题目16二坐标数控工作台课程设计说明书-刘小辉

1、浙江大学宁波理工学院机电专业课程设计说明书 设计题目二坐标数控工作台设计专 业机械电子工程姓 名刘小辉学 号3130612018班 级机电131指导教师王贤成，胡利永，詹建明学 期大三第二学期短学期设计时间 7/2-7/18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、计算说明书草稿一份。目录一.机电专业课程设计目的 （2）二.机电专业课程设计的任务和要求 （2）三.X轴方案及参数计算 （2）1. X轴滚珠丝杠设计计算 （2）2.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）1. X轴联轴器选择 （7）2. X轴滚动导轨设

2、计计算 （7）五. Y轴机械结构总体设计计算 （9）1. 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

3、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）数控工作台装配图（1：1比例或0图幅） 1张；（3）设计说明书（1020）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

4、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=20 mm ，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2

5、80mm。(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=0.06.求得滚珠丝杠副的最大工作载荷：Fm=K Fx+（Fy+ Fz）=1×100+0.06×（90+196）N=58.58Nn=1.2/0.005=240r/min取滚珠丝杠寿命T=15000h，代入L0 =60nT/106 得，L0 =288（106 r）查表得，取载荷系数fw =0.9，滚道硬度为60HRC时，取硬度

6、系数f H =1.0，则FQ = L0 (1/3) fwfH Fm =744N由导程=5mm，FQ =503N，查表得，选FFZD2005-3滚珠丝杠，为内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LD应小于其传动

7、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由导程=5mm，FQ =503N，查表得，选FFZD2005-3滚珠丝杠，为内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

8、取1级，额定动载荷为Ca=9100N。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0计算tsp=5mm，d0 =16.9mm 代入丝杠螺旋升角=arctantsp /(d0 )，得=4°33，将摩擦角=10代入0=tan/tan(+),得0=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0.0169mncr=18865 r/min > nmax.(7)滚动导轨副的防

9、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=1.2 m/min=0.02m/s， FX=100N， PX=FXvX=2W1）脉冲当量选择初选五相电机，按五相五拍工作时，步矩角=0.72°,初定脉冲当量 =0.005mm/p,丝杠导程tsP=5 mm,中间齿轮传动比i为: i=(tsP)(360i)=0.72×5(360×0.01)=1由i确定用刚性

10、联轴器.2)等效传动惯量计算(不计传动效率)式中 钢密度=7.8×103 kg/cm3d0=20mm ,l=350mm滚珠丝杠转动惯量 Js=(d04l)32=(2.0)4×3.5×7.8×10332×10-4 kg.m2 =1.04×10-5 kg.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20kgJw=(w/g)×(tsP2) 2 ÷i2=20×(0.0052) 2 ÷(1)2×10-4 kg.m2 =12.7×10-6kg.m

11、2因此,折算到电机轴上的等效转动惯量JeJe= Jw+Js =12.7×10-6 +1.04×10-5 =2.31×10-5 kg.m2 3)等效负载转矩计算(以下为折算到电机轴的转矩)Mt=(Fx+Fy) tsP/(2i)=0.099N.mMf= (Ff tsP)/(2i)=N.m上述式中 丝杠预紧时的传动效率取 =0.8nmax=(vmax/)×(/360°)=(1200/0.005) ×(0.36/360)=240r/min取起动加速时间t=0.03 s初选电动机型号90BF006,其最大静转矩 Mjmax=2.25N.m,转动

12、惯量Jm=1.764×10-4 kgm2, fm=2400Hz.故 M0=(Fp0tsp)÷(2i) ×(1-02)= (1/3FXtsp)÷(2i) ×(1-02) =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) 0滚珠丝杠未预紧时的传动效率,取0.9J=( Je +Jm)=2.49×10-4 kg.m2M=( Je +Jm)( 2nmax)/(60t)=0.02 N.mMq= Mmax+ Mf+ M0=0.053N.mMk= Mf+ M0=0.033N.m从计算可知, Mq最大,作为初选电动机

13、的依据.Mq/ Mjmax=0.053/2.25=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=2.31×10-5 kg.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=2066 Hz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/(60)=1200/(60×0.005)=4000> fLfc=v1max/(60)=250/(60×0.005)=833< fL所以,与fc对应的Mc按电机最大静转矩校核,显然满

14、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KA1.5，转矩Tca=KAT1=1.5*79.58=119.37N.mm,电动机输出轴直径d=9 mm,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

15、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20kg2）滚动导轨副

16、的计算验证滑块承受载荷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。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

17、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(1)滚珠丝杠副的结构类型滚珠循环方式 查表得,选择外循环插管式轴向间隙预紧方式

18、 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.(2)滚珠丝杠副直径和基本导程系列查表得，采用丝杠直径16mm,导程为5mm(3)滚珠丝杠长度确定丝杠有效行程 查表得le=20 mm ，lv=行程+丝杠螺母长度Lv=100+42=142mm，lu=lv+le=142+20=162mm，为留有一定的安装余量，取lu=250mm(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查表的采用一端固定一端游动(F-S)支承形式.支承

19、中心矩约为400mm。(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=0.005.求得滚珠丝杠副的最大工作载荷：Fm=K Fy +（Fx+ Fz）=1×100+0.06×（100+196）N=53.88Nn=1.6/0.005=320r/min取滚珠丝杠寿命T=15000h，代入L0 =60nT/106 得，L0 =450（106 r）查表得，取载荷系数fw =0.9，滚道硬度为6

20、0HRC时，取硬度系数f H =1.0，则FQ = L0 (1/3) fwfH Fm =1250N由导程=5mm，FQ =503N，查表得，选FFZD2005-3滚珠丝杠，为内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。由导程=5mm，FQ =503N，查表得，选FFZD2005-3滚珠丝杠，为内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

21、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LD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.=2177N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=53.88N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

22、靠性系数，查表取0.21计算的=2177N<=8600N所以符合要求。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 =0.036m. d2-丝杠螺纹底径,取0.0169mncr=41323r/min > nmax.同时验算丝杠另一个临界值d0n=20×320=6400<70000滚珠丝杠未预紧时的传动效率0计算tsp=5mm，d0 =20mm 代入丝杠螺旋升角=arctantsp /(d0 )，得=4°33，将摩擦角=10代入0=tan/tan(+),得0=0.964.轴

23、承选择选深沟球轴承6201，单推力轴承51101.(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. 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=2.4W1）脉冲当量选择初选五相电机，按五相五拍工作时，步矩角=0.36°,初定脉冲当量 =0.005mm/p,丝杠导程tsP=5 mm,中间齿轮传动比i为: i=(tsP)(360i)

24、=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=7.8×103 kg/cm3滚珠丝杠转动惯量 Js=(d04l)32=(2.0)4×3.1×7.8×10332×10-4 kg.m2 =3.1×10-5 kg.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20kgJw=(w/g)×(tsP2) 2 ÷i2=1.27×10-5kg.m2因此,折算到电机轴上的等效转动惯量JeJe= Jw+J

25、s =4.37×10-5 kg.m2 3)等效负载转矩计算(以下为折算到电机轴的转矩)Mt=(Fy+Fx) tsP/(2i)= 0.089N.mMf= (Ff tsP)/(2i)=1.19×10-3N.m上述式中 丝杠预紧时的传动效率取 =0.8nmax=(vmax/)×(/360°)=(1600/0.005) ×(0.36/360)=320r/min取起动加速时间t=0.03 s初选电动机型号90BF006,其最大静转矩 Mjmax=2.25N.m,转动惯量Jm=1.764×10-4 kgm2, fm=2400Hz.故 M0=(Fp

26、0tsp)÷(2i) ×(1-02)= (1/3Fytsp)÷(2i) ×(1-02) =0.03N.m式中 Fp0滚珠丝杠预加负荷,一般取Fy/3 Fy进给牵引力(N) 0滚珠丝杠未预紧时的传动效率,取0.964J=( Je +Jm)=2.57×10-4 kg.m2M=( Je +Jm)( 2nmax)/(60t)=0.3 N.mMq= Mmax+ Mf+ M0=0.33N.mMk= Mf+ M0=0.03N.m从计算可知, Mq最大,作为初选电动机的依据.Mq/ Mjmax=0.33/2.25=0.15<0.9 满足所需转矩要求.4)

27、步进电机动态特性校验Je /Jm=0.19<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=2200Hz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/(60)=1600/(60×0.005)=5333> fLfc=v1max/(60)=250/(60×0.005)=833< fL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.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

28、、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=71.62N.mm查表得工作情况系数KA1.5，转矩Tca=KAT1=1.5*71.62=107.4N.mm,电动机输出轴直径d=9 mm,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>400r/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.Y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20kg2）滚动导轨副的计算验证滑块承受载荷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=