1、 黄河科技学院毕业设计说明书 第 1 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、
2、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 195
3、8 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。黄河科技学院毕业设计说明书 第 2 页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
4、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。黄河科技学院毕业设计说明书 第 3 页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，
5、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 320mm320
6、mm20mm；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 320mm320mm20mm，根据重量=体积材料比重(硬铝)W=3203202010 -32.810-2=57.344N2、X 向托板 320mm320mm20mm，W X=3203202010-32.810-2=57.344N3、Y 向托板 320mm320mm20mm，W Y=3203202010-32.810-2=57.344N黄河科技学院毕业设计说明书 第 4 页4、上导轨座(含电
7、机) 重量 (80032020)10-32.810-2+1010=143.36N+100N=243.36N5、夹具及工件重量(约) 220N6、综上所述，X-Y 工作台运动部件的总重量(约)57.3443+243.36+220=635.392N2.2 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；f SL=1.03.0(一般运行状况),3.05.0(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：YX,SL0PC）（ W
8、F5.0PZ0.5( ) (2.2)Y, YX，P X=0.5(220+57.3442)=167.344N；PY=0.5(220+57.3443+243.36)=317.696N；C0X=3.0167.344=502.032N；C0Y=3.0317.696=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。黄
9、河科技学院毕业设计说明书 第 5 页图 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 Ddg1 C C0 Mr0 Mp0 My013 7.5 12 7.5 25 63.53.5 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 Mg2 S T51 602 27 47.6 34 10 20 20 M33.
10、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。黄河科技学院毕业设计说明书 第 6 页图 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 2x，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黄河科技学院毕业设计说明书 第 7 页根据力学平衡分析，
11、得： (2.3)21lFG (2.4)x75l-2代入数值，解之得： (2.5)x2G-1F）（ ）（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=30.2Nm，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 60.4Nm；再根据公式(2.4)和(2.5) ，代入：(2.6)）（ 12l-FT中，进行化简计算，得： x79.941mm 2x159.881mm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
12、 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：上导轨 G X=57.3442+220=334.688N；下导轨 GY=635.392N。(1)最大动负荷 Q 的计算(2.7)PfLHW3查表得，系数 fW=1，f H=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=10001.5/5=300r/min；由公式(2.8) 可知，L=6030015000/10 6=270。黄河科技学院
13、毕业设计说明书 第 8 页又 X 向丝杠牵引力（ 当f为当量摩擦系数）=1.4140.01334.688=4.732NXGf41.P当Y 向丝杠牵引力=1.4140.01635.392=8.984NYf.当由公式(2.7) 可知，最大动载荷为： X 向 114.732=30.584N3270QY 向 118.984=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 82，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
14、，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(82) 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黄河科技学院毕业设计说明书 第 9 页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
15、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 P8 23 7 26 4 26 52 32 38X 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。 轴承座本体；轴承；压板；套筒；轴封；锁固螺帽；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)尺寸参数注：表中各项所指示的零件尺寸部位参见图 2.6 中所示。规格(mm)轴径
16、 d1 L 使用轴承 B H X Y6 14 606ZZ 52 32 6.6 11P Z 使用 C 型扣环 B1 H1 b/0.02 h/0.0238 12 S6 25 26 26 17黄河科技学院毕业设计说明书 第 10 页轴承座本体；轴承；C 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 d 0 8mm螺距 t 2mm接触角 45(2)螺纹滚道 钢球直径 Da 1.2mm螺纹滚道法面半径 R R=0.52Da=0.521.2=0.624mm偏心距 e e=(R-Da/2)sin=(0.624 -1.2/2)sin45=0.017螺纹升角 =arc tan =arc tan =4.5500dt 82(3)螺杆参数螺杆外径 d d=d 0-(0.20.25) Da=8-0.21.2=7.76mm螺杆内径 d 1 d1=d0+2e-2R=8+20.017-20.624=6.786mm螺杆接触直径 d Z dZ=d0-Dacos=8-1.2cos45=7.152mm(4)螺母参数螺母螺纹外径 D D=d0-2e+2R=8-20.017+20.624=9.214mm
