数控工作台三维造型设计及关键零部件工艺设计-本科论文.doc

毕业设计说明书 第 25 页

1 绪论

1.1课题的背景及目的
科学技术和社会生产的不断发展，对机械产品的性能、质量、生产率和成本提出了越来越高的要求。机械加工工艺过程自动化是实现上述要求的重要技术措施之一。而数控机床则能适应这种要求，满足目前的生产需求[1]。
数控机床是一种高度自动化的机床，随着社会生产和科学技术的迅速发展，机械产品的性能和质量不断提高，改型频繁。机械加工中，多品种、小批量加工的比例约占80%。这样，对机床不仅要求具有高精度和生产效率，而且还具备“柔性”，即灵活通用，能迅速适应加工零件的变更。数控机床较好地解决了形状复杂、精密、小批、多变的零件加工问题，具有适应性强、加工精度高、质量稳定和生产效率高等优点，是一种灵活而高效的自动化机床[2]。
随着电子、自动化、计算机和精密测试等技术的发展，数控机床在机械制造业中的地位将更加重要，而X-Y工作台是这些设备实现高精密加工的核心部件，对于提高产品的加工质量起着尤为重要的作用。
1.2国内外数控机床的发展状况
数控机床的出现是20世纪机床工业的主要特点。随着机床工业的发展，适应汽车工业的需要、高精度、高效率、高自动化的坐标键床、磨床、齿轮机床、组合机床大量出现；其中，数控机床和功能复合、柔性化、系统集成化亦是20世纪机床工业最显著的特征之一[3]。
20世纪中国机床工业的迅速崛起。在数控机床方面，中国1958年开始起步，60年代有了正式的数控机床产品。70年代，开始研制出加工中心。80年代研制出FMC，FMS，而且根据中国国情，还提出了数控机床与普通机床并存的独立制造岛(Alone Manufacturing Island)方案。80年代后，世界上掀起了研究实施CIMS的热潮，应该说，FMC、FMS、CIMS的基础之一，就是数控机床，而实施FMC、FMS、CIMS又进一步带动了数控机床的发展。
1.3数控工作台的分类及其特点
数控工作台分为十字工作台、旋转工作台等。
数控精密工作台采用滚珠丝杠副及直线导轨副为导向支承，滚珠丝杠副为运动执行元件的结构。具有精度高、效率高、寿命长、磨损小、节能低耗摩擦系数小、结构紧凑、通用性强等特点。
1.4数控工作台的应用
双坐标X-Y数控工作台可广泛应用于测量、激光焊接、激光切割，涂胶、插件、射线扫描、机械手、搬运、机床改造、专机制造及实用教学等领域。可根据生产的实际需要选择步进电机、直流伺服电机、交流伺服电机驱动；并且在特殊需要的情况下，还可以安装防尘、电器限位等装置。

2 总体方案设计

总体设计是数控工作台设计的基础，是数控工作台具体内容的总体描述，是数控工作台重要零部件工艺设计的前提，是完成所有设计内容的指导思想。因此，在对数控工作台进行详细设计之前，必须对数控工作台进行总体设计。数控工作台的总体设计要遵循数控工作台设计的基本准则及其相关要求。
(1)数控工作台设计的基本准则
数控工作台是数控设备中的重要附件之一。它的主要功能是将两个数控工作台组装在一起后，构成X-Y数控工作台，实现两个坐标的定位和联动。数控工作台两侧的结合面位置及工作台行程均可根据用户的需要进行特殊的定制。数控工作台工作行程一般以被加工零件的切削长度和刀盘的直径大小来确定。行程S=L+D+备量，L为工件切削长度，D为刀盘直径。二维工作台的组成原则是上层工作台行程一定要≤下层工作台行程。
(2)数控工作台设计的参数要求
负载重量G=200N；
工作台尺寸为 320mm×320mm×20mm；
工作台加工范围 X=350mm，Y=350mm；
工作台最大快移速度为1.5m/min；
重复定位精度为±0.01mm，定位精度为0.025mm。
2.1工作台外形尺寸及重量估算
1、∵工作台尺寸为 320mm×320mm×20mm，根据重量=体积×材料比重(硬铝)
∴W=320×320×20×10-3×2.8×10-2=57.344N
2、∵X向托板 320mm×320mm×20mm，
∴WX=320×320×20×10-3×2.8×10-2=57.344N
3、∵Y向托板 320mm×320mm×20mm，
∴WY=320×320×20×10-3×2.8×10-2=57.344N
4、上导轨座(含电机) 重量
(800×320×20)×10-3×2.8×10-2+10×10=143.36N+100N=243.36N
5、夹具及工件重量(约) 220N
6、综上所述，X-Y工作台运动部件的总重量(约)
57.344×3+243.36+220=635.392N
2.2滚动导轨副的计算与选择
根据给定的工作台部件的总重量及负载和估算的WX和WY，计算导轨的静安全系数：
fSL=C0/P (2.1)
由公式(2.1)可知：C0为导轨的基本静额定载荷；fSL=1.0～3.0(一般运行状况),3.0～5.0(运动时受冲击、振动)。
∵系统受中等冲击，
∴取fSL=3.0。
又根据，工作载荷，得：
0.5×() (2.2)
∴PX=0.5×(220+57.344×2)=167.344N；
PY=0.5×(220+57.344×3+243.36)=317.696N；
C0X=3.0×167.344=502.032N；
C0Y=3.0×317.696=953.088N。
根据计算的额定静载荷，同时确定其长度为：350+320+30(余量)=700mm；再浏览“深圳市腾展精密机电有限公司”网站[4]，下载相应产品的“资料”，即可选取符合上述计算结果的导轨。
∴参照图2.1中的型号定义，综合分析考虑，选取符合要求的导轨型号，即：MR 12 M L 2 V1 P -700 -15 -15 II。

图2.1 导轨的型号定义
根据上述所选定的导轨型号，查阅对应的官方技术资料，分析并记录该型号对应的具体尺寸数据参见表2.1所示。
表2.1 导轨(MR 12ML)尺寸参数
组装尺寸(mm)
轨道尺寸(mm)
额定负荷(N)
静扭矩(N·M)
H
W2
W1
H1
P
D×d×g1
C
C0
Mr0
Mp0
My0
13
7.5
12
7.5
25
6×3.5×3.5
3240
5630
34.9
30.2
30.2
重量
滑座尺寸(mm)
滑座(g)
导轨(g/m)
W
L
L1
h2
P1
P2
M×g2
Φ
S
T
51
602
27
47.6
34
10
20
20
M3×3.5
2
2.6
4.3
注：表中各项所指示的零件尺寸部位参见图2.2中所示。

图2.2 导轨示意图
根据所得的导轨型号及其相关的技术参数，计算导轨间需要满足的间距数值：
当工作台运动到上导轨座(含电机)的一端时，对下导轨产生的扭矩最大，故取此状态下的情况为校核参考即可。
假设导轨间距为2·x，距工作台几何中心近的一条导轨为l1，所受力为F1；另一条导轨据工作台几何中心的距离为l2，所受力为F2；已知工作台部分及其负载G=635.392N；受力分析如图2.3所示：

图2.3 导轨受力分析示意图
∴根据力学平衡分析，得：{ (2.3)
{ (2.4)
∴代入数值，解之得： { (2.5)
又考虑此情况下两条导轨分别受力，即可以认为两条导轨均可以平衡来自工作台部分及其负载所产生的扭矩，故查表2.1中单条导轨的静扭矩My0=30.2N·m，可知设计所得工作台部分及其负载给予导轨的扭矩不得大于选定导轨的额定静扭矩，即T≤60.4N·m；再根据公式(2.4)和(2.5)，代入：
(2.6)
中，进行化简计算，得： x≥79.941mm
∴ 2·x≥159.881mm
即两导轨间距不能小于159.881mm即可满足要求。
因此，考虑到产品各部件的协调及美观要求，确定两导轨间距为165mm。
2.3滚珠丝杠的设计及计算
1、滚珠丝杠的负荷包括铣削力及运动部件的重量所引起的进给抗力，应按铣削时的情况计算。
已知：①上导轨 GX=57.344×2+220=334.688N；②下导轨GY=635.392N。
(1)最大动负荷Q的计算
(2.7)
查表得，系数fW=1，fH=1，寿命值
L=60nT/106 (2.8)
n=1000Vmax/t (2.9)
查表得，使用寿命时间T=15000h；初选丝杠螺距t=5mm，由公式(2.9)得丝杠转速n=1000×1.5/5=300r/min；
∴由公式(2.8)可知，L=60×300×15000/106=270。
又X向丝杠牵引力（为当量摩擦系数）
=1.414×0.01×334.688=4.732N
Y向丝杠牵引力
=1.414×0.01×635.392=8.984N
∴由公式(2.7)可知，最大动载荷为：
X向 ×1×1×4.732=30.584N
Y向 ×1×1×8.984=58.066N
查阅相关的官方技术资料表，取滚珠丝杠的公称直径d0=8mm，选用滚珠丝杠螺母副的型号为8×2，其额定动载荷为225Kgf（1Kgf=9.8N），足够用。
同时，滚珠丝杠的长为350+165+115(余量)+60(支撑座宽)=690mm。
根据上述所选定的滚珠丝杠型号，查阅对应的官方技术资料，分析并记录该型号对应的具体尺寸数据参见表2.2所示。
表2.2 滚珠丝杠(8×2)尺寸参数
d
I
D
A
B
n
——
8
2
16
29
4
3
——
X
H
Da
L
W
Co(Kgf)
Coa(Kgf)
3.4
20
1.2
16
23
135
225
注：表中各项所指示的零件尺寸部位参见图2.4中所示。

图2.4 滚珠丝杠局部示意图
2、滚珠丝杠支撑座
根据上述所选定的滚珠丝杠型号，查阅对应的官方技术资料，分析并选取该型号对应的支撑座凸形固定侧类型为EK08、凸形支撑侧类型为EF08；其具体尺寸数据参见表2.3和表2.4所示。
表2.3 凸形固定侧(EK08)尺寸参数
规格(mm)
轴径d1
L
L1
L2
L3
b/±0.02
B
H
P
8
23
7
26
4
26
52
32
38
X
Y
Z
M
T
h/±0.02
B1
H1
使用轴承
6.6
11
12
M3
14
17
25
26
719/8C
注1：固定侧轴承为2个角接触轴承背对背安装。
注2：表中各项所指示的零件尺寸部位参见图2.5中所示。
①轴承座本体；②轴承；③压板；④套筒；⑤轴封；⑥锁固螺帽；⑦内六角止付螺丝附铜片
图2.5 凸形固定侧示意图
表2.4 凸形支撑侧(EF08)尺寸参数
规格(mm)
轴径d1
L
使用轴承
B
H
X
Y
6
14
606ZZ
52
32
6.6
11
P
Z
使用C型扣环
B1
H1
b/±0.02
h/±0.02
38
12
S6
25
26
26
17
注：表中各项所指示的零件尺寸部位参见图2.6中所示。

①轴承座本体；②轴承；③C型扣环
图2.6 凸形支撑侧示意图
3、滚珠丝杠螺母副几何参数计算
(1)基本参数
公称直径 d0 8mm
螺距 t 2mm
接触角 β 45°
(2)螺纹滚道
钢球直径Da 1.2mm
螺纹滚道法面半径R R=0.52·Da=0.52×1.2=0.624mm
偏心距e e=(R-Da/2)•sinβ=(0.624-1.2/2)×sin45°=0.017
螺纹升角γ γ=arc tan=arc tan=4.550°
(3)螺杆参数
螺杆外径 d d=d0-(0.2～0.25)•Da=8-0.2×1.2=7.76mm
螺杆内径 d1 d1=d0+2e-2R=8+2×0.017-2×0.624=6.786mm
螺杆接触直径 dZ dZ=d0-Da•cosβ=8-1.2×cos45°=7.152mm
(4)螺母参数
螺母螺纹外径 D D=d0-2e+2R=8-2×0.017+2×0.624=9.214mm
螺母内径(外循环) D1 D1=d0+(0.2～0.25)•Da=8+0.2×1.2=8.24mm
4、传动效率计算

5、刚度验算
滚珠丝杠受工作载荷P引起的导程L0的变化量：

Y向所受牵引力大，故应用Y向参数计算：
QY=P=58.066N ,L0=0.2cm ,E=20.6×106(N/cm2)
F=π•R2=3.14×(0.6786/2)2=0.361cm2
∴10-6cm
因而，丝杠因受扭矩角而引起的导程变化量ΔL1很小，可以忽略。
综上所述，导程总误差
10-6×=7.810(μm/m) (2.10)
∴查表知，E级精度的丝杠允许误差为15μm，故刚度足够。
6、稳定性计算
由于丝杠两端采用止推轴承，故不需要稳定性验算。
2.4步进电机的选用
(1)步进电机的步距角θb[5]
取系统脉冲当量δp=0.01mm/step，初选步进电机的步距角为θb=1.5°。
(2)步进电机启动力矩的计算
设步进电机等效力矩为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：
T•ψ•η=P•S (2.11)
公式(2.11)中，ψ为电机转角，η为机械传动效率，S为移动部件相应位移。
若取ψ=θb，则S=δp，且P=Ps+μG，则：
(2.12)
公式(2.12)中，T为电机轴的负载力矩，Ps为移动部件的负载(N)，μ为导轨的摩擦系数，G为移动部件的重量(N)，θb为步进电机的步距角(rad)；
这里，取μ=0.03(淬火钢滚珠导轨的摩擦系数)，η=0.96，Ps为丝杠牵引力，Ps=PH=58.066N，
考虑到重力的影响，Y向电机负载较大，因此取G=GY=635.392N；
∴30.688N•mm
若不考虑启动时运动部件惯性的影响，则启动力矩：
(2.13)
由公式(2.13)取安全系数为0.3，则：=102.293N•mm。
∴对于工作方式为三相六拍的三相步进电机：
=118.121N•mm (2.14)
(3)步进电机的最高工作频率:
=2500Hz (2.15)
(4)步进电机所需功率的计算
∵工作台最大快移速度为1.5m/min
∴步进电机所需功率：
2.009W (2.16)

因YS系列步进电动机的体积小，重量轻，结构简单，运行可靠，维修方便。两个端盖式轴承。绝缘级为E级，防护等级IP44，广泛应用在机械传动设备上，如小型机床、冶金、纺织、化工、医疗器械及日用电器。
其工作条件：环境温度不超过40℃，最低-15℃；相对湿度不超过90%；海拔不超过1000m；电源频率50Hz，电压220/380V；工作方式S1；按IMB14方式安装(无底脚，有轴伸，端盖上带凸缘，凸缘有通孔，凸缘在D端，借凸缘安装)。
所以，查表选用两个YS4512型步进电机，电机有关参数见表2.5：
表2.5 YS4512电机技术数据[6]

型号

功率/W

电流/A

电压/V
电机主轴/mm
转速/(r/min)

最大转矩
外形尺寸
(mm×mm×mm)
YS4512
16
0.085
380
Φ9
2800
2.4
150×100×115

2.5联轴器的选择
1、选择一种合适的联轴器类型可考虑以下几点[7]：
(1) 所传递的转矩大小和性质以及对缓冲减震功能的要求；
(2) 联轴器的工作转速高低和引起的离心力大小；
(3) 两轴相对位移的大小和方向；
(4) 联轴器的可靠性和工作环境；
(5) 联轴器的制造、安装、维护和成本。
2、计算联轴器的计算转矩
由于机器启动时的动载荷和运转中可能出现的过载现象，所以应当按轴上的最大转矩作为计算转矩Tca。计算转矩按下式计算
Tca=KA·T (2.17)
公式(2.17)中,T为公称转矩,N·m；KA为工作情况系数,查表,选取KA=1.3；
根据公称转矩:
6 (2.18)
∴ 654.571N·mm
故由公式（2.17）得计算转矩为
Tca=1.3×54.571N·mm=70.942N·mm

3、确定联轴器型号
首先根据为了补偿两轴的相对位移的考虑而选取联轴器类型为挠性联轴器；再根据计算转矩Tca，按照
Tca≤[T] (2.19)
的条件，由联轴器标准中选定该联轴器的型号TGA-C28-6-10。上式(2.19)中的[T]为该型号联轴器的许用转矩,具体尺寸数据参见表2.6。
表2.6 挠性联轴器(TGA-C28-6-10)尺寸参数
Φd1(mm)
Φd2(mm)
ΦD(mm)
L(mm)
L1(mm)
轴向偏差(mm)
6
10
28.6
28.1
5.00
±0.15
M
额定扭矩(N·m)
最大扭矩(N·m)
最高转速(rpm)
重量(g)
拧紧力矩(N·m)
M3
1.6
3.2
5000
46
2.0
注：表中各项所指示的零件尺寸部位参见图2.7中所示。

图2.7 挠性联轴器示意图
4、校核最大转速
根据被连接轴的转速n不应该超过所选联轴器所允许的最高转速nmax，参照表2.6中相关数值，得：TGA-C28-6-10满足n≤nmax。
2.6数控工作台三维造型装配图及其关键零部件图
综合上述分析及计算，运用Solidworks软件[8]，绘制数控工作台的三维造型装配图及其关键零部件图(另附图纸作)。
其中，简述滚珠丝杠的绘制步骤：
1、打开Solidworks软件，新建Solidworks文件→零件，如图1a、1b所示。
图1a

图1b
2、打开前视平面，绘制草图1。

图2
3、对草图1使用旋转命令，生成旋转体1。

图3
4、选取如图所示平面。

图4
5、正视，绘制草图2。

图5
6、对草图2使用拉伸切除命令，切除深度为3。

图6
7、切换到等轴测视角，选取图示平面。

图7
8、正视，绘制草图3。

图8
9、拉伸切除，切除深度为10。

图9
10、打开前视平面， 绘制草图4，保存退出草图编辑状态。

图10
11、转换到等轴测视角，选取图示平面。

图11
12、正视，绘制草图5，保存退出草图编辑状态。

图12
13、选取特征→曲线→螺旋线/涡状线命令绘制螺旋线，如图13所示。

图13
保存退出。

图14
14、特征→扫描切除，轮廓选择草图4，路径选择螺旋线/涡状线1，确定退出；滚珠丝杠绘制完成。

图15
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结 论

数控工作台是数控机床的重要组成部分，数控机床是数控技术的重要应用，数控技术是综合应用计算机、自动控制、自动检测及精密机械等高新技术的产物。它已经开始在各个领域普及，并且它所带来的巨大效益已引起世界各国科技与工业界的普遍重视。本文所设计说明的数控工作台是对数控机床整体结构的研究和分析，是基于当前数控技术要求的综合和梳理的结果。
在设计的开始，考虑到对数控机床的了解不是很多，不太清楚数控工作台与数控机床的协调机理，总体设计更是无从着手。在老师的指导和建议下，我耐心、细致地查阅了与数控技术相关的图书资料，并在互联网上参考了众多的图片及实物信息，从而在感官上对数控机床有了一个较好地认识；再加上我还参加了“2012中国中部(郑州)国际装备制造业博览会”，更是亲眼目睹了数控工作台在数控机床上的动作过程。在设计的过程中我遇到的一些难题，如：数控工作台尺寸与工作行程之间协调关系的确定、滚珠丝杠轴径与两侧支撑座上不同轴承孔之间的大小确定、滚珠丝杠加工工艺的流程设计、Solidworks软件的实际操作的问题等。但是，在老师和同学们的帮助下，我最终还是克服了心理上的畏惧，从而较好地解决了一系列看上去很难的问题；并且通过设计的亲自体验，也让我感受到了选择使用标准件的方法及其带来的方便之处。
经过长期认真地工作，我已完成数控工作台三维造型设计及其关键零部件的工艺设计。但，由于能力所限，再加上实践经验的不足，在我的设计中一定会有一些不足之处，还请老师给予严格的教育和适当的指导。
致 谢

这次毕业设计是在杨汉嵩老师的悉心指导下完成的。杨汉嵩老师对于机械方面的知识的驾驭能力之大是让我敬仰的，能够得到杨汉嵩老师的亲自指导是我所期望的，于我而言，更是一个绝佳的学习机会。
在我遇到困难的时候，我就会找到杨老师，请老师帮助我。他给予我的讲解是详细和有耐心的，让我在独自思考的前提下，指引着我的方向；我感受到的不仅是知识，更是老师的一片真心。我珍惜着这份师生情，在设计工作上，更是努力着、认真地推进着我的设计进程，我懂得，我不能辜负了老师的期望，我一定得好好干。
除了日常的必要指导和解释，杨老师还亲自带领我到理工实验大楼参观了与数控机床相关的教学仪器，并且为我提供了“2012中国中部(郑州)国际装备制造业博览会”的参观券，以使我对于数控工作台的设计工作变得有了更加明确地方向，让原先在我看来还是一头雾水的事情变得简单了许多。
这些日子里，我发现，无论是工作日还是休息日，杨老师基本上都是会在办公室的，或办公，或学习……这些点滴，我都看在眼里，记在心里，时刻激励和鞭策着我也要不断地前进，努力学习科学文化知识，为符合一名当代大学生的标准而继续完善自我、永不止步。
最后，我想对所有在我成长的路上给予我帮助的老师、同学，说一声：谢谢你！
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