机械制造装备设计课程设计-X—Y双坐标联动数控工作台设计.doc

全套图纸加153893706长 春 工 业 大 学课 程 设 计 说 明 书课程设计名称 机械制造装备设计课程设计专 业 机械制造及自动化 班 级 学 生 姓 名 第七组 指 导 教 师 2013年 12月29日 课 程 设 计 任 务 书（机械制造装备设计）课程设计题目： 卧式铣床主传动系统设计及XY数控工作台机械部分设计起止日期：2013.12.62013.12.30设计地点：教学科研楼 201 室设计任务及日程安排：动员、分组及确定题目；熟悉课题、收集资料、准备工具： 1天 一、卧式铣床主传动系统设计1. 技术参数：主轴转速级数18级，主轴转速范围n= 201000r/min； 电机功率7.5KW，电机转速n电= 1440r/min。2. 设计内容及时间安排： 理解题目，阅读 指导书 ，拟订总体方案，进行运动设计 2天 动力设计：主要零件的计算和初算 3天 结构设计，验算主要零件 3天 绘制正式装配图 3天 整理、编写设计计算说明书 2天 答辩 1天 二、XY数控工作台机械部分设计 1. 技术参数：工作台尺寸（长宽）=450310、重量=3300N； 工作台行程: X=60100mm，Y=5080mm；脉冲当量:0.050.08mm/P2. 设计要求 工作台进给运动采用滚珠丝杠螺旋传动。 滚珠丝杠支承方式:双推简支型。 驱动电机为反应式步进电机。 步进电机与滚珠丝杠间采用齿轮降速,要求消除齿轮传动间隙。3. 工作量：零号装配图一张；设计说明书一份。4. 设计进度安排 一周 理解题目:拟定总体方案,进行运动设计、动力设计、零件的计算及初算。 1天 结构设计，画0号图纸一张。 2.5天 设计说明书 1天 答辩 0.5天目录摘要21. 课程设计目的 32. 设计相关数据 33设计要求 34工作台设计参数设计 34.1 总体结构34.2滚珠丝杠设计44.2.1 计算动载荷 44.2.2计算临界转速nk 44.3滚珠动导轨设计 64.3.1计算行程长度寿命Ts 64.3.2计算动载荷 65步进电机的选择75.1步距角的选择确定 75.2步进电机转速校核 85.2.1空载起动时电机轴总的负载转距Tq 85.2.2工作正常时电机轴总负载转矩Tg 106. 结语127.参考文献 13摘要本设计为XY双坐标联动数控工作台设计，经过现场调查和查阅文献资料入手，总历经三周的时间完成。在设计中，首先根据课程设计所要求的技术参数确定机床设计中所需要的参数，然后确定工作台结构，查资料，主要的设计包括滚珠丝杠设计、滚珠动导轨和电动机的选择。主要计算包括计算动载荷、计算临界转速、滚珠动导轨设计、计算行程长度寿命、计算动载荷、步距角的选择确定、步进电机转速校核、空载起动时电机轴总的负载转距等。最后根据资料和参考同类机床来设计，并绘制其装配图。关键字： 工作台 设计 装配图 XY双坐标联动数控工作台1 课程设计的目的 本课程设计的目的在于培养学生对典型机电一体化产品机械结构的设计能力和对机电伺服系统的设计能力，在学习有关专业课程设计的基础上，进行机电系统设计的初等训练，掌握手册、标准、规范等资料的使用方法，培养分析问题的能力，为以后的毕业设计打下良好的基础。2 设计相关的数据工作台长宽 450310工作台重量 3300N工作台行程 X=60100mm Y=5080mm脉冲当量变 0.050.08mm/p3 设计要求（1）工作台进给运动采用滚珠丝杠螺旋运动（2）滚珠丝杠支承方式；双推简支型（3）驱动电机为反应式步进电机（4）步进电机与滚珠丝杠间采用齿轮降速，要求消除齿轮传动间隙4 工作台结构参数设计4.1总体结构数控工作台采用由步进电机驱动的开环控制结构,其单向驱动系统结构简图如图所示: 数控工作台采用步进电机驱动的开环控制结构，其单向驱动系统结构实际设计的工作台为X、Y双坐标联动工作台，工作台是由上拖板、中拖板、下拖板及导轨上移动，X、Y导轨方向互相垂直4.2 滚珠丝杠设计4.2.1计算动载荷Cj丝杠在保证100万转且不发生点蚀所能承载最大的动负载即为动载荷Cj其中KF=1.4 KH=1.1 KF KH分别由设计指导书表1.2查得，由指导书表3丝杠材料造CrWMNn钢，滚道硬度为5862HRC使用寿命；T=15000h取丝杠转速；n=100r/min轴向工作载荷；Fa=2800N则额定寿命；L=60Nt/106=90所以动载荷；Cj=901/31.41.12800=19323.8N选取滚珠丝杠型号；40082.5（由设计指导书附录一）4.2.2 计算临界转速nk （r/min）由设计指导书表4查得；fc=3.927 =2/3又知；40082.5型滚珠丝杠中径d2=40mm 滚珠直径d0=4.763螺纹滚道半径R=0.52d0=0.524.763=2.48偏心距；e=0.707（R-d0/2） =0.707(2.48-4.763/2) =0.07丝杠内径；d1=d2-2e+2R =40-20.07+22.48 =35.18mm取丝杠工作长度；Lx=150mm Ly=100mmnk=9910fc2d1/(l)2可知；y向临界转速nk最大nkmax=9910 fc2d1/( Ly)2=(99103.93235.1810-3)/(2/32)2302884.55(r/min)nmax=10000r/min 压杆稳定性计算；Fk=2EIa/(l)2丝杠危险截面惯性矩；Ia=d14/64 =0.035184/64 =7.4610-8可知X向为危险截面应计算X向压杆问题材料弹性模量；对于钢E=2.061011（Pa）临界载荷；Fkmin=2EIa/(l)2 =(22.0610117.4610-8)/(0.070.35)2 =2.75106(N) 安全系数S=Fk/Fa= Fkmin/Fa=983.2S2.53.3丝杠绝对安全 不会失稳丝杠选取无误，即选取40082.5型滚珠丝杠4.3 滚珠动导轨设计 导轨是工作台的重要组成部分，由于滚动导轨具有定位精度高、低速无爬行、移动轻便等显著优点，故本工作台系统设计选用滚动导轨。本次导轨设计的主要任务是根据负载情况选用标准化滚动导轨，在选用过程中，主要进行额定载荷验算4.3.1 计算行程长度寿命TsTs=2LSn60Th/100(km)工作单行程长度知；Lsx=0.15m Lsy=0.10m往复次数；nx=np/2 Lsx=100810-3/(20.15)=2.67 ny=np/2 Lsy=100810-3/(20.1)=4.00工作时间寿命；Th=15000(h)行程长度寿命；Tsx=2Lsxn60Th/1000 =(20.352.676015000)/1000 =1682.1(km)Tsy=2Lsyn60Th/1000 =(20.24.006015000)/1000 =1440(km)4.3.2计算动载荷；=、分别由指导书表5，6，7，8查得=1.0, =1.0, =1.0, =1.8另取滑座个数 m=4寿命系数一般取k=501(km)作用在滑座上载荷Fx=18000N Fx=24000N= =19689.9N= =26275.1N由机电一体化设计基础表2-13查得故选取滚动导轨型号为HJGD355 步进电机的选择5.1 步距角的选择确定=传动系统传动比i取4即i=4工作台脉冲当量=0.05滚动丝杠导程t=8(mm)=3600.0548=9由设计指导书附录三选择步进电机型号为90BF001由机电一体化设计基础图5-33、5-34查得减速器采用2级传动传动比分别为i1=1.8 i2=2.2各传动齿轮齿数为；Z1=20 Z2 =36 Z3=20 Z4=44模数m=2mm齿宽b=20mm5.2 步进电机转速校核5.2.1空载起动时电机轴总的负载转距Tq Tq = Tj + T + To 由机电一体化设计基础书中式（5-36）分别计算各传动件的转动惯量，其中齿轮的等交叉直径取分度圆直径 =d3=mz1 =mz3 =220=40= mz2 =236=72= mz4 =244=88=35.18mm丝杠长度取L=600mmJ= Jz1 =Jz3 = =3.9210-5 (kgm2 )Jz2= = (kgm2 )Jz4= =(kgm2 )Js= =(kgm2 )将各传动件转动惯量及工作台质量折算电动机轴得：总当量负载荷转动惯量Jd=JZ1+(Jz1+Jz2)/i12+(Jz4+Js)/i2+(P/2i)2m=3.910-5+(4.110-4+3.910-5)/1.82+(9.210-4+7.0310-4)/42+(0.008/24)280其中工作台小刀架质量为m,取m=80kg取电动机轴自身转动惯量Jm=0.810-3(kgm2)则步近电动机轴的总转动惯量：J=Jm+Jd=1.0910-3设步近电机空载启动时间为50ms. 最大进给速度：Vmax=1.0m/min导轨摩擦系数=0.2空载启动时，电动机轴的惯性转矩：TJ=T=JWmax/f=(J2iVmax)/(Pt)=1.14(Nmm)电动机轴上的当量摩擦转矩：T=(PF)/2i=(Pmgn)/2i=(0.008809.80.2)/(20.84)=0.06(Nm)其中伺服进给链的总效率=0.8设滚珠丝杠螺母副的预紧力为最大轴向载荷的1/3，则因预紧力而引起，而折算到电动机轴上的附加摩擦转局为：T=PF0（1-0）2 =PFwmax(1-02)2/(2i3) =0.0082800(1-0.92)2/(20.843) 0.07(Nm)则电动机空载起动时电机轴总的负载转矩:Tg=Tj+T+T =1.14+0.06+0.07 =1.27(Nm)5.2.2工作正常时电机轴总负载转矩Tg工作台的最大轴向负载折算到电动机轴上的负载转矩：T=(PFmax)/2i =0.082800/(20.84) =11.1(Nm)电动机正常工作时电机轴总负载转矩:Tg=T+T0+TW =0.06+0.07+11. 1 =11.23(Nm)5.2.3 电机最大静转矩Ts (1) 按空载启动计算: 空载启动上所需电机最大静转矩 Ts1=Tq/c=1.27/0.707=1.80(Nm) C=0.707 由设计指导书表查得: (2) 按正常工作计算: 在最大外载荷下工作时所需要电动机最大静转矩: Ts2=Tg/(0.30.5)=1.24/(0.30.5)=3.892.48(Nm) Ts maxTs1,Ts2 Ts=3.89 Ts 步近电机的最大静转矩满足要求(3) 频率校核!参考电机的转矩频率特性曲线 原则:选用步近电机事应使实际应用的启动频率,运行频率与负载转矩对应的启动,运行工作点位于该曲线之下,才能保证步近电机不失频地正常工作经校核满足要求 选取90B0.01型步近电机6结语X-Y数控工作台的设计是对工作台知识较全面的设计实践，在设计过程中严肃认真、刻刻苦钻研、一丝不苟、精益求情，才能在设计思想、方法和技能方面获得较好的提高和锻炼，设计中要求发挥主动性，积极思考，独立完成设计任务。在毕业设计的过程中我意识到：在设计中能否利用好已有的资料，是设计工作能力的重要表现。根据新的设计任务和具体工作条件进行具体分析，在参考已有资料的基础上创造性的进行设计、构思，更是一种不可缺少的能力。通过这一阶段的毕业设计，我受益匪浅，不仅锻炼了良好的逻辑思维能力，而且培养了锲而不舍的求学精神和严谨作风。回顾此次毕业设计，是大学四年所学知识很好的总结。此次X-Y数控工作台的设计不仅重温了过去所学知识，