X Y双坐标联动数控工作台课程设计说明书

1、 目录 1.课程设计目的 . 1 2.课程设计任务 . 1 2.1设计题目： . 1 2.2技术数据 . 1 2.3技术要求 . 1 3.总体结构设计 . 1 3.1滚珠丝杠设计 . 2 3.2滚珠丝杠副的选取 . 3 3.3稳定性运算 . 4 3.4压杆稳定性计算 . 5 4.滚动导轨 . 6 4.1计算行程长度寿命 Ts . 6 4.2计算动载荷 . 6 Cj5. 步进电机的选择 . 8 5.1步距角的确定 . 9 5.2步进电机转矩校核 . 10 5.3频率校核 . 12 6.总结 . 12 7.参考文献 . 13 1.课程设计目的 本课程设计的目的在于培养学生对典型机电一体化产品机械结

2、构的设计能力和对机电伺服系统的设计能力,在学习有关专业课程设计的基础上,进行机电系统设计的初等训练,掌握手册、标准、规范等资料的使用方法,培养分析问题和解决问题的能力,为以后的毕业设计打下良好的基础. 2.课程设计任务 2.1设计题目： X-Y双坐标联动数控工作台设计 2.2技术数据 工作台长宽（mm）：450310 工作台重量(N)：3300 行程(mm)：X=60100；Y=50100 脉冲当量：0.05-0.08mm/p 2.3技术要求 （1）工作台进给运动采用滚珠丝杠螺旋结构 （2）滚珠丝杠支撑方式：双锥-简支型 （3）驱动电机为反应式步进电机 （4）步进电机与滚珠丝杠间采用齿轮降速要

3、求消除齿轮间隙 3.总体结构设计 数控工作台采用由步进电机驱动的开环控制结构,其单向驱动系统结构简图如图所示: 工作台是由上拖板、中,Y双坐标联动工作台实际设计的工作台为X、它上面固定,.其中下拖板与床身固联拖板、下拖板及导轨、滚珠丝杠等组成上拖板与,Y向导轨,中拖板在下拖板的导轨上横向运动,其上固定X向导轨. Y导轨方向互相垂直。Y在向导轨上移动.X、工作台固联, 3.1滚珠丝杠设计其中应用较滚珠螺旋传动按滚动体循环方式分为外循环和内循环两类,其轴向间隙的调整方法主要有垫它们各有特点,广的是插管式和螺旋槽式, 片调隙式和螺纹调隙式。C 3.1.1计算动载荷j =4.481X1.4X1.1X4

4、950 =34161.75N K1) ( 见表=1.4 载荷系数式中: FK2) (见表 硬度系数 =1.1 HF3300=4950 N 轴向工作载荷-=1.5 ?a6=90h ）T/ 额定寿命 L=（60n10 n=100r/min (r/min) 丝杠转速 3 T=15000h 使用寿命见表 1 表1 表2 载荷性质 K实际硬度F KHHRC 1.2 1平稳或轻度冲1.1 55 击1.56 50 1.2 1.5 轻度冲击2 .4 45 2.5振1.较大冲击3.8540 3表类别 f c s fc滑块数 普通机械 1.88 100150普通机床 3.93 150 0.9 200 0.7 数控

5、、精密机械4.73 T(h) u ?500010000 2 34 200每根导轨上10000 0.67 2.53.3 250 0.6 表6 15000 - 滚珠丝杠副的选取3.2 计算载荷3.2.1 F?K?KF?KmCAFH 2-6取， 查机电一体化设计基础表1.3?KF 查表 2-7 取1.0K?H 级精度 取D查表 2-4 1.0?K 取 查表2-8 AFm=4950N 取平均工作载荷 Fc=1.3x1x1x4950=6435N Ca 3.2.2 计算额定动载荷计算值n=100r/min L=15000h 使用寿命h 2 =6435X898.2 =5779940.12N Ca选择滚珠丝杠

6、副3.2.3根据型滚珠丝杠，若选汉江机床TC1 根据机电一体化设计基础表2-9 Caa等于或者大于型无密封圈滚珠丝杠，滚珠丝杠副额定动载荷C取FC1 Ca=16083N的丝杠副数据：的原则，选用FC1-4006-2.5， 公称直径： 40mm?D0P=6mm 导程： ? 螺旋角：44?2 滚珠直径：mmd?3.9690 公式得根据机电一体化设计基础表2-1 螺纹滚道半径：mm3.969?2.060.52R=0.52?d?0d?0.053?3.969?2?0.707?2.06e?0.707?R 偏心距：0?2?丝杠内径：mm 35.99?2?2.06?2?0.053?Rd?D?2e?2?4001

7、3.2.4滚珠丝杠副校核 4n?D 滚珠丝杠副还要受的值的限制，通常要求min/mmrD?n7?10004 /mrin?n7m1m0/0?40100?40mm0rm?inD?0 丝杠副工作稳定 所以 3.3稳定性运算n 3.3.1.计算临界转速 K2df1c （r/min） ?9910n? K2?)l(式中 临界转速系数fc=3.93 见表4 长度系数 u=0.67 见表4 d1丝杠内径 (mm) L丝杠工作长度 (mm) 3 Lx=450mm 取丝杠工作长度： Ly=310mm Y向临界速度最大可知 0.67x0.31）2nk=9910x3.92x3.92x0.03599（nk=127044

8、.1413r/min nn? 所以丝杠工作时不会发生共振 因为maxk 4 表 双推自由 双推简支 两端固定支承方 式 系数 压杆稳定性计算3.42?EIa （N） ?F K2?l)(式中 临界载荷 FKE材料弹性模量 11 ,E=2.06 对于钢P10a4mI) 丝杠危险截面惯性矩(a?34)(35.99?104d?3.14?I164 a64-710?0.82 临界载荷： Fk=3.14x2.06x8200（0.67x0.31）2 4 =1229526.03N 3500=351.29 S=FkFa=1229526.03 安全系数： 丝杠绝对安全，不会失稳 Fc1-4006-2.5型滚珠丝杠。

9、 丝杠选取无误，即选用4.滚动导轨 导轨是工作台系统的重要组成部分,由于滚动导轨具有定位精度高、低速无爬行、移动轻便等显著优点,故本工作台系统设计选用滚动导轨.滚动导轨应用最广的是滚珠导轨,按滚珠的循环方式分类,滚珠导轨又可分为滚珠不循环式和可循环式.在专业厂家生产的标准化滚动导轨中,都为滚动体可循环式. 4.1计算行程长度寿命 Ts T /100 (km) nTs=2Ls60 h式中 :Ls工作单行程长度(m) :Lsx=0.42m;Lsy=0.33m n往复次数 (次/min) -310?10np100?=1.19n? x2Lsx2?0.42 Ny=1.21 T工作时间寿命 (h) :Th

10、=15000 hT?2?0.42?1.19?60?15000/1000?899.64km 行程长度寿命： sx Tsy=718.74km 4.2计算动载荷 C j1/3)k/F?f?(TswC= jm?f?f?fHcT式中 F作用在滑座上的载荷 (N) F=3300* m滑座个数 5 寿命系数 一般取K=50km K温度系数 见表5 fT接触系数 见表6 fc硬度系数 见表7 fH负载系数 见表8 fw 表5 工作温度f T0C） （100 1 1 1 2 0.81 3 0.72 4 0.66 表7 滚道表面硬度HRC 60 58 55 53 50 45 Fh 1 0.98 0.9 0.71

11、0.54 0.38 8 表 fw 工作条件 1V15m/min无冲击、振动 1.5 1.52V60m/min较大冲击、振动 f?1.0f?1.0f?1.0f?1.8 、分别由指导书表56.7.8、查得、CTWH另取滑座个数m=4; 6 寿命系数一般取k=50km; 另取滑座个数 4?m 寿命系数一般取 km?50k 作用在滑座上的载荷 Fx=33000；Fy=44000 =38936.7N =51876N 由机电一体化设计基础表213查得，故选取滚动导轨型号为HJGD25 5. 步进电机的选择 在选择步进电机时应主要考虑以下几个方面: 步距角是否适合系统脉冲当量的要求. 步进电机转矩是否满足要

12、求. 步进电机起动频率及运行频率是否满足要求. 5.1步距角的确定 0?i360? （度） t?工作台脉冲当量 (mm/P) 式中?=0.06mm/P i传动系统传动比 i=2.2 t滚珠丝杠导程 (mm) t=6mm =360x0.06x2.26=7.92 根据机械设计手册初选型号55BYG005;由机电一体化设计基础图5-33、5-34查的： 减速器采用2级传动 i?2i?2.5 传动比分别为:12各传动齿轮齿数为： 7 ; 5020?40ZZ?Z20Z?4321模数m=2 齿轮宽b=20mm 5.2步进电机转矩校核 空载起动时电机轴总的负载转矩Tq Tq=Tj+Tu+To 式中 1) T

13、j惯性转矩 Tj=J J电机轴总惯量(包括当量) 起动时角加速度 由机电一体化设计基础书中式5-36分别计算各传动件的转动惯量，其中齿轮交叉直径取分度圆直径： d?d?2?20?40mm 310d?2?4?8mm0 21mm2?5?00d0? 4d?35.99mm 丝杠内径分度圆：s丝杠长度取L=410mm 4?L?d?J 电动机总惯量： 3234?0.04100.02?7.8?JJ? 31ZZ 32?52m10?kg?3.9?34?0.02?0.08?7.8?10?J 2Z 32?42m10kg?6.2?34?0.02?7.8?100.1?J 4Z 32?32m101.5?kg 8 34?0

14、.03599?100.02?7.8?J s 32?52m?10kg?2.6 2?1P1?mJ?J?J?J+JJ? SZ2Z14d3ZZ22?iii2?2212110.006? 53?54?5?1802.6?10?1.5?10?3.9?10?6.2?10?3.9?10? ?52?425?42mkg2.7?10?是所用材料密度；d是分度圆直径；L是长度（齿宽）；P其中，是导程；m是工作台质量。 其中工作台小刀架质量为m1,取m1=80kg ?32 取电动机轴自身转动惯量:mkg?J?0.8?10m则步进电机轴的总转动惯量：?3?4?32 m?101010?2.7?kg?1.070.8?J?JJ?d

15、m设步进电机空载启动时间50s，最大进给速度： min/?1.0mvmax?0.2 导轨摩擦系数空载启动时，电动机轴的惯性转矩： =0.19 t=50 P=0.0036 电动机轴上的当量摩擦转矩： =0.2 i=5 =1.54n.m ?80.? 其中伺服进给链的总效率，则因预紧力而引起，而1/3设滚珠丝杠螺母副的预紧力为最大轴向载荷的 折算到电动机轴上的附加摩擦转矩为： =0.32n.m Fo=2145N 9 ? 其中9.?00工作台的最大轴向负载折算到电动机轴上的负载转矩： =5.03 n.m 则电动机空载启动时电动机轴总的负载转矩： =0.19+1.54+0.32=2.05n.m 则电动机

16、正常工作时电动机轴总负载转矩： =5.03 +0.19+0.32=5.54 n.m 电动机最大静转矩Ts 空载启动时所需电动机最大静转矩： =2.050.707=2.90n.m 按正常工作计算： 在最大外载荷下工作时所需要电动机最大静转矩： =5.630.707=7.83n.m C?0.707 由下表可查 电机相数3 4 5 6 运行拍数 3 6 4 8 5 10 6 12 C 0.5 0.866 0.707 0.707 0.809 0.951 0.866 0.866 ?TmN7.84?TT 取二者最大的，故SS1S 步进电机的最大静转矩满足要求。 10 5.3频率校核 参考电机的矩频特性曲线进行选取. 原则：选用步进电机应使实际应用的启动频率、运行频率与负载转矩所对应的启动，运行工作点位于该曲线之下，才能保证步进电机不失频的正常工作。 经校核满足要求。 所以选用55BYG005型步进电机。 6.总结 通过本次课程设计，在设计过程中遇到许多问题 ，但经过思考与讨论，一遍又一遍地检查找到了原因所在，我们欠缺知识与经验，实践出真知，我们不断发现错误，不断改进，不断领悟，不断获取。我们掌握了典型机电一体化产品机械结构的设计能力和对机电伺服系统的设计能