1、设 计 题 目 ：双坐标数控工作台机械伺服结构设计及控制电路设计专题： 有效行程 400250，实际工作时工件及夹具重最大 120 公斤，最大空运行速度 Vmax4m/min，最大加工速度Vmax2m/min，定位精度0.02mm/300mm，重复定位精度 0.01mm，脉冲当量=0.01mm，寿命 40000 小时。设 计 来 源 ： 教师自拟 要求完成的内容：1）双坐标数控工作台机械伺服结构数字化三维建模；2）双坐标数控工作台机械伺服结构装配图(A1 图)1 张；3）工作台托板零件图(A3)1 张； 4）选做内容：运动控制电路原理图设计(A3)1 张； 5）设计计算说明书一份（1 万字左右
2、，20 25 页）。 目 录第一章 滚珠丝杠副的选择 3 1.1 滚珠丝杠副的支撑形式 31.2 滚珠丝杠副的特点 31.3 滚珠丝杠副的设计计算 41.4 选择滚珠丝杠副 51.5 稳定性验算 71.6 刚度验算 81.7 效率验算 9第二章 导向机构的设计102.1 导轨的功用102.2、 滚动直线导轨的选择程序102.2、 直线运动滚动支承系统负荷的计算 10第三章 步进电动机的选择 123.1 步进电动机的工作原理123.2 选择电动机 13第四章 滚动轴承的计算 144.1 支撑方案的确定 144.2 轴承的校核 15总 结 16参考文献17第一章 滚珠丝杠副的选择1.1 滚珠丝杠副
3、的支承形式支承应限制丝杠的轴向窜动.较短的丝杠或垂直安装的丝杠 ,可以一端固定,一端无支承.水平安装丝杠较长时, 可以一端固定,一端游动;对于精密和高精度机床的滚珠丝杠副,为了提高丝杠的拉压刚度,可以两端固定.为了补偿热膨胀和减少丝杠下垂,两端固定丝杠时还可以进行预拉伸。一般情况下,应以固定端作为轴向定位基准,从固定端起计算丝杆杠副的长度误差.此外,应尽可能固定端作为驱动端。考虑到本设计的结构与要求,我们决定采用一端固定一端游动 (F-S)的支承形式, 如图 1.1所示。一端固定一端游动（FS）。固定端采用深沟球轴承 2 和双向推力球轴承 4，可分别承受径向和轴向负载，螺母 1、挡圈 3、轴肩
4、、支撑座 5 台“ title=“下一页“ |肩、端盖 7 提供轴向限位，垫圈 6 可调节推力轴承 4 的轴向预紧力。游动端需径向约束，轴向无约束。采用深沟球轴承 8，其内圈由挡圈 9 限位，外圈不限位，以保证丝杠在受热变形后可在游动端自由伸缩。图 1.1 一端固定一端游动支承这种支承形势有以下一些特点： 1.需保持螺母与两端支撑同轴,故结构较复杂,工艺较困难。2.丝杠的轴向刚度较高。3.压杆稳定性和临界转速较高。4.丝杠有热膨胀的余地。5.适用于较长的卧式安装丝杠。1.2 滚珠丝杠副的特点1.传动效率高 效率高达 90%95%,耗费的能量仅为滑动丝杠的 1/3。2.运动具有可逆性 即可将回转
5、运动变为直线运动 ,又可将直线运动变为回转运动, 且逆传动效率几乎与正传动效率相同。3.系统刚度好 通过给螺母组件内施加预压来获得较高的系统刚度,可满足各种机械传动要求, 无爬行现象,始终保持运动的平稳性和灵敏性。4.传动精度高 经过淬硬并精磨螺纹滚道后的滚珠丝杠副本身就具有和高的制造精度,又由于摩擦小,丝杆副工作时温升和热变形小,容易获得较高的传动精度。5.使用寿命长 滚珠是在淬硬的滚道上作滚动运动 ,磨损极小, 长期使用后仍能保持其精度,因而寿命长,且具有很高的可靠性。其寿命一般比滑动丝杠高 56 倍。6.不能自锁 特别是垂直安装的丝杠，当运动停止后，螺母将在重力作用下下滑，故常需设置制动
6、装置。7.制造工艺复杂 滚珠丝杠和螺母等零件加工精度、表面粗糙度要求高，制造成本高。由于滚珠丝杠副独特的性能而受到极高的评价,因而已成为数控机床 ,精密机械,各种省力机械设备及各种机电一体化产品中不可缺少的传动机构。 1.3 滚珠丝杠副的设计计算有效行程 400*250，实际工作时工件及夹具重最大 120 公斤，最大空运行速度,最大加工速度 定位精度 ,重复定位精度 ,脉冲当量 ,寿命 40000 小时（1）步距角 ， ， ， 。先假设 p= 。表 1.1切削力 速度 时间比正常铣削 500 2.5 70%快速点定位 0 5 30%（2） 丝杠转速 快速点定位 30%，加工 70%。（3） 当
7、量转速加工 点定位 （4） 丝杠负荷当量载荷导轨摩擦力 , 。 精密加工 =500N，加工时总载荷 =507.2N 快速点定位 = =7.2N（5） 当量负荷1.4 选择滚珠丝杠副（1） 小时，由机电一体化系统设计手册表 2.8-63，2.8-64，查得：-寿命系数， 。-转速系数， 。- 综合系数， 其中 为温度系数，查表 1-2 得 1；为硬度系数，查表 1-3 得 1.0；为精度系数，查表 1-4 得 1.0 （丝杠精度为 13 级）；为负荷性质系数，查表 1-5 得 1.3 ；为可靠性系数，查表 1-6 得 0.53（可靠性为 90%）。可得： 。表 1-2 温度系数工作温度 175表
8、 1-3 硬度系数硬度（HRC） 55 52.5 50 47.5 45 40动负荷硬度影响系数 1.0 1.11 1.35 1.56 1.92 2.4 3.85静负荷硬度影响系数 1.0 1.11 1.40 1.67 2.1 2.65 4.5表 1-4 精度系数精度等级 1、2、3 4、5 7 101.0 0.9 0.8 0.7表 1-5 负荷性质系数负荷性质 无冲击平稳运转 一般运转 有冲击和振动运动11.2 1.21.5 1.52.5表| |1-6 可靠性系数可靠度(%) 90 95 96 97 98 991.00 0.62 0.53 .44 .33 0.21（2）根据 选择滚珠丝杠副1）
9、假设选用 FC1 型号，按滚珠丝杠副的额定动载荷 Ca 等于或稍大于的原查教材表 2-9 选以下型号规格：FC1-2505-2.5 ，Ca=9610N由教材表 2-9 得丝杠副数据：公称直径 导程 螺旋角 =滚珠直径 2）按教材表 2-1 中尺寸公式计算：滚道半径 偏心距丝杠直径1.5 稳定性验算1）由于一端轴向固定的长丝杠在工作时可能会发生失稳，所以在设计时应验算其安全系数 S，其值应大于丝杠副传动机构允许安全系数 （见表 1.2）。表 1.7支撑方式有关系数 一端固定一端自由（F-O）一端固定一端游动（F-S）两端固定（F-F）34 2.53.32 2/3 1.875 3.927 4.73
10、0丝杠不会发生失稳的最大载荷称为临界载荷 按下式计算：式中，E 为丝杠材料的弹性模量，对于刚， E=206GPa； 为丝杠工作长度（m）; 为丝杠危险截面的轴惯性矩 ；为长度系数，见表 1.2。依题意， 取 ，则安全系数 。查表 1.2， =2.53.3 。 ， 丝杠是安全的，不会失稳。2）高速丝杠工作时可能发生共振，因此需要验算其不会发生共振的最高转速 临界转速 。要求丝杠的最大转速 。临界转速 可按下式计算式中， 为临界转速系数，见表 1.2。取 ， ，则=834r/min。 所以丝杠工作时不会发生共振。3）此外滚珠丝杠副还会受 值的限制，通常要求 。所以该丝杠副工作稳定。1.6 刚度验算
11、 滚珠丝杠在工作负载 和转矩 共同作用下引起每个导程的变形量 为式中，A-为丝杠面积， ；-为丝杠的极惯性距， ；G-为丝杠的切变模量，对钢 ；-为转矩。式中， -为摩擦角，其正切函数值为摩擦系数；-为平均工作负载。取摩擦系数 按最不利的情况取（其中 ）则丝杠在工作长度上的弹性变形所引起的导程误差为通常要求丝杠的导程误差 应小于其传动精度的 1/2，即该丝杠的 满足上式，所以其刚度可满足要求。1.7 效率验算滚珠丝杠副的传动效率 为要求在 90%98%之间，所以该丝杠副合格。经上述验证，FC1-2505-2.5 各项性能均符合要求，可选用。第二章 导向机构的设计2.1 导轨的功用机电一体化产品
12、要求其机械系统的各运动机构必须得到安全的支承，并能准确的完成其特定方向的运动。这个任务就由导向机构来完成。机电一体化产品的导向机构是导轨，其作用是支承和导向。2.2 滚动直线导轨的选择程序在设计选用滚动直线导轨时，除应对其使用条件，包括工作载荷、精度要求、速度、工作行程、预期工作寿命进行研究外，还须对其刚度、摩擦特性及误差平均、阻尼特性等综合考虑，从而达到正确合理的选用，以满足主机技术性能的要求。2.3 直线运动滚动支承系统负荷的计算直线运动支承系统的负荷与导轨配置形式(水平、竖直、倾斜等 ),移动件的重心和力作用点的位置,导轨上移动件牵引力作用点的位置,启动及停止时的惯性力以及切削力等有关。
13、本设计的直线运动导轨安装形式为水平,采用卧式导轨、滑块座移动。 图 2.1 导轨2.4 导轨的选择 由机床设计要求可知对该导轨设计的基本要求为:作用在滑座上的载荷 ，滑座个数 ，单向行程长度 ，每分钟往复次数为 4，用于轻型机床的工作台。 导轨的额定工作时间寿命 =40000 小时| |表 2-1 硬度系数滚道表面硬度 HRC 60 58 55 53 50 451.0 0.98 0.90 0.71 0.54 0.38表 2-2 温度系数工作温度/100 1.00100150 0.90150200 0.73200250 0.61表 2-3 接触系数每根导轨上的滑块数1 1.002 0.813 0
14、.724 0.665 0.61表 2-4 负荷系数工作条件无外部冲击或震动的低速运动场合。速度小于 15m/min11.5无明显冲击或震动的中速运动场合。速度小于 60m/min1.52无外部冲击或震动的高速运动场合。速度大于 60m/min22.5计算额定动载荷滑座的运动速度最大为 5m/min |矩（N.m）Mf折算到电动机上的摩擦力矩（N.m）M0由于丝杠的预紧折算到电动机轴上的附加摩擦力矩（N.m ）快速进给时所需力矩 MJMJ=Mf+MO 因为 MJMq= JZ =81.06 =424.214N.cm摩擦力矩 Mf（N. ）Mf= ,式中 F0导轨的摩擦力（N）i-齿轮降速比-传动链
15、效率，一般可取 =0.70.85Mf= = =6.6N.cm附加力矩 M0=式中 F滚轴丝杠预加负荷，这里取 FM=5000N.L0滚珠丝杠导程（）-滚珠丝杠未预紧时传动效率，一般取大于 0.9，这里取 0.95M0= = =60.8N.cmMq=MA+Mf+M0=424.214+6.6+60.8=491.65N.=4.92N.m3.2.3 电机的选型查表得，选择电动机 120MB100A，它的启动转矩 9.31N.m。120MB100A 属于 CB/MB 系列交流伺服电机采用了高性能磁性材料和优化的正弦波磁路设计，具有小型化、全密封、高精度、高相应、低噪音、地震动的特点，特别适合于对动态和稳
16、态定性要求高的场合。技术特点A、高性能铷铁硼永磁材料，纯正弦波磁路设计。B、铝合金精美外观，体积紧凑。C、小惯量 CB 系列和中惯量 MB 系列。D、动态性能好。E、过载能力强。以上数据机电一体化系统设计手册第四章 滚动轴承的计算4.1 支撑方案的确定考虑滚珠丝杠在轴向的伸缩变形，故考虑在支撑方面采用一端固定，一端游动。在综合考虑后，决定用角接触球轴承完成支承。固定端用一对背靠背接触球轴承，而用单个角接触球轴承支于游动端。在选择了滚珠丝杠的型号后，由于我们采用的是现存的丝杠。所以尺寸都已经确定，初选固定端 7307B/DB 背对背型号内径 d=35，D=80 ,B=42。游动端采用 7307B
17、 型号 B=21轴承座连接孔 144 42、 M12-44.2 轴承型号选型及校核轴向力 Fa=383.3N 径向力 Fr=10000/2=5000N因为 Fa/Fr=5000/383.31.14（查机械设计第七版表 13-5）则 X=0.35,Y=0.57。 fp 取 1.5（中等冲击或中等惯性力 查表 13-6 同上）动载荷 P=fp(XFr+YFa)=1.5（0.355000+0.57883.3）=3380.25N预计寿命 Lh=5000h,转速 n=1000r/min1.5=666.7计算基本额定动载荷 C=滚动轴承受理分析图因为 C=19768.15 |版社3 清华大学.华中工学院.郑州工学院.铸造设备，机械工业出版社4 大连理工大学工程画教研室.机械制图，高等教育出版社5 龚桂义.机械设计课程设计指导书，高等教育出版社6 濮良贵.纪名刚.机械设计(第六版)，西北工业大学，高等教育出版社, 19967 徐颖.机械设计手册( 第 2 版) (第三卷)，机械工业出版社8 徐颖.机械设计手册( 第 2 版) (第四卷)，机械工业出版社9 大连组合机床研究所 .组合机床设计（第三册，电气部分），机械工业出版社
