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1、河南理工大学测控技术与仪器专业课程设计精密机械与仪器设计课程设计说明书二维数控精密工作台姓 名： 学 号： 专业班级： 测 控09-1 班 指导教师： 河南理工大学 测控技术与仪器系2012.7.5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
2、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153.3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3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
3、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
4、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，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
5、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
6、. 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
7、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
8、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
9、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
10、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
11、（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mm15011510.025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
12、）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，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
13、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、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.
