X-Y雙坐標聯(lián)動數(shù)控工作臺設計

X-Y雙坐標聯(lián)動數(shù)控工作臺設計,坐標,聯(lián)動,數(shù)控,工作臺,設計 目錄 1.課程設計目的 2.課程設計任務 1 2.1設計題目： 1 2.2技術(shù)數(shù)據(jù) 1 2.3技術(shù)要求 1 3.總體結(jié)構(gòu)設計 1 3.1滾珠絲杠設計 3.2滾珠絲杠副的選取 3.3穩(wěn)定性運算 3.4壓桿穩(wěn)定性計算 4.滾動導軌 4.1計算行程長度壽命 Ts 6 4.2計算動載荷 6 5. 步進電機的選擇 8 5.1步距角的確定 9 5.2步進電機轉(zhuǎn)矩校核 10 5.3頻率校核 12 6.總結(jié) 12 7.參考文獻 13 12 1.課程設計目的 本課程設計的目的在于培養(yǎng)學生對典型機電一體化產(chǎn)品機械結(jié)構(gòu)的設計能力和對機電伺服系統(tǒng)的設計能力,在學習有關(guān)專業(yè)課程設計的基礎(chǔ)上,進行機電系統(tǒng)設計的初等訓練,掌握手冊、標準、規(guī)范等資料的使用方法,培養(yǎng)分析問題和解決問題的能力,為以后的畢業(yè)設計打下良好的基礎(chǔ). 2.課程設計任務 2.1設計題目： X-Y雙坐標聯(lián)動數(shù)控工作臺設計 2.2技術(shù)數(shù)據(jù) 工作臺長×寬（mm）：390×290 工作臺重量(N)：1800 行程(mm)：ΔX=60－100；ΔY=50－80 脈沖當量：0.05-0.08mm/p 2.3技術(shù)要求 （1）工作臺進給運動采用滾珠絲杠螺旋結(jié)構(gòu) （2）滾珠絲杠支撐方式：雙錐-簡支型 （3）驅(qū)動電機為反應式步進電機 （4）步進電機與滾珠絲杠間采用齒輪降速要求消除齒輪間隙 3.總體結(jié)構(gòu)設計 數(shù)控工作臺采用由步進電機驅(qū)動的開環(huán)控制結(jié)構(gòu),其單向驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖如圖所示: 實際設計的工作臺為X、Y雙坐標聯(lián)動工作臺,工作臺是由上拖板、中拖板、下拖板及導軌、滾珠絲杠等組成.其中下拖板與床身固聯(lián),它上面固定X向?qū)к?中拖板在下拖板的導軌上橫向運動,其上固定Y向?qū)к?上拖板與工作臺固聯(lián),在Y向?qū)к壣弦苿?X、Y導軌方向互相垂直。. 3.1滾珠絲杠設計 滾珠螺旋傳動按滾動體循環(huán)方式分為外循環(huán)和內(nèi)循環(huán)兩類,其中應用較廣的是插管式和螺旋槽式,它們各有特點,其軸向間隙的調(diào)整方法主要有墊片調(diào)隙式和螺紋調(diào)隙式。 3.1.1計算動載荷 =4.481X1.4X1.1X4950 =34161.75N 式中: 載荷系數(shù) —=1.4 ( 見表1) 硬度系數(shù) —=1.1 (見表2) 軸向工作載荷--=1.51800=4950 N 額定壽命L=（60·n·T）/ =90h 絲杠轉(zhuǎn)速—n=100r/min (r/min) 使用壽命—T=15000h 見表3 表1 表2 載荷性質(zhì) 平穩(wěn)或輕度沖擊 1～1.2 輕度沖擊 1.2～1.5 較大沖擊、振動 1.5～2.5 實際硬度HRC ≥55 1.1 ≥50 1.56 ≥45 2 .4 ≥40 3.85 表3 類別 普通機械 普通機床 數(shù)控、精密機械 T(h) 5000～10000 10000 15000 3.2滾珠絲杠副的選取 3.2.1計算載荷 查《機電一體化設計基礎(chǔ)》表2-6取， 查表2-7 取 查表2-4 取D級精度 查表2-8 取 取平均工作載荷Fm=4950N Fc=1.3x1x1x4950=6435N 3.2.2 計算額定動載荷計算值Ca n=100r/min 使用壽命=15000h =6435X898.2 =5779940.12N 3.2.3根據(jù)Ca選擇滾珠絲杠副 根據(jù)《機電一體化設計基礎(chǔ)》表2-9漢江機床TC1型滾珠絲杠，若選取FC1型無密封圈滾珠絲杠，滾珠絲杠副額定動載荷C’a等于或者大于Ca的原則，選用FC1-4006-2.5，Ca=16083N的絲杠副數(shù)據(jù)： 公稱直徑： 導程：P=6mm 螺旋角： 滾珠直徑： 根據(jù)《機電一體化設計基礎(chǔ)》表2-1公式得 螺紋滾道半徑： 偏心距： 絲杠內(nèi)徑：mm 3.2.4滾珠絲杠副校核 滾珠絲杠副還要受的值的限制，通常要求 所以 絲杠副工作穩(wěn)定 3.3穩(wěn)定性運算 3.3.1.計算臨界轉(zhuǎn)速 （r/min） 式中 臨界轉(zhuǎn)速系數(shù)—fc=3.93 見表4 長度系數(shù)— u=0.67 見表4 d1—絲杠內(nèi)徑 (mm) L—絲杠工作長度 (mm) 取絲杠工作長度：Lx=390mm Ly=290mm 可知Y向臨界速度最大 nk=9910x3.92x3.92x0.03599÷（0.67x0.31）2 nk=127044.1413r/min 因為 所以絲杠工作時不會發(fā)生共振 表 4 支承方式 系數(shù) 雙推—自由 雙推—簡支 兩端固定 1.88 3.93 4.73 u 2 0.67 ----- 3~4 2.5~3.3 —— 3.4壓桿穩(wěn)定性計算 （N） 式中 —臨界載荷 E—材料彈性模量 對于鋼,E=2.06× —絲杠危險截面慣性矩() 臨界載荷： Fk=3.14x2.06x8200÷（0.67x0.31）2 =1229526.03N 安全系數(shù)： S=Fk÷Fa=1229526.03÷3500=351.29 絲杠絕對安全，不會失穩(wěn) 絲杠選取無誤，即選用Fc1-4006-2.5型滾珠絲杠。 4.滾動導軌 導軌是工作臺系統(tǒng)的重要組成部分,由于滾動導軌具有定位精度高、低速無爬行、移動輕便等顯著優(yōu)點,故本工作臺系統(tǒng)設計選用滾動導軌.滾動導軌應用最廣的是滾珠導軌,按滾珠的循環(huán)方式分類,滾珠導軌又可分為滾珠不循環(huán)式和可循環(huán)式.在專業(yè)廠家生產(chǎn)的標準化滾動導軌中,都為滾動體可循環(huán)式. 4.1計算行程長度壽命 Ts Ts=2Ls·n·60· /100 (km) 式中 :Ls—工作單行程長度(m) :Lsx=0.42m;Lsy=0.33m n—往復次數(shù) (次/min) Ny=1.21 —工作時間壽命 (h) :Th=15000 行程長度壽命： Tsy=718.74km 4.2計算動載荷 = 式中 F—作用在滑座上的載荷 (N) F=1800* —滑座個數(shù) —壽命系數(shù) 一般取K=50km —溫度系數(shù) 見表5 —接觸系數(shù) 見表6 —硬度系數(shù) 見表7 —負載系數(shù) 見表8 表5 工作溫度（0C） <100 1 100～150 0.9 150～200 0.7 200～250 0.6 表6 每根導軌上滑塊數(shù) 1 1 2 0.81 3 0.72 4 0.66 表7 滾道表面硬度HRC 60 58 55 53 50 45 Fh 1 0.98 0.9 0.71 0.54 0.38 表8 工作條件 fw 無沖擊、振動 V<15m/min 1～1.5 較小沖擊、振動V<60m/min 1.5～2 較大沖擊、振動V>60m/min 2～3.5 分別由指導書表5、6.7.8查得、、、 另取滑座個數(shù)m=4; 壽命系數(shù)一般取k=50km; 另取滑座個數(shù) 壽命系數(shù)一般取 作用在滑座上的載荷 Fx=18000；Fy=44000 =38936.7N =51876N 由機電一體化設計基礎(chǔ)表2—13查得，故選取滾動導軌型號為HJG—D25 5. 步進電機的選擇 在選擇步進電機時應主要考慮以下幾個方面: 步距角是否適合系統(tǒng)脈沖當量的要求. 步進電機轉(zhuǎn)矩是否滿足要求. 步進電機起動頻率及運行頻率是否滿足要求. 5.1步距角的確定 （度） 式中 —工作臺脈沖當量 (mm/P) =0.06mm/P i—傳動系統(tǒng)傳動比 i=2.2 t—滾珠絲杠導程 (mm) t=6mm α=360°x0.06x2.2÷6=7.92° 根據(jù)《機械設計手冊》初選型號55BYG005;由《機電一體化設計基礎(chǔ)》圖5-33、5-34查的： 減速器采用2級傳動 傳動比分別為: 各傳動齒輪齒數(shù)為： ;;; 模數(shù)m=2 齒輪寬b=20mm 5.2步進電機轉(zhuǎn)矩校核 空載起動時電機軸總的負載轉(zhuǎn)矩Tq Tq=Tj+Tu+To 式中 1) Tj—慣性轉(zhuǎn)矩 Tj=J·ε J—電機軸總慣量(包括當量) ε—起動時角加速度 由《機電一體化設計基礎(chǔ)》書中式5-36分別計算各傳動件的轉(zhuǎn)動慣量，其中齒輪交叉直徑取分度圓直徑： 絲杠內(nèi)徑分度圓： 絲杠長度取L=410mm 電動機總慣量： 其中，是所用材料密度；d是分度圓直徑；L是長度（齒寬）；P是導程；m是工作臺質(zhì)量。 其中工作臺小刀架質(zhì)量為m1,取m1=80kg 取電動機軸自身轉(zhuǎn)動慣量: 則步進電機軸的總轉(zhuǎn)動慣量： 設步進電機空載啟動時間50s，最大進給速度： 導軌摩擦系數(shù) 空載啟動時，電動機軸的慣性轉(zhuǎn)矩： =0.19 P=0.0036 t=50 電動機軸上的當量摩擦轉(zhuǎn)矩： =1.54n.m i=5 μ=0.2 其中伺服進給鏈的總效率 設滾珠絲杠螺母副的預緊力為最大軸向載荷的1/3，則因預緊力而引起，而折算到電動機軸上的附加摩擦轉(zhuǎn)矩為： =0.32n.m Fo=2145N 其中 工作臺的最大軸向負載折算到電動機軸上的負載轉(zhuǎn)矩： =5.03 n.m 則電動機空載啟動時電動機軸總的負載轉(zhuǎn)矩： =0.19+1.54+0.32=2.05n.m 則電動機正常工作時電動機軸總負載轉(zhuǎn)矩： =5.03 +0.19+0.32=5.54 n.m 電動機最大靜轉(zhuǎn)矩Ts 空載啟動時所需電動機最大靜轉(zhuǎn)矩： =2.05÷0.707=2.90n.m 按正常工作計算： 在最大外載荷下工作時所需要電動機最大靜轉(zhuǎn)矩： =5.63÷0.707=7.83n.m 由下表可查 電機相數(shù) 3 4 5 6 運行拍數(shù) 3 6 4 8 5 10 6 12 C 0.5 0.866 0.707 0.707 0.809 0.951 0.866 0.866 取二者最大的，故 步進電機的最大靜轉(zhuǎn)矩滿足要求。 5.3頻率校核 參考電機的矩—頻特性曲線進行選取. 原則：選用步進電機應使實際應用的啟動頻率、運行頻率與負載轉(zhuǎn)矩所對應的啟動，運行工作點位于該曲線之下，才能保證步進電機不失頻的正常工作。 經(jīng)校核滿足要求。 所以選用55BYG005型步進電機。 6.總結(jié) 通過本次課程設計，在設計過程中遇到許多問題 ，但經(jīng)過思考與討論，一遍又一遍地檢查找到了原因所在，我們欠缺知識與經(jīng)驗，實踐出真知，我們不斷發(fā)現(xiàn)錯誤，不斷改進，不斷領(lǐng)悟，不斷獲取。我們掌握了典型機電一體化產(chǎn)品機械結(jié)構(gòu)的設計能力和對機電伺服系統(tǒng)的設計能力,,培養(yǎng)分析問題和解決問題的能力,為以后的畢業(yè)設計打下良好的基礎(chǔ)。也鍛煉了動手能力和團隊合作的能力。X-Y數(shù)控工作臺機電系統(tǒng)設計是一個開環(huán)控制系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)簡單，實現(xiàn)方便而且能夠保證一定的精度，降低成本，是微機控制技術(shù)的最簡單的應用。 7.參考文獻 1.《機電一體化設計基礎(chǔ)》 機械工業(yè)出版社 鄭堤、唐可洪主編 2.《機床設計手冊》 機械工業(yè)出版社 3.《機械零件設計手冊》 機械工業(yè)出版社 4.《金屬切削機床設計》 機械工業(yè)出版社 5.《經(jīng)濟型數(shù)控機床系統(tǒng)設計》 上?？茖W技術(shù)出版社 6.《機電一體化實用技術(shù)》 上?？茖W技術(shù)文獻出版社