机械学院机械设计制造及其自动化专业机电模块课程设计2011、03目录一.机电专业课程设计目的 (1)二.机电专业课程设计的任务和要求 (1)三.X轴方案及参数计算 (1)1.方案拟定 (1)2.X轴步进电机参数确定及选择 (1)3.X轴联轴器选择 (3)四.X轴机械结构总体设计计算 (3)1.X轴滚珠丝杠设计计算 (3)2.X轴滚动导轨设计计算 (4)五.Y轴方案及参数计算 (5)1.Y轴步进电机参数确定及选择 (5)2.Y轴联轴器选择 (7)六.Y轴机械结构总体设计计算 (7)1. Y轴滚珠丝杠设计计算 (7)2. Y轴滚动导轨设计计算 (8)七.绘制装配图 (9)八.电气原理图设计 (10)九.参考文献 (11)一、机电专业课程设计目的本课程设计是学生在完成专业课程学习后，所进行的机电一体化设备设计的综合性训练。
通过该环节达到下列目的：（1）巩固和加深专业课所学的理论知识；（2）培养理论联系实际，解决工程技术问题的动手能力；（3）进行机电一体化设备设计的基本功训练，包括以下10方面基本功：1）查阅文献资料；2)分析与选择设计方案；3）机械结构设计；4）电气控制原理设计；5）机电综合分析；6）绘工程图；7）运动计算和精度计算；9）撰写设计说明书；10）贯彻设计标准。
二、机电专业课程设计的任务和要求在规定时间内，按设计任务书给定的原始数据，在教师指导下，独立完成二坐标数控工作台设计工作。
原始数据包括①典型工况下，工作台速度、进给抗力及台面上工作物重量；②工作台定位精度、台面尺寸和行程。
设计具体要求完成以下工作：（1）数控工作台装配图（1：1比例或0＃图幅） 1张；（2）数控系统电气原理图（2＃图幅） 1张；（3）设计说明书（10～20）页 1本；所有图样均采用CAD绘制打印，设计说明书按规定撰写。
三X轴方案及参数计算1．方案拟定方案拟定即确定工作台传动的形式和控制方式及主要部件或器件的类型。
（1）驱动控制方式由给定的工作台精度要求较低，为简化结构，故采用单片机控制的步进电机驱动系统。
主要由步进电机、单片机驱动控制电路、滚珠丝杠副组成。
（2）传动形式确定工作台X方向和Y方向两个坐标分别采用步进电机单独驱动。
工作台X方向采用一级齿轮传动方式，可以通过降速扩大转矩输出，匹配进给系统惯量，获得要求的输出机械特性，同时减小脉冲当量。
工作台Y方向采用直接传动方式，电机通过刚性联轴器与滚珠丝杠联结。
结构紧凑，传动效率高。
丝杠转速与转矩输出完全与电机的输出特性一致。
2.X轴步进电机参数确定及选择3.X轴联轴器选择联轴器除联接两轴并传递转矩外，有些还有补偿两轴因制造和安装误差而造成的轴线偏移的功能，以及具有缓冲、吸振、安全保护等功能。
因此要根据传动装置工作要求来选定联轴器类型。
本方案选择套筒联轴器。
四、X轴机械结构总体设计计算1. X轴滚珠丝杠设计（1）滚珠丝杠副的结构类型①滚珠循环方式由[2]表5-1查得,选择外循环插管式②轴向间隙预紧方式预紧目的在于消除滚珠螺旋传动的间隙,避免间隙引起的空程,从而提高传动精度.由[3]表5-2查得,采用双螺母垫片预紧方式.(2)滚珠丝杠副直径和基本导程系列采用丝杠公称直径 20mm,导程为6mm, 丝杠外径19.5mm，丝杠底径17.76mm，循环圈数2.5，基本动载荷7417N，基本静载荷15311N，刚度376N/um.(3)滚珠丝杠精度等级确定①丝杠有效行程由导程查得余程le=20 mm，得丝杠有效行程lv=lu-le，lu =160-20=140 mm②精度等级根据有效行程内的平均行程允许偏差e p=0.02/300*140*103=9.33由[2]表5-5得,精度等级为T2(4)滚珠丝杠副支承形式选择滚珠丝杠主要承受轴向载荷,应选用运转精度高,轴向刚度高、摩擦力距小的滚动轴承.滚珠丝杠副的支承主要约束丝杠的轴向串动,其次才是径向约束.由[2]表5-6查得,采用两端简支(F-S)支承形式.(5)滚珠丝杠副的选择本方案属于高速或较高转速情况，按额定动负荷C a≥C aj选择滚珠丝杠副由[2]式（3-2）可知：C aj=[(F e f w)/(f h f t f a f k)]×[(60L h n e)/(106)]1/3式中 C aj -–滚珠丝杠副的计算轴向动负荷(N)F e--丝杠轴向当量负荷(N). 取进给抗力和摩擦力之和的一半F e=111Nn e--丝杠当量转速(r/min).取最大工作进给转速 n e=166.6 r/min.L h--丝杠工作寿命(h). 查考[2]表5-7得L h=15000 h.f t--温度系数. 查[2]表5-8,得f t=0.70f a--精度系数. 查[2]表5-9得f a=1.0f w--负载性质系数. 查[2]表5-10得f w=0.95f h--硬度系数.查[2]表5-11得f h=1.0f k--可靠性系数.查[2]表5-12得f k=0.21（可靠度99%）计算得C aj=3.811KN<Ca=7.4KN(6)滚珠丝杠副校核取最大轴向工作载荷 F max =111N静载荷系数f h’ =1.0 负荷性质系数f w=0.95轴向静载荷C oj=f w f h F max=0.95×1.0×44.1=105.45N①临界压缩负荷对于一端轴向固定受压缩的滚珠丝杠,应进行压杠稳定性校核计算.不发生失稳的最大压缩负荷称为临界压缩负荷,用Fn表示F n=3.4×1010(f1d24)/(L02) ×K1式中 L0–--最长受压长度.取0.39mf1--丝杠支承方式系数, F-S取2d2--丝杠螺纹底径,取0.016mK1——安全系数，取1/3F n=27700N>F max②临界转速对于在高速下工作的长丝杠，须验算其临界转速，以防止丝杠共振.n cr=9910(f22d2)/L c2式中 f2--丝杠支承方式系数,F -S取3.927L c --临界转速计算长度. L c =0.26m.d2--丝杠螺纹底径,取0.016mn cr= 36138r/min > n max,同时验算丝杠另一个临界值d0n=20*833=16660<70000③轴承选择校核由[1]表6-6选角接触球轴承7001AC.参考[1]中有关内容，计算略④定位精度验算(略)(7)滚动导轨副的防护①滚珠丝杠副的防护装置 ,采用专业生产的伸缩式螺旋弹簧钢套管.②滚珠丝杠副的密封滚珠丝杠副两端的密封圈如装配图所示.材料为四氟乙烯,这种接触式密封须防止松动而产生附加阻力.③滚珠丝杠副的润滑润滑剂用锂基润滑剂.2.X轴滚动导轨设计计算导轨的功用是使运动部件沿一定的轨迹运动,并承受运动部件上的载荷,即起导向和承载作用,导轨副中,运动的一方称作运动导轨,与机械的运动部件联结,不动的一方称作支承导轨,与机械的支承部件联结.支承部件用以支承和约束运动导轨,使之按功能要求作正确的运动.(1)选日本NSK型滚动导轨，E级精度，f h=1,f t=1,f c=0.81 ,f a=1,f ww=1(2)寿命按每年工作300天,每天两班,每班8h,开机率0.8计,额定寿命为:L h=10×300×2×8×0.8=38400 h每分钟往复次数nz=8(3)L=(2l s n z60L h)/(103)=5160.96Km计算四滑块的载荷,工作台及其物重约为200N计算需要的动载荷Cα(4)C a=( f w P)÷(f h f t f c f a)×(L/50)1/3=1800N选用NSK LY30AL型号滚动导轨副,其Co=2570N. Coa=3840N(3)滚动导轨间隙调整预紧可以明显提高滚动导轨的刚度,预紧采用过盈配合,装配时,滚动体、滚道及导轨之间有一定的过盈量.(4)润滑与防护润滑:采用脂润滑,使用方便,但应注意防尘.防护装置的功能主要是防止灰尘、切屑、冷却液进入导轨,以提高导轨寿命.防护方式用盖板式.五、Y轴方案及参数计算1．Y轴步进电机参数确定及选择2.Y轴联轴器选择联轴器除联接两轴并传递转矩外，有些还有补偿两轴因制造和安装误差而造成的轴线偏移的功能，以及具有缓冲、吸振、安全保护等功能。
因此要根据传动装置工作要求来选定联轴器类型。
本方案选择套筒联轴器。
六、Y轴机械结构总体设计计算1. Y轴滚珠丝杠设计计（1）滚珠丝杠副的结构类型①滚珠循环方式由[2]表5-1查得,选择外循环插管式②轴向间隙预紧方式预紧目的在于消除滚珠螺旋传动的间隙,避免间隙引起的空程,从而提高传动精度.由[3]表5-2查得,采用双螺母垫片预紧方式.(2)滚珠丝杠副直径和基本导程系列采用丝杠公称直径 20mm,导程为5mm, 丝杠外径19.5mm，丝杠底径17.76mm，循环圈数5，基本动载荷14205N，基本静载荷38244N，刚度730N/um.(3)滚珠丝杠精度等级确定①丝杠有效行程由导程查得余程le=20 mm，得丝杠有效行程lv=lu-le，lu =140-20=300 mm②精度等级根据有效行程内的平均行程允许偏差e p=0.015/300*120*103=6由[2]表5-5得,精度等级为T1(4)滚珠丝杠副支承形式选择滚珠丝杠主要承受轴向载荷,应选用运转精度高,轴向刚度高、摩擦力距小的滚动轴承.滚珠丝杠副的支承主要约束丝杠的轴向串动,其次才是径向约束.由[2]表5-6查得,采用两端简支(F-S)支承形式.(5)滚珠丝杠副的选择本方案属于高速或较高转速情况，按额定动负荷C a≥C aj选择滚珠丝杠副由[2]式（3-2）可知：C aj=[(F e f w)/(f h f t f a f k)]×[(60L h n e)/(106)]1/3式中 C aj -–滚珠丝杠副的计算轴向动负荷(N)F e--丝杠轴向当量负荷(N). 取进给抗力和摩擦力之和的一半F e=106.3Nn e--丝杠当量转速(r/min).取最大工作进给转速 n e=100 r/min.L h--丝杠工作寿命(h). 查考[2]表5-7得L h=15000 h.f t--温度系数. 查[2]表5-8,得f t=0.70f a--精度系数. 查[2]表5-9得f a=1.0f w--负载性质系数. 查[2]表5-10得f w=0.95f h--硬度系数.查[2]表5-11得f h=1.0f k--可靠性系数.查[2]表5-12得f k=0.21（可靠度99%）计算得C aj=3078.6N<Ca=1.4KN(6)滚珠丝杠副校核取最大轴向工作载荷 F max =106.3N静载荷系数f h’ =1.0 负荷性质系数f w=0.95轴向静载荷C oj=f w f h F max=0.95×1.0×106.35=100.985N①临界压缩负荷对于一端轴向固定受压缩的滚珠丝杠,应进行压杠稳定性校核计算.不发生失稳的最大压缩负荷称为临界压缩负荷,用Fn表示F n=3.4×1010(f1d24)/(L02) ×K1式中 L0–--最长受压长度.取0.32mf1--丝杠支承方式系数, F-S取2d2--丝杠螺纹底径,取0.0175mK1——安全系数，取1/3F n=62282N>F max②临界转速对于在高速下工作的长丝杠，须验算其临界转速，以防止丝杠共振.n cr=9910(f22d2)/L c2式中 f2--丝杠支承方式系数,F -S取3.927L c --临界转速计算长度. L c =0.32m.d2--丝杠螺纹底径,取0.0175mn cr= 26117.6r/min > n max,同时验算丝杠另一个临界值d0n=20*500=10000<70000③轴承选择由[1]表6-6选角接触球轴承7001AC. 参考[1]中有关内容，计算略④定位精度验算(略)(7)滚动导轨副的防护①滚珠丝杠副的防护装置 ,采用专业生产的伸缩式螺旋弹簧钢套管.②滚珠丝杠副的密封滚珠丝杠副两端的密封圈如装配图所示.材料为四氟乙烯,这种接触式密封须防止松动而产生附加阻力.③滚珠丝杠副的润滑润滑剂用锂基润滑剂.2.Y轴滚动导轨设计计算导轨的功用是使运动部件沿一定的轨迹运动,并承受运动部件上的载荷,即起导向和承载作用,导轨副中,运动的一方称作运动导轨,与机械的运动部件联结,不动的一方称作支承导轨,与机械的支承部件联结.支承部件用以支承和约束运动导轨,使之按功能要求作正确的运动.(5)选日本NSK 型滚动导轨，E级精度，f h=1,f t=1,f c=0.81 ,f a=1,f ww=1(6)寿命按每年工作300天,每天两班,每班8h,开机率0.8计,额定寿命为:Lh=10×300×8×0.8=38400 h每分钟往复次数nz=5(7)L=(2l s n z60L h)/(103)= 2764.8Km计算四滑块的载荷,工作台及其物重约为245N计算需要的动载荷Cα(8)Cα=( fwP)÷(fh ft fc fα)×(L/50)1/3=1.79N选用NSK LY30AL型号滚动导轨副,其Co=2570N. Coa=3840(3)滚动导轨间隙调整预紧可以明显提高滚动导轨的刚度,预紧采用过盈配合,装配时,滚动体、滚道及导轨之间有一定的过盈量.(4)润滑与防护润滑:采用脂润滑,使用方便,但应注意防尘.防护装置的功能主要是防止灰尘、切屑、冷却液进入导轨,以提高导轨寿命.防护方式用盖板式.七、绘制装配图1.标注装配图尺寸、配合与精度等级。