小型數控X-Y工作臺設計【含CAD圖紙、三維模型和說明書開題報告】
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畢業(yè)設計(論文)學生開題報告
課題名稱
小型數控工作臺設計
課題來源
課題類型
指導教師
學生姓名
學 號
專業(yè)班級
一.本課題的研究現狀、研究目的及意義
1.研究現狀:國際機床市場的消費主流是數控機床。1998年世界機床進口額中大部分是數控機床,美國進口機床的數控率達70%,我國為60%。目前世界數控機床消費趨勢已從初期以數控電加工機床、數控機床、數控銑床為主轉數向以加工中心、專用數控機床、成套設備為主。世界X-Y數控工作臺發(fā)展動向納為下述幾點:工序復合化、精密化的高速化、低價格化。
總而言之,目前,X-Y數控機床的發(fā)展日新月異,高速化、高精度化、復合化、智能化、開放化、并聯驅動化、網絡化、極端化、綠色化以成為數控機床發(fā)展的趨勢和方向。中國作為一個制作大國,主要還是依靠勞動力、價格、資源等方面的優(yōu)勢,而在產品的技術創(chuàng)新與自主開發(fā)方面與國外同行的差距還很大。中國中國作為一個制作大國,主要還是依靠勞動力、價格、資源等方面的優(yōu)勢,而在產品的技術創(chuàng)新與自主開發(fā)方面與國外同行的差距還很大。中國的數控產業(yè)不能安于現狀,應該抓住機會不斷發(fā)展,努力縮短與發(fā)達國家之間的差距。的數控產業(yè)不能安于現狀,應該抓住機會不斷發(fā)展,努力縮短與發(fā)達國家之間的差距。力爭早日實現X-Y數控機床產品從低端到高端、從初級產品到高精尖端產品制作的變化。
2.研究目的及意義:數控機床是用數控指令來實現一臺或多臺機械設備動作控制的技術。它廣泛應用于機械制造和自動化領域,數控機床的應用不但給傳統(tǒng)的制造業(yè)帶來了革命性的變化,使制造業(yè)成為工業(yè)化的象征,而且隨著數控機床的不斷發(fā)展和應用領域的擴大,所以X-Y數控工作臺設計對國計民生的一些重要行業(yè)(IT汽車、輕工、醫(yī)療等)的發(fā)展起著越來越重要的作用。
目前國內中小企業(yè)多采用經濟型X-Y數控機床系統(tǒng),其加工速度慢、編程復雜、人機界面不友好,因此生產效率低、工人勞動強度大。因此研制和開發(fā)一套X-Y數控沖床數控系統(tǒng),用于裝配新沖床或對經濟型數控沖床進行改造,能夠有效的改善人機界面、提高加工速度、方便操作人員編寫用戶加工程序,對提高企業(yè)生產效率、改善工人的工作環(huán)境有很大的實際意義,工作臺是機床上必不可少的部件,工作臺的自動化能大大減輕勞動強度,提高勞動生產率。隨著經濟的發(fā)展,機械行業(yè)的許多普通機床和閑置設備,經過數控改造以后,不但可以提高加工精度和生產率,而且能有效的適應多種品種,小批量的市場需求,使之更有效的發(fā)揮經濟效益和設計效益。
3.傳動形式分析:目前主流的直線傳動形式有絲杠螺母及齒輪齒條傳動。
齒輪齒條傳動—將旋轉運動轉變?yōu)橹本€運動,但是,這樣的機構可以反向驅動,也就是齒條做直線運動來帶動齒輪旋轉,適合大距離的傳遞,如機床導軌底下帶動托板箱移動的就是齒輪齒條傳動。齒輪齒條傳動具有承載力大、傳動效率較高等特點,傳動精度較高,可達0.1mm,可無限長度對接延續(xù),傳動速度可以很高,>2m/s,
絲桿傳動—也可以將旋轉運動轉變?yōu)橥鶑偷闹本€運動,直線運動的速度由絲桿的導程、以及絲桿轉速決定,適合做精密的傳動,如機床工作臺的移動。普通梯形絲杠可以自鎖,這是最大優(yōu)點,但是傳動效率低下,比齒輪齒條形式低許多,所以不適合高速往返傳動。缺點是時間久了傳動間隙大,回程精度差,用在垂直傳動較合適。
在長距離重負載直線運動上,絲桿有可能強度不夠,就會導致機器出現震動、抖動等情況,嚴重的,會導致絲桿彎曲、變形、甚至斷裂等等;而齒條就不會有這樣的情況,齒條可以長距離無限接長并且高速運轉而不影響齒條精度(當然這個跟裝配、床身本身精度都有關系),絲桿就做不到這一點,但在短距離直線運動中,絲桿的精度明顯要比齒條高得多。另外就是,齒條齒輪傳動對于絲杠螺母結構設計來講要相對簡單一些。
通過以上分析不難發(fā)現,兩種傳動方式各有優(yōu)缺點,針對本課題的設計要求,決定采用齒輪齒條形式作為本次設計的傳動類型。
課題類型:
(1)A—工程實踐型;B—理論研究型;C—科研裝置研制型;D—計算機軟件型;
E—綜合應用型
(2)X—真實課題;Y—模擬課題;
(1)、(2)均要填,如AY、BX等。
二.本課題的研究內容
主要設計參數: X-軸行程350mm、最小移動單位5微米、工作速度800mm/min。Y-軸行程300mm、最小移動單位5微米、工作速度800mm/min。
傳動系統(tǒng)(齒輪齒條)結構部分設計
1.齒輪齒條材料選擇:齒條材料的種類很多,在選擇過程中應考慮的因素也很多,主要以以下幾點作為參考原則:
a. 齒輪齒條的材料必須滿足工作條件的要求。
b. 應考慮齒輪尺寸的大小、毛坯成形方法及熱處理和制造工藝。
c. 正火碳鋼,不論毛坯制作方法如何,只能用于制作載荷平穩(wěn)或輕度沖擊工
作下的齒輪,不能承受大的沖擊載荷;調制碳鋼可用于制作在中等沖擊載荷下工作的齒輪。
d. 金屬制的軟齒面齒輪,配對兩輪齒面的硬度差應保持為30~50HBS或者更
多。
鋼材的韌性好,耐沖擊,還可通過熱處理或化學熱處理改善其力學性能及提高齒面硬度,故適用于來制造齒輪。由于該齒輪承受載荷比較大,應采用硬齒面(硬度≥350HBS),故選取合金鋼,以滿足強度要求,進行設計計算。
2.各系數的確定:
計算齒輪強度用的載荷系數K,包括使用系數、動載系數、齒間載荷分配系數及齒向載荷分配系數,即
1)使用系數
是考慮齒輪嚙合時外部因素引起的附加載荷影響的系數。該齒輪傳動的載荷狀態(tài)為輕微沖擊,工作機器為機床工作臺,所以使用系數取1.35。
2)動載系數
齒輪傳動不可避免地會有制造及裝配誤差,輪齒受載后還要產生彈性變形,對于直齒輪傳動,輪齒在嚙合過程中,不論是有雙對齒嚙合過渡到單對齒嚙合,或是有單對吃嚙合過渡到雙對齒嚙合的期間,由于嚙合齒對的剛度變化,也要引起動載荷。為了計及動載荷的影響,引入了動載系數,由于速度v很小,取1.0。
3)齒間載荷分配系數
一對相互嚙合的斜齒(或直齒)圓柱齒輪,有兩對(或多對)齒同時工作時,則載荷應分配在這兩對(或多對)齒上。對于直齒輪及修形齒輪,取。
4)齒輪載荷分布系數
當軸承相對于齒輪做不對稱配置時,受災前,軸無彎曲變形,齒輪嚙合正常,兩個節(jié)圓柱恰好相切;受載后,軸產生彎曲變形,軸上的齒輪也就隨之偏斜,這就使作用在齒面上的載荷沿接觸線分布不均勻。
計算齒輪強度時,為了計及齒面上載荷沿接觸線分布不均勻的現象,通常以系數來表征齒面上載荷分布不均勻的程度對齒輪強度的影響。
根據機械設計表10-4取。
綜上所述,最終確定齒輪系數=1.35111.37=1.8
3.齒輪傳動的設計計算:
我國對一般用途的齒輪傳動規(guī)定的標準壓力角為α=20°。為使齒輪免于根切,對于α=20°的標準直齒輪,應取z≥17,這里取z=20。由于齒輪做懸臂布置,取=0.6。
齒輪的設計計算公式:
—開式齒輪磨損系數,(機械設計手冊(3卷)14-134)
轉矩
,則
將1式、2式及各參數代入計算公式得:
解得:;取m=1
齒面接觸疲勞強度計算公式:
由于本傳動為齒輪齒條傳動,傳動比近似無窮大,所以,為彈性影響系數,單位,其數值查機械設計表,取=189.8。
計算,試求齒輪分度圓直徑:
=
通過模數計算得:m=1,z=20 所以分度圓直徑d=120=20mm
所以取兩者偏大值d=20mm
計算齒寬 =0.620=12mm
齒高 h=2.25m=2.251=2.25mm
最終確定齒輪數據:
模數m=1,齒數z=20,分度圓直徑d=20mm,齒高h=2.25mm,齒寬b=12mm
根據X/Y軸行程分別為350mm/300mm,由齒條齒數可暫定X/Y軸得齒條齒數為120/100。
三.本課題研究的實施方案、進度安排
1. 實施方案
1) 導軌副的選用
要設計數控車床工作臺,需要承受的載荷不大,而且脈沖當量小,定位精度不是很高,因此選用直線滑動導軌副,它具有結構簡單,制造、檢驗和維修方便,導軌面較寬,承載能力大,剛度高。
2) 齒輪齒條副的選用
伺服電動機的旋轉運動需要通過齒輪齒條副轉換成直線運動,需要滿足0.005mm沖當量和mm的定位精度,承載力大,傳動精度較高,可無限長度對接延續(xù),傳動速度可以很高,>2m/s,短距離傳動速度可以很高,噪音低。
3) 步進電動機的選用與計算
本設計選用混合式步進電動機。以降低成本,提高性價比。
考慮到步進電動機的驅動電源受電網電壓影響較大,當輸入電壓降低時,其輸
出轉矩會下降,可能造成丟步,甚至堵轉。因此,根據來選擇步進電動機的最大靜轉矩時,需要考慮安全系數。取K=2,則步進電動機的最大靜轉矩應滿足:
初選步進電動機的型號為110BYG350-AF,查得該型號電動機的最大靜轉矩。
4) 檢測裝置的選用
選用步進電動機作為伺服電動機后,可選開環(huán)控制,也可選閉環(huán)控制。任務書所給的精度對于步進電動機來說還是偏高,為了確保電動機在運動過程中不受切削負載和電網的影響而失步,決定采用半閉環(huán)控制,擬在電動機的尾部轉軸上安裝增量式旋轉編碼器,用以檢測電動機的轉角與轉速。增量式旋轉編碼器的分辨力應與步進電動機的步距角相匹配。
考慮到X、Y兩個方向的加工范圍相差不大,承受的工作載荷相差不大,為了減少設計工作量,X、Y兩個坐標的導軌副、齒輪齒條副、伺服電動機以及檢測裝置擬采用相同的型號與規(guī)格。
2. 進度安排
第01-04周 畢業(yè)設計,完成設計任何,查閱相關資料;
第05-06周 設計計算、開題報告;
第07-12周 機械設計;
第13-14周 外文資料翻譯,文檔修改、定稿與打印,準備答辯。
開題報告(2)
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