数控车床X-Z轴工作台机械结构设计及控制电路设计

1第一章滚珠丝杠副的选择1.1滚珠丝杠副的特点1.传动效率高效率高达90%~95%,耗费的能量仅为滑动丝杠的1/3。2.运动具有可逆性即可将回转运动变为直线运动,又可将直线运动变为回转运动,且逆传动效率几乎与正传动效率相同。3.系统刚度好通过给螺母组件内施加预压来获得较高的系统刚度,可满足各种机械传动要求,无爬行现象,始终保持运动的平稳性和灵敏性。4.传动精度高经过淬硬并精磨螺纹滚道后的滚珠丝杠副本身就具有和高的制造精度,又由于摩擦小,丝杆副工作时温升和热变形小,容易获得较高的传动精度。5.使用寿命长滚珠是在淬硬的滚道上作滚动运动,磨损极小,长期使用后仍能保持其精度,因而寿命长,且具有很高的可靠性。其寿命一般比滑动丝杠高5~6倍。6.不能自锁特别是垂直安装的丝杠，当运动停止后，螺母将在重力作用下下滑，故常需设置制动装置。7.制造工艺复杂滚珠丝杠和螺母等零件加工精度、表面粗糙度要求高，制造成本高。由于滚珠丝杠副独特的性能而受到极高的评价,因而已成为数控机床,精密机械,各种省力机械设备及各种机电一体化产品中不可缺少的传动机构。1.2滚珠丝杠副的设计计算最大快速进给速度6m/min,最大加工速度2.5m/min。设导程p=5，则12005/61000maxn5005/5.21000minn摩擦当量05.0gf，则Nf1401028005.0假设机床加工工件时间占用使用时间的90%，快速进给占用10%则NFm6741.0570/12001409.0570/500640333根据wkantmamnFFFFFFCnL60/1063.153.067412006010400006aC得NaC235252在wkantmamnFFFFFFCnL60/106式中tf为温度系数，查表1-1得tf＝1；hf为硬度系数，查表1-2得hf＝1.0；af为精度系数，查表1-3得af＝1.0（丝杠精度为1～3级）；wf为负荷性质系数，查表1-4得wf＝1.3；kf为可靠性系数，查表1-5得kf＝0.53（可靠性为90%）。表1-1温度系数tf工作温度C125150175200225250300tf0.950.900.850.800.750.700.60表1-2硬度系数hf硬度（HRC）585552.55047.54540动负荷硬度影响系数hf1.01.111.351.561.922.43.85静负荷硬度影响系数'hf1.01.111.401.672.12.654.5表1-3精度系数af精度等级1、2、34、5710af1.00.90.80.7表1-4负荷性质系数wf负荷性质无冲击平稳运转一般运转有冲击和振动运动wf1~1.21.2~1.51.5~2.5表1-5可靠性系数kf可靠度(%)909596979899kf1.000.620.53.44.330.213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FC1-6308-3Ca=29715公称直径500D导程P=8mm螺旋角'338滚珠直径03.175dmm按FC1-6308-3的相关尺寸计算滚道半径R=0..520d=0.523.175=1.651mm偏心距03.1750.07()0.07(1.651)0.004422deRmm丝杠内径10222520.004421.65121.71dDeRmm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()acrEIFl其中E=206GpaL=0.3m448410.021711.09106464adIm取23则29852206101.09105.53102(0.3)3crFN安全系数535.5310368.981.510crmFSF查表2-10[S]=2.5-3.3S[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crn,要求丝杠的最大转速maxcrnn221223.9270.02821991099108293328/min2()(0.3)3ccrfdnrlmaxcrnn所以丝杠不会发生共振。4（3）此外滚珠丝杠副还受0Dn值的限制,通常要求40340710/min25120/min310/min710/minDnmmrDnmmrmmrmmr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()Lm为202CpFpTLEAGJ式中,A为丝杠截面积,A=2211();4CdmJ为丝杠的极惯性矩,4411();32CJdmG为丝杠切变模量,对钢G=83.3GPa;T(N·m)为转矩。0tan()2mDTF式中,为摩擦角,其正切函数值为摩擦系数；mF为平均工作载荷.取摩擦系数为tan0.0025,则得8403'25150010tan(338840)1.252TNmNm按最不利的情况取(F=mF)223322022492294114164515001016(510)1.259.841023.14206100.021713.1483.3100.02171CpFpTpFpTLmEAGJEdGd则丝杠在工作长度上的弹性变形所引起的导程误差为2039.84100.35.9510LLlmmp通常要求丝杠的导程误差小于其传动精度的1/2，即110.020.011022Lmmm该丝杠的L满足上式,所以其刚度可满足要求。效率验算''tantan3380.947tan()tan(338840)要求在90%---95%之间,所以该丝杠副合格。经上述计算验证,FC1-6308-3各项性能均符合题目要求,可选用。5第二章导向机构的设计2.1导轨的功用机电一体化产品要求其机械系统的各运动机构必须得到安全的支承，并能准确的完成其特定方向的运动。这个任务就由导向机构来完成。机电一体化产品的导向机构是导轨，其作用是支承和导向。2.2滚动直线导轨的选择程序在设计选用滚动直线导轨时，除应对其使用条件，包括工作载荷、精度要求、速度、工作行程、预期工作寿命进行研究外，还须对其刚度、摩擦特性及误差平均、阻尼特性等综合考虑，从而达到正确合理的选用，以满足主机技术性能的要求。2.3直线运动滚动支承系统负荷的计算直线运动支承系统的负荷与导轨配置形式(水平、竖直、倾斜等),移动件的重心和力作用点的位置,导轨上移动件牵引力作用点的位置,启动及停止时的惯性力以及切削力等有关。本设计的直线运动导轨安装形式为水平,采用卧式导轨、滑块座移动。图2.1导轨2.4导轨的选择由机床设计要求可知对该导轨设计的基本要求为:作用在滑座上的载荷F=2800N，滑座个数4M，有效行程500x300每分钟往复次数为4，用于轻型机床的工作台。导轨的额定工作时间寿命hT=40000小时表2-1硬度系数滚道表面硬度HRC605855535045Hf1.00.980.900.710.540.386表2-2温度系数工作温度/C0Tf〈1001.00100~1500.90150~2000.73200~2500.61表2-3接触系数每根导轨上的滑块数Cf11.0020.8130.7240.6650.61表2-4负荷系数工作条件Wf无外部冲击或震动的低速运动场合。速度小于15m/min1~1.5无明显冲击或震动的中速运动场合。速度小于60m/min1.5~2无外部冲击或震动的高速运动场合。速度大于60m/min2~2.5（1）计算额定动载荷滑座的运动速度最大为5m/min15m/min，工作温度在100C0以下，导轨滚道硬度为60HRC，无明显冲击和振动，每根导轨上滑块配置数为2。由3102ShsTTln得：3322400000.4660101011520hsssTlnTTkm因滑块座M=4,所以每根导轨上2个，由表2-1~2-4确定0.81Cf，1.0Hf，1.0Tf,1.2Wf,则由式73()HTCasWfffCTKfF得3/sWaHTCFTKfCfff其中12003004FFNNM330011520/501.22725110.81aCN选用的是汉江机床厂的HJG-D系列滚动直线导轨,查其产品手册知,HJG-D型号的导轨的Ca值为17500N,能满足40000h的使用要求,所以可选用.8第三章步进电机的选择3.1步进电机的工作原理三相反应式步进电机的工作原理如图3.1所示，其中步进电机的定子上有6个齿，其上分别缠有AW、BW、CW三相绕组,构成三对磁极,转子上则均匀分布着4个齿。步进电动机采用直流供电。当AW、BW、CW三相绕组轮流通电时，通过电磁力吸引步进电动机转子一步一步地旋转。ABCABC1234ABCABCABCABCABCABC12341234图3.13.2步进电机的选型⑴、步进电机的步距角b取系统脉冲当量0.01/pmmstep，初选步进电机步距角1.5b。⑵、步进电机启动力矩的计算设步进电机等效负载力矩为T，负载力为P，根据能量守恒原理，电机所做的功与负载力做功有如下关系TPs＝式中：——电机转角；s——移动部件的相应位移；——机械传动效率。若取b，则ps，且SPPG，所以36()2pSbPGTNcm式中：SP——移动部件负载（N）；G——移动部件重量（N）；zP——与重量方向一致9的作用在移动部件上的负载力（N）；——导轨摩擦系数；b——步进电机步距角，（rad）；T——电机轴负载力矩（Ncm）本例中，取0.03（淬火钢滚珠导轨的摩擦系数），0.96，SP为丝杠牵引力，24.7sHPPN。考虑到重力影响，Y向电机负载较大，因此取287yGGN，所以360.0124.70.032871.33()21.50.96TNcm若不考虑启动时运动部件惯性的影响，则启动力矩0.3~0.5qTT取安全系数为0.3，则1.334.420.3qTNcm对于工作方式为三相六拍的三相步进电机max5.10.866qjTTNcm⑶、步进电机的最高工作频率maxmax1000100011667()60600.01pVfHz查表选用两个45BF005-Ⅱ型步进电机。电机的有关参数见表3-1。表3-1步进电机参数型号主要技术数据外形尺寸()mm重量()N步距角最大静转距Ncm最高空载启动频率(/steps)相数电压()V电流()A外径长度轴径45BF005-Ⅱ1．519.630003272.54558411103.2.1、确定齿轮传动比因步进电机步距角1.5b，滚珠丝杠螺距4tmm，要实现脉冲当量0.01/pmmstep，在传动系统中应加一对齿轮降速传动。齿轮传动比123600.013600.61.54pbZiZt选117Z，228Z。3.2.2、确定齿轮模数及有关尺寸因传递的扭距较小，取模数1mmm，齿轮有关尺寸见表3-2。3.2.3、步进电机惯性负载的计算表3-2齿轮尺寸Z1728dmZmm2addmmm21.25fddmmm36bmmm122ddamm171914.55283025.5517.5根据等效转动惯量的计算公式，得2210123