机电模块课程设计-二坐标数控工作台设计.doc

机械设计制造及其自动化专业机电模块课程设计设计题目二坐标数控工作台设计专 业机械设计制造及其自动化内附资料1、课程设计说明书一份（含设计任务书）；2、二坐标数控工作台装配图一张（A0）；3、二坐标数控工作台三维电子模型一份；4、计算说明书草稿一份。成 绩目录一.机电专业课程设计目的 （1）二.机电专业课程设计的任务和要求 （1）三.X轴方案及参数计算 （1）1.方案拟定 （1）2.X轴步进电机参数确定及选择 （1）3.X轴联轴器选择 （3）四.X轴机械结构总体设计计算 （3）1.X轴滚珠丝杠设计计算 （3）2.X轴滚动导轨设计计算 （4）五.Y轴方案及参数计算 （5）1.Y轴步进电机参数确定及选择 （5）2.Y轴联轴器选择 （7）六.Y轴机械结构总体设计计算 （7）1. Y轴滚珠丝杠设计计算 （7）2. Y轴滚动导轨设计计算 （8）七.绘制电子三维图 （9）八.绘制工程装配图 （10）九.参考文献 （11）一、机电专业课程设计目的本课程设计是学生在完成专业课程学习后，所进行的机电一体化设备设计的综合性训练。通过该环节达到下列目的：（1）巩固和加深专业课所学的理论知识；（2）培养理论联系实际，解决工程技术问题的动手能力；（3）进行机电一体化设备设计的基本功训练，包括以下10方面基本功：1）查阅文献资料；2)分析与选择设计方案；3）机械结构设计；4）电气控制原理设计；5）机电综合分析；6）绘工程图；7）运动计算和精度计算；9）撰写设计说明书；10）贯彻设计标准。二、机电专业课程设计的任务和要求在规定时间内，按设计任务书给定的原始数据，在教师指导下，独立完成二坐标数控工作台设计工作。原始数据包括典型工况下，工作台速度、进给抗力及台面上工作物重量；工作台定位精度、台面尺寸和行程。设计具体要求完成以下工作：（1）数控工作台装配图（1：1比例或0图幅） 1张；（2）数控系统电气原理图（2图幅） 1张；（3）设计说明书（1020）页 1本；所有图样均采用CAD绘制打印，设计说明书按规定撰写。三X轴方案及参数计算1 方案拟定方案拟定即确定工作台传动的形式和控制方式及主要部件或器件的类型。（1）驱动控制方式 由给定的工作台精度要求较低，为简化结构，故采用单片机控制的步进电机驱动系统。主要由步进电机、单片机驱动控制电路、滚珠丝杠副组成。（2）传动形式确定工作台X方向和Y方向两个坐标分别采用步进电机单独驱动。工作台X方向采用一级齿轮传动方式，可以通过降速扩大转矩输出，匹配进给系统惯量，获得要求的输出机械特性，同时减小脉冲当量。工作台Y方向采用直接传动方式，电机通过刚性联轴器与滚珠丝杠联结。结构紧凑，传动效率高。丝杠转速与转矩输出完全与电机的输出特性一致。2. X轴步进电机参数确定及选择计算及说明结果X参数选定与计算vx=2.6m/min=0.043m/s, Fx=64N, Px=Fxvx=2.77W1）脉冲当量选择初选三相电机，按三相六拍工作时，步矩角=1.5,初定脉冲当量 =0.01mm/p, 丝杠导程tsP=5 mm,中间齿轮传动比i为: =1.55(3600.01)=2.083由i确定齿轮齿数为Z1=21,Z2=44,模数m=1mm,齿宽b1=12mm,b2=10mmX齿轮传动设计如下：1.选定齿轮类型、精度等级、材料及齿数1）.选用直齿圆柱齿轮传动。1）.选精度为7级。2）.选小齿轮为40Cr（调质），硬度为280HBS，大齿轮材料为45钢（调质）,硬度为240HBS，两者硬度差为40HBS。3）.选择齿数Z1=21,Z2=Z1i=242.08344。2.按齿面接触强度设计由1设计公式（10-9a）进行试算，即（1）确定公式内的各计算数值1）.选取载荷系数Kt=1.32）.小齿轮传递的转矩。由于X台面速度是2.6m/min,而丝杠导程是5mm，故正常工作时其电机转速是n1=520r/min,T1=50.87Nmm3).(由1表10-7)选取齿宽系数=0.54）.(由1表10-6)查得材料的弹性影响系数ZE=189.85）. （由1图10-21d）查得小齿轮接触疲劳强度极限Hlim1=600MPa,大齿轮的接触疲劳强度极限Hlim2=550MPa,6）.（由1式10-13）计算应力循环次数。假设其工作寿命是15年。N1=60n1jLh=605201（2830015）=2.2464109N2=1.0781097）.（由1图10-19）取接触疲劳寿命系数KHN1=0.90;KHN2=0.958).计算接触疲劳许用应力。取失效概率为1%，安全系数S=1，由式（10-12）得=0.9600MPa=540MPa=0.95550MPa=522.5MPa（2）计算1）. 试算小齿轮分度圆直径d1t，代入中较小的值=2.32 mm=6.858 mm2）.计算圆周速度v。 m/s=1.87 m/s3).计算齿宽b。b=0.56.858 mm=3.429 mm4).计算齿宽与齿高之比。模数 mt= mm=0.33 mm齿高 h=2.250.33 mm=0.73 mm=4.7 mm5）.计算载荷系数。根据v=0.043 m/s ,7级精度，由（1图10-8）查得动载系数=1.01;直齿轮（查1表10-2）得使用系数KA=1.25（由1表10-4）查得KH的计算公式：KH=1.12+0.18(1+0.67d2) d2+0.2310-3b=1.17由=4.7, =1.17查(1图10-13)得KF=1.17。故载荷系数K= =1.251.0111.171.486）.按实际的载荷系数校正所算得的分度圆直径，由（1式10-10a）得：=5.42 mm7).计算模数m，m=0.26 mm3. 按齿根弯曲强度设计（由1式10-5）得弯曲强度的设计公式为(1).确定公式内的各计算数值1）.（由1图10-20c）查得小齿轮的弯曲疲劳强度极限FE1=500MPa,大齿轮FE2380MPa；2）. 由（1图10-18）得弯曲疲劳寿命系数KFN1=0.85,KFN2=0.88；3）.计算弯曲疲劳许用应力。取弯曲疲劳安全系数S=1.4，（由1式10-12）得：4).计算载荷系数K。1.315).查取齿形系数。（由1表10-5）查得；6）.查取应力校正系数。（由1表10-5）查得；7）.计算大小齿轮的大齿轮的数值大。（2）.设计计算 mm=0.215mm对比计算结果，由于算到的最小模数比较小，故将其取大，并将其圆整为标准值m=1mm。由于在按接触强度算得的最小分度圆直径d1=5.42mm太小，故也将其取大，取d1=21mm，由此算得小齿轮齿数为：z2=2.08321=43.74，取z2=444.几何尺寸计算（1）计算分度圆直径d1=z1m=211 mm=21 mmd2=z2m=441 mm=44 mm(2)计算中心距 mm=32.5（3）计算齿轮宽度取b1=12mm，b2=10mm2)等效传动惯量计算(不计传动效率)小齿轮转动惯量=1.8=1.810-6式中 钢密度=7.8510-6 kg/mm3同理,大齿轮转动惯量 Jg2=2.8910-5kg.m2 由3表3-13初选滚珠丝杠 CDM2005-3, 得到 d0=20 mm ,l=424 mm滚珠丝杠转动惯量 =5.23 kg.m2拖板及工作物重和导轨折算到电机轴上的转动惯量,拖板重量18kg工作物重约为8kgJw= =因此,折算到电机轴上的等效转动惯量Je Je= Jg1+ Jw+ =1.810-6 +3.7910-6 + =2.4310-5 3)等效负载转矩计算(以下为折算到电机轴的转矩)由3式(2-7)(2-9)可知:上述式中 丝杠预紧时的传动效率取 =0.8为摩擦系数取0.06Fp0滚珠丝杠预加负荷,一般取Fy/3 Fy进给牵引力(N) 0滚珠丝杠未预紧时的传动效率,取0.9取起动加速时间t=0.03 s初选电动机型号70BF003,其最大静转矩 ,转动惯量, fm=1600Hz.故 从计算可知, Mq最大,作为初选电动机的依据.满足所需转矩要求.4)步进电机动态特性校验说明惯量可以匹配电机惯量最大起动频率 步进电机工作时最大空载起动频率和切削时最大工作频率所以,与fc对应的Mc按电机最大静转矩校核,显然满足要求.综上所述,可选该型号步进电机,具有一定的裕量.ZE189.8MPaZH=2.433d0.3T1=19.5N.mmd1t5.48 mma=32mmd0=20 mm l=390 mmJs=04810-4 kg.m2Jw=1.7510-6Je=0.20810-4 kg.mMt=0.0402N.mMf=0.0034N.mnmax=833 r/minM0=0.0024 N.mMa= 2.88N.mMq=2.8858N.mMc=0.046N.mMk=0.0058N.mfL=1598 Hz四、X轴机械结构总体设计计算1. X轴滚珠丝杠设计计（1）滚珠丝杠副的结构类型滚珠循环方式 由3表5-1查得,选择外循环插管式 轴向间隙预紧方式 预紧目的在于消除滚珠螺旋传动的间隙,避免间隙引起的空程,从而提高传动精度.由3表5-2查得,采用双螺母垫片预紧方式. (2)滚珠丝杠副直径和基本导程系列采用丝杠公称直径 20mm,导程为5mm, 丝杠外径19.5mm，丝杠底径17.76mm，循环圈数2.5，基本动载荷7417N，基本静载荷15311N，刚度376N/um.(3)滚珠丝杠精度等级确定丝杠有效行程 由导程查得余程le=20 mm，得丝杠有效行程lv=lu-le，lv =424-20=404 mm精度等级 根据有效行程内的平均行程允许偏差ep=0.015/300404103=20.2由2表5-5得,精度等级为T4(4)滚珠丝杠副支承形式选择滚珠丝杠主要承受轴向载荷,应选用运转精度高,轴向刚度高、摩擦力距小的滚动轴承.滚珠丝杠副的支承主要约束丝杠的轴向串动,其次才是径向约束.由2表5-6查得,采用两端简支(J-J)支承形式.(5)滚珠丝杠副的选择本方案属于高速或较高转速情况，按额定动负荷CaCaj选择滚珠丝杠副由3式（3-2）可知：式中 Caj -滚珠丝杠副的计算轴向动负荷(N) Fe-丝杠轴向当量负荷(N). 取进给抗力和摩擦力之和的一半Fe=34.4N ne-丝杠当量转速(r/min).取最大工作进给转速 ne=520 r/min. Lh-丝杠工作寿命(h). 查考2表5-7得Lh=15000 h. ft-温度系数. 查2表5-8,得ft=1 fa-精度系数. 查2表5-9得fa=0.9 fw-负载性质系数. 查2表5-10得fw=0.95 fh-硬度系数.查2表5-11得fh=1.0 fk-可靠性系数.查2表5-12得fk=0.21（可靠度99%）计算得Caj=1.342KNFmax临界转速 对于在高速下工作的长丝杠，须验算其临界转速，以防止丝杠共振. r/min式中 A丝杠最小截面积，d2为丝杠螺纹底径（m） f2-丝杠支承方式系数,J-J取3.142Lc -临界转速计算长度. Lc =0.4m. d2-丝杠螺纹底径,取0.016mK2安全系数，可取0.8-材料密度，钢为7.8103 kg/m3nmax-最高工作转速，取3000r/min将上述各值代入后，得 r/min nmaxncr= 36138r/min nmax,同时验算丝杠另一个临界值d0n=20*833=1666070000轴承选择校核由2表6-6选深沟球轴承6001.(7)滚珠丝杠副的防护滚珠丝杠副的防护装置 ,采用专业生产的伸缩式螺旋弹簧钢套管.滚珠丝杠副的密封 滚珠丝杠副两端的密封圈如装配图所示.材料为四氟乙烯,这种接触式密封须防止松动而产生附加阻力.滚珠丝杠副的润滑 润滑剂用锂基润滑剂.2.X轴滚动导轨设计计算导轨的功用是使运动部件沿一定的轨迹运动,并承受运动部件上的载荷,即起导向和承载作用,导轨副中,运动的一方称作运动导轨,与机械的运动部件联结,不动的一方称作支承导轨,与机械的支承部件联结.支承部件用以支承和约束运动导轨,使之按功能要求作正确的运动.(1) 选日本NSK型滚动导轨 ，E级精度，fh=1,ft=1,fc=0.81 ,fa=1,fww=1(2) 寿命按每年工作300天,每天两班,每班8h,开机率0.8计,额定寿命为:Lh=10300280.8=38400 h 每分钟往复次数nz=8(3)计算四滑块的载荷,工作台及其物重分别约为0.18KN和0.08KN工作时将物体放台面中间，故P1=P2=P3=P4=0.056KN计算需要的动载荷C KN选用NSK LY20AL型号滚动导轨副,其Ca=975N. Coa=1130N(3)滚动导轨间隙调整预紧可以明显提高滚动导轨的刚度,预紧采用过盈配合,装配时,滚动体、滚道及导轨之间有一定的过盈量.(4)润滑与防护润滑:采用脂润滑,使用方便,但应注意防尘.防护装置的功能主要是防止灰尘、切屑、冷却液进入导轨,以提高导轨寿命.防护方式用盖板式.五、Y轴方案及参数计算1Y轴步进电机参数确定及选择计算及说明结果Y参数选定与计算vy=2.0m/min, Fy=55N , Px=Fyvy=1.833W1）脉冲当量选择初选五相电机，按五相五拍工作时，步矩角=0.72,初定脉冲当量 =0.01mm/p, 丝杠导程tsP=5 mm,中间齿轮传动比i为: 由i确定为直接传动。2)等效传动惯量计算(不计传动效率)由3表3-13初选滚珠丝杠 CDM2005-3, 得到 d0=20 mm ,l=344 mm滚珠丝杠转动惯量 拖板及工作物重和导轨折算到电机轴上的转动惯量,拖板及工作物重和导轨重之和约为70kg因此,折算到电机轴上的等效转动惯量Je3)等效负载转矩计算(以下为折算到电机轴的转矩)由3式(2-7)(2-9)可知:上述式中 丝杠预紧时的传动效率取 =0.8为摩擦系数取0.06Fp0滚珠丝杠预加负荷,一般取Fy/3 Fy进给牵引力(N) 0滚珠丝杠未预紧时的传动效率,取0.9 r/min取起动加速时间t=0.03 s初选电动机型号75BF006,其最大静转矩 Mjmax=1.23N.m,转动惯量 kgcm2, fm=1500Hz.故 J=( Je +Jm)= 0.44810-4 kgm2+4.210-4 kg.m2 =4.6510-4 kg.m2Mq= Mamax+ Mf+ M0=0.649+0.042+0.049=0.74N.mMc= Mt+ Mf+ M0=0.72+0.042+0.049=0.0811N.mMk= Mf+ M0=0.042+0.049=0.091N.m从计算可知, Mq最大,作为初选电动机的依据.Mq/ Mjmax=0.602满足所需转矩要求.4)步进电机动态特性校验Je /Jm=0.448/4.2=0.1074 说明惯量可以匹配电机惯量最大起动频率步进电机工作时最大空载起动频率和切削时最大工作频率所以,与fc对应的Mc按电机最大静转矩校核,显然满足要求.综上所述,可选该型号步进电机,具有一定的裕量.Px=2.33Wd0=20 mm l=320 mmJs=0.39510-4 kg.m2Jw=10.1310-6Je=0.86210-4 kg.m2Mt=0.0595N.mMf=0.0117N.mnmax=500 r/min选电动机型号110BYG260BM0=0.0106 N.mMa= 1.843N.mMq=1.865N.mMc=0.0818N.mMk=0.0223N.mfL=1667Hz六、Y轴机械结构总体设计计算1. Y轴滚珠丝杠设计计（1）滚珠丝杠副的结构类型滚珠循环方式 由3表5-1查得,选择外循环插管式 轴向间隙预紧方式 预紧目的在于消除滚珠螺旋传动的间隙,避免间隙引起的空程,从而提高传动精度.由3表5-2查得,采用双螺母垫片预紧方式. (2)滚珠丝杠副直径和基本导程系列采用丝杠公称直径 20mm,导程为5mm, 丝杠外径19.5mm，丝杠底径17.76mm，循环圈数5，基本动载荷14205N，基本静载荷38244N，刚度730N/um.(3)滚珠丝杠精度等级确定丝杠有效行程 由导程查得余程le=20 mm，得丝杠有效行程lv=lu-le，lu =344-20=324 mm精度等级 根据有效行程内的平均行程允许偏差ep=0.02/300324103=21.6由2表5-5得,精度等级为T4(4)滚珠丝杠副支承形式选择滚珠丝杠主要承受轴向载荷,应选用运转精度高,轴向刚度高、摩擦力距小的滚动轴承.滚珠丝杠副的支承主要约束丝杠的轴向串动,其次才是径向约束.由2表5-6查得,采用两端简支(J-J)支承形式. (5)滚珠丝杠副的选择本方案属于高速或较高转速情况，按额定动负荷CaCaj选择滚珠丝杠副由3式（3-2）可知：式中 Caj -滚珠丝杠副的计算轴向动负荷(N) Fe-丝杠轴向当量负荷(N). 取进给抗力和摩擦力之和的一半Fe=40N ne-丝杠当量转速(r/min).取最大工作进给转速 ne=400 r/min. Lh-丝杠工作寿命(h). 查考2表5-7得Lh=15000 h. ft-温度系数. 查2表5-8,得ft=1 fa-精度系数. 查2表5-9得fa=0.9 fw-负载性质系数. 查2表5-10得fw=0.95 fh-硬度系数.查2表5-11得fh=1.0 fk-可靠性系数.查2表5-12得fk=0.21（可靠度99%）计算得Caj=1.4303KNFmax临界转速 对于在高速下工作的长丝杠，须验算其临界转速，以防止丝杠共振. r/min式中 A丝杠最小截面积，d2为丝杠螺纹底径（m） f2-丝杠支承方式系数,J-J取3.142Lc -临界转速计算长度. Lc =0.35m. d2-丝杠螺纹底径,取0.016mK2安全系数，可取0.8-材料密度，钢为7.8103 kg/m3nmax-最高工作转速，取3000r/min将上述各值代入后，得 r/min nmaxncr= 36138r/min nmax,同时验算丝杠另一个临界值d0n=20*833=1666070000轴承选择校核由2表6-6选深沟球轴承6001.(7)滚珠丝杠