数控车床XY轴工作台和自动控制系统设计(2)

第五章 机械部分设计

机械部分设计内容包括：确定系统脉冲当量，运动部件惯性的计算，选择步进电机，传动及导向元件的设计、计算与选择，绘制机械部分装配图等。

第一节 脉冲当量的确定 脉冲当量：±0.01mm

第二节 工作台外形尺寸及重量初步估算

根据给定的有效行程，画出工作台简图，估算X向和Y向工作台承载重量WX和WY。 取X向导轨支撑钢球的中心距为410mm,Y向导轨支撑钢球的中心距为400mm,设计工作台简图如下:

X向拖板(上拖板)尺寸为:

长*宽*高=320*310*50 重量:按重量=体积*材料比重估算为:

WX?320?310?50?10?3?7.8?10?2?386.88N Y向拖板(下拖板)尺寸为:

长*宽*高=320*200*50

WY?320?200?50?10?3?7.8?10?2?249.60N

上导轨(含电机)重量为

(900?480?8?2?800?35?50)?7.8?10?2?10?3?487.97N 夹具及工件重量:约155N X-Y工作台运动部分总重量为:

W?487.97?386.88?249.60?150?1280

第三节 滚动导轨副的计算、选择

根据给定的工作载荷Fz和估算的Wx和Wy计算导轨的静安全系数，式中：为导轨的基本静额定载荷(Kn)；工作载荷P=0.5(Fz+W)； =1.0～3.0(一般运行状况)，3.0~5.0（运动时受冲击、振动）。根据计算结果查有关资料初选导轨： 因系统受中等冲击,因此取

PX?0.5(FZ?WX)?0.5(2000?386.88)?1193.44NPY?0.5(FZ?WY)?0.5(2000?249.60)?1124.80NCOX?fSLPX?4773.76COY?fSLPY?4499.20根据计算额定静载荷初选导轨:选择德国INA公司滚动直线导轨,其型号为:KUE15 基本参数如下 装配型号 KUE15

滑块牌号 KUE15 质量（kg） 0.17 导轨牌号 TKD15 安装尺寸/mm 单位质量 （kg/m） 1.5 导轨长度 插头（附件） 1200 KA08TN H 24 4.5 A 47 H2 4.5 C 54.5 H5 7 h 15 K2 M4 H1 4.8 K3 - C1 38.6 H4 8 A1 16 C2 30 a 15 C3 1.5 单向行程长度 C4 60 H6 4 A1 16 K1 M4 基本额定载荷 滑座个数 每分钟往复次数 n 4 /KN 6.5 /KN 9.2 /KN 7.3 M 4 0.6 导轨的额定动载荷=6500N

依据使用速度v（m/min）和初选导轨的基本动额定载荷(kN)验算导轨的工作寿命：

额定行程长度寿命: Ts=K（） F=

工作温度小于100℃，； 中等冲击，低速场合，； 每根导轨的滑块数为2，； 轨道硬度≥58，；

；

Ts=K（）=50()=17297.42Km导轨的额定工作时间寿命： T

T=

17297.42?1032?0.6?4?60?60060.48h?T?15000h 导轨的工作寿命足够.

第四节 滚珠丝杠计算、选择

初选丝杠材质：CrWMn钢，HRC≥58，导程：l0=5mm （1） 强度计算 丝杠轴向力： (N)

其中：综合导轨，K=1.15；滚动导轨摩擦系数f=0.003~0005；在车Fx=(0.1~0.6)Fz，Fy=(0.15~0.7)Fz，可取Fx=0.5Fz，Fy=0.6Fz计算。 取f=0.004,则:

FX?0.5FZ?0.5?2000?1000N FY?0.6FZ?0.6?2000?1200N

FXmax?1.15?1000?0.004(2000?386.88)?1159.55N FYmax?1.15?1200?0.004(2000?249.60)?1388.99N 寿命值：，其中丝杠转速 (r/min)

T=15000h

最大动载荷：

床车削外圆时：

式中：fW为载荷系数，中等冲击时为1.2~1.5；fH为硬度系数，HRC≥58时为1.0。 查表得中等冲击时则:

QX?3144?1.4?1?1159.55?8508.873 QY?144?1.4?1?1388.99?10192.51根据使用情况选择滚珠丝杠螺母的结构形式，并根据最大动载荷的数值可选择滚珠丝杠的型号为: D系列滚珠丝杆副，其型号为：D2005-4。 其基本参数如下: 代号 公称导程 直径 2505-4 25 5 滚珠直丝杠底丝杠外循环径 3.175 径 21.2 径 24.2 列数 4 油杯 5.8 10 40 66 53 刚度 615 螺母安装尺寸 螺母安装尺寸 50

11 6 额定载荷 11921 28759 其额定动载荷为11921N>足够用.滚珠循环方式为外循环螺旋槽式,预紧方式采用双螺母螺纹预紧形式.

名称 公称直径 螺距 接触角 钢球直径 螺纹滚道法向半径 偏心距 螺纹升角 螺杆外径 螺杆内径 螺杆接触直径 螺母螺纹外径 螺母内径（外循环） （2） 传动效率计算

丝杠螺母副的传动效率为：

式中：φ=10’，为摩擦角；γ为丝杠螺旋升角。

计算公式 ―― ―― ―― ―― 结果 20mm ５mm 3.175mm 1.651mm 0.04489mm 19.365mm 16.788mm 17.755mm 23.212mm 20.7mm

??tg?tg(???)?tg4033'tg(4033'?10')?0.96

（3） 稳定性验算

丝杠两端采用止推轴承时不需要稳定性验算。

FY?1388.99Nl0?0.5cmE?20.6?106(N/CM2)

1.6512S??R2?3.14()?2.14CM221388.99?0.5?L1???15.75?m?16?m620.6?10?2.144级精度在任意300mm内轴向行程内的变动允许量16，而对于跨度为1497mm的滚珠丝杠，总的变形量只有15.75，可见丝杠刚度足够。

第五节 齿轮计算、设计

因步进电机步距角滚珠丝杠螺距t=5mm,要实现脉冲当量,在传动系统中应加一对齿轮降速传动.

齿轮传动比：，初选步进电机步距角：α= 1.5?/step。

取小齿轮齿数 则大齿轮齿数

（1）主动轮最高转速最快移动速度为，可以算出主动轮最高转速

n1?(vmax/?)??/360?333r/min

确定带的设计功率。 预选的步进电动机在转速为333r/min时，对应的步进脉冲频率为

fmax?333?360/(60?1.5)?1332Hz

查表得当脉冲频率为1332Hz时，电动机的输出转矩约为18N2m，对应的输出功率为

POUT?n?T/9.55?333?18/9.55?627.6W.同步带传递的负载应该小于627.6W。今取P=0.42kw。查表得工作情况系数,求得带的设计功率Pd?KAP?1.2?0.32?0.504kw 选择带型 根据带的设计功率和主动轮最高转速，选择同步带的型号为XHL型。 （2）因传递的扭距较小,取模数m=1mm则: 分度圆直径:

齿顶圆直径: da1?(z1?2)m?(24?2)?1?26mm