X-Y双坐标联动数控工作台课程设计说明书

1。课程设计目的 ................................................ 1 2.课程设计任务 ................................................. 1

2.1设计题目: ............................................... 1 2。2技术数据 ............................................... 1 2.3技术要求 ................................................ 1 3。总体结构设计 ................................................ 1

3。1滚珠丝杠设计 ........................................... 2 3。2滚珠丝杠副的选取 ....................................... 3 3。3稳定性运算 ............................................. 4 3.4压杆稳定性计算 .......................................... 5 4。滚动导轨 .................................................... 6

4.1计算行程长度寿命 Ts ..................................... 6

4。2计算动载荷 Cj ......................................... 6 5. 步进电机的选择 .............................................. 8 5。1步距角的确定 ........................................... 9 5。2步进电机转矩校核 ...................................... 10 5。3频率校核 .............................................. 12 6。总结 ....................................................... 12 7。参考文献 ................................................... 13

1。课程设计目的

本课程设计的目的在于培养学生对典型机电一体化产品机械结构的设计能力和对机电伺服系统的设计能力,在学习有关专业课程设计的基础上,进行机电系统设计的初等训练,掌握手册、标准、规范等资料的使用方法，培养分析问题和解决问题的能力，为以后的毕业设计打下良好的基础。

2。课程设计任务

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）：450×310

工作台重量(N)：3300

行程（mm)：ΔX=60－100;ΔY=50－100 脉冲当量：0.05—0。08mm/p 2。3技术要求

（1）工作台进给运动采用滚珠丝杠螺旋结构 (2）滚珠丝杠支撑方式：双锥-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：

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Y向导轨，上拖板与工作台固联,在Y向导轨上移动.X、Y导轨方向互相垂直.。 3。1滚珠丝杠设计

滚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。 3.1。1计算动载荷 Cj

=4。481X1。4X1.1X4950 =34161.75N

式中： 载荷系数 —KF=1.4 （ 见表1）

硬度系数 —KH=1。1 (见表2） 轴向工作载荷——Fa=1。53300=4950 N 额定寿命L=（60·n·T）/ 106=90h 丝杠转速—n=100r/min （r/min）

使用寿命—T=15000h 见表3

1

表1 表2 载荷性质 KF 实际硬度KH 平稳或轻度冲1～1。2 HRC 击 ≥55 1.1 轻度冲击 1.2～1。≥50 1。56 5 ≥45 2 。4 较大冲击、振动 1.5～2.5 ≥40 3。85 类别 普通机械 表3 普通机床 10000 数控、精密机械 15000 T（h) 5000～10000 3.2滚珠丝杠副的选取 3.2。1计算载荷

FCKFKHKAFm

查《机电一体化设计基础》表2—6取，KF1.3 查表2—7 取KH1.0 查表2-4 取D级精度 查表2-8 取KA1.0 取平均工作载荷Fm=4950N Fc=1.3x1x1x4950=6435N 3.2.2 计算额定动载荷计算值Ca n=100r/min 使用寿命Lh=15000h

2

=6435X898.2 =5779940。12N

3.2.3根据Ca选择滚珠丝杠副

根据《机电一体化设计基础》表2-9汉江机床TC1型滚珠丝杠，若选取FC1型无密封圈滚珠丝杠,滚珠丝杠副额定动载荷C'a等于或者大于Ca的原则，选用FC1—4006—2。5,Ca=16083N的丝杠副数据： 公称直径：D040mm 导程：P=6mm

螺旋角:244' 滚珠直径：d03.969mm

根据《机电一体化设计基础》表2-1公式得

螺纹滚道半径:R=0.52d00.523.9692.06mm

偏心距：e0.707Rd020.7072.063.96920.053

丝杠内径：d1D02e2R4020.05322.0635.99mm 3.2。4滚珠丝杠副校核

滚珠丝杠副还要受D0n的值的限制,通常要求D40n<710mmr/min D0n401004000mmr/min7104mmr/min 所以 丝杠副工作稳定 3.3稳定性运算

3.3。1.计算临界转速 nK

9910f2 ncd1K(l)2 (r/min） 式中 临界转速系数-fc=3.93 见表4

3

长度系数— u=0。67 见表4 d1—丝杠内径 (mm) L—丝杠工作长度 (mm) 取丝杠工作长度:Lx=450mm Ly=310mm 可知Y向临界速度最大

nk=9910x3。92x3.92x0.03599÷（0。67x0.31)² nk=127044。1413r/min 因为

nknmax 所以丝杠工作时不会发生共振

表 4 支承方式 系数 fc u s 双推—自由 1。88 2 3~4 双推—简支 3。93 0.67 2.5～3。3 两端固定 4.73 ————- —— 3.4压杆稳定性计算

2EIa FK (N)

(l)2式中 FK—临界载荷

E—材料弹性模量 对于钢,E=2.06× 1011Pa

Ia—丝杠危险截面惯性矩（m4）

4

(35.99103)4I3.1464 a 640.8210-7d14 临界载荷:

Fk=3。14x2。06x8200÷（0.67x0.31)² =1229526。03N

安全系数： S=Fk÷Fa=1229526。03÷3500=351.29 丝杠绝对安全，不会失稳

丝杠选取无误，即选用Fc1-4006-2.5型滚珠丝杠。

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化滚动导轨中，都为滚动体可循环式.

4。1计算行程长度寿命 Ts

Ts=2Ls·n·60· Th /100 (km)

式中 :Ls—工作单行程长度(m） ：Lsx=0.42m；Lsy=0。33m n—往复次数 (次/min）

np1001010-3=1.19 nx2Lsx20.42 Ny=1.21

Th—工作时间寿命 （h） ：Th=15000

行程长度寿命：Tsx20.421.196015000/1000899.64km Tsy=718。74km 4。2计算动载荷 Cj

5

Ffw(Ts/k)1/3 Cj=

mfTfcfH式中 F—作用在滑座上的载荷 (N） F=3300*

m—滑座个数

K—寿命系数 一般取K=50km

fT—温度系数 见表5

fc—接触系数 见表6

fH—硬度系数 见表7

fw-负载系数 见表8

表5 工作温度fT （0C） <100 1 100~150 0。9 150～200 0。7 200～250 0。6 表6 每根导轨上fc 滑块数 1 1 2 0。81 3 0.72 4 0。66 表7 滚道表面硬度60 58 55 53 HRC Fh 1 0.98 0。9 0.71 表8 工作条件 fw 无冲击、振动 V〈15m/min

6

50 0。54 45 0。38 1～1。5 较小冲击、振动V<60m/min 较大冲击、振动V〉60m/min 1.5～2 2～3.5 分别由指导书表5、6.7.8查得fT1.0、fC1.0、fH1.0、fW1.8 另取滑座个数m=4；

寿命系数一般取k=50km; 另取滑座个数 m4 寿命系数一般取 k50km

作用在滑座上的载荷 Fx=33000；Fy=44000

=38936。7N

=51876N

由机电一体化设计基础表2-13查得,故选取滚动导轨型号为HJG—D25

5. 步进电机的选择

在选择步进电机时应主要考虑以下几个方面: 步距角是否适合系统脉冲当量的要求. 步进电机转矩是否满足要求.

步进电机起动频率及运行频率是否满足要求。 5.1步距角的确定

3600i ＝ （度)

t式中 —工作台脉冲当量 (mm/P)

=0。06mm/P

i—传动系统传动比 i=2.2 t—滚珠丝杠导程 (mm) t=6mm

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α=360°x0。06x2.2÷6=7。92°

根据《机械设计手册》初选型号55BYG005;由《机电一体化设计基础》图5—33、5-34查的：

减速器采用2级传动

传动比分别为i12:i22.5 各传动齿轮齿数为：

Z120;Z240；Z320;Z450

模数m=2

齿轮宽b=20mm

5.2步进电机转矩校核

空载起动时电机轴总的负载转矩Tq Tq=Tj+Tu+To 式中 1) Tj—惯性转矩 Tj=J·ε

J—电机轴总惯量（包括当量) ε—起动时角加速度

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，其中齿轮交叉直径取分度圆直径:

dd322040mm 1

d24080mm 2

d250100mm 4 丝杠内径分度圆：ds35.99mm

丝杠长度取L=410mm 电动机总惯量：Jd4L32

JZ1JZ37.81030.0440.0232

3.9105kgm2 8

JZ27.81030.0840.0232

6.2104kgm2JZ47.81030.140.0232

1.5103kgm2Js7.81030.0359940.0232

2.6105kgm2P11JdJZ1+2JZ2JZ32JZ4JSmi1i22i2110.0063.9106.21043.91051.51032.6105180 425255222.7104kgm2其中，是所用材料密度；d是分度圆直径;L是长度（齿宽）；P是导程;m是工作台质量.

其中工作台小刀架质量为m1，取m1=80kg 取电动机轴自身转动惯量：Jm0.8103kgm2 则步进电机轴的总转动惯

量:JJmJd0.81032.71041.07103kgm2

设步进电机空载启动时间50s，最大进给速度：vmax1.0m/min 导轨摩擦系数0.2

空载启动时，电动机轴的惯性转矩：

P=0.0036 t=50

电动机轴上的当量摩擦转矩：

=0。19

=1。54n。m i=5 μ=0.2

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其中伺服进给链的总效率0.8

设滚珠丝杠螺母副的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:

其中00.9

=0.32n.m Fo=2145N

工作台的最大轴向负载折算到电动机轴上的负载转矩：

=5。03 n.m

则电动机空载启动时电动机轴总的负载转矩:

=0.19+1.54+0.32=2。05n.m

则电动机正常工作时电动机轴总负载转矩：

=5.03 +0。19+0.32=5。54 n.m

电动机最大静转矩Ts

空载启动时所需电动机最大静转矩：

=2.05÷0.707=2。90n.m

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：

=5.63÷0.707=7。83n。m

C0.707 由下表可查

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电机相数 运行拍数 3 C 3 6 4 4 8 5 5 10 6 6 12 0.5 0。866 0.707 0。707 0。809 0。951 0.866 0.866 TS取二者最大的，故TS1TS7.84Nm

步进电机的最大静转矩满足要求。 5.3频率校核

参考电机的矩—频特性曲线进行选取。

原则：选用步进电机应使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。

所以选用55BYG005型步进电机。

6。总结

通过本次课程设计,在设计过程中遇到许多问题 ，但经过思考与讨论,

一遍又一遍地检查找到了原因所在，我们欠缺知识与经验,实践出真知，我们不断发现错误，不断改进，不断领悟,不断获取.我们掌握了典型机电一体化产品机械结构的设计能力和对机电伺服系统的设计能力,,培养分析问题和解决问题的能力，为以后的毕业设计打下良好的基础。也锻炼了动手能力和团队合作的能力.X-Y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。

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7。参考文献

1.《机电一体化设计基础》 洪主编

2.《机床设计手册》 出版社

3.《机械零件设计手册》 出版社

4.《金属切削机床设计》 出版社

5.《经济型数控机床系统设计》6.《机电一体化实用技术》 机械工业出版社 郑堤、唐可 机械工业 机械工业 机械工业 上海科学技术出版社

上海科学技术文献出版社

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