機械學院
機械設計製造及其自動化專業
機電模組課程設計
2011、03
目錄.機電專業課程設計目的1）
二.機電專業課程設計的任務和要求1）
三.x軸方案及引數計算1）
.方案擬定1）
.x軸步進電機引數確定及選擇1）
軸聯軸器選擇3）
四.x軸機械結構總體設計計算3）
.x軸滾珠絲槓設計計算3）
軸滾動導軌設計計算4）
五.y軸方案及引數計算5）
軸步進電機引數確定及選擇5）
軸聯軸器選擇7）
六.y軸機械結構總體設計計算7）
. y軸滾珠絲槓設計計算7）
2. y軸滾動導軌設計計算8）
七.繪製裝配圖9）
八.電氣原理圖設計10）
九.參考文獻11）
一、機電專業課程設計目的
本課程設計是學生在完成專業課程學習後，所進行的機電一體化裝置設計的綜合性訓練。通過該環節達到下列目的：（1）鞏固和加深專業課所學的理論知識；（2）培養理論聯絡實際，解決工程技術問題的動手能力；（3）進行機電一體化裝置設計的基本功訓練，包括以下10方面基本功：
1）查閱文獻資料；2)分析與選擇設計方案；3）機械結構設計；4）電氣控制原理設計；5）機電綜合分析；6）繪工程圖；7）運動計算和精度計算；9）撰寫設計說明書；10）貫徹設計標準。
二、機電專業課程設計的任務和要求
在規定時間內，按設計任務書給定的原始資料，在教師指導下，獨立完成二座標數控工作台設計工作。原始資料報括典型工況下，工作台速度、進給抗力及台面上工作物重量；工作台定位精度、檯面尺寸和行程。
設計具體要求完成以下工作：
（1）數控工作台裝配圖（1：1比例或0＃圖幅） 1張；
（2）數控系統電氣原理圖（2＃圖幅1張；
（3）設計說明書（10～20）頁1本；
所有圖樣均採用cad繪製列印，設計說明書按規定撰寫。
三x軸方案及引數計算
1． 方案擬定
方案擬定即確定工作台傳動的形式和控制方式及主要部件或器件的型別。
（1）驅動控制方式由給定的工作台精度要求較低，為簡化結構，故採用微控制器控制的步進電機驅動系統。主要由步進電機、微控制器驅動控制電路、滾珠絲槓副組成。
（2）傳動形式確定
工作台x方向和y方向兩個座標分別採用步進電機單獨驅動。
工作台x方向採用一級齒輪傳動方式，可以通過降速擴大轉矩輸出，匹配進給系統慣量，獲得要求的輸出機械特性，同時減小脈衝當量。
工作台y方向採用直接傳動方式，電機通過剛性聯軸器與滾珠絲槓聯結。結構緊湊，傳動效率高。絲槓轉速與轉矩輸出完全與電機的輸出特性一致。
2. x軸步進電機引數確定及選擇
軸聯軸器選擇
聯軸器除聯接兩軸並傳遞轉矩外，有些還有補償兩軸因製造和安裝誤差而造成的軸線偏移的功能，以及具有緩衝、吸振、安全保護等功能。因此要根據傳動裝置工作要求來選定聯軸器型別。本方案選擇套筒聯軸器。
四、x軸機械結構總體設計計算
. x軸滾珠絲槓設計
（1）滾珠絲槓副的結構型別
滾珠迴圈方式
由[2]表5-1查得,選擇外迴圈插管式
軸向間隙預緊方式
預緊目的在於消除滾珠螺旋傳動的間隙,避免間隙引起的空程,從而提高傳動精度.由[3]表5-2查得,採用雙螺母墊片預緊方式.
(2)滾珠絲槓副直徑和基本導程系列
採用絲槓公稱直徑 20mm,導程為6mm, 絲槓外徑19.5mm，絲槓底徑17.76mm，迴圈圈數2.5，基本動載荷7417n，基本靜載荷15311n，剛度376n/um.
(3)滾珠絲槓精度等級確定
絲槓有效行程由導程查得余程le=20 mm，
得絲槓有效行程lv=lu-le，lu =160-20=140 mm
精度等級
根據有效行程內的平均行程允許偏差ep=0.02/300*140*103=9.33
由[2]表5-5得,精度等級為t2
(4)滾珠絲槓副支承形式選擇
滾珠絲槓主要承受軸向載荷,應選用運轉精度高,軸向剛度高、摩擦力距小的滾動軸承.滾珠絲槓副的支承主要約束絲槓的軸向串動,其次才是徑向約束.由[2]表5-6查得,採用兩端簡支(f-s)支承形式.
(5)滾珠絲槓副的選擇
本方案屬於高速或較高轉速情況，按額定動負荷ca≥caj選擇滾珠絲槓副
由[2]式（3-2）可知：caj=[(fefw)/(fhftfafk)]×[(60lhne)/(106)]1/3
式中 caj -–滾珠絲槓副的計算軸向動負荷(n)
fe--絲槓軸向當量負荷(n). 取進給抗力和摩擦力之和的一半fe=111n
ne--絲槓當量轉速(r/min).取最大工作進給轉速 ne=166.6 r/min.
lh--絲槓工作壽命(h). 查考[2]表5-7得lh=15000 h.
ft--溫度係數. 查[2]表5-8,得ft=0.70
fa--精度係數. 查[2]表5-9得fa=1.0
fw--負載性質係數. 查[2]表5-10得fw=0.95
fh--硬度係數.查[2]表5-11得fh=1.0
fk--可靠性係數.查[2]表5-12得fk=0.21（可靠度99%）
計算得caj=3.811kn(6)滾珠絲槓副校核
取最大軸向工作載荷 fmax =111n
靜載荷係數fh』 =1.0 負荷性質係數fw=0.95
軸向靜載荷coj=fwfhfmax=0.95×1.0×44.1=105.45n
臨界壓縮負荷對於一端軸向固定受壓縮的滾珠絲槓,應進行壓槓穩定性校核計算.
不發生失穩的最大壓縮負荷稱為臨界壓縮負荷,用fn表示
fn=3.4×1010(f1d24)/(l02) ×k1
式中 l0–--最長受壓長度.取0.39m
f1--絲槓支承方式係數, f-s取2
d2--絲槓螺紋底徑,取0.016m
k1——安全係數，取1/3
fn=27700n>fmax
臨界轉速
對於在高速下工作的長絲槓，須驗算其臨界轉速，以防止絲槓共振.
ncr=9910(f22d2)/lc2
式中 f2--絲槓支承方式係數,f -s取3.927
lc --臨界轉速計算長度. lc =0.26m.
d2--絲槓螺紋底徑,取0.016m
ncr= 36138r/min > nmax,同時驗算絲槓另乙個臨界值
d0n=20*833=16660<70000
軸承選擇校核由[1]表6-6選角接觸球軸承7001ac.
參考[1]中有關內容，計算略
定位精度驗算(略)
(7)滾動導軌副的防護
滾珠絲槓副的防護裝置 ,採用專業生產的伸縮式螺旋彈簧鋼套管.
滾珠絲槓副的密封滾珠絲槓副兩端的密封圈如裝配圖所示.材料為四氟乙烯,這種接觸式密封須防止鬆動而產生附加阻力.
滾珠絲槓副的潤滑潤滑劑用鋰基潤滑劑.
軸滾動導軌設計計算
導軌的功用是使運動部件沿一定的軌跡運動,並承受運動部件上的載荷,即起導向和承載作用,導軌副中,運動的一方稱作運動導軌,與機械的運動部件聯結,不動的一方稱作支承導軌,與機械的支承部件聯結.支承部件用以支承和約束運動導軌,使之按功能要求作正確的運動.
(1) 選日本nsk型滾動導軌 ，e級精度，fh=1,ft=1,fc=0.81 ,fa=1,fww=1
(2) 壽命按每年工作300天,每天兩班,每班8h,開機率0.8計,額定壽命為:
lh=10×300×2×8×0.8=38400 h
每分鐘往復次數nz=8
(3) l=(2lsnz60lh)/(103)=5160.96km
計算四滑塊的載荷,工作台及其物重約為200n
計算需要的動載荷cα
(4) ca=( fwp)÷(fh ft fc fa)×(l/50)1/3=1800n
選用nsk ly30al型號滾動導軌副,其co=2570n. coa=3840n
(3)滾動導軌間隙調整
預緊可以明顯提高滾動導軌的剛度,預緊採用過盈配合,裝配時,滾動體、滾道及導軌之間有一定的過盈量.
(4)潤滑與防護
潤滑:採用脂潤滑,使用方便,但應注意防塵.
防護裝置的功能主要是防止灰塵、切屑、冷卻液進入導軌,以提高導軌壽命.
防護方式用蓋板式.
五、y軸方案及引數計算
1．y軸步進電機引數確定及選擇
軸聯軸器選擇
精密機械設計三座標實驗指導書
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