机电一体化系统综合课程设计Word格式.docx
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为保证一定的传动精度和平稳性，又要求结构紧凑，所以选用丝杠螺母传动副。
为提高传动刚度和消除间隙，采用预加负荷的结构。
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，从而提高运动平稳性，减小振动。
考虑电机步距角和丝杆导程只能按标准选取，为达到分辨率的要求，需采用齿轮降速传动。
图1-1系统总体框图
214
、机械系统设计
2.1、工作台外形尺寸及重量估算
X向拖板（上拖板）尺寸：
长宽高145×
160×
50
重量：
按重量=体积×
材料比重估算
32
145160501037.810290N
Y向拖板（下拖板）尺寸：
14516050重量：
约90N。
上导轨座（连电机）重量：
（22014038215582）7.81021031.110107（N）
夹具及工件重量：
约150N。
X-Y工作台运动部分的总重量：
约287N。
2.2、滚动导轨的参数确定
⑴、导轨型式：
圆形截面滚珠导轨
⑵、导轨长度
①上导轨（X向）
取动导轨长度lB100
动导轨行程l55
支承导轨长度LlBl155
②下导轨（Y向）
l50lB100
L150
选择导轨的型号：
GTA16
⑶、直线滚动轴承的选型
①上导轨
GX240（N）
②下导轨
GY287（N）
由于本系统负载相对较小，查表后得出LM10UUOP型直线滚动轴承的额定动载荷为370N，
大于实际动负载；
但考虑到经济性等因素最后选择LM16UUOP型直线滚动轴承。
并采用双排两
列4个直线滚动轴承来实现滑动平台的支撑。
314
⑷、滚动导轨刚度及预紧方法
当工作台往复移动时，工作台压在两端滚动体上的压力会发生变化，受力大的滚动体变形大，受力小的滚动体变形小。
当导轨在位置Ⅰ时，两端滚动体受力相等，工作台保持水平；
当导轨移动到位置Ⅱ或Ⅲ时，两端滚动体受力不相等，变形不一致，使工作台倾斜α角，由此造成误差。
此外，滚动体支承工作台，若工作台刚度差，则在自重和载荷作用下产生弹性变形，会使工作台下凹（有时还可能出现波浪形），影响导轨的精度。
2.3、滚珠丝杠的设计计算滚珠丝杠的负荷包括铣削力及运动部件的重量所引起的进给抗力。
应按铣削时的情况计算。
2.4
⑴、最大动负载Q的计算
Q3LffHP
查表得系数f
1，
fH
1，寿命值
L
60nT
106
查表得使用寿命时间
T=15000h，初选丝杠螺距t=4mm，得丝杠转速
Y向丝杠牵引力
X向
Qx
3225
1
3.39
20.6（N）
Y向
Qy
4.06
24.7（N）
查表，
取滚珠丝杠
公称
直
径
d0
10mm，
所以最大动负荷
选用滚珠丝杠螺母副
的型号为SFK1004，其额定动载荷为390N，足够用。
⑵、滚珠丝杠螺母副几何参数计算
414
表2-1滚珠丝杠螺母副几何参数
名称
符号
计算公式和结果
螺纹滚道
公称直径
10
螺距
t
4
接触角
45o
钢球直径
dq
2
螺纹滚道法面半径
R
R0.52dq1.04
偏心距
e
eRdq/2sin0.03
螺纹升角
toarctg7.26
螺杆
螺杆外径
d
dd00.2~0.25dq9.5
螺杆内径
dl
dld02e2R7.98
螺杆接触直径
dz
dzd0dqcos8.59
螺母
螺母螺纹外径
D
Dd02e2R12.02
螺母内径（外循环）
D1
D1d00.2~0.255dq10.5
见表2-1。
⑶、传动效率计算
tgtg7.26o
oo0.973tg（）tg（7.26o0.2o）
式中：
——摩擦角；
——丝杠螺纹升角。
⑷、刚度验算
滚珠丝杠受工作负载P引起的导程L0的变化量
VL2很小，可以忽略。
P
24.7（N）
L00.4（cm）
E
20.6
106（N/cm2）
材料为钢
F
R2
3.140.798
0.5cm2
所以
24.70.5
6
VL1
1.210（cm）
Y向所受牵引力大，故应用
Y向参数计算
20.6100.5
丝杠因受扭矩而引起的导程变化量
所以导程总误差
514
查表知E级精度的丝杠允许误差15m，故刚度足够。
⑸、稳定性验算由于丝杠两端采用止推轴承，故不需要稳定性验算。
2.5、步进电机的选用
⑴、步进电机的步距角b
取系统脉冲当量p0.01mm/step，初选步进电机步距角b1.5o。
⑵、步进电机启动力矩的计算
设步进电机等效负载力矩为T，负载力为P，根据能量守恒原理，电机所做的功与负载力做功有如下关系
T＝Ps
电机轴负载力矩（Ngcm）
GGy287N，所以
PsPH24.7N。
考虑到重力影响，Y向电机负载较大，因此取
1.33（Ngcm）
360.0124.70.0328721.50.96
若不考虑启动时运动部件惯性的影响，则启动力矩
TqT
q0.3~0.5
1.33取安全系数为0.3，则Tq4.42Ngcm
0.3
对于工作方式为三相六拍的三相步进电机
614
⑶、步进电机的最高工作频率
查表选用两个45BF005-Ⅱ型步进电机。
电机的有关参数见表2-2。
表2-2步进电机参数
型号
主要技术数据
外形尺寸（mm）
重量
（N）
步
距
角
o
最大静转距Ngcm
最高空载启动频率（step/s
）
相数
电压
（V）
电流
（A）
外径
长度
轴径
45BF005-Ⅱ
1．5
19.6
3000
3
27
2.5
45
58
11
2.6、确定齿轮传动比
因步进电机步距角b1.5o，滚珠丝杠螺距t4mm，要实现脉冲当量
p0.01mm/step，在传动系统中应加一对齿轮降速传动。
齿轮传动比
Z1i
Z2
p360o0.01360
p0.6
bt1.54
选Z1
17，Z228。
2.7、确定齿轮模数及有关尺寸
因传递的扭距较小，取模数m1mm，齿轮有关尺寸见表3-3。
2.8、步进电机惯性负载的计算
表2-3齿轮尺寸
Z
17
28
714
mZmm
da
2mmm
19
30
df
21.25mmm
14.5
25.5
b
6mmm
5
a
d1
d2
mm
17.5
根据等效转动惯量的计算公式，得
Z1
JdJ0J11J2J3M
180b
Jd——折算到电机轴上的惯性负载（kggcm2）；
J0——步进电机转轴的转动惯量
kggcm2）；
J1——齿轮的转动惯量（kggcm2）；
J2——齿轮的转动惯量（kggcm2）；
J3——滚珠丝杠的转动惯量（kggcm2）；
M——移动部件质量（kg）。
对材料为钢的圆柱零件转动惯量可按下式估算
342
J0.78103D4Lkggcm2
D—
—圆柱零件直径（
cm）；
L——零件长度（cm）。
J1
0.78103
1.74
0.5
3.26103kggcm2
J2
2.84
23.9103kggcm2
J3
145
3.9
103kggcm2
电机轴转动惯量很小，
可以忽略，
则
814
三、控制系统硬件设计
X-Y数控工作台控制系统硬件主要包括CPU、传动驱动、传感器、人机交互界面。
硬件系统设计时，应注意几点：
电机运转平稳、响应性能好、造价低、可维护性、人机交互界面可操作性比较好。
3.1CPU板
3.1.1CPU的选择
随着微电子技术水平的不断提高，单片微型计算机有了飞跃的发展。
单片机的型号很多，而目前市场上应用MCS-51芯片及其派生的兼容芯片比较多，如目前应用最广的8位单片机89C51，价格低廉，而性能优良，功能强大。
在一些复杂的系统中就不得不考虑使用16位单片机，MCS-96系列单片机广泛应用于伺服系统，变频调速等各类要求实时处理的控制系统，它具有较强的运算和扩展能力。
但是定位合理的单片机可以节约资源，获得较高的性价比。
从要设计的系统来看，选用较老的8051单片机需要拓展程序存储器和数据存储器，无疑提高了设计价格，而选用高性能的16位MCS-96又显得过于浪费。
生产基于51为内核的单片机的厂家有Intel、ATMEL、Simens，其中在CMOS器件生产领域ATMEL公司的工艺和封装技术一直处于领先地位。
ATMEL公司的AT89系列单片机内含Flash存储器，在程序开发过程中可以十分容易的进行程序修改，同时掉电也不影响信息的保存；
它和80C51插座兼容，并且采用静态时钟方式可以节省电能。
因此硬件CPU选用AT89S51，AT表示ATMEL公司的产品，9表示内含Flash存储器，S表示含有串行下载Flash存储器。
AT89S51的性能参数为：
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