二坐标数控工作台课程设计说明书.doc

机械学院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姓 名学 号班 级指导教师学 期20112012学年第二学期设计时间2012.02.172012.03.9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、二坐标数控工作台电气控制原理图一张（A1）；4、计算说明书草稿一份。成 绩2012年3月目录一.机电专业课程设计目的 （2）二.机电专业课程设计的任务和要求 （2）三.X轴方案及参数计算 （2）1.方案拟定 （2）2.X轴步进电机参数确定及选择 （2）3.X轴圆柱斜齿轮传动设计 （3）四. X轴机械结构总体设计计算 （6）1. X轴滚珠丝杠设计计算 （6）2. X轴滚动导轨设计计算 （6）五.Y轴方案及参数计算 （7）1.Y轴步进电机参数确定及选择 （7）2.Y轴联轴器选择 （9）六. Y轴机械结构总体设计计算 （10）1. Y轴滚珠丝杠设计计算 （10）2. Y轴滚动导轨设计计算 （11）七.绘制装配图 （12）八.设计总结与分析 （12）九.致谢 （13）十.参考文献 （13）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X参数选定与计算vx=1.5 m/min=0.025m/s, Fx=220N, Px=Fxvx=5.5 W1）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=0.005mm/p, 丝杠导程tsp=5 mm,中间齿轮传动比i为: i=(tsP)(360i)=0.725(3600.005)=2由i确定齿轮齿数为Z1=20,Z2=40,模数m=1mm,齿宽b1=13mm,b2=15mm(计算见后面3齿轮传动设计)2)等效传动惯量计算(不计传动效率)Jg1=(d14b1)32=(2.07)41.37.8510-33210-4 kg.m2 =0.01810-4 kg.m2式中 钢密度=7.85103 kg/cm3同理,大齿轮转动惯量 Jg2=0.24710-4 kg.m2 由3表3-13初选滚珠丝杠CDM2005-2.5,导程为5mm，d0=20 mm，额定动载荷7988N，l=500 mm滚珠丝杠转动惯量 Js=(d04l)32=(2)4507.81033210-4 kg.m2 =6.110-5 kg.m2拖板及工作物重折算到电机轴上的转动惯量,拖板及工作物重之和约为22kg（计算具体见导轨选型与计算）Jw=(w/g)(tsP2) 2i2 =23(0.52) 2 (2.5)210-4 kg.m2 =5.5710-5 kg.m2因此,折算到电机轴上的等效转动惯量JeJe= Jg1+ Jw+( Jg2+Js) i2 =0.94510-4 kg.m2 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:Mt=(Fx+Fy) tsP/(2i)= (55+0.00550) 0.005/(20.82.5)=0.11 N.mMf= (Ff tsP)/(2i)= (W tsP)/(2i)=(0.005239.80.005)/ (20.82)= 5.4710-4N.m上述式中 丝杠预紧时的传动效率取 =0.8nmax=(vmax/)(/360)=(1500/0.005) (0.72/360)=150 r/min取起动加速时间t=0.03 s初选电动机型号90BF006,矩频特性如下图所示,其最大静转矩Mjmax=2.25N.m,转动惯量Jm=1.7610-4 kgm2, fm=2400Hz. 故 M0=(Fp0tsp)(2i) (1-02)= (1/3Fxtsp)(2i) (1-02) =(1/3)2200.005(20.82)1-(0.964)2= 2.5810-4N.m式中 Fp0滚珠丝杠预加负荷,一般取Fx/3 Fx进给牵引力(N) 0滚珠丝杠未预紧时的传动效率,取0.964（计算见后）J=( Je +Jm)=0.94510-4 kgm2+1.810-4 kg.m2 =2.74510-4 kg.m2M=( Je +Jm)( 2nmax)/(60t)= 0.575N.mMq= Mmax+ Mf+ M0=0.575N.mMc= Mt+ Mf+ M0=0.113 N.mMk= Mf+ M0=3.12710-3 N.m从计算可知, Mq最大,作为初选电动机的依据.Mq/ Mjmax=0.260.9 满足所需转矩要求.4)步进电机动态特性校验Je /Jm=0.2267/1.8=0.13 fLfc=v1max/(60)=300/(600.005)=1000=2KtT1（u1）(ZHZE)2/dauH2(1/3)1).试选Kt=1.6, (由1表10-6)得材料弹性影响系数ZE189.8MPa2).(由1图10-30得)选取区域系数ZH=2.433,小齿轮做悬臂布置，(由1表10-7)选取齿宽系数d0.53). （由1图10-26）查得a10.76，a2 0.80，则aa1+a2 1.564).应力循环系数取j=1 所以 N1=60n2jLh=606001(2830015)2.592109 N2=N1/u=2.592109/2.51.2961095）.（由1图10-19）查得接触疲劳寿命系数KHN1=0.94,KHN2=0.98,6).（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,7).计算疲劳强度许用应力，取安全系数S=1, H1KHN1Hlim1/S=0.94600/1564MPaH2KHN2Hlim2/S=0.98550/1539MPa8)计算小齿轮传递的转矩T1=9.55106Px/nx=87.5N.mm（2）.计算 1）.试算小齿轮分度圆直径d1t=21.687.53/（0.51.562）（2.433189.8/551.5）2）（1/3）7.23 mm 2).计算圆周速度 v=d1tn1/(601000)0.23 m/s3).计算齿数b及模数mnt, b=dd1t=0.57.233.6 mmmnt=d1tcos/Z1=7.23cos14o/20=0.35h=2.25mnt=2.250.35mm =0.79 mmb/h=3.6/0.79=4.564).计算纵向重合度0.318dZ1tan=0.3180.520tan14o=0.795).计算载荷系数K,（查1表10-2）得使用系数KA=1（机床进给机构）,根据v=0.23 m/s ,7级精度，由（1图10-8）查得动载系数Kv=1.01,（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=1.15由b/h=5.53,(由1图10-13)查得KF=1.12, 由（1表10-3）查得KH=KF=1.4,故载荷系数K=KAKvKHKF=1.58按实际的载荷系数校正所算得的分度圆直径d1=d1t(K/Kt)(1/3)=7.23（1.58/1.58）（1/3）=7.2mm7).计算模数mn=d1cos/Z1=0.35mm31).按齿轮弯曲强度设计mn=(2KT2YCOS2/dZ12)(YFYS/F)(1/3)计算载荷系数，K=KAKvKFKF=1.584根据纵向重合度0.79，由（1图10-28）查得螺旋角影响系数Y=0.35计算当量齿数Zv1=Z1/cos3=24/cos314=21.9Zv2=Z2/cos3=60/cos314=43.8由（1表10-5）查出,YFa1=2.59,YSa1=1.62,YFa2=2.33,YSa2=1. 68.因为小齿轮弯曲极限强度FE1=500MPa,大齿轮FE2380MPa,由（1图10-18）得弯曲疲劳寿命系数KFN1=0.84，KFN2=0.88,取安全系数S=1.4F1KHN1FE1/S=300MPaF2KHN2FE1/S238.86MPa计算大、小齿轮YFa1 YSa1/F1并加以比较YFa1 YSa1/F12.591.62/300=0.01399YFa2YSa2/F2=2.331.68/238.860.01639 取大齿轮数据2).设计计算mn=21.58487.50. 350.01639(cos14)2/（0.52021.56）（1/3）0.169mm 对比计算结果，由齿面接触疲劳强度计算得法面模数mn大于齿根弯曲疲劳强度计算得法面模数，取mn1 mm，已可满足弯曲强度，但为了同时满足接触疲劳强度，需按接触疲劳强度计算得的分度圆直径d1=20mm 4几何尺寸计算中心距 a=( Z1+Z2)mn/(2cos)=(30.9 mm 所以圆整为31mm按圆整后的中心距修正螺旋角arccos(Z1+Z2)mn/2a=arcos(20+40) /(2*31) =14.6o, 因值改变不多，故参数、K、ZH等不必修正计算大、小齿轮分度圆直径d1=Z1mn/cos=20/cos14.6o =24.67 mmd2=Z2mn/cos=40/cos14.6o =41.33mm计算齿轮宽度b=dd1=0.52513mm所以取B2=15mm,为易于补偿齿轮轴向位置误差，应使小齿轮宽度大于大齿轮宽度，所以小齿轮约为B1=15mm四 X轴机械结构总体设计计算1.X轴滚珠丝杠设计计算(1)滚珠丝杠副的结构类型滚珠循环方式 由3表3-1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3-2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由3表3-3查得,采用丝杠直径20mm,导程为5mm(3)滚珠丝杠长度确定丝杠有效行程 由3表3-4查得le=20 mm ，lv=行程+丝杠螺母长度Lv=160+80=240mm，lu=lv+le=240+20=260mm，为留有一定的安装余量，取lu=450mm(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3表3-6查得,采用一端固定一端游动(F-S)支承形式.支承中心矩约为430mm。(5)滚珠丝杠副的选择最大工作载荷Fm的计算工作台受到进给方向载荷Fx =220N，横向载荷Fy =220N，垂直方向载荷Fz =22kg10N=220N。按矩形导轨导轨进行计算，查4中表3-29，取颠覆力矩影响系数K=1.1，滚动导轨上的摩擦系数=0.005.求得滚珠丝杠副的最大工作载荷：Fm=K Fx +（Fy+ Fz）=1.1220+0.005（220+220）N=244,2Nn=1.5/0.005=300r/min取滚珠丝杠寿命T=15000h，代入L0 =60nT/106 得，L0 =270（106 r）查表4 3-30，取载荷系数fw =1.2，滚道硬度为60HRC时，取硬度系数f H =1.0，则FQ = L0 (1/3) fwfH Fm =1894N由导程=5mm，FQ =1894N，查表4 3-31，初选CDM 2005-2.5型滚珠丝杠副，为内循环固定反向器单螺母式，其公称直径为20mm，导程为5mm，精度等级取5级，额定动载荷为7988N。(6)滚珠丝杠副校核临界压缩负荷 对于一端轴向固定受压缩的滚珠丝杠,应进行压杠稳定性校核计算.不发生失稳的最大压缩负荷称为临界压缩负荷,用Fn表示Fn=3.41010(f1d24)(L02) K1式中 L0-最长受压长度.取450 mm f1-丝杠支承方式系数, F-S取2 d2-丝杠螺纹底径,取16.2 mm K1 安全系数，取1/3Fn12103 NFmax =61.877N临界转速ncr=9910(f22d2)/Lc2式中 f2-丝杠支承方式系数,F-S取3.927. Lc -临时转速计算长度. Lc =0.05m. d2-丝杠螺纹底径,取0.0162mncr=9906 r/min nmax.同时验算丝杠另一个临界值d0n=201125=22500Fmax, 额定静载荷Ca =9.5kN Fmax ，满足条件。距离额定寿命L的计算JSA-LG15型号的直线滚动导轨副的滚道硬度为60HRC，工作温度不超过100，每根导轨上配有两只滑块，精度为4级，工作速度较低，载荷不大。查4表3-36表3-40，分别取硬度系数fH =1.0、温度系数fT=1.00、接触系数fc=0.81，精度系数fR=0.9，载荷系数fw=1.5，代入4中式3-33，得距离寿命：L=fHfTfcfRCa / (fwFmax ) 3 50=16000km，满足其期望值50km，故距离额定寿命满足要求。综上，所选导轨满足要求。(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1. Y轴步进电机参数确定及选择Y参数选定与计算vy=1.25 m/min=0.0208m/s， Fy=220 N， Py=Fyvy=4.58W1）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: i=(tsP)(360i)=0.725(3600.01)=1由i确定用刚性联轴器.2)等效传动惯量计算(不计传动效率)式中 钢密度=7.8103 kg/cm3由3表3-13初选滚珠丝杠 CDM2005-2.5, 得到 d0=20 mm ,l=400 mm滚珠丝杠转动惯量 Js=(d04l)32=(2)4407.81033210-4 kg.m2 =4. 910-5 kg.m2拖板及工作物重和导轨折算到电机轴上的转动惯量,拖板及工作物重和导轨及丝杠重之和约为22kgJw=(w/g)(tsP2) 2 i2=22(0.52) 2 (1)210-4 kg.m2 =1.3910-5 kg.m2因此,折算到电机轴上的等效转动惯量JeJe= Jw+Js =1.3910-5 +4.910-5 =6.2910-5 kg.m2 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:Mt=(Fy+Fx) tsP/(2i)= (220+0.005220) 0.005/(20.81)=0.22N.mMf= (Ff tsP)/(2i)=1.09410-3N.m上述式中 丝杠预紧时的传动效率取 =0.8nmax=(vmax/)(/360)=(2000/0.01) (0.72/360)=400r/min取起动加速时间t=0.03 s初选电动机型号90BF006,矩频特性如下图所示,其最大静转矩 Mjmax=2.25N.m,转动惯量Jm=1.76410-4 kgm2, fm=2400Hz.故 M0=(Fp0tsp)(2i) (1-02)= (1/3Fytsp)(2i) (1-02) =(1/3) 22000.005(20.81) 1-(0.964)2=5.1610-3N.m式中 Fp0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0.964J=( Je +Jm)=2.74510-4 kg.m2M=( Je +Jm)( 2nmax)/(60t)=0.24 N.mMq= Mmax+ Mf+ M0=0.246N.mMc= Mt+ Mf+ M0=0.226N.mMk= Mf+ M0=6.2510-3N.m从计算可知, Mq最大,作为初选电动机的依据.Mq/ Mjmax=0.246/2.25=0.1090.9 满足所需转矩要求.4)步进电机动态特性校验Je /Jm=0.95/1.8=0.5 fLfc=v1max/(60)=250/(600.01)=417 T1，许用转速n=8800r/min400r/min。轴孔直径有8mm,9mm, 10mm, 11mm, 12mm, 14mm. 所以要对丝杠一端进行加工（丝杠留有一定的余量）。六 Y轴机械结构总体设计计算1.Y轴滚珠丝杠设计计算(1)滚珠丝杠副的结构类型滚珠循环方式 由3表3-1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3-2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由3表3-3查得,采用丝杠直径20mm,导程为5mm(3)滚珠丝杠长度确定丝杠有效行程 由3表3-4查得le=20 mm ，lv=行程+丝杠螺母长度Lv=110+80=190mm，lu=lv+le=190+20=210mm，为留有一定的安装余量，取lu=400mm(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3表3-6查得,采用一端固定一端游动(F-S)支承形式.支承中心矩约为400mm。(5)滚珠丝杠副的选择最大工作载荷Fm的计算工作台受到进给方向载荷Fx =55N，横向载荷Fy =50N，垂直方向载荷Fz =239.8N=225.4N。按矩形导轨导轨进行计算，查4中表3-29，取颠覆力矩影响系数K=1.1，滚动导轨上的摩擦系数=0.005.求得滚珠丝杠副的最大工作载荷：Fm=K Fy +（Fx+ Fz）=1.1220+0.005（220+220）N=244.2Nn=1250/5=250r/min取滚珠丝杠寿命T=15000h，代入L0 =60nT/106 得，L0 =261（106 r）查表4 3-30，取载荷系数fw =1.2，滚道硬度为60HRC时，取硬度系数f H =1.0，则FQ = L0 (1/3) fwfH Fm =347N由导程=5mm，FQ =347N，查表4 3-31，初选CDM 2005-2.5型滚珠丝杠副，为内循环固定反向器单螺母式，其公称直径为20mm，导程为5mm，精度等级取5级，额定动载荷为7988N。(6)滚珠丝杠副校核临界压缩负荷 对于一端轴向固定受压缩的滚珠丝杠,应进行压杠稳定性校核计算.不发生失稳的最大压缩负荷称为临界压缩负荷,用Fn表示Fn=3.41010(f1d24)(L02) K1式中 L0-最长受压长度.取400 mm f1-丝杠支承方式系数, F-S取2 d2-丝杠螺纹底径,取16.2 mm K1 安全系数，取1/3Fn=15.56103 NFmax =244.2N临界转速ncr=9910(f22d2)/Lc2式中 f2-丝杠支承方式系数,F-S取3.927. Lc -临时转速计算长度. Lc =0.04m. d2-丝杠螺纹底径,取0.0162mncr=15478 r/min nmax.同时验算丝杠另一个临界值d0n=20400=8000Fmax, 额定静载荷Ca =9.5kN Fmax ，满足条件。距离额定寿命L的计算JSA-LG15型号的直线滚动导轨副的滚道硬度为60HRC，工作温度不超过100，每根导轨上配有两只滑块，精度为4级，工作速度较低，载荷不大。查4表3-36表3-40，分别