、鋼球、返向器、保持架、密封端蓋及擋板
等組成，如圖：
4.4.1 、導(dǎo)軌的當量載荷：
GGB25 預(yù)加載荷類別為輕預(yù)載時，按《機電一體化設(shè)計手冊—下冊》表 6.3-12 查得預(yù)緊力為 198.5N 。錯誤!未找到引用源。、錯誤!未找到引用源。是兩個導(dǎo)
軌滑塊的受力。查《機械零件設(shè)計手冊》P802 表 18-5 得m = 1.2
F = F = 1 mG = 1 ′1.2 ′ 3515.06 = 1054.52N
a b 4 總 4
F1 = F2 = 1054.52 +198.5 = 1253.03N
4.4.2 、當量載荷：
1253.023 + 1253.023
FC =
= 3 = 1253.02N
2
4.4.3 、計算額定動、靜載荷：
計算長度壽命：
L = 50(Cf H fT fC )3
FfW
《數(shù)控機床系統(tǒng)設(shè)計》P185 式 7-28
式中：
fT ——溫度系數(shù)，取 fT = 1
fC ——接觸系數(shù)，取 fC = 0.81
fW ——載荷系數(shù)，取 fW = 1.5
f H ——硬度系數(shù)，取 f H = 1.0
C ——額定動載荷，南京藝工網(wǎng)查得 GGB16AA 的額定動載C =8.51KN.
8.51′103 ′1.0 ′1′ 0.81 3
L = 50 ′ (
1253.02 ′1.5
) = 2466.41km
1)、計算導(dǎo)軌的工作壽命Th （小時），要求壽命不低于 5 年，所以：
Th = 6 ′ 300 ′ 8 = 14400h
2）、計算導(dǎo)軌行程長度壽命 Ts（Km），Ts=2ThLsn/1000,
其中：Ls 為單向行程（m），n 為每分鐘往復(fù)次數(shù)；（可取 4 -- 6 次/分鐘）
取 LS
= 270mm = 0.27m
n = 5
T = 120Th LS n = 120 ′14400 ′ 0.27 ′ 5 = 2332.8km
S 1000
1000
所選用的導(dǎo)軌壽命比要求壽命要長，故所選導(dǎo)軌類型合格。
經(jīng)網(wǎng)址 http://www.njyigong.cn/products_Content.asp?id=14 查得南京藝工網(wǎng) ， 選擇 GGBAA/AL 四方向等載荷型滾動直線導(dǎo)軌副系列絲杠副滾珠。如下圖所示：
選擇GGB16AA 型號，其額定基本靜載荷C0 = 13.38KN .
4.4.4 、驗算額定靜載荷：
取安全系數(shù)錯誤!未找到引用源。，按下式驗算
C0
F max
其中 Fmax
= F1
= 1053.02N
， C0 =
F1
13.38 ′103
1053.02
= 12.71? f0
滿足要求
4.5 、步進電機的設(shè)計計算和選用
已知快進速度：
umax = 3.6m/min
絲桿導(dǎo)程:
P = 5mm
所以最高轉(zhuǎn)速：
nmax =
umax
p ′10-3
= 720r / min
最高頻率： f
nax =
umax = 6000H 60 ′ d ′10-3 Z
4.5.1 、計算系統(tǒng)在電機軸上的等效轉(zhuǎn)動慣量： 工作臺快速移動時的等效轉(zhuǎn)動慣量：
? u ?2
= ? ?max ÷ M
′10-6
è
J1 ? 2pn
÷ 總
max ?
《數(shù)控機床系統(tǒng)設(shè)計》P123
式 5—31
式中： M總
= 358.68kg
, umax
= 3.6m / min , n
max =
umax
p ′10-3
= 720r / min
代入上式解得： J
= ? 3.6 ′103
? ′ 358.68 ′10-6 = 2.27 ′10-4 kg · m2
?
2
÷
1 ? 2 ′ p ′ 720 ÷
è ?
轉(zhuǎn)動部件轉(zhuǎn)換到電機軸上的等效轉(zhuǎn)動慣量：
2
J = 0.77D4 L ′10-12
《數(shù)控機床系統(tǒng)設(shè)計》P123 式 5—30
式中：D——絲桿公稱直徑 12mm.
L——支座總長，L=700mm
2
代入算得： J = 0.77D4 L ′10-12 = 0.77 ′124 ′ 700 ′10-12 = 1.12 ′10-5 kg · m2
因此總的轉(zhuǎn)動慣量為：
1 2總
J = J + J = 2.27 ′10-4 +1.12 ′10-5 = 2.38′10-4 kg · m2
4.5.2 、電動軸轉(zhuǎn)矩的計算：
1） 、空載啟動時，電動機的加速轉(zhuǎn)矩： Ma
表 5-5，式中的 n 為絲杠的最高轉(zhuǎn)速
T 為電機加減速時間（0.1s）所以：
2.38 ′10-4 ′ 720
= J總n
9.6T
《數(shù)控機床系統(tǒng)設(shè)計》P122
Ma =
9.6 ′ 0.1
= 0.1785N · m
2） 、電機軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩：
M = F0 S ′10-3
f 2phi
= 3515.06 ′ 0.001′ 5 ′10-3
2 ′ p ′ 0.8 ′1
= 3.50 ′10-3
N · m 《數(shù)控機床系統(tǒng)設(shè)
計》P122 表 5-5
式中的h 為伺服傳動鏈的總效率，查《數(shù)控機床系統(tǒng)設(shè)計》P122 表 5-5，
取 0.8
計算附加摩擦力矩：
M = Fa max S
2 -3
3515.06 ′ 0.001′ 5
2 -3 -3
0 2phi（1 -h0 ）′10 =
2 ′ p ′ 0.8 ′1
(1 - 0.9
) ′10
= 0.66 ′10
N · m
《數(shù)控機床系統(tǒng)設(shè)計》P122 表 5-5
式中的h0 為滾珠絲杠示預(yù)緊時的效率，查《數(shù)控機床系統(tǒng)設(shè)計》P122 表 5-5， 取 0.9。
0
因此由述計算可知電動機的總的轉(zhuǎn)矩為
M = Ma + M f
+ M = 0.1785 + 3.50 ′10-3 + 0.66 ′10-3 = 1.83′10-1 N · m
4.5.3 、步進電動機的選擇:
查網(wǎng)址：
http://www.sunrise-electric.com/PRODUCTS/STEPMOTOR/SMSERIES/86BYG350F
.HTM
根據(jù)上述分析，最后我選定步距角為 0.6 度的型號為 86BYG350FB 的步進電動機， 其轉(zhuǎn)矩為 4.0N·m＞我所需要的 0.183N·m，且轉(zhuǎn)動慣量為 2.40kg·cm2＞我所需要的 2.38kg·cm2其外形結(jié)構(gòu)及尺寸如下圖所示：
4.6 、聯(lián)軸器的選擇
4.6.1 、聯(lián)軸器的介紹:
聯(lián)軸器屬于機械通用零部件范疇，用來連接不同機構(gòu)中的兩根軸（主動軸和 從動軸）使之共同旋轉(zhuǎn)以傳遞扭矩的機械零件。在高速重載的動力傳動中，有些 聯(lián)軸器還有緩沖、減振和提高軸系動態(tài)性能的作用。聯(lián)軸器由兩半部分組成，分 別與主動軸和從動軸聯(lián)接。一般動力機大都借助于聯(lián)軸器與工作機相聯(lián)接，是機 械產(chǎn)品軸系傳動最常用的連接部件。
4.6.2 、聯(lián)軸器的選擇:
通過選擇絲杠的型號和步進電機的型號結(jié)合推斷出聯(lián)軸器的尺寸大小并選 擇相應(yīng)的型號進行計算。絲杠軸端 d0 = 12mm ，電機軸端 d = 12mm ，通過《機械
零件設(shè)計手冊》P494 表 11-4 可以查出；
根據(jù)軸徑選擇聯(lián)軸器的規(guī)格型號為：YL1 剛性凸緣聯(lián)軸器
4.7 、螺桿支撐座的選擇：
根據(jù)滾珠絲杠的公稱直徑為 d0 = 12mm ，因此我先擇的支撐座為兩個角接觸球軸承和相應(yīng)的軸承座配合組成的螺桿支撐座：
角接觸球軸承：
參數(shù)為：
第五章、總結(jié)
通過幾個月的努力，翻譯，查找資料，設(shè)定方案，論證方案嚴整性，并進行 進一步調(diào)整完善，最后確定設(shè)計框架，完成數(shù)控機床各零部件的計算工作。最后 進行cad畫圖工作，把設(shè)計的東西變成直觀，清晰，立體的圖面。本次課程設(shè)計 是數(shù)控機床系統(tǒng)設(shè)計的一次實踐環(huán)節(jié)，是比較大的一次課程設(shè)計。這次課程設(shè)計 跨越機械和電氣兩大學(xué)科。在設(shè)計時要聯(lián)系機械部分和電氣控制部分作為一個有 機的整體來考慮，本次設(shè)計是一個機械和電氣有機組合的系統(tǒng)。如果單方面考慮 其中一項必定是做不出來的。
這次方案設(shè)計的主要內(nèi)容包括有：滾珠絲杠，滾動導(dǎo)軌和步進電動機的計算 選取工作，軸承座、聯(lián)軸器的選取。在對設(shè)計計算方面我利用四年書本知識，查 找的資料提供的嚴謹計算方案，并在導(dǎo)師嚴格的指導(dǎo)下，進行計算反復(fù)的驗證工 作，最終完成對課程設(shè)計的完美要求。在設(shè)計工作臺實用性方面，進行了大量的 研究、驗證、論證、反復(fù)推論，大大提高了工作臺工作穩(wěn)定可靠的保證性。此外
在導(dǎo)軌座，工作臺及其配裝的設(shè)計中，發(fā)散思維，并添加了一些自己對設(shè)計獨特 的東西，使設(shè)計的東西，更加具有人性化，簡易化，實用化。設(shè)計的靈魂，必定 要有其獨到的一面，區(qū)別于其他普通基礎(chǔ)設(shè)計，在此基礎(chǔ)上升級，提升，使之更 加順應(yīng)工作需求，方便快捷簡單，正是這個飛速發(fā)展的社會所必須的東西。
通過這一次重要的課程設(shè)計，使我深刻的感到了理論和實踐之間存在著巨大 的差異，只有理論沒有實踐，一切顯得是那么蒼白無力。實踐是檢驗真理最好的 方法，理論的東西必須要經(jīng)得住實踐的驗證，才能成為現(xiàn)實。才能完全使人對其 設(shè)計的理論所信服。只有理論沒有實踐的驗證幫助，一切都只是空談。通過實踐， 我們會發(fā)現(xiàn)很多思考，計算，設(shè)計中出現(xiàn)的各種各樣被忽視的漏洞，不足。并加 以改進、完善，不斷重復(fù)這樣的工作，才能更好的確保設(shè)計東西的嚴謹、可靠性。 每次遇到設(shè)計的瓶井，我都會去尋求導(dǎo)師的幫助。導(dǎo)師也會幫助我們屢清思路， 找出設(shè)計過程中可能會出現(xiàn)的問題，并給我們提供一些解決問題的方法途徑。在 此特別感謝導(dǎo)師對我們的關(guān)心，照顧，指導(dǎo)。沒有導(dǎo)師的輔助，我相信自己很難 完成這次課程的完美設(shè)計。是導(dǎo)師把我們的理論知識和實踐有機的結(jié)合在一起， 讓我們知道知識的偉大，用于實踐是多么的賦有成就感、滿足感。第一次深刻的 體會到知識的價值、作用。并更加激發(fā)我對這門專業(yè)的知識學(xué)習(xí)的渴望，在以后 的工作中我會繼續(xù)學(xué)習(xí)，用知識改變生活，用知識創(chuàng)造美好。
第六章、參考文獻
Ⅳ、主要參考資料：
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