二坐标数控工作台课程设计说明书-

宁波大学机械学院宁波大学机械学院 机械设计制造及其自动化专业机械设计制造及其自动化专业 机电模块课程设计机电模块课程设计 设计题目设计题目二坐标数控工作台设计二坐标数控工作台设计 专专 业业机械设计制造及其自动化机械设计制造及其自动化 姓姓 名名赖旭辉赖旭辉 学学 号号 班班 级级机械国贸机械国贸 118118 指导教师指导教师 学学 期期20142014 20152015 学年第二学期学年第二学期 设计时间设计时间 2015 03 703 7 2015 03 2003 20 内内 附附 资资 料料 1 1 课程设计说明书一份 含设计任务书 课程设计说明书一份 含设计任务书 2 2 二坐标数控工作台装配图一张 二坐标数控工作台装配图一张 A0A0 3 3 二坐标数控工作台电气控制原理图一张 二坐标数控工作台电气控制原理图一张 A1A1 4 4 计算说明书草稿一份 计算说明书草稿一份 成成 绩绩 2015 年年 3 月月 1 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 2 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 1 1 机电专业课程设计目的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 3 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 2 2 机电专业课程设计的任务和要求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 10 20 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 3 3 X 轴方案及参数计算轴方案及参数计算 3 1 方案拟定方案拟定 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 4 工作台 Y 方向采用直接传动 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 3 2 X 轴步进电机参数确定及选择轴步进电机参数确定及选择 X 参数选定与计算 Vx 1 6 m min 0 027m s Fx 120N Px Fxvx 3 2 W 1 脉冲当量选择 初选三相电机 按三相三拍工作时 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 i tsP 360i 1 5 5 360 0 01 2 由 i 确定齿轮齿数为 模数 m 2mm 齿宽4020 21 ZZ mm25bmm22b 21 3 33 3 X X 轴圆柱斜齿轮传动设计轴圆柱斜齿轮传动设计 1 选定齿轮精度 材料 齿数及螺旋角 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 20 Z2 Z1 i 20 2 40 4 选取螺旋角 初选 14o 2 按齿面接触疲劳强度设计 3 2 d 2 1t t 1 u zz1u2 d H EH TK 1 试选 Kt 1 6 由 1 表 10 6 得材料弹性影响系数ZE 189 8MPa 2 由 1 图 10 30 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 d 0 5 7 5 562 2014con 20tanarctan cos tan tanarc nt 408 3114cos1220 562 20cos20cos arccosh2z coszcos arc an1t11at 751 2614cos1240 562 20cos40cos arccosh2z coszcos arc an2t22at min r640 5 210006 1 t i1000v n sp x 3 应力循环系数取 j 1 所以 9 h11 1076 2 1530082164060jn60 LN 9 9 1 2 1038 1 2 1076 2 u N N 4 由 1 图 10 19 查得 接触疲劳寿命系数KHN1 0 92 KHN2 0 96 5 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 计算疲劳强度许用应力 取安全系数S 1 a552 1 60092 0 1lim1 1 MP S K HHN H a528 1 55096 0 2lim2 2 MP S K HHN H 7 计算小齿轮传递的转矩 T1 9 55 106Px nx 47 75N mm 3 计算 1 试算小齿轮分度圆直径 mm51 5 528257 1 5 0 8 189433 2125 1 75 476 12 u zz1u2 d 3 2 2 3 2 d 2 1t t 1 H EH TK 2 计算圆周速度s m185 0 100060 64051 5 100060 nd v 1t 1 6 3 计算齿数 b 及模数 nt m b dd1t 0 5 5 51 2 76 mm mnt d1tcos Z1 5 51 cos14o 20 0 27 h 2 25mnt 2 25 0 27mm 0 61 mm b h 2 76 0 61 4 54 4 计算纵向重合度 0 318 d Z1 tan 0 318 0 5 20 tan14o 0 79 5 计算载荷系数 K 查 1 表 10 2 得使用系数 KA 1 根据 v 0 027 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 67 d2 d2 0 23 10 3 b 所以 KH 1 12 0 18 1 0 67 0 5 0 5 0 23 10 3 2 76 1 17 由b h 4 54 由 1 图 10 13 查得 KF 1 12 由 1 表 10 3 查得 KH KF 1 2 故载荷系数K KAKvKH KF 1 45 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 5 51 1 45 1 6 1 3 5 33mm 6 计算模数mn d1 cos Z1 0 26mm 4 按齿根弯曲强度设计 1 计算载荷系数 K KA Kv KF KF 1 45 2 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 3 计算当量齿数 Zv1 Z1 cos3 20 cos314 21 9 Zv2 Z2 cos3 50 cos314 43 8 4 由 1 表 10 5 查出 YFa1 2 8 YSa1 1 55 YFa2 2 4 YSa2 1 67 因为小齿轮弯曲极限强度 FE1 500MPa 大齿轮 FE2 380MPa 由 1 图 10 18 得 弯曲疲劳寿命系数KFN1 0 85 KFN2 0 87 取安全系数 7 S 1 4 a57 303 4 1 50085 0 11 1 MP S K FEFN F a14 236 4 1 38087 0 22 2 MP S K FEFN F 5 计算大 小齿轮并加以比较 21FSF YY 014 0 57 303 55 18 2 1 11 F SF YY 取大齿轮数据170 0 14 236 67 1 4 2 2 22 F SF YY 2 设计计算 mn 2 1 584 87 5 0 35 0 01639 cos14 2 0 5 202 1 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 mn 1 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 2 cos 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 mm d2 Z2mn cos 40 cos14 6o 41 33mm 计算齿轮宽度 b dd1 0 5 25 13mm 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 2 等效传动惯量计算 不计传动效率 Comment L1 抄 8 Jg1 d14b1 32 2 07 4 1 3 7 85 10 3 32 10 4 kg m2 0 018 10 4 kg m2 式中 钢密度 7 85 103 kg cm3 同理 大齿轮转动惯量 Jg2 0 247 10 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 4 50 7 8 103 32 10 4 kg m2 6 1 10 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 tsP 2 2 i2 23 0 5 2 2 2 5 2 10 4 kg m2 5 57 10 5 kg m2 因此 折算到电机轴上的等效转动惯量 Je Je Jg1 Jw Jg2 Js i2 0 945 10 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 2 i 55 0 005 50 0 005 2 0 8 2 5 0 11 N m Mf Ff tsP 2 i W tsP 2 i 0 005 23 9 8 0 005 2 0 8 2 5 47 10 4N m 上述式中 丝杠预紧时的传动效率取 0 8 nmax 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 76 10 4 kg m2 fm 2400Hz Comment L2 22 34 9 故 M0 Fp0tsp 2 i 1 02 1 3Fxtsp 2 i 1 02 1 3 220 0 005 2 0 8 2 1 0 964 2 2 58 10 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 0 945 10 4 kg m2 1 8 10 4 kg m2 2 745 10 4 kg m2 M Je Jm 2 nmax 60t 0 575N m Mq M max Mf M0 0 575N m Mc Mt Mf M0 0 113 N m Mk Mf M0 3 127 10 3 N m 从计算可知 Mq最大 作为初选电动机的依据 Mq Mjmax 0 26 0 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 fL fc v1max 60 300 60 0 005 1000Fmax 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 0162m 12 ncr 9906 r min nmax 同时验算丝杠另一个临界值 d0n 20 1125 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 五五 Y 轴方案及参数计算轴方案及参数计算 1 Y 轴步进电机参数确定及选择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 58W 1 脉冲当量选择 14 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 72 5 360 0 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 8 103 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 4 40 7 8 103 32 10 4 kg m2 4 9 10 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 22kg Jw w g tsP 2 2 i2 22 0 5 2 2 1 2 10 4 kg m2 1 39 10 5 kg m2 因此 折算到电机轴上的等效转动惯量 Je Je Jw Js 1 39 10 5 4 9 10 5 6 29 10 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 2 i 220 0 005 220 0 005 2 0 8 1 0 22N m Mf Ff tsP 2 i 1 094 10 3N m 上述式中 丝杠预紧时的传动效率取 0 8 nmax 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 1 764 10 4 kg m2 fm 2400Hz 故 M0 Fp0tsp 2 i 1 02 1 3Fytsp 2 i 1 02 1 3 15 2200 0 005 2 0 8 1 1 0 964 2 5 16 10 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 0 964 J Je Jm 2 745 10 4 kg m2 M Je Jm 2 nmax 60t 0 24 N m Mq M max Mf M0 0 246N m Mc Mt Mf M0 0 226N m Mk Mf M0 6 25 10 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 0 109 0 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 fL fc v1max 60 250 60 0 01 417 T1 许用转速 n 8800r min 400r 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 六六 Y 轴机械结构总体设计计算轴机械结构总体设计计算 1 Y 轴滚珠丝杠设计计算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 17 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 23 9 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 1 220 0 005 220 220 N 244 2N n 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 4 1010 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 3 Fn 15 56 103 N Fmax 244 2N 18 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 0162m ncr 15478 r min nmax 同时验算丝杠另一个临界值 d0n 20 400 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 分别取硬度系数 fH 1 0 温度系数 fT 1 00 接触 系数 f