数控十字工作台设计doc资料.docx
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数控十字工作台设计doc资料
数控十字工作台设计
说明书
姓名：
田天宇
学号：
201202070816
指导老师：
丁红纲
二○一五年十一月
浙江工业大学
一 主要技术要求――――――――――――――――（３ ）
二结构设计说明――――――――――――――――（４ ）
三关键零部件的设计与选型―――――――――――（５ ）
１ 工作平台结构设计简图―――――――――（５ ）
２ 滑块座结构设计简图――――――――――（５ ）
３ X、Y向滚动导轨副选择:
――――――――（６ ）
４ 滚珠丝杆螺母副的计算和选型――――――（６ ）
4.1X向进给丝杆―――――――――――（６ ）
4.2Y向进给丝杆―――――――――――（8）
5电机的计算和选型―――――――――――（１１）
5.1X向进给伺服电机计算―――――――（１１）
5.2Y向进给伺服电机计算―――――――（１3）
四绘制装配图及技术要求―――――――――――（１6）
一、主要技术要求:
１设计可实现X向和Y向数控运动的工作台.
２数控运动驱动方式可以采用步进电机或伺服电机驱动,但所选电机必须与该电机生产厂所列技术数据一致.
３工作台尺寸250*250㎜（X/Y）（需带T型槽）.
４工作台工作行程:
100*100㎜（Y/X）.
５若采用步进电机驱动,则脉冲当量要求为:
X向0.01㎜/脉冲;Y向0.01㎜/脉冲.
６X/Y向最高工作进给速度:
300㎜/min.
７X/Y向最高空载快进速度:
500㎜/min.
８工作台重复定位精度（X、Y向）为+0.02㎜/300㎜.
９X/Y/Z向切削负载为2000/2000/1000N.
１０工件最大重量（包括夹具）为:
150KG.
１１进给机构系统均采用滚珠丝杆和滚动导轨副.
１２所设计的工作台应结构合理、制造工艺性良好.
１３设计装配图应表达正确、完整，技术标注规范、全面。
二、 工作台台身材料及结构
根据设计要求及相关的参考资料，工作台台身材料选用灰铸铁HT200,该材料价格便宜,而液态流动性好,减振能力强、动刚度大；容易进行切削加工，易断屑。
是目前此类零件应用最多的材料。
确定本方案数控十字工作台的基本结构将由底座、滑动座和工作平台（带T形槽）组成，此三部分由下至上重叠布置在Y-X平面上，由Y轴和X轴上各自的数控驱动元件配合相应传动链可实现滑动座和工作平台独立运动。
底座与滑动座，滑动座与工作平台之间分别通过滚动导轨副和滚动丝杆副联系。
底座相对滑动座和工作平台固定不动，沿底座Y轴的方向上平行布置了两组滚动导轨副和一组滚珠丝杆副，并在底座-Y轴方向的端部布置驱动元件。
滑动座联接在底座的导轨上由丝杆带动可沿Y轴运动。
同时，在滑动座X轴的方向上平行布置了两组滚动导轨副和一组滚珠丝杆副，并在滑动座-X轴方向的端部布置驱动元件。
工作平台上沿X轴方向开有T形槽，方便固定支撑工件，其整体联接在滑动座的导轨上由丝杆带动可沿X轴运动。
三、关键零部件的设计与选型
1X、Y向滚动导轨副选择:
根据数控工作台的整体结构以及工作平台的尺寸，确定X轴滚动导轨副形式为卧式导轨,导轨轴移动。
双列平行导轨各带2个滑块，即工作平台和5滑动台分别与4个滑动导轨块连接并受其支撑。
确定Y轴滚动导轨副形式为卧式导轨，滑块座移动。
双列平行导轨各带2个滑块，即滑动台和底座分别与4个滑动导轨块连接并受其支撑。
根据工程力学原理：
X向导轨副总载荷WX=工件重量+工作平台重量+Z向切削负载
（工件重量为150Kg，工作平台重量为250×150×70×7×/1000/1000=18.375Kg（HT200密度为7.0g*cm3）,Z向切削负载为1000N）
WX=1.5+0.18375+1=2.68375KN
两导轨间中心距116㎜，滑块座间距80㎜。
通过计算可得单个滑块上的最大载荷为671N
Y向导轨副总载荷WY=工件重量+工作平台重量+Z向切削负载
WY=1.5+0.3675+1=2.8675KN
两导轨间中心距116㎜，滑块座间距80㎜。
通过计算可得单个滑块上的最大载荷为717N。
由以上计算结果并参考厂家的技术资料，选用南京工艺装备装备制造厂的GGBT16AB型滚动导轨副（带2个滑块）。
其主要技术参数：
额定动载C为7.6KN；额定静载C0为9.5KN；单根最大长度1000mm。
滚动导轨副额定寿命计算：
由式
式中fh、ft、fa均为1，fc为0.81，fw按1.2，
计算得X向：
L=22343KM。
Y向：
L=18313KM。
因计算结果大于8×60×250×5×500/1000/1000=300KM，导轨副满足使用要求。
X向移动导轨副的型号确定为GGBT16AB2-P1-2X250-3。
Y向移动导轨副的型号确定为GGBT16AB2-P1-2X250-3
四、滚珠丝杆螺母副的计算和选型
因在工作台X向和Y向上各有一滚珠螺母丝杆副，受力大小略有差别，首先对滑动台上的丝杆副进行计算，以下为具体技术参数的计算过程：
4.1X向进给丝杆
1）、进给率引力Fm：
Fm=FX+f＇（Fz+FY+G）
式中f＇——导轨摩擦系数，因是滚动导轨取0.0035；
G——工作平台及工件重量，按1500+500=2000N
得Fm=2000+0.0035（1000+2000+2000）
=2017.5N
2）、最大动负载C
由以下计算式：
式中
——滚珠丝杆导程，初选6mm；
——最大切削力下的进给速度，可取最高进给速度的
~
，已知最高进给速度为0.3m/min；
——使用寿命，按数控机床15000h；
——运转系数，按一般运转取fw=1.3；
——寿命以
转为1单位。
得n=1000*VS/L0=1000*0.3*0.5/5=30r/min
L=60*n*T/106=60*30*15000/106=27
=3*1.3*2017.5=7868.25N
3）、滚珠丝杆螺母副的选型
为使得数控工作台的结构紧凑，根据产品资料，选用FFZD2505-3型内循环螺纹预紧螺母式滚珠丝杆副，循环圈数3圈，其额定动负载为10.6KN，选定精度等级3级。
4）、传动效率计算
按式
式中
——螺旋升角，选定的丝杆副为
——摩擦角取
，滚动摩擦系数0.003~0.004；
5）、刚度验算
如下面图3所示的X向进给滚珠丝杆支承方式简图。
图3
已知最大牵引力为2017.5N。
支承间距L=250mm丝杆螺母及螺母均进行预紧，预紧力为最大轴向负荷的
。
A丝杆的拉伸或压缩变形量
根据Fm=2017.5N，D0=25mm，查“滚珠丝杆轴向拉伸压缩变形图”得δ1=δL/L0=3.0*10-5，可算出：
δ1=δL/L0*250=3.0*10-5*250=0.0075（mm）
由于丝杆进行了预拉伸，其抗压强度可以提高4倍。
其实际变形量
为：
δ’1=1/4＊0.0075=1.875×10
（mm）
B滚珠与螺纹滚道间接触变形
由产品的资料查得，已知Fm=2026.25N，
=3.8
因进行了预紧
’=1/2＊3.8=0.0019mm
C支承滚珠丝杆轴承的轴向接触变形
采用7204型向心推力球轴承配对使用，d1=20mm，滚动体直径DQ=8mm，滚动体数量z=10，
=0.002/sinａ
1/sin2a
=0.0196（mm）
因施加预紧力，故δ3=1/2
=0.0098mm
根据以上计算：
δ=δ1+δ2+δ3=0.0019+0.0019+0.098
=0.0119<定位精度（0.02）
6）、稳定性校核
FK=fzπ2EI/l2=4.0*3.143*20.6*106*2.154/64*81.52=12.82KN
E—丝杆弹性模量，对钢Ｅ＝20.6*106（N/cm）
I－截面惯性矩,I=πd4/64
FK/FM=12.82/2.2=5.8
因大于稳定性安全系数2.5~4.所以不存在失稳的危险.
4.2Y向进给丝杆
1）、进给率引力Fm：
Fm=Fx+f＇（Fz+Fy+G+G1）
式中f＇——导轨摩擦系数，因是滚动导轨取0.0035；
G——工作平台及工件重量，按2000N
G1——滑动座的重量，按500N
得Fm=2000+0.0035（1000+2000+2000+500）
=2019.25N
2）、最大动负载C
由前述数据得n=1000*VS/L0=1000*0.3*0.5/5=30r/min
L=60*n*T/106=60*30*15000/106=27
=3*1.3*2019.25=7875
3）、滚珠丝杆螺母副的选型
选用FFZD2505-3型内循环螺纹预紧螺母式滚珠丝杆副可以满足要求，其循环圈数3圈，额定动负载为10.2KN，选定精度等级3级。
4）、传动效率计算
5）、刚度验算
如下面图4所示的纵向（X向）进给滚珠丝杆支承方式简图。
图4
通过对Y向进给丝杆最大动负载的计算，得到的结果与X向进给丝杆的值很接近，因此选用与X向丝杆一致的型号，并且由于支承方式和预缩要求也相同，所以无需再进行刚度验算。
5电机的计算和选型
5.1x向伺服电机计算
1）、等效转动惯量计算
计算简图见图3。
传动系统折算到电机轴上的总的转动惯量
可由下式计算：
JΣ=JS+JJ
式中JJ――移动工作台的惯量转化到控制轴上的等效惯量；
——滚珠丝杆的转动惯量
根据资料，
JJ=900mv2/л2n2=900*200*1.162/3.142*1402=1.25
JS=2.24*0.25=1.8256
JΣ=JJ+JS=1.25+1.8256=3.0756
2）、电机力矩计算
工作台在不同的工况下，其所需转矩不同，下面分别按空载快进和工作进给进行计算：
（1）、空载快进时所需力矩
折算到电机轴上的摩擦力矩
：
M0=0.0035（2000+442.5）*0.5/2*3.14*0.8=0.85
附加摩擦力矩：
=0.33*2022.25*0.5/2*3.14*0.8=60.3
M快=0.85+60.3=61.15
（2）、工作进给时所需力矩
=60.3+0.85+199.04=260.19
从上面计算可以看出，
和
二种工况下，切削进给时所需力矩更大，以此作为初选电机的依据。
按此最大静力矩从电机资料上查得，120MB040A-2CE6E型额定静转矩为3.82
。
大于所需最大转矩，作为初选型号，进一步考核电机惯量与负载惯量的是否匹配:
由电机资料可知,电机转子惯量JM=7.2
.
堵转转矩系数K=1.6,
计算转矩系数A=0.8
负载转矩系数B=0.4
JΣ/JM=3.0756/7.2=0.427≈A-B/K-A=0.8-0.4/1.6-0.8=0.5
5.2Y向进给伺服电机计算
1）、等效转动惯量计算
计算简图见图3。
传动系统折算到电机轴上的总的转动惯量
可由下式计算：
JΣ=JS+JJ
式中JJ――移动工作台的惯量转化到控制轴上的等效惯量；
——滚珠丝杆的转动惯量
根据资料:
JJ=900mv2/л2n2=900*250*1.162/3.142*1402=1.57
JS=2.24*0.78=1.7472
JΣ=JJ+JS=1.57+1.7472=3.3172
2）、电机力矩计算
工作台在不同的工况下，其所需转矩不同，下面分别按空载快进和工作进给进行计算：
（1）、空载快进时所需力矩
折算到电机轴上的摩擦力矩
：
M0=0.0035（4500+442.5）*0.5/2*3.14*0.8=1.72
附加摩擦力矩：
=0.33*2029.75*0.5/2*3.14*0.8=66.67
M快=1.37+60.3=61.66
工作进给时所需力矩
=66.66+1.72+199.04
=267.42
从上面计算可以看出，
和
二种工况下，切削进给时所需力矩更大，以此作为初选电机的依据。
按此最大静力矩从电机资料上查得，120MB040A-2CE6E型额定静转矩为3.82
。
大于所需最大转矩，作为初选型号，进一步考核电机惯量与负载惯量的是否匹配:
由电机资料可知,电机转子惯量JM=7.2
.
堵转转矩系数K=1.6,
计算转矩系数A=0.8
负载转矩系数B=0.4
由此可知JΣ/JM=3.7172/7.2=0.46;A-B/K-A=0.8-0.4/1.6-0.8=0.5.数值极为相近,同时,该电机转速为1000转,完全满足了设计中对速度的要求可以选择该型号电机.
附一伺服电机参数
技术参数
单位
伺服电机型号
120MB040A-2CE6E
120MB055A-2CE6E
120MB075A-2CE6E
120MB100A-2CE6E
120MB150A-2CE6E
货物编码
031180
031190
031195
031220
031230
额定输出功率
W
400
550
750
1000
1500
额定转矩
N.m
3.82
5.25
7.16
9.55
14.32
瞬间最大转矩
N.m
11.46
15.75
21.48
28.65
42.97
额定转速
rpm
1000
最高转速
rpm
1200
电机转子惯量
kg.cm2
7.2
9.2
13.2
17.2
25.2
转矩系数
N.m/A
1.6
1.6
1.6
1.6
1.6
额定相电流
A
1.93
2.66
3.61
4.79
7.14
瞬间最大相电流
A
5.8
7.97
10.83
14.37
21.42
电枢绕阻相电阻
Ω
15.9
9.79
5.46
3.7
2.02
电枢绕阻相电感
mH
52.86
36.36
22.05
15.72
9.93
机械时间常数
ms
4.48
3.53
2.82
2.49
1.66
电气时间常数
ms
3.33
3.71
4.04
4.25
4.91
重量
kg
4.6
5.8
8.2
10.6
15.4
编码器
P/R
2500
负载惯量
负载惯量≤电机转子惯量×10（倍）
适配驱动器
GS0040A
GS0040A
GS0075A
GS0100A
GS0150G
四、绘制装配图及技术要求
❑数控十字工作台装配图见后面附图。
❑技术要求：
1）、各运动部件组装后好，应消除其间隙，并保证运动灵活无卡滞。
2）、滚动导轨副安装时按中等载荷进行预紧，预紧力为885N。
3）、导轨面建议采用风琴式氯丁橡胶软密封罩密封。
4）、滚珠丝杆螺母副部件在安装时调整好预紧力.
参考文献：
《机自专业综合实践指导书》浙江工业大学机械学院
《机械制造技术基础》卢波主编
《机械设计》第九版
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