X-Y双坐标联动数控工作台课程设计说明书

目录1.课程设计目的.................................................12.课程设计任务.................................................12.1设计题目：..............................................12.2技术数据................................................12.3技术要求................................................13.总体结构设计.................................................13.1滚珠丝杠设计............................................23.2滚珠丝杠副的选取........................................33.3稳定性运算..............................................43.4压杆稳定性计算..........................................54.滚动导轨.....................................................64.1计算行程长度寿命Ts.....................................64.2计算动载荷jC..........................................65.步进电机的选择..............................................85.1步距角的确定............................................95.2步进电机转矩校核.......................................105.3频率校核...............................................126.总结........................................................127.参考文献....................................................131.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）：450×310工作台重量(N)：3300行程(mm)：ΔX=60－100；ΔY=50－100脉冲当量：0.05-0.08mm/p2.3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:1实际设计的工作台为X、Y双坐标联动工作台,工作台是由上拖板、中拖板、下拖板及导轨、滚珠丝杠等组成.其中下拖板与床身固联,它上面固定X向导轨,中拖板在下拖板的导轨上横向运动,其上固定Y向导轨,上拖板与工作台固联,在Y向导轨上移动.X、Y导轨方向互相垂直。.3.1滚珠丝杠设计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,其中应用较广的是插管式和螺旋槽式,它们各有特点,其轴向间隙的调整方法主要有垫片调隙式和螺纹调隙式。3.1.1计算动载荷jC=4.481X1.4X1.1X4950=34161.75N式中:载荷系数—FK=1.4(见表1)硬度系数—HK=1.1(见表2)轴向工作载荷--aF=1.53300=4950N额定寿命L=（60·n·T）/610=90h丝杠转速—n=100r/min(r/min)使用寿命—T=15000h见表32表1表2载荷性质FK平稳或轻度冲击1～1.2轻度冲击1.2～1.5较大冲击、振动1.5～2.5表3类别普通机械普通机床数控、精密机械T(h)5000～1000010000150003.2滚珠丝杠副的选取3.2.1计算载荷mCFHAFKKKF查《机电一体化设计基础》表2-6取，1.3FK查表2-7取1.0HK查表2-4取D级精度查表2-8取1.0AK取平均工作载荷Fm=4950NFc=1.3x1x1x4950=6435N3.2.2计算额定动载荷计算值Can=100r/min使用寿命hL=15000h实际硬度HRCHK≥551.1≥501.56≥452.4≥403.853=6435X898.2=5779940.12N3.2.3根据Ca选择滚珠丝杠副根据《机电一体化设计基础》表2-9汉江机床TC1型滚珠丝杠，若选取FC1型无密封圈滚珠丝杠，滚珠丝杠副额定动载荷C’a等于或者大于Ca的原则，选用FC1-4006-2.5，Ca=16083N的丝杠副数据：公称直径：040mmD导程：P=6mm螺旋角：'244滚珠直径：0d3.969mm根据《机电一体化设计基础》表2-1公式得螺纹滚道半径：0R=0.52d0.523.9692.06mm偏心距：0e0.7070.7072.063.96920.0532dR丝杠内径：10d224020.05322.0635.99DeRmm3.2.4滚珠丝杠副校核滚珠丝杠副还要受0nD的值的限制，通常要求40n710/minDmmr40401004000/min710/minDnmmrmmr所以丝杠副工作稳定3.3稳定性运算3.3.1.计算临界转速Kn212)(9910ldfncK（r/min）式中临界转速系数—fc=3.93见表4长度系数—u=0.67见表4d1—丝杠内径(mm)L—丝杠工作长度(mm)4取丝杠工作长度：Lx=450mmLy=310mm可知Y向临界速度最大nk=9910x3.92x3.92x0.03599÷（0.67x0.31）²nk=127044.1413r/min因为maxknn所以丝杠工作时不会发生共振表4支承方式系数双推—自由双推—简支两端固定cf1.883.934.73u20.67-----s3~42.5~3.3——3.4压杆稳定性计算22)(lEIFaK（N）式中KF—临界载荷E—材料弹性模量对于钢,E=2.06×aP1110aI—丝杠危险截面惯性矩(4m)3441-7(35.9910)3.1464640.8210adI临界载荷：Fk=3.14x2.06x8200÷（0.67x0.31）²5=1229526.03N安全系数：S=Fk÷Fa=1229526.03÷3500=351.29丝杠绝对安全，不会失稳丝杠选取无误，即选用Fc1-4006-2.5型滚珠丝杠。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TsTs=2Ls·n·60·hT/100(km)式中:Ls—工作单行程长度(m):Lsx=0.42m;Lsy=0.33mn—往复次数(次/min)-31001010=1.19220.42xnpnLsxNy=1.21hT—工作时间寿命(h):Th=15000行程长度寿命：20.421.196015000/1000899.64sxTkmTsy=718.74km4.2计算动载荷jCjC=HcTswfffmkTfF3/1)/(式中F—作用在滑座上的载荷(N)F=3300*m—滑座个数6K—寿命系数一般取K=50kmTf—温度系数见表5cf—接触系数见表6Hf—硬度系数见表7wf—负载系数见表8表5工作温度（0C）Tf1001100～1500.9150～2000.7200～2500.6表6每根导轨上滑块数cf1120.8130.7240.66表7滚道表面硬度HRC605855535045Fh10.980.90.710.540.38表8工作条件fw无冲击、振动V15m/min1～1.5较小冲击、振动V60m/min1.5～2较大冲击、振动V60m/min2～3.5分别由指导书表5、6.7.8查得f1.0T、f1.0C、f1.0H、f1.8W另取滑座个数m=4;7寿命系数一般取k=50km;另取滑座个数4m寿命系数一般取kmk50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2—13查得，故选取滚动导轨型号为HJG—D255.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ti0360＝（度）式中—工作台脉冲当量(mm/P)=0.06mm/Pi—传动系统传动比i=2.2t—滚珠丝杠导程(mm)t=6mmα=360°x0.06x2.2÷6=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级传动传动比分别为1i2:2i2.5各传动齿轮齿数为：8120Z;240Z;320Z;450Z模数m=2齿轮宽b=20mm5.2步进电机转矩校核空载起动时电机轴总的负载转矩TqTq=Tj+Tu+To式中1)Tj—惯性转矩Tj=J·εJ—电机轴总惯量(包括当量)ε—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：13d22040dmm2d24080mm4d250100mm丝杠内径分度圆：35.99sdmm丝杠长度取L=410mm电动机总惯量：4d32LJ3413527.8100.040.02323.910ZZJJkgm342427.8100.080.02326.210ZJkgm344327.8100.10.02321.510ZJkgm934527.8100.035990.02322.610sJkgm21234221222545354211+2110.0063.9106.2103.9101.5102.610180425252.710dZZZZSPJJJJJJmiiikgm其中，是所用材料密度；d是分度圆直径；L是长度（齿宽）；P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取电动机轴自身转动惯量:32m0.810Jkgm则步进电机轴的总转动惯量：3432d0.8102.7101.0710mJJJkgm设步进电机空载启动时间50s，最大进给速度：max1.0/minvm导轨摩擦系数0.2空载启动时，电动机轴的惯性转矩：=0.19P=0.0036t=50电动机轴上的当量摩擦转矩：=1.54n.mi=5μ=0.2其中伺服进给链的总效率8.0设滚珠丝杠螺母副的预紧力为最大轴向载荷的1/3，则因预紧力而引起