二坐标数控工作台课程设计说明书

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1、大学机械学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赖旭辉学号116130058班级机械国贸118指导教师学期20142015学年第二学期设计时间1、课程设计说明书一份（含设计任务书）；附2、二坐标数控工作台装配图一（A0）;资3、二坐标数控工作台电气控制原理图一（A1）;料4、计算说明书草稿一份。成绩2015年3月一. 机电专业课程设计目的(2)二. 机电专业课程设计的任务和要求(2)三. X轴方案及参数计算(2)方案拟定(2)X轴步进电机参数确定及选择(2)1. X轴圆柱斜齿轮传动设计(3)四. X轴机械结构总体设计计算(6)X轴

2、滚珠丝杠设计计算(6)1. X轴滚动导轨设计计算(6)五. Y轴方案及参数计算(7)Y轴步进电机参数确定及选择(7)1. Y轴联轴器选择(9)六. 丫轴机械结构总体设计计算(10)丫轴滚珠丝杠设计计算(10)1. 丫轴滚动导轨设计计算(11)七. 绘制装配图(12)八. 设计总结与分析九. 致谢（13）十.参考文献（13）1. 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）进行机电一体化设备设计的基本功训练，包括以下10方面

3、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。2. 机电专业课程设计的任务和要求在规定时间，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）数控工作台装配图（1：1比例或0#图幅）1；（2）数控系统电气原理图（2#图幅）1；（3）设计说明书（1020）页1本；所有图样均采用CAD绘制打印，设计说明书按规

4、定撰写。3.X轴方案及参数计算3.1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，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特性一致。3.2 X轴步进电机参数

5、确定及选择X参数选定与计算vx=1.6m/min=0.027m/s，Fx=120NPx=FxVx=3.2W(1)脉冲当量选择初选三相电机，按三相三拍工作时，步矩角a=1.5,初定脉冲当量S=0.01mm/p丝杠导程tsp=5mm中间齿轮传动比i为：i=(atsP)/(360i)=1.5x5/(360X0.01)=2由i确定齿轮齿数为Z!20,Z240,模数m=2mm齿宽bi22mm,b225mm3.3 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) 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4

6、0HBS(3) 选择齿数乙二20,Z2=ZiXi=20X2=40.(4) 选取螺旋角，初选B=142.2.按齿面接触疲劳强度设计ditT|(u1)(zHze)2duh2(1)(1)试选Kt=1.6,(由1表10-6)得材料弹性影响系数Ze=189.8MPa(2)由1图10-30选取区域系数Zh=2.433，小齿轮做悬臂布置;由1表10-7选取齿宽系数d=0.5.7arctan(tanan/cosB)arctanarctan(tanan/cosB)arctan(tan20/con14)20.562aa12aa12N1N2arccos(z1cosxt/(z1arccos(z2cosxt/(z2vx

7、1000itsp应力循环系数取60n1jLh601.62h；nCOsP)2h；nCOsB)100025j=1,所以6401(28Na2241.38109u2)arccos(20coS2Q562/(2021coS4)arccos(40cos?0562/(4021cos4)640r/min30015)2.7610931.40826751由1图10-19查得，接触疲劳寿命系数Khn=0.92,Khn2=0.96.(5)由1图10-21d查得，小齿轮接触疲劳强度极限(THlim1=600MPa大齿轮的接触疲劳强度极限(THlim2=550MPa,1Khn1=2x1.2584x87.5x0.35x0.0

8、1639x(cos14)/2(1/3)(0.5x20x1.56)(”=0.169mm对比计算结果，由齿面接触疲劳强度计算得法面模数对比计算结果，由齿面接触疲劳强度计算得法面模数m大于齿根弯曲疲劳强度计算得法面模数，取m=1mm已可满足弯曲强度，但为了同时满足接触疲劳强度，需按接触疲劳强度计算得的分度圆直径触疲劳强度，需按接触疲劳强度计算得的分度圆直径d1=20mm4几何尺寸计算 中心距a=(Zi+Z2)m/(2xcos3)=(=30.9mm所以圆整为31mm 按圆整后的中心距修正螺旋角3=arccos(Z计Z2)mn/2a=arcos(20+40)/(2*31)=14.6,因3值改变不多，故参

9、数“、忑、Zh等不必修正 计算大、小齿轮分度圆直径d1=乙m/cos3=20/cos14.6o=24.67mmd2=Z2m/cos3=40/cos14.6o=41.33mm 计算齿轮宽度b=Qdd1=0.5x25=13mm所以取B2=15mm为易于补偿齿轮轴向位置误差，应使小齿轮宽度大于大齿轮宽度，所以小齿轮约为B=15mm2) 等效传动惯量计算(不计传动效率)44-3-42Jg1=(nd1b1p)/32=n(2.07)x1.3x7.85X10/32x10kg.m-42=0.018x10kg.m式中式中钢密度3p=7.85x10kg/cm同理，大齿轮转动惯量同理，大齿轮转动惯量Jg2=0.24

10、7x10-4kg.m由3表3-13初选滚珠丝杠CDM2005-2.5,导程为5mmd0=20mm额定动载荷7988N,1=500mm滚珠丝杠转动惯量Js=(ndo4|p)/32=n(2)4x50x7.8x10j/32x10-4kg.m2=6.1x10-5kg.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22kg(计算具体见导轨选型与计算)22Jw=(w/g)x(tSP/2n)+i=23x(0.5/2n)-52=5.57x10kg.m22kg(计算具体见导轨选型与计算)22Jw=(w/g)x(tSP/2n)+i=23x(0.5/2n)-52=5.57x10kg.m+(2.5

11、)2-4x102kg.m因此，折算到电机轴上的等效转动惯量JeJe=Jg1+Jw+(Jg2+Js)+i2=0.945x10-4kg.m3) 等效负载转矩计算(以下为折算到电机轴的转矩)由3式(2-7)(2-9)可知：M=(Fx+yFy)tsp/(2nni)=(55+0.005X50)0.005/(2nX0.8X2.5)=0.11N.mM=(Fftsp)/(2nni)=(卩Wtsp)/(2nni)=(0.005X23X9.8X0.005)/(2nX0.8X2)=5.47X10-4N.m上述式中n丝杠预紧时的传动效率取上述式中n丝杠预紧时的传动效率取n=0.8nmax=(vmaS)X(a/360)

12、=(1500/0.005)X(0.72/360)=150r/min取起动加速时间ta=0.03s初选电动机型号90BF006,矩频特性如下图所示，其最大静转矩Mjmax=2.25N.m,转动惯量Jn=1.76X10-4kg.m,fm=2400Hz.4,03.53n15PULESRATE(H)90BF0062x(1-n0)2-n0)=(1/3Fxtsp)*(2nni)-4X10N.m=(1/3)X220X0.005-(2n2X0.8X2)X1-(0.964)=2.58式中Fp0滚珠丝杠预加负荷，一般取Fx/3Fx进给牵引力（N）no滚珠丝杠未预紧时的传动效率，取0.964（计算见后）kg.m2J

13、=(Je+Jm)=0.945X10-4kg.ni+1.8X10-4kg.mM0=(Fp0tsp)*(2nni)X(1=2.745X10-4M=(Je+Jn)(2nnmax)/(60taM=Mamax+Mf+MoM=Mt+Mf+M03Mk=Mf+Mo=3.127X10-N.m从计算可知，Mq最大,作为初选电动机的依据M/Mjmax=0.260.9满足所需转矩要求4) 步进电机动态特性校验Je/Jn=0.2267/1.8=0.13flfc=V1max/(60合)=300/(60X0.005)=1000Fmax=61.877N 临界转速22ncr=9910(f2d2)/Lc式中f2-丝杠支承方式系数

14、,F-S取3.927.Lc-临时转速计算长度.Lc2-丝杠螺纹底径，取0.0162mncr=9906r/minnmax.同时验算丝杠另一个临界值dcn=20X1125=2250070000滚珠丝杠未预紧时的传动效率n0计算tsp=5mmdo=2Omm代入丝杠螺旋升角入=arctantsp/(Jid0)，得入=433将摩擦角0=10代入n0=tan入/tan(入+),得n0=0.964. 轴承选择校核由1表6-6选角接触球轴承7001C.校核(略) 定位精度验算(略)(5) 滚动导轨副的防护 滚珠丝杠副的防护装置，采用专业生产的伸缩式螺旋弹簧钢套管。 滚珠丝杠副的密封，滚珠丝杠副两端的密封圈如装

15、配图所示.材料为四氟乙烯，这种接触式密封须防止松动而产生附加阻力。 滚珠丝杠副的润滑，润滑剂用锂基润滑剂。1. X轴滚动导轨设计计算导轨的功用是使运动部件沿一定的轨迹运动，并承受运动部件上的载荷，即起导向和承载作用，导轨副中，运动的一方称作运动导轨，与机械的运动部件联结；不动的一方称作支承导轨，与机械的支承部件联结。支承部件用以支承和约束运动导轨，使之按功能要求作正确的运动。1) 导轨承受重量计算由3附录四表3-23可得，对于250mmFmax，额定静载荷Ca=9.5kNFmax，满足条件。 距离额定寿命L的计算JSA-LG15型号的直线滚动导轨副的滚道硬度为60HRC工作温度不超过100C,

16、每根导轨上配有两只滑块，精度为4级，工作速度较低，载荷不大。查4表3-36表3-40，分别取硬度系数fH=1.0、温度系数E1.00、接触系数fc=0.81，精度系数fR=0.9，载荷系数fw=1.5，代入4中式3-33，得距离寿命：L=fHfTfcfRCa/(fwFmax)x50=16000km,满足其期望值50km,故距离额定寿命满足要求。综上，所选导轨满足要求。(3) 滚动导轨间隙调整预紧可以明显提高滚动导轨的刚度，预紧采用过盈配合，装配时，滚动体、滚道及导轨之间有一定的过盈量.(4) 润滑与防护润滑：采用脂润滑，使用方便，但应注意防尘防护装置的功能主要是防止灰尘、切屑、冷却液进入导轨，

17、以提高导轨寿命防护方式用盖板式五丫轴方案及参数计算1. Y轴步进电机参数确定及选择Y参数选定与计算Vy=1.25m/min=0.0208m/s，Fy=220N，Py=FyVy=4.58W1)脉冲当量选择初选五相电机，按五相五拍工作时，步矩角a=0.72,初定脉冲当量S=0.01mm/p,丝杠导程tsp=5mm,中间齿轮传动比i为：i=(atsp)/(360i)=0.72X5/(360X0.01)=1由i确定用刚性联轴器.2)等效传动惯量计算(不计传动效率)式中钢密度p=7.8X103kg/cm3由3表3-13初选滚珠丝杠CDM2005-2.5,得到d0=20mm,l=400mm滚珠丝杠转动惯量

18、Js=(nd04|p)/32=n(2)4X40X7.8X103/32X10-4kg.m2=4.9X10-5kg.m2拖板及工作物重和导轨折算到电机轴上的转动惯量，拖板及工作物重和导轨及丝杠重之和约为22kg/、22/、22-42-5Jw=(w/g)X(tsp/2n)+i=22X(0.5/2n)十(1)X10kg.m=1.39X10kg.m2因此，折算到电机轴上的等效转动惯量JeJe=Jw+Js=1.39X10-5+4.9X10-5=6.29X10-5kg.m3) 等效负载转矩计算(以下为折算到电机轴的转矩)由3式(2-7)(2-9)可知：M=(Fy+yFx)tsp/(2nni)=(220+0.

19、005X220)0.005/(2nX0.8XMf=(Fftsp)/(2nni)=1.094X10-3N.m上述式中n丝杠预紧时的传动效率取n=0.8nmax=(vmax/S)X(a/360)=(2000/0.01)X(0.72/360)=400r/min取起动加速时间ta=0.03s初选电动机型号90BF006,矩频特性如下图所示，其最大静转矩Mkx=2.25N.m,转动惯量Jm=1.764X10-4kg.吊，fm=2400Hz.故式中Fp0滚珠丝杠预加负荷，一般取Fy/3M)=(Fpotsp)*(222nni)X(1-n0)=(1/3Fytsp)*(2nni)x(1-n0)=(1X2200X

20、0.005*(2nX0.8X1)X1-(0.964)2=5.16X10-3N.mFy进给牵引力(N)n0滚珠丝杠未预紧时的传动效率，取0.964-42J=(Je+Jd=2.745X10kg.mMt=(Je+Jn)(2nnmax)/(60taM=Mamax+Mf+MoMC=Mt+Mf+MoM=Mf+Mo=6.25X10N.m从计算可知，Mq最大,作为初选电动机的依据.M/Mjmax=0.246/2.25=0.1090.9满足所需转矩要求.4) 步进电机动态特性校验Je/Jm=0.95/1.8=0.5fLfc=Vimax/(60S)=250/(60X0.01)=417，许用转速n=8800r/mi

21、n400r/min。轴孔直径有8mm,9mm,10mm,11mm,12mm,14mm.所以要对丝杠一端进行加工(丝杠留有一定的余量)。六丫轴机械结构总体设计计算Y轴滚珠丝杠设计计算(1) 滚珠丝杠副的结构类型滚珠循环方式由3表3-1查得，选择外循环插管式轴向间隙预紧方式预紧目的在于消除滚珠螺旋传动的间隙，避免间隙引起的空程，从而提高传动精度.由3表3-2查得,采用双螺母垫片预紧方式.(2) 滚珠丝杠副直径和基本导程系列由3表3-3查得，采用丝杠直径20mm导程为5mm(3) 滚珠丝杠长度确定丝杠有效行程由3表3-4查得le=20mm，lv=行程+丝杠螺母长度Lv=110+80=190mm,lu

22、=lv+le=190+20=210mm，为留有一定的安装余量，取lu=400mm滚珠丝杠副支承形式选择滚珠丝杠主要承受轴向载荷，应选用运转精度高，轴向刚度高、摩擦力距小的滚动轴承.滚珠丝杠副的支承主要约束丝杠的轴向串动，其次才是径向约束.由3表3-6查得,采用一端固定一端游动(F-S)支承形式.支承中心矩约为400mm滚珠丝杠副的选择最大工作载荷Fm的计算工作台受到进给方向载荷Fx=55N,横向载荷Fy=50N,垂直方向载荷Fz=23X9.8N=225.4N。按矩形导轨导轨进行计算，查4中表3-29，取颠覆力矩影响系数K=1.1，滚动导轨上的摩擦系数卩=0.005.求得滚珠丝杠副的最大工作载荷

23、：Fm=KFy+(Fx+Fz)=1.1X220+0.005X(220+220)N=244.2Nn=1250/5=250r/min取滚珠丝杠寿命T=15000h,代入Lo=60nT/106得，Lo=261(106r)查表43-30，取载荷系数fw=1.2，滚道硬度为60HRC寸，取硬度系数fH=1.0，贝yFq=L0(1/3)fwfHFm=347N由导程3=5mmFq=347N,查表43-31，初选CDM005-2.5型滚珠丝杠副，为循环固定反向器单螺母式，其公称直径为20mm导程为5mm精度等级取5级，额定动载荷为7988No(4) 滚珠丝杠副校核 临界压缩负荷对于一端轴向固定受压缩的滚珠丝杠

24、，应进行压杠稳定性校核计算不发生失稳的最大压缩负荷称为临界压缩负荷，用Fn表示Fn=3.4X1010(fid2)-(Lo2)XKi式中Lo-最长受压长度.取400mmfi-丝杠支承方式系数，F-S取2d2-丝杠螺纹底径，取16.2mmKi安全系数，取1/33Fn=15.56X10NFwnmax.同时验算丝杠另一个临界值d0n=20X400=8000Fmax，额定静载荷Ca=9.5kNFmax，满足条件。 距离额定寿命L的计算JSA-LG15型号的直线滚动导轨副的滚道硬度为60HRC工作温度不超过100C,每根导轨上配有两只滑块，精度为4级，工作速度较低，载荷不大。查4表3-36表3-40，分别

25、取硬度系数fH=1.0、温度系数仃=1.00、接触系数fc=0.81，精度系数fR=0.9，载荷系数fw=1.5，代入4中式3-33，得3距离寿命：L=fHfTfcfRCa/(fwFmax)x50=16000km,满足其期望值50km,故距离额定寿命满足要求。综上，所选导轨满足要求。(3)滚动导轨间隙调整预紧可以明显提高滚动导轨的刚度，预紧采用过盈配合，装配时，滚动体、滚道及导轨之间有一定的过盈量(4)润滑与防护润滑：采用脂润滑，使用方便，但应注意防尘防护装置的功能主要是防止灰尘、切屑、冷却液进入导轨，以提高导轨寿命防护方式用盖板式七绘制装配图标注装配图尺寸、配合与精度等级。包括特性尺寸、最大

26、体形尺寸、安装尺寸和主要零件的配合尺寸。1. 写出工作台的技术特征。2. 编写技术要求。3. 对所有零件进行编号。4. 列出零件明细表及标题栏。6检查装配图。八设计总结与分析本次课程设计使我对设计方面有了更深一步的认识，在设计时一定要先对所设计产品的总体有一个大致的认识。在设计过程中，要结合图形进行分析计算，这样才能选择合适的材料和尺寸，如果将各零件完全独立，所选用的尺寸很可能脱离实际，导致装配出现问题。本次设计开始只进行了初步的计算，但当按所选尺寸作图时，发现尺寸所选很不合适，又开始对尺寸进行修改，重新计算，增加了很多计算量。本次设计主要是对步进电机、齿轮、丝杠、导轨和联轴器等进行选择和验证

27、计算，然后根据所选绘制出三维实体图和二维剖视图，最终完成整个设计。九致谢在这次课程设计中，各位指导老师给了我们很大的帮助和指导，他们耐心的为我们讲解过程中所遇到的难题，并通过检查为我们指出所存在的问题和解决方法，从而使我们能较好的完成课程设计并真正从中学到知识。在此,我衷心地感谢各位指导老师，不只是在这次课程设计中，更主要的是在这三年的专业学习中，谢谢您们的悉心指导！十参考文献：1 濮良贵主编机械设计第七版北京：高等教育，20012 吴宗泽主编机械设计课程设计手册第二版北京：高等教育19993 楼应侯、潘晓彬、堤、崔玉国、胡利永等编机械电子工程专业课程设计指导书4 志强等编著机电一体化系统设计课程设计指导书北京：机械工业,2007.5