机电一体化系统课程设计Word文件下载.docx
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3.5步进电动机减速箱的选用
3.6步进电动机的计算与选型
3.7增量式旋转编码器的选用4•工作台机械装配图的绘制
5.工作台控制系统的设计
6.步进电动机驱动电源的选用
7.设计总结
参考文献
[1]张建民.《机电一体化系统设计》第三版.高等教育出版社
[2]尹志强.《系统设计课程设计指导书》.机械工业出版社
设计计算与说明
主要结果
设计任务：
题目：
X-Y数控工作台机电系统设计
任务：
设计一种供立式数控铣床使用的X-Y数控工作台，主要参数如下：
1）立铣刀最大直径d=15mm
2）立铣刀齿数Z=3;
3）最大铣削宽度ae=15mm；
4）最大背吃刀量ap=8mm；
5）加工材料为碳钢；
6）X、丫方向的脉冲当量八y=0.005mm/脉冲；
7）X、丫方向的定位精度均为-°
.°
1mm；
8）工作台导轨长度为1260mm
9）工作台空载最快移动速度vx=vy=3000mm/min；
10）工作台进给最快移动速度Vxmaxf=vymaxf=400mm/min；
11）移动部件总重量为800N;
12）丝杆有效行程为920mm
一、总体方案的确定
1机械传动部件的选择
1.1导轨副的选用要设计的X-Y工作台是用来配套轻型的立式数控铣床的，需要承受的载荷不大，但脉冲当量小、定位精度高，因此，决定选用直线滚动导轨副，它具有摩擦系数小、不易爬行、传动效率高、结构紧凑、安装预紧方便等优点。
1.2丝杆螺母副的选用伺服电动机的旋转运动需要通过
丝杆螺母副转换成直线运动，要满足0.005mm的脉冲当量-0.01mm和的定位精度，滑动滑动丝杆副无能为力，只有选用滚珠丝杆副才能达到。
滚珠丝杆副的传动精度高、动态响应快、运转平稳、寿命长、效率高，预紧后可消除反向间隙。
1.3减速装置的选用选择了步进电动机和滚珠丝杆副以
后，为了圆整脉冲当量，放大电动机的输出转矩，降低运动部件折算到电动机转轴上的转动惯量，可能需要减速装置，且应有消
间隙机构。
为此，决定米用无间隙齿轮传动减速箱。
1.4伺服电动机的选用任务书规定的脉冲当量尚未达到
0.001mm,定位精度也未达到微米级，空载最快速度也只有3000mm/min因此，本设计不必米用咼档次的伺服电动机，如交流伺服电动机或直流伺服电动机等，可以选用性能好一些的步进电动机，如混合式步进电动机，以降低成本，提咼性价比。
1.5检测装置的选用选用步进电动机作为伺服电动机后，
可选开环控制，也可选闭环控制。
任务书所给的精度对于步进电动机来说还是偏高的，为了确保电动机在运转过程中不受切削负载和电网的影响而失步，决定米用半闭环控制，拟在电动机的尾部转轴上安装增量式旋转编码器，用以检测电动机的转角与转速。
增量式旋转编码器的分辨力应与步进电动机的步距角相匹配。
考虑到X、丫两个方向的加工范围相同，承受的工作载荷相差不大，为了减少设计工作量，X、丫两个坐标的导轨副、丝杆螺母畐9、减速装置、伺服电动机，以及检测装置拟采用相同的型号与规格。
1）设计的X-Y工作台准备用在数控铣床上，其控制系统应该具有单坐标定位、两坐标直线插补与圆弧插补的基本功能，所以控制系统应该设计成连续控制型。
2）对于步进电动机的半闭环控制，选用MCS-51系列的8位单片机AT89C52作为控制系统的CPU应该能够满足任务书给定的相关指标。
3）要设计一台完整的控制系统，在选择CPU之后，还需要扩展程序储存器、数据存储器、键盘与显示电路、I/O接口电路、D/A转换电路、串行接口电路等。
4）选择合适的驱动电源，与步进电动机配套使用。
三、机械传动部件的计算与选型
1.导轨上移动部件的重量估算
按照下导轨上面移动部件的重量来进行估算。
包括工件、夹具、工作平台、上层电动机、减速箱、滚珠丝杠副、直线滚动导轨副、导轨座等，估计重量约为800M
2.铣削力的计算
设零件的加工方式为立式铣削，米用硬质合金立铣刀，工件
的材料为碳钢。
则由表3-7查得立铣时的铣削力计算公式为：
l,/c0.85上0.75._0.731.00.13“
Fc=118鬼fzdapnZ⑴
今选择铣刀直径d=15mm齿数Z=3,为了计算最大铣削力，
在不对称铣削的情况下，取得最大铣削宽度a°
=15mm，背吃刀
量ap=8mm，每齿进给量fz-0.1mm，铣刀转速n=300r/min。
则由
（1）式求得最大铣削力：
Fc=118x15。
.85X0.10.75X15卫.73x81.0X3000.13X3N洋1463N
Fc賂1463N
米用立铣刀进行圆柱铣削时，各铣削力之间的比值可由表
3-5查得，结合图3-4a，考虑逆铣时的情况，可估算三个方向的
铣削力分别为：
Ff=1.1Fc“609N，Fe=0.38Fc%556N，
Ff"
609N
Fm=0.25Fc肚366N。
图3-4a为卧铣情况，现在考虑立铣，则工
Fe龟556N
作台受到垂直方向的铣削力Fz=Fe=556N，受到水平方向的铣
FfnM66N
削力分别Ff和Ffn。
今将水平方向较大的铣削力分配给工作台的
纵向（丝杆轴线方向），贝U纵向铣削力Fx=Ff=1609N，径向铣
Fz=556
N
削力F丫=Ffn=366N。
Fx=1609N
3.直线滚动导轨副的计算与选型
Fy=366N
（1）滑块承受工作载荷Fmax的计算及导轨型号的选取工
作载荷是影响直线滚动导轨副使用寿命的重要因素。
本设计中的
X-Y工作台为水平布置，采用双导轨、四滑块的支承形式。
考虑
最不利的情况，即垂直于台面的工作载荷全部由一个滑块承担，
则单滑块所受的最大垂直方向载荷为：
Fmax+F
G=800N
4⑵
F=556N
设计计算与说明主要结果
其中，移动部件重量G=800N外加载荷F=Fz=556N，代入式
Fmax=0-756
kN
（2）,得最大工作载荷Fmax=756N=0.756kN。
查表3-41，根据工作载荷Fmax二0.756KN，初选直线滚动导
Ga二7.94kN
G0a=9.5kN
轨副的型号为KL系列的JSA-LG15型，其额定动载荷Ga=7.94kN，
额定静载荷％=9.5kNo
（2）距离额定寿命L的计算上述选取的KL系列JSA—LG15型导轨副的滚道硬度为60HRC工作温度不超过100摄氏度，每根导轨上配有两只滑块，精度为4级，工作速度较低，载荷不大。
查表3-36~表3-40，分别取硬度系数fH九0、温度系数fT=1.00、接触系数fC=0.81、精度系数fR二°
.9、载荷系数fw=1.5，代入式（3-33），的距离寿命：
L6649
km
c\3
L=fHfTfCfRGa=50"
649km
IfWFmaxy
远大于期望值50km,故距离额定寿命满足要求。
4.滚珠丝杠螺母副的计算与选型
（1）最大工作载荷Fm的计算如前页所述，在立铣时，工作
台受到进给方向的载荷（与丝杠轴线平行）Fx=1609N，受到横
向的载荷（与丝杠轴线垂直）Fy=366N，受到垂直方向的载荷
（与工作台垂直）Fz=556No
已知移动部件总重量G=800N按矩形导轨进行计算，查表3-29，取颠覆力矩影响系数K=1.1，滚动导轨上的摩擦因数卩=0.005。
求得滚珠丝杠副的最大工作载荷：
Fm=1779N
Fm二KFx」（FzFyG）
-[1.116090.005（556366800）]N1779N
（2）最大动载荷Fq的计算设工作台在承受最大铣削力时的
R=5mmv=400mm/min
n=80r/min
T=15000h
L。
=72
fw=1.2
Fq=8881N
D。
=20mm
R=5mm
■=433”
二96.4%
E=2.1105MPa
d2=16.2mm
最快进给速度v=400mm/min初选丝杠导程Ph=5mm，则此时
丝杠转速n=v/Ph=80r/min。
6
取滚珠丝杠的使用寿命T=15000h,代入Lo=60nT/10，
得丝杠寿命系数L。
=72（单位为10r）。
查表3-30，取载荷系数fw=1.2，滚道硬度为60HRC时，
取硬度系数fHi.°
，代入式（3-23），求得最大载荷：
Fq-LofWfHFm:
8881N
（3）初选型号根据计算出的最大载荷和初选的丝杠导程，
查表3-31，选择济宁博特精密丝杠制造有限公司生产的G系列
2504-3型滚珠丝杠副，为内循环固定反向器单螺母式，其公称直径为20mm导程为5mm循环滚珠为3圈X1列，精度等级取4级，额定动载荷为9309N大于Fq，满足要求。
（4）传动效率n的计算将公称直径D。
=20mm,导程
Ph=5mm，代入’二arctanPh/叫'
得丝杠螺旋升角
■=455'
，。
将摩擦角=10z代入=ta门’伽（’」），得传动
效率二96.4%。
（5）刚度的验算
1）X-Y工作台上下两层滚珠丝杠副的支承均采用“单推一单推”的方式，见书后插页图6-23。
丝杠的两端各采用一对推理角接触球轴承，面对面组配，左、右支承的中心距离约为
5
a=500mm；
钢的弹性模量E=2.110MPa；
查表3-31，得滚
珠直径Dw=3.175mm，丝杠底径d2=16.2mm，丝杠截面面积
Sh叱；
/4=206.12mm2。
忽略式（3-25）中的第二项，算得丝杠在工作载荷Fm作用下产生
的拉/压变形量
E=Fma/（ES）=[1779x500/（2.1x10x206.12）]mm=0.0205mm
。
2）根据公式Z^Sdo/Dw）—3，求得单圈滚珠数z=20;
该型
号丝杠为单螺母，滚珠的圈数x列数为3x1，代入公式
旺60
ZL=ZK圈数江列数，得滚珠总数量Z送=60。
丝杠预紧时，
民=593N
取轴向预紧力FYj=Fm/3=593N。
则由式（3-27），求得滚珠
与螺纹滚道间的接触变形量①拓0.0026mm。
因为丝杠加有预紧力，且为轴向负载的1/3，所以实际变
形量可减小一半，取62俺0.0013mm。
3）将以上算出的①和§
2代入°
总二°
^°
2，求得丝杠总变
咅总=21.8岂m
形量（对应跨度500mm%=0.0218mm=21.8
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