二坐标数控工作台设计.docx
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二坐标数控工作台设计.docx
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二坐标数控工作台设计
宁波大学科技学院理工分院
机械设计制造及其自动化专业
机电模块课程设计
设计题目
二坐标数控工作台设计
专业
机械设计制造及其自动化
姓名
学号
班级
指导教师
学期
设计时间
内
附
资
料
1、课程设计说明书一份(含设计任务书);
2、二坐标数控工作台装配图一张(A0);
3、二坐标数控工作台电气控制原理图一张(A1);
4、计算说明书草稿一份。
成绩
2012、03
一、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。
二、机电专业课程设计的任务和要求
在规定时间内,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)工作台装配图一张(0号)
(2)控制电器图一张(1号)
(3)设计说明书一份(10~20页)
所有图样均采用CAD绘制打印,设计说明书按规定撰写。
三、X轴方案及参数计算
1.方案拟定
方案拟定即确定工作台传动的形式和控制方式及主要部件或器件的类型。
(1)驱动控制方式由给定的工作台精度要求较低,为简化结构,故采用单片机控制的步进电机驱动系统。
主要由步进电机、单片机驱动控制电路、滚珠丝杠副组成。
(2)传动形式确定
工作台X方向和Y方向两个坐标分别采用步进电机单独驱动。
工作台X方向采用一级齿轮传动方式,可以通过降速扩大转矩输出,匹配进给系统惯量,获得要求的输出机械特性,同时减小脉冲当量。
工作台Y方向采用直接传动方式,电机通过刚性联轴器与滚珠丝杠联结。
结构紧凑,传动效率高。
丝杠转速与转矩输出完全与电机的输出特性一致。
2.X轴步进电机参数确定及选择
X参数选定与计算
vx=2.0m/min=0.033m/s,Fx=120N,Px=Fxvx=3.96W
1)脉冲当量选择
初选五相电机,按五相十拍工作时,步矩角α=0.36°,初定脉冲当量δ=0.004mm/p,
丝杠导程tsP=5mm,中间齿轮传动比i为:
i=(αtsP)/(360δ)=0.36×5/(360×0.004)=1.25
由i确定齿轮齿数为Z1=24,Z2=30;模数m=2mm,齿宽B1=16mm,B2=15mm(计算过程见4)
2)等效传动惯量计算(不计传动效率)
小齿轮转动惯量Jg1=(πd14b1ρ)/32={[π(4.978)4×1.6×7.85×10-3]/32}kg.m2=0.76×10-4kg.m2
式中:
钢密度ρ=7.85×10-3kg/cm3
同理,大齿轮转动惯量Jg2=1.7×10-4kg.m2
由书表3-13初选滚珠丝杠CDM2005-2.5
得到d0=20mml=490mm
滚珠丝杠转动惯量Js=(πd04lρ)/32={[π
(2)4×49×7.85×10-3]/32}×10-4kg.m2=0.6×10-4kg.m2
拖板及工作物重折算到电机轴上的转动惯量,拖板及工作物重之和约为10+2=12kg
Jw=(w/g)×(tsP/2π)2÷i2
=12×(5×10-3/2π)2÷(1.25)2kg.m2
=4.86×10-6kg.m2
因此,折算到电机轴上的等效转动惯量Je
Je=Jg1+Jw+(Jg2+Js)÷i2
=76×10-6+4.86×10-6+(170×10-6+60×10-6)÷(1.25)2
=2.2806×10-4kg.m2
3)等效负载转矩计算(以下为折算到电机轴的转矩)
由书式(4-7)~(4-9)可知:
Mt=[(Fx+μFy)tsP]/(2πηi)
=[(120+0.06×120)×0.005]/(2π×0.8×1.25)
=0.101N.m
Mf=(FftsP)/(2πηi)
=(μWtsP)/(2πηi)
=(0.06×13×9.8×0.005)/(2π×0.8×1.25)
=0.00609N.m
上述式中η为丝杠预紧时的传动效率取η=0.8,μ为摩擦系数取0.06
nmax=(Vmax/δ)×(α/360°)=250r/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=2.156N·m,转动惯量Jm=2.257×10-4kg·m2,fm=2400Hz.
故M0=(Fp0tsp)÷(2πηi)×(1-η02)
=(1/3Fxtsp)÷(2πηi)×(1-η02)
=[(1/3)×120×0.005]÷(2π×0.8×1.25)×[1-(0.9)2]
=0.0061N.m
式中Fp0—滚珠丝杠预加负荷,一般取Fx/3
Fx—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)
=2.2806×10-4kg.m2+2.257×10-4kg.m2
=4.537×10-4kg.m2
Mα=(Je+Jm)(2πnmax)/(60tα)
=4.537×10-4×(2π×250)÷(60×0.03)
=0.3957N.m
Mq=Mαmax+Mf+M0
=0.3962+0.00609+0.0061
=0.40839N.m
Mc=Mt+Mf+M0
=0.101+0.00609+0.0061
=0.11319N.m
Mk=Mf+M0=0.01219N.m
从计算可知,Mq最大,作为初选电动机的依据.
Mq/Mjmax=0.189满足所需转矩要求.
4)步进电机动态特性校验
Je/Jm=2.2806/2.257=1.01<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=1692.83Hz
步进电机工作时最大空载起动频率和切削时最大工作频率
fq=Vmax/(60δ)=1000/(60×0.004)=4167>fL
fc=V1max/(60δ)=200/(60×0.004)=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轴圆柱斜齿轮传动设计 1).选定齿轮精度、材料、齿数及螺旋角 (1).选精度为7级 (2).选小齿轮为40Cr(调质),硬度为280HBS,大齿轮材料为45钢(调质),硬度为240HBS,两者硬度差为40HBS (3).选择齿数Z1=24,Z2=Z1×i=24×1.25=30 (4).选取螺旋角,初选β=14° 2).a)、按齿面接触疲劳强度设计 d1t>={2Kt×T1×(u+1)×(ZHZE)2/[Φd×εa×u×[σH]2]}(1/3) (1).试选Kt=1.6,(由[1]表10-6)得材料弹性影响系数ZE=189.8MPa1/2 (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Φd=0.3, (3).(由[1]图10-26)查得εa1=0.78,εa2=0.8,则εa=εa1+εa2=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/δ)×(α/360°) =(1000/0.004)×(0.36/360) =250r/min 所以N1=60njLh=60×250×1×(2×8×300×15)=1.08×109 N2=N1/i=1.08×109/1.25=8.64×108 (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σHlim1=600MPa 大齿轮的接触疲劳强度极限σHlim2=550MPa (7).计算疲劳强度许用应力,取安全系数S=1 [σH]1=KHN1×σHlim1/S=0.86×600/1=516MPa [σH]2=KHN2×σHlim2/S=0.87×550/1=478.5Mpa [σH]=([σH]1+[σH]2)/2=497.25Mpa (8).计算小齿轮传递的转矩T1=9.55×106Px/nx=77.9N.mm b)、计算 (1).试算小齿轮分度圆直径 d1t>={2Kt×T1×(u+1)×(ZHZE)2/[Φd×εa×u×[σH]2]}(1/3) ={2×1.6×77.9×2.25/(0.3×1.58×1.25)×(2.433×189.8/494.25)2}}(1/3) =9.38mm (2).计算圆周速度v=лd1tn1/(60×1000)=0.123m/s (3).计算齿宽b及模数mnt,b=Φdd1t=0.3×9.38=2.81mm mnt=d1tcosβ/Z1=9.38×cos14°/24=0.38mm h=2.25mnt=2.25×0.38mm=0.855mm b/h=2.81/0.855=3.3 (4).计算纵向重合度εβ=0.318×Φd×Z1×tanβ=0.318×0.3×24×tan14°=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=0.123m/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KHβ的计算公式: KHβ=1.12+0.18(1+0.67Φd2)Φd2+0.23×10-3×b=1.14 由b/h=3.3,(由书图10-13)查得KFβ=1.08,由([1]表10-3)查得KHα=KFα=1.2,故载荷系数K=kAKvKHαKHβ=1.25×1.01×1.2×1.08=1.6362 (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=d1×cosβ/Z1=9.45×cos14°/24=0.382mm 3)、a).按齿轮弯曲强度设计 mn>={(2Kt1Yβcos2β/ΦdZ12εα)×(YFαYSα/[σF])}(1/3) (1).计算载荷系数,K=KA×Kv×KFα×KFβ=1.25×1.01×1.2×1.04=1.6263 (2).根据纵向重合度εβ=0.57,由([1]图10-28)查得螺旋角影响系数Yβ=0.87 (3).计算当量齿数Zv1=Z1/cos3β=24/cos314°=26.27 Zv2=Z2/cos3β=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σFE1=500MPa,大齿轮σFE2=380MPa, (书图10-18)得弯曲疲劳寿命系数KFN1=0.85KFN2=0.88,取安全系数S=1.1 [σF]1=KFN1×σFE1/S=386.36MPa [σF]2=KFN2×σFE1/S=304MPa (5).计算大、小齿轮YFa1YSa1/[σF]1、YFa2YSa2/[σF]2并加以比较 YFa1YSa1/[σF]1=2.592×1.596/386.36=0.0107 YFa2YSa2/[σF]2=2.49×1.629/304=0.013取大齿轮数据 b).设计计算 mn>={(2Kt1Yβcos2β/ΦdZ12εα)×(YFαYSα/[σF])}(1/3) ={2×1.6263×77.9×0.0133×(cos14°)2/(0.3×242×1.58)}(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mn=2mm,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=d1cosβ/mn=48×cos14°/2=23.28,取Z1=24,则Z2=i×Z1=1.25×24=30 4.几何尺寸计算 (1).中心距a=(Z1+Z2)mn/(2×cosβ)=(24+30)×2/(2×cos14°)=55.65mm所以圆整为56mm (2).按圆整后的中心距修正螺旋角β=arccos[(Z1+Z2)mn/2a]=arccos[(24+30)×2/(2×56)=15.395°,因β值改变不多,故参数εα、Kβ、ZH等不必修正 (3).计算大、小齿轮分度圆直径 d1=Z1mn/cosβ=24×2/cos15.359°=49.78mm d2=Z2mn/cosβ=30×2/cos15.359°=62.22mm (4).计算齿轮宽度b=Φdd1=0.3×49.78=14.934mm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=16mm 四、X轴机械结构总体设计计算 1.X轴滚珠丝杠设计计算 1)滚珠丝杠副的结构类型 (1).滚珠循环方式 由书表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[3]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[3]表5-3查得,采用丝杠直径20mm,导程为5mm 30滚珠丝杠精度等级确定 (1).丝杠有效行程由[3]表5-4查得le=20mm 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=0.01/300×350×103=11.7查书表5-5得 精度等级为T3 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Cα≥Cαj选择滚珠丝杠副 Cαj=[(Fefw)/(fhftfafk)]×[(60Lhne)/(106)]1/3 式中Cαj--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+0.06×120)/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[3]表5-7得Lh=15000h. ft--温度系数.查[3]表5-8,得ft=0.70. fa--精度系数.查[3]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 6)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=3.4×1010(f1d24)÷(L02)×K1 式中L0–--最长受压长度.取400mm f1--丝杠支承方式系数,F-S取2 d2--丝杠螺纹底径,查[4]3-32取17.6mm k1安全系数,取1/3 Fn=13593N>Fmax (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17.6mm ncr=10758.9r/min>nmax取,同时验算丝杠另一个临界值d0n=20×833=7500<70000 (3).轴承选择校核 由[2]表6-1选择深沟球轴承6201,由[2]表6-6选角接触球轴承7001AC. 校核(略) (4).定位精度验算(略) 7)滚动导轨副的防护 (1).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。 (2).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。 (3).滚珠丝杠副的润滑润滑剂用锂基润滑剂。 2.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)选日本NSK滚动导轨,E级精度.查得,fh=1,ft=1,fc=0.81,fα=1,fw=1. (2)寿命按每年工作300天,每天两班,每班8h,开机率0.8计,额定寿命为: Lh=10×300×2×8×0.8=38400h,每分钟往复次数nz=8 L=(2lsnz60Lh)/(103)=(2×0.31×8×60×38400)/(103)=11428Km 计算四滑块的载荷,工作台及其物重约为110N 计算需要的动载荷Cα P=110/4=27.5N Cα=(fwP)÷(fhftfcfα)×(L/50)1/3=208N 由书表3-20中选用LY15AL直线滚动导轨副,其Cα=606N,C0α=745N. (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。 五、Y轴方案及参数计算 1.Y轴步进电机参数确定及选择 Y参数选定与计算 vy=2.4m/min=0.04m/s,Fy=120N,Py=FyVy=4.8W 1)脉冲当量选择 初选五相电机,按五相十拍工作时,步矩角α=0.36°,初定脉冲当量δ=0.004mm/p, 丝杠导程tsP=4mm,中间齿轮传动比i为: i=(αtsP)/(360δ)=0.36×4/(360×0.04)=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) 由表3-32初选滚珠丝杠CDM2005-2.5,得到d0=20mm,l=400mm 滚珠丝杠转动惯量 Js=(πd04lρ)/32={[π (2)4×40×7.85×10-3]/32}×10-4kg.m2=0.20×10-4kg.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重之和约为16kg Jw=(w/g)×(tsP/2π)2÷i2 =(16000/980)×(0.4/2π)2÷ (1)2×10-4kg.m2 =7×10-6kg.m2 因此,折算到电机轴上的等效转动惯量Je Je=Jg1+Jw+(Jg2+Js)÷i2 =76×10-6+7×10-6+(170×10-6+20×10-6)÷ (1)2 =2.73×10-4kg.m2 2)等效负载转矩计算(以下为折算到电机轴的转矩) 由[3]式(4-7)~(4-9)可知: Mt=[(Fy+μFx)tsP]/(2πηi) =[(100+0.06×120)×0.004]/(2π×0.8×1) =0.08541N.m Mf=(FftsP)/(2πηi) =(μWtsP)/(2πηi) =(0.06×17×9.8×0.004)/(2π×0.8×1) =0.008N.m 上述式中η—丝杠预紧时的传动效率取η=0.8μ为摩擦系数取0.06 nmax=(vmax/δ)×(α/360°)=(1000/0.004)×(0.36/360)=250r/min 取起动加速时间tα=0.03s 初选电动机型号75BF006A,其最大静转矩Mjmax=1.98N.m转动惯量Jm=0.7×10-4kg.m2fm=1450Hz 故 M0=(Fp0tsp)÷(2πηi)×(1-η02) =(1/3Fytsp)÷(2πηi)×(1-η02) =[(1/3)×100×0.004]÷(2π×0.8×1)×[1-(0.9)2] =0.005N.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)=2.8×10-4kg.m2 Mα=(Je+Jm)(2πnmax)/(60tα)=3.43×10-4×(2π×250)÷(60×0.03)=0.2992N.m Mq=Mαmax+Mf+M0=0.2992+0.008+0.005=0.3122N.m Mc=Mt+Mf+M0=0.0854+0.008+0.005=0.0984N.m Mk=Mf+M0=0.008+0.005=0.013N.m 从计算可知,Mq最大,作为初选电动机的依据. Mq/Mjmax=0.16满足所需转矩要求. 4)步进电机动态特性校验 Je/Jm=3.9<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=655Hz 步进电机工作时最大空载起动频率和切削时最大工作频率 fq=vmax/(60δ)=1000/(60×0.004)=4167>fL fc=v1max/(60δ)=100/(60×0.004)=417 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. 2.Y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。 本方案选型号为GY3型的凸缘联轴器。 六、Y轴机械结构总体设计计算 1.Y轴滚珠丝杠设计计算 1)滚珠丝杠副的结构类型 (1)滚珠循环方式 由书表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 由书表5-3查得,采用丝杠直径20mm,导程为4mm 3)滚珠丝杠精度等级确定 (1)丝
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