數(shù)控工作臺三維造型設計及關鍵零部件工藝設計

1、 畢業(yè)設計說明書 第 28 頁1 緒論1.1課題的背景及目的科學技術(shù)和社會生產(chǎn)的不斷發(fā)展，對機械產(chǎn)品的性能、質(zhì)量、生產(chǎn)率和成本提出了越來越高的要求。機械加工工藝過程自動化是實現(xiàn)上述要求的重要技術(shù)措施之一。而數(shù)控機床則能適應這種要求，滿足目前的生產(chǎn)需求1。數(shù)控機床是一種高度自動化的機床，隨著社會生產(chǎn)和科學技術(shù)的迅速發(fā)展，機械產(chǎn)品的性能和質(zhì)量不斷提高，改型頻繁。機械加工中，多品種、小批量加工的比例約占80%。這樣，對機床不僅要求具有高精度和生產(chǎn)效率，而且還具備“柔性”，即靈活通用，能迅速適應加工零件的變更。數(shù)控機床較好地解決了形狀復雜、精密、小批、多變的零件加工問題，具有適應性強、加工精度高、質(zhì)量

2、穩(wěn)定和生產(chǎn)效率高等優(yōu)點，是一種靈活而高效的自動化機床2。隨著電子、自動化、計算機和精密測試等技術(shù)的發(fā)展，數(shù)控機床在機械制造業(yè)中的地位將更加重要，而X-Y工作臺是這些設備實現(xiàn)高精密加工的核心部件，對于提高產(chǎn)品的加工質(zhì)量起著尤為重要的作用。1.2國內(nèi)外數(shù)控機床的發(fā)展狀況數(shù)控機床的出現(xiàn)是20世紀機床工業(yè)的主要特點。隨著機床工業(yè)的發(fā)展，適應汽車工業(yè)的需要、高精度、高效率、高自動化的坐標鍵床、磨床、齒輪機床、組合機床大量出現(xiàn)；其中，數(shù)控機床和功能復合、柔性化、系統(tǒng)集成化亦是20世紀機床工業(yè)最顯著的特征之一3。20世紀中國機床工業(yè)的迅速崛起。在數(shù)控機床方面，中國1958年開始起步，60年代有了正式的數(shù)控機

3、床產(chǎn)品。70年代，開始研制出加工中心。80年代研制出FMC，F(xiàn)MS，而且根據(jù)中國國情，還提出了數(shù)控機床與普通機床并存的獨立制造島(Alone Manufacturing Island)方案。80年代后，世界上掀起了研究實施CIMS的熱潮，應該說，F(xiàn)MC、FMS、CIMS的基礎之一，就是數(shù)控機床，而實施FMC、FMS、CIMS又進一步帶動了數(shù)控機床的發(fā)展。1.3數(shù)控工作臺的分類及其特點數(shù)控工作臺分為十字工作臺、旋轉(zhuǎn)工作臺等。數(shù)控精密工作臺采用滾珠絲杠副及直線導軌副為導向支承，滾珠絲杠副為運動執(zhí)行元件的結(jié)構(gòu)。具有精度高、效率高、壽命長、磨損小、節(jié)能低耗摩擦系數(shù)小、結(jié)構(gòu)緊湊、通用性強等特點。1.4數(shù)

4、控工作臺的應用雙坐標X-Y數(shù)控工作臺可廣泛應用于測量、激光焊接、激光切割，涂膠、插件、射線掃描、機械手、搬運、機床改造、專機制造及實用教學等領域?？筛鶕?jù)生產(chǎn)的實際需要選擇步進電機、直流伺服電機、交流伺服電機驅(qū)動；并且在特殊需要的情況下，還可以安裝防塵、電器限位等裝置。2 總體方案設計總體設計是數(shù)控工作臺設計的基礎，是數(shù)控工作臺具體內(nèi)容的總體描述，是數(shù)控工作臺重要零部件工藝設計的前提，是完成所有設計內(nèi)容的指導思想。因此，在對數(shù)控工作臺進行詳細設計之前，必須對數(shù)控工作臺進行總體設計。數(shù)控工作臺的總體設計要遵循數(shù)控工作臺設計的基本準則及其相關要求。(1)數(shù)控工作臺設計的基本準則數(shù)控工作臺是數(shù)控設備中

5、的重要附件之一。它的主要功能是將兩個數(shù)控工作臺組裝在一起后，構(gòu)成X-Y數(shù)控工作臺，實現(xiàn)兩個坐標的定位和聯(lián)動。數(shù)控工作臺兩側(cè)的結(jié)合面位置及工作臺行程均可根據(jù)用戶的需要進行特殊的定制。數(shù)控工作臺工作行程一般以被加工零件的切削長度和刀盤的直徑大小來確定。行程S=L+D+備量，L為工件切削長度，D為刀盤直徑。二維工作臺的組成原則是上層工作臺行程一定要下層工作臺行程。(2)數(shù)控工作臺設計的參數(shù)要求 負載重量G=200N； 工作臺尺寸為 320mm320mm20mm； 工作臺加工范圍 X=350mm，Y=350mm；工作臺最大快移速度為1.5m/min；重復定位精度為0.01mm，定位精度為0.025mm

6、。2.1工作臺外形尺寸及重量估算 1、工作臺尺寸為 320mm320mm20mm，根據(jù)重量=體積材料比重(硬鋁) W=3203202010-32.810-2=57.344N 2、X向托板 320mm320mm20mm， WX=3203202010-32.810-2=57.344N 3、Y向托板 320mm320mm20mm， WY=3203202010-32.810-2=57.344N 4、上導軌座(含電機) 重量 (80032020)10-32.810-2+1010=143.36N+100N=243.36N 5、夾具及工件重量(約) 220N 6、綜上所述，X-Y工作臺運動部件的總重量(約)

7、 57.3443+243.36+220=635.392N2.2滾動導軌副的計算與選擇根據(jù)給定的工作臺部件的總重量及負載和估算的WX和WY，計算導軌的靜安全系數(shù)： fSL=C0/P (2.1)由公式(2.1)可知：C0為導軌的基本靜額定載荷；fSL=1.03.0(一般運行狀況),3.05.0(運動時受沖擊、振動)。系統(tǒng)受中等沖擊，取fSL=3.0。又根據(jù)，工作載荷，得： 0.5() (2.2) PX=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

8、.696=953.088N。 根據(jù)計算的額定靜載荷，同時確定其長度為：350+320+30(余量)=700mm；再瀏覽“深圳市騰展精密機電有限公司”網(wǎng)站4，下載相應產(chǎn)品的“資料”，即可選取符合上述計算結(jié)果的導軌。參照圖2.1中的型號定義，綜合分析考慮，選取符合要求的導軌型號，即：MR 12 M L 2 V1 P -700 -15 -15 II。圖2.1 導軌的型號定義根據(jù)上述所選定的導軌型號，查閱對應的官方技術(shù)資料，分析并記錄該型號對應的具體尺寸數(shù)據(jù)參見表2.1所示。表2.1 導軌(MR 12ML)尺寸參數(shù)組裝尺寸(mm)軌道尺寸(mm)額定負荷(N)靜扭矩(NM)HW2W1H1PDdg1CC

9、0Mr0Mp0My0137.5127.52563.53.53240563034.930.230.2重量滑座尺寸(mm)滑座(g)導軌(g/m)WLL1h2P1P2Mg2ST516022747.634102020M33.522.64.3注：表中各項所指示的零件尺寸部位參見圖2.2中所示。圖2.2 導軌示意圖根據(jù)所得的導軌型號及其相關的技術(shù)參數(shù)，計算導軌間需要滿足的間距數(shù)值：當工作臺運動到上導軌座(含電機)的一端時，對下導軌產(chǎn)生的扭矩最大，故取此狀態(tài)下的情況為校核參考即可。假設導軌間距為2x，距工作臺幾何中心近的一條導軌為l1，所受力為F1；另一條導軌據(jù)工作臺幾何中心的距離為l2，所受力為F2；已

10、知工作臺部分及其負載G=635.392N；受力分析如圖2.3所示：圖2.3 導軌受力分析示意圖 根據(jù)力學平衡分析，得： (2.3) (2.4)代入數(shù)值，解之得： (2.5)又考慮此情況下兩條導軌分別受力，即可以認為兩條導軌均可以平衡來自工作臺部分及其負載所產(chǎn)生的扭矩，故查表2.1中單條導軌的靜扭矩My0=30.2Nm，可知設計所得工作臺部分及其負載給予導軌的扭矩不得大于選定導軌的額定靜扭矩，即T60.4Nm；再根據(jù)公式(2.4)和(2.5)，代入： (2.6)中，進行化簡計算，得： x79.941mm 2x159.881mm即兩導軌間距不能小于159.881mm即可滿足要求。 因此，考慮到產(chǎn)品

11、各部件的協(xié)調(diào)及美觀要求，確定兩導軌間距為165mm。2.3滾珠絲杠的設計及計算 1、滾珠絲杠的負荷包括銑削力及運動部件的重量所引起的進給抗力，應按銑削時的情況計算。已知：上導軌 GX=57.3442+220=334.688N；下導軌GY=635.392N。 (1)最大動負荷Q的計算 (2.7)查表得，系數(shù)fW=1，fH=1，壽命值 L=60nT/106 (2.8) n=1000Vmax/t (2.9) 查表得，使用壽命時間T=15000h；初選絲杠螺距t=5mm，由公式(2.9)得絲杠轉(zhuǎn)速n=10001.5/5=300r/min； 由公式(2.8)可知，L=6030015000/106=270

12、。 又X向絲杠牽引力（為當量摩擦系數(shù)） =1.4140.01334.688=4.732N Y向絲杠牽引力 =1.4140.01635.392=8.984N 由公式(2.7)可知，最大動載荷為： X向 114.732=30.584N Y向 118.984=58.066N 查閱相關的官方技術(shù)資料表，取滾珠絲杠的公稱直徑d0=8mm，選用滾珠絲杠螺母副的型號為82，其額定動載荷為225Kgf（1Kgf=9.8N），足夠用。 同時，滾珠絲杠的長為350+165+115(余量)+60(支撐座寬)=690mm。根據(jù)上述所選定的滾珠絲杠型號，查閱對應的官方技術(shù)資料，分析并記錄該型號對應的具體尺寸數(shù)據(jù)參見表2

13、.2所示。 表2.2 滾珠絲杠(82)尺寸參數(shù)dIDABn82162943XHDaLWCo(Kgf)Coa(Kgf)3.4201.21623135225 注：表中各項所指示的零件尺寸部位參見圖2.4中所示。 圖2.4 滾珠絲杠局部示意圖 2、滾珠絲杠支撐座根據(jù)上述所選定的滾珠絲杠型號，查閱對應的官方技術(shù)資料，分析并選取該型號對應的支撐座凸形固定側(cè)類型為EK08、凸形支撐側(cè)類型為EF08；其具體尺寸數(shù)據(jù)參見表2.3和表2.4所示。表2.3 凸形固定側(cè)(EK08)尺寸參數(shù)規(guī)格(mm)軸徑d1LL1L2L3b/0.02BHP823726426523238XYZMTh/0.02B1H1使用軸承6.61

14、112M314172526719/8C注1：固定側(cè)軸承為2個角接觸軸承背對背安裝。注2：表中各項所指示的零件尺寸部位參見圖2.5中所示。 軸承座本體；軸承；壓板；套筒；軸封；鎖固螺帽；內(nèi)六角止付螺絲附銅片圖2.5 凸形固定側(cè)示意圖表2.4 凸形支撐側(cè)(EF08)尺寸參數(shù)規(guī)格(mm)軸徑d1L使用軸承BHXY614606ZZ52326.611PZ使用C型扣環(huán)B1H1b/0.02h/0.023812S625262617 注：表中各項所指示的零件尺寸部位參見圖2.6中所示。軸承座本體；軸承；C型扣環(huán)圖2.6 凸形支撐側(cè)示意圖 3、滾珠絲杠螺母副幾何參數(shù)計算 (1)基本參數(shù) 公稱直徑 d0 8mm 螺

15、距 t 2mm 接觸角 45 (2)螺紋滾道 鋼球直徑Da 1.2mm 螺紋滾道法面半徑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 螺紋升角 =arc tan=arc tan=4.550 (3)螺桿參數(shù) 螺桿外徑 d d=d0-(0.20.25)Da=8-0.21.2=7.76mm 螺桿內(nèi)徑 d1 d1=d0+2e-2R=8+20.017-20.624=6.786mm 螺桿接觸直徑 dZ dZ=d0-Dacos=8-1.2cos45=7.152mm (4)螺母參數(shù) 螺母螺紋外徑 D D=d0-2e

16、+2R=8-20.017+20.624=9.214mm 螺母內(nèi)徑(外循環(huán)) D1 D1=d0+(0.20.25)Da=8+0.21.2=8.24mm 4、傳動效率計算 5、剛度驗算 滾珠絲杠受工作載荷P引起的導程L0的變化量： Y向所受牽引力大，故應用Y向參數(shù)計算： QY=P=58.066N ,L0=0.2cm ,E=20.6106(N/cm2) F=R2=3.14(0.6786/2)2=0.361cm2 10-6cm 因而，絲杠因受扭矩角而引起的導程變化量L1很小，可以忽略。綜上所述，導程總誤差 10-6=7.810(m/m) (2.10)查表知，E級精度的絲杠允許誤差為15m，故剛度足夠。

17、 6、穩(wěn)定性計算 由于絲杠兩端采用止推軸承，故不需要穩(wěn)定性驗算。2.4步進電機的選用 (1)步進電機的步距角b5 取系統(tǒng)脈沖當量p=0.01mm/step，初選步進電機的步距角為b=1.5。 (2)步進電機啟動力矩的計算設步進電機等效力矩為T，負載力為P，根據(jù)能量守恒原理，電機所做的功與負載力做功有如下關系： T=PS (2.11) 公式(2.11)中，為電機轉(zhuǎn)角，為機械傳動效率，S為移動部件相應位移。 若取=b，則S=p，且P=Ps+G，則： (2.12) 公式(2.12)中，T為電機軸的負載力矩，Ps為移動部件的負載(N)，為導軌的摩擦系數(shù)，G為移動部件的重量(N)，b為步進電機的步距角(

18、rad)； 這里，取=0.03(淬火鋼滾珠導軌的摩擦系數(shù))，=0.96，Ps為絲杠牽引力，Ps=PH=58.066N， 考慮到重力的影響，Y向電機負載較大，因此取G=GY=635.392N； 30.688Nmm 若不考慮啟動時運動部件慣性的影響，則啟動力矩： (2.13) 由公式(2.13)取安全系數(shù)為0.3，則：=102.293Nmm。 對于工作方式為三相六拍的三相步進電機： =118.121Nmm (2.14) (3)步進電機的最高工作頻率: =2500Hz (2.15) (4)步進電機所需功率的計算工作臺最大快移速度為1.5m/min步進電機所需功率： 2.009W (2.16) 因YS

19、系列步進電動機的體積小，重量輕，結(jié)構(gòu)簡單，運行可靠，維修方便。兩個端蓋式軸承。絕緣級為E級，防護等級IP44，廣泛應用在機械傳動設備上，如小型機床、冶金、紡織、化工、醫(yī)療器械及日用電器。 其工作條件：環(huán)境溫度不超過40，最低-15；相對濕度不超過90%；海拔不超過1000m；電源頻率50Hz，電壓220/380V；工作方式S1；按IMB14方式安裝(無底腳，有軸伸，端蓋上帶凸緣，凸緣有通孔，凸緣在D端，借凸緣安裝)。 所以，查表選用兩個YS4512型步進電機，電機有關參數(shù)見表2.5：表2.5 YS4512電機技術(shù)數(shù)據(jù)6型號功率/W電流/A電壓/V電機主軸/mm轉(zhuǎn)速/(r/min)最大轉(zhuǎn)矩外形尺

20、寸(mmmmmm)YS4512160.085380928002.41501001152.5聯(lián)軸器的選擇 1、選擇一種合適的聯(lián)軸器類型可考慮以下幾點7：(1) 所傳遞的轉(zhuǎn)矩大小和性質(zhì)以及對緩沖減震功能的要求；(2) 聯(lián)軸器的工作轉(zhuǎn)速高低和引起的離心力大??；(3) 兩軸相對位移的大小和方向；(4) 聯(lián)軸器的可靠性和工作環(huán)境；(5) 聯(lián)軸器的制造、安裝、維護和成本。 2、計算聯(lián)軸器的計算轉(zhuǎn)矩由于機器啟動時的動載荷和運轉(zhuǎn)中可能出現(xiàn)的過載現(xiàn)象，所以應當按軸上的最大轉(zhuǎn)矩作為計算轉(zhuǎn)矩Tca。計算轉(zhuǎn)矩按下式計算 Tca=KAT (2.17)公式(2.17)中,T為公稱轉(zhuǎn)矩,Nm；KA為工作情況系數(shù),查表,選取

21、KA=1.3；根據(jù)公稱轉(zhuǎn)矩: 6 (2.18) 654.571Nmm故由公式（2.17）得計算轉(zhuǎn)矩為Tca=1.354.571Nmm=70.942Nmm 3、確定聯(lián)軸器型號首先根據(jù)為了補償兩軸的相對位移的考慮而選取聯(lián)軸器類型為撓性聯(lián)軸器；再根據(jù)計算轉(zhuǎn)矩Tca，按照 TcaT (2.19)的條件，由聯(lián)軸器標準中選定該聯(lián)軸器的型號TGA-C28-6-10。上式(2.19)中的T為該型號聯(lián)軸器的許用轉(zhuǎn)矩,具體尺寸數(shù)據(jù)參見表2.6。表2.6 撓性聯(lián)軸器(TGA-C28-6-10)尺寸參數(shù)d1(mm)d2(mm)D(mm)L(mm)L1(mm)軸向偏差(mm)61028.628.15.000.15M額定

22、扭矩(Nm)最大扭矩(Nm)最高轉(zhuǎn)速(rpm)重量(g)擰緊力矩(Nm)M31.63.25000462.0 注：表中各項所指示的零件尺寸部位參見圖2.7中所示。 圖2.7 撓性聯(lián)軸器示意圖 4、校核最大轉(zhuǎn)速根據(jù)被連接軸的轉(zhuǎn)速n不應該超過所選聯(lián)軸器所允許的最高轉(zhuǎn)速nmax，參照表2.6中相關數(shù)值，得：TGA-C28-6-10滿足nnmax。2.6數(shù)控工作臺三維造型裝配圖及其關鍵零部件圖綜合上述分析及計算，運用Solidworks軟件8，繪制數(shù)控工作臺的三維造型裝配圖及其關鍵零部件圖(另附圖紙作)。其中，簡述滾珠絲杠的繪制步驟： 1、打開Solidworks軟件，新建Solidworks文件零件，

23、如圖1a、1b所示。圖1a圖1b2、打開前視平面，繪制草圖1。圖2 3、對草圖1使用旋轉(zhuǎn)命令，生成旋轉(zhuǎn)體1。圖3 4、選取如圖所示平面。圖4 5、正視，繪制草圖2。圖5 6、對草圖2使用拉伸切除命令，切除深度為3。圖6 7、切換到等軸測視角，選取圖示平面。圖7 8、正視，繪制草圖3。圖8 9、拉伸切除，切除深度為10。圖9 10、打開前視平面， 繪制草圖4，保存退出草圖編輯狀態(tài)。圖10 11、轉(zhuǎn)換到等軸測視角，選取圖示平面。圖11 12、正視，繪制草圖5，保存退出草圖編輯狀態(tài)。圖12 13、選取特征曲線螺旋線/渦狀線命令繪制螺旋線，如圖13所示。圖13保存退出。圖14 14、特征掃描切除，輪廓

24、選擇草圖4，路徑選擇螺旋線/渦狀線1，確定退出；滾珠絲杠繪制完成。圖15此處省略NNNNNNNNNNNN字。如需要完整說明書和設計圖紙等.請聯(lián)系在線扣扣：九七一九二零八零零 另提供全套機械畢業(yè)設計下載！全部設計都已通過答辯結(jié) 論數(shù)控工作臺是數(shù)控機床的重要組成部分，數(shù)控機床是數(shù)控技術(shù)的重要應用，數(shù)控技術(shù)是綜合應用計算機、自動控制、自動檢測及精密機械等高新技術(shù)的產(chǎn)物。它已經(jīng)開始在各個領域普及，并且它所帶來的巨大效益已引起世界各國科技與工業(yè)界的普遍重視。本文所設計說明的數(shù)控工作臺是對數(shù)控機床整體結(jié)構(gòu)的研究和分析，是基于當前數(shù)控技術(shù)要求的綜合和梳理的結(jié)果。在設計的開始，考慮到對數(shù)控機床的了解不是很多，

25、不太清楚數(shù)控工作臺與數(shù)控機床的協(xié)調(diào)機理，總體設計更是無從著手。在老師的指導和建議下，我耐心、細致地查閱了與數(shù)控技術(shù)相關的圖書資料，并在互聯(lián)網(wǎng)上參考了眾多的圖片及實物信息，從而在感官上對數(shù)控機床有了一個較好地認識；再加上我還參加了“2012中國中部(鄭州)國際裝備制造業(yè)博覽會”，更是親眼目睹了數(shù)控工作臺在數(shù)控機床上的動作過程。在設計的過程中我遇到的一些難題，如：數(shù)控工作臺尺寸與工作行程之間協(xié)調(diào)關系的確定、滾珠絲杠軸徑與兩側(cè)支撐座上不同軸承孔之間的大小確定、滾珠絲杠加工工藝的流程設計、Solidworks軟件的實際操作的問題等。但是，在老師和同學們的幫助下，我最終還是克服了心理上的畏懼，從而較好地

26、解決了一系列看上去很難的問題；并且通過設計的親自體驗，也讓我感受到了選擇使用標準件的方法及其帶來的方便之處。經(jīng)過長期認真地工作，我已完成數(shù)控工作臺三維造型設計及其關鍵零部件的工藝設計。但，由于能力所限，再加上實踐經(jīng)驗的不足，在我的設計中一定會有一些不足之處，還請老師給予嚴格的教育和適當?shù)闹笇АＶ?謝這次畢業(yè)設計是在楊漢嵩老師的悉心指導下完成的。楊漢嵩老師對于機械方面的知識的駕馭能力之大是讓我敬仰的，能夠得到楊漢嵩老師的親自指導是我所期望的，于我而言，更是一個絕佳的學習機會。在我遇到困難的時候，我就會找到楊老師，請老師幫助我。他給予我的講解是詳細和有耐心的，讓我在獨自思考的前提下，指引著我的方向

27、；我感受到的不僅是知識，更是老師的一片真心。我珍惜著這份師生情，在設計工作上，更是努力著、認真地推進著我的設計進程，我懂得，我不能辜負了老師的期望，我一定得好好干。除了日常的必要指導和解釋，楊老師還親自帶領我到理工實驗大樓參觀了與數(shù)控機床相關的教學儀器，并且為我提供了“2012中國中部(鄭州)國際裝備制造業(yè)博覽會”的參觀券，以使我對于數(shù)控工作臺的設計工作變得有了更加明確地方向，讓原先在我看來還是一頭霧水的事情變得簡單了許多。這些日子里，我發(fā)現(xiàn)，無論是工作日還是休息日，楊老師基本上都是會在辦公室的，或辦公，或?qū)W習這些點滴，我都看在眼里，記在心里，時刻激勵和鞭策著我也要不斷地前進，努力學習科學文化

28、知識，為符合一名當代大學生的標準而繼續(xù)完善自我、永不止步。最后，我想對所有在我成長的路上給予我?guī)椭睦蠋?、同學，說一聲：謝謝你！參考文獻1 蔡厚道.數(shù)控機床構(gòu)造.北京：北京理工大學出版社，2007.2 二維精密工作臺.百度文庫：工學EB/OL. 3 杜君文.20世紀機床工業(yè)的輝煌J.機械技術(shù)史，1998,00期，497-500.4 CPC微型滑軌.資料下載.深圳市騰展精密機電有限公司DB/OL. .tw/Down/list_1.html，2012-02-29.5 秦曾煌.電工學上冊，電工技術(shù)M.北京：高等教育出版社，2004:201-228.6 吳宗澤，羅圣國.機械設計課程設計手冊M.北京：高

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