題目16二坐標數(shù)控工作臺課程設(shè)計說明書-劉小輝

1、浙江大學寧波理工學院機電專業(yè)課程設(shè)計說明書 設(shè)計題目二坐標數(shù)控工作臺設(shè)計專 業(yè)機械電子工程姓 名劉小輝學 號3130612018班 級機電131指導教師王賢成，胡利永，詹建明學 期大三第二學期短學期設(shè)計時間 7/2-7/18內(nèi)附資料1、課程設(shè)計說明書一份（含設(shè)計任務(wù)書）；2、二坐標數(shù)控工作臺裝配圖一張（A0）；3、計算說明書草稿一份。目錄一.機電專業(yè)課程設(shè)計目的 （2）二.機電專業(yè)課程設(shè)計的任務(wù)和要求 （2）三.X軸方案及參數(shù)計算 （2）1. X軸滾珠絲杠設(shè)計計算 （2）2.X軸步進電機參數(shù)確定及選擇 （5）四. X軸機械結(jié)構(gòu)總體設(shè)計計算 （6）1. X軸聯(lián)軸器選擇 （7）2. X軸滾動導軌設(shè)

2、計計算 （7）五. Y軸機械結(jié)構(gòu)總體設(shè)計計算 （9）1. Y軸滾珠絲杠設(shè)計計算 （9）2.Y軸步進電機參數(shù)確定及選擇 （11）六.Y軸方案及參數(shù)計算 （11）2.Y軸聯(lián)軸器選擇 （13）2. Y軸滾動導軌設(shè)計計算 （14）七.繪制裝配圖 （15）八.設(shè)計總結(jié)與分析 （15）九.致謝 （15）1.機電專業(yè)課程設(shè)計目的本課程設(shè)計是學生在完成專業(yè)課程學習后，所進行的機電一體化設(shè)備設(shè)計的綜合性訓練。通過該環(huán)節(jié)達到下列目的：（1）鞏固和加深專業(yè)課所學的理論知識；（2）培養(yǎng)理論聯(lián)系實際，解決工程技術(shù)問題的動手能力；（3）進行機電一體化設(shè)備設(shè)計的基本功訓練，包括以下10方面基本功：1）查閱文獻資料；2)分析

3、與選擇設(shè)計方案；3）機械結(jié)構(gòu)設(shè)計；4）電氣控制原理設(shè)計；5）機電綜合分析；6）繪工程圖；7）運動計算和精度計算；9）撰寫設(shè)計說明書；10）貫徹設(shè)計標準。2.機電專業(yè)課程設(shè)計的任務(wù)和要求在規(guī)定時間內(nèi)，按設(shè)計任務(wù)書給定的原始數(shù)據(jù)，在教師指導下，獨立完成二坐標數(shù)控工作臺設(shè)計工作。原始數(shù)據(jù)包括典型工況下，工作臺速度、進給抗力及臺面上工作物重量；工作臺定位精度、臺面尺寸和行程。設(shè)計具體要求完成以下工作：（1）數(shù)控工作臺裝配圖（1：1比例或0圖幅） 1張；（3）設(shè)計說明書（1020）頁 1本；一 X軸方案及參數(shù)計算1.X軸滾珠絲杠設(shè)計計算(1)滾珠絲杠副的結(jié)構(gòu)類型滾珠循環(huán)方式 查產(chǎn)品表得,選擇外循環(huán)插管式

4、軸向間隙預緊方式 預緊目的在于消除滾珠螺旋傳動的間隙,避免間隙引起的空程,從而提高傳動精度機械設(shè)計手冊查得,采用雙螺母墊片預緊方式.(2)滾珠絲杠副直徑和基本導程系列(3)滾珠絲杠長度確定絲杠有效行程 查表得le=20 mm ，lv=行程+絲杠螺母長度Lv=170+42=212mm，lu=lv+le=212+20=232mm，為留有一定的安裝余量，取lu=350mm(4)滾珠絲杠副支承形式選擇滾珠絲杠主要承受軸向載荷,應選用運轉(zhuǎn)精度高,軸向剛度高、摩擦力距小的滾動軸承.滾珠絲杠副的支承主要約束絲杠的軸向串動,其次才是徑向約束.由3查表得,采用一端固定一端游動(F-S)支承形式.支承中心矩約為2

5、80mm。(5)滾珠絲杠副的選擇最大工作載荷Fm的計算工作臺受到進給方向載荷Fx =100N，橫向載荷Fy =90N，垂直方向載荷Fz =209.8N=196N。按矩形導軌導軌進行計算，查表得，取顛覆力矩影響系數(shù)K=1，滾動導軌上的摩擦系數(shù)=0.06.求得滾珠絲杠副的最大工作載荷：Fm=K Fx+（Fy+ Fz）=1100+0.06（90+196）N=58.58Nn=1.2/0.005=240r/min取滾珠絲杠壽命T=15000h，代入L0 =60nT/106 得，L0 =288（106 r）查表得，取載荷系數(shù)fw =0.9，滾道硬度為60HRC時，取硬度系數(shù)f H =1.0，則FQ = L

6、0 (1/3) fwfH Fm =744N由導程=5mm，F(xiàn)Q =503N，查表得，選FFZD2005-3滾珠絲杠，為內(nèi)循環(huán)固定反向器單螺母式，其公稱直徑為20mm，導程為5mm，精度等級取1級，額定動載荷為Ca=9100N。滾珠絲杠剛度校核滾珠絲杠在工作負載F（N）和轉(zhuǎn)矩共同作用下引起每個導程的變形量()為其中A為絲杠截面積，JC為絲杠的極慣性矩，G為 絲杠的切變模量，對于鋼為83.3Gpa，T為轉(zhuǎn)矩，T=T1=95.5105Py/ny=79.456N.mm。則絲杠在工作長度上的彈性變形所引起的導程誤差為 通常要求絲杠的導程誤差LD應小于其傳動精度的1/2，即0.006mm(6)滾珠絲杠副校

7、核臨界壓縮負荷 對于一端軸向固定受壓縮的滾珠絲杠,應進行壓杠穩(wěn)定性校核計算.=2151.9N式中滾珠絲桿副的計算軸向動載荷（N）絲杠軸向當量負荷（N），取進給抗力和摩擦力之和的一半=58.58N絲杠當量轉(zhuǎn)速絲杠工作壽命取15000h溫度系數(shù)，查表取0.70精度系數(shù)，查表取0.90負載性質(zhì)系數(shù)，查表取0.95硬度系數(shù)，查表取1.0可靠性系數(shù)，查表取0.21計算的=2151.9N=8600N由導程=5mm，F(xiàn)Q =503N，查表得，選FFZD2005-3滾珠絲杠，為內(nèi)循環(huán)固定反向器單螺母式，其公稱直徑為20mm，導程為5mm，精度等級取1級，額定動載荷為Ca=9100N。所以符合要求。同時驗算絲杠

8、另一個臨界值d0n=20240=4800 nmax.(7)滾動導軌副的防護滾珠絲杠副的防護裝置 ,采用專業(yè)生產(chǎn)的伸縮式螺旋彈簧鋼套管.滾珠絲杠副的密封 滾珠絲杠副兩端的密封圈如裝配圖所示.材料為四氟乙烯,這種接觸式密封須防止松動而產(chǎn)生附加阻力.滾珠絲杠副的潤滑 潤滑劑用鋰基潤滑劑.2. X軸步進電機參數(shù)確定及選擇X參數(shù)選定與計算vx=1.2 m/min=0.02m/s， FX=100N， PX=FXvX=2W1）脈沖當量選擇初選五相電機，按五相五拍工作時，步矩角=0.72,初定脈沖當量 =0.005mm/p,絲杠導程tsP=5 mm,中間齒輪傳動比i為: i=(tsP)(360i)=0.725

9、(3600.01)=1由i確定用剛性聯(lián)軸器.2)等效傳動慣量計算(不計傳動效率)式中 鋼密度=7.8103 kg/cm3d0=20mm ,l=350mm滾珠絲杠轉(zhuǎn)動慣量 Js=(d04l)32=(2.0)43.57.81033210-4 kg.m2 =1.0410-5 kg.m2拖板及工作物重和導軌折算到電機軸上的轉(zhuǎn)動慣量,拖板及工作物重和導軌及絲杠重之和約為20kgJw=(w/g)(tsP2) 2 i2=20(0.0052) 2 (1)210-4 kg.m2 =12.710-6kg.m2因此,折算到電機軸上的等效轉(zhuǎn)動慣量JeJe= Jw+Js =12.710-6 +1.0410-5 =2.3

10、110-5 kg.m2 3)等效負載轉(zhuǎn)矩計算(以下為折算到電機軸的轉(zhuǎn)矩)Mt=(Fx+Fy) tsP/(2i)=0.099N.mMf= (Ff tsP)/(2i)=N.m上述式中 絲杠預緊時的傳動效率取 =0.8nmax=(vmax/)(/360)=(1200/0.005) (0.36/360)=240r/min取起動加速時間t=0.03 s初選電動機型號90BF006,其最大靜轉(zhuǎn)矩 Mjmax=2.25N.m,轉(zhuǎn)動慣量Jm=1.76410-4 kgm2, fm=2400Hz.故 M0=(Fp0tsp)(2i) (1-02)= (1/3FXtsp)(2i) (1-02) =0.033N.m式中

11、 Fp0滾珠絲杠預加負荷,一般取Fy/3 Fy進給牽引力(N) 0滾珠絲杠未預緊時的傳動效率,取0.9J=( Je +Jm)=2.4910-4 kg.m2M=( Je +Jm)( 2nmax)/(60t)=0.02 N.mMq= Mmax+ Mf+ M0=0.053N.mMk= Mf+ M0=0.033N.m從計算可知, Mq最大,作為初選電動機的依據(jù).Mq/ Mjmax=0.053/2.25=0.110.9 滿足所需轉(zhuǎn)矩要求.4)步進電機動態(tài)特性校驗Je /Jm=2.3110-5 kg.m2 /2.25710-4 =0.10 fLfc=v1max/(60)=250/(600.005)=833

12、 T1，許用轉(zhuǎn)速n=8800r/min320r/min。軸孔直徑有8mm,9mm, 10mm, 11mm, 12mm, 14mm. 所以要對絲杠一端進行加工（絲杠留有一定的余量）。4.X軸滾動導軌設(shè)計計算導軌的功用是使運動部件沿一定的軌跡運動,并承受運動部件上的載荷,即起導向和承載作用,導軌副中,運動的一方稱作運動導軌,與機械的運動部件聯(lián)結(jié),不動的一方稱作支承導軌,與機械的支承部件聯(lián)結(jié).支承部件用以支承和約束運動導軌,使之按功能要求作正確的運動.1）導軌承受重量計算上面計算得知，下導軌所承受的重量約為20kg2）滾動導軌副的計算驗證滑塊承受載荷Fmax的計算，考慮最不利的情況，即垂直于臺面的工

13、作載荷全部由一個滑塊承擔，則Fmax =（25/4）9.8N=61.25N。查表得，HGH15CA型號的直線滾動導軌副額定動載荷Ca =480NFmax, 額定靜載荷Ca =540N Fmax ，滿足條件。距離額定壽命L的計算HGH15CA型號的直線滾動導軌副的滾道硬度為60HRC，工作溫度不超過100，每根導軌上配有兩只滑塊，精度為4級，工作速度較低，載荷不大。，分別取硬度系數(shù)fH =1.0、溫度系數(shù)fT=1.00、接觸系數(shù)fc=0.81，精度系數(shù)fR=0.9，載荷系數(shù)fw=1.5，得距離壽命：L=fHfTfcfRCa / (fwFmax ) 3 50=2762km，滿足其期望值50km，故

14、距離額定壽命滿足要求。綜上，所選導軌滿足要求。(3)滾動導軌間隙調(diào)整預緊可以明顯提高滾動導軌的剛度,預緊采用過盈配合,裝配時,滾動體、滾道及導軌之間有一定的過盈量.(4)潤滑與防護潤滑:采用脂潤滑,使用方便,但應注意防塵.防護裝置的功能主要是防止灰塵、切屑、冷卻液進入導軌,以提高導軌壽命.防護方式用蓋板式.軸承選擇選深溝球軸承6201，單推力軸承51101.三 Y軸方案及參數(shù)計算1.Y軸滾珠絲杠設(shè)計計算(1)滾珠絲杠副的結(jié)構(gòu)類型滾珠循環(huán)方式 查表得,選擇外循環(huán)插管式軸向間隙預緊方式 預緊目的在于消除滾珠螺旋傳動的間隙,避免間隙引起的空程,從而提高傳動精查表得,采用雙螺母墊片預緊方式.(2)滾珠

15、絲杠副直徑和基本導程系列查表得，采用絲杠直徑16mm,導程為5mm(3)滾珠絲杠長度確定絲杠有效行程 查表得le=20 mm ，lv=行程+絲杠螺母長度Lv=100+42=142mm，lu=lv+le=142+20=162mm，為留有一定的安裝余量，取lu=250mm(4)滾珠絲杠副支承形式選擇滾珠絲杠主要承受軸向載荷,應選用運轉(zhuǎn)精度高,軸向剛度高、摩擦力距小的滾動軸承.滾珠絲杠副的支承主要約束絲杠的軸向串動,其次才是徑向約束.由3查表的采用一端固定一端游動(F-S)支承形式.支承中心矩約為400mm。(5)滾珠絲杠副的選擇最大工作載荷Fm的計算工作臺受到進給方向載荷Fx =100N，橫向載荷

16、Fy =90N，垂直方向載荷Fz =209.8N=196N。按矩形導軌導軌進行計算，查表得，取顛覆力矩影響系數(shù)K=1，滾動導軌上的摩擦系數(shù)=0.005.求得滾珠絲杠副的最大工作載荷：Fm=K Fy +（Fx+ Fz）=1100+0.06（100+196）N=53.88Nn=1.6/0.005=320r/min取滾珠絲杠壽命T=15000h，代入L0 =60nT/106 得，L0 =450（106 r）查表得，取載荷系數(shù)fw =0.9，滾道硬度為60HRC時，取硬度系數(shù)f H =1.0，則FQ = L0 (1/3) fwfH Fm =1250N由導程=5mm，F(xiàn)Q =503N，查表得，選FFZD

17、2005-3滾珠絲杠，為內(nèi)循環(huán)固定反向器單螺母式，其公稱直徑為20mm，導程為5mm，精度等級取1級，額定動載荷為Ca=9100N。由導程=5mm，F(xiàn)Q =503N，查表得，選FFZD2005-3滾珠絲杠，為內(nèi)循環(huán)固定反向器單螺母式，其公稱直徑為20mm，導程為5mm，精度等級取1級，額定動載荷為Ca=9100N。滾珠絲杠剛度校核滾珠絲杠在工作負載F（N）和轉(zhuǎn)矩共同作用下引起每個導程的變形量()為其中A為絲杠截面積，JC為絲杠的極慣性矩，G為 絲杠的切變模量，對于鋼為83.3Gpa，T為轉(zhuǎn)矩，T=T1=95.5105Py/ny=79.456N.mm。則絲杠在工作長度上的彈性變形所引起的導程誤差

18、為 通常要求絲杠的導程誤差LD應小于其傳動精度的1/2，即0.005mm故滿足要求 (6)滾珠絲杠副校核臨界壓縮負荷 對于一端軸向固定受壓縮的滾珠絲杠,應進行壓杠穩(wěn)定性校核計算.=2177N式中滾珠絲桿副的計算軸向動載荷（N）絲杠軸向當量負荷（N），取進給抗力和摩擦力之和的一半=53.88N絲杠當量轉(zhuǎn)速絲杠工作壽命取15000h溫度系數(shù)，查表取0.70精度系數(shù)，查表取0.90負載性質(zhì)系數(shù)，查表取0.95硬度系數(shù)，查表取1.0可靠性系數(shù)，查表取0.21計算的=2177N nmax.同時驗算絲杠另一個臨界值d0n=20320=640070000滾珠絲杠未預緊時的傳動效率0計算tsp=5mm，d0

19、=20mm 代入絲杠螺旋升角=arctantsp /(d0 )，得=433，將摩擦角=10代入0=tan/tan(+),得0=0.964.軸承選擇選深溝球軸承6201，單推力軸承51101.(7)滾動導軌副的防護滾珠絲杠副的防護裝置 ,采用專業(yè)生產(chǎn)的伸縮式螺旋彈簧鋼套管.滾珠絲杠副的密封 滾珠絲杠副兩端的密封圈如裝配圖所示.材料為四氟乙烯,這種接觸式密封須防止松動而產(chǎn)生附加阻力.滾珠絲杠副的潤滑 潤滑劑用鋰基潤滑劑.2. Y軸步進電機參數(shù)確定及選擇Y參數(shù)選定與計算vy=1.6m/min=0.027m/s， Fy=90N， Py=Fyvy=2.4W1）脈沖當量選擇初選五相電機，按五相五拍工作時，

20、步矩角=0.36,初定脈沖當量 =0.005mm/p,絲杠導程tsP=5 mm,中間齒輪傳動比i為: i=(tsP)(360i)=0.725(3600.01)=1由i確定用剛性聯(lián)軸器.2)等效傳動慣量計算(不計傳動效率)式中 鋼密度=7.8103 kg/cm3滾珠絲杠轉(zhuǎn)動慣量 Js=(d04l)32=(2.0)43.17.81033210-4 kg.m2 =3.110-5 kg.m2拖板及工作物重和導軌折算到電機軸上的轉(zhuǎn)動慣量,拖板及工作物重和導軌及絲杠重之和約為20kgJw=(w/g)(tsP2) 2 i2=1.2710-5kg.m2因此,折算到電機軸上的等效轉(zhuǎn)動慣量JeJe= Jw+Js

21、=4.3710-5 kg.m2 3)等效負載轉(zhuǎn)矩計算(以下為折算到電機軸的轉(zhuǎn)矩)Mt=(Fy+Fx) tsP/(2i)= 0.089N.mMf= (Ff tsP)/(2i)=1.1910-3N.m上述式中 絲杠預緊時的傳動效率取 =0.8nmax=(vmax/)(/360)=(1600/0.005) (0.36/360)=320r/min取起動加速時間t=0.03 s初選電動機型號90BF006,其最大靜轉(zhuǎn)矩 Mjmax=2.25N.m,轉(zhuǎn)動慣量Jm=1.76410-4 kgm2, fm=2400Hz.故 M0=(Fp0tsp)(2i) (1-02)= (1/3Fytsp)(2i) (1-02

22、) =0.03N.m式中 Fp0滾珠絲杠預加負荷,一般取Fy/3 Fy進給牽引力(N) 0滾珠絲杠未預緊時的傳動效率,取0.964J=( Je +Jm)=2.5710-4 kg.m2M=( Je +Jm)( 2nmax)/(60t)=0.3 N.mMq= Mmax+ Mf+ M0=0.33N.mMk= Mf+ M0=0.03N.m從計算可知, Mq最大,作為初選電動機的依據(jù).Mq/ Mjmax=0.33/2.25=0.150.9 滿足所需轉(zhuǎn)矩要求.4)步進電機動態(tài)特性校驗Je /Jm=0.19 fLfc=v1max/(60)=250/(600.005)=833 T1，許用轉(zhuǎn)速n=8800r/m

23、in400r/min。軸孔直徑有8mm,9mm, 10mm, 11mm, 12mm, 14mm. 所以要對絲杠一端進行加工（絲杠留有一定的余量）。4.Y軸滾動導軌設(shè)計計算導軌的功用是使運動部件沿一定的軌跡運動,并承受運動部件上的載荷,即起導向和承載作用,導軌副中,運動的一方稱作運動導軌,與機械的運動部件聯(lián)結(jié),不動的一方稱作支承導軌,與機械的支承部件聯(lián)結(jié).支承部件用以支承和約束運動導軌,使之按功能要求作正確的運動.1）導軌承受重量計算上面計算得知，下導軌所承受的重量約為20kg2）滾動導軌副的計算驗證滑塊承受載荷Fmax的計算，考慮最不利的情況，即垂直于臺面的工作載荷全部由一個滑塊承擔，則Fmax =（25/4）9.8N=61.25N。查表得，HGH15CA型號的直線滾動導軌副額定動載荷Ca =7.94kNFmax, 額定靜載荷Ca =9.5kN Fmax ，滿足條件。距離額定壽命L的計算HGH15CA型號的直線滾動導軌副的滾道硬度為60HRC，工作溫度不超過100，每根導軌上配有兩只滑塊，精度為4級，工作速度較低，載荷不大。分別取硬度系數(shù)f