X-Y雙坐標聯動數控工作臺設計

X-Y雙坐標聯動數控工作臺設計,坐標,聯動,數控,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技術數據 1 2.3技術要求 1 3.總體結構設計 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步進電機轉矩校核 10 5.3頻率校核 12 6.總結 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品機械結構的設計能力和對機電伺服系統(tǒng)的設計能力,在學習有關專業(yè)課程設計的基礎上,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. 2.課程設計任務 2.1設計題目： X-Y雙坐標聯動數控工作臺設計 2.2技術數據 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技術要求 （1）工作臺進給運動采用滾珠絲杠螺旋結構 （2）滾珠絲杠支撐方式：雙錐-簡支型 （3）驅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.總體結構設計 數控工作臺采用由步進電機驅動的開環(huán)控制結構,其單向驅動系統(tǒng)結構簡圖如圖所示: 實際設計的工作臺為X、Y雙坐標聯動工作臺,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,它上面固定X向導軌,中拖板在下拖板的導軌上橫向運動,其上固定Y向導軌,上拖板與工作臺固聯,在Y向導軌上移動.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,其軸向間隙的調整方法主要有墊片調隙式和螺紋調隙式。 3.1.1計算動載荷 =4.481X1.4X1.1X4950 =34161.75N 式中: 載荷系數 —=1.4 ( 見表1) 硬度系數 —=1.1 (見表2) 軸向工作載荷--=1.51800=4950 N 額定壽命L=（60·n·T）/ =90h 絲杠轉速—n=100r/min (r/min) 使用壽命—T=15000h 見表3 表1 表2 載荷性質 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》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Ca選擇滾珠絲杠副 根據《機電一體化設計基礎》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的絲杠副數據： 公稱直徑： 導程：P=6mm 螺旋角： 滾珠直徑： 根據《機電一體化設計基礎》表2-1公式得 螺紋滾道半徑： 偏心距： 絲杠內徑：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.計算臨界轉速 （r/min） 式中 臨界轉速系數—fc=3.93 見表4 長度系數— u=0.67 見表4 d1—絲杠內徑 (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 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： 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 (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 —壽命系數 一般取K=50km —溫度系數 見表5 —接觸系數 見表6 —硬度系數 見表7 —負載系數 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 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m=4; 壽命系數一般取k=50km; 另取滑座個數 壽命系數一般取 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《機械設計手冊》初選型號55BYG005;由《機電一體化設計基礎》圖5-33、5-34查的： 減速器采用2級傳動 傳動比分別為: 各傳動齒輪齒數為： ;;; 模數m=2 齒輪寬b=20mm 5.2步進電機轉矩校核 空載起動時電機軸總的負載轉矩Tq Tq=Tj+Tu+To 式中 1) Tj—慣性轉矩 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》書中式5-36分別計算各傳動件的轉動慣量，其中齒輪交叉直徑取分度圓直徑： 絲杠內徑分度圓： 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是工作臺質量。 其中工作臺小刀架質量為m1,取m1=80kg 取電動機軸自身轉動慣量: 則步進電機軸的總轉動慣量： 設步進電機空載啟動時間50s，最大進給速度： 導軌摩擦系數 空載啟動時，電動機軸的慣性轉矩： =0.19 P=0.0036 t=50 電動機軸上的當量摩擦轉矩： =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矩： =5.03 n.m 則電動機空載啟動時電動機軸總的負載轉矩： =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矩： =5.03 +0.19+0.32=5.54 n.m 電動機最大靜轉矩Ts 空載啟動時所需電動機最大靜轉矩： =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矩： =5.63÷0.707=7.83n.m 由下表可查 電機相數 3 4 5 6 運行拍數 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。 經校核滿足要求。 所以選用55BYG005型步進電機。 6.總結 通過本次課程設計，在設計過程中遇到許多問題 ，但經過思考與討論，一遍又一遍地檢查找到了原因所在，我們欠缺知識與經驗，實踐出真知，我們不斷發(fā)現錯誤，不斷改進，不斷領悟，不斷獲取。我們掌握了典型機電一體化產品機械結構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。也鍛煉了動手能力和團隊合作的能力。X-Y數控工作臺機電系統(tǒng)設計是一個開環(huán)控制系統(tǒng)，其結構簡單，實現方便而且能夠保證一定的精度，降低成本，是微機控制技術的最簡單的應用。 7.參考文獻 1.《機電一體化設計基礎》 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.《經濟型數控機床系統(tǒng)設計》 上海科學技術出版社 6.《機電一體化實用技術》 上?？茖W技術文獻出版社