二维机械滑台设计论文

机械设计课程设计机械设计课程设计 计算说明书计算说明书 设计题目设计题目 二维机械滑台设计二维机械滑台设计 精品文档 2欢迎下载 测控技术与仪器测控技术与仪器 专业专业 一一 班班 设计者设计者 指导教师指导教师 年年 月月 日日 目录目录 一 设计任务 2 二 设计工作 3 三 计算选型 5 1 电机和丝杆的部分参数选型 2 滚珠丝杠计算 选择 3 滚珠丝杆传动系统刚度 4 电机的选定 5 直线导轨的选定 精品文档 3欢迎下载 6 轴承的选定 7 工作台的选定 四 参考文献 14 五 工作日志 15 一 设计任务一 设计任务 1 两坐标行程为350mm 2 定位精度 0 025mm 精品文档 4欢迎下载 3 响应速度 1m s 2 4 快速60m min 慢速0 25m min 5 工作台尺寸 300 300mm 二 设计工作二 设计工作 1 运动设计 1 要实现一个二维平面运动 只需将其分解为两个垂直方向的一维直线运动 即可 由 X 方向的直线位移机构带动 Y 方向的直线位移机构沿 X 向做直线运动 然后 X 向直线位移机构不动 Y 向直线位移机构在 X 向直线位移机构上沿 Y 向 运动 这样就实现了 XOY 平面的二维运动 2 直线运动设计 选择丝杆和直线导轨机构 2 驱动设计 采用反应式步进电机 3 机床部件设计 联轴器 轴承 选择刚性联轴器和滚动轴承 3 1 导轨 根据设计要求 需要承受的载荷不大 定位精度高 因此在该设计中选用 直线滚动导轨 3 2 丝杆 电动机的旋转运动需要通过丝杆螺旋传动转换成直线运动 3 2 1 丝杠与螺母的相对运动 对于卧式工作台我们选择第一种方案 即丝杠转动 螺母移动 3 2 2 精品文档 5欢迎下载 选用滚珠丝杆副 3 2 3 滚动丝杠支承方式 选用 固定 游动 型 3 2 4 轴承安装方式 固定端采用一对背对背角接触球轴承 游动端采用深沟球轴承 3 3 支承件 支承件是设备的基础构件 包括床身 横梁 摇臂 底座 刀架 工作台 箱体和升降台等 这些件一般都比较大 所以也称大件 合理配置加强筋是提高局部刚度的有效方法 金属切削机床设计 P136 3 3 2 工作台 选用最常见的 T 形槽工作台 如图所示 1 工作台与螺母座的联接 本设设计采用刚性联接结构 如图4 2所示 这种联接结构的特点是牢固可 靠 精品文档 6欢迎下载 4 控制系统 4 1 控制系统的选择 开环伺服系统 系统只是根据输入量和干扰量进行控制 而输出端和输入 端之间不存在反馈回路 输出量取决于精密机械系统 而与控制系统无关 在本设计中 只涉及到通过步进电机驱动 丝杆传动的直线运动 考虑到 该设计的二维坐标机械滑台的定位精度要求不高 载荷不大 因此 为简化结 构 降低成本 提高性价比 该设计中采用步进电机的开环伺服系统驱动 图 4 1 开环伺服系统 4 2 行程控制 行程控制 就是当运动部件到达一定行程位置时采用行程开关来进行控制 行程 开关是由装在运动部件上的挡块来撞动的 行程开关作用有两个 1 防止工 作台超过最大行程 使电机损坏 2 可以用与定位 所以这 4 个行程开关就充 当了传感器 图 4 2 行程开关工作示意图 精品文档 7欢迎下载 图 4 2 是行程开关工作的简单示意图 行程开关 S1 和 S2 分别装在导轨的 起点和终点 由装在工作台上的挡块来撞动 工作台由步进电机带动 工作台在起点时 其上挡块将起点行程开关 S1 压下 将串接在反转控制电 路中的常闭触头压开 这时电动机不能反转 电动机正转 带动工作台前进 当工作台到达终点时 挡块压下行程开关 S2 将串接在正转控制电路中的常开 触头压开 电动机即停止正转 三 计算选型三 计算选型 1 1 电机和丝杆的部分参数选型电机和丝杆的部分参数选型 1 11 1 根据定位精度要求确定脉冲当量选择步距角根据定位精度要求确定脉冲当量选择步距角 根据经验 初步选择导程为 5mm 的丝杆 本系统中 X Y 方向的定位精度均 为 0 025mm 因此 X Y 方向的脉冲当量均取 0 025mm Hz 为脉冲当量为 0 025mm hz 为传动比 i 360 B iP 为步进电机步距角 初选为 0 36 可得传动比 i 5 1 21 2 根据快速进给速度 确定电机的最高运行频率根据快速进给速度 确定电机的最高运行频率 max max 60 1000 f v 为工作台运行最高速度 m min max v 为步进电机最高运行频率 Hz max f 代入工作台最快进给速度 60m min 脉冲当量 0 025mm Hz 计算得 40 000Hz max f 精品文档 8欢迎下载 1 31 3 根据电机的最高运行频率及步距角 确定电机最高转速根据电机的最高运行频率及步距角 确定电机最高转速 360 max max f n 计算可得 2400r min 2 滚珠丝杠计算 选择滚珠丝杠计算 选择 2 12 1 导程的选择导程的选择 丝杆的导程必须满足下式 为导程 mm 为工作台运行最高速度 mm s 为电机最高转速 r min I 为传动比 代入数据得导程5mm 故取 5 mm 2 22 2 平均转速平均转速 精品文档 9欢迎下载 由于我们要选择的丝杆的运转方式为无切削方式 由上表可知 取丝杆平均转速 1400r min 2 32 3 平均载荷平均载荷 轴向载荷 F 为摩擦阻力 mg 其中 m 10kg 取 0 2 F 为切削阻力 为 0 计算可得 19 6N 故平均载荷 19 6N 2 42 4 时间寿命与回转寿命时间寿命与回转寿命 工作寿命为 5 年 一年工作 300 天 每天工作 6 小时 因此工作寿命 5 300 6 9000 小时 回转寿命 L 60 I 6480000000r 2 52 5 额定动载荷额定动载荷 精品文档 10欢迎下载 为载荷系数 此处为普通运动 由下表取 1 4 计算可得 511 57N 故选丝杆时 丝杆的额定动载荷应该大于等于 511 57N 2 62 6 预紧载荷预紧载荷 3 19 6N 3 6 53N 其中为轴向载荷 2 62 6 丝杆公称直径丝杆公称直径 0 丝杆临界转速 2400 50 8 15000r min 丝杆底径 2 2 107 为临界长度 取 350mm 为支承系数 当支承方式为固定 支承时 取 18 9 计算可得 9 7mm 2 精品文档 11欢迎下载 故所选的丝杆的底径应大于等于 9 7mm 2 2 72 7 丝杆初选丝杆初选 综上可知 我们要选的丝杆应满足 导程5mm 底径 2 9 7 额定动载荷 511 57 又根据所设计的二维滑台的精度等设计要求 我们初步选取的丝杆型号如下 N F S G 20 5 3 5 3 P2 2 72 7 丝杆螺纹长度丝杆螺纹长度 1 2 1 为有效行程 为 350mm 为余程 根据导程 5mm 和下表可知 20mm 内 循 环 法 兰 螺 母 单 螺 母 磨 制 丝 杆 公 称 直 径 m m 导 程 m m 滚 珠 直 径 m m 滚 珠 圈 数 丝 杆 长 度 精 度 等 级 丝 杆 螺 纹 长 度 精品文档 12欢迎下载 计算可得 390mm 1 故丝杆螺纹的长度不得小于 390mm 加上丝杆螺母总成的一半 21 5mm 螺母总长 为 43mm 得丝杆螺纹长度411 5mm 在此取丝杆螺母长度为 430mm 1 则轴承之间的距离 430mm 加上轴承安装长度和与联轴器的连接长度 取丝杆长度为 500mm 故丝杆编号为 N N F F S S G G 20205 53 53 5 3 3 P2P2 500500430430 3 3 滚珠丝杆传动系统刚度滚珠丝杆传动系统刚度 3 13 1丝杆刚度丝杆刚度 当 时 为最小值 一般情况下计算最小刚度值 1 可得 144 8N min 此时计算轴向弹性变形量 计算可得 0 14 m 3 23 2 螺母刚度螺母刚度 精品文档 13欢迎下载 查表得 R 307N m 10033N 1 3 6 5N 0 刚度计算系数 取 0 1 垫片预紧 计算可得 45 8N m 计算可得 0 43 m 3 33 3 支承刚度支承刚度 查表可得 1020N m 计算可得 0 019 m 3 43 4 轴向总刚度轴向总刚度 计算可得 33 65N m 计算可得 0 589 m 4 4 电机的选定电机的选定 4 14 1 驱动转矩驱动转矩 精品文档 14欢迎下载 轴向载荷 19 6N 系统效率 取 0 8 计算可得 0 0195Nm 4 24 2 由预加载荷产生的转矩由预加载荷产生的转矩 预紧载荷 1 3 6 5N 0 预紧螺母内的摩擦系数取 0 2 计算可得 0 0011Nm 4 34 3 惯性加速转矩惯性加速转矩 Y 轴方向上步进电机总转动惯量的计算 工作台与负载的惯量 2 2 B A P JM 为工作台与负载的惯量 A J M 为工作台与负载的总质量 Kg 初取 6Kg 滚珠丝杆惯量 4 32 BBBB JL D 为滚珠丝杆的惯量 B J 为滚珠丝杆的密度 7 90 B 3 g cm 精品文档 15欢迎下载 为滚珠丝杆总长 500mm B L 为滚珠丝杆外径 19 5mm B D 折算到步进电机轴上的总惯量为 yAB JJJ 惯性加速转矩 0 57 3 n ayy ff TJ t 为加速开始及终止时的脉冲频率 Hz 0 f n f t 为加速过程时间 s 其中是加速度 1 1 a 2 m s 已知 40 000Hz 取 2 000Hz n f 0 f 计算可得 0 0026Nm 4 44 4 总转矩的计算总转矩的计算 电机转矩 T 0 0232Nm 可知所要选的电机的转矩应该大于 0 0232Nm 根据所算的电机转矩 T 和步距角 选取步进电机型号为 5 5 相混合式步进电机相混合式步进电机 90BYG550A 030190BYG550A 0301 电机参数如下 精品文档 16欢迎下载 5 5 直线导轨的选定直线导轨的选定 根据设计要求 需要承受的载荷不大 98N 定位精度高 因此在该设计中 选用直线滚动导轨 结合导轨长度和精度要求 初步选取上银科技股份有限公 司 MGN 系列导轨 选取的导轨必须满足导轨直线度小于定位精度的 1 3 0 05mm 3 16 7 m 根据下表可选定导轨的精度等级为 H 根据其轨道长度表 选取导轨的具体编号如下 MGN R 12 R510 E H M 导轨具体参数如图所示 M G N 系 列 单 出 滑 轨 尺 寸 滑 轨 长 度 滑 块 特 殊 加 工 精 度 等 级 不 锈 钢 材 质 精品文档 17欢迎下载 6 6 轴承的选定轴承的选定 轴承跟丝杆的配合方式是过盈配合 根据丝杆内径 16 9mm 选取内径为 15mm 的轴承 支承方式选用 固定 游动 型 在固定端固定端采用一对背对背角接触球轴承 型号如下 精品文档 18欢迎下载 游动端采用一个深沟球轴承 型号如下 7 7 工作台的选定工作台的选定 工作台尺寸为 300 300mm 选用最常见的 T 形槽工作台 材质为 Q235 如图所示 槽型尺寸如下 四 参考文献四 参考文献 1 机械工程手册 机械零部件设计 机械工业出版社 M 1997 年 P1 12 P1 18 P6 3 P6 32 P7 6 P7 9 P8 5 P8 52 P9 21 P9 52 精品文档 19欢迎下载 2 机床设计手册 2 上 机械工业出版社 M 1980 年 8 月 P424 P425 P457 P464 3 机械设计 许国忠 周玉林主编 中国标准出版社 M 2009 年 8 月 P1 P5 4 精密机械设计基础 天津大学 裘祖荣主编 机械工业出版社 M 2008 年 3 月 5 金属切削机床设计 大连工学院 戴曙主编 机械工业出版社 M 1989 年 11 月 精品文档 20欢迎下载 五 工作日志五 工作日志 2012 01 06 二维机械滑台设计指导书 讨论其工作原理 分别对运动设计 传动设计 驱动设计和机床部件展开构想 初步确定运动方式 传动方式 驱动方式以及 部分机床部件 从而确定设计方案 2012 01 07 设计要求 开始计算和确定步进电机 丝杆等零部件的参数 但是在过程中 遇到了很多问题 1 按照给定精度要求选择电机的脉冲当量 然后选择联轴 器 由于联轴器的传动比为 1 导致选择的电机转速过大 没有相应的步进电 机相匹配 2 不知如何确定丝杆导程 也就也就无法确定电机的步距角 导 致无法选电机 3 计算转矩时 由于参考资料给的公式和单位错误 导致计 算结果出现问题 4 还有由于经验不足以及设计要求的不满足等问题 导致 工作进度的延误 2012 01 08 计算过程中出现了很多问题 我们对出现的问题进行了讨论 参考大量的资 料并向老师寻求帮助 暂定丝杆导程 从而可暂定与丝杆相关的其他参数 但 还是无法解决所需步进电机的转速过大的问题 于是我们先完成其他可以完成 的工作以及资料的收集 同时也反复验算有问题的数据 2012 01 09 在老师的帮助下纠正了计算过程中的问题 修改了传动比 加了加速器 使 步进电机转速满足要求 然后通过参考网上的参考资料和机床手册等书籍 重 新确立部分计算公式 初步确定电机的转矩 无切削摩擦负载转矩 预紧载荷 转矩 惯性加速转矩 电机步距角 初步完成电机选型 然后对丝杆的一系列 参数进行计算 确定丝杆编号 并对丝杆刚度进行校核 均满足设计要求 计 算相对比较顺利 开始准备