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(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》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》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》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》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》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。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》 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)》 上海科學技術(shù)文獻出版社
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