XY数控工作平台设计.docx
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XY数控工作平台设计.docx
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XY数控工作平台设计
X-Y数控工作平台设计
摘要
机电一体化系统以微电子装置取代人对机械的绝大部分的控制功能的特点,以及节省能源和降低材料消耗的特点,实现了机电一体化系统的高附加值化:
性能更高、价格更低、可靠性高、智能化、省能化、短小轻薄化。
本设计研究的课题是X-Y数控工作平台。
CNC二维工作平台结构简单,利用微机控制系统对机床进行控制,扩大了机床的加工范围,提高了加工精度以及可靠性。
CNC二维工作平台的设计主要分为机械系统的设计和控制系统的设计。
机械系统包括工作台的结构尺寸设计,导轨的选择与参数确定,滚珠丝杠副的选择计算,轴承的选用与计算,机架的设计等;控制系统的设计包括步进电机的选用,计算机的选用,控制电路的设计,软件的设计等。
本设计侧重于机械系统的设计以及步进电机的选择。
根据工作平台的参数:
行程,X、Y丝杠的转速,理论定位精度,X、Y方向的轴向载荷等,完成整个产品的设计计算。
按照输入的加工程序进行插补运算,由软件或硬件实现脉冲分配,输出一系列的脉冲,经功率放大驱动纵轴,横轴运动的步进电机来实现对机床的控制,使工作台实现在水平面内的工件切割。
关键词:
X-Y数控工作平台;机械系统;步进电机;计算机
X-YCNCWorktableDesign
Abstract
Themechanicalandelectricalintegrationsystemtakesthemicroelectronicdevicetoreplacethehumantomachinethemajoritycontrolfunctioncharacteristic,savestheenergyandreducesthematerialconsumption.Thesecharacteristicmakepartsprocessingrealizingthemechanicalandelectricalintegrationsystem'shighaddedvalueincludingthehigherperformance,thelowerprice,theintelligence,theprovinceenergy.
ThedesignandresearchofthesubjectistheX-Ynumericalcontrolplatform.CNCtwodimensionalworkplatformissimple.Usingofcomputercontrolsystemtocontrolthemachinetoolexpandingtherangeofmachinetoolsimprovethemachiningaccuracy.ThedesignofCNCtwodimensionalworkplatformismainlydividedintomechanicalsystemdesignandcontrolsystemdesign.Themechanicalsystemincludesthedesignofthestructuresizeoftheworkingtable,selectionoftheguiderail,thechoiceoftheballscrewpair,theselectionandcalculationofthebearing,thedesignoftheframe.Andthecontrolsystemincludingtheselectionofthesteppingmotorandthecomputer,thedesignofthecontrolcircuitandthesoftware.Thisdesignfocusesonthedesignofmechanicalsystemandtheselectionofsteppingmotor.Accordingtotheparametersoftheworkingplatform,thespeedofthestroke,theY,theXscrewspeed,theaccuracyofthetheoreticalposition,theaxialloadoftheXandtheYdirection,wecancompletethedesigncalculationofthewholeproduct.Inaccordancewiththeprocessingprocedureoftheinputofinterpolation,softwareorhardwareimplementpulsedistributiondrivingverticalaxisandhorizontalmovementofthesteppermotortorealizethecontrolofmachinetool.Finally,cuttinginthehorizontalplanecanbeachievedonthetwo-dimensionalnumericalcontrolplatform.
Keywords:
X-YCNCWorktable;Mechanicalsystem;Steppingmotor;Computer
1绪论
1.1论文研究背景与意义
机电一体化系统以微电子装置取代人对机械的绝大部分的控制功能的特点,以及节省能源和降低材料消耗的特点,实现了机电一体化系统的高附加值化:
性能更高、价格更低、可靠性高、智能化、省能化、短小轻薄化。
我国在机电一体化方面进行研究和应用,起步比较晚,所以面对全球经济市场的竞争,我国在这个领域面临严峻的形势。
首先,传统工业面临着用微电子技术改造的难题,工作量大;其次,用机电一体化技术加速产品更新换代,提高市场占有率压力大;最后,用机电一体化产品取代技术含量和附加值低的产品对于我国经济的发展有重要的意义。
[1]
CNC二维工作平台结构简单,利用微机控制系统对机床进行控制,扩大了机床的加工范围,提高了加工精度以及可靠性,提高了生产率。
而且,可以降低成本,缩短生产周期,符合我国国情。
1.2设计任务
设计一个用于水平面(XOY平面)内的进行切割的CNC二维工作平台。
切割刀位于Y方向工作台上面,其受力点即X、Y方向受到的载荷作用点到Y方向丝杠轴心线的距离为100mm。
其他参数如下:
X*Y方向的行程500*300(mm),X丝杠转速n1=120r/min,Y丝杠转速n2=120r/min,理论定位精度δ=20μm,X方向轴向载荷F1=5000N,Y方向轴向载荷F2=4000N,X方向工作台滑板及组件重量1000N,Y方向工作台滑板及组件重量600N。
2总体方案设计
2.1总体方案设计
根据要求,执行器在XOY平面内运动,X、Y方向的丝杠均应该布置在水平面内,所以采用卧式工作台。
该结构结构紧凑,承载力大,工作稳定、可靠,定位精度高,能够满足使用要求。
按电机与机座、工作台滑板的相对位置分为三种:
电机与滑动工作台联成一体;下层电机固定在机座上,上层电动机固定在工作台滑板上;全部电机放在机座上。
传动方案采取丝杠转动,螺母移动的运动方式。
根据摩擦性质分类传动方案有两种,滑动螺旋传动和滚动螺旋传动。
开环进给系统结构较简单,调试、维修、使用方便,且成本低。
所以伺服系统采取开环系统,驱动装置采用步进电动机。
2.2设计方案的对比分析与确定
考虑到本设计是低速运动的,所以电机与机座、工作台滑板的相对位置采用第一种结构,即驱动电机与工作台连成一体的型式。
由于滑动丝杠螺母机构的动静摩擦差别大,低速时可能出现爬行现象,且传动效率低,所以采用滚珠螺旋传动,以保证较高的定位精度,而且滚珠丝杠的传动效率高,传动副爬行小,启动转矩小,传动灵敏,同步性好。
但是,滚珠丝杠螺母机构不能自锁,需要增加电磁制动装置,保证定位精确。
2.3总体设计方案系统组成
图1总体方案系统框图
3机械系统的设计
3.1工作台结构尺寸设计
X向拖板(上拖板)尺寸:
长
宽
高145×160×50
工作台滑板及组件重量:
1000N
Y向拖板(下拖板)尺寸:
长
宽
高
工作台滑板及组件重量:
600N
上导轨座(连电机)重量:
夹具及工件重量:
约150N。
X-Y工作台运动部分的总重量:
约287N。
图2二维工作台组成
3.2导轨的选择与参数确定
3.2.1导轨的选择
滚动导轨具有多种优点:
摩擦系数小,运动灵活;动、静摩擦系数基本相同,因而启动阻力小,不易产生爬行;可以预紧,刚度高;寿命长;精度高;润滑方便,可以采用脂润滑,一次装填,长期使用;由专业厂生产,可以外购选用。
[2]所以本设计采用滚动导轨副。
3.2.2参数的确定
(1)、导轨形式:
三角-矩形截面滚珠导轨
(2)、导轨长度
、X方向:
动导轨长度动导轨行程500mm支撑导轨长度
、Y方向:
动导轨长度动导轨行程300mm支撑导轨长度
3.3滚珠丝杠副的选择与计算
3.3.1设计Y方向的丝杠螺母副
本设计采取电机与丝杠直接通过联轴器相连,这样减少了传动件,有利于精度的提高,也方便安装。
此时,步进电机到丝杠间的传动比i=1。
滚珠丝杠副的支撑方式选择适用于中速、传动精度较高的长丝杠传动系统的双推-简支式。
(1)、Y方向丝杠受力分析及丝杠轴向力计算
Y方向工作台滑板及其组件重量W2以及X方向的轴向工作载荷主要由导轨承担,而丝杠主要承受Y方向的轴向力F。
Y方向丝杠所受的总轴向力F由两部分组成:
一是刀具所受的Y方向轴向工作载荷Fa2;二是Y方向工作台滑板及其组件重量W2和X方向的轴向载荷在导轨上产生的合成摩擦力FN两部分组成:
F=Fa2+FN
式中F―丝杠所受的总轴向力N;
FN―导轨与工作台滑板之间的摩擦力N;
Fa2―Y方向轴向工作载荷N
μ―导轨与工作台滑板之间的摩擦系数,由于导轨与工作台滑板处于边界润滑状态(脂润滑或油润滑),可取μ=0.05~0.2;
W2―Y方向工作台滑板及组件重量N;
Fa1―X方向的轴向工作载荷N
将W2=600N、Fa2=4000N、Fa1=5000N、取μ=0.1带入上式得Y方向丝杠所受的总轴向力F(卧式CNC):
F=Fa2+FN=4000+503.59=4503.59N
(2)、丝杠设计计算及尺寸选择
由于丝杠为低速传动,所以应按寿命和额定静载荷两种方法确定其尺寸,然后选择其中较大的。
按额定静载荷选择:
因为Y方向丝杠所受的总轴向力F=4503.59N,按Coa≥F的原则查附表1、外循环滚珠丝杠参数选择表,选择丝杠尺寸。
公称直径d0=16、导程L0=4mm,2.5圈×1列,Coa=14100N。
按疲劳寿命选择:
设计在较高速度下长时间工作的滚珠丝杠副时,因疲劳点蚀是其主要的破坏形式,故应按疲劳寿命选用,并采用与滚动轴承同样的计算方法,首先从工作载荷F推算最大动载荷Ca,由《机械设计》可知
式中Ca—最大(基本)额定动载荷(N),其值可查附表1
C’a――计算额定动载荷
F—丝杠所受总的轴向工作载荷(N)
L10—基本额定寿命(以一百万转为一个单位)
L’――预期使用寿命(以一百万转为一个单位)
预期使用寿命L’按下式计算
L’=(60×n×T)/1000000
式中n—滚珠丝杠副的转速(r/min);
T—预期使用寿命时间(h)
表1各类机器的(预期)使用寿命
机器类别
使用寿命T(h)
机器类别
使用寿命T(h)
通用机械
普通机床
自动控制机械及机床
5000~10000
10000
15000
仪器装置
航空机械
15000
1000
考虑滚珠丝杠副在运动过程中,有冲击振动和滚珠丝杠的硬度对其寿命的影响,则计算额定动载荷C’a计算公式可修正为
式中fW—运转系数,可查表2
fH—硬度系数,可查表3
F—轴向工作载荷(N)
L’预期使用寿命(以一百万转为一个单位)
Ca—最大(基本)额定动载荷(N),其值可查附表1
C’a――计算额定动载荷
当按上述公式计算出Ca’的值后,就可按照Ca≥Ca’的原则,查附表1外循环滚动螺旋副的选择表,或查附表2选择确定丝杠的各种尺寸。
表2运转系数fW的数值
运转状态
运转系数
无冲击的圆滑运转
一般运转
有冲击的运转
1.0~1.2
1.2~1.5
1.5~2.5
表3硬度系数fH数值
硬度HRC
60
57.5
55
52.5
50
47.5
45
42.5
40
30
25
硬度系数fH
1.0
1.1
1.2
1.4
2.0
2.5
3.3
4.5
5.0
10
15
将n=120r/min,查表1取T=15000h,查表2取fw=1.3,查表3取fH=1.0,F=4503.59N带入上述式子,计算
L’=60×n×T/1000000=60×120×15000/1000000=108(百万转)
=1.3*1.0*4503.59*4.8=28101.8N
(3)、确定滚珠丝杠副的导程
步进电机与丝杠直接通过联轴器相连,所以步进电机到丝杠间的传动比i=1,预估步进电机的步距角为1.5°,本设计的理论定位精度为δ=20μm。
根据的公式,
计算出导程为4.8mm。
则所选导程要大于等于4.8mm。
根据国际标准化组织(ISO/DIS3408-2.1991)和GB/T17587.2-1998中规定,初步确定,滚珠丝杠副的导程为8mm。
(4)、确定丝杠的螺纹长度ls(单边预留量为l=50mm)
ls≥lY+L+2l=300+50+50*2=450mm
根据Ca>C’a原则,查附表1滚珠丝杠副的设计表,并参考同类型设备的实际情况,设计选用:
外循环滚珠丝杠,公称直径d0=40mm,导程L0=8mm,3.5圈×1列,Ca=30900N,钢球直径(db)Dw=4.763mm,ψ=3°39´,精度等级为E,基本导程极限偏差为±6μm。
显然,最后应选择d0=40mm的丝杠。
3.3.2设计X方向的丝杠螺母副
(1)、Y方向丝杠受力分析及丝杠轴向力计算
X、Y方向的工作台滑板及其组件重量(W1、W2)以及Y方向的轴向工作载荷Fa2主要由导轨承担,而X方向丝杠主要承受X方向的轴向力F。
X方向丝杠所受的总轴向力F由两部分组成:
一是刀具所受的X方向轴向工作载荷Fa1;二是工作台滑板及其组件重量(W1、W2)和Y方向的轴向载荷在导轨上产生的合成摩擦力FN两部分组成:
F=Fa1+FN
式中F――丝杠所受的总轴向力N;
FN――导轨与工作台滑板之间的摩擦力N;
Fa1――X方向的轴向工作载荷N;
Fa2――Y方向轴向工作载荷N;
μ――导轨与工作台滑板之间的摩擦系数,由于导轨与工作台滑板处于边界润滑状态(脂润滑或油润滑),可取μ=0.05~0.2;
W1――X方向工作台滑板及其组件重量N;
W2――y方向工作台滑板及组件重量N;
将有关参数代入上述公式可得卧式CNCX方向丝杠所受的总轴向力F为:
F=Fa1+μ×4308.1=5000+0.1×4308.11=5430.8N
(2)、丝杠设计计算及尺寸选择
由于丝杠为低速传动,所以应按寿命和额定静载荷两种方法确定其尺寸,然后选择其中较大的。
按额定静载荷选择:
因为Y方向丝杠所受的总轴向力F=5430.8N,按Coa≥F的原则查附表1、外循环滚珠丝杠参数选择表,选择丝杠尺寸。
公称直径d0=16、导程L0=4mm,2.5圈×1列,Coa=14100N。
按疲劳寿命选择:
设计在较高速度下长时间工作的滚珠丝杠副时,因疲劳点蚀是其主要的破坏形式,故应按疲劳寿命选用,并采用与滚动轴承同样的计算方法,首先从工作载荷F推算最大动载荷Ca,由《机械设计》可知
式中Ca—最大(基本)额定动载荷(N),其值可查附表1
C’a――计算额定动载荷
F—丝杠所受总的轴向工作载荷(N)
L10—基本额定寿命(以一百万转为一个单位)
L’――预期使用寿命(以一百万转为一个单位)
预期使用寿命L’按下式计算
L’=(60×n×T)/1000000
式中n—滚珠丝杠副的转速(r/min);
T—预期使用寿命时间(h)
考虑滚珠丝杠副在运动过程中,有冲击振动和滚珠丝杠的硬度对其寿命的影响,则计算额定动载荷C’a计算公式可修正为
式中fW—运转系数,可查表2
fH—硬度系数,可查表3
F—轴向工作载荷(N)
L’预期使用寿命(以一百万转为一个单位)
Ca—最大(基本)额定动载荷(N),其值可查附表1
C’a――计算额定动载荷
当按上述公式计算出Ca’的值后,就可按照Ca≥Ca’的原则,查附表1外循环滚动螺旋副的选择表,或查附表2选择确定丝杠的各种尺寸。
将n=120r/min,查表1取T=15000h,查表2取fw=1.3,查表3取fH=1.0,F=5430.8N带入上述式子,计算
L’=60×n×T/1000000=60×120×15000/1000000=108(百万转)
=1.3*1.0*5430.8*4.8=33888.2N
(5)、确定滚珠丝杠副的导程
步进电机与丝杠直接通过联轴器相连,所以步进电机到丝杠间的传动比i=1,预估步进电机的步距角为1.5°,本设计的理论定位精度为δ=20μm。
根据的公式,
计算出导程为4.8mm。
则所选导程要大于等于4.8mm。
根据国际标准化组织(ISO/DIS3408-2.1991)和GB/T17587.2-1998中规定,初步确定,滚珠丝杠副的导程为8mm。
(6)、确定丝杠的螺纹长度ls(单边预留量为l=50mm)
ls≥lY+L+2l=500+85+50*2=685mm
根据Ca>C’a原则,查附表1滚珠丝杠副的设计表,并参考同类型设备的实际情况,设计选用:
外循环滚珠丝杠,公称直径d0=63mm,导程L0=8mm,3.5圈×1列,Ca=37900N,钢球直径(db)Dw=4.763mm,ψ=2°19´,精度等级为E,基本导程极限偏差为±6μm。
显然,最后应选择d0=63mm的丝杠。
3.3.3初选联轴器
联轴器有刚性和挠性两种,CNC二维工作平台是高精度机电系统,要求定位精度高,启动灵活、频繁。
这就要求联轴器输出地角位移、转矩与电机输出地角位移、转矩同步性好,因此选择刚性联轴器。
3.4轴承的选用与计算
滚珠丝杠的支撑方式是双推-简支式,一段安装推力轴承与深沟球轴承的组合,一端仅安装深沟球轴承。
X,Y方向同时采用这一方式。
3.4.1X方向轴承的选择
轴向载荷Fa=5000N;径向载荷R1=1000N,R2=4000N;轴承转速n=120r/min;运转中有中等冲击,预期寿命L/h=2000h。
根据丝杠直径63mm初选推力球轴承51212[3]型轴承和深沟球轴承。
(1)对7207AC型轴承,按照表20-6[3]
求轴承的计算轴向力。
由于
,故按式(20-10)[3]得:
按照表20-4[3],对7207AC型轴承,α=20°,e=0.57,
故径向当量动载荷Pr的径向载荷系数及轴向载荷系数为:
对轴承1
=0.43,
=1.0
对轴承2
=1.0,
=0
计算当量动载荷。
按照表20-5[3],fp=1.2-1.8,取fp=1.5.则
Pr1=fp(
)=1.5×(0.43×1000+1×6600)=10545N
Pr2=fp(
)=1.5×(1×4000+0×1600)=6000N
根据轴承1的受力大小选择轴承型号,轴承应具有的径向基本额定动载荷值Cr为:
选择7207AC型轴承,其
=22500N。
校核轴承寿命:
所以所选轴承适用。
3.4.2Y方向轴承的选择
由前面确定的数据可知:
轴向载荷Fa=4000N;径向载荷R1=600N,R2=5000N;轴承转速n=50r/min;运转中有中等冲击,预期寿命L/h=2000h。
根据丝杠直径40mm初选推力球轴承51212[3]型轴承和深沟球轴承。
(1)对7305AC型轴承,按照表20-6[3]
(2)求轴承的计算轴向力。
由于
,故按式(20-10)[3]得:
(3)按照表20-4[3],对7305AC型轴承,α=20°,e=0.57,
故径向当量动载荷Pr的径向载荷系数及轴向载荷系数为:
对轴承1
=0.43,
=1.0
对轴承2
=1.0,
=0
(4)计算当量动载荷。
查表fp=1.2-1.8,取fp=1.5.则
Pr1=fp(
)=1.5×(0.43×1000+1×6000)=9645N
Pr2=fp(
)=1.5×(1×5000+0×2000)=7500N
(5)根据轴承1的受力大小选择轴承型号,轴承应具有的径向基本额定动载荷值Cr为:
(6)选择7305AC型轴承,其
=22500N。
(7)校核轴承寿命:
所以所选轴承适用。
3.3机架的设计
机体包括基座和支承件。
基座和支承件有以下特点:
尺寸较大;结构比较复杂;刚度;抗震性;稳定性;热变形。
由于采用铸造的方式制造机架,所以选用铸铁为机架的材料。
工作台中用于镶嵌导轨的支承件选用HT100,其特点是力学性能较小,承受轻载荷,价钱较便宜。
减速器壳体材料选择ZL111.适用于砂型、金属型铸造系铝硅铜镁钛多元合金。
截面形状的特点:
(1)、空心截面惯性矩比实心的大,因此在相同的横截面积的情况下,采用横断面轮齿廓尺寸而减小壁厚的方法来提高支承件的刚度。
(2)、采用圆形空心截面能提高抗弯抗扭强度
(3)、截面为不封闭形式,抗扭敢赌差。
因此,在相同截面面积的情况,支承件的截面最好做成四边形封闭的箱体。
所以,本设计采用类比的方法,确定支承件采用举行实心截面。
二维工作平台的机座主要承受重力,所以,对于卧式工作台,设计中不用加强筋或筋板。
根据受力大小决定壁的厚度,壁厚过薄容易引起浇注不足和冷隔,过厚容易产生缩孔和材料的浪费,合理的壁厚是根据材料的尺寸大小来确定的。
4步进电机的选用与计算
4.1Y方向步进电机的选用与计算
(1)计算电机所需要的最小转矩Tmin
由Y方向的总轴向力F=4503.59N和丝杠的公称直径d0=40mm,以及ψ=3°39´计算电机所需要的最小转矩:
式中d――为丝杠螺纹大径,由公式d=d0-(0.2~0.25)db计算得d=31.1mm
d1――为丝杠螺纹小径,由公式d1=d0+2e-2R计算得d1
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