机电课程设计概要.docx
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机电课程设计概要
重庆理工大学
课程设计
X-Y数控工作台的机电系统设计
学院:
机械工程学院
专业:
机械设计制造及其自动化
班级:
机电2班
教师:
张明德
学号:
11004020517
学生:
刘政权
目录
第一章引言:
.....................................................3
第二章设计任务........................................................................................................4
第三章机械传动部件的计算与选型...............................5
3.1导轨上移动部件的重量估算....................................5
3.2铣削力的计算................................................5
3.3直线滚动导轨副的计算与选型(纵向)..........................6
3.3.1块承受工作载荷
的计算及导轨型号的选取...............6
3.3.2距离额定寿命L的计算...................................6
3.4滚珠丝杠螺母副的计算与选型.................................7
3.4.1最大工作载荷Fm的计算..................................7
3.4.2最大动工作载荷FQ的计算................................7
3.4.3初选型号...............................................7
3.4.4传动效率η的计算.......................................8
3.4.5刚度的验算.............................................8
3.4.6压杆稳定性校核.........................................9
3.5步进电机减速箱的选用.......................................9
3.6步进电机的计算与选型......................................10
3.7步进电机驱动器与驱动电源的选择............................12
第四章参考文献..................................................12
第五章个人体会..................................................13
第1章前言
机电一体化技术又称为机械电子技术,它不是一门独立的工程学科,是机械技术,电子技术,信息技术自动控制技术等相关技术的综合。
机电一体化课程设计是针对机电一体化系类课程的要求,继机电一体化课程后的一门设计时间性课程。
它是理论与实践的结合,是培养学生机电一体化产品综合设计能力必不可少的教学环节》
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。
图1X-Y数控工作台外形
第2章设计任务
题目:
X-Y数控工作台机电系统设计
任务:
设计一种供立式数控铣床使用的X-Y数控工作台
主要设计参数:
1,立铣刀最大直径d=10mm
2,立铣刀齿数Z=3
3,最大铣削宽度ac=10mm
4,最大铣削深度ap=6mm
5,加工材料为碳素钢
6,X,Y方向的脉冲当量都为0.001mm/脉冲
7,X,Y方向的定位精度都为±0.01mm
8,工作台面尺寸为200mm×200mm,加工范围为230mm×230mm
9,X,Y方向工作台空载最快移动速度都为2500mm/min
10,X,Y方向工作台进给速度都为300mm/min
设计内容:
1,机械传动部件的计算、选型与设计:
a,导轨上移动部件的重量估算
b,铣削力的计算
c,直线滚动导轨副的计算与选型
d,滚珠丝杆螺母副的计算与选型
e,步进电动机减速箱的选用
f,步进电动机的计算与选型
g,步进驱动器与驱动电源选择
2绘制工作台X或Y方向进给传动机构装配图一张
3工作台的进给控制系统设计(西门子802D数控系统)
4进给控制系统硬件配置图一张
5设计说明书一份
第3章机械传动部件的计算和选型
3.1导轨上移动部件的重量估算
按照下导轨上面移动部件的重量来进行估算。
包括工件、夹具、工作台、上层电动机、减速箱、滚珠丝杠副、导轨座等,估计重量约为900N。
3.2铣削力的计算
设零件的加工方式为立式铣削,采用硬质合金立铣刀,工件的材料为碳钢。
则由表查得立铣时的铣削力计算公式为:
今选择铣刀的直径为d=10mm,齿数Z=3,为了计算最大铣削力,在不对称铣削情况下,取最大铣削宽度为ae=10mm,背吃刀量
=6mm,每齿进给量
,铣刀转速
。
则由式求的最大铣削力:
Fc=118×100.85×0.10.75×10-0.73×61.0×3000.13×3N≈1045N
采用立铣刀进行圆柱铣削时,各铣削力之间的比值可由表查得,考虑逆铣时的情况,可估算三个方向的铣削力分别为:
Ff=1.1Fc≈1150N,Fe=0.38Fc≈397N,Ffn=0.25Fc≈261N,图3-4a为卧铣情况,现考虑立铣,则工作台受到垂直方向的铣削力Fz=Fe=397N,受到水平方向的铣削力分别为
和
。
今将水平方向较大的铣削力分配给工作台的纵向,则纵向铣削力Fx=Ff=1150N,径向铣削力为Fy=Ffn=261N。
。
a)圆柱形铣刀铣削力b)面铣刀铣削力
图3-4铣削力的分析
3.3直线滚动导轨副的计算与选型(纵向)
3.3.1块承受工作载荷
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。
本例中的X-Y工作台为水平布置,采用双导轨、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:
其中,移动部件重量G=900N,外加载荷
,代入式
得最大工作载荷
=622N=0.622kN。
查表根据工作载荷
=0.622kN,初选直线滚动导轨副的型号为KL系列的JSA-LG15型,其额定动载荷
,额定静载荷
。
任务书规定加工范围为230×230㎜,台面尺寸范围为200×200mm,考虑工作行程应留有一定余量,查表按标准系列,选取导轨的长度为520mm。
3.3.2距离额定寿命L的计算
上述所取的KL系列JSA-LG15系列导轨副的滚道硬度为60HRC,工作温度不超过
C,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f
=1.0,温度系数f
=1.00,接触系数f
=0.81,精度系数f
=0.9,载荷系数f
=1.5,代入式
,得距离寿命:
L=
远大于期望值50Km,故距离额定寿命满足要求。
3.4滚珠丝杠螺母副的计算与选型
3.4.1最大工作载荷Fm的计算
如前所述,在立铣时,工作台受到进给方向的载荷(与丝杠轴线平行)Fx=1150N,受到横向载荷(与丝杠轴线垂直)Fy=261N,受到垂直方向的载荷(与工作台面垂直)Fz=397N.
已知移动部件总重量G=900N,按矩形导轨进行计算,取颠覆力矩影响系数K=1.1,滚动导轨上的摩擦系数
=0.005。
求得滚珠丝杠副的最大工作载荷:
Fm=KFx+
(Fz+Fy+G)=[1.1
1150+0.005
(397+261+800)]N
1273N
3.4.2最大动工作载荷FQ的计算
设工作台在承受最大铣削力时的最快进给速度v=300mm/min,初选丝杠导程Ph=5mm,则此时丝杠转速n=v/Ph=60r/min。
取滚珠丝杠的使用寿命T=15000h,代入
=60nT/106,得丝杠寿命系数
=54(单位为:
106r)。
查表,取载荷系数fw=1.2,滚道硬度为60HRC时,取硬度系数fH=1.0,代入式
,求得最大动载荷:
FQ=
3.4.3初选型号
根据计算出的最大动载荷和初选的丝杠导程,选择江苏省昆山春本自动化设备有限公司生产的FFZD系列2005-3型滚珠丝杠副,为内循环固定反向器单螺母式,其公称直径为20mm,导程为5mm,循环滚珠为3圈х1系列,精度等级取5级,额定动载荷为9100N,大于FQ,满足要求。
3.4.4传动效率η的计算
将公称直径d0=20mm,导程Ph=5mm,代入λ=arctan[Ph/(
d0)],得丝杠螺旋升角λ=4°33′。
将摩擦角ψ=10′,代入η=tanλ/tan(λ+ψ),得传动效率η=96.4%。
3.4.5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”的方式。
丝杠的两端各采用一对71902C型角接触球轴承,面对面组配,左、右支承的中心距约为a=500mm;钢的弹性模量E=2.1х105Mpa;查表得滚珠直径Dw=3.5mm,丝杠底径d2=16.9mm,丝杠截面积S=
/4=224.2m
。
根据公式
,忽略式中第二项,算得丝杠在工作载荷Fm作用下产生的拉/压变形量
。
(2)根据公式
,求得单圈滚珠数Z=20;该型号丝杠为单螺母,滚珠的圈数
列数为3
1,代入公式
Z
圈数
列数,得滚珠总数量
=60。
丝杠预紧时,取轴向预紧力
/3=424N。
则求得滚珠与螺纹滚道间的接触变形量:
mm。
因为丝杠有预紧力,且为轴向负载的1/3,所以实际变形量可以减少一半,取
=0.0014mm。
(3)将以上算出的
和
代入
,求得丝杠总变形量(对应跨度500mm)
=0.0149mm=14.9
本例中,丝杠的有效行程为340mm,由表知,5级精度滚珠丝杠有效行程在315~400mm时,行程偏差允许达到25
,可见丝杠刚度足够。
3.4.6压杆稳定性校核
计算失稳时的临界载荷FK,查表取支承系数
=1;由丝杠底径d2=16.9mm求得截面惯性矩
4002
;压杆稳定安全系数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500mm。
代入式
中:
=1273N,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。
3.5步进电动机减速箱的选用
已知脉冲当量为0.001mm/脉冲,滚珠丝杆的导程为5mm,初选步进电机的步距角为
。
根据
所以采用一级齿轮减速箱,选择小齿轮齿数
,大齿轮齿数
,模数都为1。
材料为45调质钢,齿面淬硬后达55HRC,大齿轮的宽度为模数的6-10倍,取宽度为10mm,小齿轮取14mm。
中心距为
。
3.6步进电机的计算和选型
1等效负载转矩的计算
空载时的摩擦转矩
车削加工时的负载转矩
其中
为丝杆预紧时的效率。
2等效转动惯量的计算
滚动丝杆的转动惯量
导轨上移动部件的运动惯量换算到电动机轴上的转动惯量
大齿轮的转动惯量
④小齿轮的转动惯量
因此换算到电动机轴上的总惯性负载
为
所以初选步进电机为90BYG5501型,5相混合式。
3.由下图步进电机的运行矩-频特性曲线产的,当
时,电动机转矩
,故可按此频率计算最大的快进速度
。
所以可选该型号的步进电机。
3.7步进电机驱动器与驱动电源的选择
由于所选步进电机为五相步进电机,根据步进电机的相数选择步进电机的驱动器,查询可知型号为StepdriveC/C+的步进驱动器符合所选步进电机,所以步进驱动器的型号为StepdriveC/C+,驱动电源为24V。
第4章参考文献
【1】、王金娥罗生梅《机电一体化课程设计指导书》北京大学出版社
【2】、李洪《机械设计手册软件版》化学工业出版社
第5章个人体会
这次的课程设计对于我来说有着深刻的意义。
这种意义不光是自己能够独立完成了设计任务,更重要的是在这段时间内使自己深刻感受到设计工作的那份艰难。
而这份艰难不仅仅体现在设计内容与过程中为了精益求精所付出的艰辛,更重要的是背负恶劣的天气所付出的决心与毅力!
课程设计让我们对所学的专业知识有了更深一步的了解,只有把理论和实际结合起来才会让我们更好的掌握。
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