二坐标数控工作台设计（毕业论文）.doc

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1、宁波大学科技学院理工分院机械设计制造及其自动化专业机电模块课程设计设计题目二坐标数控工作台设计专 业机械设计制造及其自动化姓 名胡宏达学 号084173914班 级08机械1班指导教师胡利永学 期20112012学年第二学期设计时间2012、02、172012、03、09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、二坐标数控工作台电气控制原理图一张（A1）；4、计算说明书草稿一份。成 绩2012、03目录一、机电专业课程设计目的1二、机电专业课程设计的任务和要求1三、X轴方案及参数计算21方案拟定22. X轴步进电机参数确定及选择33、X轴圆柱斜

2、齿轮传动设计64几何尺寸计算10四、X轴机械结构总体设计计算101.X轴滚珠丝杠设计计算102.X轴滚动导轨设计计算13五、Y轴方案及参数计算141.Y轴步进电机参数确定及选择142.Y轴联轴器选择17六、Y轴机械结构总体设计计算171.Y轴滚珠丝杠设计计算172.Y轴滚动导轨设计计算20七、绘制装配图21八、电气原理图设计221.典型数控工作台电气原理图的说明22九、参考文献：25一、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、；（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。二、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）工作台装配图一张（0号） （2）控制电器图一张（1号） （3）设计说明书一份（1020页 ） 所有图样均

4、采用CAD绘制打印，设计说明书按规定撰写。三、X轴方案及参数计算1 方案拟定方案拟定即确定工作台传动的形式和控制方式及主要部件或器件的类型。（1）驱动控制方式 由给定的工作台精度要求较低，为简化结构，故采用单片机控制的步进电机驱动系统。主要由步进电机、单片机驱动控制电路、滚珠丝杠副组成。（2）传动形式确定工作台X方向和Y方向两个坐标分别采用步进电机单独驱动。工作台X方向采用一级齿轮传动方式，可以通过降速扩大转矩输出，匹配进给系统惯量，获得要求的输出机械特性，同时减小脉冲当量。工作台Y方向采用直接传动方式，电机通过刚性联轴器与滚珠丝杠联结。结构紧凑，传动效率高。丝杠转速与转矩输出完全与电机的输出

5、特性一致。2. X轴步进电机参数确定及选择X参数选定与计算vx=2.0 m/min=0.033m/s，Fx=120 N，Px=Fxvx=3.96W1）脉冲当量选择初选五相电机，按五相十拍工作时，步矩角=0.36°,初定脉冲当量=0.004mm/p,丝杠导程tsP=5 mm,中间齿轮传动比i为: i=(tsP)(360)=0.36×5(360×0.004)=1.25由i确定齿轮齿数为Z1=24,Z2=30；模数m=2mm，齿宽B1=16mm,B2=15mm(计算过程见4)2)等效传动惯量计算(不计传动效率)小齿轮转动惯量 Jg1=(d14b1)32=(4.978)4

6、×1.6×7.85×10-332kg.m2 =0.76×10-4 kg.m2式中：钢密度=7.85×10-3 kg/cm3同理,大齿轮转动惯量 Jg2=1.7×10-4 kg.m2 由书表3-13初选滚珠丝杠 CDM2005-2.5 得到 d0=20 mm l=490 mm滚珠丝杠转动惯量 Js=(d04l)32=(2)4×49×7.85×10-332×10-4 kg.m2 =0.6×10-4 kg.m2拖板及工作物重折算到电机轴上的转动惯量,拖板及工作物重之和约为 10+2=12kg

7、Jw=(w/g)×(tsP2) 2 ÷i2 =12×(5×10-32) 2÷(1.25)2kg.m2 =4.86×10-6 kg.m2因此,折算到电机轴上的等效转动惯量JeJe= Jg1+ Jw+( Jg2+Js) ÷i2 =76×10-6 +4.86×10-6 +(170×10-6 +60×10-6) ÷(1.25)2 =2.2806×10-4 kg.m2 3)等效负载转矩计算(以下为折算到电机轴的转矩)由书式(4-7)(4-9)可知:Mt=(Fx+Fy) tsP

8、/(2i)= (120+0.06×120) × 0.005/(2×0.8×1.25)=0.101N.mMf= (Ff tsP)/(2i)= (W tsP)/(2i)=(0.06×13×9.8×0.005)/ (2×0.8×1.25)=0.00609N.m上述式中为丝杠预紧时的传动效率取 =0.8，为摩擦系数取0.06 nmax=（Vmax /）×(/360°)=250 r/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=2.156N

9、83;m,转动惯量Jm=2.257×10-4 kg·m2, fm=2400Hz. 故M0=(Fp0tsp)÷(2i) ×(1-02)= (1/3Fxtsp)÷(2i) ×(1-02) =(1/3) ×120×0.005÷(2×0.8×1.25) ×1-(0.9)2=0.0061 N.m式中 Fp0 滚珠丝杠预加负荷,一般取Fx/3 Fx 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)= 2.2806×10-4 kgm2+2.257

10、×10-4 kg.m2=4.537×10-4 kg.m2M=( Je +Jm)( 2nmax)/(60t)=4.537×10-4 ×(2×250)÷(60×0.03) =0.3957N.mMq = Mmax+ Mf+ M0=0.3962+0.00609+0.0061=0.40839N.mMc = Mt+ Mf+ M0=0.101+0.00609+0.0061=0.11319 N.mMk= Mf+ M0=0.01219N.m从计算可知, Mq最大,作为初选电动机的依据.Mq/ Mjmax=0.189 满足所需转矩要求.4)步进

11、电机动态特性校验Je /Jm=2.2806/2.257=1.01<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=1692.83 Hz步进电机工作时最大空载起动频率和切削时最大工作频率fq=Vmax/(60)=1000/(60×0.004)=4167> fLfc=V1max/(60)=200/(60×0.004)=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、X轴圆柱斜齿轮传动设计1）.选定齿轮精度、材料、齿数及螺旋角（1）.选精度为7级 （2）

12、 .选小齿轮为40Cr（调质），硬度为280HBS，大齿轮材料为45钢（调质）,硬度为240HBS，两者硬度差为40HBS（3）.选择齿数Z1=24，Z2=Z1×i=24×1.2530（4）.选取螺旋角，初选14°2）.a）、按齿面接触疲劳强度设计d1t>=2Kt×T1×（u1）×(ZHZE)2/d×a×u×H2(1/3)（1）.试选Kt=1.6, (由1表10-6)得材料弹性影响系数ZE189.8MPa1/2（2）.(由1图10-30得)选取区域系数ZH=2.433,(由1表10-7)选取齿宽系数

13、d0.3，（3）.（由1图10-26）查得a10.78，a2 0. 8，则aa1+a2 1.58（4）.应力循环系数取j=1 已知V=1.0m/min，滚珠丝杠的基本导程P=5mm，则nmax=(vmax/)×(/360°)=(1000/0.004) ×(0.36/360)=250 r/min所以 N1=60njLh=60×250×1×(2×8×300×15)1.08×109 N2=N1/i=1.08×109/1.258.64×108(5).（由1图10-19）查得接触疲劳寿

14、命系数KHN1=0.86，KHN2=0.87(6).（由1图10-21d）查得小齿轮接触疲劳强度极限 Hlim1=600MPa 大齿轮的接触疲劳强度极限Hlim2=550MPa(7).计算疲劳强度许用应力，取安全系数S=1 H1KHN1×Hlim1/S=0.86×600/1516MPaH2KHN2×Hlim2/S=0.87×550/1478.5MpaH= （H1+H2）/2 =497.25Mpa(8).计算小齿轮传递的转矩T1=9.55×106Px/nx=77.9N.mm b）、计算（1）.试算小齿轮分度圆直径d1t>=2Kt×

15、T1×（u1）×(ZHZE)2/d×a×u×H2(1/3)=2×1.6×77.9×2.25/（0.3×1.58×1.25）×（2.433×189.8/494.25）2（1/3） 9.38mm（2).计算圆周速度 v=d1tn1/(60×1000)0.123 m/s（3).计算齿宽b及模数mnt, b=dd1t=0.3×9.382.81mmmnt=d1tcos/Z1=9.38×cos14°/24=0.38mm h=2.25mnt=2.25

16、×0.38mm = 0.855mm b/h=2.81/0.855=3.3（4).计算纵向重合度0.318×d×Z1×tan=0.318×0.3×24×tan14°=0.57（5).计算载荷系数K，查1表10-2，得使用系数KA=1.25,根据v=0.123 m/s ,7级精度，由书图10-8查得动载系数Kv=1.01,（由书表10-4）查得KH的计算公式：KH=1.12+0.18(1+0.67d2)d2+0.23×10-3×b =1.14由b/h=3.3,(由书图10-13)查得KF=1.08, 由（1表10-3）查得KH=KF=1.2,故载荷系数K=kAKvKHKH=1.25×1.01×1.2×1.081.6362（6）.按实际的载荷系数校正所算得的分度圆直径d1=d1t(K/Kt)(1/3)=9.38×（1.6362/1