工作台说明书

长春工业大学

机械制造装备设计

课程设计说明书

课程设计名称《机械制造装备设计》课程设计专业机械制造及其自动化

班级 110101班

学生姓名

指导教师孙宝玉

年月日

目录

摘要 (2)

1.X-Y双坐标联动数控工作台 (2)

1.1课程设计的目的 (2)

1.2设计相关数据 (2)

1.3设计要求 (2)

2工作台设计参数设计 (3)

2.1 总体结构 (3)

2.2滚珠丝杠设计 (3)

2.2.1计算动载荷 (3)

2.2.2计算临界转速n k (3)

2.3滚珠动导轨设计 (4)

2.3.1计算行程长度寿命T s (4)

2.3.2计算动载荷 (4)

3．步进电机的选择 (5)

3.1步距角的选择确定 (5)

3.2步进电机转速校核 (6)

3.2.1空载起动时电机轴总的负载转距T q (6)

3.2.2工作正常时电机轴总负载转矩T g (7)

3.2.3 电机最大静转矩T

(8)

s

4. 结语 (9)

5.参考文献 (9)

摘要

本设计从下达任务起，经过现场调查和查阅文献资料入手，历经三周的时间完成。在设计中，首先根据课程设计所要求的技术参数确定机床设计中所需要的参数，然后确定工作台结构，查资料，主要的计算包括摩擦齿轮的校核、轴的校核、轴承的校核、键的校核、主轴的校核计算等。原动机与主轴箱的动力传递采用的是带传动装置。最后根据资料和参考同类机床来设计，并绘制其装配图。

1X——Y双坐标联动数控工作台

1.1课程设计的目的

本课程设计的目的在于培养学生对典型机电一体化产品机械结构的设计能力和对机电伺服系统的设计能力，在学习有关专业课程设计的基础上，进行机电系统设计的初等训练，掌握手册、标准、规范等资料的使用方法，培养分析问题的能力，为以后的毕业设计打下良好的基础。

1.2设计相关的数据

工作台长×宽390×290

工作台重量1800N

工作台行程X=60~100mm Y=50~80mm

脉冲当量变0.05~0.08mm/p

1.3设计要求

（1）工作台进给运动采用滚珠丝杠螺旋运动

（2）滚珠丝杠支承方式；双推——简支型

（3）驱动电机为反应式步进电机

（4）步进电机与滚珠丝杠间采用齿轮降速，要求消除齿轮传动间隙

2工作台结构参数设计

2.1总体结构

数控工作台采用步进电机驱动的开环控制结构，其单向驱动系统结构实际设计的工作台为X、Y双坐标联动工作台，工作台是由上拖板、中拖板、下拖板及导轨上移动，X、Y导轨方向互相垂直

2.2滚珠丝杠设计

2.2.1计算动载荷Cj

Cj=L1/3×K F K H×F a(N)

K F=1.4 K H=1.1

K F K H分别由设计指导书表1.2查得，F由指导书表3丝杠材料造C r—WM N\n钢，滚道硬度为58~~62HRC

使用寿命；T=15000h

取丝杠转速；n=100r/min

轴向工作载荷；F a=2800N

则额定寿命；L=60Nt/106=90

所以动载荷；C j=901/3×1.4×1.1×2800=19323.8N

选取滚珠丝杠型号；4008—2.5（由设计指导书附录一）

2.2.2计算临界转速n k

n k=9910×f c2×d1/(μl)2

由设计指导书表4查得；f c=3.93 μ=0.

又知；4008—2.5型滚珠丝杠中径d2=40mm 滚珠直径d0=4.763

∴螺纹滚道半径R=0.52d0=0.52×4.763=2.48

偏心距；e=0.707（R-d0/2）

=0.707(2.48-4.763/2)

=0.07

丝杠内径；d1=d2-2e+2R

=40-2×0.07+2×2.48

=35.18mm

取丝杠工作长度；L x=150mm L y=100mm

∴n k=9910×f c2d1/(μl)2

可知；y向临界转速n k最大

n kmax=9910×f c2d1/(μL y)2

=(9910×3.932×35.18×10-3)/(2/3×2)2

302884.55(r/min)>n max=10000r/min

压杆稳定性计算；

F k=π2EI a/(μl)2

丝杠危险截面惯性矩；

I a=πd14/64

=π×0.035184/64

=7.46×10-8

可知X 向为危险截面 ∴应计算X 向压杆问题

材料弹性模量；对于钢E=2.06×1011（P a ） ∴临界载荷；F kmin =π2EI a /(μl)2

=(π2×2.06×1011×7.46×10-8)/(0.07×0.35)2

=2.75×106(N)

∴ 安全系数S=F k /F a = F kmin /F a =983.2>[S]2.5~~3.3 ∴丝杠绝对安全 不会失稳

∴丝杠选取无误，即选取4008—2.5型滚珠丝杠

2.3滚珠动导轨设计

导轨是工作台的重要组成部分，由于滚动导轨具有定位精度高、低速无爬

行、移动轻便等显著优点，故本工作台系统设计选用滚动导轨。本次导轨设计的主要任务是根据负载情况选用标准化滚动导轨，在选用过程中，主要进行额定载荷验算

2.3.1计算行程长度寿命T s

T s =2L S ×n ×60×T h /100(km)

工作单行程长度知；L sx =0.15m L sy =0.10m

往复次数；n x =np/2 L sx =100×8×10-3/(2×0.15)=2.67 n y =np/2 L sy =100×8×10-3/(2×0.1)=4.00 工作时间寿命；T h =15000(h) ∴行程长度寿命；

T sx =2L sx ×n ×60×T h /1000

=(2×0.35×2.67×60×15000)/1000 =1682.1(km)

T sy =2L sy ×n ×60×T h /1000

=(2×0.2×4.00×60×15000)/1000 =1440(km)

2.3.2计算动载荷

j c

j c =13

(/)w T

c

H

s f k T f f f

F m

T

f 、

c

f

、

H

f

、

w

f 分别由指导书表5，6，7，8查得 T

f

=1.0,

c

f

=1.0,

H

f

=1.0,

w

f

=1.8

另取滑座个数 m=4

寿命系数一般取k=501(km)

作用在滑座上载荷F x =18000N F x =24000N ∴

jx c

=

13

(/)

4*1*1*1

x

w

s f k F T

=19689.9N ∴

jy

c

=

1

3

(/)4*1*1*1

y

w

s f k F T

=26275.1N

由机电一体化设计基础表2-13查得 故选取滚动导轨型号为HJG —D35

3步进电机的选择

3.1 步距角的选择确定

∴α=*360i t

δ

传动系统传动比i 取4即i=4 工作台脉冲当量δ=0.05 滚动丝杠导程t=8(mm)

α=﹙360°×0.05×4﹚／8=9°

由设计指导书附录三选择步进电机型号为90BF001

由机电一体化设计基础图5-33、5-34查得 减速器采用2级传动

传动比分别为i 1=1.8 i 2=2.2 各传动齿轮齿数为；

Z 1=20 Z 2 =36 Z 3=20 Z 4=44 模数m=2mm 齿宽b=20mm

3.2 步进电机转速校核

3.2.1空载起动时电机轴总的负载转距T q

T q = T j + T μ + T o

由机电一体化设计基础书中式（5-36）分别计算各传动件的转动惯量，其中齿轮的等交叉直径取分度圆直径

1

d

=d 3=mz 1 =mz 3 =2×20=40

2

d = mz 2 =2×36=72 4

d = mz 4 =2×44=88 S

d

=35.18mm

丝杠长度取L=600mm

∴J=

4

32

L d p π J z1 =J z3 =

3

4

0.02

100.047.832

π-????

=3.92×10-5 (kg·m 2 ) J z2

=

3

4

0.02100.0727.832

π???? =

4

10

4.1-?(kg·m 2 )

J z4

=

3

0.02100.0887.832

π????

=4

109.2-?(kg·m 2 )

J s

=

3

4

0.6100.035187.832

π???? =4

100.3-?(kg·m 2 )

将各传动件转动惯量及工作台质量折算电动机轴得：总当量负载荷转动惯量 J d =J Z1+(J z1+J z2)/i 12+(J z4+Js)/i 2+(P/2πi)2m

=3.9×10-5+(4.1×10-4+3.9×10-5)/1.82+(9.2×10-4+7.03×10-4)/42+(0.008/2π×4)2×80

其中工作台小刀架质量为m,取m=80kg

取电动机轴自身转动惯量Jm=0.8×10-3(kg ×m 2) 则步近电动机轴的总转动惯量：J=Jm+Jd=1.09×10-3

设步近电机空载启动时间为50ms. 最大进给速度：V max =1.0m/min 导轨摩擦系数μ=0.2

空载启动时，电动机轴的惯性转矩：T J=Tε=J×W max/?f=(J×2πi×V max)/(P×?t)

=1.14(N×mm)

电动机轴上的当量摩擦转矩：

Tμ=(P×FΜ)/2πηi=(P×mgn)/2πηi

=(0.008×80×9.8×0.2)/(2π×0.8×4)

=0.06(N×m)

其中伺服进给链的总效率η=0.8

设滚珠丝杠螺母副的预紧力为最大轴向载荷的1/3，则因预紧力而引起，而折算到电动机轴上的附加摩擦转局为：

T=P×F0×（1-η0）2

=P×F wmax×(1-η02)2/(2πηi×3)

=0.008×2800×(1-0.92)2/(2π×0.8×4×3)

0.07(N×m)

则电动机空载起动时电机轴总的负载转矩:

T g=T j+Tμ+Tω

=1.14+0.06+0.07

=1.27(N×m)

3.2.2工作正常时电机轴总负载转矩T g

工作台的最大轴向负载折算到电动机轴上的负载转矩：

Tω=(P×Fμmax)/2πηi

=0.08×2800/(2π×0.8×4)

=11.1(N×m)

电动机正常工作时电机轴总负载转矩:

T g=TΜ+T0+T W

=0.06+0.07+11. 1

=11.23(N×m)

3.2.3 电机最大静转矩T s

(1) 按空载启动计算:

空载启动上所需电机最大静转矩

T s1=T q/c=1.27/0.707=1.80(N×m)

C=0.707 由设计指导书表查得:

(2) 按正常工作计算:

在最大外载荷下工作时所需要电动机最大静转矩: T s2=T g /(0.3~0.5)=1.24/(0.3~0.5)=3.89~2.48(N ×m)

T

s ≥max{T s1,T s2} ∴ T s =3.89<[ T s ]

∴ 步近电机的最大静转矩满足要求 (3) 频率校核!

参考电机的转矩—频特性曲线

原则:选用步近电机事应使实际应用的启动频率,运行频率与负载转矩所对应的启动,运行工作点位于该曲线之下,才能保证步近电机不失频地正常工作

经校核满足要求

∴ 选取90B

0.01型步近电机

4总语

一转眼一个月的课程设计就要结束了。对于课程设计，认真的研究老师给的题目，琢磨其用意，深层次挖掘潜在的东西。认真听老师讲解，理论结合实际做起设计就会事半功倍，如果没弄明白，就迷迷糊糊的去选题目做设计，到头来一点收获也没有。在一个多月以来，也暴露了自己很多问题，第一、不够细心比如由于粗心大意图纸弄错，由于对课本理论的不熟悉导致方案出现错误。第二，是在学习态度上，这次课设是对我的学习态度的一次检验。我的第一大心得体会就是作为一名工程技术人员，要求具备的首要素质绝对应该是严谨。我们这次实习所遇到的多半问题多数都是由于我们不够严谨。第三，在做人上，我认识到，无论做什么事情，只要你足够坚强，有足够的毅力与决心，有足够的挑战困难的勇气，就没有什么办不到的。在这次难得的课程设计过程中我锻炼了自己的思考和动手实践能力。

再次感谢老师的辅导以及同学的帮助，没有他们的帮助，不可能独立完成课程实际任务，团结力量大。这次课设会成为我积累技术经验的重要一课。

5参考文献

1.何伯吹等著《机床设计手册》北京：机械工业出版社 1975

2.冯辛安著《机械制造装备设计》第3版北京：机械工业出版社 2009

3.杨黎明等著《机械零件设计手册》北京：国防工业出版社， 1993

4.孙桓《机械原理》第7版高等教育出版社 2005

5.濮良贵《机械原理》第8版高等教育出版社 2005