二坐标数控工作台课程设计说明书

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学号班级指导教师学期2011～2012学年第二学期设计时间2012.02.17～2012.03.9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年3月目录一.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)1.方案拟定 (2)2.X轴步进电机参数确定及选择 (2)3.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)1. X轴滚珠丝杠设计计算 (6)2. X轴滚动导轨设计计算 (6)五.Y轴方案及参数计算 (7)1.Y轴步进电机参数确定及选择 (7)2.Y轴联轴器选择 (9)六. Y轴机械结构总体设计计算 (10)1. Y轴滚珠丝杠设计计算 (10)2. Y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 (12)九.致谢 (13)十.参考文献 (13)一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。

二机电专业课程设计的任务和要求在规定时间内，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①典型工况下，工作台速度、进给抗力及台面上工作物重量；②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张；（2）数控系统电气原理图（2＃图幅）1张；（3）设计说明书（10～20）页1本；所有图样均采用CAD绘制打印，设计说明书按规定撰写。

三X轴方案及参数计算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。

2. X轴步进电机参数确定及选择X参数选定与计算v x=1.5 m/min=0.025m/s, F x=220N, P x=F x v x=5.5 W1）脉冲当量选择初选五相电机，按五相五拍工作时，步矩角α=0.72°,初定脉冲当量δ=0.005mm/p, 丝杠导程t sp=5 mm,中间齿轮传动比i为:i=(αt sP)／(360i)=0.72×5／(360×0.005)=2由i确定齿轮齿数为Z1=20,Z2=40,模数m=1mm,齿宽b1=13mm,b2=15mm(计算见后面3齿轮传动设计)2)等效传动惯量计算(不计传动效率)J g1=(πd14b1ρ)／32={[π(2.07)4×1.3×7.85×10-3]／32}×10-4kg.m2 =0.018×10-4 kg.m2式中钢密度ρ=7.85×103 kg/cm3同理,大齿轮转动惯量J g2=0.247×10-4 kg.m2由[3]表3-13初选滚珠丝杠CDM2005-2.5,导程为5mm，d0=20 mm，额定动载荷7988N，l=500 mm滚珠丝杠转动惯量J s=(πd04lρ)／32={[π(2)4×50×7.8×103]／32}×10-4kg.m2 =6.1×10-5 kg.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）J w=(w/g)×(t sP／2π) 2÷i2 =23×(0.5／2π) 2 ÷(2.5)2×10-4 kg.m2 =5.57×10-5 kg.m2因此,折算到电机轴上的等效转动惯量J eJ e= J g1+ J w+( J g2+J s)÷i2 =0.945×10-4 kg.m23)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 t=[(F x+μF y) t sP]/(2πηi)= [(55+0.005×50) × 0.005]/(2π×0.8×2.5)=0.11 N.mM f= (F f t sP)/(2πηi)= (μW t sP)/(2πηi)=(0.005×23×9.8×0.005)/ (2π×0.8×2)= 5.47×10-4N.m上述式中η—丝杠预紧时的传动效率取η=0.8n max=(v max/δ)×(α/360°)=(1500/0.005) ×(0.72/360)=150 r/min取起动加速时间tα=0.03 s初选电动机型号90BF006,矩频特性如下图所示,其最大静转矩M jmax=2.25N.m,转动惯量J m=1.76×10-4 kg．m2, f m=2400Hz.故M0=(F p0t sp)÷(2πηi) ×(1-η02)= (1/3F x t sp)÷(2πηi) ×(1-η02) =[(1/3)×220×0.005]÷(2π×0.8×2)×[1-(0.964)2]= 2.58×10-4N.m式中F p0—滚珠丝杠预加负荷,一般取F x/3F x—进给牵引力(N)η0—滚珠丝杠未预紧时的传动效率,取0.964（计算见后）J=( J e +J m)=0.945×10-4 kg．m2+1.8×10-4 kg.m2 =2.745×10-4 kg.m2Mα=( J e +J m)( 2πnmax)/(60tα)= 0.575N.mM q= Mαmax+ M f+ M0=0.575N.mM c= M t+ M f+ M0=0.113 N.mM k= M f+ M0=3.127×10-3 N.m从计算可知, M q最大,作为初选电动机的依据.M q/ M jmax=0.26<0.9 满足所需转矩要求.4)步进电机动态特性校验J e /J m=0.2267/1.8=0.13<4 说明惯量可以匹配电机惯量最大起动频率f L=f m/(1+ J e /J m)1/2=2257.8 Hz步进电机工作时空载起动频率和切削时最大工作频率f q = v max/(60δ)=1500/(60×0.005)=5000> f Lf c=v1max/(60δ)=300/(60×0.005)=1000< f L与f c对应的M c按电机最大静转矩校核，显然满足要求。

综上所述,可选该型号步进电机,具有一定的裕量.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40HBS3）.选择齿数Z1=20,Z2=Z1×i=20×2＝404）.选取螺旋角，初选β＝14o2.（1）按齿面接触疲劳强度设计d1t>={2K t×T1×（u＋1）×(Z H Z E)2/[Φd×εa×u×[ζH]2]}(1/3)1).试选Kt=1.6, (由[1]表10-6)得材料弹性影响系数Z E＝189.8MPa2).(由[1]图10-30得)选取区域系数Z H=2.433,小齿轮做悬臂布置，(由[1]表10-7)选取齿宽系数Φd＝0.53). （由[1]图10-26）查得εa1＝0.76，εa2＝0.80，则εa＝εa1+εa2＝1.564).应力循环系数取j=1 所以N1=60n2jL h=60×600×1×(2×8×300×15)＝2.592×109N2=N1/u=2.592×109/2.5＝1.296×1095）.（由[1]图10-19）查得接触疲劳寿命系数K HN1=0.94,K HN2=0.98,6).（由[1]图10-21d）查得小齿轮接触疲劳强度极限ζHlim1=600MPa,大齿轮的接触疲劳强度极限ζHlim2=550MPa,7).计算疲劳强度许用应力，取安全系数S=1,[ζH]1＝K HN1×ζHlim1/S=0.94×600/1＝564MPa[ζH]2＝K HN2×ζHlim2/S=0.98×550/1＝539MPa8)计算小齿轮传递的转矩T1=9.55×106P x/n x=87.5N.mm（2）.计算1）.试算小齿轮分度圆直径d1t>={2×1.6×87.5×3/（0.5×1.56×2）×（2.433×189.8/551.5）2）}（1/3）＝7.23 mm2).计算圆周速度v=лd1t n1/(60×1000)＝0.23 m/s3).计算齿数b及模数m nt, b=Φd d1t=0.5×7.23＝3.6 mmm nt=d1t cosβ/Z1=7.23×cos14o/20=0.35h=2.25m nt=2.25×0.35mm =0.79 mmb/h=3.6/0.79=4.564).计算纵向重合度εβ＝0.318×Φd×Z1×tanβ=0.318×0.5×20×tan14o=0.795).计算载荷系数K,（查[1]表10-2）得使用系数KA=1（机床进给机构）,根据v=0.23m/s ,7级精度，由（[1]图10-8）查得动载系数Kv=1.01,（由[1]表10-4）查得K Hβ的计算公式：K Hβ=1.12+0.18(1+0.67Φd2) Φd2+0.23×10-3×b=1.15由b/h=5.53,(由[1]图10-13)查得K Fβ=1.12, 由（[1]表10-3）查得K Hα=K Fα=1.4,故载荷系数K=K A K v K HαK Fα=1.58按实际的载荷系数校正所算得的分度圆直径d1=d1t(K/K t)(1/3)=7.23×（1.58/1.58）（1/3）=7.2mm7).计算模数m n=d1×cosβ/Z1==0.35mm3．1).按齿轮弯曲强度设计m n>={(2KT2YβCOS2β/Φd Z12εα)×(Y FαY Sα/[ζF])}(1/3)①计算载荷系数，K=K A×K v×K Fα×K Fβ=1.584②根据纵向重合度εβ＝0.79，由（[1]图10-28）查得螺旋角影响系数Yβ=0.35③计算当量齿数Z v1=Z1/cos3β=24/cos314°=21.9Z v2=Z2/cos3β=60/cos314°=43.8④由（[1]表10-5）查出,Y Fa1=2.59,Y Sa1=1.62,Y Fa2=2.33,Y Sa2=1. 68.因为小齿轮弯曲极限强度ζFE1=500MPa,大齿轮ζFE2＝380MPa,由（[1]图10-18）得弯曲疲劳寿命系数K FN1=0.84，K FN2=0.88,取安全系数S=1.4[ζF]1＝K HN1×ζFE1/S=300MPa[ζF]2＝K HN2×ζFE1/S＝238.86MPa⑤计算大、小齿轮Y Fa1 Y Sa1/[ζF]1并加以比较Y Fa1 Y Sa1/[ζF]1＝2.59×1.62/300=0.01399Y Fa2Y Sa2/[ζF]2=2.33×1.68/238.86＝0.01639 取大齿轮数据2).设计计算m n>={2×1.584×87.5×0. 35×0.01639×(cos14°)2/（0.5×202×1.56）}（1/3）＝0.169mm对比计算结果，由齿面接触疲劳强度计算得法面模数m n大于齿根弯曲疲劳强度计算得法面模数，取m n＝1 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=20mm4．几何尺寸计算①中心距a=( Z1+Z2)m n/(2×cosβ)=(＝30.9 mm 所以圆整为31mm②按圆整后的中心距修正螺旋角β＝arccos[(Z1+Z2)m n/2a]=arcos[(20+40) /(2*31)=14.6o, 因β值改变不多，故参数εα、Kβ、Z H等不必修正③计算大、小齿轮分度圆直径d1=Z1m n/cosβ=20/cos14.6o =24.67 mmd2=Z2m n/cosβ=40/cos14.6o =41.33mm④计算齿轮宽度b=Φd d1=0.5×25＝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B1=15mm四X轴机械结构总体设计计算1.X轴滚珠丝杠设计计算(1)滚珠丝杠副的结构类型①滚珠循环方式由[3]表3-1查得,选择外循环插管式②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=20 mm ，lv=行程+丝杠螺母长度Lv=160+80=240mm，lu=lv+le=240+20=260mm，为留有一定的安装余量，取lu=450mm(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[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430mm。