专业课程设计-xy数控工作台[1]

1、本科生专业课程设计（2011 届）学生姓名:专业名称:指导教师:2010年11月20日目录任务书2二、总体方案的确定错误！未定义书签。三、机械传动部件的计算与选型错误！未定义书签。四、工作台机械装配图的绘制错误！未定义书签。五、工作台控制系统的设计错误！未定义书签。参考文献错误！未定义书签。附件1错误！未定义书签。附件2错误！未定义书签。附件3错误！未定义书签。附件4错误！未定义书签。任务书设计题目：X-Y数控工作台机电系统设计设计任务:设计一台微机控制XY两坐标工作台，供立式数控铳床使用。具体内容如下:1、机械系统设计：通过计算，正确选择传动机构、导向机构、执行机构、驱动电机等,根据计算说明

2、，绘制机械系统装配图。2、控制系统设计：根据系统要求，选择正确的控制策略，设计合理的控制系统，并绘3、主要程序设计：在机械系统设计与控制系统设计的基础上，进行控制系统的主程序设计，列出程序清单。4、设计说明书撰写。系统主要参数：1、立铳刀最大直径d=20mm2、立铳刀齿数Z=33、最大铳削宽度ae=20mm4、最大背吃刀量an=i0mmp5、加工材料为碳素钢或有色金属6、X,丫方向的脉冲当量&x=8y=001mm/p7、X,Y方向的定位精度均为土0.01mm8、工作台面尺寸为400mm500mm战们这个长度400以下），加工范围为200mm立幡b）网柱赞削4端跣采用立铳刀进行圆柱铳削时

3、，各铳削力之间的比值可由表2-2。表2-2各铳削力之间比值铳削条件比值对称铳削不对称铳削逆铳顺铳端铳削ae=(0.40.8)d/mmfz=(0.10.2)/(mm.z-1)Ff/Fc0.30.40.60.90.150.3Fe/Fc0.850.950.450.700.91.0Ffn/Fc0.500.550.500.550.50.55圆柱铳削ae=0.05d/mmfz=(0.10.2)/(mm.z-1)Ff/Fc1.01.20.80.9Ffn/Fc0.20.30.750.8Fe/Fc0.350.40.3250.4a)b)a)a)蚓柱形倍力铳削力蚓柱形倍力铳削力b)面铳刀械削力面铳刀械削力图2-2铳

4、削力分析4) )逆赣b)图2-3顺铳与逆铳由表2-2,图2-2和图2-3,考虑逆铳情况，可估算出三个方向的铳削力分别为:Ff=1.1Fc：2082NFe=0.38Fc：719NecFfn=0.25Fc：473N图2-3a为卧铳情况，现考虑立铳，则工作台受到垂直方向的铳削力Fz=Fe=719N,受到水平方向的铳削力分别为Ff和Ffno今将水平方向较大的铳削力分配给工作台的纵向(丝杠轴线方向)，则纵向铳削力Fx=Ff=2082N,径向铳削力Fy=Ffn=473N。3、直线滚动导轨副的计算与选型(1)滑块承受工作载荷Fmax的计算及导轨型号的选取工作载荷是影响直线滚动导轨副使用寿命的重要因素。X-Y

5、工作台采用水平布置，利用双导轨、四滑块的支承形式。考虑最不利的情况，即垂直于台面的工作载荷全部由一个滑块承担，则单滑块所受的最大垂直方向载荷为：GFmaxF(2-2)4其中，移动部件重量G=900N,外加载荷F=FZ=719N,代入式2-2得最大工作载荷G900Fmax=F=719=1169N=1.169kN44查表3-4148,根据工作载荷Fmax=1.169kN,初选直线滚动导轨副的型号为ZL系列的JSA-LG45型，其额定动载荷Ca=7.94kN,额定静载荷C0a=9.5kN。任务书规定工作台面尺寸为400mmx500mm,加工范围为200mmx200mm,考虑工作行程应留有一定余量，查

6、表3-35345,按标准系列，选取导轨长度为750mm.(2)距离额定寿命L的计算上述选取的ZL系列JSA-LG45型导轨副的滚道硬度为60HRC,工作温度不超过100C,每Fz=719NFx=2082NFy=473N导轨副的型号:ZL系列的JSA-LG45型导轨长度为750mm导轨型号导轨长度系JSA-LG15280340400460520580640700760820940JSA-LG20340400520580640760820940100011201240JSA-LG2546064080010001240136014801600184019603000JSA-LG35520600840

7、10001080124014801720220024403000JSA-LG4555065750850950125014501850205025503000JSA-LG5566078090010201260138015001980222027003000JSA-LG65820970112012701420157017202020232027703000表3-35JSA型导轨长度系列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。查表表2-4硬度系数滚道硬度(HRC)50555864fH0.530.81.0表2-5温度系数每根导轨上滑块数12345fC1.000.810.720.660

8、.61表2-7精度系数精度等级2345fR1.1.00.90.9表2-8载荷系数工况无外部冲击或震动的低速场合，速度小于15m/min无明显冲击或振动的中速场合，速度为1560m/min有外部冲击或振动的高速场合，速度大于60m/minfW11.51.5223.5分别取硬度系数储=1.0、温度系数忏=1.00、接触系数fc=0.81、精度系数fR=0.9、载荷系数fw=1.5,代入式2-346,得所选丝杠的距离寿命为180km。3fHfTfcfRCaL=HTCRaM50（2-3）、_fWFmax31.0父1.00M0.81父0.9父42.5、“c”内I父50亡2.76父10km1.51.169

9、结论：所选导轨的距离寿命远大于期望值50km,故距离额定寿命满足要求。4、滚珠丝杠螺母副的计算与选型（1）最大工作载荷Fm的计算在立铳时，工作台受到进给方向白载荷（与丝杠轴线平行）Fx=2082N,受到横向的载荷（与丝杠轴线垂直）Fy=473N,受到垂直方向的载荷（与工作台面垂直）Fz=719N。已知移动部件总重量G=900N,按矩形导轨进行计算，查表2-938,表2-9最大工作载荷Fm实验计算公式及参考系数导轨类型实验公式K距离寿命为180km远大于期望值50km,故距离额定寿命满足要求工作温度/C90%,合格。(5)刚度的验算1) X-Y工作台上下两层滚珠丝杠副的支承均采用“单推-单推”的

10、方式。丝杠的两端各米用一对推力角接触球轴承，面对面组配，左、右支承的中心距离约为a=550mm;钢的弹性模量E=2.1x105MPa；查附件3,得滚珠直径DW=3.175mm,丝杠底径d2=21.2mm,丝杠截面积S=&l；/4=352.8mm2o丝杠的拉伸或压缩变形量S1在总变形量中的比重较大，可按下式计算：L_R2工.FmaMa341&i一m(2-5)ES2唯式中：Fm一一丝杠的最大工作载荷，单位为Na一一丝杠两端支承间的距离，单位为mmE丝杠材料的弹性模量，钢的E=2.1x105MPaS丝杠按底径d2确定的截卸积，单位为mm2M转矩，单位为N-mmI丝杠按底径d2确TE的

11、截面积惯性矩(I一nd2/64),单位为mm滚珠与螺纹滚道间的接粗变形量82、2无预紧时52-0.00383!m(2-6)(D10ZZ；)有预紧时闻=0.0013Fm(2-7)341103/DwFYJZy/10式中DW滚珠直径，mmZE滚珠总数量，Z!2=Zx圈数x列数Z单圈滚珠数，Z=nd0/Dw(外循环)，Z=(nd0/Dw)-3(内循环)FYJ预紧力，单位N忽略式2-5中的第二项，算得丝杠在工作载荷Fm作用下产生的拉/压变形量=0.0124mm日Fma2301M550八即孰=m=5定0.0171mmES2.1父10m352.82)根据公式Z=(nd0/DW)-3,求得单圈滚珠数Z=22;

12、该型号丝杠为单螺母，滚珠的圈数X列数为4X2,代入公式：Z产ZX圈数X列数，得滚珠总数量Zx=176。丝杠预紧时，取轴向预紧力FYj=Fm/3=767N。则由式2-7,滚珠与螺纹滚道间的接触变形量82一Fm23016=0.0013m=0.0013,电0.0015mm10:DWFYJZ|/1010牛3.175父767M1762/10因为丝杠加有预紧力，且为轴向负载的1/3,所以实际变形量可减小一半，S2=0.0005mm。3)将以上算出的81和82代入6总=自+62=0.0171+0.0005=0.0176mm=17.6Nm。丝杠的有效行程为400mm,由表3-2735知，5级精度滚珠丝杠有效行

13、程在315400mm时，行程偏差允许达到25m,可见丝杠刚度足够。丝杠刚度足够(6)压杆稳定性校核滚珠丝杠是属于受轴向力的细长杆，如果轴向负载过大，则可能产生失稳现象。失稳时的临界载荷Fk应满足：匚匚fk7T2日日13142Fk2Fm( (2-2-8)Ka式中Fk一一临界载荷，单位Nfk一一丝杠支承系数，如表所示K一一压杆稳定安全系数，一般取2.54,垂直安装时取小值；5、步进电动机减速箱的选用为了满足脉冲当量的设计要求，增大步进电动机的输出转矩，同时也为了使滚珠丝杠和工作台的转动惯量折算到电动机轴上尽可能小，决定在步进电动机的输出轴上安装一套齿轮减速箱。采用一级减速，步进电动机的输出轴与小齿

14、轮联接，滚珠丝杠的轴头与大齿轮联接。其中大齿轮设计成双片结构，采用右图所示的弹簧错齿法消除侧隙。(1)计算减速器传动比已知工作台的脉冲当量S=0.01mm/P,滚珠丝杠的导程Ph=5mm,初选步进电动机的步距角a=0.9,算得减速比：;Ph0.7555i=360:3600.014A滚珠丝杠两端支承间的距离，单位为mm。方式双推-自由双推-简支双推-双推0-0fk0.25241丝杠不会失稳_4_一_4I=叼/64为9910.44mm；压杆稳定系数K取3(丝杠卧式水平安装)；滚动螺母至轴向固定处的距离a取最大值550mm。代入式2-8,得临界载荷Fk=22611N,远大于工作载荷Fm=2301N,

15、故丝杠不会失稳。综上所述，初选的滚珠丝杠副满足使用要求。综上所述，初选的滚珠丝杠副满足使用要求表2-11丝杠支承系数42查表2-11,取1=1；由丝杠底径d2=16,2mm,求得截面惯性矩:一步进电机步距角广）p p丝杠导程（mmmm）6 6P P工作台运动的脉冲当量-pP05-33传动级救选择曲线机电一体化设计基础按图5-33,选一级齿轮传动（2）齿轮机构设计传递功率=工作台进给抗力区工作台移动速度/传动链效率机械传动效率概略值（供参考）V 带传动联轴器传动圆柱齿轮传动一对滚动轴承丝杠螺母副符号刀v刀c刀gbb刀s效率0.940.970.970.9950.960.990.98-0.9950.

16、90-0.95初选效率为0.98。传递功率：77.14W传递功率=1200乂/0.98=7.14w1200可见，系统传递的功率很小，在要求不高时，以后各步的计算可省略。并采用经验法来设计各元部件。但为练习计算过程，本次设计采用分析计算来设计。（3）齿轮传动机构的基本参数传递功率(w)小齿轮转速ni(r/min)传动比r 运转时间(h)工作寿命(年)传动效率转向工况3.5787.55/4850.975/、变平稳其中小齿轮转速:n工作台10叫;图5=87.5r/minp54(4)选择材料及确定许用应力小齿轮材料选择45钢(表面淬火)，硬度为45HRC大齿轮材料为45钢(调质)硬度为220HBS小齿

17、轮的接触疲劳强度极限0Hlim1=1130MPa(淬火处理)大齿轮的接触疲劳强度极限0Hlim2=550MPa安全系数SH和SF安全系数软齿卸硬齿卸重要的传动、渗碳淬火齿轮或铸造齿轮SH1.01.11.11.21.3SF1.31.41.41.61.62.2取安全系数SH=1L1仃Hlim11130H1=Hlim1=1027.27MPaSH1.11Hlim2550仁 ccracSH2-500MPaSH1.1小齿轮转速：n=87.5r/min小齿轮的弯曲疲劳强度极限crFlim1=240MPa大齿轮的弯曲疲劳强度极限c-Flim2=190MPaFlim2a取SF=1.3,1；、lim1240tF1

18、I-Flim1184.62MPaSF1.3Flim2190F2146.15MPaSF1.3(5)按齿面接触强度设计设齿轮按7级精度制造。取载荷系数1.1,齿宽系数Wa=0.3,P7.14103T=955095500.164Nmn4165取ZI=32；大凶轮凶数：z2=iz1=一父32=4042a213.5模数m=0.375；按实际取m=0.9z1z24032确定中心距a=m(z1+z2)=-019(40+32)=32.422齿宽：b=aa=0.332.4=9.72mm取b2=10mm;b1=10mm(6)验算轮齿弯曲强度33335:1.10.164110005000.35=13.5mm中心距：

19、a=32.4齿形系数YFI=2.4；YF2=1.672KT1YF12x1.3x0.164x1000 x2.4riaF1=2-=2=56.85MPabF1】=184.62bm45x0.3父40Y2.4cF2=仃尸1=56.85父=81.7MPabF2】=146.15YF11.67校验结果：安全。校验结果：安全(7)齿轮的圆周速度叼1nl3.14X0.3X40X87.5v0.055m/s10m/s60 x100060M1000选用7级精度是安全的。6、步进电动机的计算与选型(1)计算加在步进电动机转轴上的总转动惯量JeqJq已知：滚珠丝杠的公称直径d0=25mm;总长l=580mm导程Ph=20m

20、m;材料密度p=7.85X103kg/cm3移动部件总重力G=900N;小齿轮宽度b1=10mm,直径d1二28.8mm;大齿轮优度b2=10mm,直径d2=36mm;传动比i=5/41)滚珠丝杠转动惯量：nPd4lnm7.85父103M0.0254父0.5822Js=17.5乂10kg*m=1.75kgcm3232小齿轮转动惯量：滚珠丝杠转动惯量“一，2=1.75kg.cm小齿轮转动惯nPd4ljix7.85x103X0.02884x0.01/22Jzi=0.53x10kg*m2=0.053kgcm23232大齿轮转动惯量：nPd4l冗父7.85父103M0.0364父0.01,22Jz2=

21、1.29x10kgm=0.129kg,cm3232托板折算到丝杠上的转动惯量：.2,_、2-、2,(PhrPh；G仅.5、v900/2JWmmi0.582kg/cm2nJ0.9由于滚珠丝杠副的传动效率很高，所以T0值一般很小，与Tamax和Tf比起来，通常可以滚珠丝杠预紧nm电动机转速=500r/min8脉冲当量，任务书指定为0.01mm/P由式2-10得Tamax一一一一._42二17.110500N.m：0.249Nm600.40.9快速空载启动时折算到电动机转轴上的 最 大 加 速 转 矩=0.249NmTfF摩Ph(FzG)Ph0.00509000.005：0.003Nm2二0.91.

22、25(2-11)式中F摩一一导轨的摩擦力,Ph一一滚珠丝杠导程,-齿轮总效率,Y=0.9移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩=0.003Nmi总的传动比,i=nm/ns,其中nm为电动机转速，飞为丝杠的转速。科一一导轨摩擦因数（滑动导轨取0.150.18），滚动导轨取0.0030.005）;这里取0.005Fz垂直方向的工作载荷，空载时Fz=0(2-12)式中:TO=FYJR(2-13)Fm的1/3,单位为N;忽略不计。由式2-9得快速空载启动时电动机转轴所承受的负载转矩：Teql=Tamax+Tf+T。电Tamax+Tf=0.249+0.003=0.252Nm后折算到电动机转轴上的附加

23、摩擦转矩二0（即忽略）快速空载启动时电动机转轴所承受的负载转矩=0.252Nm2）最大工作负栽状态卜.电动机转轴所承受的负栽转矩Teq2Teq2=1+Tf十丁。（2-14）式中：Tf和T0分别按式2-11和2-13计算。Tt一一折算到电动机转轴上的最大工作负载转矩FfPh2082M0.005Tt=忠1.326Nm（2-15）2冗川2nx0.9x1.25式中Ff一一进给方向最大工作载荷，单位No本设计对滚珠丝杠进行计算的时候，已知沿着丝杠轴线方向的最大进给载何Fx=2802N。由式2-11得：垂直方向承受最大工作负载（Fz=719N）情况下，移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩：丁F摩Ph

24、N（Fz+G）Ph0.005父（719+9000.005（一八Tf=化1.146Nm2n七2冗叫2冗父0.9黑1.25则由式2-14得:Teq2=Tt+Tf+T0-Tt+Tf=2.472Nm综上计算，得到加在步进电动机转轴上的最大等效负载转矩应为：Teq=max&eq1,Teq2=2.472Nm折算到电动机转轴上的最大工作负载转矩=1.326Nm移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩=1.146Nm最大工作负载状态下电动机转轴所承受 的 负 载 转 矩Teq2=2.472Nm综上计算， 得到加在步进电动机转轴上的最大等效负载转矩应为：2.472Nm（3）步进电机最大静转矩的选定考虑

25、到步进电动机的驱动电源受电网电压影响较大，当输入电压降低时，其输出转矩会下降，可能造成丢步，甚至堵转。因此，根据Teq选择步进电动机的最大静转矩时，需要考虑安全系数。这里取安全系数K=4,则步进电动机的最大静转矩应满足：Tjmax_4Teq=42.472=9.888Nm上述初选的步进电动机型号为110BYG2502,由附件4表4-5查得该型号电动机的最大静转矩Tjmax=20Nm。可见，满足要求。（4）步进电机性能校核1）最快工作速度时电动机输出转矩校核任务书给定工作台最快加工进给速度vmaxf=350mm/min，脉冲当量6=0.01mm/p,则电动机对应的运行频率为:图2-2110BYG2

26、502步进电机运行距频特性曲从图2-2查得，在此频率下，电动机的输出转矩Tmaxf=18.6Nm,大于最大工作负载转矩Teq2=2.472Nm,满足要求。2）最快空载移动时电动机输出转矩校核任务书给定工作台最快空载移动速度Vmax=2000mm/min,则电动机对应的运行频率为:3）最快空载移动时电动机运行频率校核步进电机最大静转矩满足要求。vmaxf60、600.01350；583Hz最快工作速度时电动机输出转矩满足要求。fmaxvmax60、2000600.01=3333Hz从图2-2查得，在此频率下，电动机的输出转矩Tmax=6Nm,大于快速空载启动时的负载转矩Teq1=0.252Nm,满足要求。最快空载移动时电动机输出转矩校核满足要求与最快空载移动速度vmax=2000mm/min对应的电动机运行频率可达10000Hz。查附件4表4-5可知110BYG2502电动机的空载运行频率可达20000Hz,可见没有超出上限。最快空载移动时电动机运行频率校核满足要求4）启动频率计算已知电动机转轴上的总转动惯量Jeq=17.1kg.cm2,电动机转子的转动惯量.一2-Jm=15kg.cm,电动机转轴不带任何负载时的空载启动频率fq=1800Hz（查附件4表4-5）。则可以求出步进电动机克服惯性负载的启动