X-Y双坐标联动数控工作台课程设计说明书

1、 目录1.课程设计目的2.课程设计任务12.1设计题目：12.2技术数据12.3技术要求13.总体结构设计13.1滚珠丝杠设计3.2滚珠丝杠副的选取3.3稳定性运算3.4压杆稳定性计算4.滚动导轨4.1计算行程长度寿命 Ts64.2计算动载荷 65. 步进电机的选择85.1步距角的确定95.2步进电机转矩校核105.3频率校核126.总结127.参考文献13121.课程设计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,培养分析问题和解决问题的能力

2、,为以后的毕业设计打下良好的基础.2.课程设计任务2.1设计题目：X-Y双坐标联动数控工作台设计2.2技术数据 工作台长×宽（mm）：450×310工作台重量(N)：3300行程(mm)：X=60100；Y=50100脉冲当量：0.05-0.08mm/p2.3技术要求 （1）工作台进给运动采用滚珠丝杠螺旋结构 （2）滚珠丝杠支撑方式：双锥-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间隙3.总体结构设计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:实际设计的工作台为X、Y双坐标联动工作台,工作台是由

3、上拖板、中拖板、下拖板及导轨、滚珠丝杠等组成.其中下拖板与床身固联,它上面固定X向导轨,中拖板在下拖板的导轨上横向运动,其上固定Y向导轨,上拖板与工作台固联,在Y向导轨上移动.X、Y导轨方向互相垂直。.3.1滚珠丝杠设计滚珠螺旋传动按滚动体循环方式分为外循环和内循环两类,其中应用较广的是插管式和螺旋槽式,它们各有特点,其轴向间隙的调整方法主要有垫片调隙式和螺纹调隙式。3.1.1计算动载荷 =4.481X1.4X1.1X4950 =34161.75N式中: 载荷系数 =1.4 ( 见表1)硬度系数 =1.1 (见表2) 轴向工作载荷-=1.53300=4950 N 额定寿命L=（60·

4、n·T）/ =90h 丝杠转速n=100r/min (r/min)使用寿命T=15000h 见表3表1 表2 载荷性质平稳或轻度冲击11.2轻度冲击1.21.5 较大冲击、振动1.52.5实际硬度HRC551.1501.56452 .4403.85表3类别普通机械普通机床数控、精密机械T(h)50001000010000150003.2滚珠丝杠副的选取3.2.1计算载荷 查机电一体化设计基础表2-6取， 查表2-7 取 查表2-4 取D级精度 查表2-8 取 取平均工作载荷Fm=4950N Fc=1.3x1x1x4950=6435N 3.2.2 计算额定动载荷计算值Ca n=100r

5、/min 使用寿命=15000h =6435X898.2 =5779940.12N3.2.3根据Ca选择滚珠丝杠副 根据机电一体化设计基础表2-9汉江机床TC1型滚珠丝杠，若选取FC1型无密封圈滚珠丝杠，滚珠丝杠副额定动载荷Ca等于或者大于Ca的原则，选用FC1-4006-2.5，Ca=16083N的丝杠副数据： 公称直径： 导程：P=6mm螺旋角：滚珠直径：根据机电一体化设计基础表2-1公式得螺纹滚道半径：偏心距：丝杠内径：mm3.2.4滚珠丝杠副校核 滚珠丝杠副还要受的值的限制，通常要求 所以 丝杠副工作稳定3.3稳定性运算3.3.1.计算临界转速 （r/min）式中 临界转速系数fc=3

6、.93 见表4 长度系数 u=0.67 见表4 d1丝杠内径 (mm)L丝杠工作长度 (mm) 取丝杠工作长度：Lx=450mm Ly=310mm可知Y向临界速度最大nk=9910x3.92x3.92x0.03599÷（0.67x0.31）²nk=127044.1413r/min 因为 所以丝杠工作时不会发生共振 表 4支承方式系数双推自由双推简支两端固定 1.883.934.73 u 2 0.67- 342.53.3 3.4压杆稳定性计算 （N）式中 临界载荷E材料弹性模量 对于钢,E=2.06× 丝杠危险截面惯性矩() 临界载荷：Fk=3.14x2.06x82

7、00÷（0.67x0.31）²=1229526.03N 安全系数： S=Fk÷Fa=1229526.03÷3500=351.29 丝杠绝对安全，不会失稳 丝杠选取无误，即选用Fc1-4006-2.5型滚珠丝杠。4.滚动导轨导轨是工作台系统的重要组成部分,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.滚动导轨应用最广的是滚珠导轨,按滚珠的循环方式分类,滚珠导轨又可分为滚珠不循环式和可循环式.在专业厂家生产的标准化滚动导轨中,都为滚动体可循环式.4.1计算行程长度寿命 TsTs=2Ls·n·6

8、0· /100 (km)式中 :Ls工作单行程长度(m) :Lsx=0.42m;Lsy=0.33m n往复次数 (次/min) Ny=1.21 工作时间寿命 (h) :Th=15000 行程长度寿命： Tsy=718.74km4.2计算动载荷 =式中 F作用在滑座上的载荷 (N) F=3300*滑座个数寿命系数 一般取K=50km温度系数 见表5接触系数 见表6硬度系数 见表7负载系数 见表8 表5 工作温度（0C）<10011001500.91502000.72002500.6表6每根导轨上滑块数1120.8130.7240.66表7滚道表面硬度HRC605855535045

9、Fh 10.980.90.710.540.38 表8工作条件fw无冲击、振动 V<15m/min11.5较小冲击、振动V<60m/min1.52较大冲击、振动V>60m/min23.5分别由指导书表5、6.7.8查得、另取滑座个数m=4;寿命系数一般取k=50km; 另取滑座个数 寿命系数一般取 作用在滑座上的载荷 Fx=33000；Fy=44000 =38936.7N =51876N由机电一体化设计基础表213查得，故选取滚动导轨型号为HJGD255. 步进电机的选择在选择步进电机时应主要考虑以下几个方面:步距角是否适合系统脉冲当量的要求.步进电机转矩是否满足要求.步进电机

10、起动频率及运行频率是否满足要求.5.1步距角的确定 （度）式中 工作台脉冲当量 (mm/P) =0.06mm/Pi传动系统传动比 i=2.2t滚珠丝杠导程 (mm) t=6mm=360°x0.06x2.2÷6=7.92°根据机械设计手册初选型号55BYG005;由机电一体化设计基础图5-33、5-34查的：减速器采用2级传动传动比分别为:各传动齿轮齿数为：;模数m=2齿轮宽b=20mm5.2步进电机转矩校核空载起动时电机轴总的负载转矩Tq Tq=Tj+Tu+To式中 1) Tj惯性转矩 Tj=J· J电机轴总惯量(包括当量)起动时角加速度 由机电一体化设

11、计基础书中式5-36分别计算各传动件的转动惯量，其中齿轮交叉直径取分度圆直径： 丝杠内径分度圆： 丝杠长度取L=410mm 电动机总惯量： 其中，是所用材料密度；d是分度圆直径；L是长度（齿宽）；P是导程；m是工作台质量。 其中工作台小刀架质量为m1,取m1=80kg取电动机轴自身转动惯量:则步进电机轴的总转动惯量：设步进电机空载启动时间50s，最大进给速度： 导轨摩擦系数空载启动时，电动机轴的惯性转矩： =0.19P=0.0036 t=50电动机轴上的当量摩擦转矩： =1.54n.m i=5 =0.2其中伺服进给链的总效率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

12、算到电动机轴上的附加摩擦转矩为： =0.32n.m Fo=2145N其中工作台的最大轴向负载折算到电动机轴上的负载转矩：=5.03 n.m 则电动机空载启动时电动机轴总的负载转矩：=0.19+1.54+0.32=2.05n.m则电动机正常工作时电动机轴总负载转矩：=5.03 +0.19+0.32=5.54 n.m电动机最大静转矩Ts空载启动时所需电动机最大静转矩：=2.05÷0.707=2.90n.m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：=5.63÷0.707=7.83n.m 由下表可查电机相数3456运行拍数3648510612C0.50.8660.

13、7070.7070.8090.9510.8660.866取二者最大的，故步进电机的最大静转矩满足要求。5.3频率校核 参考电机的矩频特性曲线进行选取.原则：选用步进电机应使实际应用的启动频率、运行频率与负载转矩所对应的启动，运行工作点位于该曲线之下，才能保证步进电机不失频的正常工作。经校核满足要求。所以选用55BYG005型步进电机。6.总结 通过本次课程设计，在设计过程中遇到许多问题 ，但经过思考与讨论，一遍又一遍地检查找到了原因所在，我们欠缺知识与经验，实践出真知，我们不断发现错误，不断改进，不断领悟，不断获取。我们掌握了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,培养分析问题和解决问题的能力,为以后的毕业设计打下良好的基础。也锻炼了动手能力