双坐标数控工作台机械伺服结构设计及控制电路设计.doc

毕业论文（设计）任务书

班级：姓名：

设计题目：双坐标数控工作台机械伺服结构设计及控制电路设计(1)

专题：有效行程400×250，实际工作时工件及夹具重最大120公斤，最大空运行速度Vmax≤5m/min，最大加工速度Vmax≤2.5m/min，定位精度±0.04mm/300mm，重复定位精度±0.02mm，脉冲当量δ=0.02mm，寿命20000 小时。

设计来源：教师自拟

要求完成的内容：1）双坐标数控工作台机械伺服结构数字化三维建模；

2）双坐标数控工作台机械伺服结构装配图(A1图)1张；

3）工作台托板零件图(A3)1张；

4）选做内容：运动控制电路原理图设计(A3)1张；

5）设计计算说明书一份（1万字左右，20～25页）。

发题日期：2009年2月23日完成日期：2009年3月21日

实习实训单位：地点：

论文页数：25(约1万字) 页；图纸张数：A1图1张, A3图1张

指导教师

教研室主任：

院长（系主任）：

目录

第一章滚珠丝杠副的选择 (2)

1.1 滚珠丝杠副的支撑形式 (2)

1.2 滚珠丝杠副的特点 (2)

1.3 滚珠丝杠副的设计计算 (3)

1.4 选择滚珠丝杠副 (5)

1.5 稳定性验算 (6)

1.6 刚度验算 (7)

1.7 效率验算 (8)

第二章导向机构的设计 (9)

导轨的功用 (9)

二、滚动直线导轨的选择程序

三、直线运动滚动支承系统负荷的计算

四、导轨的选择

第三章步进电动机的选择 (12)

3.1 步进电动机的工作原理 (12)

3.2 选择电动机 (13)

第四章滚动轴承的计算 (14)

4.1 支撑方案的确定 (14)

4.2 轴承的校核 (15)

总结 (16)

参考文献 (17)

第一章滚珠丝杠副的选择

1.1 滚珠丝杠副的支承形式

支承应限制丝杠的轴向窜动.较短的丝杠或垂直安装的丝杠,可以一端固定,一端无支承.水平安装丝杠较长时, 可以一端固定,一端游动;对于精密和高精度机床的滚珠丝杠副,为了提高丝杠的拉压刚度,可以两端固定.为了补偿热膨胀和减少丝杠下垂,两端固定丝杠时还可以进行预拉伸。

一般情况下,应以固定端作为轴向定位基准,从固定端起计算丝杆杠副的长度误差.此外,应尽可能固定端作为驱动端。

考虑到本设计的结构与要求,我们决定采用一端固定一端游动(F-S)的支承形式, 如图1.1所示。

一端固定一端游动（F~S）。固定端采用深沟球轴承2和双向推力球轴承4，可分别承受径向和轴向负载，螺母1、挡圈3、轴肩、支撑座5台肩、端盖7提供轴向限位，垫圈6可调节推力轴承4的轴向预紧力。游动端需径向约束，轴向无约束。采用深沟球轴承8，其内圈由挡圈9限位，外圈不限位，以保证丝杠在受热变形后可在游动端自由伸缩。

图1.1 一端固定一端游动支承

这种支承形势有以下一些特点：

1.需保持螺母与两端支撑同轴,故结构较复杂,工艺较困难。

2.丝杠的轴向刚度较高。

3.压杆稳定性和临界转速较高。

4.丝杠有热膨胀的余地。

5.适用于较长的卧式安装丝杠。

1.2 滚珠丝杠副的特点

1.传动效率高 效率高达90%~95%,耗费的能量仅为滑动丝杠的1/3。

2.运动具有可逆性 即可将回转运动变为直线运动,又可将直线运动变为回转运动,且逆传动效率几乎与正传动效率相同。

3.系统刚度好 通过给螺母组件内施加预压来获得较高的系统刚度,可满足各种机械传动要求,无爬行现象,始终保持运动的平稳性和灵敏性。

4.传动精度高 经过淬硬并精磨螺纹滚道后的滚珠丝杠副本身就具有和高的制造精度,又由于摩擦小,丝杆副工作时温升和热变形小,容易获得较高的传动精度。

5.使用寿命长 滚珠是在淬硬的滚道上作滚动运动,磨损极小,长期使用后仍能保持其精度,因而寿命长,且具有很高的可靠性。其寿命一般比滑动丝杠高5~6倍。

6.不能自锁 特别是垂直安装的丝杠，当运动停止后，螺母将在重力作用下下滑，故常需设置制动装置。

7.制造工艺复杂 滚珠丝杠和螺母等零件加工精度、表面粗糙度要求高，制造成本高。

由于滚珠丝杠副独特的性能而受到极高的评价,因而已成为数控机床,精密机械,各种省力机械设备及各种机电一体化产品中不可缺少的传动机构。

1.3 滚珠丝杠副的设计计算

有效行程400*250，实际工作时工件及夹具重最大120公斤，最大空运行速度max 5/min V m ≤,最大加工速度min 2.5/min V m ≤定位精度0.04/300mm mm ±,重复定位精度0.02mm ±,脉冲当量0.02mm δ=,寿命20000小时

（1）步距角 360kmz α?

=， 360p p i αδ?

=， 0.02p mm δ=，1i =。 先假设p=5mm 。

表1.1

（2） 丝杠转速 快速点定位30%，加工70%。

1000*2.51000*5*70%*30%

66

291.67250541.67

n n =+=+= （3） 当量转速

加工 1000*2.5417/min

6

L n r ==

点定位 1000*5

834/min 6

m n r =

= （4） 丝杠负荷

当量载荷导轨摩擦力N F ,0.006*120*107.2F mg N μμ===。

精密加工a F =500N ， 加工时总载荷1a F =507.2N 快速点定位2a F =N F =7.2N

（5） 当量负荷

m F =

411m F N == 1.4 选择滚珠丝杠副

（1） *h

aj m n k C F k f ∑

=

20000h L =小时，由机电一体化系统设计手册表2.8-63，2.8-64，

查得：

h K ------寿命系数，11

3320000

()() 3.4550500

n h L K ===。

n K ------转速系数，11

3

333.333.3()()0.39550n K n ===。

f ∑------ 综合系数， 1*1*1*0.53

0.4081.3

t h a k w f f f f f f ∑=

== 其中t f 为温度系数，查表1-2得t f ＝1； h f 为硬度系数，查表1-3得 h f ＝1.0；

a f 为精度系数，查表1-4得a f ＝1.0（丝杠精度为1～3级）； w f 为负荷性质系数，查表1-5得w f ＝1.3；

k f 为可靠性系数，查表1-6得k f ＝0.53（可靠性为90%）。

可得： 3.4*411

*87820.39*0.408

h aj m n k C F N k f ∑=

==。 表1-2 温度系数t f

表1-3 硬度系数h f

表1-4精度系数a f

表

1-5 负荷性质系数w f

表1-6 可靠性系数k f

（2）根据'a C 选择滚珠丝杠副

1）假设选用FC1型号，按滚珠丝杠副的额定动载荷Ca 等于或稍大于'a C 的原

查教材表2-9选以下型号规格：

FC1-2505-2.5 ，Ca=9610N

由教材表2-9得丝杠副数据：

公称直径 025D mm =

导程 6P mm = 螺旋角 λ=422'o 滚珠直径 3.175o d mm =

2）按教材表2-1中尺寸公式计算：

滚道半径 00.520.52*3.175 1.651R d mm mm === 偏心距0 3.1750.707()0.707*(1.651)0.04522

d e R mm =-

=-= 丝杠直径1022252*0.0452*1.65121.788d D e R mm =+-=+-=

1.5 稳定性验算

1）由于一端轴向固定的长丝杠在工作时可能会发生失稳，所以在设计时应验算其安全系数S ，其值应大于丝杠副传动机构允许安全系数[]S （见表1.2）。

表1.2

丝杠不会发生失稳的最大载荷称为临界载荷()cr F N 按下式计算：

22

()a

cr EI F l πμ=

式中，E 为丝杠材料的弹性模量，对于刚，E=206GPa ；l 为丝杠工作长度（m ）;

a I 为丝杠危险截面的轴惯性矩4()m ；μ为长度系数，见表1.2。

依题意， 4

4441 3.14*(0.021788) 1.1*106464

a d I m π-=== 取2

3

μ=

，则 294

92(3.14)*206*10*1.1*10 3.2*102

(*0.4)3

cr F N N -==

安全系数 8

53.5*107.8*10411cr m F S F ===。

查表1.2，[]S =2.5~3.3 。 []S S > ， 丝杠是安全的，不会失稳。

2）高速丝杠工作时可能发生共振，因此需要验算其不会发生共振的最高转速——临界转速cr n 。要求丝杠的最大转速max cr n n ≤。

临界转速cr n 可按下式计算

21

2

9910()

c cr f

d n l μ= 式中，c f 为临界转速系数，见表1.2。取 3.927c f = ，2

3

μ=

，则 22(3.927)*0.021788

9910*46898/min 2

(*0.4)3

cr n r ==

max cr n n >=834r/min 。 所以丝杠工作时不会发生共振。

3）此外滚珠丝杠副还会受0n D 值的限制，通常要求407*10/min n D mm r

44025*550/min 1.357*107*10/min n D mm r mm r =?=

所以该丝杠副工作稳定。

1.6 刚度验算

滚珠丝杠在工作负载()F N 和转矩()T N m ?共同作用下引起每个导程的变形量0()L m ?为

20()2C

PF P T

L m EA GJ π?=±±

式中，A------为丝杠面积，2211

()4

A d m π=；

c J ------为丝杠的极惯性距，421()32

c J

d m π

=

；

G------为丝杠的切变模量，对钢83.3G GPa =；

()T N m ?------为转矩。

tan()2

m

D T F λρ=+ 式中，ρ------为摩擦角，其正切函数值为摩擦系数；