二维精密数控工作台设计(共22页)

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1、精选优质文档-倾情为你奉上目录5总结.206参考文献1.序论1.1设计的目的“精密机械设计基础”课程设计作为实践环节对于整个课程具有非常重要的意义。在这次课程设计中不仅仅是完成一项指定的任务，更重要的是实际走过一个完整的设计过程。学生在课程设计中定位为设计者，对方案进行筛选论证，考虑结构工艺性和选材。整个设计采用AutoCAD和Solidworks完成，从3D建模到2D图纸。要求学生至少做出一张可用于加工的图纸，图纸的尺寸标注要合理，要有尺寸公差和行为公差，要正确选择材料，要有技术要求。总之，通过本次课程设计使学生知道，设计过程包括哪些步骤，能够投放生产的加工图纸是什么样子的。其目的是:（1）

2、具体应用、巩固加深和扩大课程及有关先修课程的理论知识、生产知识，了解精密机械设计的一般设计方法和步骤，培养学生的实际设计能力，为以后进行毕业设计打下基础。（2）掌握正确的设计思想，并通过本次课程设计使同学们掌握仪表的设计思想。1.2设计的意义精密机械课程设计是一次比较完整的精密机械设计，它是理论联系实际、培养初步设计能力的重要教学环节。对于学生能力的培养具有重大意义。1.3设计的任务设计一个数控X-Y工作台，该工作台可用于铣床上坐标的加工和塑料、铝合金零件的二维曲线加工。其实际结构如下图1.3所示：图1.3设计的各项参数如下表：设计主要参数：负载重量G最大快移速度重复定位精度定位精度调节范围（

3、X轴）调节范围（Y轴）台面尺寸CBH150N1m/min0.025mm75mm75mm145mm160mm12mm表1.32.总体方案设计2.1二维数控精密工作台的原理如图2.1.1所示为二维数控平台实验原理样机原理图，图2.1.2为二维数控平台实物照片。二维数控平台可以实现X、Y两个方向的运动，通过两个方向运动的合成，可以实现任意平面轨迹。图2.1.1 二维数控平台实验机原理图 此试验机装有一支笔，固定不动，在工作台上放上纸，工作台在运动时，就可以在纸上画出预先给定的图形。二维数控工作台的主要结构件有：底座、滚珠导轨、滚珠丝杆、四杆支架、托盘、工作台、步进电机支架等。其实物图如2.2.1.2

4、所示。图 2.1.2 二维数控平台实物照片2.2设计的整体方案2.2.1工作台总体结构的确定（1）步进电机2个（分别用于X、Y方向）；（2）滚珠丝杆2套，应分别对其进行分析设计，以满足两者不同的受力情况；（3）滚动导轨：双导轨，四滑块；（4）带有“”槽的工作台面；（5）联轴器2个、导轨支撑板、轴承座、轴承挡圈以及丝杆螺母等等。2.2.2传动方案的确定步进电机 联轴器 滚珠丝杆 工作台X、Y方向应满足：其中，分别为X、Y方向的脉冲当量，这里脉冲当量为25step。2.2.2.1丝杆螺母副的选用伺服电动机的旋转运动需要通过丝杠螺母副转换成直线运动，需要满足mm的定位精度，滑动丝杠副为能为力，只有选

5、用滚珠丝杆副才能达到要求，滚珠丝杆副的传动精度高、动态响应快、运转平稳、寿命长、效率高、预紧后可消除反向间隙。2.2.2.2导轨副的选用 要设计二维数控精密工作台，需要承受的载荷不大，而且脉冲当量小，定位精度高，因此选用直线滚动导轨副，它具有摩擦系数小，不易爬行，传动效率高，结构紧，安装预紧方便等优点。2.2.2.3联轴器的选用 选择了步进电动机和滚珠丝杆副以后，为了使电动机的输出转矩，与滚珠丝杆相连，由于电动机载荷平稳、转速稳定、被联接的两轴中心线对中要求高，因此选用凸缘联轴器。2.2.2.4伺服电动机的选用 根据任务书可知定位精度未达到微米级，因此本设计不必采用高档次的伺服电动机，在这里选

6、用反应式步进电机，它具有步进角小，频率高的特点。2.3绘制总体方案图滚动丝杆步进电机联轴器步进电机联轴器Y方向传动机构X方向传动机构滚动丝杆工作台图 1.4本次设计的二维数控精密工作台由于不对控制部分进行设计，而仅仅对机械部分进行设计，故确定整体设计方案如图1.4所示：采用步进电机对工作台进行驱动，经联轴器后，带动滚珠丝杆传动，从而实现二维数控精密工作台的纵向（Y轴）、横向（X轴）进给运动。3.机械系统的设计计算3.1滚珠丝杆选择已知条件：负载重量N调节范围mm最大快移速度m/mim定位精度mm1507510.025表4重复定位精度Mm行程mm滚珠丝杆基本导程mm滚珠丝杆公称直径mm75420

7、表3.13.1.1滚珠丝杆工作长度计算横向（X轴）丝杆工作长度：横向（X轴）丝杆工作载荷：工作台重量：（其中，选取工作台材料为灰铸铁，密度：,重力加速度取）纵向（Y轴）丝杆工作长度：纵向（Y轴）丝杆工作载荷：横向（X轴）方向臂重量：（其中，包括X轴向的滚动导轨、滑块等的重量）3.1.2计算载荷可以设定工作台的适用工况为：每天工作8小时，每年300个工作日，可连续工作6年以上。查机械零件设计手册，可选滚道截面形状为双圆弧形；滚珠循环方式为内循环固定式；预紧方式采用双螺母垫片式。丝杆材料：钢；滚道硬度:。又根据设定工况查手册可得：载荷系数：d=安全系数：j=滚珠丝杆的载荷系数d和静安全系数j：载荷

8、性质dj平稳或轻度冲击中等冲击较大冲击或震动表3.1.2.1硬度系数：精度等级：滚道实际硬度58555045401.01.111.562.43.85表3.1.2.2 硬度系数精度等级C、DE、FGH1.01.11.251.43表3.1.2.3 精度等级则：=d其中，选取d=1.1，,即选取精度等级为一级。横向载荷：纵向载荷：3.2.3额定动载荷计算寿命：当量转速：额定动载荷：横向额定动载荷：纵向额定动载荷：根据初定的导程和计算所得的额定动载荷,并依据选取丝杆过程中选取导程应等于，变载时等于或大于的原则，查机械零件设计手册确定横向（X轴）和纵向（Y轴）采用相同的滚珠丝杆，并确定其型号为：GDM2

9、004-2.5。 该型滚珠丝杆副的具体参数如表3.1.3.1：滚珠丝杆副型号公称直径基本导程钢球直径丝杆外径CDM2004-2.52042.38119.7螺纹底径循环圈数额定动载荷额定静载荷接触刚度R17.0586214361608表3.1.3.13.1.4稳定性校核1）由于一端轴向固定的丝杆在工作时可能会失稳，所以再设计时应对其安全系数S进行校核，其值应大于丝杆副传动结构允许安全系数S。滚珠丝杆临界载荷：式中，E为滚珠丝杆材料的弹性模量，对于钢，;l为丝杆工作长度（m），为丝杆危险截面的轴惯性矩（）；为长度系数。又知，取，则有：横向滚珠丝杆临界载荷：纵向滚珠丝杆临界载荷：进而，有横向滚珠丝杆

10、安全系数：纵向滚珠丝杆安全系数：经查手册知，S>S,两丝杆均是安全的，不会失稳。2）滚珠丝杆副还受值的限制，查手册可知通常情况下，要求所以该滚珠丝杆副工作稳定。3.1.5滚珠丝杆副的刚度计算滚珠丝杆的刚度由丝杆的拉压刚度、螺母支承刚度和螺纹滚道接触刚度R组成。其关系如下：丝杆支承为一端固定、一端自由，则丝杆的拉压刚度：螺母的支承刚度：式A为螺母横截面，查手册可算出；为螺母支承面有效滚道间长度，单位为mm。螺纹滚道接触刚度R，查机械零件手册表18-33或表18-36可得到。经验算，可得两丝杆均满足刚度要求。3.2滚动直线导轨选择设定导轨工作参数为：X轴滑座上载荷Y轴滑座上载荷滑座个数单向行

11、程长度X轴方向Y轴方向213.675N274.7N4个240mm255mm每天工作时间年工作日数寿命年数每分钟往复次数8小时300天5年6次表3.23.2.1导轨额定寿命计算寿命：又由：其中为导轨额定行程长度寿命，单位为Km；为工作单行程长度，单位为m；n为每小时往复次数，单位为：次/h。可得横向导轨额定行程长度寿命：纵向导轨额定行程长度寿命：因需要滑座数目为,即：每根导轨上使用2个滑座，查机械电子工程专业课程设计指导书可确定：接触系数：硬度系数：温度系数：负荷系数：又有：其中，K为寿命系数，一般取50Km；F为滑座工作载荷N；为额定动载荷N。3.2.2导轨工作载荷计算横向（X轴）滑座工作载荷

12、：纵向（Y轴）滑座工作载荷：进而可得横向（X轴）额定动载荷：纵向（Y轴）额定动载荷：查机械电子工程专业课程设计指导书，可选LY25AL,其额定载荷为1740N，可满足，设计使用要求。3.3联轴器的选择设定工作台进给抗力：工作台最大移动速度:3.3.1联轴器传递功率确定机械传动效率概略值（供参考）类型V带传动联轴器传动圆柱齿轮传动一对滚动轴承丝杆螺母副符号效率表3.3.1.1初选传动效率为=0.98。由式：传递功率=工作台进给抗力工作台移动速度传动链效率即：3.3.2联轴器的选定查手册确定联轴器的载荷系数为：联轴器的计算转矩：由于联轴器的工称转矩，经查机械零件设计手册可选联轴器的型号为刚性凸缘联

13、轴器YL1型，其具体参数如表3.4.1.2所示。型号公称转矩许用转速n轴孔直径d轴孔长度L质量M转动惯量IDD1YL11013000r/min12/14（H7）320.94Kg0.00187172表3.3.1.23.4轴承选择根据滚珠丝杆的额定动载荷和额定静载荷以及丝杆和轴承所承受的最大载荷，查机械零件设计手册，以确定所选轴承的型号。表4-8各类滚动轴承性能和价格比较轴承类型径向承载轴向承载高速性调心性调隙性价格比单向双向深沟球轴承良差良中中1调心球轴承中中中优差1.8推力球轴承无优无差无无1.1推力圆柱滚子轴承无优无差无无差由表4-8可以看出采用深沟球轴承比较经济，并且由于滚动丝杆既要承受径

14、向载荷，又要承受轴向载荷，则进一步查手册可以得到滚动轴承SN6204型大概可满足要求，经校核，该型轴承满足设计载荷的需求。其具体参数如表4-9所示。表4-9 SN6204型深沟球轴承参数基本尺寸安装尺寸基本额定载荷极限转速轴承代号dDBrmindaminDamaxramaxCrCor脂润滑油润滑6000型mmmmKNr/min-204714126.041.0112.86.65140001800062043.5步进电机的计算与选型、步进电机的步距角取系统脉冲当量，初选步进电机步距角。、步进电机启动力矩的计算设步进电机等效负载力矩为T，负载力为P，根据能量守恒原理，电机所做的功与负载力做功有如下关

15、系式中： 电机转角； 移动部件的相应位移； 机械传动效率。若取 ，则，且，所以式中： 移动部件负载（N）；G移动部件重量（N）； 与重量方向一致的作用在移动部件上的负载力（N）； 导轨摩擦系数；步进电机步距角，（rad）；T电机轴负载力矩（）本例中，取（淬火钢滚珠导轨的摩擦系数），为丝杠牵引力，。考虑到重力影响，Y向电机负载较大，因此取，所以若不考虑启动时运动部件惯性的影响，则启动力矩取安全系数为0.3，则 对于工作方式为三相六拍的三相步进电机 、步进电机的最高工作频率查表选用两个45BF005-型步进电机。电机的有关参数见表2-2。表2-2 步进电机参数型 号主要技术数据外形尺寸重量步距角最

16、 大静转距最高空载启动频率()相数电压电流外径长度轴径45BF0051.519.630003272.545584113.6系统整体性能计算3.6.1步进电机轴上总当量负载转动惯量计算横向（X轴）滚珠丝杆转动惯量：纵向（Y轴）滚珠丝杆转动惯量：联轴器的转动惯量：将各转动惯量及工作台的质量这算到步进电机机轴上，得总当量负载转动惯量：横向总当量负载转动惯量：纵向总当量负载转动惯量：3.6.2系统刚度计算先对横向丝杆进行分析：丝杆最大拉压刚度;丝杆最下拉压刚度：假定丝杆轴向支承轴承经过预紧并忽略轴承座和螺母座刚度的影响，求得丝杆螺母机构的综合拉压刚度。进而可得死干的最低扭转刚度为：采用同样方法可以对纵

17、向丝杆进行分析。3.6.3系统固有频率计算横向滚珠丝杆质量：纵向滚珠丝杆质量：进而：则丝杆和工作台振动系统的最低固有频率为：较高，说明该系统的动态特性很好。3.6.4系统死区误差计算假设联轴器和丝杆螺母机构采用了消隙和预紧措施，则由摩擦力引起的最大反向死区误差为：小于脉冲当量，因此，系统满足单脉冲进给，符合设计要求。3.6.5由系统刚度变化引起的定位误差计算由丝杆螺母机构综合拉压刚度的变化引起的最大定位误差为：由系统要求的重复定位精度为,定位精度为0.025mm，可知，允许的定位误差为，而，故可以确定系统刚度满足定位要求，符合设计要求。5工作台总体装配图及零件图5.1 工作台总体装配图工作台主

18、视图工作台俯视图工作台左视图5.2 工作台零件图导轨滚珠丝杆轴承座4.总结当今世界数控技术及装备发展的趋势及我国数控装备技术发展和产业化的现状，在我国对外开放进一步深化的新环境下 ,发展我国数控技术及装备、提高我国制造业信息化水平和国际竞争能力的越来越重要。装备工业的技术水平和现代化程度决定着整个国民经济的水平和现代化程度 ,数控技术及装备是发展新兴高新技术产业和尖端工业的使能技术和最基本的装备 ,又是当今先进制造技术和装备最核心的技术。数控技术是用数字信息对机械运动和工作过程进行控制的技术 ,而数控装备是以数控技术为代表的新技术对传统制造产业和新兴制造业的渗透形成的机电一体化产品 ,其技术范

19、围覆盖很多领域。为了满足市场和科学技术发展的需要，为了达到现代制造技术对数控技术提出的更高的要求，数控未来仍然继续向开放式、基于PC的第六代方向、高速化和高精度化、智能化等方向发展。二维精密数控机床是由主机、各种元部件(功能部件)和数控系统三大部分组成，还需先进的自动化刀具配合，才能实现加工，各个环节在技术上、质量上必须切实过关，确保工作可靠、稳定，才能保数控机床工作的精度、效率和自动化，否则，难以在生产实际中使用。本次课程设计的任务是完成二维数控精密工作台机械部分的设计。与以往的二维精密工作台比较，本次设计采用了联轴器连接，摒弃了以往的采用减速器的方法，使得结构更加简洁高效，并且系统动态特性

20、好，传递效率高，达到了设计的要求。但本次设计也有一些问题需要解决，比如选取的联轴器转矩比较大，采用的步进电机不能够完全发挥其功效，这些都是本次设计的缺陷和需改进的地方。在指导老师和团队中各人的努力下我们顺利完成了二维工作台课程设计，这次课程设计让我受益匪浅。使我在各个方面都有了一个更深刻的认识。首先，经过这次课程设计使我更加认识到实践的重要性，同时也感到自己在学习过程中的不足。在以前学习过程中学习是自己的重要目标，然而仅仅是理论知识是远远不够的。只有学会综合应用自己的知识才能更加系统更加深刻掌握自己所学。通过这次课程设计我知道了自己所学在实际中的应用，如机械原理中的各个零件、工程制图中的看图和

21、画图知识，互换性中的极限配合，材料力学中的零件校核，将这些知识综合运用正是这次课程设计中。其次，经过这次课程设计我学到了课程设计的基本流程。这些流程是：确认设计项目、筛选设计方案、选定设计所需零件、计算系统性能、绘制装配图和零件图等。这将为以后的学习和毕业设计打下基础，同时更加为自己实践应用打开了一扇大门做到学以致用。最后，这次课程设计是一个小组的成员共同努力的结果，使我认识到团队合作的重要性。同时感谢指导老师的辛勤指导，带领着我们向成功迈进。参考文献1机电一体化技术手册编委会.机电一体化技术手册.北京：机械工业出版社.19962吴宗泽.机械零件设计手册.北京：机械工业出版社.20063裘祖荣.精密机械设计基础.1版.北京：机械工业出版社.20094黄华梁，彭文生.机械设计基础.4版.北京：高等教育出版社.20075郑堤.机电一体化设计基础.北京：机械工业出版社.20056 王爱玲，白恩远，赵学良.现代数控机床.国防工业出版社,20017.张立勋,孟庆鑫,张今瑜.机电一体化系统设计M.哈尔滨:哈尔滨工程大学出版社,2000专心-专注-专业