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1、 二坐标数控工作台课程设计说明书-精品好文档，推荐学习交流 仅供学习与交流，如有侵权请联系网站删除 谢谢19 宁波大学机械学院 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 2015.03.7 2015.03.20 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 精品好文档，推
2、荐学习交流 仅供学习与交流，如有侵权请联系网站删除 谢谢19 2015 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）精品好文档，推荐学习交流 仅供
3、学习与交流，如有侵权请联系网站删除 谢谢19 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）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；
4、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 精品好文档，推荐学习交流 仅供学习与交流，如有侵权请联系网站删除 谢谢19 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 张；（2）数控系统电气原理图（2图幅）1 张；（3）设计说明书（1020）页 1 本；所有图样均采用 CAD 绘制打印，设计说明书按规定撰写。3.X 轴方案及参数计算 3.1 方案拟定
5、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。精品好文档，推荐学习交流 仅供学习与交流，如有侵权请联系网站删除 谢谢19 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
6、全与电机的输出特性一致。3.2 X 轴步进电机参数确定及选择 X 参数选定与计算 Vx=1.6 m/min=0.027m/s，Fx=120N，Px=Fxvx=3.2 W（1）脉冲当量选择 初选三相电机，按三相三拍工作时，步矩角=1.5，初定脉冲当量=0.0 1mm/p，丝杠导程 tsp=5 mm，中间齿轮传动比 i 为：i=(tsP)(360i)=1.5 5(360 0.01)=2 由 i 确定齿轮齿数为402021ZZ，模数 m=2mm，齿宽mm25bmm22b21，3.3 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。精品好文档，推荐学习交流 仅供
7、学习与交流，如有侵权请联系网站删除 谢谢19 （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=Z1 i=20 240.（4）选取螺旋角，初选 14o 2.按齿面接触疲劳强度设计32d21tt 1uzz1u2dHEHTK）（）（1）试选 Kt=1.6,(由1表 10-6)得材料弹性影响系数 ZE189.8MPa （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 d0.5.7 562.2014con/20tanarctan)
8、cos/tan(tanarcnt）（408.3114cos1220/562.20cos20cos arccosh2z/coszcos arc*an1t11at）（）（751.2614cos1240/562.20cos40cos arccosh2z/coszcos arc*an2t22at）（）（min/r6405210006.1ti1000vnspx （3）应力循环系数取 j=1，所以 9h111076.21530082164060jn60）（LN 99121038.121076.2uNN （4）由1图 10-19查得，接触疲劳寿命系数 KHN1=0.92，KHN2=0.96.精品好文档，推荐
9、学习交流 仅供学习与交流，如有侵权请联系网站删除 谢谢19 （5）由1图 10-21d查得，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,（6）计算疲劳强度许用应力，取安全系数 S=1，a552160092.01lim11MPSKHHNH a528155096.02lim22MPSKHHNH （7）计算小齿轮传递的转矩 T1=9.55 106Px/nx=47.75N.mm 3.计算 （1）试算小齿轮分度圆直径 mm51.5528257.15.08.189433.2125.175.476.12uzz1u2d32232d21tt 1）（）（）（
10、）（HEHTK（2）计算圆周速度s/m185.010006064051.5100060ndv1t 1 （3）计算齿数 b 及模数ntm.b=dd1t=0.5 5.512.76 mm mnt=d1tcos/Z1=5.51 cos14o/20=0.27 h=2.25mnt=2.25 0.27mm=0.61 mm b/h=2.76/0.61=4.54 （4）计算纵向重合度0.318dZ1tan=0.3180.5 20 tan14o=0.79 精品好文档，推荐学习交流 仅供学习与交流，如有侵权请联系网站删除 谢谢19 （5）计算载荷系数 K，查1表 10-2，得使用系数 KA=1，根据v=0.027
11、m/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 KH的计算公式：KH=1.12+0.18(1+0.67d2)d2+0.23 10-3 b，所以 KH=1.12+0.18（1+0.67 0.5）0.5+0.23 10-3 2.76=1.17，由 b/h=4.54，由1图 10-13，查得 KF=1.12，由1表 10-3，查得 KH=KF=1.2，故载荷系数 K=KAKvKHKF=1.45，按实际的载荷系数校正所算得的分度圆直径 d1=d1t(K/Kt)(1/3)=5.51（1.45/1.6）（1/3）=5.33mm （6）计算模数 mn=d1cos/Z1
12、=0.26mm 4.按齿根弯曲强度设计 （1）计算载荷系数，K=KA Kv KF KF=1.45 （2）根据纵向重合度 0.79，由1图 10-28查得，螺旋角影响系数 Y=0.35 （3）计算当量齿数：Zv1=Z1/cos3=2 0/cos314=21.9 Zv2=Z2/cos3=50/cos314=43.8 （4）由1表 10-5查出，YFa1=2.8，YSa1=1.55，YFa2=2.4，YSa2=1.67.因为小齿轮弯曲极限强度 FE1=500MPa，大齿轮 FE2380MPa，由1图 10-18得，弯曲疲劳寿命系数 KFN1=0.85，KFN2=0.87，取安全系数 S=1.4 精品
13、好文档，推荐学习交流 仅供学习与交流，如有侵权请联系网站删除 谢谢19 a57.3034.150085.0111MPSKFEFNF a14.2364.138087.0222MPSKFEFNF （5）计算大、小齿轮/21FSFYY并加以比较 014.057.30355.18.2111FSFYY 170.014.23667.14.2222FSFYY 取大齿轮数据 2).设计计算 mn=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 mn大于齿根弯曲疲劳强度计算得法面模数，取 m
14、n1 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 4几何尺寸计算 中心距 a=(Z1+Z2)mn/(2cos)=(30.9 mm 所以圆整为 31mm 按圆整后的中心距修正螺旋角 arccos(Z1+Z2)mn/2a=arcos(20+40)/(2*31)=14.6o,因 值改变不多，故参数、K、ZH等不必修正 计算大、小齿轮分度圆直径 d1=Z1mn/cos=2 0/cos14.6o=24.67 mm 精品好文档，推荐学习交流 仅供学习与交流，如有侵权请联系网站删除 谢谢19 d2=Z2mn/cos=40/cos14.6o=41.3
15、3mm 计算齿轮宽度 b=dd1=0.5 2513mm 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 2)等效传动惯量计算(不计传动效率)Jg1=(d14b1)32=(2.07)4 1.3 7.85 10-332 10-4 kg.m2=0.018 10-4 kg.m2 式中 钢密度=7.8 5 103 kg/cm3 同理,大齿轮转动惯量 Jg2=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
16、s=(d04l)32=(2)4 50 7.8 10332 10-4 kg.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）Jw=(w/g)(tsP2)2 i2=23(0.52)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 Je Je=Jg1+Jw+(Jg2+Js)i2 =0.945 10-4 kg.m2 3)等效负载转矩计算(以下为折算到电机轴的转矩)精品好文档，推荐学习交流 仅供学习与交流，如有侵权请联系网站删除 谢谢19 由3式(2-7)
17、(2-9)可知:Mt=(Fx+Fy)tsP/(2i)=(55+0.00550)0.005/(20.82.5)=0.11 N.m Mf=(Ff tsP)/(2i)=(W tsP)/(2i)=(0.00523 9.8 0.005)/(20.82)=5.47 10-4N.m 上述式中 丝杠预紧时的传动效率取=0.8 nmax=(vmax/)(/360)=(1500/0.005)(0.72/360)=150 r/min 取起动加速时间 t=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Mjmax=2.25N.m,转动惯量 Jm=1.76 10-4 kgm2,fm=240
18、0Hz.故 M0=(Fp0tsp)(2i)(1-02)=(1/3Fxtsp)(2i)(1-02)=(1/3)2200.005(20.82)1-(0.964)2=2.58 10-4N.m 式中 Fp0滚珠丝杠预加负荷,一般取 Fx/3 Fx进给牵引力(N)0滚珠丝杠未预紧时的传动效率,取 0.964（计算见后）精品好文档，推荐学习交流 仅供学习与交流，如有侵权请联系网站删除 谢谢19 J=(Je+Jm)=0.945 10-4 kgm2+1.8 10-4 kg.m2=2.745 10-4 kg.m2 M=(Je+Jm)(2nmax)/(60t)=0.575N.m Mq=Mmax+Mf+M0=0.5
19、75N.m Mc=Mt+Mf+M0=0.113 N.m Mk=Mf+M0=3.127 10-3 N.m 从计算可知,Mq最大,作为初选电动机的依据.Mq/Mjmax=0.260.9 满足所需转矩要求.4)步进电机动态特性校验 Je/Jm=0.2267/1.8=0.13 fL fc=v1max/(60)=300/(60 0.005)=1000Fmax=61.877N 临界转速 ncr=9910(f22d2)/Lc2 式中 f2-丝杠支承方式系数,F-S取 3.927.Lc-临时转速计算长度.Lc=0.05m.d2-丝杠螺纹底径,取 0.0162m ncr=9906 r/min nmax.同时验算
20、丝杠另一个临界值 d0n=20 1125=22500Fmax,额定静载荷 Ca=9.5kN Fmax，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 100，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 fT=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，得距离寿命：L=fHfTfcfRCa/(fwFmax)3 50=16000km，满足其期望值 50km，故距离额定寿命满足要求
21、。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.精品好文档，推荐学习交流 仅供学习与交流，如有侵权请联系网站删除 谢谢19 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.五 Y 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=1.25 m/min=0.0208m/s，Fy=220 N，Py=Fyvy=4.58W 1）脉冲当量选择 初选五相电机，按五相五拍工作时，步矩角=
22、0.72,初定脉冲当量 =0.01mm/p,丝杠导程 tsP=5 mm,中间齿轮传动比 i 为:i=(tsP)(360i)=0.72 5(360 0.01)=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=7.8103 kg/cm3 由3表 3-13初选滚珠丝杠 CDM2005-2.5,得到 d0=20 mm,l=400 mm 滚珠丝杠转动惯量 Js=(d04l)32=(2)4 40 7.8 10332 10-4 kg.m2 =4.9 10-5 kg.m2 精品好文档，推荐学习交流 仅供学习与交流，如有侵权请联系网站删除 谢谢19 拖板及工作物重和导轨折算到电机
23、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 Jw=(w/g)(tsP2)2 i2=22(0.52)2 (1)2 10-4 kg.m2=1.39 10-5 kg.m2 因此,折算到电机轴上的等效转动惯量 Je Je=Jw+Js=1.39 10-5+4.9 10-5=6.29 10-5 kg.m2 3)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:Mt=(Fy+Fx)tsP/(2i)=(220+0.005 220)0.005/(20.81)=0.22N.m Mf=(Ff tsP)/(2i)=1.094 10-3N.m 上述式中 丝杠预紧时的传动效率
24、取=0.8 nmax=(vmax/)(/360)=(2000/0.01)(0.72/360)=400r/min 取起动加速时间 t=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 Mjmax=2.25N.m,转动惯量 Jm=1.764 10-4 kgm2,fm=2400Hz.故 M0=(Fp0tsp)(2i)(1-02)=(1/3Fytsp)(2i)(1-02)=(1/3)2200 0.005(20.81)1-(0.964)2=5.16 10-3N.m 式中 Fp0滚珠丝杠预加负荷,一般取 Fy/3 Fy进给牵引力(N)精品好文档，推荐学习交流 仅供学习与交流，
25、如有侵权请联系网站删除 谢谢19 0滚珠丝杠未预紧时的传动效率,取 0.964 J=(Je+Jm)=2.745 10-4 kg.m2 M=(Je+Jm)(2nmax)/(60t)=0.24 N.m Mq=Mmax+Mf+M0=0.246N.m Mc=Mt+Mf+M0=0.226N.m Mk=Mf+M0=6.25 10-3N.m 从计算可知,Mq最大,作为初选电动机的依据.Mq/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=0.5 fL fc=v1max/(60)=250/(60 0.01)=417 T1，许用转速n
26、=8800r/min400r/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 Y 轴机械结构总体设计计算 1.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.精品好文档，推荐学习交流 仅供学习与交流，如有侵权请联系网站删除 谢谢19(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
27、)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=110+80=190mm，lu=lv+le=190+20=210mm，为留有一定的安装余量，取 lu=400mm(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 400mm。(5)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
28、=23 9.8N=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=0.005.求得滚珠丝杠副的最大工作载荷：Fm=K Fy+（Fx+Fz）=1.1 220+0.005（220+220）N=244.2N n=1250/5=250r/min 精品好文档，推荐学习交流 仅供学习与交流，如有侵权请联系网站删除 谢谢19 取滚珠丝杠寿命 T=15000h，代入 L0=60nT/106 得，L0=261（106 r）查表4 3-30，取载荷系数 fw=1.2，滚道硬度为 60HRC 时，取硬度系数 f H=1.0，则 FQ=L0(1/3)fwf
29、H Fm=347N 由导程=5mm，FQ=347N，查表4 3-31，初选 CDM 2005-2.5 型滚珠丝杠副，为内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 7988N。(6)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,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=3.4 1010(f1d24)(L02)K1 式中 L0-最长受压长度.取 400 mm f1-丝杠支承方式系数,F-S取 2 d2-丝杠螺纹底径,取 16.2 mm K1 安全系数，取 1/3 Fn=15.56
30、 103 NFmax=244.2N 临界转速 ncr=9910(f22d2)/Lc2 精品好文档，推荐学习交流 仅供学习与交流，如有侵权请联系网站删除 谢谢19 式中 f2-丝杠支承方式系数,F-S取 3.927.Lc-临时转速计算长度.Lc=0.04m.d2-丝杠螺纹底径,取 0.0162m ncr=15478 r/min nmax.同时验算丝杠另一个临界值 d0n=20 400=8000Fmax,额定静载荷 Ca=9.5kN Fmax，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 100，每根导轨上配有两只滑块，精度为
31、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 fT=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，得距离寿命：L=fHfTfcfRCa/精品好文档，推荐学习交流 仅供学习与交流，如有侵权请联系网站删除 谢谢19(fwFmax)3 50=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
32、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 1.标注装配图尺寸、配合与精度等级。包括特性尺寸、最大体形尺寸、安装尺寸和主要零件的配合尺寸。2.写出工作台的技术特征。3.编写技术要求。4.对所有零件进行编号。5.列出零件明细表及标题栏。6 检查装配图。精品好文档，推荐学习交流 仅供学习与交流，如有侵权请联系网站删除 谢谢19 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
33、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:高等教育出版社，2001 精品好文档，推荐学习交流 仅供学习与交流，如有侵权请联系网站删除 谢谢19 2 吴宗泽主编.机械设计课程设计手册.第二版.北京:高等教育出版社.1999 3 楼应侯、潘晓彬、郑堤、崔玉国、胡利永等编.机械电子工程专业课程设计指导书 4 尹志强等编著.机电一体化系统设计课程设计指导书.北京:机械工业出版社,2007.5