X-Y数控运动工作台设计【二坐标 双坐标】【含CAD图纸+PDF图】
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二坐标 双坐标
X-Y数控运动工作台设计【二坐标
双坐标】【含CAD图纸+PDF图
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毕业设计（论文）X-Y数控运动工作台设计设计（论文）题目： X-Y数控运动工作台设计 学 院 名 称： 专 业： 学 生 姓 名： 学 号： 指 导 教 师： 2013年 月 日摘 要X-Y数控工作台是许多机电一体化设备的基本部件，如数控车床的纵横向进刀机构、数控铣床和数控钻床的X-Y工作台、激光加工设备的工作台、电子元件表面贴装设备等。模块化的X-Y数控工作台，通常由导轨座、移动滑块、工作、滚珠丝杠螺母副，以及伺服电动机等部件构成。其中伺服电动机做执行元件用来驱动滚珠丝杠，滚珠丝杠螺母带动滑块和工作平台在导轨上运动，完成工作台在X、Y方向的直线移动。导轨副、滚珠丝杠螺母副和伺服电动机等均以标准化，由专门厂家生产，设计时只需根据工作载荷选取即可。关键词：X-Y数控工作台；设计；过程；功能IIAbstractX-Y NC worktable is a fundamental part of many electromechanical integration equipment, such as CNC lathe longitudinal and transverse feed mechanism, CNC milling machine and CNC drilling machine of the X-Y table, laser processing equipment for working table, electronic element surface mount equipment etc. X-Y NC Worktable module, usually by the rail seat, move the slider, work, ball screw pair, and a servo motor and other components. The servo motor to drive the ball screw actuator, a ball screw nut drives the slide block and the working platform motion on the guide rail, straight mobile work station in X, Y direction. Guide, ball screw and servo motor are based on standard, by the specialized manufacturers, only when the design work load to select.Keywords: X-Y NC worktable ;design ;process ;function目 录摘 要IIAbstractIII目 录IV第1章 绪论11.1 课题研究意义11.2 X-Y数控运动工作台应用1第2章 X-Y数控运动工作台设计要求22.1设计主要要求22.2 综合作业内容2第3章 X-Y数控运动工作台机械系统设计33.1脉冲当量选择33.2工作台外形尺寸及重量估算33.3 滚动导轨副的计算与选择43.4滚珠丝杠副的载荷计算53.5传动效率计算83.6稳定性验算83.6 刚度验算83.7 滚珠丝杠精度等级确定93.8 滚动导轨副的防护113.9 直线滚动导轨副的计算、选择113.10电机至丝杠之间齿轮减速传动设计133.11等效转动惯量计算(不计传动效率)163.12 电机的计算选型173.13 联轴器选择17结 论18致 谢19参考文献2020第1章 绪论1.1 课题研究意义制造业是国家重要的基础工业之一，制造业的基础是是众多机械制造的母机，它的发展水平，与制造业的生产能力和制造精度有着直接关系，关系到国家机械工业以至整个制造业的发展水平.是先进制造技术的基本单元载体，机械产品的质量、更新速度、对市场的应变能力、生产效率等在很大程度上取决于的效能。因此，制造业对于一个国家经济发展起着举足轻重的作用我国是世界上产量最多的国家.根据德国工业协会(VD W )2000年统计资料，在主要的生产国家中，中国排名为世界第五位。但是在国际市场竞争中仍处于较低水平:即使在国内市场也面临着严峻的形势:一方面国内市场对各类产品有着大量的需求，而另一方面却有不少国产滞销积压，国外产品充斥市场。1.2 X-Y数控运动工作台应用现代科学技术的不断发展，极大地推动了不同学科的交叉与渗透，导致了工程领域的技术革命与改造。在机械工程领域，由于微电子技术和计算机技术的迅速发展及其向机械工业的渗透所形成的机电一体化，使机械工业的技术结构、产品机构、功能与构成、生产方式及管理体系发生了巨大变化，使工业生产由“机械电气化”迈入了“机电一体化”为特征的发展阶段。X-Y数控工作台是许多机电一体化设备的基本部件，如数控车床的纵横向进刀机构、数控铣床和数控钻床的X-Y工作台、激光加工设备的工作台、电子元件表面贴装设备等。模块化的X-Y数控工作台，通常由导轨座、移动滑块、工作、滚珠丝杠螺母副，以及伺服电动机等部件构成。其中伺服电动机做执行元件用来驱动滚珠丝杠，滚珠丝杠螺母带动滑块和工作平台在导轨上运动，完成工作台在X、Y方向的直线移动。导轨副、滚珠丝杠螺母副和伺服电动机等均以标准化，由专门厂家生产，设计时只需根据工作载荷选取即可。控制系统根据需要，可以选取用标准的工作控制计算机，也可以设计专用的微机控制系统。 第2章 X-Y数控运动工作台设计要求2.1设计主要要求1、设计可实现X/Y向数控运动工作台2、数控运动驱动力源采用交流伺服电机.但所选电机必须与该电机生产厂所列技术数据一致3、工作台尺寸450X350mm（X/Y）4、工作台（X/Y）工作行径400/3005、脉冲当量X/Y 0.004mm/脉冲6、X向最高工作进给速度200mm/min7、X向最高空载快进速度300mm/min8、工件最大重量（包括夹具）为400kg9、工作寿命每天8小时，连续工作5年，250/年10、进给机械系统均采用滚动丝杠和滚动导轨副2.2 综合作业内容1、数控十字工作台装配图一张(提供打印并签名）2、设计说明书一份（主要内容1电机选型计算（脉冲当量2滚动丝杠选型与计算3滚动导轨选型计算第3章 X-Y数控运动工作台机械系统设计3.1脉冲当量选择脉冲当量p是一个进给指令时工作台的位移量，应小于等于工作台的位置精度，由于脉冲当量X/Y 0.004mm/脉冲 由已知设计参数初定脉冲当量=0.004mm/p3.2工作台外形尺寸及重量估算3-1工作台简图已知题设要求：工作台尺寸450X350mm（X/Y）取X向导轨支撑钢球的中心距为350mm,Y向导轨支撑钢球的中心距为230mm,设计工作台简图如下：X向拖板（上拖板）尺寸：长宽高 35023050重量：按重量=体积材料比重估算NY向拖板（下拖板）尺寸： 35023050N上导轨座（连电机）重量：夹具及工件重量：400kg约4000N。X-Y工作台运动部分的总重量：约4735N。3.3 滚动导轨副的计算与选择根据给定的工作台运动部件的总重量及负载和估算的 和 计算导轨的静安全系数 =C0/P，式中：C0为导轨的基本静额定载荷；工作载荷 P=0.5(+W)； =1.03.0(一般运行状况)，3.05.0（运动时受冲击、振动）。根据计算结果查有关资料初选导轨：因系统受中等冲击,因此取，根据计算额定静载荷初选导轨:、导轨型式：圆形截面滚珠导轨、导轨长度丝杠有效行程 由3表5-4查得le=20 mm已知工作台尺寸450X350mm（X/Y）已知工作台（X/Y）工作行径400/300上导轨（X向）取动导轨长度 动导轨行程 支承导轨长度 下导轨（Y向）取动导轨长度 动导轨行程 支承导轨长度 选择导轨的型号：GTA16 、直线滚动轴承的选型、直线滚动轴承的选型上导轨下导轨的由于本系统负载相对较小，查表后得出LM10UUOP型直线滚动轴承的额定动载荷为，大于实际动负载；但考虑到经济性等因素最后选择LM16UUOP型直线滚动轴承。并采用双排两列4个直线滚动轴承来实现滑动平台的支撑。、滚动导轨刚度及预紧方法 当工作台往复移动时，工作台压在两端滚动体上的压力会发生变化，受力大的滚动体变形大，受力小的滚动体变形小。当导轨在位置时，两端滚动体受力相等，工作台保持水平；当导轨移动到位置或时，两端滚动体受力不相等，变形不一致，使工作台倾斜角，由此造成误差。此外，滚动体支承工作台，若工作台刚度差，则在自重和载荷作用下产生弹性变形，会使工作台下凹（有时还可能出现波浪形），影响导轨的精度。3.4滚珠丝杠副的载荷计算（1）.滚珠循环方式由楼应侯、潘晓彬、郑堤、崔玉国、胡利永等编.机械电子工程专业课程设计指导楼应侯、潘晓彬、郑堤、崔玉国、胡利永等编.机械电子工程专业课程设计指导书表5-1查得,选择外循环插管式（2）.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.由楼应侯、潘晓彬、郑堤、崔玉国、胡利永等编.机械电子工程专业课程设计指导楼应侯、潘晓彬、郑堤、崔玉国、胡利永等编.机械电子工程专业课程设计指导书表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由楼应侯、潘晓彬、郑堤、崔玉国、胡利永等编.机械电子工程专业课程设计指导楼应侯、潘晓彬、郑堤、崔玉国、胡利永等编.机械电子工程专业课程设计指导书工作负载是指机床工作时，实际作用在滚珠丝杆上的轴向压力，他的数值用进给牵引力的实验公式计算。选定导轨为滑动导轨，取摩擦系数为0.03，K为颠覆力矩影响系数，一般取1.11.5，本课题中取1.3。、最大动负载Q的计算式中：fW为载荷系数，中等冲击时为1.21.5；fH为硬度系数，HRC58时为1.0。查表得系数，寿命值:查表得使用寿命时间T=10000h，初选丝杠螺距t=5mm，得丝杠转速（X向最高空载快进速度300mm/min）所以 X向丝杠牵引力 Y向丝杠牵引力 所以最大动负荷X向 Y向 根据使用情况选择滚珠丝杠螺母的结构形式，并根据最大动载荷的数值可选择滚珠丝杠的型号为: CM系列滚珠丝杆副，其型号为：CM2005-5。其基本参数如下:其额定动载荷为14205N 足够用.滚珠循环方式为外循环螺旋槽式,预紧方式采用双螺母螺纹预紧形式.滚珠丝杠螺母副的几何参数的计算如下表名称计算公式结果公称直径20mm螺距mm接触角钢球直径4.175mm螺纹滚道法向半径1.651mm偏心距0.04489mm螺纹升角螺杆外径19.365mm螺杆内径16.788mm螺杆接触直径17.755mm螺母螺纹外径24.212mm螺母内径（外循环）20.7mm3.5传动效率计算丝杠螺母副的传动效率为：式中：=10，为摩擦角；为丝杠螺旋升角。3.6稳定性验算丝杠两端采用止推轴承时不需要稳定性验算。3.6 刚度验算滚珠丝杠受工作负载引起的导程变化量为：(cm)Y向所受牵引力大,故用Y向参数计算丝杠受扭矩引起的导程变化量很小，可忽略不计。导程变形总误差为E级精度丝杠允许的螺距误差 =15m/m。3.7 滚珠丝杠精度等级确定（1）.丝杠有效行程 由楼应侯、潘晓彬、郑堤、崔玉国、胡利永等编.机械电子工程专业课程设计指导楼应侯、潘晓彬、郑堤、崔玉国、胡利永等编.机械电子工程专业课程设计指导书表5-4查得le=20 mm导轨总长Lu =210+120+20=350mm 所以丝杠总长Lv =350-20=330mm（2）.精度等级 根据有效行程内的平均行程允许偏差 ep=0.01/300350103=11.7查楼应侯、潘晓彬、郑堤、崔玉国、胡利永等编.机械电子工程专业课程设计指导书表5-5得:精度等级为T34）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。由楼应侯、潘晓彬、郑堤、崔玉国、胡利永等编.机械电子工程专业课程设计指导书表5-6查得,采用一端固定一端游动(F-S)支承形式.5）滚珠丝杠副的选择高速或较高转速情况 按额定动负荷CCj选择滚珠丝杠副Cj=(Fefw)/(fhftfafk)(60Lhne)/(106)1/3式中 Cj-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=(120+0.06120)/2=63.6N ne-丝杠当量转速(r/min). ne=250r/min. Lh-丝杠工作寿命(h). 查考楼应侯、潘晓彬、郑堤、崔玉国、胡利永等编.机械电子工程专业课程设计指导楼应侯、潘晓彬、郑堤、崔玉国、胡利永等编.机械电子工程专业课程设计指导书表5-7得Lh=15000 h. ft-温度系数. 查楼应侯、潘晓彬、郑堤、崔玉国、胡利永等编.机械电子工程专业课程设计指导楼应侯、潘晓彬、郑堤、崔玉国、胡利永等编.机械电子工程专业课程设计指导书表5-8,得ft=0.70. fa-精度系数. 查楼应侯、潘晓彬、郑堤、崔玉国、胡利永等编.机械电子工程专业课程设计指导楼应侯、潘晓彬、郑堤、崔玉国、胡利永等编.机械电子工程专业课程设计指导书表5-9得fa=1.0 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.计算得Caj=2.5N表3-1-1各类机械预期工作时间Lh表3-1-2精度系数fa表3-1-3可靠性系数fk表3-1-4负载性质系数fw6）滚珠丝杠副校核（1）.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2d2-丝杠螺纹底径,查43-32取17.6 mmk1 安全系数，取1/3Fn=13593NFmax（2）.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 =0.5m. d2-丝杠螺纹底径,取17.6mmncr= 10758.9r/min nmax取,同时验算丝杠另一个临界值d0n=20833=7500 =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ZE189.8MPa1/2（2）.(由1图10-30得)选取区域系数ZH=2.433,(由1表10-7)选取齿宽系数d0.3，（3）.（由1图10-26）查得a10.78，a2 0. 8，则aa1+a2 1.58（4）.应力循环系数取j=1 已知V=1.0m/min，滚珠丝杠的基本导程P=5mm，则nmax=(vmax/)(/360)=(1000/0.004) (0.36/360)=250 r/min所以 N1=60njLh=602501(2830015)1.08109 N2=N1/i=1.08109/1.258.64108(5).（由1图10-19）查得接触疲劳寿命系数KHN1=0.86，KHN2=0.87(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=0.86600/1516MPaH2KHN2Hlim2/S=0.87550/1478.5MpaH= （H1+H2）/2 =497.25Mpa(8).计算小齿轮传递的转矩T1=9.55106Px/nx=77.9N.mm b）、计算（1）.试算小齿轮分度圆直径d1t=2KtT1（u1）(ZHZE)2/dauH2(1/3)=21.677.92.25/（0.31.581.25）（2.433189.8/494.25）2（1/3） 9.38mm（2).计算圆周速度 v=d1tn1/(601000)0.123 m/s（3).计算齿宽b及模数mnt, b=dd1t=0.39.382.81mmmnt=d1tcos/Z1=9.38cos14/24=0.38mm h=2.25mnt=2.250.38mm = 0.855mm b/h=2.81/0.855=3.3（4).计算纵向重合度0.318dZ1tan=0.3180.324tan14=0.57（5).计算载荷系数K，查1表10-2，得使用系数KA=1.25,根据v=0.123 m/s ,7级精度，由书图10-8查得动载系数Kv=1.01,（由书表10-4）查得KH的计算公式：KH=1.12+0.18(1+0.67d2)d2+0.2310-3b =1.14由b/h=3.3,(由书图10-13)查得KF=1.08, 由（1表10-3）查得KH=KF=1.2,故载荷系数K=kAKvKHKH=1.251.011.21.081.6362（6）.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)=9.38（1.6362/1.6）（1/3）=9.45mm（7).计算模数mn=d1cos/Z1=9.45cos14/24=0.382mm 3）、a).按齿轮弯曲强度设计mn=(2Kt1Ycos2/dZ12)(YFYS/F)(1/3)（1）.计算载荷系数，K=KAKvKFKF=1.251.011.21.04=1.6263（2）.根据纵向重合度=0.57，由（1图10-28）查得螺旋角影响系数Y=0.87（3）.计算当量齿数Zv1=Z1/cos3=24/cos314=26.27 Zv2=Z2/cos3=30/cos314=32.8（4）.由（1表10-5）查出,YFa1=2.592,YSa1=1.596,YFa2=2.49,YSa2=1.629,因为（书图10-20c）小齿轮弯曲极限强度FE1=500MPa,大齿轮FE2380MPa,（书图10-18）得弯曲疲劳寿命系数KFN1=0.85 KFN2=0.88,取安全系数S=1.1F1KFN1FE1/S=386.36MPaF2KFN2FE1/S=304MPa（5）.计算大、小齿轮YFa1 YSa1/F1 、YFa2 YSa2/F2并加以比较YFa1 YSa1/F1=2.5921.596/386.36=0.0107YFa2 YSa2/F2=2.491.629/3040.013 取大齿轮数据b).设计计算mn=(2Kt1Ycos2/dZ12)(YFYS/F)(1/3)=21.626377.90.0133(cos14)2/（0.32421.58）（1/3）=0.23mm 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mn2 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=48mm ,来计算应有的齿数，于是有Z1=d1cos/mn=48cos14/223.28，取Z124，则Z2iZ1=1.2524304几何尺寸计算（1）.中心距 a=(Z1+Z2)mn/(2cos)=(24+30)2/（2cos14）55.65 mm 所以圆整为56 mm（2）.按圆整后的中心距修正螺旋角arccos(Z1+Z2)mn/2a=arccos(24+30) 2/(256) =15.395, 因值改变不多，故参数、K、ZH等不必修正（3）.计算大、小齿轮分度圆直径d1=Z1mn/cos=242/cos15.359=49.78 mmd2=Z2mn/cos=302/cos15.359 =62.22 mm（4）.计算齿轮宽度b=dd1=0.349.7814.934mm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=16mm3.11等效转动惯量计算(不计传动效率)小齿轮转动惯量Jg1=(d14b1)32=441.47.8510-332 =0.27610-4 kg.m2式中 钢密度=7.8510-3 kg/cm3同理,大齿轮转动惯量 Jg2=0.49810-4 kg.m2 查设计手册初选滚珠丝杠 CDM2005-3, 得到 d0=20 mm ,l=430 mm滚珠丝杠转动惯量 Js=(d04l)32=(2)4437.8510-33210-4 kg.m2 =0.5310-4 kg.m2工作重物为12kgJw=(w/g)(tsP2) 2 i2 =12(0.52) 2 2.1210-4 kg.m2 =1.7110-6 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 =0.80710-4 kg.m2 3.12 电机的计算选型查设计指导书(4-7)(4-9)可知:Mt=(Fx+Fy) tsP/(2i)= (180+0.06140)0.005/(20.82.1)=0.089N.mMf= (Ff tsP)/(2i)= (W tsP)/(2i)=(0.0612100.005)/ (20.82.1)=0.00341N.m上述式中 丝杠预紧时的传动效率取 =0.8为摩擦系数取0.06nmax=(vmax/)(/360)=(2000/0.005) (0.75/360)=833 r/min取起动加速时间t=0.03 s初选60BYG350DL-SASSML-0451 的电动机M0=(Fp0tsp)(2i) (1-02)= (1/3Fxtsp)(2i) (1-02) =(1/3) 1800.006(20.82.1) 1-0.92=0.054 N.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0.9J=( Je +Jm)= 0.80710-4 kgm2+0.310-4 kg.m2 =1.10710-4 kg.m2Ma=( Je +Jm)( 2nmax)/(60t)= 0.2926N.mMq= Ma+ Mf+ M0=0.2926+0.00341+0.054=0.35N.mMc= Mt+ Mf+ M0=0.089+0.00341+0.054=0.1464N.mMk= Mf+ M0=
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