二维数控精密工作台课程设计说明书.doc

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1、河南理工大学测控技术与仪器专业课程设计 目 录1.绪论3课程设计的设计要求3本课题设计内容4本课题设计的目的和意义42.总体设计方案5设计任务5总体方案确定52.1二维数控精密工作台的原理62.2设计的整体方案72.2.1工作台总体结构的确定72.2.2传动方案的确定72.3绘制总体方案图73.机械系统的设计计算83.1滚珠丝杆选择83.1.1滚珠丝杆工作长度计算83.1.2工作台外形尺寸及重量估算93.1.3计算载荷103.1.4额定动载荷计算123.1.5稳定性校核133.1.6滚珠丝杆副的刚度计算143.2滚动直线导轨选择143.2.1导轨额定寿命计算143.2.2导轨工作载荷计算153

2、.3联轴器的选择163.3.2联轴器的选定173.4轴承选择173.5步进电机的计算与选型183.6系统整体性能计算193.6.1步进电机轴上总当量负载转动惯量计算193.6.2系统刚度计算203.6.3系统固有频率计算213.6.4系统死区误差计算213.6.5由系统刚度变化引起的定位误差计算214.零件图224. 1滚珠丝杠224.2导轨235.总 结246.参考文献251.绪论25 现代科学技术的不断发展，极大地推动了不同学科的交叉与渗透，导致了工程领域的技术革命与改造。在机械工程领域，由于微电子技术和计算机技术的迅速发展及其向机械工业的渗透所形成的机电一体化，使机械工业的技术结构、产品

3、机构、功能与构成、生产方式及管理体系发生了巨大变化，使工业生产由“机械电气化”迈入了“机电一体化”为特征的发展阶段。X-Y数控工作台是许多机电一体化设备的基本部件，如数控车床的纵横向进刀机构、数控铣床和数控钻床的X-Y工作台、激光加工设备的工作台、电子元件表面贴装设备等。模块化的X-Y数控工作台，通常由导轨座、移动滑块、工作、滚珠丝杠螺母副，以及伺服电动机等部件构成。其中伺服电动机做执行元件用来驱动滚珠丝杠，滚珠丝杠螺母带动滑块和工作平台在导轨上运动，完成工作台在X、Y方向的直线移动。导轨副、滚珠丝杠螺母副和伺服电动机等均以标准化，由专门厂家生产，设计时只需根据工作载荷选取即可。本文步进电机，

4、通过滚珠杠带动工作台，组成运动控制系统，实现二维平台的精密定位控制。课程设计的设计要求“精密机械设计基础”课程设计作为实践环节对于整个课程具有非常重要的意义。在这次课程设计中不仅仅是完成一项指定的任务，更重要的是实际走过一个完整的设计过程。学生在课程设计中定位为设计者，对方案进行筛选论证，考虑结构工艺性和选材。整个设计采用AutoCAD和CAXA完成，从3D建模到2D图纸。要求学生至少做出一张可用于加工的图纸，图纸的尺寸标注要合理，要有尺寸公差和行为公差，要正确选择材料，要有技术要求。总之，通过本次课程设计使学生知道，设计过程包括哪些步骤，能够投放生产的加工图纸是什么样子的。综合地考虑使用、经

5、济、工艺、安全性等方面的设计要求，确定合理的设计方案。仔细阅读本课程指导书和随时查阅有关教材，在认真思考的基础上提出自（1） 己的见解与指导教师讨论，避免单纯地向指导老师索取答案；（2） 通过分析比较吸取现有结构中的优点，并在此基础上发挥自己的创造性，而不是简单抄袭或没有根据在臆造；（3） 认真计算和制图，有错误要认真修改，力求设计图纸和计算说明书的质量达到或接近实际生产水平。本课题设计内容本设计奖在以下几个方面对数控工作台进行研究和论证。1. 数控工作台的选择。综合数控工作台的类别和各类的特点和要求，在本课题中主要研究两轴数控工作台的控制。2. 系统硬件设计。本课题设计的数控工作台要求运行迅

6、速准确度高，主要有步进电机、滚珠丝杠、滚动导轨、底座、工作台等。本课题设计的目的和意义数控机床是一种高度自动化的机床。随着社会生产和科学技术的迅速发展，机械产品的性能和质量的不断提高，改型频繁。机械加工中，多品种、小批量加工约占80.这样，对机床不仅要求具有高的精度和生产效率，而且还要具备“柔性”，即灵活通用，能迅速适应加工零件的变更。数控机床较好地解决了形状复杂、精密、小批、多变的零件加工问题，具有适应性强、加工精度高、加工质量稳定和生产效率高等优点，是一种灵活而高效的自动化机床。精密数控工作台可广泛应用与激光焊接、断层射线扫描、机械手、检测装置及使用教学领域。随着电子、自动化、计算机和精密

7、测试等技术发展，数控机床在机械制造业中的地位将更加重要。本课题的基本要求是在了解运动控制卡的基础上，掌握利用VB软件编写程序，能够进行直线或圆弧插补运动所设计的一台两轴的数控工作台，并真正掌握此项技术。由于两轴数控工作台的复杂性和广泛的应用性，它能满足各行各业不同场合的要求，如应用高校研究，机密机械，智能机械，数控设备等等，具有良好的适用性特点。2总体方案设计设计任务设计一个数控X-Y工作台。该工作台可用于铣床上坐标孔的加工和塑料、铝合金零件的二维曲线加工，重复定位精度为0.01mm，定位精度为0.025mm。数控精密工作台采用步进电机驱动。本次课程设计精密工作台的结构。图2-1数控X-Y工作

8、台表2-1设计主要参数负载重量G最大快移速度重复定位精度定位精度调节范围（X轴）调节范围（Y轴）台面尺寸CBH150N1m/min0.025mm115mm115mm145mm160mm12mm总体方案确定驱动原件动力源机械部分步进电机传动部件导向支撑部件联轴器滚珠丝杠副X-Y工作台滚动导轨副轴承图2-1 基本原理框架图由于工作台的运动载荷不大，因此采用有预加载荷的双V形滚珠导轨。采用滚珠导轨可减少两个相对运动面的动、静摩擦系数之差，从而提高运动平稳性，减小振动。2.1二维数控精密工作台的原理如图2.1.1所示为二维数控平台实验原理样机原理图，图2.1.2为二维数控平台实物照片。二维数控平台可以

9、实现X、Y两个方向的运动，通过两个方向运动的合成，可以实现任意平面轨迹。图2-2 二维数控平台实验机原理图 此试验机装有一支笔，固定不动，在工作台上放上纸，工作台在运动时，就可以在纸上画出预先给定的图形。二维数控工作台的主要结构件有：底座、滚珠导轨、滚珠丝杆、四杆支架、托盘、工作台、步进电机等。2.2设计的整体方案2.2.1工作台总体结构的确定（1）步进电机2个（分别用于X、Y方向）；（2）滚珠丝杆2套，应分别对其进行分析设计，以满足两者不同的受力情况；（3）滚动导轨：双导轨，四滑块；（4）带有“”槽的工作台面；（5）联轴器2个、导轨支撑板、轴承座、轴承挡圈以及丝杆螺母等等。2.2.2传动方案

10、的确定步进电机 联轴器 滚珠丝杆 工作台X、Y方向应满足：其中，分别为X、Y方向的脉冲当量，这里脉冲当量为25step。2.3绘制总体方案图滚动丝杆步进电机联轴器步进电机联轴器Y方向传动机构X方向传动机构滚动丝杆工作台图 2-3 总体方案图本次设计的二维数控精密工作台由于不对控制部分进行设计，而仅仅对机械部分进行设计，故确定整体设计方案如图1.4所示：采用步进电机对工作台进行驱动，经联轴器后，带动滚珠丝杆传动，从而实现二维数控精密工作台的纵向（Y轴）、横向（X轴）进给运动。3.机械系统的设计计算3.1滚珠丝杆选择表3-1已知条件负载重量N调节范围mm最大快移速度m/mim定位精度mm15011

11、510.025表3-2已知条件重复定位精度Mm行程mm滚珠丝杆基本导程mm滚珠丝杆公称直径mm1154203.1.1滚珠丝杆工作长度计算横向（X轴）丝杆工作长度：L=145+115+40=300mm横向（X轴）丝杆工作载荷：工作台重量：（其中，选取工作台材料为灰铸铁，密度：,重力加速度取）纵向（Y轴）丝杆工作长度：Ly=145+115+40=300mm纵向（Y轴）丝杆工作载荷：横向（X轴）方向臂重量：（其中，包括X轴向的滚动导轨、滑块等的重量）3.1.2工作台外形尺寸及重量估算图3-1 工作台可以设定工作台的适用工况为：每天工作8小时，每年300个工作日，可连续工作6年以上。查机械零件设计手册

12、，可选滚道截面形状为双圆弧形；滚珠循环方式为内循环固定式；预紧方式采用双螺母垫片式。丝杆材料：钢；滚道硬度:。又根据设定工况查手册可得：载荷系数：d=安全系数：j=表3-3滚珠丝杆的载荷系数d和静安全系数j：载荷性质dj平稳或轻度冲击中等冲击较大冲击或震动硬度系数：精度等级：表3-4 硬度系数滚道实际硬度58555045401.01.111.562.43.85表3-5 精度等级精度等级C、DE、FGH1.01.11.251.43则：其中，选取d=1.1，,即选取精度等级为一级。X向拖板（上拖板）尺寸：长宽高 重量：按重量=体积材料比重估算NY向拖板（下拖板）尺寸： 重量：约90N。上导轨座（连

13、电机）重量：夹具及工件重量：约150N 。X-Y工作台运动部分的总重量：约287N。3.1.3计算载荷可以设定工作台的适用工况为：每天工作8小时，每年300个工作日，可连续工作6年以上。查机械零件设计手册，可选滚道截面形状为双圆弧形；滚珠循环方式为内循环固定式；预紧方式采用双螺母垫片式。丝杆材料：钢；滚道硬度:。又根据设定工况查手册可得：载荷系数：d=安全系数：j=表3-6滚珠丝杆的载荷系数d和静安全系数j：载荷性质dj平稳或轻度冲击中等冲击较大冲击或震动硬度系数：精度等级：表3-7 精度等级滚道实际硬度58555045401.01.111.562.43.85表3-7 硬度系数精度等级C、DE

14、、FGH1.01.11.251.43则：其中，选取d=1.1，,即选取精度等级为一级。横向载荷：纵向载荷：3.1.4额定动载荷计算寿命：当量转速：额定动载荷：横向额定动载荷：纵向额定动载荷：根据初定的导程和计算所得的额定动载荷,并依据选取丝杆过程中选取导程应等于，变载时等于或大于的原则，查机械零件设计手册确定横向（X轴）和纵向（Y轴）采用相同的滚珠丝杆，并确定其型号为：GDM2004-2.5。 该型滚珠丝杆副的具体参数如表3-2所示：表3-8 FYND-2004-3P4型滚珠丝杆副的具体参数滚珠丝杆副型号公称直径基本导程钢球直径丝杆外径CDM2004-2.52042.38119.7螺纹底径循环

15、圈数额定动载荷额定静载荷接触刚度R17.05862143616083.1.5稳定性校核1）由于一端轴向固定的丝杆在工作时可能会失稳，所以再设计时应对其安全系数S进行校核，其值应大于丝杆副传动结构允许安全系数S。滚珠丝杆临界载荷：式中，E为滚珠丝杆材料的弹性模量，对于钢，;l为丝杆工作长度（m），为丝杆危险截面的轴惯性矩（）；为长度系数。又知，取，则有：横向滚珠丝杆临界载荷：纵向滚珠丝杆临界载荷：进而，有横向滚珠丝杆安全系数：纵向滚珠丝杆安全系数：经查手册知，SS,两丝杆均是安全的，不会失稳。2）滚珠丝杆副还受值的限制，查手册可知通常情况下，要求所以该滚珠丝杆副工作稳定。3.1.6滚珠丝杆副的刚

16、度计算滚珠丝杆的刚度由丝杆的拉压刚度、螺母支承刚度和螺纹滚道接触刚度R组成。其关系如下：丝杆支承为一端固定、一端自由，则丝杆的拉压刚度：螺母的支承刚度：式A为螺母横截面，查手册可算出；为螺母支承面有效滚道间长度，单位为mm。螺纹滚道接触刚度R，查机械零件手册表18-33或表18-36可得到。经验算，可得两丝杆均满足刚度要求。3.2滚动直线导轨选择表3-9设定导轨工作参数为：X轴滑座上载荷Y轴滑座上载荷滑座个数单向行程长度X轴方向Y轴方向213.675N274.7N4个240mm255mm每天工作时间年工作日数寿命年数每分钟往复次数8小时300天5年6次3.2.1导轨额定寿命计算寿命：又由：其中

17、为导轨额定行程长度寿命，单位为Km；为工作单行程长度，单位为m；n为每小时往复次数，单位为：次/h。可得横向导轨额定行程长度寿命：纵向导轨额定行程长度寿命：因需要滑座数目为,即：每根导轨上使用2个滑座，查机械电子工程专业课程设计指导书可确定：接触系数：硬度系数：温度系数：负荷系数：又有：其中，K为寿命系数，一般取50Km；F为滑座工作载荷N；为额定动载荷N。3.2.2导轨工作载荷计算横向（X轴）滑座工作载荷：N纵向（Y轴）滑座工作载荷：进而可得横向（X轴）额定动载荷：纵向（Y轴）额定动载荷：查机械电子工程专业课程设计指导书，可选LY25AL,其额定载荷为1740N，可满足，设计使用要求。3.3

18、联轴器的选择设定工作台进给抗力：工作台最大移动速度:3.3.1联轴器传递功率确定表3-10机械传动效率概略值（供参考）类型V带传动联轴器传动圆柱齿轮传动一对滚动轴承丝杆螺母副符号效率初选传动效率为=0.98。由式：传递功率=工作台进给抗力工作台移动速度传动链效率即：3.3.2联轴器的选定查手册确定联轴器的载荷系数为：联轴器的计算转矩：由于联轴器的工称转矩，经查机械零件设计手册可选联轴器的型号为刚性凸缘联轴器YL1型，其具体参数如表3-10所示。表3-11YL1型刚性凸缘联轴器型号公称转矩许用转速n轴孔直径d轴孔长度L质量M转动惯量IDD1YL11013000r/min12/14（H7）320.

19、94Kg0.001871723.4轴承选择根据滚珠丝杆的额定动载荷和额定静载荷以及丝杆和轴承所承受的最大载荷，查机械零件设计手册，以确定所选轴承的型号。表3-12各类滚动轴承性能和价格比较轴承类型径向承载轴向承载高速性调心性调隙性价格比单向双向深沟球轴承良差良中中1调心球轴承中中中优差1.8推力球轴承无优无差无无1.1推力圆柱滚子轴承无优无差无无差由表4-8可以看出采用深沟球轴承比较经济，并且由于滚动丝杆既要承受径向载荷，又要承受轴向载荷，则进一步查手册可以得到滚动轴承SN6204型大概可满足要求，经校核，该型轴承满足设计载荷的需求。其具体参数如表4-9所示。表3-13 深沟球轴承参数基本尺寸

20、安装尺寸基本额定载荷极限转速轴承代号dDBrmindaminDamaxmax脂润滑油润滑6000型MmmmKNr/min-204714126.041.0112.86.65140001800062043.5步进电机的计算与选型、步进电机的步距角取系统脉冲当量，初选步进电机步距角。、步进电机启动力矩的计算设步进电机等效负载力矩为T，负载力为P，根据能量守恒原理，电机所做的功与负载力做功有如下关系式中： 电机转角； 移动部件的相应位移； 机械传动效率。若取 ，则，且，所以式中： 移动部件负载（N）；G移动部件重量（N）； 与重量方向一致的作用在移动部件上的负载力（N）； 导轨摩擦系数；步进电机步距角

21、，（rad）；T电机轴负载力矩（）本例中，取（淬火钢滚珠导轨的摩擦系数），为丝杠牵引力，。考虑到重力影响，Y向电机负载较大，因此取，所以若不考虑启动时运动部件惯性的影响，则启动力矩取安全系数为0.3，则 对于工作方式为三相六拍的三相步进电机 、步进电机的最高工作频率查表选用两个45BF005-型步进电机。电机的有关参数见表3-14。表3-14 110BF5-1.5 步进电机参数型 号主要技术数据外形尺寸重量步距角最 大静转距最高空载启动频率()相数电压电流外径长度轴径45BF0051.519.630003272.545584113.6系统整体性能计算3.6.1步进电机轴上总当量负载转动惯量计算

22、横向（X轴）滚珠丝杆转动惯量：纵向（Y轴）滚珠丝杆转动惯量：联轴器的转动惯量：将各转动惯量及工作台的质量这算到步进电机机轴上，得总当量负载转动惯量：横向总当量负载转动惯量：纵向总当量负载转动惯量：3.6.2系统刚度计算先对横向丝杆进行分析：丝杆最大拉压刚度;丝杆最下拉压刚度：假定丝杆轴向支承轴承经过预紧并忽略轴承座和螺母座刚度的影响，求得丝杆螺母机构的综合拉压刚度。进而可得死干的最低扭转刚度为：采用同样方法可以对纵向丝杆进行分析。3.6.3系统固有频率计算横向滚珠丝杆质量：纵向滚珠丝杆质量：进而：则丝杆和工作台振动系统的最低固有频率为：较高，说明该系统的动态特性很好。3.6.4系统死区误差计算

23、假设联轴器和丝杆螺母机构采用了消隙和预紧措施，则由摩擦力引起的最大反向死区误差为：小于脉冲当量，因此，系统满足单脉冲进给，符合设计要求。3.6.5由系统刚度变化引起的定位误差计算由丝杆螺母机构综合拉压刚度的变化引起的最大定位误差为：由系统要求的重复定位精度为,定位精度为0.025mm，可知，允许的定位误差为，而，故可以确定系统刚度满足定位要求，符合设计要求2.7二维数控精密工作台的误差来源与分析4.零件图4. 1滚珠丝杠图4-1 滚珠丝杠副的参数4.2导轨图4-2 零件导轨图4-3 滚珠丝杆5.总 结作为一名测控技术与仪器大三的学生，能做这样的课程设计我觉得十分有意义。而且课程设计也是我们专业

24、课程知识综合应用的实践训练，着实我们迈向社会从事职业工作前一个必不可少的原理知识应用训炼。通过这次课程设计，让我知道今天认真的进行课程设计，就是为明天能稳健地在社会大潮中奔跑打下坚实的基本理论基础。我们在课堂上掌握的仅仅是专业基础课的理论，如何去面对现实中的各种仪器设计？如何把我们所学到的专业理论知识用到实践中去呢？我想做类似的作业就为我们提供了良好的实践平台。在做本次课程设计的过程中，我感触最深的当属查阅了很多次设计书和指导书。为了让自己的设计更加完善，更加符合工程标准，一次次翻阅机械设计书是十分必要的，同时也是必不可少的。 作为一名专业学生掌握一门或几门制图软件同样是必不可少的，本次课程设

25、计没有要求用 AUTO CAD和CAXA制图，因此要想更加有效率的制图，我们必须基本掌握它，我发现在学习的过程中带着问题去学效率好高，大二学CAD时觉得好难就是因为我们没有把自己放在使用者的角度，单单是为了考试而学，这样效率当然不会高。边学边用这样才会提高效率，这是我作本次课程设计的第一大收获。另外，课堂上也有部分知识不太清楚，于是我又不得不边学边用，时刻巩固所学知识，这也是我作本次课程设计的第二大收获。由于目前知识水平有限，整个设计我还算可以。最后，我要感谢我的老师张登攀本老师，课题在选题及进行过程中得到张登攀老师的悉心指导，是您细心不倦的指导我们，是您的敬业精神感动着我，是您的求知严谨启发

26、了我，是您的期望鼓励了我，我感谢老师您今天给我的鼓励和指导。在设计过程中，张老师多次帮助我们分析思路，开拓视角，在我们遇到困难的时候给予我们最大的支持和鼓励。张老师严谨求实的治学态度，踏实坚韧的工作精神，将使我终生受益。在此，谨向张老师致以诚挚的谢意。6.参考文献1 高钟毓机电控制工程M北京：清华大学出版社，20022 王维刚. 浅谈机电一体化技术的发展趋势J. 黑龙江科技信息, 2007,(02)3丁连红. 机电一体化技术发展趋势和现状分析J. 中国科技信息, 2007,(12)4 张鹏万,孙剑峰,李占平. 机电一体化中的接口技术J矿业工程, 2005,(06)6 王宝敏. 谈机电一体化技术的发展趋势J. 大众科技, 2006,(05)7 刘助柏知识创新思维方法论J北京：机械工业出版社，19998 杨春光. 我国机电一体化技术的现状和发展趋势J. 科技促进发展, 2007,(03)9 张毅刚.单片机原理与应用M.北京:高等教育出版社,2003.10 傅晓林，机电一体化课程设计指导书11 张建民，唐水源，机电一体化系统设计M，高等教育出版社，2005，北京12 郑堤，唐可洪, 机电一体化设计基础M，机械工业出版社，1997，北京