課程設計---二維數控精密精密工作臺設計

1、<p><b>　　目錄</b></p><p>　　1.本次課程設計的目的、意義和數控技術發(fā)展概況及二維數控精密工作臺的原理………………………………………………………………………………………3</p><p>　　1.1設計的目的…………………………………………………………………3</p><p>　　1.2設計的意義…………………

2、………………………………………………3</p><p>　　1.3數控技術發(fā)展概況…………………………………………………………3</p><p>　　1.4二維數控精密工作臺的原理………………………………………………4</p><p>　　1.4.1二維數控平臺………………………………………………………4</p><p>　　1.4.2曲柄連

3、桿機構………………………………………………………5</p><p>　　2.本次設計的任務和設計的整體方案……………………………………………...6</p><p>　　2.1設計的任務………………………………………………………………….6</p><p>　　2.2設計的整體方案…………………………………………………………….6</p><p&

4、gt;　　2.2.1工作臺總體結構的確定…………………………………………….7</p><p>　　2.2.2傳動方案的確定…………………………………………………….7</p><p>　　3.機械系統(tǒng)的設計計算……………………………………………………………..8</p><p>　　3.1步進電機的初步確定………………………………………………………8</p&

5、gt;<p>　　3.1.1步進電機的脈沖頻率計算………………………………………….8</p><p>　　3.1.2步進電機的驅動轉矩計算………………………………………….8</p><p>　　3.2滾珠絲桿選擇………………………………………………………………9</p><p>　　3.2.1滾珠絲桿工作長度計算…………………………………………….

6、9</p><p>　　3.2.2載荷計算…………………………………………………………….9</p><p>　　3.2.3額定動載荷計算……………………………………………………11</p><p>　　3.2.4穩(wěn)定性校核…………………………………………………………11</p><p>　　3.2.5滾珠絲桿副的剛度計算…………………………

7、…………………12</p><p>　　3.3軸承的選擇………………………………………………………………...12</p><p>　　3.4滾動直線導軌選擇…………………………………………………………13</p><p>　　3.4.1導軌額定壽命計算…………………………………………………14</p><p>　　3.4.2導軌工作載荷計算

8、…………………………………………………14</p><p>　　3.5聯軸器的選擇………………………………………………………………15</p><p>　　3.5.1聯軸器傳遞功率確定………………………………………………15</p><p>　　3.5.2聯軸器的選定………………………………………………………16</p><p>　　3.6系

9、統(tǒng)整體性能計算………………………………………………………..17</p><p>　　3.6.1步進電機軸上總當量負載轉動慣量計算…………………………17</p><p>　　3.6.2系統(tǒng)剛度計算………………………………………………………17</p><p>　　3.6.3系統(tǒng)固有頻率計算…………………………………………………18</p><p

10、>　　2.6.4系統(tǒng)死區(qū)誤差計算…………………………………………………18</p><p>　　3.6.5由系統(tǒng)剛度變化引起的定位誤差計算……………………………18</p><p>　　4.總結………………………………………………………………………………..19</p><p>　　5.參考文獻…………………………………………………………………………..20&

11、lt;/p><p>　　本次課程設計的目的、意義和數控技術發(fā)展概況及二維數控精密工作臺的原理</p><p><b>　　1.1設計的目的</b></p><p>　　“精密機械設計基礎”課程設計作為實踐環(huán)節(jié)對于整個課程具有非常重要的意義。在這次課程設計中不僅僅是完成一項指定的任務，更重要的是實際走過一個完整的設計過程。學生在課程設計中定位為設計者

12、，對方案進行篩選論證，考慮結構工藝性和選材。整個設計采用AutoCAD和Solidworks完成，從3D建模到2D圖紙。要求學生至少做出一張可用于加工的圖紙，圖紙的尺寸標注要合理，要有尺寸公差和行為公差，要正確選擇材料，要有技術要求?？傊?，通過本次課程設計使學生知道，設計過程包括哪些步驟，能夠投放生產的加工圖紙是什么樣子的。其目的是:</p><p>　?。?）具體應用、鞏固加深和擴大課程及有關先修課程的理論知識

13、、生產知識，了解精密機械設計的一般設計方法和步驟，培養(yǎng)學生的實際設計能力，為以后進行畢業(yè)設計打下基礎。</p><p>　?。?）掌握正確的設計思想，并通過本次課程設計使同學們掌握儀表的設計思想。</p><p><b>　　1.2設計的意義</b></p><p>　　精密機械課程設計是一次比較完整的精密機械設計，它是理論聯系實際、培養(yǎng)初步設

14、計能力的重要教學環(huán)節(jié)。對于學生能力的培養(yǎng)具有重大意義。</p><p>　　1.3數控技術發(fā)展概況</p><p>　　隨著生產和科學技術的發(fā)展，特別是隨著航天、航空、造船、電子和兵器等工業(yè)部門的發(fā)展，機械產品日益精密、復雜，而且改型頻繁，普通機床已不能完全適應這些部門的加工要求，如對一些復雜的曲線、曲面所構成的零件，手工操作甚至根本無法進行加工。因此，數控機床已成為現代工業(yè)生產必不可少的

15、設備。</p><p>　　以數控機床為代表的數控設備的生產與應用水平，反映出一個國家的機械與電子工業(yè)水平，它的研制和推廣應用，對于提高勞動生產率和產品質量，改變我國制造技術落后的狀況，使我國機電產品走向世界，起著極為重要的作用。</p><p>　　數控設備是指通過數字化操作指令進行控制的一種設備，其基本結構如圖1-1所示： 圖1-

16、1數控設備基本框圖</p><p>　　目前世界上在數控技術方面比較先進的國家主要有：德國、日本和美國，它們的設計制造技術代表著當今世界的最先進水平，比如德國的德馬赫，日本的橫河。而作為世界上新興的制造業(yè)大國，我國在數控技術方面任重而道遠，這需要我們這一代人更加的努力，才能趕上和超過世界上其它先進國家，使我國成為真正的制造業(yè)強國。</p><p>　　數控設備的發(fā)展方向：隨著微電子技術和計

17、算機技術的發(fā)展，數控設備性能日趨完善，數控設備應用領域日趨擴大。科學技術的發(fā)展，推動了數控設備的發(fā)展，各生產部門加工要求的不斷提高又從另一方面促進了數控設備的發(fā)展。當今數控設備正不斷的采用新的技術成就，朝著高速度化，高精度化，多功能化，智能化、小型化、系統(tǒng)化與高可靠性發(fā)展。</p><p>　　圖1-2德國生產的數控設備</p><p>　　1.4二維數控精密工作臺的原理</p>

18、;<p>　　1.4.1二維數控平臺</p><p>　　如圖1-3所示為二維數控平臺實驗原理樣機原理圖，圖1-4為二維數控平臺實物照片。二維數控平臺可以實現X、Y兩個方向的運動，通過兩個方向運動的合成，可以實現任意平面軌跡。</p><p>　　圖1-3 二維數控平臺實驗機原理圖 </p><p>　　此試驗機裝有一支筆，固定不動，在工

19、作臺上放上紙，工作臺在運動時，就可以在紙上畫出預先給定的圖形。二維數控工作臺的主要結構件有：底座、滾珠導軌、滾珠絲桿、四桿支架、托盤、工作臺、步進電機支架等等。</p><p>　　圖1-4 二維數控平臺實物照片</p><p>　　1.4.2曲柄連桿機構</p><p>　　圖1-5曲柄連桿機構的原理圖，圖1-6為曲柄連桿機構的實物照片。圖1-5所示的曲柄連桿機

20、構在連桿上的任意點A，在曲柄回轉時，均可畫出一條封閉的曲線，但這條封閉的曲線是固定的，往往不能按照人們的預先要求來實現。要實現某些固定的曲線，就要確定連桿上某點的位置，而確定這點的位置往往是很復雜的。</p><p>　　圖1-6曲柄連桿機構實物圖</p><p>　　2本次設計的任務和設計的整體方案</p><p><b>　　2.1設計的任務&

21、lt;/b></p><p>　　設計一個數控X-Y工作臺，該工作臺可用于銑床上坐標的加工和塑料、鋁合金零件的二維曲線加工。其實際結構如下圖：</p><p>　　圖2-1二維工作臺實物圖</p><p>　　設計的各項參數如下表：</p><p>　　表2-1設計主要參數</p><p>　　2.2設計的整體方

22、案</p><p>　　圖 2-2整體設計方案</p><p>　　本次設計的二維數控精密工作臺由于不對控制部分進行設計，而僅僅對機械部分進行設計，故確定整體設計方案如圖2所示：采用步進電機對工作臺進行驅動，經聯軸器后，帶動滾珠絲桿傳動，從而實現二維數控精密工作臺的縱向（Y軸）、橫向（X軸）進給運動。</p><p>　　2.2.1工作臺總體結構的確定</p&

23、gt;<p>　?。?）步進電機2個（分別用于X、Y方向）；</p><p>　?。?）滾珠絲桿2套，應分別對其進行分析設計，以滿足兩者不同的受力情況；</p><p>　?。?）滾動導軌：雙導軌，四滑塊；</p><p><b>　　（4）工作臺面；</b></p><p>　?。?）聯軸器2個、軸承座、

24、軸承擋圈以及絲桿螺母等等。</p><p>　　2.2.2傳動方案的確定</p><p>　　步進電機 減速器 滾珠絲桿 工作臺X、Y方向應滿足：</p><p>　　其中，分別為X、Y方向的脈沖當量，這里脈沖當量為25step。</p><p>　　3.機械系統(tǒng)的設計計算</p><p>　　3.1

25、步進電機的初步確定</p><p>　　根據已設傳動條件：X、Y方向的脈沖當量step。</p><p>　　脈沖當量較小，在這里選用反應式步進電機，它具有步進角小，頻率高的特點。查《機械零件設計手冊》可擬選步進電機型號為：110BF5-1.5,其相關參數如下表：</p><p>　　表3-1 110BF5-1.5的相關參數</p><p>

26、　　采用單相通電方式，則歩距角。</p><p>　　3.1.1步進電機的脈沖頻率計算</p><p>　　典型工況下，步進電機的脈沖頻率和分別為：</p><p><b>　　式3-1-1</b></p><p><b>　　式3-1-2</b></p><p>　　經驗算

27、，該型號步進電機可滿足設計要求</p><p>　　3.1.2步進電機的驅動轉矩計算</p><p>　　經查手冊可知：典型工況下，步進電機的驅動轉矩和分別如下圖所示。</p><p>　　圖3-1 步進電機110BF5-1.5的矩頻特性圖</p><p>　　由上圖可看出，該型號步進電機在脈沖頻率為667p/s時，其轉矩約為；足以滿足設計

28、的需求。故可以選用該型號電機。</p><p><b>　　3.2滾珠絲桿選擇</b></p><p><b>　　已知條件：</b></p><p><b>　　表3-2</b></p><p><b>　　表3-3</b></p><

29、;p>　　3.2.1滾珠絲桿工作長度計算</p><p><b>　　式3-2-1</b></p><p>　　橫向（X軸）絲桿工作長度：</p><p>　　橫向（X軸）絲桿工作載荷：</p><p><b>　　工作臺重量：</b></p><p>　?。ㄆ渲?，選取

30、工作臺材料為灰鑄鐵，密度：,重力加速度取）</p><p>　　縱向（Y軸）絲桿工作長度：</p><p>　　縱向（Y軸）絲桿工作載荷：</p><p>　　橫向（X軸）方向臂重量：</p><p>　?。ㄆ渲校╔軸向的滾動導軌、滑塊等的重量）</p><p><b>　　3.2.2載荷</b&g

31、t;</p><p>　　可以設定工作臺的適用工況為：每天工作8小時，每年300個工作日，可連續(xù)工作6年以上。</p><p>　　查《機械零件設計手冊》，可選滾道截面形狀為雙圓弧形；滾珠循環(huán)方式為內循環(huán)固定式；預緊方式采用雙螺母墊片式。</p><p>　　絲桿材料：鋼；滾道硬度:。</p><p>　　又根據設定工況查手冊可得：</

32、p><p><b>　　載荷系數：</b></p><p><b>　　?d=</b></p><p><b>　　安全系數：</b></p><p><b>　　?j=</b></p><p>　　表3-4滾珠絲桿的載荷系數?d和靜安

33、全系數?j：</p><p><b>　　硬度系數：</b></p><p><b>　　精度等級：</b></p><p><b>　　表3-5 硬度系數</b></p><p><b>　　表3-6 精度等級</b></p><p&

34、gt;<b>　　則：</b></p><p>　　=?d 式3-2-2</p><p>　　其中，選取?d=1.1，,,即選取精度等級為一級。</p><p><b>　　橫向載荷：</b></p><p><b>　　縱向載荷：</b></p><

35、p>　　3.2.3額定動載荷計算</p><p><b>　　壽命：</b></p><p><b>　　當量轉速：</b></p><p><b>　　式3-2-3</b></p><p><b>　　額定動載荷：</b></p>&

36、lt;p><b>　　式3-2-4</b></p><p><b>　　橫向額定動載荷：</b></p><p><b>　　縱向額定動載荷：</b></p><p>　　根據初定的導程和計算所得的額定動載荷,并依據選取絲桿過程中選取導程應等于，變載時等于或大于的原則，查《機械零件設計手冊》確

37、定橫向（X軸）和縱向（Y軸）采用相同的滾珠絲桿，并確定其型號為：CDM2004-2.5。該型滾珠絲桿副的具體參數如表9：</p><p>　　表3-7 CDM2004-2.5型滾珠絲桿參數</p><p>　　3.2.4穩(wěn)定性校核</p><p>　　1）由于一端軸向固定的絲桿在工作時可能會失穩(wěn)，所以再設計時應對其安全系數S進行校核，其值應大于絲桿副傳動結構允許安全

38、系數[S]。</p><p><b>　　滾珠絲桿臨界載荷：</b></p><p><b>　　式3-2-5</b></p><p>　　式中，E為滾珠絲桿材料的彈性模量，對于鋼，;l為絲桿工作長度（m），為絲桿危險截面的軸慣性矩（）；為長度系數。</p><p><b>　　又知，&l

39、t;/b></p><p><b>　　式3-2-6</b></p><p><b>　　取，則有：</b></p><p>　　橫向滾珠絲桿臨界載荷：</p><p>　　縱向滾珠絲桿臨界載荷：</p><p>　　進而，有橫向滾珠絲桿安全系數：</p>

40、<p><b>　　式3-2-7</b></p><p>　　縱向滾珠絲桿安全系數：</p><p><b>　　式3-2-8</b></p><p>　　經查手冊知，S>[S],兩絲桿均是安全的，不會失穩(wěn)。</p><p>　　2）滾珠絲桿副還受值的限制，查手冊可知通常情況下，要

41、求</p><p><b>　　式3-2-9</b></p><p>　　所以該滾珠絲桿副工作穩(wěn)定。</p><p>　　3.2.5滾珠絲桿副的剛度計算</p><p>　　滾珠絲桿的剛度由絲桿的拉壓剛度、螺母支承剛度和螺紋滾道接觸剛度R組成。其關系如下：</p><p><b>　　式

42、3-2-10</b></p><p>　　絲桿支承為一端固定、一端自由，則絲桿的拉壓剛度：</p><p><b>　　式3-2-11</b></p><p><b>　　螺母的支承剛度：</b></p><p><b>　　式3-2-12</b></p>

43、;<p>　　式A為螺母橫截面，查手冊可算出；為螺母支承面有效滾道間長度，單位為mm。</p><p>　　螺紋滾道接觸剛度R，查《機械零件手冊》表18-33或表18-36可得到。</p><p>　　經驗算，可得兩絲桿均滿足剛度要求。</p><p><b>　　3.3軸承選擇</b></p><p>　

44、　根據滾珠絲桿的額定動載荷和額定靜載荷以及絲桿和軸承所承受的最大載荷，查《機械零件設計手冊》，以確定所選軸承的型號。</p><p>　　表3-8各類滾動軸承性能和價格比較</p><p>　　由表3-8可以看出采用深溝球軸承比較經濟，并且由于滾動絲桿既要承受徑向載荷，又要承受軸向載荷，則進一步查手冊可以得到滾動軸承SN6204型大概可滿足要求，經校核，該型軸承滿足設計載荷的需求。其具體參

45、數如表3-9所示。</p><p>　　表3-9 SN6204型深溝球軸承參數</p><p>　　3.4滾動直線導軌選擇</p><p>　　設定導軌工作參數如下表：</p><p>　　表3-10導軌工作參數</p><p>　　3.4.1導軌額定壽命計算</p><p><b>

46、;　　壽命：</b></p><p><b>　　又由：</b></p><p><b>　　式3-3-1</b></p><p>　　其中為導軌額定行程長度壽命，單位為Km；為工作單行程長度，單位為m；n為每小時往復次數，單位為：次/h。</p><p>　　可得橫向導軌額定行程長度壽

47、命：</p><p><b>　　式3-3-2</b></p><p>　　縱向導軌額定行程長度壽命：</p><p><b>　　式3-3-3</b></p><p>　　因需要滑座數目為,即：每根導軌上使用2個滑座，查《機械電子工程專業(yè)課程設計指導書》可確定：</p><p&

48、gt;<b>　　接觸系數：</b></p><p><b>　　硬度系數：</b></p><p><b>　　溫度系數：</b></p><p><b>　　負荷系數：</b></p><p><b>　　又有：</b></

49、p><p><b>　　式3-3-4</b></p><p>　　其中，K為壽命系數，一般取50Km；F為滑座工作載荷N；為額定動載荷N。</p><p>　　3.4.2導軌工作載荷計算</p><p>　　橫向（X軸）滑座工作載荷：</p><p>　　縱向（Y軸）滑座工作載荷：</p>

50、<p>　　進而可得橫向（X軸）額定動載荷：</p><p><b>　　式3-3-5</b></p><p>　　縱向（Y軸）額定動載荷：</p><p><b>　　式3-3-6</b></p><p>　　查《機械電子工程專業(yè)課程設計指導書》，可選LY25AL,其額定載荷為174

51、0N，可滿足，設計使用要求。</p><p><b>　　3.5聯軸器的選擇</b></p><p>　　設定工作臺進給抗力：</p><p>　　工作臺最大移動速度:</p><p>　　3.5.1聯軸器傳遞功率確定</p><p>　　表3-9 機械傳動效率概略值（供參考）</p>

52、<p>　　初選傳動效率為=0.98。</p><p><b>　　由式：</b></p><p>　　傳遞功率=工作臺進給抗力工作臺移動速度傳動鏈效率</p><p><b>　　即：</b></p><p>　　3.5.2聯軸器的選定</p><p>　　查

53、手冊確定聯軸器的載荷系數為：</p><p><b>　　聯軸器的計算轉矩：</b></p><p><b>　　式3-4-1</b></p><p>　　由于聯軸器的工稱轉矩，經查《機械零件設計手冊》可選聯軸器的型號為剛性凸緣聯軸器YL1型，其具體參數如表12所示。</p><p>　　表12 Y

54、L1型凸緣聯軸器參數表</p><p>　　3.6系統(tǒng)整體性能計算</p><p>　　3.6.1步進電機軸上總當量負載轉動慣量計算</p><p>　　橫向（X軸）滾珠絲桿轉動慣量：</p><p><b>　　式3-5-1</b></p><p>　　縱向（Y軸）滾珠絲桿轉動慣量：</p

55、><p><b>　　式3-5-2</b></p><p><b>　　聯軸器的轉動慣量：</b></p><p>　　將各轉動慣量及工作臺的質量這算到步進電機機軸上，得總當量負載轉動慣量：</p><p><b>　　式3-5-3</b></p><p>

56、　　橫向總當量負載轉動慣量：</p><p>　　縱向總當量負載轉動慣量：</p><p>　　3.6.2系統(tǒng)剛度計算</p><p>　　先對橫向絲桿進行分析：</p><p><b>　　絲桿最大拉壓剛度;</b></p><p><b>　　式3-5-4</b><

57、/p><p><b>　　絲桿最下拉壓剛度：</b></p><p><b>　　式3-5-5</b></p><p>　　假定絲桿軸向支承軸承經過預緊并忽略軸承座和螺母座剛度的影響，求得絲桿螺母機構的綜合拉壓剛度。</p><p><b>　　式3-5-6</b></p&g

58、t;<p><b>　　式3-5-7</b></p><p>　　進而可得死干的最低扭轉剛度為：</p><p><b>　　式3-5-8</b></p><p>　　采用同樣方法可以對縱向絲桿進行分析。</p><p>　　3.6.3系統(tǒng)固有頻率計算</p><p

59、><b>　　橫向滾珠絲桿質量：</b></p><p><b>　　縱向滾珠絲桿質量：</b></p><p><b>　　進而：</b></p><p>　　則絲桿和工作臺振動系統(tǒng)的最低固有頻率為：</p><p><b>　　式3-5-9</b>

60、;</p><p>　　較高，說明該系統(tǒng)的動態(tài)特性很好。</p><p>　　3.6.4系統(tǒng)死區(qū)誤差計算</p><p>　　假設聯軸器和絲桿螺母機構采用了消隙和預緊措施，則由摩擦力引起的最大反向死區(qū)誤差為：</p><p><b>　　式3-5-10</b></p><p>　　小于脈沖當量，因

61、此，系統(tǒng)滿足單脈沖進給，符合設計要求。</p><p>　　3.6.5由系統(tǒng)剛度變化引起的定位誤差計算</p><p>　　由絲桿螺母機構綜合拉壓剛度的變化引起的最大定位誤差為：</p><p><b>　　式3-5-11</b></p><p>　　由系統(tǒng)要求的重復定位精度為,定位精度為0.025mm，可知，允許的定位

62、誤差為，而，故可以確定系統(tǒng)剛度滿足定位要求，符合設計要求。</p><p><b>　　4.總結</b></p><p>　　本次課程設計的任務是完成二維數控精密工作臺機械部分的設計。一個完整的二維數控精密工作臺還包括控制部分的設計和程序編寫，這里就不作太多的闡述。</p><p>　　本次設計主要分為滾珠絲桿的選擇、步進電機的選型、聯軸器的選

63、型、滾動導軌的選擇以及其它零部件的確定等等。下表是是設計中選用的各部件的型號：</p><p>　　與以往的二維精密工作臺比較，本次設計采用了聯軸器連接，摒棄了以往的采用減速器的方法，使得結構更加簡潔高效，并且系統(tǒng)動態(tài)特性好，傳遞效率高，達到了設計的要求。但本次設計也有一些問題需要解決，比如選取的聯軸器轉矩比較大，采用的步進電機不能夠完全發(fā)揮其功效，這些都是本次設計的缺陷和需改進的地方。</p>&

64、lt;p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1]機電一體化技術手冊編委會.機電一體化技術手冊.北京：機械工業(yè)出版社.1996</p><p>　　[2]吳宗澤.機械零件設計手冊.北京：機械工業(yè)出版社.2006</p><p>　　[3]裘祖榮.精密機械設計基礎.1版.北京：機械工業(yè)出版社.2009</p>