y數(shù)控工作臺(tái)課程設(shè)計(jì)

1、本科生專業(yè)課程設(shè)計(jì)學(xué)生姓名：學(xué) 號(hào)：專業(yè)名稱：班 級(jí)：指導(dǎo)教師：2014年5月任 務(wù) 書 錯(cuò)誤!未定義書簽。二、總體方案的確定 錯(cuò)誤!未定義書簽。三、機(jī)械傳動(dòng)部件的計(jì)算與選型 錯(cuò)誤!未定義書簽。四、工作臺(tái)機(jī)械裝配圖的繪制 錯(cuò)誤!未定義書簽。五、工作臺(tái)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 錯(cuò)誤!未定義書簽。參考文獻(xiàn) 錯(cuò)誤!未定義書簽。附件1 錯(cuò)誤!未定義書簽。附件2 錯(cuò)誤!未定義書簽。附件3 錯(cuò)誤!未定義書簽。附件4 錯(cuò)誤!未定義書簽。任務(wù)書設(shè)計(jì)題目：X-Y數(shù)控工作臺(tái)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)任務(wù):設(shè)計(jì)一臺(tái)微機(jī)控制 XY兩坐標(biāo)工作臺(tái)，供立式數(shù)控銃床使用。具體內(nèi)容如下：1、 機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)：通過計(jì)算，正確選擇傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、 導(dǎo)向機(jī)構(gòu)

2、、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)等, 根據(jù)計(jì)算說明，繪制機(jī)械系統(tǒng)裝配圖。2、 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)：根據(jù)系統(tǒng)要求，選擇正 確的控制策略，設(shè)計(jì)合理的控制系統(tǒng)，并繪制控 制系統(tǒng)電路圖。3、 主要程序設(shè)計(jì)：在機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)與控制 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行控制系統(tǒng)的主程序設(shè)計(jì), 列出程序清單。4、 設(shè)計(jì)說明書撰寫。系統(tǒng)主要參數(shù)：1、立銃刀最大直徑 d=20mm2、立銃刀齒數(shù)Z=33、最大銃削寬度ae 20mm4、最大背吃刀量 ap 10mm5、加工材料為碳素鋼或有色金屬6、X,Y方向的脈沖當(dāng)量 x y 0.01mm/p7、X,丫方向的定位精度均為土8、工作臺(tái)面尺寸為 400mm< 500mm戰(zhàn)們這個(gè)長度 400以下），

3、加工范圍為 200mm< 200mm9、工作臺(tái)空載最快移動(dòng)速度 VxmaxVymax5000 mm / min10、 工作臺(tái)進(jìn)給最快移動(dòng)速度v f v f 350mm/ minxmax f ymax f時(shí)間安排及任務(wù)：一、系統(tǒng)功能介紹、總體方案設(shè)計(jì)（1 天）1 .機(jī)電一體化產(chǎn)品設(shè)計(jì)的基本過程介紹；2. XY工作臺(tái)功能介紹；3.總體方案的確定二、單元功能模塊介紹和設(shè)計(jì)任務(wù)的落實(shí)（1 天）三、詳細(xì)設(shè)計(jì)（8 天）1機(jī)械系統(tǒng)裝配圖設(shè)計(jì)；2控制各部分原理圖的設(shè)計(jì)；3主功能程序的編制二、總體方案的確定1、機(jī)械傳動(dòng)部件的選擇(1)導(dǎo)軌副的選用要設(shè)1f的X-Y工作臺(tái)是用來配套輕型的立式數(shù)控銃床， 需要承

4、載的載荷不大，但脈沖當(dāng)量小(x y 0.01mm/p),選直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副定位精度高(VxmaxfVymaxf350mm/min),因此，決定選用直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副，它具有摩擦系數(shù)小、不易爬行、傳動(dòng)效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、安裝預(yù)緊方便等優(yōu)點(diǎn)。(2)絲杠螺母副的選用伺服電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)需要通過絲杠螺母副轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動(dòng)，要滿足的脈沖當(dāng)量和土的定位精度，滑動(dòng)絲杠副無能為力,選滾動(dòng)絲杠螺母副擬采用減速器只有選用滾珠絲杠副才能達(dá)到。滾珠絲杠副的傳動(dòng)精度高、動(dòng) 態(tài)響應(yīng)快、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、壽命長、效率高、預(yù)緊后可消除反向間隙，而且滾珠絲杠已經(jīng)系列化, 選用非常方便，有利于提高開發(fā)效率。(3)減速裝置的選用選擇了步進(jìn)電動(dòng)機(jī)和滾

5、珠絲杠副以后，為了圓整脈沖當(dāng)量，放大電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩，降 低運(yùn)動(dòng)部件折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，可能需要減速裝置，且應(yīng)有消除間隙機(jī)構(gòu)。為 此，系統(tǒng)中決定采用無間隙齒輪傳動(dòng)減速箱。(4)伺服電動(dòng)機(jī)的選用任務(wù)書規(guī)定的脈沖當(dāng)量尚未達(dá)到，定位精度也未達(dá)到微米級(jí)，空載最快移動(dòng)速度也只有2000mm/min。因此，本設(shè)計(jì)不必采用高檔次伺服電機(jī)選步進(jìn)電機(jī)的伺服電動(dòng)機(jī)，如交流伺服電動(dòng)機(jī)或直流伺服電動(dòng)機(jī)等，_可以選用性能好一些的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)， 如混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，以降低成本，提高性價(jià)比。(5)檢測裝置的選用選用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)作為伺服電動(dòng)機(jī)后，可選開環(huán)控制，也可選閉環(huán)控制。任務(wù)書所給精度 對(duì)于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)來說還是偏高的

6、，為了確保電動(dòng)機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中不受切削負(fù)載和電網(wǎng)的影響 而失步，決定采用半閉環(huán)控制，并在電動(dòng)機(jī)的尾部轉(zhuǎn)軸上安裝增量式旋轉(zhuǎn)編碼器，用以檢測 電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)角與轉(zhuǎn)速。增量式旋轉(zhuǎn)編碼器的分辨率應(yīng)與步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角相匹配。考慮到X、Y兩個(gè)方向的加工范圍相同，承受的工作載荷相差不大，為了減少設(shè)計(jì)工作 量，X、Y兩個(gè)坐標(biāo)的導(dǎo)軌副、絲杠螺母副、減速裝置、伺服電動(dòng)機(jī)，以及檢測裝置擬采用相 同的型號(hào)與規(guī)格。檢測裝置的選用：增量式旋轉(zhuǎn)編碼器2、控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)(1)設(shè)計(jì)的 X-Y工作臺(tái)準(zhǔn)備用在數(shù)控銃床上，其控制系統(tǒng)應(yīng)該具有單坐標(biāo)定位、兩坐標(biāo)直線插補(bǔ)與圓弧插補(bǔ)的基本功能，所以控制系統(tǒng)應(yīng)該設(shè)計(jì)成連續(xù)控制型。連續(xù)控制型(2)

7、對(duì)于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的半閉環(huán)控制，選用MCS-51系列的8位單片機(jī)AT89S52作為控制系統(tǒng)的CPU應(yīng)該能夠滿足任務(wù)書給定的相關(guān)指標(biāo)。單片機(jī)選：AT89S52(3)要設(shè)計(jì)一臺(tái)完整的控制系統(tǒng)，在選擇CPE后，還需要擴(kuò)展程序存貯器、數(shù)據(jù)存貯器、鍵盤與顯示電路、I/O接口電路、D/A轉(zhuǎn)換電路、串行接口電路等。需要電路擴(kuò)展(4)選擇合適的驅(qū)動(dòng)電源，與步進(jìn)電動(dòng)機(jī)配套使用，我們將自行設(shè)計(jì)。自行設(shè)計(jì)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電源可鍛鑄鐵L<CCL 1.1 £ 0.75 1 1.3 1.00.20-7Fc4825ae fz d aD n Zce zp圓柱銃刀碳鋼L/ccc 0.88 £0.75 0.87

8、 1.07FC1000aefz d aD Zcezp灰鑄鐵LC 0.9 工 0.80 . 0.90 1.0)Fc596ae fzd ap Z二面力銃刀碳鋼LCLCC 0.9 £0.80,1.1 1.10.1-7Fc2560ae fzd aD n Zce zp兩面刃銃刀Ler/八 0.8 上 0.70 . 1.1 0.85 rFc2746ae fz d ap Z立銃刀FC118a0.85fz0.75d 0.73a；0n 0.13Zcezp期中：ap為背吃刀量 mm ae為側(cè)吃刀量 mm fz為每齒進(jìn)給量 mm/Z Vf進(jìn)給速度 mm/min; Z銃 刀齒數(shù)；d銃刀直徑 mm n銃刀轉(zhuǎn)速

9、r/min ,見圖2-1。0.850.750.73 1.00.13-7Fc118aefzd aD n Z(2-1)cezpc)圖2-1銃削用量說明若銃刀直徑d=15mm齒數(shù)Z=3,為了計(jì)算最大銃削力，在不對(duì)稱銃削情況下，取最大銃 削寬度ae=15mm背吃刀量ap=8,每齒進(jìn)給量fz=Z;銃刀轉(zhuǎn)速 n=300r/min 。則由公式 2-1求 得最大銃削力：Fc 1 18 200.85 0.10.75 20 0.73 810 3000.13 3 1893N c采用立銃刀進(jìn)行圓柱銃削時(shí)，各銃削力之間的比值可由表2-2。表2-2各銃削力之間比值銃削條件比值對(duì)稱銃削不對(duì)稱銃削逆銃順銃端銃削Ff / F

10、cae=d/mmFe / F cf z=/)Ffn/ F c圓柱銃削Ft / F cae= d/mmFrn / F cf z=/)Fe / F cu) I#柱摩鐵刀怖刖力b)而航力銃削力圖2-2銃削力分析Fz=719NFx=2082NFy=473N圖2-3順銃與逆銃由表2-2 ,圖2-2和圖2-3 ,考慮逆銃情況，可估算出三個(gè)方向的銃削力分別為:Ff 1.1Fc 2082NFe 0.38Fc 719NFfn 0.25Fc 473N圖2-3a為臥銃情況，現(xiàn)考慮立銃，則工作臺(tái)受到垂直方向的銃削力Fz=Fe=719N,受到水平方向的銃削力分別為Ff和Ffn。今將水平方向較大的銃削力分配給工作臺(tái)的縱向

11、（絲杠軸線方向），則縱向銃削力 Fx=Ff=2082N,徑向銃肖1力 Fy=Ffn=473N。3、直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副的計(jì)算與選型（1）滑塊承受工作載荷Fmax的計(jì)算及導(dǎo)軌型號(hào)的選取工作載荷是影響直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副使用壽命的重要因素。X-Y工作臺(tái)采用水平布置，利用雙導(dǎo)軌、四滑塊的支承形式?？紤]最不利的情況，即垂直于臺(tái)面的工作載荷全部由一個(gè)滑塊承擔(dān)，則單滑塊所受的最大垂直方向載荷為：Fmax G F（22）4其中，移動(dòng)部件重量 G-900N外加載荷F=Fz=719N,代入式2-2得最大工作載荷G900Fmax F 719 1169 N 1.169kN 44查表3-4148,根據(jù)工作載荷 Fmax=,初選直

12、線滾動(dòng)導(dǎo)軌副的型號(hào)為ZL系列的JSA-LG45型，其額定動(dòng)載荷 Ca=,額定靜載荷C0a=o任務(wù)書規(guī)7E工作臺(tái)面尺寸為400mm< 500mm加工范圍為 200mm< 200mm考慮工作仃程應(yīng)留有f余量，查表 3-35 345 ,按標(biāo)準(zhǔn)系列，選取導(dǎo)軌長度為 750mm.表3-35 JSA型導(dǎo)軌長度系列導(dǎo)軌副的型號(hào):ZL系列的JSA-LG45 型導(dǎo)軌長度為750mm導(dǎo)軌型號(hào)導(dǎo)軌長度系JSA-LG15280340400460520580640700760820940JSA-LG20340400520580640760820940100011201240JSA-LG25460640800

13、10001240136014801600184019603000JSA-LG3552060084010001080124014801720220024403000JSA-LG4555065750850950125014501850205025503000JSA-LG5566078090010201260138015001980222027003000JSA-LG65820970112012701420157017202020232027703000(2)距離額定壽命L的計(jì)算上述選取的ZL系列JSA-LG45型導(dǎo)軌副的滾道硬度為 60HRC工作溫度不超過 100C,每根導(dǎo)軌上配有兩只滑塊，精度為

14、4級(jí)，作速度較低，載荷小大。查表表2-4硬度系數(shù)距離壽命為180km遠(yuǎn)大于期望值50km,故距離額定壽命滿足要求滾道硬度(HRC50555864f H表2-5溫度系學(xué)攵工作溫度/ c<100100150150200200250f T表2-6接觸系數(shù)每根導(dǎo)軌上滑塊數(shù)12345f C表2-7精度系學(xué)攵精度等級(jí)2345f R1.表2-8載荷系數(shù)工況無外部沖擊或震動(dòng)的低速場合，速度小于15m/min無明顯沖擊或振動(dòng)的中速場合，速度為1560m/min有外部沖擊或振動(dòng)的高速場合，速度大于 60m/minf W122分別取硬度系數(shù)fH=、溫度系數(shù)fT=、接觸系數(shù)fc =、精度系數(shù)fR =、載荷系數(shù)f

15、w=，代入式2-3 13146,得所選絲杠的距離壽命為180kmi3fH fT fc fR CLH T c R _a_50（2-3）fWF max3日- 1.0 1.00 0.81 0.9 42.5" crc ,2即 L 50 2.76 105 km1.5 1.169結(jié)論：所選導(dǎo)軌的距離壽命遠(yuǎn)大于期望值50km,故距離額定壽命滿足要求。4、滾珠絲杠螺母副的計(jì)算與選型（1）最大工作載荷Fm的計(jì)算在立銃時(shí)，工作臺(tái)受到進(jìn)給方向的載荷（與絲杠軸線平行）Fx=2082N,受到橫向的載荷（與絲杠軸線垂直）Fy=473N,受到垂直方向的載荷（與工作臺(tái)面垂直）Fz=719N。已知移動(dòng)部件總重量 G=

16、900N按矩形導(dǎo)軌進(jìn)彳T計(jì)算，查表 2-938,表2-9 最大工作載荷Fm實(shí)驗(yàn)計(jì)算公式及參考系數(shù)導(dǎo)軌類型實(shí)驗(yàn)公式K矩形導(dǎo)軌Fm KFx(Fz Fy G)燕尾導(dǎo)軌Fm KFx(Fz 2Fy G)三角形或綜合導(dǎo)軌Fm KFx(Fz G)0.8最大工作載荷：Fm 2301N注：表中摩擦因數(shù)科均為滑動(dòng)導(dǎo)軌。對(duì)于貼塑導(dǎo)軌科=，滾動(dòng)導(dǎo)軌科=。表中，F(xiàn)x為進(jìn)給方向載荷，F(xiàn)y為橫向載荷，F(xiàn)z為垂直載荷，單位均為 N; G為移動(dòng)部件總 重力，單位為N; K為顛覆力矩影響系數(shù)；科為導(dǎo)軌的摩擦系數(shù)。取移動(dòng)部件總重量 G=900N按矩形導(dǎo)軌進(jìn)彳f計(jì)算，查表 2-9 ,取顛覆力矩影響系數(shù) K= 滾動(dòng)導(dǎo)軌上的摩擦因素H

17、=。求得滾珠絲杠副的最大工作載荷：、FmKFX（FzFvG）1.1 2082 0.005 719 473 9002301Nmix zy/（2）最大動(dòng)載荷Fq的計(jì)算設(shè)工作臺(tái)在承受最大銃削力時(shí)的最快進(jìn)給速度v=350mm/min,初選絲杠導(dǎo)程 Ph=5mrm則此時(shí)絲杠轉(zhuǎn)速 n=v/P h=70r/min 。取滾珠絲杠的使用壽命T=15000h,代入L0=60nT/106,得絲杠壽命系數(shù) Lo=63 （單位為：106r）。查表2-1039,取載荷系數(shù)fm,滾道硬度為60HRCM,取硬度系數(shù)fH=,代入式2-4 38Fq VL0fWfHFm（2-4）即：FQ V63 1.2 1,0 2301 9698

18、N式中：L0滾珠絲杠副的壽命，單位（106r）。L0=60nT/106,（其中T為使用壽命，普通機(jī) 械取T=500010000h,數(shù)控機(jī)床及一般機(jī)電設(shè)備取T=15000h; n為絲杠每分鐘轉(zhuǎn)速）；fw載荷系數(shù)，由表 2-10查得。3硬度系數(shù)（ 58HRCM,取； Q 55HRC時(shí)，?。?T時(shí)，取； T50HRC時(shí)，??；Q 45HRCM,?。?；最大動(dòng)載荷Fq=9698NFm滾珠絲杠副的最大工作載荷，單位為N。表2-10滾珠絲杠載荷系數(shù)運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)載荷系數(shù)fw平穩(wěn)或輕度沖擊中等沖擊較大沖擊或振動(dòng)(3)初選型號(hào)根據(jù)計(jì)算出的最大動(dòng)載荷和初選的絲杠導(dǎo)程，查附件3表3-3139,選擇濟(jì)寧博特精密絲杠制造有限公

19、司生產(chǎn)的GD系列2505-4型滾珠絲杠副，為內(nèi)循環(huán)固定反向器單螺母式，其公稱直徑為25mm導(dǎo)程為5mm循環(huán)滾珠為4圈X 2歹U,精度等級(jí)取5級(jí)，額定動(dòng)載荷為11921N, 大于Fq,滿足要求。GD系列 2505-4型滾珠絲杠副(4)傳動(dòng)效率Y的計(jì)算將公稱直徑d0=25mm導(dǎo)程R=5mm代入arctanPh/( d0),得絲杠螺旋升角3 38 。將摩擦角10 ,代入tan /tan，得傳動(dòng)效率95.9%。效率要求大于90%該絲杠副合格。95.9% >90%合格。(5)剛度的驗(yàn)算1) X-Y工作臺(tái)上下兩層滾珠絲杠副的支承均采用“單推-單推”的方式。絲杠的兩端各采用一對(duì)推力角接觸球軸承，面對(duì)面

20、組配，左、右支承的中心距離約為a=550mm鋼的彈性模量E=xi05MPa；查附件3 ,得滾珠直徑Da=,絲杠底徑d2=,絲杠截面積Sd；/4 352.8mm2。絲杠的拉伸或壓縮變形量8 i在總變形量中的比重較大，可按下式計(jì)算：(2-5)341式中:Fm一絲杠的最大工作載荷，單位為絲杠兩端支承間的距離，單位為mm絲杠材料的彈性模量，鋼的E=x 105MPa絲杠按底徑d2確定的截面積，單位為2mm轉(zhuǎn)矩，單位為 N mm絲杠按底徑d2確定的截面積慣性矩（d 4 /64 ),單位為 mrn滾珠與螺紋滾道間白接粗變形量62無預(yù)緊時(shí)2 0.003& 1Fm 2 D 10Z(2-6)341有預(yù)緊時(shí)

21、2 0.0013Fm103 DwFyjZ2/10(2-7)341式中Dw-一滾珠直徑,mm£ 滾珠總數(shù)量,Z匯=ZX圈數(shù)X列數(shù)單圈滾珠數(shù),Z d0 / Dw （外循環(huán)），Zd0/Dw3 （內(nèi)循環(huán)）2Fma Ma1ES 2 IEYJ 預(yù)緊力，單位絲杠剛度足夠忽略式2-5中的第二項(xiàng)，算得絲杠在工作載荷Fm作用下產(chǎn)生的拉/壓變形量=加Fma2301 550即 1m.0.0171mmES 2.1 105 352.82 ）根據(jù)公式Z d0/DW 3,求得單圈滾珠數(shù) Z=22;該型號(hào)絲杠為單螺母，滾珠的圈數(shù)X列數(shù)為 4X2,代入公式：Zx=ZX圈數(shù)X列數(shù)，得滾珠總數(shù)量Zx=176。絲杠預(yù)緊時(shí),取

22、軸向預(yù)緊力Fy尸F(xiàn)M3=767N。則由式2-7,滾珠與螺紋滾道間的接觸變形量82Fe23012 0.0013,m ,0.00130.0015mm10,'DwFyjZ2/101033.175 767 1762/10因?yàn)榻z杠加有預(yù)緊力，且為軸向負(fù)載的1/3 ,所以實(shí)際變形量可減小一半，82=o3）將以上算出的8 1和8 2代入總 12 0.0171 0.0005 0.0176mm 17.6 m。絲杠的有效行程為 400mm由表3-2735知，5級(jí)精度滾珠絲杠有效行程在315400mm時(shí)，行程偏差允許達(dá)到25 dm可見絲杠剛度足夠。（6）壓桿穩(wěn)定性校核滾珠絲杠是屬于受軸向力的細(xì)長桿，如果軸向

23、負(fù)載過大，則可能產(chǎn)生失穩(wěn)現(xiàn)象。失穩(wěn)時(shí)的臨界載荷Fk應(yīng)滿足：Fk 三國 Fm（2-8）42Ka式中F k臨界載荷，單位 Nfk絲杠支承系數(shù)，如表所示K 壓桿穩(wěn)定安全系數(shù)，一般取4,垂直安裝時(shí)取小值；A滾珠絲杠兩端支承間的距離，單位為mm表2-11絲杠支承系數(shù)42絲杠不會(huì)失穩(wěn)方式雙推-自由雙推-簡支雙推-雙推0-0f k241綜上所述，初選的滾珠絲杠副滿足使用要求查表2-11 ,取fk=1;由絲杠底徑d2=,求得截面慣性矩:44I d /64 9910.44mm ；壓桿穩(wěn)定系數(shù) K取3 (絲杠臥式水平安裝)；滾動(dòng)螺母至 軸向固定處的距離 a取最大值550mm代入式2-8 ,得臨界載荷 Fk=226

24、11N,遠(yuǎn)大于工作載荷Fm=2301N,故絲杠不會(huì)失穩(wěn)。綜上所述，初選的滾珠絲杠副滿足使用要求。5、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)減速箱的選用為了滿足脈沖當(dāng)量的設(shè)計(jì)要求， 增大步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩，同時(shí)也為了使?jié)L珠絲杠和工作臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量折算到電動(dòng)機(jī)軸上盡可能小，決定在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的輸出軸上安裝一套齒輪減速箱。采用一級(jí)減速，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的輸出軸與小齒輪聯(lián)接，滾珠絲杠的軸頭與大齒輪聯(lián)接。其中大齒輪設(shè)計(jì)成雙片結(jié)構(gòu)，采用右圖所示的彈簧錯(cuò)齒法消除側(cè)隙。(1)計(jì)算減速器傳動(dòng)比已知工作臺(tái)的脈沖當(dāng)量8=P,滾珠絲杠的導(dǎo)程 Ph=5mm初選步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角e算得減速比:Ph0.75 55360360 0.014步進(jìn)電機(jī)步距角p絲杠導(dǎo)

25、程mmp 工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)的脈沖當(dāng)量pmm3020倒4icn耳流衲曲p r Ir I i圖5-33傳動(dòng)級(jí)數(shù)選擇曲線機(jī)電一體化設(shè)計(jì)基礎(chǔ)按圖5-33 ,選一級(jí)齒輪傳動(dòng)(2)齒輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)傳遞功率工作臺(tái)進(jìn)給抗力工作臺(tái)移動(dòng)速度/傳動(dòng)鏈效率V帶傳動(dòng)聯(lián)軸器傳動(dòng)圓柱齒輪傳動(dòng)一對(duì)滾動(dòng)軸承絲杠螺母副符號(hào)Y v刀cT gY b刀s效率機(jī)械傳動(dòng)效率概略值(供參考)初選效率為。傳遞功率 1200 -/0.98 7.14w1200傳遞功率:Sf取安全系數(shù)SH1.1Hlim1 11301027.27MPaH1Sh1.1H lim 2550H 2Sh1.1500MPa小齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度極限Flim1 240MPa大齒輪的彎曲疲勞

26、強(qiáng)度極限Flim2 190MPaB SF1.3Flim1 240184.62MPaF1Sf1.3Flim2 190146.15MPaF2Sf1.3(5)按齒面接觸強(qiáng)度設(shè)計(jì)設(shè)齒輪按7級(jí)精度制造。取載荷系數(shù)，齒寬系數(shù)a 0.3,中心距:a= c c P c cT 9550 9550n41637.14 10 30.164 N?m取z13 :335 a u 1 f H32；大齒輪齒數(shù):aU3 1 335- 5001.1 0.164 100013.5mm50.34Z2iz132 40模數(shù)m2a2 13.5 0.375；按實(shí)際取m=z1 z240 32確定中心距m0.9，a 一 z1 z240 32 32

27、.422X b= aa 0.3 32.4 9.72mm取 b2 10mm; b1 10mm校驗(yàn)結(jié)果：安全(6)驗(yàn)算輪齒彎曲強(qiáng)度齒形系數(shù) YF1 2.4; YF21.672KTYf1 2 1.3 0.164 1000 2.4 5。一F1 2 2 56.85MPaF1 184.62bm z15 0.340Yeo2.4F2F1 -F2 56.85 81.7MPaF2 146.15YF11.67校驗(yàn)結(jié)果：安全。(7)齒輪的圓周速度dini3.14 0.3 40 87.5 八, 坨 ,v0.055m/s 10m/ s60 100060 1000選用7級(jí)精度是安全的。6、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的計(jì)算與選型(1)計(jì)算加

28、在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jeq已知：滾珠絲杠的公稱直徑d0=25mnm總長l=580mm導(dǎo)程 Ph=20mm材料密度 p = x 10-3 kg/cm3移動(dòng)部件總重力 G=900N小齒輪寬度bi=10mm直徑di = ;大齒輪優(yōu)度b2=10mm直徑d2=36mm傳動(dòng)比i=5/41）滾珠絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：434,d l7.85 100.0250.58 匚.八 51c 2 口 。2Js 17.5 10 kg?m 1.75kg ?cm3232小齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：434,d l7.85 10 0.0288 0.01 八 51c 2 八” c 2Jz1 0.53 10 kg?m 0.053kg ?cm32

29、32大齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：,d4l7.85 103 0.0364 0.015, o 2c 2Jz2- - 1.29 10 kg?m 0.129 kg ? cm托板折算到絲杠上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量： 一 2一22,PhPhG 0.5900 n _QO, /2JWmi0.582kg / cm22 g 29.8初選步進(jìn)電動(dòng)機(jī)型號(hào)為110BYG2502為兩相混合式，由常州寶馬集團(tuán)公司生產(chǎn)，二相八拍驅(qū)動(dòng)時(shí)步距角為。，從附件4表4-565查得該型號(hào)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jm=。則加在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：滾珠絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)慣量=小齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量二大齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量=托板折算到絲杠上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量=步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,，

30、 ,、, 22J eq J mJz1 (Jz2 JW JS) /i17.1 kg .cm(2)計(jì)算加在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩Teq分快速空載啟動(dòng)和承受最大工作負(fù)載兩種情況進(jìn)行計(jì)算?？焖倏蛰d啟動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩TeqlTeql Tamax Tf %(2-9)式中：Tama 快速仝載啟動(dòng)時(shí)折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的取大加速轉(zhuǎn)矩，NmT f移動(dòng)部件運(yùn)動(dòng)時(shí)折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩，NmT 0滾珠絲杠預(yù)緊后折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的附加摩擦轉(zhuǎn)矩，Nm12 Jeqnm 1Ta maxJeq(2 10)60ta式中:J eq步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量， 電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸的角加速度，rad/s 2n

31、m電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，r/minta電動(dòng)機(jī)加速所用時(shí)間，S, 一般在1s之間選取。(這里取 齒輪組總效率，取Y=Vmax2000 0.9 ; m.nm500r/min360360 0.01式中vmax空載最快移動(dòng)速度，任務(wù)書指te為2000mm/min; 步進(jìn)電機(jī)步距角，預(yù)選電動(dòng)機(jī)為。 脈沖當(dāng)量，任務(wù)書指定為P電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速=500r/min快速空載啟動(dòng) 時(shí)折算到電動(dòng) 機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最 人加速轉(zhuǎn)矩=由式2-10得Ta max217.1 10 4 500 2N.m 0.249 Nm60 0.4 0.9移動(dòng)部件運(yùn)動(dòng)時(shí)折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩=TfF摩Ph2 i(Fz G)Ph0.005 0 900 0.005

32、 0.003Nm20.9 1.25(2-11 )式中導(dǎo)軌的摩擦力,h滾珠絲杠導(dǎo)程,Y齒輪總效率,總的傳動(dòng)比,i=n m/n s,其中nm為電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，ns為絲杠的轉(zhuǎn)速?？埔灰粚?dǎo)軌摩擦因數(shù)（滑動(dòng)導(dǎo)軌取 ）,滾動(dòng)導(dǎo)軌?。贿@里取z 垂直方向的工作載荷，空載時(shí)Fz=0FwFcG(2-12 )式中：導(dǎo)軌摩擦因數(shù)（滑動(dòng)導(dǎo)軌取），滾動(dòng)導(dǎo)軌?。?；Fc垂直方向的工作載荷，車削時(shí)為Fc,立銃時(shí)為Fz單位為N,空載時(shí)Fc=0;運(yùn)動(dòng)部件的總總量，單位為T031(2-13)式中Fyj滾珠絲杠的預(yù)緊力，一般取滾珠絲杠工作載荷Fm的1/3 ,單位為N;0- 0滾珠絲杠未預(yù)緊時(shí)的傳動(dòng)效率，一般取刀0由于滾珠絲杠副的傳動(dòng)效率

33、很高，所以To值一般很小，與Tamax和Tf比起來，通?？梢院雎圆挥?jì)。由式2-9得快速空載啟動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩:滾珠絲杠預(yù)緊 后折算到電動(dòng) 機(jī)轉(zhuǎn)軸上的附 加摩擦轉(zhuǎn)矩 二0（即忽略）快速空載啟動(dòng) 時(shí)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸 所承受的負(fù)載 轉(zhuǎn)矩二Teql Tamax Tf 丁0 Tamax Tf 0.249 0.0030.252Nm2)最大工作負(fù)栽狀態(tài)卜.電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)栽轉(zhuǎn)矩Teq2Teq2 Tt Tf T0(2-14)式中：Tf和T0分別按式2-11和2-13計(jì)算。Tt折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大工作負(fù)載轉(zhuǎn)矩丁FfPh2082 0.005 彳”八，一Tt 1.326Nm(2-15)2 i 20.

34、9 1.25式中F f進(jìn)給方向最大工作載荷，單位No本設(shè)計(jì)對(duì)滾珠絲杠進(jìn)行計(jì)算的時(shí)候，已知沿著絲杠軸線方向的最大進(jìn)給載荷Fx=2802No由式2-11得：垂直方向承受最大工作負(fù)載(Fz=719N)情況下，移動(dòng)部件運(yùn)動(dòng)時(shí)折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩：丁F摩 Ph(Fz G)Ph0.005 719 900 0.005 彳一小Tf 1.146Nm2 i2 i20.9 1.25則由式2-14得：Teq2 Tt Tf To Tt Tf 2.472Nm綜上計(jì)算，得到加在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩應(yīng)為：Teq maxTeq1,Teq22.472Nm折算到電動(dòng)機(jī) 轉(zhuǎn)軸上的最大 工作負(fù)載轉(zhuǎn)矩=移動(dòng)部件運(yùn)動(dòng)

35、 時(shí)折算到電動(dòng) 機(jī)轉(zhuǎn)軸上的摩 擦轉(zhuǎn)矩=最大工作負(fù)載 狀態(tài)下電動(dòng)機(jī) 轉(zhuǎn)軸所承受的 負(fù)載轉(zhuǎn)矩Teq2二綜上計(jì)算，得到 加在步進(jìn)電動(dòng) 機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最 大等效負(fù)載轉(zhuǎn) 矩應(yīng)為：(3)步進(jìn)電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩的選定考慮到步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電源受電網(wǎng)電壓影響較大，當(dāng)輸入電壓降低時(shí)，其輸出轉(zhuǎn)矩會(huì)下降，可能造成丟步，甚至堵轉(zhuǎn)。因此，根據(jù)Teq選擇步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩時(shí)，需要考慮安全系數(shù)。這里取安全系數(shù)K=4,則步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩應(yīng)滿足:步進(jìn)電機(jī)最大T 4Tea 4 2.472 9.888Nmj max eq上述初選的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)型號(hào)為110BYG2502由附件4表4-5查得該型號(hào)電動(dòng)機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩Tjmax 20Nm

36、?？梢?，滿足要求。(4)步進(jìn)電機(jī)性能校核1)最快工作速度時(shí)電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩校核任務(wù)書給定工作臺(tái)最快加工進(jìn)給速度vmaxf 350mm/min，脈沖當(dāng)量0.01mm/則電動(dòng)機(jī)對(duì)應(yīng)的運(yùn)行頻率為:vmax f60350 583Hz60 0.01靜轉(zhuǎn)矩滿足要求。最快工作速度時(shí)電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩滿足要求。圖2-2 110BYG2502步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行距頻特性曲從圖2-2查得，在此頻率下，電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩Tmaxf=,大于最大工作負(fù)載轉(zhuǎn)矩Teq2=,滿足要求。2)最快空載移動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩校核任務(wù)書給定工作臺(tái)最快空載移動(dòng)速度vmax 2000mm/min ,則電動(dòng)機(jī)對(duì)應(yīng)的運(yùn)行頻率為:最快空載移動(dòng)vmax2000fmax a 3333 Hz6060 0.01從圖2-2查得，在此頻竹，電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩Tma）=6Nm大于快速空載啟動(dòng)時(shí)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩Teq1 = ,滿足要求。時(shí)電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩校核滿足要求3）最快空載移動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行頻率校核與最快空載移動(dòng)速度 Vmax 2000mm/min對(duì)應(yīng)的電動(dòng)機(jī)運(yùn)行頻率可達(dá)10000Hz。查附件4表4-5可知110BYG2502電動(dòng)機(jī)的空載運(yùn)行頻率可達(dá) 20000Hz,可見沒有超