哈工大机电学院本科生综合课程设计2：最后附两张cad大图%2C一份完整的装配图.docx

本科生综合课程设计目 录第一章 总体方案设计21.1任务设计书及指标21.1.1设计任务书21.1.2主要技术指标21.2总体方案确定21.2.1方案确定思想21.2.2方案对比分子与确定3第二章 机械系统设计32.1竖直坐标工作台外形尺寸及重量估计52.2竖直导轨参数确定72.3滚珠丝杠计算和选择72.3.1 滚珠丝杠强度计算82.3.2 滚珠丝杠传动效率计算82.4伺服电机的计算与选取82.4.1 等效转动惯量的计算112.4.2 伺服电机等效负载转矩的计算112.4.3 伺服电机的选型122.5 联轴器的选用13参考文献13第一章 总体方案设计1.1任务设计书及指标1.1.1设计任务书 题目：两维工作台（步进电机+滚珠丝杠+y向可加减速器方案）结构设计任务：本项目要求的两维工作台为竖直平面内的x-y工作台，其中y向为竖直，x向为水平，电动工作方式。1.1.2主要技术指标1）工作台台面尺寸：x向200mm，y向200mm，台面要求沿均匀布置同心圆上分布圆间隔30mm的m6螺孔（螺孔深度不小于15mm），中心须有20mm定心圆孔。2）工作台承载：载荷重量50kg。3）行程要求：x向500mm，y向1000mm。4）位置定位精度：x向0.1mm，y向0.05mm。5）最大运动精度：x向0.1m/s，y向0.2m/s。1.2总体方案确定根据设计任务书的要求确定总体方案。1.2.1方案确定思想两坐标数控工作台台体设计主要分为机械系统部件和台体上的测控部件。机械系统部件又分为导轨组成，传动组成，减速装置等；测控部件又分为伺服电机，检测及反馈元件等等。1) 工作台型号为hxy-2020；2) 行程要求x=200mm，y=200mm；3) 工作台面尺寸为cbh=27025018；4) 底座外形尺寸为cbh=100025840；5) 工作台最大长度为1000mm；6) 工作台负载重量为n=500n；7) 工作台最快移动速度8) x,y方向的定位精度为0.05mm；9) 工作台负载小，运动灵敏度高，低速；10) 定位精度高；11) 考虑到结构稳定，安全，建议基座和滑台采用铸造工艺。考虑到在满足技术指标的前提下工作台要求结构轻便，应尽可能采用简洁轻便的结构设计和廉价使用的轻便材料，符合绿色环保的现代化设计理念，由此来确定最终方案。1.2.2方案对比分子与确定（1）方案对比1）方案一执行元件：选用伺服电机，其特点是实现了位置,速度和力矩的闭环控制，克服了步进电机失步的问题，而且高度性能好，一般额定转速能达到；导向支承部件：选用直线滚动导轨副，其特点是摩擦因数小，不易爬行，便于安装和预紧，结构紧凑；传动部件：选用滚珠丝杠螺母副，其特点是传动效率高，运行平稳，使用寿命长，运用广泛；减速装置：不使用减速装置，伺服电机可低速运行，运行平稳，这样做可以减少系统结构，减小机械尺寸，节约成本；检测装置：本方案采用半闭环控制技术，选用增量式旋转编码器为位置反馈元件。2）方案二执行元件：选用永磁式步进电机，其特点是不需要太大的电流，绕组断电时具有自锁能力，优点是输出转矩大，动态性能好，驱动电流小，电机不易发热，但成本高，步距角较大，配套的驱动电源要具有细分功能；导向支承部件：选用滚动交叉导轨副，其特点是具有较高的承载能力和较好的刚度，可以获得较高的灵敏度和高性能的平面直线运动，导向性好，自动定心，滚动摩擦阻力低；传动部件：选用滚珠丝杠螺母副，其特点是传动效率高，运行平稳，使用寿命长，运用广泛；减速装置：由于永磁式步进电机步距角较大，不能满足定位精度，需要减速装置，本方案选用低间隙齿轮传动减速箱；检测装置：本方案采用半闭环控制技术，选用增量式旋转编码器为位置反馈元件。3）方案三执行元件：选用反应式电机，其特点是步距角可以达到甚至更小，精度容易保证，启动和运行频率较高，但功率消耗较大，效率较低；导向支承部件：选用静压导轨副，其特点是需要将一定压力的油或气体介质通入导轨的运动体和导向支承部件之间，使运动体浮在压力油或气体薄膜上，摩擦阻力很小；传动部件：选用滑动丝杠螺母副，其特点是结构简单，减速传动比大，摩擦力大，具有自锁性，但低速或微调时可能出现爬行现象；减速装置：选用低间隙齿轮传动减速箱；检测装置：选用增量式旋转编码器。（2）选择分析对比以上三个方案，主要区别在于步进电机，导轨副，丝杠螺母副和是否有必要使用减速器。综合考虑设计任务和方案确定思想，因系统定位精度和最快移动速度相对并不是很高，故选用综合性能较高的伺服电机已经足够；为了避免爬行现象，故选用直线滚动导轨副；为了满足技术指标要求的定位精度和重复定位精度，不宜选用在低速或微调时可能出现爬行现象的滑动丝杠螺母副，故选用滚珠丝杠螺母副；由于设计要求系统结构紧凑，且依靠伺服电机和滚珠丝杠副已经能够达到要求，所以并不需要减速器。综上所述，选用方案一作为最合理的总体方案，根据技术要求，考虑到x向和y向的技术指标基本相同，机械结构也基本相同，给出了本方案的一维方向的机械台体结构简图如图1所示。图1 一维工作台简图第二章 机械系统设计两座标数控工作台的机械系统设计应该是先根据负载和负载台面设计竖直坐标的结构并进行响应的元器件选择和校核，在确认后进行水平坐标的相关设计和校核。2.1竖直坐标工作台外形尺寸及重量估计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向导轨长度为800mm,y向导轨长度为1200mm,设计工作台简图如下图2所示。图2 工作台效果图x向拖板(上拖板不含竖直导轨)尺寸为:长*宽*高=140022425重量:按重量=体积*材料比重估算为:= 1400224257.810-5=611.5ny向拖板(下拖板)尺寸为: 420*420*50=200200187.810-5=56.1n竖直导轨重量为：=2(70140010) 7.810-5=152.8n电动机重量为（查资料）：=30n联轴器重量为（查资料）：=11.2n工件重量:最大500nx-y工作台运动部分总重量为:w=611.5+56.1+152.8+30+11.2+5001361.6n2.2竖直导轨参数确定 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fsl=c0/p，式中：c0为导轨的基本静额定载荷，kn；工作载荷p=0.5(fz+w)； fsl=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(1361+611.5)=986.5npy=0.5(fz+wy)=0.5(1361+56.1)=708.5ncox=fslpx=4986.5=3946ncox=fslpx=4708.5=2834n根据计算额定静载荷初选导轨:选择汉机江机床厂hjg-d系列滚动直线导轨,其型号为:hjg-d25表1 hjg-d25基本参数额定载荷/n静态力矩/n*m滑座重量导轨重量导轨长度动载荷静载荷l(mm)17500260001981982880.603.1760滑座个数单向行程长度每分钟往复次数m40.64导轨的额定动载荷n。依据使用速度v（m/min）和初选导轨的基本动额定载荷 (kn)验算导轨工作寿命ln：额定行程长度寿命: f=fm/m=1361.6/4=340.4n ts=k(fnftfca/fwf)3=50110.8117500/(2340)3=157403.46km 导轨的额定工作时间寿命: th=ts103/2l0n=157403.46103/(20.6604)=517095.35ht=15000h 导轨的工作寿命足够。2.3滚珠丝杠计算和选择初选丝杠材质：crwmn钢，hrc58 60，导程：l0=4mm。2.3.1 滚珠丝杠强度计算丝杠轴向力：(n) 其中：k=1.15，滚动导轨摩擦系数f=0.0030005； fx=(0.10.6)fz，fy=(0.150.7)fz，可取fx=0.5fz，fy=0.6fz计算。取f=0.004,则:fx=0.5fz=0.51361=680.5nfy=0.6fz=0.61361=816.6nfxmax=1.15680.5+0.004(1361+611.5)=790.6nfymax=1.15816.5+0.004(1361+56.1)=944n寿命值：，其中丝杠转速(r/min)t=15000h=3000r/minl=60300015000/106=2700最大动载荷：式中：fw为载荷系数，中等冲击时为1.21.5；fh为硬度系数，hrc58时为1.0。查表得中等冲击时则:qx=1.21680=11362.6nqy=1.21816=13635.1n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台湾上银丝杠:fsw系列滚珠丝杆副，其型号为：12-4b1。其基本参数如表所示。表2 滚珠丝杠副参数说明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。考虑到温度等环境因素对滚珠丝杠精度的影响，安装方式为一端固定，一端支撑的方式如图3所示：图3 丝杆的安装方式表3 滚珠丝杠螺母副的几何参数表名称计算公式结果公称直径12mm螺距4mm接触角钢球直径2.875mm螺纹滚道法向半径1.451mm偏心距0.04489mm螺纹升角螺杆外径12.365mm螺杆内径9.788mm螺杆接触直径11.755mm螺母螺纹外径16.212mm螺母内径（外循环）12.7mm2.3.2 滚珠丝杠传动效率计算丝杠螺母副的传动效率为：。式中：=10，为摩擦角；为丝杠螺旋升角。 1） 稳定性验算丝杠两端采用止推轴承时不需要稳定性验算。2）刚度验算滚珠丝杠受工作负载引起的导程变化量为：(cm)f=1361nlo=0.5cme=20.6106(n/cm)s=r2=3.14(1.451/2)2=2.04cm2l1=1407.41*0.5/(20.61062.042)=7.2610-6cm丝杠受扭矩引起的导程变化量很小，可忽略不计。导程变形总误差为：=l1100/l0=7.2610-6100/0.4=14.4m/me级精度丝杠允许的螺距误差 =15m/m。2.4伺服电机的计算与选取2.4.1 等效转动惯量的计算折算到电机轴上的等效负载转动惯量为：式中：为折算到电机轴上的惯性负载；为电机轴的转动惯量；为联轴器的转动惯量；为滚珠丝杠的转动惯量；为移动部件的质量。查得联轴器的转动惯量为：对钢材料的圆柱零件可以按照下式进行估算：式中：为圆柱零件直径，为圆柱零件的长度。所以有：电机轴的转动惯量很小，可以忽略，所以有：2.4.2伺服电机等效负载转矩的计算现在已知最大上升速度为，根据实际情况，达到这样的速度，一般需要1s，也就是说丝杠上升最大加速度为，可以计算出伺服电机的最大转动角加速度为，则最电动机所需提供最大转矩为 2.4.3伺服电机的选型查阅相关资料根据已得相关参数选取电动机为：ecma系列伺服电机型号为c20807表4 电机有关参数表型号主要技术参数额定功率额定扭矩额定转速最高转速转子惯量额定电流cc208070.75kw2.39n.m3000r/min3000r/min1.933.66a2.5联轴器的选用本设计联轴器连接的是电动机转子和丝杠，其中电动机转子端的连接直径为19mm，丝杠端的连接直径为8mm，又考虑到本装置所要求的精度条件，此连接就必须要满足转子与丝杠的同轴度，查阅相关资，最终选取胀紧套式联轴器，型号为djm胀紧套联结单型膜片联轴器，如图4所示：图4 胀紧套联轴器参考文献1 高钟毓机电控制工程m北京：清华大学出版社，20022 刘助柏知识创新思维方法论j北京：机械工业出版社，19993 宋云夺，宋云夺. 光机电一体化产业的未来j. 光机电