数控十字工作台

一.引言：
数控机床课程设计是机电一体化专业教学中的一个重要的实践环节，学生学完技术基础课和专业课，特别是“数控技术及应用”课程后应用的，它是培养学生理论联系实际、解决实际问题能力的重要步骤。本课程设计是以机电一体化的典型课题—数控工作台设计方案为主线，通过对数控工作台总体方案的拟定、进给伺服系统机械部分设计及计算，使学生能够综合应用所学过的机械专业方面的知识，进行一次综合的全方面训练，从而培养学生具有初步设计计算的能力以及分析和处理生产过程中所遇到的问题的能力。
二.设计任务
设计一个数控X-Y工作台。该工作台可用于铣床上坐标孔的加工和腊摸、塑料、铝合金零件的二维曲线加工，重复定位精度为±0.01mm，定位精度为0.02mm。
设计主要技术要求如下：台面尺寸 长×宽＝400mm×250mm；工作台行程为：X=300mm，Y=150mm；脉冲当量：X 、Y都是0.01 mm；X /Y最高工作进给速度为300 mm /min；X /Y最高空载进给速度为700 mm /min；X/Y/Z向切削负载为：2000/2000/1000N（力不用计算）；工件最大重量（包括夹头）为：150KG；工作寿命为每天8小时，连续工作5年，250天/年。进给机械系统均采用滚动（珠）丝杠副和滚动（珠）导轨副；所设计的工作台应结构合理、设计参数与上述要求符合；设计装配图应表达正确，完整，技术标注规范、全面；
三. 总体方案确定
X - Y工作台的机电一体化系统可以设计为开环、半闭环和闭环伺服系统三种。开环的伺服系统采用步进电机驱动,系统中不设置传感与检测设备;半闭环的伺服系统中一般采用交流或直流伺服电机驱动,并在电机输出轴端设置传感与检测设备;闭环的伺服系统中也是采用交流或直流伺服电机驱动,但检测与传感设备设置在工作台末端。本文所设计的X - Y 工作台开环伺服系统,通过控制器控制步进电机的驱动,经传动机构带动工作台运动,其总体框图如下:

带动工作台运动,其总体框图如下:

工作台草图

四、机械部分设计
导轨副的选择

导轨是数控机床的重要部件之一，它在很大程度上决定数控机床的刚度，精度与精度保持性。目前的数控机床采用导轨形式的主要有：滑动导轨，滚动导轨，静压导轨三类。
要设计的X-Y工作台X/Y/Z向切削负载为2000/2000/1500，需要承受的载荷不是很大，脉冲当量为0.01 mm、定位精度高，因此，决定选用直线滚动导轨副，它具有摩擦系数小、不易爬行、传动效率高、结构紧凑、安装预紧方便等优点。
导轨上移动部件重量估算：包括进给工作台、夹具、上电动机、上导轨滑块、导轨座上层丝杠，由设计参数，可估计重量为4000N。
滑块承受的最大载荷为Fmax＝4000N/4＝1000N查表选用HJG-DA滚动直线系列DA30A，其额定功载荷为25.7kN，选用导轨长度850mm。（如下表）

（1）导轨额定寿命计算
上述选取的HJG-DA滚动直线系列DA30A导轨副的滚道硬度为60HRC，工作温度不超过
100°C每根导轨上配有上配有两个滑块，精度为4级，工作速度较低，载荷不大。查表得
fh＝1.0 ; 温度系数ft＝1.00 ; fc=0.81,fa＝0.9，fw=1.5，
得距离寿命：
L=[fhftfcfaCa/(fwPC)]350=7*106
L 额定寿命 fa精度系数
PC 计算载荷 fw载荷系数
ft 温度系数 fh硬度系数
fc接触系数
大于所期望的寿命距离，故满足要求。
（2）滚动导轨预紧方式的确定：
滚动导轨经过预紧，可以显著的提高其刚度，通常经过预紧的导轮的刚度可以比没有预紧的高三倍左右，因此，对于颠覆力炬较大，或要求接触刚度或移动精度叫高的导轨均匀进行预紧。但预紧力应适当，预紧力过大会使牵引力显著增加。
常用的预紧方法有两种：采用过盈配合或采用调整元件，此处采用过盈配合。
资料来源：http://www.hjmtc.cn/cpzs_dg_cs.asp

2、丝杠螺母副的选用
伺服电动机的旋转运动需要通过螺母副转换成直线运动，要满足0. 01mm的脉冲当量和0.02的定位精度，选用滚珠丝杠副。滚珠丝杠副的传功精度高、动态响应快、运转平稳、寿命长、效率高．预紧后可消除反向间隙。
（1）、计算进给引力
滚珠丝杠上的工作载荷为进给引力，移动体重力和作用在导轨上的其他切削分力相关的摩擦力。
由于选择的导轨要求结构紧凑，间隙调整方便，摩损小，有良好的精度保持性且运动平稳，故选择直线滚动导轨，为了使导轨能承受一定的颠覆力矩，所以选择燕尾导轨的实验公式进行计算：
4、确定齿轮传动比
5、步进电机的选用
步进电机是一种能将数字输入脉冲转换成旋转或直线增量运动的电磁执行元件。每输入一个脉冲电机转轴步进一个步距角增量。电机总的回转角与输入脉冲数成正比例，相应的转速取决于输入脉冲频率。
根据等效转动惯量的计算公式，得: