X-Y数控运动工作台设计

毕业设计（论文）X-Y 数控运动工作台设计设计（论文）题目： X-Y 数控运动工作台设计 学 院 名 称： 专 业： 学 生 姓 名： 学 号： 指 导 教 师： 2013 年 月 日II摘 要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。关键词：X-Y 数控工作台；设计；过程；功能IIIABSTRACTX-Y NC worktable is a fundamental part of many electromechanical integration equipment, such as CNC lathe longitudinal and transverse feed mechanism, CNC milling machine and CNC drilling machine of the X-Y table, laser processing equipment for working table, electronic element surface mount equipment etc. X-Y NC Worktable module, usually by the rail seat, move the slider, work, ball screw pair, and a servo motor and other components. The servo motor to drive the ball screw actuator, a ball screw nut drives the slide block and the working platform motion on the guide rail, straight mobile work station in X, Y direction. Guide, ball screw and servo motor are based on standard, by the specialized manufacturers, only when the design work load to select.Keywords: X-Y NC worktable ;design ;process ;functionIV目 录摘 要 .IIAbstract .III目 录 .IV第 1 章 绪论 .11.1 课题研究意义 .11.2 X-Y 数控运动工作台应用 .1第 2 章 X-Y 数控运动工作台设计要求 .22.1 设计主要要求 .22.2 综合作业内容 .2第 3 章 X-Y 数控运动工作台机械系统设计 .33.1 脉冲当量选择 .33.2 工作台外形尺寸及重量估算 .33.3 滚动导轨副的计算与选择 .43.4 滚珠丝杠副的载荷计算 .53.5 传动效率计算 .73.6 稳定性验算 .73.6 刚度验算 .83.7 滚珠丝杠精度等级确定 .83.8 滚动导轨副的防护 .103.9 直线滚动导轨副的计算、选择 .11V3.10 电机至丝杠之间齿轮减速传动设计 .133.11 等效转动惯量计算(不计传动效率) .163.12 电机的计算选型 .163.13 联轴器选择 .17结 论 .18致 谢 .19参考文献 .201第 1 章 绪论1.1 课题研究意义制造业是国家重要的基础工业之一，制造业的基础是是众多机械制造的母机，它的发展水平，与制造业的生产能力和制造精度有着直接关系，关系到国家机械工业以至整个制造业的发展水平.是先进制造技术的基本单元载体，机械产品的质量、更新速度、对市场的应变能力、生产效率等在很大程度上取决于的效能。因此，制造业对于一个国家经济发展起着举足轻重的作用我国是世界上产量最多的国家.根据德国工业协会(VD W )2000 年统计资料，在主要的生产国家中，中国排名为世界第五位。但是在国际市场竞争中仍处于较低水平:即使在国内市场也面临着严峻的形势:一方面国内市场对各类产品有着大量的需求，而另一方面却有不少国产滞销积压，国外产品充斥市场。1.2 X-Y 数控运动工作台应用现代科学技术的不断发展，极大地推动了不同学科的交叉与渗透，导致了工程领域的技术革命与改造。在机械工程领域，由于微电子技术和计算机技术的迅速发展及其向机械工业的渗透所形成的机电一体化，使机械工业的技术结构、产品机构、功能与构成、生产方式及管理体系发生了巨大变化，使工业生产由“机械电气化”迈入了“机电一体化”为特征的发展阶段。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。2第 2 章 X-Y 数控运动工作台设计要求2.1 设计主要要求1、设计可实现 X/Y 向数控运动工作台2、数控运动驱动力源采用交流伺服电机.但所选电机必须与该电机生产厂所列技术数据一致3、工作台尺寸 450X350mm（X/Y）4、工作台（X/Y）工作行径 400/3005、脉冲当量 X/Y 0.004mm/脉冲6、X 向最高工作进给速度 200mm/min7、X 向最高空载快进速度 300mm/min8、工件最大重量（包括夹具）为 400kg9、工作寿命每天 8 小时，连续工作 5 年，250/年10、进给机械系统均采用滚动丝杠和滚动导轨副2.2 综合作业内容1、数控十字工作台装配图一张(提供打印并签名）2、设计说明书一份（主要内容 1 电机选型计算（脉冲当量 2 滚动丝杠选型与计算 3 滚动导轨选型计算3第 3 章 X-Y 数控运动工作台机械系统设计3.1 脉冲当量选择脉冲当量 p 是一个进给指令时工作台的位移量，应小于等于工作台的位置精度，由于脉冲当量 X/Y 0.004mm/脉冲 由已知设计参数初定脉冲当量 =0.004mm/p3.2 工作台外形尺寸及重量估算3-1 工作台简图已知题设要求：工作台尺寸 450X350mm（X/Y）取 X 向导轨支撑钢球的中心距为 350mm,Y 向导轨支撑钢球的中心距为 230mm,设计工作台简图如下：X 向拖板（上拖板）尺寸：长 宽 高 35023050重量：按重量=体积材料比重估算NXW323502107.8314Y 向拖板（下拖板）尺寸： 35023050N32.上导轨座（连电机）重量：4223(2014382158)7.10.107()N夹具及工件重量：400kg 约 4000N。X-Y 工作台运动部分的总重量：约 4735N。3.3 滚动导轨副的计算与选择根据给定的工作台运动部件的总重量及负载和估算的 和 计算导轨的静安XWY全系数 =C0/P，式中： C0 为导轨的基本静额定载荷 ；工作载荷 P=0.5( +W)； SLf KNZF=1.03.0(一般运行状况)，3.05.0（运动时受冲击、振动） 。根据计算结果查有关资料SLf初选导轨：因系统受中等冲击,因此取 ，4.0sLfNFz735, ,0.5()OSLXYZCfPFWNPfCYSLOXslZY 10985.245.2437.根据计算额定静载荷初选导轨:、导轨型式：圆形截面滚珠导轨、导轨长度丝杠有效行程 由3表 5-4 查得 le=20 mm已知工作台尺寸 450X350mm（X/Y）已知工作台（X/Y）工作行径 400/300上导轨（X 向）取动导轨长度 450Bl动导轨行程 支承导轨长度 +20+2=87BLl5下导轨（Y 向）取动导轨长度 350l动导轨行程 B支承导轨长度 +2350+2=670Ll上导轨受力 40+31=4()XGN下导轨的受力 Y753.4 滚珠丝杠副的载荷计算、最大动负载 Q 的计算3HLfP式中： fW为载荷系数，中等冲击时为 1.21.5； fH为硬度系数，HRC58 时为 1.0。查表得系数 ， ，寿命值:1f60nTL查表得使用寿命时间 T= =10000h，初选丝杠螺距 t=5mm，得丝杠转速8250min741313-max rtVn（X 向最高空载快进速度 300mm/min）所以 5107566LX 向丝杠牵引力.4xxPfG当 ()f当 当 量 摩 擦 系 数10316)NY 向丝杠牵引力.4YPf当 ()f当 当 量 摩 擦 系 数61.4YYPfG当 1.40.7356()N所以最大动负荷X 向 97.213xQY 向 38645Y N根据使用情况选择滚珠丝杠螺母的结构形式，并根据最大动载荷的数值可选择滚珠丝杠的型号为: CM 系列滚珠丝杆副，其型号为：CM2005-5。其基本参数如下:其额定动载荷为 14205N 足够用.滚珠循环方式为外循环螺旋槽式,预紧方式采用双yQ螺母螺纹预紧形式.滚珠丝杠螺母副的几何参数的计算如下表名称 计算公式 结果7公称直径 0d 20mm螺距 t mm接触角 045钢球直径 bd 4.175mm螺纹滚道法向半径 R0.52bd1.651mm偏心距 e()sine0.04489mm螺纹升角 0tarcgd043螺杆外径 d0(.25)bd19.365mm螺杆内径 11eR16.788mm螺杆接触直径 220cosb17.755mm螺母螺纹外径 Dde24.212mm螺母内径（外循环） 10(.5)bd20.7mm3.5 传动效率计算丝杠螺母副的传动效率为： )(tg式中： =10，为摩擦角； 为丝杠螺旋升角。 043()(1)0.96ggt tt3.6 稳定性验算丝杠两端采用止推轴承时不需要稳定性验算。83.6 刚度验算滚珠丝杠受工作负载引起的导程变化量为： (cm)ESFll01Y 向所受牵引力大,故用 Y 向参数计算60622 21.5615.80.12214125.(/)3.40FNlcmECMSRL丝杠受扭矩引起的导程变化量很小，可忽略不计。导程变形总误差 为E 级精度丝杠允064110.5.2.102.l um许的螺距误差 =15m/m。3.7 滚珠丝杠精度等级确定（1）.滚珠循环方式由机械电子工程专业课程设计指导书表 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.由机械电子工程专业课程设计指导书表 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机械电子工程专业课程设计指导书工作负载是指机床工作时，实际作用在滚珠丝杆上的轴向压力，他的数值用进给牵引力的实验公式计算。选定导轨为滑动导轨，取摩擦系数为0.03，K 为颠覆力矩影响系数，一般取 1.11.5，本课题中取 1.3。（1）.丝杠有效行程 由机械电子工程专业课程设计指导书表 5-4 查得 le=20 mm（2）.精度等级 根据有效行程内的平均行程允许偏差 ep=0.01/300350103=11.7 查机械电子工程专业课程设计指导书 表 5-5 得:精度等级为 T34）滚珠丝杠副支承形式选择9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。由机械电子工程专业课程设计指导书表 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 CCj选择滚珠丝杠副Cj=(Fefw)/(fhftfafk)(60Lhne)/(106)1/3式中 Cj-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. F e=(120+0.06120)/2=63.6Nne-丝杠当量转速(r/min). n e=250r/min.Lh-丝杠工作寿命(h). 查考机械电子工程专业课程设计指导书表 5-7 得 Lh=15000 h.ft-温度系数. 查机械电子工程专业课程设计指导书表 5-8,得 ft=0.70.fa-精度系数. 查机械电子工程专业课程设计指导书表 5-9 得 fa=1.0fw-负载性质系数. 查2表 5-10 得 fw=0.95fh-硬度系数.查2 表 5-11 得 fh=1.0fk-可靠性系数.查2表 5-12 得 fk=0.21.计算得 Caj=2.5N表 3-1-1 各类机械预期工作时间 Lh表 3-1-2 精度系数 fa10表 3-1-3 可靠性系数 fk表 3-1-4 负载性质系数 fw6）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=3.41010(f1d24)(L02) K1式中 L0-最长受压长度. 取 400 mmf1-丝杠支承方式系数, F-S 取 2d2-丝杠螺纹底径 ,查43-32 取 17.6 mmk1 安全系数，取 1/3Fn=13593NFmax（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. L c =0.5m. d2-丝杠螺纹底径 ,取 17.6mmncr= 10758.9r/min nmax 取,同时验算丝杠另一个临界值 d0n=20833=7500 =2KtT1（u1）(ZHZE)2/dauH2(1/3)14（1）.试选 Kt=1.6, (由1表 10-6)得材料弹性影响系数 ZE189.8MPa1/2（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 d0.3，（3）.（由1图 10-26）查得 a10.78，a2 0. 8，则 aa1+a2 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/)(/360)=(1000/0.004) (0.36/360)=250 r/min所以 N1=60njLh=602501(2830015)1.08109 N2=N1/i=1.08109/1.258.64108(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 Hlim1=600MPa大齿轮的接触疲劳强度极限 Hlim2=550MPa(7).计算疲劳强度许用应力，取安全系数 S=1 H1KHN1Hlim1/S=0.86600/1516MPaH2KHN2Hlim2/S=0.87550/1478.5MpaH= （H1+H2）/2 =497.25Mpa(8).计算小齿轮传递的转矩 T1=9.55106Px/nx=77.9N.mmb） 、计算（1）.试算小齿轮分度圆直径d1t=2KtT1（u1）(ZHZE)2/dauH2(1/3)=21.677.92.25/（0.31.581.25） （2.433189.8/494.25）2（1/3 ） 9.38mm（2).计算圆周速度 v=d1tn1/(601000)0.123 m/s（3).计算齿宽 b 及模数 mnt, b=dd1t=0.39.38 2.81mmmnt=d1tcos/Z1=9.38cos14/24=0.38mm h=2.25mnt=2.250.38mm = 0.855mm b/h=2.81/0.855=3.315（4).计算纵向重合度 0.318dZ1tan=0.3180.324tan14=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=0.123 m/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 KH 的计算公式：KH=1.12+0.18(1+0.67d2)d2+0.2310-3b =1.14由 b/h=3.3,(由书图 10-13)查得 KF=1.08, 由（1表 10-3）查得 KH=KF=1.2,故载荷系数 K=kAKvKHKH=1.251.011.21.081.6362（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=d1cos/Z1=9.45cos14/24=0.382mm 3） 、a).按齿轮弯曲强度设计mn=(2Kt1Ycos2/dZ12)(YFYS/F)(1/3)（1）.计算载荷系数，K=KAKvKFKF=1.251.011.21.04=1.6263（2）.根据纵向重合度 =0.57，由（1图 10-28）查得螺旋角影响系数 Y=0.87（3）.计算当量齿数 Zv1=Z1/cos3=24/cos314=26.27Zv2=Z2/cos3=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 FE1=500MPa,大齿轮 FE2380MPa,（书图 10-18）得弯曲疲劳寿命系数 KFN1=0.85 KFN2=0.88,取安全系数 S=1.1F1 KFN1FE1/S=386.36MPaF2 KFN2FE1/S=304MPa（5）.计算大、小齿轮 YFa1 YSa1/F1 、YFa2 YSa2/F2 并加以比较YFa1 YSa1/F1=2.5921.596/386.36=0.0107YFa2 YSa2/F2=2.491.629/3040.013 取大齿轮数据b).设计计算mn=(2Kt1Ycos2/dZ12)(YFYS/F)(1/3)=21.626377.90.0133(cos14)2/（0.32421.58）（1/3 ）=0.23mm 16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 mn2 mm，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=d1cos/mn=48cos14/223.28，取 Z124，则 Z2iZ1=1.2524 304几何尺寸计算（1）.中心距 a=(Z1+Z2)mn/(2cos)=(24+30)2/（ 2cos14）55.65 mm 所以圆整为56 mm（2）.按圆整后的中心距修正螺旋角 arccos(Z1+Z2)mn/2a=arccos(24+30) 2/(256) =15.395, 因 值改变不多，故参数 、K 、ZH 等不必修正（3）.计算大、小齿轮分度圆直径d1=Z1mn/cos=242/cos15.359=49.78 mmd2=Z2mn/cos=302/cos15.359 =62.22 mm（4）.计算齿轮宽度 b=dd1=0.349.7814.934mm 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=16mm3.11 等效转动惯量计算(不计传动效率)小齿轮转动惯量 Jg1=(d14b1)32=4 41.47.8510-332 =0.27610-4 kg.m2式中 钢密度 =7.8510-3 kg/cm3同理,大齿轮转动惯量 Jg2=0.49810-4 kg.m2 查设计手册初选滚珠丝杠 CDM2005-3, 得到 d0=20 mm ,l=430 mm滚珠丝杠转动惯量 Js=(d04l)32=(2) 4437.8510-33210 -4 kg.m2 =0.5310-4 kg.m2Jw=(w/g)(tsP2) 2 i2 =12(0.52) 2 2.1210-4 kg.m2 =1.7110-6 kg.m2因此,折算到电机轴上的等效转动惯量 JeJe= Jg1+ Jw+( Jg2+Js) i2 =0.80710-4 kg.m2 3.12 电机的计算选型查设计指导书(4-7)(4-9)可知:Mt=(Fx+Fy) tsP/(2i)= (180+0.06140)0.005/(20.82.1)=0.089N.m17Mf= (Ff tsP)/(2i)= (W tsP)/(2i)=(0.0612100.005)/ (20.82.1)=0.00341N.m上述式中 丝杠预紧时的传动效率取 =0.8为摩擦系数取 0.06nmax=(vmax/)(/360)=(2000/0.005) (0.75/360)=833 r/min取起动加速时间 t=0.03 s初选 60CB020C 的电动机M0=(Fp0tsp)(2i) (1-02)= (1/3Fxtsp)(2i) (1-02) =(1/3) 1800.006(20.82.1) 1-0.92=0.054 N.m式中 Fp0滚珠丝杠预加负荷,一般取 Fy/3Fy进给牵引力 (N)0滚珠丝杠未预紧时的传动效率,取 0.9J=( Je +Jm)= 0.80710-4 kgm 2+0.310-4 kg.m2 =1.10710-4 kg.m2Ma=( Je +Jm)( 2nmax)/(60t)= 0.2926N.mMq= Ma+ Mf+ M0=0.2926+0.00341+0.054=0.35N.mMc= Mt+ Mf+ M0=0.089+0.00341+0.054=0.1464N.mMk= Mf+ M0=0.00341+0.054=0.05741N.m从计算可知, M q 最大,作为初选电动机的依据.Mq/ Mjmax=0.4460.9 满足所需转矩要求.4)步进电机动态特