二维精密数控工作台设计.docx
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二维精密数控工作台设计
5总结….……………………………………………………..………………………..20
6参考文献
1.序论
1.1设计的目的
“精密机械设计基础”课程设计作为实践环节对于整个课程具有非常重要的意义。
在这次课程设计中不仅仅是完成一项指定的任务，更重要的是实际走过一个完整的设计过程。
学生在课程设计中定位为设计者，对方案进行筛选论证，考虑结构工艺性和选材。
整个设计采用AutoCAD和Solidworks完成，从3D建模到2D图纸。
要求学生至少做出一张可用于加工的图纸，图纸的尺寸标注要合理，要有尺寸公差和行为公差，要正确选择材料，要有技术要求。
总之，通过本次课程设计使学生知道，设计过程包括哪些步骤，能够投放生产的加工图纸是什么样子的。
其目的是:
（1）具体应用、巩固加深和扩大课程及有关先修课程的理论知识、生产知识，了解精密机械设计的一般设计方法和步骤，培养学生的实际设计能力，为以后进行毕业设计打下基础。
（2）掌握正确的设计思想，并通过本次课程设计使同学们掌握仪表的设计思想。
1.2设计的意义
精密机械课程设计是一次比较完整的精密机械设计，它是理论联系实际、培养初步设计能力的重要教学环节。
对于学生能力的培养具有重大意义。
1.3设计的任务
设计一个数控X-Y工作台，该工作台可用于铣床上坐标的加工和塑料、铝合金零件的二维曲线加工。
其实际结构如下图1.3所示：
图1.3
设计的各项参数如下表：
设计主要参数：
负载重量G
最大快移速度
重复定位精度
定位精度
调节范围
（X轴）
调节范围
（Y轴）
台面尺寸
C
B
H
150N
1m/min
0.025mm
75mm
75mm
145
mm
160
mm
12
mm
表1.3
2.总体方案设计
2.1二维数控精密工作台的原理
如图2.1.1所示为二维数控平台实验原理样机原理图，图2.1.2为二维数控平台实物照片。
二维数控平台可以实现X、Y两个方向的运动，通过两个方向运动的合成，可以实现任意平面轨迹。
图2.1.1二维数控平台实验机原理图此试验机装有一支笔，固定不动，在工作台上放上纸，工作台在运动时，就可以在纸上画出预先给定的图形。
二维数控工作台的主要结构件有：
底座、滚珠导轨、滚珠丝杆、四杆支架、托盘、工作台、步进电机等。
2.2设计的整体方案
2.2.1工作台总体结构的确定
（1）步进电机2个（分别用于X、Y方向）；
（2）滚珠丝杆2套，应分别对其进行分析设计，以满足两者不同的受力情况；
（3）滚动导轨：
双导轨，四滑块；
（4）带有“”槽的工作台面；
（5）联轴器2个、导轨支撑板、轴承座、轴承挡圈以及丝杆螺母等等。
2.2.2传动方案的确定
步进电机联轴器滚珠丝杆工作台X、Y方向应满足：
其中，分别为X、Y方向的脉冲当量，这里脉冲当量为25step。
2.2.2.1丝杆螺母副的选用
伺服电动机的旋转运动需要通过丝杠螺母副转换成直线运动，需要满足mm的定位精度，滑动丝杠副为能为力，只有选用滚珠丝杆副才能达到要求，滚珠丝杆副的传动精度高、动态响应快、运转平稳、寿命长、效率高、预紧后可消除反向间隙。
2.2.2.2导轨副的选用
要设计二维数控精密工作台，需要承受的载荷不大，而且脉冲当量小，定位精度高，因此选用直线滚动导轨副，它具有摩擦系数小，不易爬行，传动效率高，结构紧，安装预紧方便等优点。
2.2.2.3联轴器的选用
选择了步进电动机和滚珠丝杆副以后，为了使电动机的输出转矩，与滚珠丝杆相连，由于电动机载荷平稳、转速稳定、被联接的两轴中心线对中要求高，因此选用凸缘联轴器。
2.2.2.4伺服电动机的选用
根据任务书可知定位精度未达到微米级，因此本设计不必采用高档次的伺服电动机，在这里选用反应式步进电机，它具有步进角小，频率高的特点。
2.3绘制总体方案图
图1.4
本次设计的二维数控精密工作台由于不对控制部分进行设计，而仅仅对机械部分进行设计，故确定整体设计方案如图1.4所示：
采用步进电机对工作台进行驱动，经联轴器后，带动滚珠丝杆传动，从而实现二维数控精密工作台的纵向（Y轴）、横向（X轴）进给运动。
3.机械系统的设计计算
3.1滚珠丝杆选择
已知条件：
负载重量
N
调节范围
mm
最大快移速度
m/mim
定位精度
mm
150
75
1
0.025
表4
重复定位精度
Mm
行程
mm
滚珠丝杆基本导程
mm
滚珠丝杆公称直径
mm
75
4
20
表3.1
3.1.1滚珠丝杆工作长度计算
横向（X轴）丝杆工作长度：
横向（X轴）丝杆工作载荷：
工作台重量：
（其中，选取工作台材料为灰铸铁，密度：
重力加速度取）
纵向（Y轴）丝杆工作长度：
纵向（Y轴）丝杆工作载荷：
横向（X轴）方向臂重量：
（其中，包括X轴向的滚动导轨、滑块等的重量）
3.1.2计算载荷
可以设定工作台的适用工况为：
每天工作8小时，每年300个工作日，可连续工作6年以上。
查《机械零件设计手册》，可选滚道截面形状为双圆弧形；滚珠循环方式为内循环固定式；预紧方式采用双螺母垫片式。
丝杆材料：
钢；滚道硬度:
。
又根据设定工况查手册可得：
载荷系数：
ƒd=
安全系数：
ƒj=
滚珠丝杆的载荷系数ƒd和静安全系数ƒj：
载荷性质
ƒd
ƒj
平稳或轻度冲击
中等冲击
较大冲击或震动
表3.1.2.1
硬度系数：
精度等级：
滚道实际
硬度
≥58
55
50
45
40
1.0
1.11
1.56
2.4
3.85
表3.1.2.2硬度系数
精度等级
C、D
E、F
G
H
1.0
1.1
1.25
1.43
表3.1.2.3精度等级
则：
=ƒd
其中，选取ƒd=1.1，,,即选取精度等级为一级。
横向载荷：
纵向载荷：
3.2.3额定动载荷计算
寿命：
当量转速：
额定动载荷：
横向额定动载荷：
纵向额定动载荷：
根据初定的导程和计算所得的额定动载荷,并依据选取丝杆过程中选取导程应等于，变载时等于或大于的原则，查《机械零件设计手册》确定横向（X轴）和纵向（Y轴）采用相同的滚珠丝杆，并确定其型号为：
GDM2004-2.5。
该型滚珠丝杆副的具体参数如表3.1.3.1：
滚珠丝杆副型号
公称直径
基本导程
钢球直径
丝杆外径
CDM2004-2.5
20
4
2.381
19.7
螺纹底径
循环圈数
额定动载荷
额定静载荷
接触刚度R
17.0
5862
14361
608
表3.1.3.1
3.1.4稳定性校核
1）由于一端轴向固定的丝杆在工作时可能会失稳，所以再设计时应对其安全系数S进行校核，其值应大于丝杆副传动结构允许安全系数[S]。
滚珠丝杆临界载荷：
式中，E为滚珠丝杆材料的弹性模量，对于钢，;l为丝杆工作长度（m），为丝杆危险截面的轴惯性矩（）；为长度系数。
又知，
取，则有：
横向滚珠丝杆临界载荷：
纵向滚珠丝杆临界载荷：
进而，有横向滚珠丝杆安全系数：
纵向滚珠丝杆安全系数：
经查手册知，S>[S],两丝杆均是安全的，不会失稳。
2）滚珠丝杆副还受值的限制，查手册可知通常情况下，要求
所以该滚珠丝杆副工作稳定。
3.1.5滚珠丝杆副的刚度计算
滚珠丝杆的刚度由丝杆的拉压刚度、螺母支承刚度和螺纹滚道接触刚度R组成。
其关系如下：
丝杆支承为一端固定、一端自由，则丝杆的拉压刚度：
螺母的支承刚度：
式A为螺母横截面，查手册可算出；为螺母支承面有效滚道间长度，单位为mm。
螺纹滚道接触刚度R，查《机械零件手册》表18-33或表18-36可得到。
经验算，可得两丝杆均满足刚度要求。
3.2滚动直线导轨选择
设定导轨工作参数为：
X轴滑座上载荷
Y轴滑座上载荷
滑座个数
单向行程长度
X轴方向
Y轴方向
213.675N
274.7N
4个
240mm
255mm
每天工作时间
年工作日数
寿命年数
每分钟往复次数
8小时
300天
5年
6次
表3.2
3.2.1导轨额定寿命计算
寿命：
又由：
其中为导轨额定行程长度寿命，单位为Km；为工作单行程长度，单位为m；n为每小时往复次数，单位为：
次/h。
可得横向导轨额定行程长度寿命：
纵向导轨额定行程长度寿命：
因需要滑座数目为,即：
每根导轨上使用2个滑座，查《机械电子工程专业课程设计指导书》可确定：
接触系数：
硬度系数：
温度系数：
负荷系数：
又有：
其中，K为寿命系数，一般取50Km；F为滑座工作载荷N；为额定动载荷N。
3.2.2导轨工作载荷计算
横向（X轴）滑座工作载荷：
纵向（Y轴）滑座工作载荷：
进而可得横向（X轴）额定动载荷：
纵向（Y轴）额定动载荷：
查《机械电子工程专业课程设计指导书》，可选LY25AL,其额定载荷为1740N，可满足，设计使用要求。
3.3联轴器的选择
设定工作台进给抗力：
工作台最大移动速度:
3.3.1联轴器传递功率确定
机械传动效率概略值（供参考）
类型
V带传动
联轴器传动
圆柱齿轮传动
一对滚动轴承
丝杆螺母副
符号
效率
表3.3.1.1
初选传动效率为=0.98。
由式：
传递功率=工作台进给抗力工作台移动速度传动链效率
即：
3.3.2联轴器的选定
查手册确定联轴器的载荷系数为：
联轴器的计算转矩：
由于联轴器的工称转矩，经查《机械零件设计手册》可选联轴器的型号为刚性凸缘联轴器YL1型，其具体参数如表3.4.1.2所示。
型号
公称
转矩
许用
转速
[n]
轴孔
直径
d
轴孔
长度
L
质量
M
转动
惯量
I
D
D1
YL1
10
13000
r/min
12/14
（H7）
32
0.94
Kg
0.0018
71
72
表3.3.1.2
3.4轴承选择
根据滚珠丝杆的额定动载荷和额定静载荷以及丝杆和轴承所承受的最大载荷，查《机械零件设计手册》，以确定所选轴承的型号。
表4-8各类滚动轴承性能和价格比较
轴承类型
径向承载
轴向承载
高速性
调心性
调隙性
价格比
单向
双向
深沟球
轴承
良
差
良
中
中
1
调心球
轴承
中
中
中
优
差
1.8
推力球
轴承
无
优
无
差
无
无
1.1
推力圆柱滚子轴承
无
优
无
差
无
无
差
由表4-8可以看出采用深沟球轴承比较经济，并且由于滚动丝杆既要承受径向载荷，又要承受轴向载荷，则进一步查手册可以得到滚动轴承SN6204型大概可满足要求，经校核，该型轴承满足设计载荷的需求。
其具体参数如表4-9所示。
表4-9SN6204型深沟球轴承参数
基本尺寸
安装尺寸
基本
额定载荷
极限
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