题目16二坐标数控工作台课程设计说明书刘小辉文档格式.docx

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.X轴步进电机参数确定及选择……………………（5）

四.X轴机械结构总体设计计算……………………………（6）

.X轴联轴器选择…………………………………（7）

2.X轴滚动导轨设计计算……………………………（7）

五.Y轴机械结构总体设计计算…………………………（9）

.Y轴滚珠丝杠设计计算…………………………（9）

2.Y轴步进电机参数确定及选择…………………（11）

六.Y轴方案及参数计算…………………………………（11）

2.Y轴联轴器选择………………………………（13）

2.Y轴滚动导轨设计计算…………………………（14）

七.绘制装配图…………………………………………（15）

八.设计总结与分析…………………………………………（15）

九.致谢………………………………………………………（15）

1.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：

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.机电专业课程设计的任务和要求

在规定时间，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；

（3）设计说明书（10～20）页1本；

一X轴方案及参数计算

1.X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

查产品表得,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,从而提高传动精度机械设计手册查得,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

（3）滚珠丝杠长度确定

丝杠有效行程查表得le=20mm，lv=行程+丝杠螺母长度

Lv=170+42=212mm，lu=lv+le=212+20=232mm，为留有一定的安装余量，取lu=350mm

（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]查表得,采用一端固定一端游动（F-S）支承形式.支承中心矩约为280mm。

（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=100N，横向载荷Fy=90N，垂直方向载荷Fz=20×

9.8N=196N。

按矩形导轨导轨进行计算，查表得，取颠覆力矩影响系数K=1，滚动导轨上的摩擦系数μ=0.06.求得滚珠丝杠副的最大工作载荷：

Fm=KFx+μ（Fy+Fz）=1×

100+0.06×

（90+196）N=58.58N

n=1.2/0.005=240r/min

取滚珠丝杠寿命T=15000h，代入L0=60nT/106得，L0=288（106r）

查表得，取载荷系数fw=0.9，滚道硬度为60HRC时，取硬度系数fH=1.0，则FQ=L0（1/3）fwfHFm=744N

由导程δ=5mm，FQ=503N，查表得，选FFZD2005-3滚珠丝杠，为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1级，额定动载荷为Ca=9100N。

滚珠丝杠刚度校核

滚珠丝杠在工作负载F（N）和转矩共同作用下引起每个导程的变形量为

其中A为丝杠截面积，JC为丝杠的极惯性矩，G为丝杠的切变模量，对于钢为83.3Gpa，T为转矩，T=T1=95.5×

105Py/ny=79.456N.mm。

则丝杠在工作长度上的弹性变形所引起的导程误差为

通常要求丝杠的导程误差L应小于其传动精度的1/2，即0.006mm

<

[

]

（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.

=2151.9N

式中

——滚珠丝杆副的计算轴向动载荷（N）

——丝杠轴向当量负荷（N），取进给抗力和摩擦力之和的一半

=58.58N

——丝杠当量转速

——丝杠工作寿命取15000h

——温度系数，查表取0.70

——精度系数，查表取0.90

——负载性质系数，查表取0.95

——硬度系数，查表取1.0

——可靠性系数，查表取0.21

计算的

=2151.9N<

=8600N

所以符合要求。

同时验算丝杠另一个临界值d0n=20×

240=4800<

70000

滚珠丝杠未预紧时的传动效率η0计算

tsp=5mm，d0=16.9mm代入丝杠螺旋升角λ=arctan[tsp/（лd0）]，得λ=4°

33′，将摩擦角φ=10′代入η0=tanλ/tan（λ+φ）,得η0=0.964.

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=0.037m.d2--丝杠螺纹底径,取0.0169m

ncr=18865r/min>

nmax.

（7）滚动导轨副的防护

滚珠丝杠副的防护装置,采用专业生产的伸缩式螺旋弹簧钢套管.

滚珠丝杠副的密封滚珠丝杠副两端的密封圈如装配图所示.材料为四氟乙烯,这种接触式密封须防止松动而产生附加阻力.

滚珠丝杠副的润滑润滑剂用锂基润滑剂.

2.X轴步进电机参数确定及选择

X参数选定与计算

vx=1.2m/min=0.02m/s，FX=100N，PX=FXvX=2W

1）脉冲当量选择

初选五相电机，按五相五拍工作时，步矩角α=0.72°

初定脉冲当量δ=0.005mm/p,丝杠导程tsP=5mm,中间齿轮传动比i为:

i=（αtsP）／（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ρ=7.8×

103kg/cm3

d0=20mm,l=350mm

滚珠丝杠转动惯量Js=（πd04lρ）／32={[π（2.0）4×

3.5×

7.8×

103]／32}×

10-4kg.m2=1.04×

10-5kg.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20kg

Jw=（w/g）×

（tsP／2π）2÷

i2=20×

（0.005／2π）2÷

（1）2×

10-4kg.m2=12.7×

10-6kg.m2

因此,折算到电机轴上的等效转动惯量Je

Je=Jw+Js=12.7×

10-6+1.04×

10-5=2.31×

10-5kg.m2

3）等效负载转矩计算（以下为折算到电机轴的转矩）

Mt=[（Fx+μFy）tsP]/（2πηi）=0.099N.m

Mf=（FftsP）/（2πηi）=

N.m

上述式中η—丝杠预紧时的传动效率取η=0.8

nmax=（vmax/δ）×

（α/360°

）=（1200/0.005）×

（0.36/360）=240r/min

取起动加速时间tα=0.03s

初选电动机型号90BF006,其最大静转矩Mjmax=2.25N.m,转动惯量Jm=1.764×

10-4kg．m2,fm=2400Hz.

故

M0=（Fp0tsp）÷

（2πηi）×

（1-η02）=（1/3FXtsp）÷

（1-η02）=0.033N.m

式中Fp0—滚珠丝杠预加负荷,一般取Fy/3

Fy—进给牵引力（N）

η0—滚珠丝杠未预紧时的传动效率,取0.9

J=（Je+Jm）=2.49×

10-4kg.m2

Mα=（Je+Jm）（2πnmax）/（60tα）=0.02N.m

Mq=Mαmax+Mf+M0==0.053N.m

Mk=Mf+M0=0.033N.m

从计算可知,Mq最大,作为初选电动机的依据.

Mq/Mjmax=0./2.25=0.11<

0.9满足所需转矩要求.

4）步进电机动态特性校验

Je/Jm=2.31×

10-5kg.m2/2.257×

10-4=0.10<

4说明惯量可以匹配

电机惯量最大起动频率fL=fm/（1+Je/Jm）1/2=2066Hz

步进电机工作时空载起动频率和切削时最大工作频率

fq=vmax/（60δ）=1200/（60×

0.005）=4000>

fL

fc=v1max/（60δ）=250/（60×

0.005）=833<

所以,与fc对应的Mc按电机最大静转矩校核,显然满足要求.

综上所述,可选该型号步进电机,具有一定的裕量.

3.X轴联轴器选择

联轴器除联接两轴并传递转矩外，有些还有补偿两轴因制造和安装误差而造成的轴线偏移的功能，以及具有缓冲、吸振、安全保护等功能。

因此要根据传动装置工作要求来选定联轴器类型。

主要有两种常用联轴器，刚性套筒式联轴器和挠性联轴器。

T1=95.5×

105Py/ny=79.58N.mm

查表得工作情况系数KA＝1.5，转矩Tca=KAT1=1.5*79.58=119.37N.mm,电动机输出轴直径d=9mm,滚珠丝杠直径为20mm，该处选用有弹性元件的挠性联轴器LT1，这类联轴器因装有弹性元件，不仅可以补偿两轴间的相对位移，而且具有缓冲减振能力。

LT1型联轴器公称转矩T0=6.3N.m>

T1，许用转速n=8800r/min>

320r/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）。

4.X轴滚动导轨设计计算

导轨的功用是使运动部件沿一定的轨迹运动,并承受运动部件上的载荷,即起导向和承载作用,导轨副中,运动的一方称作运动导轨,与机械的运动部件联结,不动的一方称作支承导轨,与机械的支承部件联结.支承部件用以支承和约束运动导轨,使之按功能要求作正确的运动.

1）导轨承受重量计算

上面计算得知，下导轨所承受的重量约为20kg

2）滚动导轨副的计算验证

①滑块承受载荷Fmax的计算，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Fmax=（25/4）×

9.8N=61.25N。

查表得，HGH15CA型号的直线滚动导轨副额定动载荷Ca=480N>

Fmax,额定静载荷Ca=540N>

Fmax，满足条件。

②距离额定寿命L的计算

HGH15CA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。

，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，得距离寿命：

L=[fHfTfcfRCa/（fwFmax）]3×

50=2762km，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.

轴承选择选深沟球轴承6201，单推力轴承51101.

三Y轴方案及参数计算

1.Y轴滚珠丝杠设计计算

查表得,选择外循环插管式

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,从而提高传动精查表得,采用双螺母垫片预紧方式.

查表得，采用丝杠直径16mm,导程为5mm

Lv=100+42=142mm，lu=lv+le=142+20=162mm，为留有一定的安装余量，取lu=250mm

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]查表的采用一端固定一端游动（F-S）支承形式.支承中心矩约为400mm。

按矩形导轨导轨进行计算，查表得，取颠覆力矩影响系数K=1，滚动导轨上的摩擦系数μ=0.005.求得滚珠丝杠副的最大工作载荷：

Fm=KFy+μ（Fx+Fz）=1×

（100+196）N=53.88N

n=1.6/0.005=320r/min

取滚珠丝杠寿命T=15000h，代入L0=60nT/106得，L0=450（106r）

查表得，取载荷系数fw=0.9，滚道硬度为60HRC时，取硬度系数fH=1.0，则FQ=L0（1/3）fwfHFm=1250N

通常要求丝杠的导程误差L应小于其传动精度的1/2，即0.005mm

故满足要求

（6）滚珠丝杠副校核

=2177N

=53.88N

=2177N<

Lc--临时转速计算长度.Lc=0.036m.d2--丝杠螺纹底径,取0.0169m

ncr=41323r/min>

320=6400<

tsp=5mm，d0=20mm代入丝杠螺旋升角λ=arctan[tsp/（лd0）]，得λ=4°

2.Y轴步进电机参数确定及选择

Y参数选定与计算

vy=1.6m/min=0.027m/s，Fy=90N，Py=Fyvy=2.4W

初选五相电机，按五相五拍工作时，步矩角α=0.36°

3.1×

10-4kg.m2=3.1×

i2=1.27×

10-5kg.m2

Je=Jw+Js=4.37×

Mt=[（Fy+μFx）tsP]/（2πηi）=0.089N.m

Mf=（FftsP）/（2πηi）=1.19×

10-3N.m

）=（1600/0.005）×

（0.36/360）=320r/min

（1-η02）=（1/3Fytsp）÷

（1-η02）=0.03N.m

η0—滚珠丝杠未预紧时的传动效率,取0.964

J=（Je+Jm）=2.57×

Mα=（Je+Jm）（2πnmax）/（60tα）=0.3N.m

Mq=Mαmax+Mf+M0==0.33N.m

Mk=Mf+M0=0.03N.m

Mq/Mjmax=0.33/2.25=0.15<

Je/Jm=0.19<

电机惯量最大起动频率fL=fm/（1+Je/Jm）1/2=2200Hz

fq=vmax/（60δ）=1600/（60×

0.005）=5333>

3.Y轴联轴器选择

105Py/ny=71.62N.mm

查表得工作情况系数KA＝1.5，转矩Tca=KAT1=1.5*71.62=107.4N.mm,电动机输出轴直径d=9mm,滚珠丝杠直径为20mm，该处选用有弹性元件的挠性联轴器LT1，这类联轴器因装有弹性元件，不仅可以补偿两轴间的相对位移，而且具有缓冲减振能力。

400r/min。

4.Y轴滚动导轨设计计算

查表得，HGH15CA型号的直线滚动导轨副额定动载荷Ca=7.94kN>

Fmax,额定静载荷Ca=9.5kN>

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[得，得距离寿命：

七绘制装配图

1.标注装配图尺寸、配合与精度等级。

包括特性尺寸、最大体形尺寸、安装尺寸和主要零件的配合尺寸。

2.写出工作台的技术特征。

3.编写技术要求。

4.对所有零件进行编号。

5.列出零件明细表及标题栏。

6检查装配图。

八设计总结与分析

本次课程设计使我对设计方面有了更深一步的认识，在设计时一定要先对所设计产品的总体有一个大致的认识。

在设计