二坐标数控工作台设计2
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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 名学 号班 级指导教师学 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.总体方案拟定 (3)二X轴参数确定及选择 (3)1.脉冲当量选择 (3)2.圆柱齿轮传动设计 (3)2.1齿轮强度计算 (5)2.2齿轮尺寸计算 (5)2.3等效转动惯量计算 (6)2.4等效负载转矩计算 (6)3.X轴联轴器选择 (7)4.x轴滚珠丝杠设计计算 (9)5.X轴滚动导轨设计计算 (9)三.Y轴参数确定及选择 (9)1.脉冲当量选择 (9)2.等效转动惯量计算 (9)3.等效负载转矩计算 (10)4.Y轴联轴器选择 (10)5.Y轴滚珠丝杠设计计算 (11)6.Y轴滚动导轨设计计算 (11)四、控制系统设计 (12)1.设计内容 (12)2.设计步骤 (12)3.总体方案拟定 (12)3.1主控CPU选择 (12)3.2存储扩展电路设计 (12)3.3步进电机驱动电路设计 (15)3.4其他辅助设计 (16)4.数控系统硬件电路设计 (16)五、参考文献 (17)一、 总体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特性一致。二、X轴步进电机参数确定及选择由已知设计参数:vx=2.0 m/min=0.033m/s, Fx=180N,则 Px=Fxvx=5.94W1 脉冲当量选择初选三相电机,按三相六拍工作时,步矩角=0.75,初定脉冲当量=0.005mm/p, 丝杠导程tsP=5 mm,中间齿轮传动比i为: i=(tsP)(360)=0.755(3600.005)=2.1由i确定齿轮齿数为Z1=20,Z2=42,模数m=2mm,大齿轮齿宽b2=10mm ,则b1=12mm2 圆柱斜齿轮传动设计(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40HBS(3).选择齿数Z1=20,Z2=Z1i=202.142 (4).选取螺旋角, 初选14o2.1 齿轮强度计算(1)按齿面接触疲劳强度设计d1t=2KtT1(u1)(ZHZE)2/dauH2(1/3)1).试选Kt=1.6, 查表可得材料弹性影响系数ZE189.8MPa2).查机械设计教材,选取区域系数ZH=2.433, 选取齿宽系数d0.3,3). 查表得a10.78,a2 0.85,则aa1+a2 1.634).应力循环系数取j=1, 所以: N1=60n2jLh=6015001(2830015)6.480109 N2=N1/u=6.480109/2.13.081095).查表得接触疲劳寿命系数KHN1=0.85,KHN2=0.89,6).查表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).计算接触疲劳强度许用应力:取失效概率为1%,取安全系数S=1, H1KHN1Hlim1/S=0.85600/1510MPaH2KHN2Hlim2/S=0.87550/1489.5MPaH=H1+H2)/2=499.75 MPa8) 计算小齿轮传递的转矩:T1=95.5105Px/nx=95.51050.00594/1500=37.82N.mm(2) 计算 1).试算小齿轮分度圆直径d1t21.644.1213.083/(0.31.6301.25)(2.433189.8/494.25)2)(1/3)6.94mm ,取d1t=7.0mm2).计算圆周速度 v=d1tn1/(601000)0.55m/s3).计算齿数b及模数mnt: b=dd1t=0.372.1mmmnt=d1tcos/Z1=7cos14o/20=0.34 h=2.25mnt=2.250.34mm =0.76 mmb/h=2.1/0.76=2.84).纵向重合度0.318dZ1tan=0.3180.320tan14o=0.485).计算载荷系数K,查课本得使用系数KA=1.25,根据v=0.033 m/s ,7级精度,查得动载系数Kv=1.01,由b/h=2.8,查得KH=KF=1.2,故载荷系数K=KAKvKHKF=1.251.011.21.21.696).分度圆直径d1=d1t(K/Kt)(1/3)=7(1.69/1.6)(1/3)=7.13 mm7).计算模数mn=d1cos/Z1=7.13cos14o/20=0.35 mm(3)按齿轮弯曲强度设计mn=(2KT2YCOS2/dZ12)(YFYS/F)(1/3)1)计算载荷系数,K=KAKvKFKF=1.251.011.21.21.692)根据纵向重合度0.48,查表得螺旋角影响系数Y=0.913)计算当量齿数Zv1=Z1/cos3=20/cos314o=21.24)查得,YFa1=2.763,YSa1=1.592,YFa2=2.375,YSa2=1.672因为小齿轮弯曲极限强度FE1=500MPa,大齿轮FE2380MPa,查得弯曲疲劳寿命系数KFN1=0.85,KFN2=0.87,取安全系数S=1.1,则F1KHN1FE1/S=386MPaF2KHN2FE1/S304MPa5)计算大、小齿轮YFa1 YSa1/F1并加以比较YFa1 YSa1/F12.7631.562/386=0.0112YFa2YSa2/F2=2.3751.672/3040.013比较后取大齿轮数据6)设计计算mn=21.6937.820.910.013(cos14)2/(0.32021.63)(1/3)0.187m 对比计算结果,由齿面接触疲劳强度计算得法面模数mn大于齿根弯曲疲劳强度计算得法面模数,取mn2 mm,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d1=20mm ,来计算应有的齿数,于是有Z1=d1cos/mn=20cos14o/29.7,取Z120,则Z2iZ1=2.124422.2 齿轮几何尺寸计算中心距 a=( Z1+Z2)mn/(2cos)=(20+42)2/(2cos14o)63.9 mm 所以圆整为64 mm按圆整后的中心距修正螺旋角arccos(Z1+Z2)mn/2a=arcos(20+42)2/(264) =14.36 o 计算大、小齿轮分度圆直径d1=Z1mn/cos=202/cos14.36o =41.29mmd2=Z2mn/cos=302/cos14.36o =86.7mm计算齿轮宽度b=dd1=0.341.2912.36 mm,所以取B2=13mm,小齿轮取B1=16mm2.3等效转动惯量计算(不计传动效率)小齿轮转动惯量Jg1=(d14b1)32=441.47.8510-332 =0.27610-4 kg.m2式中 钢密度=7.8510-3 kg/cm3同理,大齿轮转动惯量 Jg2=0.49810-4 kg.m2 查设计手册初选滚珠丝杠 CDM2005-3, 得到 d0=20 mm ,l=430 mm滚珠丝杠转动惯量 Js=(d04l)32=(2)4437.8510-33210-4 kg.m2 =0.5310-4 kg.m2工作重物为12kgJw=(w/g)(tsP2) 2 i2 =12(0.52) 2 2.1210-4 kg.m2 =1.7110-6 kg.m2因此,折算到电机轴上的等效转动惯量Je Je= Jg1+ Jw+( Jg2+Js) i2 =0.80710-4 kg.m2 2.4 等效负载转矩计算(以下为折算到电机轴的转矩)查设计指导书(4-7)(4-9)可知:Mt=(Fx+Fy) tsP/(2i)= (180+0.06140)0.005/(20.82.1)=0.089N.mMf= (Ff tsP)/(2i)= (W tsP)/(2i)=(0.0612100.005)/ (20.82.1)=0.00341N.m上述式中 丝杠预紧时的传动效率取 =0.8为摩擦系数取0.06nmax=(vmax/)(/360)=(2000/0.005) (0.75/360)=833 r/min取起动加速时间t=0.03 s初选电动机型号70BF003,其最大静转矩 Mjmax=0.784N.m,转动惯量Jm=0.310-4 kgm2, fm=1600Hz.M0=(Fp0tsp)(2i) (1-02)= (1/3Fxtsp)(2i) (1-02) =(1/3) 1800.006(20.82.1) 1-0.92=0.054 N.m式中 Fp0滚珠丝杠预加负荷,一般取Fy/3 Fy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)= 0.80710-4 kgm2+0.310-4 kg.m2 =1.10710-4 kg.m2Ma=( Je +Jm)( 2nmax)/(60t)= 0.2926N.mMq= Ma+ Mf+ M0=0.2926+0.00341+0.054=0.35N.mMc= Mt+ Mf+ M0=0.089+0.00341+0.054=0.1464N.mMk= Mf+ M0=0.00341+0.054=0.05741N.m从计算可知, Mq最大,作为初选电动机的依据.Mq/ Mjmax=0.4460.9 满足所需转矩要求.4)步进电机动态特性校验 Je /Jm4 说明惯量可以匹配综上所述,可选该型号步进电机3.X轴联轴器选择联轴器除联接两轴并传递转矩外,有些还有补偿两轴因制造和安装误差而造成的轴线偏移的功能,以及具有缓冲、吸振、安全保护等功能。因此要根据传动装置工作要求来选定联轴器类型。本方案选择套筒联轴器。4. X轴滚珠丝杠设计(1)滚珠丝杠副的结构类型滚珠循环方式 由设计指导书表5-1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.由表5-2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采用丝杠公称直径 20mm,导程为5mm, 丝杠外径19.5mm,丝杠底径17.76mm,循环圈数2.5,基本动载荷7417N,基本静载荷15311N,刚度376N/um.(3)滚珠丝杠精度等级确定丝杠有效行程 由导程查得余程le=20 mm,得丝杠有效行程lv=lu-le,lu =150-20=130 mm精度等级 根据有效行程内的平均行程允许偏差ep=0.02/300*130*103=8.6由表5-5得,精度等级为T2(4)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.由表5-6查得,采用一端固定一段游动(F-S)支承形式.(5)滚珠丝杠副的选择高速或较高转速情况,按额定动负荷CaCaj选择滚珠丝杠副由式(3-2)可知:Caj=(Fefw)/(fhftfafk)(60Lhne)/(106)1/3式中 Caj -滚珠丝杠副的计算轴向动负荷(N) Fe-丝杠轴向当量负荷(N). 取进给抗力和摩擦力之和的一半Fe=162N ne-丝杠当量转速(r/min).取最大工作进给转速 ne=200r/min. Lh-丝杠工作寿命(h). 查考2表5-7得Lh=15000 h. ft-温度系数. 查2表5-8,得ft=0.70 fa-精度系数. 查2表5-9得fa=1.0 fw-负载性质系数. 查2表5-10得fw=0.95 fh-硬度系数.查2表5-11得fh=1.0 fk-可靠性系数.查2表5-12得fk=0.21(可靠度99%)计算得Caj=5.11KNFmax临界转速 对于在高速下工作的长丝杠,须验算其临界转速,以防止丝杠共振. ncr=9910(f22d2)/Lc2式中 f2-丝杠支承方式系数,F -S取3.927 Lc -临界转速计算长度. Lc =0.25m. d2-丝杠螺纹底径,取0.016mncr= 9962r/min nmax,同时验算丝杠另一个临界值 d0n=20*833=1666070000轴承选角接触球轴承7001AC. (7)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.5.X轴滚动导轨设计计算(1) 本方案选择HJG-D35型滚动导轨 ,E级精度,fh=1,ft=1,fc=0.81 ,fa=1,fww=1(2) 寿命按十年,每年工作300天,每天工作8h,开机率0.8计,额定寿命为:Lh=1030080.8=19200 h 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.外设:键盘,显示器,打印机,磁盘机,通讯接口等8
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