二维机械滑台设计论文

机械设计课程设计计算说明书设计题目二维机械滑台设计测控技术与仪器专业一班设计者指导教师年月日（）2目录一、设计任务.....................................................................2二、设计工作……………………………………………..3三、计算选型……………………………………………51.电机和丝杆的部分参数选型2.滚珠丝杠计算、选择3.滚珠丝杆传动系统刚度4.电机的选定5.直线导轨的选定6.轴承的选定7.工作台的选定四、参考文献……………………………………………14五、工作日志……………………………………………153一、设计任务1、两坐标行程为350mm；2、定位精度±0.025mm；3、响应速度≥1m/s^2；4、快速60m/min，慢速0.25m/min。5、工作台尺寸：300*300mm二、设计工作1、运动设计（1）要实现一个二维平面运动，只需将其分解为两个垂直方向的一维直线运动即可。由X方向的直线位移机构带动Y方向的直线位移机构沿X向做直线运动，然后X向直线位移机构不动，Y向直线位移机构在X向直线位移机构上沿Y向运动，这样就实现了XOY平面的二维运动。（2）直线运动设计：选择丝杆和直线导轨机构。2、驱动设计采用反应式步进电机。3、机床部件设计联轴器、轴承选择刚性联轴器和滚动轴承。3.1导轨根据设计要求，需要承受的载荷不大，定位精度高，因此在该设计中选用直线滚动导轨。3.2丝杆电动机的旋转运动需要通过丝杆螺旋传动转换成直线运动。3.2.1丝杠与螺母的相对运动对于卧式工作台我们选择第一种方案，即丝杠转动，螺母移动。3.2.2选用滚珠丝杆副。3.2.3滚动丝杠支承方式选用“固定—游动”型3.2.4轴承安装方式4固定端采用一对背对背角接触球轴承，游动端采用深沟球轴承，3.3支承件支承件是设备的基础构件，包括床身、横梁、摇臂、底座、刀架、工作台、箱体和升降台等。这些件一般都比较大，所以也称大件。合理配置加强筋是提高局部刚度的有效方法（金属切削机床设计P136）。3.3.2工作台选用最常见的T形槽工作台，如图所示：（1）工作台与螺母座的联接。本设设计采用刚性联接结构，如图4.2所示。这种联接结构的特点是牢固可靠。4.控制系统4.1控制系统的选择开环伺服系统：系统只是根据输入量和干扰量进行控制，而输出端和输入端之间不存在反馈回路，输出量取决于精密机械系统，而与控制系统无关。在本设计中，只涉及到通过步进电机驱动，丝杆传动的直线运动。考虑到该设计的二维坐标机械滑台的定位精度要求不高，载荷不大，因此，为简化结构，降低成本，提高性价比，该设计中采用步进电机的开环伺服系统驱动。图4.1开环伺服系统54.2行程控制行程控制，就是当运动部件到达一定行程位置时采用行程开关来进行控制。行程开关是由装在运动部件上的挡块来撞动的。行程开关作用有两个：（1）防止工作台超过最大行程，使电机损坏。（2）可以用与定位。所以这4个行程开关就充当了传感器。图4.2行程开关工作示意图图4.2是行程开关工作的简单示意图。行程开关S1和S2分别装在导轨的起点和终点，由装在工作台上的挡块来撞动。工作台由步进电机带动。工作台在起点时，其上挡块将起点行程开关S1压下，将串接在反转控制电路中的常闭触头压开。这时电动机不能反转。电动机正转，带动工作台前进。当工作台到达终点时，挡块压下行程开关S2，将串接在正转控制电路中的常开触头压开，电动机即停止正转。三、计算选型1.电机和丝杆的部分参数选型1.1根据定位精度要求确定脉冲当量选择步距角根据经验，初步选择导程为5mm的丝杆；本系统中X、Y方向的定位精度均为±0.025mm，因此X、Y方向的脉冲当量均取=0.025mm/Hz。为脉冲当量为0.025mm/hz；i为传动比；6360BiP为步进电机步距角，初选为0.36°；可得传动比i=5；1.2根据快速进给速度，确定电机的最高运行频率maxmax601000fvmaxv为工作台运行最高速度（m/min）；maxf为步进电机最高运行频率（Hz）。代入工作台最快进给速度60m/min，脉冲当量0.025mm/Hz计算得maxf=40000Hz。1.3根据电机的最高运行频率及步距角，确定电机最高转速360maxmaxfn＝计算可得nmax=2400r/min2.滚珠丝杠计算、选择2.1导程的选择丝杆的导程必须满足下式Pho≥Vmaxnmax×IPho为导程（mm）;Vmax为工作台运行最高速度（mm/s）；nmax为电机最高转速（r/min）;I为传动比;代入数据得导程Pho≥5mm，故取PB=5（mm）;2.2平均转速𝐧𝐦7由于我们要选择的丝杆的运转方式为无切削方式，由上表可知取丝杆平均转速nm=1400r/min。2.3平均载荷𝐅𝐦轴向载荷Fa=Fw+FFw为摩擦阻力，Fw=μmg其中m=10kg，μ取0.2;F为切削阻力，为0;计算可得Fa=19.6N;故平均载荷Fm=Fa=19.6N2.4时间寿命与回转寿命工作寿命为5年，一年工作300天，每天工作6小时，因此工作寿命Lh=5×300×6=9000（小时）回转寿命L=Lh×nmax×60×I=6480000000r2.5额定动载荷𝐂𝐚Fw为载荷系数，此处为普通运动，由下表取Fw=1.4计算可得Ca=511.57N故选丝杆时，丝杆的额定动载荷Ca应该大于等于511.57N2.6预紧载荷𝐅𝐚𝐨Fao=Fa/3=19.6N/3=6.53N其中Fa为轴向载荷2.6丝杆公称直径𝐝𝟎丝杆临界转速nk=2400×5÷0.8=15000r/min丝杆底径d2=nk×ln2fnk×107ln为临界长度，取350mmfnk为支承系数，当支承方式为固定-支承时，取18.98计算可得d2=9.7mm故所选的丝杆的底径d2应大于等于9.7mm2.7丝杆初选综上可知，我们要选的丝杆应满足：导程Pho≥5mm底径d2≥9.7mm额定动载荷Ca≥511.57N又根据所设计的二维滑台的精度等设计要求，我们初步选取的丝杆型号如下：NFSG20×5×3.53—P2—__×__2.7丝杆螺纹长度𝐥𝟏l1=lu+2lelu为有效行程，为350mmle为余程，根据导程PB=5mm和下表可知le=20mm计算可得l1=390mm故丝杆螺纹的长度不得小于390mm加上丝杆螺母总成的一半21.5mm（螺母总长为43mm）得丝杆螺纹长度≥411.5mm，在此取丝杆螺母长度为l1=430mm。则轴承之间的距离la=430mm。加上轴承安装长度和与联轴器的连接长度，取丝杆长度为500mm故丝杆编号为：NFSG20×5×3.53—P2—500×430内循环法兰螺母单螺母磨制丝杆公称直径mm导程mm滚珠直径mm滚珠圈数丝杆长度精度等级丝杆螺纹长度93.滚珠丝杆传动系统刚度3.1丝杆刚度𝐑𝐬当ls1=lk时，Rs为最小值，一般情况下计算最小刚度值可得Ra=144.8N/min此时计算轴向弹性变形量计算可得δs=0.14μm。3.2螺母刚度𝐑𝐧𝐮查表得R=307N/μmCa=10033NFs0=1/3Fa=6.5N刚度计算系数ε取0.1（垫片预紧）计算可得Rnu=45.8N/μm计算可得δnu=0.43μm3.3支承刚度𝐑𝐚𝐋查表可得RaL=1020N/μm计算可得δaL=0.019μm3.4轴向总刚度𝐑𝐭𝐨𝐭计算可得Rtot=33.65N/μm计算可得δtot=0.589μm104.电机的选定4.1驱动转矩轴向载荷Fa=19.6N系统效率η取0.8计算可得Mta=0.0195Nm4.2由预加载荷产生的转矩预紧载荷Fs0=1/3Fa=6.5N预紧螺母内的摩擦系数KP取0.2计算可得Mts=0.0011Nm4.3惯性加速转矩Y轴方向上步进电机总转动惯量的计算ⅰ）、工作台与负载的惯量：22BAPJMAJ为工作台与负载的惯量；M为工作台与负载的总质量（Kg），初取6Kg。ⅱ）、滚珠丝杆惯量：432BBBBJLDBJ为滚珠丝杆的惯量；B为滚珠丝杆的密度，7.903gcm；BL为滚珠丝杆总长，500mm；BD为滚珠丝杆外径，19.5mm。折算到步进电机轴上的总惯量为：yABJJJ惯性加速转矩110()57.3nayyffTJt0f、nf为加速开始及终止时的脉冲频率（Hz）；t为加速过程时间(s)，t=vmaxa=1s(其中a是加速度12ms)；已知nf=40000Hz，取0f=2000Hz计算可得Tay=0.0026Nm4.4总转矩的计算电机转矩T=Mta+Mts+Tay=0.0232Nm可知所要选的电机的转矩应该大于0.0232Nm根据所算的电机转矩T和步距角α，选取步进电机型号为：5相混合式步进电机90BYG550A-0301电机参数如下：5.直线导轨的选定根据设计要求，需要承受的载荷不大（98N），定位精度高，因此在该设计中选用直线滚动导轨。结合导轨长度和精度要求，初步选取上银科技股份有限公司MGN系列导轨。选取的导轨必须满足导轨直线度小于定位精度的1/3（0.05mm/3=16.7μm）根据下表可选定导轨的精度等级为H。12根据其轨道长度表，选取导轨的具体编号如下：MGNR12R510EHM导轨具体参数如图所示：MGN系列单出滑轨尺寸滑轨长度滑块特殊加工精度等级不锈钢材质136.轴承的选定轴承跟丝杆的配合方式是过盈配合，根据丝杆内径（16.9mm），选取内径为15mm的轴承。支承方式选用“固定—游动”型。在固定端固定端采用一对背对背角接触球轴承，型号如下：游动端采用一个深沟球轴承，型号如下：7.工作台的选定工作台尺寸为300*300mm，选用最常见的T形槽工作台，材质为Q235。如图所示：槽型尺寸如下：14四、参考文献[1]《机械工程手册》·机械零部件设计,机械工业出版社,[M],1997年.P1-12~P1-18,P6-3~P6-32,P7-6~P7-9,P8-5~P8-52,P9-21~P9-52.[2]《机床设计手册》·2上,机械工业出版社,[M],1980年8月.P424~P425,P457~P464.[3]《机械设计》,许国忠、周玉林主编,中国标准出版社,[M],2009年8月.P1~P5.[4]《精密机械设计基础》,天津大学裘祖荣主编,机械工业出版社,[M],2008年3月[5]《金属切削机床设计》,大连工学院戴曙主编,机械工业出版社,[M],1989年11月15五、工作日志2012-01-06二维机械滑台设计指导书，讨论其工作原理，分别对运动设计、传动设计、驱动设计和机床部件展开构想，初步确定运动方式、传动方式，驱动方式以及部分机床部件，从而确定设计方案。2012-01-07设计要求，开始计算和确定步进电机、丝杆等零部件的参数，但是在过程中遇到了很多问题，（1）按照给定精度要求选择电机的脉冲当量，然后选择联轴器，由于联轴器的传动比为1，导致选择的电机转速过大，没有相应的步进电机相匹配；（2）不知如何确定丝杆导程，也就也就无法确定电机的步距角，导致无法选电机；（3）计算转矩时，由于参考资料给的公式和单位错误，导致计算结果出现问题；（4）还有由于经验不足以及设计要求的不满足等问题，导致工作进度的延误。2012-01-08计算过程中出现了很多问题，我们对出现的问题进行了讨论，参考大量的资料并向老师寻求帮助，暂定丝杆导程，从而可暂定与丝杆相关的其他参数，但还是无法解决所需步进电机的转速过大的问题，于是我们先完成其他可以完成的工作以及资料的收集，同时也反复验算有问题的数据。2012-01-09在老师的帮助下纠正了计算过程中的问题，修改了传动比，加了加速器，使步进电机转速满足要求，然后通过参考网上的参考资料和机床手册等书籍，重新确立部分计算公式，初步确定电机的转矩（无切削摩擦负载转矩，预紧载荷转矩，惯性加速转矩），电机步距角，初步完成电机选型。然后对丝杆的一系列参数进行计算，确定丝杆编号，并对丝杆刚度进行校核