十字滑台设计.docx

1、十字滑台设计1.序言 22.技术要求 22.1设计题目 22.2技术数据 22.3设计要求 23.总体结构设计 23.1丝杠选取 33.1.1计算动载荷 33.2 滚珠丝杠副的选取 43.2.1计算载荷 43.2.2根据Ca选择滚珠丝杠副 43.2.3计算额定动载荷计算值 Ca 43.2.4 滚珠丝杠副校核 53.3稳定性运算 53.3.1计算临界转速 nK 53.3.2压杆稳定性计算 63.4滚动导轨 63.4.1计算行程长度寿命 Ts 63.4.2计算动载荷Cj 6、3.5 选取电机 83.5.1电机的初选 83.5.2步进电机转动的校核 84.结语 115.参考文献 111.序言X-Y

2、数控工作台机电系统设计是一个开环控制系统 ,其结构简单。实现方便而且能够保证 一定的精度。降低成本 , 是微机控制技术的最简单的应用。它充分的利用了危机的软件硬件功 能以实现对机床的控制；使机床的加工范围扩大，精度和可靠性进一步得到提高。X-Y数控工作 台机电系统设计是利用 8031 单片机 , 及 2764,6264 存储器及 8155 芯片等硬件组成 , 在控制系 统的硬件上编写一定的程序以实现一定的加工功能。其基本思想是 : 通过圆弧或者直线插补程 序以实现对零件进行几何加工 , 每进行一段加工都要产生一定的脉冲以驱动电机正反转 , 同时 通过 8155（1） 将相应的加工进刀信息送至刀

3、架库中以实现以之相应的走刀 , 电机和刀具的相对 运动所以实现了刀具对工件的加工。该控制系统采用软件中断控制系统结构及子程序结构简 单，条件明确在经济型数控中应用较多。中断结构采用模块化结构设计因为这种结构便于修 改和扩充，编制较为方便，便于向多处理方向发展。X-Y数控工作台机电系统设计采用步进电 机作为驱动装置。步进电机是一个将脉冲信号转移成角位移的机电式数模转换器装置。其工 作原理是：每给一个脉冲便在定子电路中产生一定的空间旋转磁场；由于步进电机通的是三 相交流电所以输入的脉冲数目及时间间隔不同，转子的旋转快慢及旋转时间的长短也是不同 的。由于旋转磁场对放入其中的通电导体既转子切割磁力线时

4、具有力的作用，从实现了旋转 磁场的转动迫使转子作相应的转动，所以转子才可以实现转子带动丝杠作相应的运动。本题 目是步进电机，微型计算机，插补原理，汇编语言的综合应用，本题目设计得到了老师的帮 助和支持，最后由关英俊老师审定，在此表示感谢。因本人水平有限，错误和不足之处在所 难免，处理问题也有不妥之处，敬请相关老师批评指正。2.技术要求2.1设计题目：X-Y双坐标联动数控工作台设计2.2 技术数据工作台长 宽（ mm）:410*310 工作台重量（ N）： 2300N脉冲当量： 0.005 0.008mm/P2.3 设计要求 ：长*宽*高=500*200*20+2*500*48*27=3.296

5、*10 -3 m31） 工作台进给运动采用滚珠丝杠螺结构2） 滚珠丝杠支撑方式：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间隙3.总体结构设计数控工作台采用由步进电机驱动的开环控制结构，其单向驱动系统结构简图如图所示/ 101 O 101 一工作台Olol O 101 JO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、滚珠丝杠等组成其中下拖板与床身固联，它上面固定X向导轨,中拖板在下拖板的 导轨上横向运动，其上固定丫向导轨,上拖板与工作台固联，在丫向导轨上移动.X、丫导轨 方向互相垂直。.3.1滚珠丝杠选取滚

6、珠螺旋传动按滚动体循环方式分为外循环和内循环两类，其中应用较广的是插管式 和螺旋槽式，它们各有特点，其轴向间隙的调整方法主要有垫片调隙式和螺纹调隙式。滚珠丝杠传动副多为专业厂家生产，一般用户设计时只负责选用，在选用时主要验算 其额定动载荷和临界转速，丝杠较长时还应进行压杆稳定性验算。3.1.1计算动载荷CjCj L1/3 Kf Kh Fa（N）Kf 1.4 （表 1）Kh 1.1 （表 2）取丝杠转速：n=100r/min轴向载荷： Fa F 0.101972* 2300 235N使用寿命：T=15000h则额定寿命：L 60nT 6 90h/10所以动载荷 Cj 903 1.2 1.0 23

7、5 1263.76N所以滚珠丝杠型号为：BSS1204滚珠丝杠 精度等级C7表3类别普通机械普通机床数控、精密机械T(h)5000100001000015000载荷性质Kf平稳或轻度冲 击1 1.2轻度冲击1.21.5较大冲击、振动1.52.5实际硬度HRCKh 551.1 501.56 J 452 .4 403.853.2滚珠丝杠副的选取3.2.1计算载荷.Fc=KF*KH*KA*Fa查机电一体化设计基础表26取，K=1.3查表27 取K=1.0查表24 取D级精度查表28 取Ka=1.0取平均工作载荷Fa=235N则Fc=1.2*1.0*1.0*235=282N3.2.2计算额定动载荷计算

8、值 Can=100r/mi n使用寿命T=15000hL=60n= 60*100*15000106=90hI n nm*T ccc* 100*150001241NCa Fc3 n 4 282* 3 41 1.67*10 1.67*103.2.3根据Ca选择滚珠丝杠副根据机电一体化设计基础，滚珠丝杠副额定动载荷Ca等于或者大于Ca的原则，选用得丝杠副数据：公称直径：（中径d2） D0=12mm导程：P=4mm滚珠直径：do=2.3812mm根据机电一体化设计基础表 2-1中公式得:螺纹滚道半径：R=0.52* d 0=0.52*2.3812=1.238mm偏心距：e=0.707(R- d o/2

9、)=O.7O7*(1.238-2.3812/2)=O.O335丝杠内径 d仁D0+2e-2R=12+2*0.0335-2*1.238=9.591mm3.2.4滚珠丝杠副校核4滚珠丝杠副还要受D0*n的值的限制，通常要求D*7*10 mmr/min4D0*n=12*100=1200mm*r/minnmax所以丝杠工作时不会发生共振表43.3.2压杆稳定性计算EIaF k= 2 ( N)(l)2式中F K 临界载荷E材料弹性模量对于钢,E=2.06 x io11Pala 丝杠危险截面惯性矩9 4la=. 一 侦 10 m临界载荷3.142* 2.06*1011*1.02*10F cr1 =0.67

10、* 0.319964N2 113.14 * 2.06*10 *1.02*100.67* 0.2114739N安全系数安全系数错误！未找到引用源。 F cr1 Fcr2S 已 9964百 23004.33 错误！未找到引用源。=2.53.3S 4.33 S 丝杠安全，不失稳。丝杠绝对安全，不会失稳。 丝杠选取无误，即选用BSS1204型滚珠丝杠。3.4滚动导轨导轨是工作台系统的重要组成部分，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.滚动导轨应用最广的是滚珠导轨，按滚珠 的循环方式分类，滚珠导轨又可分为滚珠不循环式和可循环式.在专业厂家生产的标准

11、化滚动 导轨中,都为滚动体可循环式，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.3.4.1计算行程长度寿命TsTs=2Ls n 60 Th/1000 (km)式中 Ls 工作单行程长度(m) Lsx 0.31m Lsy 0.21mn 往复次数（次/min）ny皿 100 0.0042Lsx 2 0.310.645(次 / min)np2Lsy100 0.0042 0.210.952(次 /min)Th 工作时间寿命（h） : Th 15000h行程长度寿命：Tsx (2 0.31 0.645 60 15000)/1000 359.91km342计

12、算动载荷Cj1/3m fT fc fH式中 F 作用在滑座上的载荷(N)工作温度(C)fT10011001500.91502000.72002500.6表5表7每根导轨上 滑块数fc1120.8130.7240.66表6M滑座个数K寿命系数f T 温度系数见表f c接触系数见表f H 硬度系数见表W负载系数见表5678fTfH滚道表面硬HRC605855535045fH10.980.90.710.540.38表8工作条件fw无冲击、振动 V15m/mi n1 1.5较小冲击、振动V60m/min2 3.5f分别由指导书表5, 6, 7, 8查得 wf =1.0, f =1.0, f =1.0,

13、 f =1.8T c H wc另取滑座个数m=4寿命系数一般取k=50(km)作用在滑座上载荷F=2300N2300*1.8*4*1.0*1.0*1.01999N故选取滚动导轨型号为HJG D353.5选取电机3.5.1电机的初选360 it（度）式中 一工作台脉冲当量 （mm/P） 0.0066i 传动系统传动比i=2t 滚珠丝杠导程 （mm） t=4mm3600 0.0066 2 ,= 1.24由设计指导书附录三初选型号为110BF003由机电一体化设计基础图5-33、5-34查的减速器采用1级传动传动比分别为h 2各传动齿轮齿数为：Z1=20 Z2=40 模数 m=2齿轮宽b=20mm3

14、.5.2步进电机转矩校核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, 圆直径：其中齿轮交叉直径取分度z1d1 m* z1 2* 20 40mmd2 m* z2 2* 40 80mm丝杠长度取L=600mmp d4 L32*7.8* 103* 0.044* 0.02325 23.9*10 5kg?m2J z23 4*7.8*10 *0.08 *0.024 26.3* 10 kg ?mJs6 210 kg ?m3 4* 7.8*10 * 0.012 * 0.32 “5.0832Jd1J z1 72(Jz2 Js)(上)2m2 i3.9*10 5 1(6.3*1045.08*10

15、6)(；.06；)2*250 2.04*10 4kg?m2取电动机轴自身转动惯量J m3.48* 10 3kg ?m25.52 10 4 2 3.14 2 10.0067 25 10 3 600.69N ?m则步进电动机轴的总转动惯量:J Jm Jd 3.48*10 4 2.04* 10 4 5.52* 10 4设步进电机空载启动时间为25ms最大进给速度：Vmax 1.0m/mn导轨摩擦系数 0.1空载启动时，电动机轴的惯性转矩：t)Tj T J Wmax/ f (J 2 i Vmax)/(P电动机轴上的当量摩擦转矩:pF pmg2 i 2 i0.0067* 2300* 0.12* 3.14

16、* 0.8* 20.153N ?m其中伺服进给链的总效率 0.8设滚珠丝杠螺母副的与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矩为：T。pF(1 O)2 ipFwmax(1 訂 0.0067 230 (1 0.92)2 i3 2 3.14 0.8 2 33 kl9.7 10 N ?m其中0 0.9工作台的最大轴向负载折算到电动机轴上的负载转矩：Tw pFwmax 0.0067 230 0.153N ?m2 i 2 3.14 0.8 2则电动机空载启动时电动机轴总的负载转矩：Tq Tj T T0 0.69 0.153 0.0097 0.8527 N ?m电动

17、机轴上的总负载转矩为：Tg T To T 0.153 0.0097 0.153 0.3197N ?m电动机最大静转矩Ts按空载启动计算：空载启动上所需电动机最大静转矩Tqc0.85270.8660.99 N ?mC=0.866由下表可查电机相数3456运行拍数3648510612C0.50.8660.7070.7070.8090.9510.8660.866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：卫 0.3197 0.78925N?m0.4 0.4Ts 取二者大的，故 Ts=0.99 Ts步进电机的最大静转矩满足要求频率校核参考电动机的转矩一频率特性曲线原则：选用步进电机应使

18、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，才能保证步进电机不失频的正常工作。经校核满足要求。选取 86BYG350CL-SAKSLM-06型步进电机4.结语通过本次课程设计，我更加了解了关于机电一体化方面的知识，将理论与实践进行了很 好的实践。通过从图书馆查阅资料和对书上知识的掌握，使我受益匪浅，获益良多。本次课 程设计利用机电控制系统，采用步进电机控制滚珠丝杠实现 X 丫方向的进给，Z方向手动,采用主轴电机带动主轴使工件旋转，最终实现模拟加工工件，具有快速、灵活、精确的特点， 该课题对机电一体化控制实验具有很好的使用价值。本篇论文是在指导老师郝成第的指导下完成的。在研究分析的过程中，关英俊老师给予 了指导，并提供了很多与该课题相关的重要信息，培养了我对事情研究分析的严谨态度和创 新精神，很大程度上提高了我分析问题，解决问题的能力，这非常有利于我现在和今后的学 习和工作。在此表示衷心的感谢！5.参考文献(1)机电一体化设计基础 机械工业出版社郑堤、唐可洪主编(2)机床设计手册 机械工业出版社(3)机械零件设计手册 机械工业出版社(4)金属切削机床设计 机械工业出版社(5)经济型数控机床系统设计 上海科学技术出版社(6)机电一体化实