1、本科生專業課程設計（2011 屆）學生姓名:專業名稱:指導教師:2010年11月20日目錄任務書2二、總體方案的確定錯誤！未定義書簽。三、機械傳動部件的計算與選型錯誤！未定義書簽。四、工作臺機械裝配圖的繪制錯誤！未定義書簽。五、工作臺控制系統的設計錯誤！未定義書簽。參考文獻錯誤！未定義書簽。附件1錯誤！未定義書簽。附件2錯誤！未定義書簽。附件3錯誤！未定義書簽。附件4錯誤！未定義書簽。任務書設計題目：X-Y數控工作臺機電系統設計設計任務:設計一臺微機控制XY兩坐標工作臺，供立式數控銃床使用。具體內容如下:1、機械系統設計：通過計算，正確選擇傳動機構、導向機構、執行機構、驅動電機等,根據計算說明

2、，繪制機械系統裝配圖。2、控制系統設計：根據系統要求，選擇正確的控制策略，設計合理的控制系統，并繪3、主要程序設計：在機械系統設計與控制系統設計的基礎上，進行控制系統的主程序設計，列出程序清單。4、設計說明書撰寫。系統主要參數：1、立銃刀最大直徑d=20mm2、立銃刀齒數Z=33、最大銃削寬度ae=20mm4、最大背吃刀量an=i0mmp5、加工材料為碳素鋼或有色金屬6、X,丫方向的脈沖當量&x=8y=001mm/p7、X,Y方向的定位精度均為土0.01mm8、工作臺面尺寸為400mm500mm戰們這個長度400以下），加工范圍為200mm立幡b）網柱贊削4端跣采用立銃刀進行圓柱銃削時

3、，各銃削力之間的比值可由表2-2。表2-2各銃削力之間比值銃削條件比值對稱銃削不對稱銃削逆銃順銃端銃削ae=(0.40.8)d/mmfz=(0.10.2)/(mm.z-1)Ff/Fc0.30.40.60.90.150.3Fe/Fc0.850.950.450.700.91.0Ffn/Fc0.500.550.500.550.50.55圓柱銃削ae=0.05d/mmfz=(0.10.2)/(mm.z-1)Ff/Fc1.01.20.80.9Ffn/Fc0.20.30.750.8Fe/Fc0.350.40.3250.4a)b)a)a)蚓柱形倍力銃削力蚓柱形倍力銃削力b)面銃刀械削力面銃刀械削力圖2-2銃

4、削力分析4) )逆贛b)圖2-3順銃與逆銃由表2-2,圖2-2和圖2-3,考慮逆銃情況，可估算出三個方向的銃削力分別為:Ff=1.1Fc：2082NFe=0.38Fc：719NecFfn=0.25Fc：473N圖2-3a為臥銃情況，現考慮立銃，則工作臺受到垂直方向的銃削力Fz=Fe=719N,受到水平方向的銃削力分別為Ff和Ffno今將水平方向較大的銃削力分配給工作臺的縱向(絲杠軸線方向)，則縱向銃削力Fx=Ff=2082N,徑向銃削力Fy=Ffn=473N。3、直線滾動導軌副的計算與選型(1)滑塊承受工作載荷Fmax的計算及導軌型號的選取工作載荷是影響直線滾動導軌副使用壽命的重要因素。X-Y

5、工作臺采用水平布置，利用雙導軌、四滑塊的支承形式。考慮最不利的情況，即垂直于臺面的工作載荷全部由一個滑塊承擔，則單滑塊所受的最大垂直方向載荷為：GFmaxF(2-2)4其中，移動部件重量G=900N,外加載荷F=FZ=719N,代入式2-2得最大工作載荷G900Fmax=F=719=1169N=1.169kN44查表3-4148,根據工作載荷Fmax=1.169kN,初選直線滾動導軌副的型號為ZL系列的JSA-LG45型，其額定動載荷Ca=7.94kN,額定靜載荷C0a=9.5kN。任務書規定工作臺面尺寸為400mmx500mm,加工范圍為200mmx200mm,考慮工作行程應留有一定余量，查

6、表3-35345,按標準系列，選取導軌長度為750mm.(2)距離額定壽命L的計算上述選取的ZL系列JSA-LG45型導軌副的滾道硬度為60HRC,工作溫度不超過100C,每Fz=719NFx=2082NFy=473N導軌副的型號:ZL系列的JSA-LG45型導軌長度為750mm導軌型號導軌長度系JSA-LG15280340400460520580640700760820940JSA-LG20340400520580640760820940100011201240JSA-LG2546064080010001240136014801600184019603000JSA-LG35520600840

7、10001080124014801720220024403000JSA-LG4555065750850950125014501850205025503000JSA-LG5566078090010201260138015001980222027003000JSA-LG65820970112012701420157017202020232027703000表3-35JSA型導軌長度系列根導軌上配有兩只滑塊，精度為4級，工作速度較低，載荷不大。查表表2-4硬度系數滾道硬度(HRC)50555864fH0.530.81.0表2-5溫度系數每根導軌上滑塊數12345fC1.000.810.720.660

8、.61表2-7精度系數精度等級2345fR1.1.00.90.9表2-8載荷系數工況無外部沖擊或震動的低速場合，速度小于15m/min無明顯沖擊或振動的中速場合，速度為1560m/min有外部沖擊或振動的高速場合，速度大于60m/minfW11.51.5223.5分別取硬度系數儲=1.0、溫度系數懺=1.00、接觸系數fc=0.81、精度系數fR=0.9、載荷系數fw=1.5,代入式2-346,得所選絲杠的距離壽命為180km。3fHfTfcfRCaL=HTCRaM50（2-3）、_fWFmax31.0父1.00M0.81父0.9父42.5、“c”內I父50亡2.76父10km1.51.169

9、結論：所選導軌的距離壽命遠大于期望值50km,故距離額定壽命滿足要求。4、滾珠絲杠螺母副的計算與選型（1）最大工作載荷Fm的計算在立銃時，工作臺受到進給方向白載荷（與絲杠軸線平行）Fx=2082N,受到橫向的載荷（與絲杠軸線垂直）Fy=473N,受到垂直方向的載荷（與工作臺面垂直）Fz=719N。已知移動部件總重量G=900N,按矩形導軌進行計算，查表2-938,表2-9最大工作載荷Fm實驗計算公式及參考系數導軌類型實驗公式K距離壽命為180km遠大于期望值50km,故距離額定壽命滿足要求工作溫度/C90%,合格。(5)剛度的驗算1) X-Y工作臺上下兩層滾珠絲杠副的支承均采用“單推-單推”的

10、方式。絲杠的兩端各米用一對推力角接觸球軸承，面對面組配，左、右支承的中心距離約為a=550mm;鋼的彈性模量E=2.1x105MPa；查附件3,得滾珠直徑DW=3.175mm,絲杠底徑d2=21.2mm,絲杠截面積S=&l；/4=352.8mm2o絲杠的拉伸或壓縮變形量S1在總變形量中的比重較大，可按下式計算：L_R2工.FmaMa341&i一m(2-5)ES2唯式中：Fm一一絲杠的最大工作載荷，單位為Na一一絲杠兩端支承間的距離，單位為mmE絲杠材料的彈性模量，鋼的E=2.1x105MPaS絲杠按底徑d2確定的截卸積，單位為mm2M轉矩，單位為N-mmI絲杠按底徑d2確TE的

11、截面積慣性矩(I一nd2/64),單位為mm滾珠與螺紋滾道間的接粗變形量82、2無預緊時52-0.00383!m(2-6)(D10ZZ；)有預緊時聞=0.0013Fm(2-7)341103/DwFYJZy/10式中DW滾珠直徑，mmZE滾珠總數量，Z!2=Zx圈數x列數Z單圈滾珠數，Z=nd0/Dw(外循環)，Z=(nd0/Dw)-3(內循環)FYJ預緊力，單位N忽略式2-5中的第二項，算得絲杠在工作載荷Fm作用下產生的拉/壓變形量=0.0124mm日Fma2301M550八即孰=m=5定0.0171mmES2.1父10m352.82)根據公式Z=(nd0/DW)-3,求得單圈滾珠數Z=22;

12、該型號絲杠為單螺母，滾珠的圈數X列數為4X2,代入公式：Z產ZX圈數X列數，得滾珠總數量Zx=176。絲杠預緊時，取軸向預緊力FYj=Fm/3=767N。則由式2-7,滾珠與螺紋滾道間的接觸變形量82一Fm23016=0.0013m=0.0013,電0.0015mm10:DWFYJZ|/1010牛3.175父767M1762/10因為絲杠加有預緊力，且為軸向負載的1/3,所以實際變形量可減小一半，S2=0.0005mm。3)將以上算出的81和82代入6總=自+62=0.0171+0.0005=0.0176mm=17.6Nm。絲杠的有效行程為400mm,由表3-2735知，5級精度滾珠絲杠有效行

13、程在315400mm時，行程偏差允許達到25m,可見絲杠剛度足夠。絲杠剛度足夠(6)壓桿穩定性校核滾珠絲杠是屬于受軸向力的細長桿，如果軸向負載過大，則可能產生失穩現象。失穩時的臨界載荷Fk應滿足：匚匚fk7T2日日13142Fk2Fm( (2-2-8)Ka式中Fk一一臨界載荷，單位Nfk一一絲杠支承系數，如表所示K一一壓桿穩定安全系數，一般取2.54,垂直安裝時取小值；5、步進電動機減速箱的選用為了滿足脈沖當量的設計要求，增大步進電動機的輸出轉矩，同時也為了使滾珠絲杠和工作臺的轉動慣量折算到電動機軸上盡可能小，決定在步進電動機的輸出軸上安裝一套齒輪減速箱。采用一級減速，步進電動機的輸出軸與小齒

14、輪聯接，滾珠絲杠的軸頭與大齒輪聯接。其中大齒輪設計成雙片結構，采用右圖所示的彈簧錯齒法消除側隙。(1)計算減速器傳動比已知工作臺的脈沖當量S=0.01mm/P,滾珠絲杠的導程Ph=5mm,初選步進電動機的步距角a=0.9,算得減速比：;Ph0.7555i=360:3600.014A滾珠絲杠兩端支承間的距離，單位為mm。方式雙推-自由雙推-簡支雙推-雙推0-0fk0.25241絲杠不會失穩_4_一_4I=叼/64為9910.44mm；壓桿穩定系數K取3(絲杠臥式水平安裝)；滾動螺母至軸向固定處的距離a取最大值550mm。代入式2-8,得臨界載荷Fk=22611N,遠大于工作載荷Fm=2301N,

15、故絲杠不會失穩。綜上所述，初選的滾珠絲杠副滿足使用要求。綜上所述，初選的滾珠絲杠副滿足使用要求表2-11絲杠支承系數42查表2-11,取1=1；由絲杠底徑d2=16,2mm,求得截面慣性矩:一步進電機步距角廣）p p絲杠導程（mmmm）6 6P P工作臺運動的脈沖當量-pP05-33傳動級救選擇曲線機電一體化設計基礎按圖5-33,選一級齒輪傳動（2）齒輪機構設計傳遞功率=工作臺進給抗力區工作臺移動速度/傳動鏈效率機械傳動效率概略值（供參考）V 帶傳動聯軸器傳動圓柱齒輪傳動一對滾動軸承絲杠螺母副符號刀v刀c刀gbb刀s效率0.940.970.970.9950.960.990.98-0.9950.

16、90-0.95初選效率為0.98。傳遞功率：77.14W傳遞功率=1200乂/0.98=7.14w1200可見，系統傳遞的功率很小，在要求不高時，以后各步的計算可省略。并采用經驗法來設計各元部件。但為練習計算過程，本次設計采用分析計算來設計。（3）齒輪傳動機構的基本參數傳遞功率(w)小齒輪轉速ni(r/min)傳動比r 運轉時間(h)工作壽命(年)傳動效率轉向工況3.5787.55/4850.975/、變平穩其中小齒輪轉速:n工作臺10叫;圖5=87.5r/minp54(4)選擇材料及確定許用應力小齒輪材料選擇45鋼(表面淬火)，硬度為45HRC大齒輪材料為45鋼(調質)硬度為220HBS小齒

17、輪的接觸疲勞強度極限0Hlim1=1130MPa(淬火處理)大齒輪的接觸疲勞強度極限0Hlim2=550MPa安全系數SH和SF安全系數軟齒卸硬齒卸重要的傳動、滲碳淬火齒輪或鑄造齒輪SH1.01.11.11.21.3SF1.31.41.41.61.62.2取安全系數SH=1L1仃Hlim11130H1=Hlim1=1027.27MPaSH1.11Hlim2550仁 ccracSH2-500MPaSH1.1小齒輪轉速：n=87.5r/min小齒輪的彎曲疲勞強度極限crFlim1=240MPa大齒輪的彎曲疲勞強度極限c-Flim2=190MPaFlim2a取SF=1.3,1；、lim1240tF1

18、I-Flim1184.62MPaSF1.3Flim2190F2146.15MPaSF1.3(5)按齒面接觸強度設計設齒輪按7級精度制造。取載荷系數1.1,齒寬系數Wa=0.3,P7.14103T=955095500.164Nmn4165取ZI=32；大兇輪兇數：z2=iz1=一父32=4042a213.5模數m=0.375；按實際取m=0.9z1z24032確定中心距a=m(z1+z2)=-019(40+32)=32.422齒寬：b=aa=0.332.4=9.72mm取b2=10mm;b1=10mm(6)驗算輪齒彎曲強度33335:1.10.164110005000.35=13.5mm中心距：

19、a=32.4齒形系數YFI=2.4；YF2=1.672KT1YF12x1.3x0.164x1000 x2.4riaF1=2-=2=56.85MPabF1】=184.62bm45x0.3父40Y2.4cF2=仃尸1=56.85父=81.7MPabF2】=146.15YF11.67校驗結果：安全。校驗結果：安全(7)齒輪的圓周速度叼1nl3.14X0.3X40X87.5v0.055m/s10m/s60 x100060M1000選用7級精度是安全的。6、步進電動機的計算與選型(1)計算加在步進電動機轉軸上的總轉動慣量JeqJq已知：滾珠絲杠的公稱直徑d0=25mm;總長l=580mm導程Ph=20m

20、m;材料密度p=7.85X103kg/cm3移動部件總重力G=900N;小齒輪寬度b1=10mm,直徑d1二28.8mm;大齒輪優度b2=10mm,直徑d2=36mm;傳動比i=5/41)滾珠絲杠轉動慣量：nPd4lnm7.85父103M0.0254父0.5822Js=17.5乂10kg*m=1.75kgcm3232小齒輪轉動慣量：滾珠絲杠轉動慣量“一，2=1.75kg.cm小齒輪轉動慣nPd4ljix7.85x103X0.02884x0.01/22Jzi=0.53x10kg*m2=0.053kgcm23232大齒輪轉動慣量：nPd4l冗父7.85父103M0.0364父0.01,22Jz2=

21、1.29x10kgm=0.129kg,cm3232托板折算到絲杠上的轉動慣量：.2,_、2-、2,(PhrPh；G僅.5、v900/2JWmmi0.582kg/cm2nJ0.9由于滾珠絲杠副的傳動效率很高，所以T0值一般很小，與Tamax和Tf比起來，通常可以滾珠絲杠預緊nm電動機轉速=500r/min8脈沖當量，任務書指定為0.01mm/P由式2-10得Tamax一一一一._42二17.110500N.m：0.249Nm600.40.9快速空載啟動時折算到電動機轉軸上的 最 大 加 速 轉 矩=0.249NmTfF摩Ph(FzG)Ph0.00509000.005：0.003Nm2二0.91.

22、25(2-11)式中F摩一一導軌的摩擦力,Ph一一滾珠絲杠導程,-齒輪總效率,Y=0.9移動部件運動時折算到電動機轉軸上的摩擦轉矩=0.003Nmi總的傳動比,i=nm/ns,其中nm為電動機轉速，飛為絲杠的轉速。科一一導軌摩擦因數（滑動導軌取0.150.18），滾動導軌取0.0030.005）;這里取0.005Fz垂直方向的工作載荷，空載時Fz=0(2-12)式中:TO=FYJR(2-13)Fm的1/3,單位為N;忽略不計。由式2-9得快速空載啟動時電動機轉軸所承受的負載轉矩：Teql=Tamax+Tf+T。電Tamax+Tf=0.249+0.003=0.252Nm后折算到電動機轉軸上的附加

23、摩擦轉矩二0（即忽略）快速空載啟動時電動機轉軸所承受的負載轉矩=0.252Nm2）最大工作負栽狀態卜.電動機轉軸所承受的負栽轉矩Teq2Teq2=1+Tf十丁。（2-14）式中：Tf和T0分別按式2-11和2-13計算。Tt一一折算到電動機轉軸上的最大工作負載轉矩FfPh2082M0.005Tt=忠1.326Nm（2-15）2冗川2nx0.9x1.25式中Ff一一進給方向最大工作載荷，單位No本設計對滾珠絲杠進行計算的時候，已知沿著絲杠軸線方向的最大進給載何Fx=2802N。由式2-11得：垂直方向承受最大工作負載（Fz=719N）情況下，移動部件運動時折算到電動機轉軸上的摩擦轉矩：丁F摩Ph

24、N（Fz+G）Ph0.005父（719+9000.005（一八Tf=化1.146Nm2n七2冗叫2冗父0.9黑1.25則由式2-14得:Teq2=Tt+Tf+T0-Tt+Tf=2.472Nm綜上計算，得到加在步進電動機轉軸上的最大等效負載轉矩應為：Teq=max&eq1,Teq2=2.472Nm折算到電動機轉軸上的最大工作負載轉矩=1.326Nm移動部件運動時折算到電動機轉軸上的摩擦轉矩=1.146Nm最大工作負載狀態下電動機轉軸所承受 的 負 載 轉 矩Teq2=2.472Nm綜上計算， 得到加在步進電動機轉軸上的最大等效負載轉矩應為：2.472Nm（3）步進電機最大靜轉矩的選定考慮

25、到步進電動機的驅動電源受電網電壓影響較大，當輸入電壓降低時，其輸出轉矩會下降，可能造成丟步，甚至堵轉。因此，根據Teq選擇步進電動機的最大靜轉矩時，需要考慮安全系數。這里取安全系數K=4,則步進電動機的最大靜轉矩應滿足：Tjmax_4Teq=42.472=9.888Nm上述初選的步進電動機型號為110BYG2502,由附件4表4-5查得該型號電動機的最大靜轉矩Tjmax=20Nm。可見，滿足要求。（4）步進電機性能校核1）最快工作速度時電動機輸出轉矩校核任務書給定工作臺最快加工進給速度vmaxf=350mm/min，脈沖當量6=0.01mm/p,則電動機對應的運行頻率為:圖2-2110BYG2

26、502步進電機運行距頻特性曲從圖2-2查得，在此頻率下，電動機的輸出轉矩Tmaxf=18.6Nm,大于最大工作負載轉矩Teq2=2.472Nm,滿足要求。2）最快空載移動時電動機輸出轉矩校核任務書給定工作臺最快空載移動速度Vmax=2000mm/min,則電動機對應的運行頻率為:3）最快空載移動時電動機運行頻率校核步進電機最大靜轉矩滿足要求。vmaxf60、600.01350；583Hz最快工作速度時電動機輸出轉矩滿足要求。fmaxvmax60、2000600.01=3333Hz從圖2-2查得，在此頻率下，電動機的輸出轉矩Tmax=6Nm,大于快速空載啟動時的負載轉矩Teq1=0.252Nm,滿足要求。最快空載移動時電動機輸出轉矩校核滿足要求與最快空載移動速度vmax=2000mm/min對應的電動機運行頻率可達10000Hz。查附件4表4-5可知110BYG2502電動機的空載運行頻率可達20000Hz,可見沒有超出上限。最快空載移動時電動機運行頻率校核滿足要求4）啟動頻率計算已知電動機轉軸上的總轉動慣量Jeq=17.1kg.cm2,電動機轉子的轉動慣量.一2-Jm=15kg.cm,電動機轉軸不帶任何負載時的空載啟動頻率fq=1800Hz（查附件4表4-5）。則可以求出步進電動機克服慣性負載的啟動