题目16二坐标数控工作台课程设计说明书刘小辉资料.docx
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题目16二坐标数控工作台课程设计说明书刘小辉资料
浙江大学宁波理工学院
机电专业课程设计说明书
设计题目
二坐标数控工作台设计
专业
机械电子工程
姓名
刘小辉
学号
3130612018
班级
机电131
指导教师
王贤成，胡利永，詹建明
学期
大三第二学期短学期
设计时间
7/2-7/18
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、计算说明书草稿一份。
目录
.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）
.X轴滚珠丝杠设计计算……………………………
（2）
.X轴步进电机参数确定及选择……………………（5）
四.X轴机械结构总体设计计算……………………………（6）
.X轴联轴器选择…………………………………（7）
2.X轴滚动导轨设计计算……………………………（7）
五.Y轴机械结构总体设计计算…………………………（9）
.Y轴滚珠丝杠设计计算…………………………（9）
2.Y轴步进电机参数确定及选择…………………（11）
六.Y轴方案及参数计算…………………………………（11）
2.Y轴联轴器选择………………………………（13）
2.Y轴滚动导轨设计计算…………………………（14）
七.绘制装配图…………………………………………（15）
八.设计总结与分析…………………………………………（15）
九.致谢………………………………………………………（15）
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；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
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；
（3）设计说明书（10～20）页1本；
一X轴方案及参数计算
1.X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
查产品表得,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,从而提高传动精度机械设计手册查得,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
（3）滚珠丝杠长度确定
丝杠有效行程查表得le=20mm，lv=行程+丝杠螺母长度
Lv=170+42=212mm，lu=lv+le=212+20=232mm，为留有一定的安装余量，取lu=350mm
（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]查表得,采用一端固定一端游动（F-S）支承形式.支承中心矩约为280mm。
（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=100N，横向载荷Fy=90N，垂直方向载荷Fz=20×9.8N=196N。
按矩形导轨导轨进行计算，查表得，取颠覆力矩影响系数K=1，滚动导轨上的摩擦系数μ=0.06.求得滚珠丝杠副的最大工作载荷：
Fm=KFx+μ（Fy+Fz）=1×100+0.06×（90+196）N=58.58N
n=1.2/0.005=240r/min
取滚珠丝杠寿命T=15000h，代入L0=60nT/106得，L0=288（106r）
查表得，取载荷系数fw=0.9，滚道硬度为60HRC时，取硬度系数fH=1.0，则FQ=L0（1/3）fwfHFm=744N
由导程δ=5mm，FQ=503N，查表得，选FFZD2005-3滚珠丝杠，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1级，额定动载荷为Ca=9100N。
滚珠丝杠刚度校核
滚珠丝杠在工作负载F（N）和转矩共同作用下引起每个导程的变形量为
其中A为丝杠截面积，JC为丝杠的极惯性矩，G为丝杠的切变模量，对于钢为83.3Gpa，T为转矩，T=T1=95.5×105Py/ny=79.456N.mm。
则丝杠在工作长度上的弹性变形所引起的导程误差为
通常要求丝杠的导程误差L应小于其传动精度的1/2，即0.006mm
<[
]
（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.
=2151.9N
式中
——滚珠丝杆副的计算轴向动载荷（N）
——丝杠轴向当量负荷（N），取进给抗力和摩擦力之和的一半
=58.58N
——丝杠当量转速
——丝杠工作寿命取15000h
——温度系数，查表取0.70
——精度系数，查表取0.90
——负载性质系数，查表取0.95
——硬度系数，查表取1.0
——可靠性系数，查表取0.21
计算的
=2151.9N<
=8600N
由导程δ=5mm，FQ=503N，查表得，选FFZD2005-3滚珠丝杠，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1级，额定动载荷为Ca=9100N。
所以符合要求。
同时验算丝杠另一个临界值d0n=20×240=4800<70000
滚珠丝杠未预紧时的传动效率η0计算
tsp=5mm，d0=16.9mm代入丝杠螺旋升角λ=arctan[tsp/（лd0）]，得λ=4°33′，将摩擦角φ=10′代入η0=tanλ/tan（λ+φ）,得η0=0.964.
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=0.037m.d2--丝杠螺纹底径,取0.0169m
ncr=18865r/min>nmax.
（7）滚动导轨副的防护
滚珠丝杠副的防护装置,采用专业生产的伸缩式螺旋弹簧钢套管.
滚珠丝杠副的密封滚珠丝杠副两端的密封圈如装配图所示.材料为四氟乙烯,这种接触式密封须防止松动而产生附加阻力.
滚珠丝杠副的润滑润滑剂用锂基润滑剂.
2.X轴步进电机参数确定及选择
X参数选定与计算
vx=1.2m/min=0.02m/s，FX=100N，PX=FXvX=2W
1）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tsP=5mm,中间齿轮传动比i为:
i=（αtsP）／（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ρ=7.8×103kg/cm3
d0=20mm,l=350mm
滚珠丝杠转动惯量Js=（πd04lρ）／32={[π（2.0）4×3.5×7.8×103]／32}×10-4kg.m2=1.04×10-5kg.m2
拖板及工作物重和导轨折算到电机轴上的转动惯量,拖板及工作物重和导轨及丝杠重之和约为20kg
Jw=（w/g）×（tsP／2π）2÷i2=20×（0.005／2π）2÷
（1）2×10-4kg.m2=12.7×10-6kg.m2
因此,折算到电机轴上的等效转动惯量Je
Je=Jw+Js=12.7×10-6+1.04×10-5=2.31×10-5kg.m2
3）等效负载转矩计算（以下为折算到电机轴的转矩）
Mt=[（Fx+μFy）tsP]/（2πηi）=0.099N.m
Mf=（FftsP）/（2πηi）=
N.m
上述式中η—丝杠预紧时的传动效率取η=0.8
nmax=（vmax/δ）×（α/360°）=（1200/0.005）×（0.36/360）=240r/min
取起动加速时间tα=0.03s
初选电动机型号90BF006,其最大静转矩Mjmax=2.25N.m,转动惯量Jm=1.764×10-4kg．m2,fm=2400Hz.
故
M0=（Fp0tsp）÷（2πηi）×（1-η02）=（1/3FXtsp）÷（2πηi）×（1-η02）=0.033N.m
式中Fp0—滚珠丝杠预加负荷,一般取Fy/3
Fy—进给牵引力（N）
η0—滚珠丝杠未预紧时的传动效率,取0.9
J=（Je+Jm）=2.49×10-4kg.m2
Mα=（Je+Jm）（2πnmax）/（60tα）=0.02N.m
Mq=Mαmax+Mf+M0==0.053N.m
Mk=Mf+M0=0.033N.m
从计算可知,Mq最大,作为初选电动机的依据.
Mq/Mjmax=0.053/2.25=0.11<0.9满足所需转矩要求.
4）步进电机动态特性校验
Je/Jm=2.31×10-5kg.m2/2.257×10-4=0.10<4说明惯量可以匹配
电机惯量最大起动频率fL=fm/（1+Je/Jm）1/2=2066Hz
步进电机工作时空载起动频率和切削时最大工作频率
fq=vmax/（60δ）=1200/（60×0.005）=4000>fL
fc=v1max/（60δ）=250/（60×0.005）=833所以,与fc对应的Mc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轴联轴器选择
联轴器除联接两轴并传递转矩外，有些还有补偿两轴因制造和安装误差而造成的轴线偏移的功能，以及具有缓冲、吸振、安全保护等功能。
因此要根据传动装置工作要求来选定联轴器类型。
主要有两种常用联轴器，刚性套筒式联轴器和挠性联轴器。
T1=95.5×105Py/ny=79.58N.mm
查表得工作情况系数KA＝1.5，转矩Tca=KAT1=1.5*79.58=119.37N.mm,电动机输出轴直径d=9mm,滚珠丝杠直径为20mm，该处选用有弹性元件的挠性联轴器LT1，这类联轴器因装有弹性元件，不仅可以补偿两轴间的相对位移，而且具有缓冲减振能力。
LT1型联轴器公称转矩T0=6.3N.m>T1，许用转速n=8800r/min>320r/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）。
4.X轴滚动导轨设计计算
导轨的功用是使运动部件沿一定的轨迹运动,并承受运动部件上的载荷,即起导向和承载作用,导轨副中,运动的一方称作运动导轨,与机械的运动部件联结,不动的一方称作支承导轨,与机械的支承部件联结.支承部件用以支承和约束运动导轨,使之按功能要求作正确的运动.
1）导轨承受重量计算
上面计算得知，下导轨所承受的重量约为20kg
2）滚动导轨副的计算验证
①滑块承受载荷Fmax的计算，考虑最不利的情况，即垂直于台面的工作载荷全部由一个滑块承担，则Fmax=（25/4）×9.8N=61.25N。
查表得，HGH15CA型号的直线滚动导轨副额定动载荷Ca=480N>Fmax,额定静载荷Ca=540N>Fmax，满足条件。
②距离额定寿命L的计算
HGH15CA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。
，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，得距离寿命：
L=[fHfTfcfRCa/（fwFmax）]3×50=2762km，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.
轴承选择选深沟球轴承6201，单推力轴承51101.
三Y轴方案及参数计算
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
查表得,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,从而提高传动精查表得,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
查表得，采用丝杠直径16mm,导程为5mm
（3）滚珠丝杠长度确定
丝杠有效行程查表得le=20mm，lv=行程+丝杠螺母长度
Lv=100+42=142mm，lu=lv+le=142+20=162mm，为留有一定的安装余量，取lu=250mm
（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]查表的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=100N，横向载荷Fy=90N，垂直方向载荷Fz=20×9.8N=196N。
按矩形导轨导轨进行计算，查表得，取颠覆力矩影响系数K=1，滚动导轨上的摩擦系数μ=0.005.求得滚珠丝杠副的最大工作载荷：
Fm=KFy+μ（Fx+Fz）=1×100+0.06×（100+196）N=53.88N
n=1.6/0.005=320r/min
取滚珠丝杠寿命T=15000h，代入L0=60nT/106得，L0=450（106r）
查表得，取载荷系数fw=0.9，滚道硬度为60HRC时，取硬度系数fH=1.0，则FQ=L0（1/3）fwfHFm=1250N
由导程δ=5mm，FQ=503N，查表得，选FFZD2005-3滚珠丝杠，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1级，额定动载荷为Ca=9100N。
由导程δ=5mm，FQ=503N，查表得，选FFZD2005-3滚珠丝杠，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1级，额定动载荷为Ca=9100N。
滚珠丝杠刚度校核
滚珠丝杠在工作负载F（N）和转矩共同作用下引起每个导程的变形量为
其中A为丝杠截面积，JC为丝杠的极惯性矩，G为丝杠的切变模量，对于钢为83.3Gpa，T为转矩，T=T1=95.5×105Py/ny=79.456N.mm。
则丝杠在工作长度上的弹性变形所引起的导程误差为
通常要求丝杠的导程误差L应小于其传动精度的1/2，即0.005mm
<[
]
故满足要求
（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.
=2177N
式中
——滚珠丝杆副的计算轴向动载荷（N）
——丝杠轴向当量负荷（N），取进给抗力和摩擦力之和的一半
=53.88N
——丝杠当量转速
——丝杠工作寿命取15000h
——温度系数，查表取0.70
——精度系数，查表取0.90
——负载性质系数，查表取0.95
——硬度系数，查表取1.0
——可靠性系数，查表取0.21
计算的
=2177N<
=8600N
所以符合要求。
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=0.036m.d2--丝杠螺纹底径,取0.0169m
ncr=41323r/min>nmax.
同时验算丝杠另一个临界值d0n=20×320=6400<70000
滚珠丝杠未预紧时的传动效率η0计算
tsp=5mm，d0=20mm代入丝杠螺旋升角λ=arctan[tsp/（лd0）]，得λ=4°33′，将摩擦角φ=10′代入η0=tanλ/tan（λ+φ）,得η0=0.964.
轴承选择选深沟球轴承6201，单推力轴承51101.
（7）滚动导轨副的防护
滚珠丝杠副的防护装置,采用专业生产的伸缩式螺旋弹簧钢套管.
滚珠丝杠副的密封滚珠丝杠副两端的密封圈如装配图所示.材料为四氟乙烯,这种接触式密封须防止松动而产生附加阻力.
滚珠丝杠副的润滑润滑剂用锂基润滑剂.
2.Y轴步进电机参数确定及选择
Y参数选定与计算
vy=1.6m/min=0.027m/s，Fy=90N，Py=Fyvy=2.4W
1）脉冲当量选择
初选五相电机，按五相五拍工作时，步矩角α=0.36°,初定脉冲当量δ=0.005mm/p,丝杠导程tsP=5mm,中间齿轮传动比i为:
i=（αtsP）／（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ρ=7.8×103kg/cm3
滚珠丝杠转动惯量Js=（πd04lρ）／32={[π（2.0）4×3.1×7.8×103]／32}×10-4kg.m2=3.1×10-5kg.m2
拖板及工作物重和导轨折算到电机轴上的转动惯量,拖板及工作物重和导轨及丝杠重之和约为20kg
Jw=（w/g）×（tsP／2π）2÷i2=1.27×10-5kg.m2
因此,折算到电机轴上的等效转动惯量Je
Je=Jw+Js=4.37×10-5kg.m2
3）等效负载转矩计算（以下为折算到电机轴的转矩）
Mt=[（Fy+μFx）tsP]/（2πηi）=0.089N.m
Mf=（FftsP）/（2πηi）=1.19×10-3N.m
上述式中η—丝杠预紧时的传动效率取η=0.8
nmax=（vmax/δ）×（α/360°）=（1600/0.005）×（0.36/360）=320r/min
取起动加速时间tα=0.03s
初选电动机型号90BF006,其最大静转矩Mjmax=2.25N.m,转动惯量Jm=1.764×10-4kg．m2,fm=2400Hz.
故
M0=（Fp0tsp）÷（2πηi）×（1-η02）=（1/3Fytsp）÷（2πηi）×（1-η02）=0.03N.m
式中Fp0—滚珠丝杠预加负荷,一般取Fy/3
Fy—进给牵引力（N）
η0—滚珠丝杠未预紧时的传动效率,取0.964
J=（Je+Jm）=2.57×10-4kg.m2
Mα=（Je+Jm）（2πnmax）/（60tα）=0.3N.m
Mq=Mαmax+Mf+M0==0.33N.m
Mk=Mf+M0=0.03N.m
从计算可知,Mq最大,作为初选电动机的依据.
Mq/Mjmax=0.33/2.25=0.15<0.9满足所需转矩要求.
4）步进电机动态特性校验
Je/Jm=0.19<4说明惯量可以匹配
电机惯量最大起动频率fL=fm/（1+Je/Jm）1/2=2200Hz
步进电机工作时空载起动频率和切削时最大工作频率
fq=vmax/（60δ）=1600/（60×0.005）=5333>fL
fc=v1max/（60δ）=250/（60×0.005）=833所以,与fc对应的Mc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.Y轴联轴器选择
联轴器除联接两轴并传递转矩外，有些还有补偿两轴因制造和安装误差而造成的轴线偏移的功能，以及具有缓冲、吸振、安全保护等功能。
因此要根据传动装置工作要求来选定联轴器类型。
主要有两种常用联轴器，刚性套筒式联轴器和挠性联轴器。
T1=95.5×105Py/ny=71.62N.mm
查表得工作情况系数KA＝1.5，转矩Tca=KAT1=1.5*71.62=107.4N.mm,电动机输出轴直径d=9mm,滚珠丝杠直径为20mm，该处选用有弹性元件的挠性联轴器LT1，这类联轴器因装有弹性元件，不仅可以补偿两轴间的相对位移，而且具有缓冲减振能力。
LT1型联轴器公称转矩T0=6.3N.m>T1，许用转速n=8800r/min>400r/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）。
4.Y轴滚动导轨设计计算
导轨的功用是使运动部件沿一定的轨迹运动,并承受运动部件上的载荷,即起导向和承载作用,导轨副中,运动的一方称作运动导轨,与机械的运动部件联结,不动的一方称作支承导轨,与机械的支承部件联结.支承部件用以支承和约束运动导轨,使之按功能要求作正确的运动.
1）导轨承受重量计算
上面计算得知，下导轨所承受的重量约为20kg
2）滚动导轨副的计算验证
①滑块承受载荷Fmax的计算，考虑最不利的情况，即垂直于台面的工作载荷全部由一个滑块承担，则Fmax=（25/4）×9.8N=61.25N。
查表得，HGH15CA型号的直线滚动导轨副额定动载荷Ca=7.94kN>Fmax,额定静载荷Ca=9.5kN>Fmax，满足条件。
②距离额定寿命L的计算
HGH15CA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。
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[得，得距离寿命：
L=[fHfTfcfRCa/（fwFmax）]3×50=2762km，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。
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
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