X-Y数控工作台系统设计.docx

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1、三、机械传动部件的计算与选型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800N。2、铳削力的计算设零件的加工方式为立式铳削，采用硬质合金立铳刀，工件的材料为碳钢。则由表2-1查得立铳时的铳削力计算公式为：表2”硬质合金铳刀铳削力的计算公式（单位N）3U6铳刀类型工件材料铳削力公式面铳刀碳钢Fc=278a08139018Z灰铸铁Fc=539oXo746io9oZ可锻铸铁Fc=482510756Z13020Z圆柱铳刀碳钢Fc=IOOOaf880756870Z灰铸铁Fc=5966

2、z908090Z三面刃铳刀碳钢Fc=25609080J1111Z两面刃铳刀Fc=27468071185Z立铳刀Fc=118a85075673013Z期中：ap为背吃刀量mm；ae为侧吃刀量mm；fz为每齿进给量mm/Z；Vf进给速度mm/min；Z铳刀齿数；d铳刀直径mm；n铳刀转速rmin,见图2-1。Fc=8a850757313Z（2-1）a）立铳b）圆柱铳削c）端铳图2-1铳削用量说明若铳刀直径d=15mm,齿数Z=3,为了计算最大铳削力，在不对称铳削情况下，取最大铳削宽度ae=15mm,背吃刀量ap=8,每齿进给量fz=0.1mmZ;铳刀转速n=3OOrmin0则由公式2-1求得最大铳

3、削力：Fc=11820於XO.1o752Oo73X81X30001331463N采用立铳刀进行圆柱铳削时，各铳削力之间的比值可由表2-2o表22各铳削力之间比值铳削条件比值对称铳削不对称铳削逆铳顺铳端铳削ae-(0.40.8)dmmfz=(0.10.2)(mm.z1)Ff/Fc0.30.40.60.90.150.3Fe/Fc0.850.950.450.700.91.0Ffr1/Fc0.500.550.500.550.50.55圆柱铳削ae=0.05d/mmfz=(0.10.2)(mm.z1)Ff/Fc1.01.20.80.9Ffn/Fc0.20.30.750.8Fe/Fc0.350.40.32

4、50.4表28载荷系数工况无外部冲击或震动的低速场合，速度小于15mmin无明显冲击或振动的中速场合，速度为1560mmin有外部冲击或振动的高速场合，速度大于60mminfw1-1.51.5-223.5分别取硬度系数fH=1.0温度系数1=1.00、接触系数fc=0.81、精度系数fR=0.9、载荷系数fw=1.5,代入式2-3卬46,得所选丝杠的距离寿命为180km。350（2_3）fwmax）gpri.0x1.00x0.81x0.9x42.5Y50216I1.50.7）结论：所选导轨的距离寿命远大于期望值50km,故距离额定寿命满足要求。4、滚珠丝杠螺母副的计算与选型（1）最大工作载荷F

5、m的计算在立铳时，工作台受到进给方向的载荷（与丝杠轴线平行）Fx=2082N,受到横向的载荷（与丝杠轴线垂直）Fy=473N,受到垂直方向的载荷（与工作台面垂直）Fz=719No已知移动部件总重量G=800N,按矩形导轨进行计算，查表2-938,表2-9最大工作载荷Fm实验计算公式及参考系数最大工作载荷：Fm=1779导轨类型实验公式K矩形导轨Fn1=KFX+C+Fy+G)1.10.15燕尾导轨Fm=KFX+4Fz+2Fy+G)1.40.2三角形或综合导轨Ffn=KFX+4工+G)1.150.15-08注：表中摩擦因数U均为滑动导轨。对于贴塑导轨=0.030.05,滚动导轨=0.0030.00

6、5。表中，FX为进给方向载荷，Fy为横向载荷，FZ为垂直载荷，单位均为N；G为移动部件总重力，单位为N；K为颠覆力矩影响系数；为导轨的摩擦系数。取移动部件总重量G=900N,按矩形导轨进行计算,查表2-9,取颠覆力矩影响系数K=I.1,滚动导轨上的摩擦因素U=0.005。求得滚珠丝杠副的最大工作载荷：/Z=K工+（+G）=1.1x1609+0.005x（556+366+800）1779N（2）最大动载荷FQ的计算设工作台在承受最大铳削力时的最快进给速度v=1000mmmin,初选丝杠导程Ph=5mm,则此时丝杠转速n=vPh=200rmino取滚珠丝杠的使用寿命T=15OOOh,代入1o=60

7、nT106,得丝杠寿命系数1o=I80（单位为：106r）o查表2-1039,取载荷系数fw=1.2,滚道硬度为60HRe时，取硬度系数后=1.0,代入式2-4匕】38FQ=GwfHFm（2-4）即：Fq=181.21.0230112053式中：10滚珠丝杠副的寿命，单位（106r）o1o=6OnT1O6,（其中T为使用寿命，普通机械取T=500010000h,数控机床及一般机电设备取T=15000h;n为丝杠每分钟转速）；fw载荷系数，由表2-10查得。fH硬度系数（N58HRC时，取1.0；等于55HRC时，取1.;等于52.5HRC时，取1.35；等于50HRC时，取1.56；等于45H

8、RC时，取2.40）；Fm滚珠丝杠副的最大工作载荷，单位为N。表2-10滚珠丝杠载荷系数最大动载荷Fq=9698N运转状态载荷系数fw平稳或轻度冲击1.01.2中等冲击1.21.5较大冲击或振动1.52.5（3）初选型号根据计算出的最大动载荷和初选的丝杠导程，查附件3表3-31339,选择济宁博特精密丝杠制造有限公司生产的GD系列3205-4型滚珠丝杠副，为内循环固定反向器单螺母式，其公称直径为32mm,导程为5mm,循环滚珠为4圈X1歹U，精度等级取4级,额定动载荷为13675N,大于Fq,满足要求。GD系列3205-4型滚珠丝杠副（4）传动效率n的计算将公称直径do=32mm,导程Ph=5

9、mm,代入2=侬口2/（加/0）,得丝杠螺旋升角=4o37o将摩擦角0=10,代入77=tan4tan（X+）,得传动效率=96.3%。=96.3%90%,合格。效率要求大于90%,该丝杠副合格。（5）刚度的验算1）X-Y工作台上下两层滚珠丝杠副的支承均采用“单推-单推”的方式。丝杠的两端各采用一对推力角接触球轴承，面对面组配，左、右支承的中心距离约为a=500mm;钢的弹性模量E=2.1X105MPa;查附件3,得滚珠直径Dw=3.175mm,丝杠底径d2=28.2mm,丝杠截面积S-d1/4=624.26mm2。丝杠的拉伸或压缩变形量61在总变形量中的比重较大，可按下式计算：i=-（2.5

10、）ES2IE式中：Fm丝杠的最大工作载荷，单位为Na丝杠两端支承间的距离，单位为mmE丝杠材料的弹性模量，钢的E=2.1IO5MPaS丝杠按底径d2确定的截面积，单位为mn?M转矩，单位为NmmI丝杠按底径d2确定的截面积惯性矩（/=/64）,单位为mm,滚珠与螺纹滚道间的接粗变形量2无预紧时2=0.003.-（2-6严1有预紧时1=0.0013IFm（2-7产41IomF1W/1。式中DW滚珠直径，mmz滚珠总数量，z=zx圈数X列数Z单圈滚珠数，Z=dR（外循环），Z=p0Dw）-3（内循环）Fyj预紧力，单位N忽略式2-5中的第二项，算得丝杠在工作载荷Fm作用下产生的拉/压变形量=0.0

11、124mm日“Fma1779500八八乜。即d=-jjj-=0.0132mm1ES2.1105624.262）根据公式Z=（/。W）-3,求得单圈滚珠数Z=17；该型号丝杠为单螺母，滚珠的圈数X列数为4X1,代入公式：Z-ZX圈数X列数，得滚珠总数量Z=51o丝杠预紧时，取轴向预紧力FYJ=Fm3=593N0则由式2-7,滚珠与螺纹滚道间的接触变形量B2F17792=0.0013/m=0.0013/0.00296mmIOJDwFjZ/1010V3.17559351210因为丝杠加有预紧力，且为轴向负载的1/3,所以实际变形量可减小一半，2=0.000148mmo3）将以上算出的M和2代入5总=

12、&+2=0.0132+0.000148=0.013348mm=13.348zm0丝杠的有效行程为300mm,由表3-27t3135知，4级精度滚珠丝杠有效行程在250-400mm时，行程偏差允许达到16m,可见丝杠刚度足够。丝杠刚度足够（6）压杆稳定性校核滚珠丝杠是属于受轴向力的细长杆，如果轴向负载过大，则可能产生失稳现象。失稳时的临界载荷Fk应满足：Fk二兀PFm（2-8）42kKa2式中Fk临界载荷，单位Nfk丝杠支承系数，如表所示K压杆稳定安全系数，一般取2.54,垂直安装时取小值；A滚珠丝杠两端支承间的距离，单位为mm。表2U丝杠支承系数【3】42丝杠不会失稳综上所述，初选的滚珠丝杠副

13、满足使用要求。方式双推-自由双推-简支双推-双推单推-单推fk0.25241查表2-,取fk=1;由丝杠底径d2=28.2mm,求得截面惯性矩：/=zrf4/649910.44mm4；压杆稳定系数K取3（丝杠卧式水平安装）；滚动螺母至轴向固定处的距离a取最大值550mm。代入式2-8,得临界载荷Fk226N,远大于工作载荷Fm=I779N,故丝杠不会失稳。5、步进电动机减速箱的选用为了满足脉冲当量的设计要求,增大步进电动机的输出转矩，同时也为了使滚珠丝杠和工作台的转动惯量折算到电动机轴上尽可能小，决定在步进电动机的输出轴上安装一套齿轮减速箱。采用一级减速，步进电动机的输出轴与小齿轮联接,滚珠丝杠的轴头与大齿轮联接。其中大齿轮设计成双片结构，采用右图所示的弹簧错齿法消除侧隙。计算减速器传动比已知工作台的脉冲当量5=0.0Imm/P,滚珠丝杠的导程Ph=5mm,初选步进电动机的步距角由于传动比约=0.75o,算得减速比：等1故不需.aPh0.75x5251I=1要减速箱360。33600.01246、步进电动机的计算与选型（1）计算加在步进电动机转轴上的总转动惯量Jeq已知：滚珠丝杠的公称直径do=32mm;总长1=500mm导程Ph=5mm;材料密度P=7.8510-3kgcm3移动部件总重力G=800N;D滚珠丝杠转动惯量:mD26.24267.8550D20.001