单向滑台设计说明书.docx
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单向滑台设计说明书
机电一体化课程设计
学号：
***********
******
指导教师：
甘彬老师
成绩：
日期：
2015.07.12
重庆理工大学
单向工作台设计
重庆理工大学专业课程设计任务书.............................................................错误！
未定义书签。
一、总体方案的确定.......................................................................................................................3
1、机械传动部件的选择.........................................................................................................3
2、控制系统的设计.................................................................................................................4
二、机械传动部件的计算与选型...................................................................................................4
1、导轨上移动部件的重量估算.............................................................................................4
2、直线滚动导轨副的计算与选型.........................................................................................5
3、滚珠丝杠螺母副的计算与选型.........................................................................................6
4、步进电机的选用......................................................................................................10
5、步进电动机的计算和选型...............................................................................................10
6、增量式旋转编码器的选用..............................................................................................16
7、联轴器的选型及校核..........................................................................................................16
8、轴承的选用及校核.............................................................................................................17
9、各传动部件的预紧...........................................................................................................20
三、驱动器、单片机及电源..................................................................................................21
1、驱动器的选择..................................................................................................................21
2、单片机........................................................................................................................24
3、82C55和74LS373
4、驱动器电源及单片机电源选择.................................................................................24
四、单片机VC源程序............................................................................................................25
五、参考文献.................................................................................................................................29
-1-
单向工作台设计
重庆理工大学专业课程设计任务书
一、教学目的
通过课程设计培养学生综合运用所学知识和技能、提高分析和解决实际问题能力的一个
重要环节，专业课程设计是建立在专业基础课和专业方向课的基础上的，是学生根据所学课
程进行的工程基本训练，课程设计的目的在于：
1、培养学生综合运用所学的基础理论和专业知识，独立进行机电控制系统（产品）的初
步设计工作，并结合设计或试验研究课题进一步巩固和扩大知识领域。
2、培养学生搜集、阅读和综合分析参考资料，运用各种标准和工具书籍以及编写技术
文件的能力，提高计算、绘图等基本技能。
3、培养学生掌握机电产品设计的一般程序和方法，进行工程师基本素质的训练。
4.树立正确的设计思想及严肃认真的工作作风。
二、课程设计题目：
机电传动单向数控平台设计
（1）电机驱动方式：
步进电机、直流伺服电机、交流伺服电机；
（2）机械传动方式：
螺旋丝杆、滚珠丝杆、同步皮带、链传动等；
（3）电气控制方式：
单片微机控制、PLC控制；
（4）功能控制要求：
速度控制、位置控制；
（5）主要设计参数：
单向工作行程2100mm，移动负载质量175kg，负载移动阻力150N，空载最快移动速
度6000mm/min，进给最快移动速度1200mm/min。
速度控制精度±0.5%，或实现行程（位
置）控制，控制精度0.01mm。
三、课程设计的基本要求：
（1）方案设计：
根据课程设计任务的要求，在搜集、归纳、分析资料的基础上，明确系
统的主要功能，确定实现系统主要功能的原理方案，并对各种方案进行分析和评价，进行方
案选优；
（2）总体设计：
针对具体的原理方案，通过对动力和总体参数的选择和计算，进行总体
设计，绘制工作台进给传动机构装配图一张
（A2一张）；
（3）根据控制功能要求，完成电气控制设计，给出电气控制电路原理图（A2图一张）；
（4）根据电气控制原理图编写相关的控制程序；
（5）每个学生应独立完成课程设计说明书一份，字数为3000字以上，设计图纸不少于两
张；
（6）用计算机绘图或手工绘图，打印说明书；
（7）设计选题分组进行，每位同学采用不同方案（或参数）独立完成；
四．推荐参考资料
1．机械原理与机械设计；
2．微机原理与接口技术；
3．测试技术；
4．机电传动控制；
5．PLC控制技术；
2
单向工作台设计
6．机电一体化系统设计；
7．机电控制及自动化；
8．机械设计手册；机电一体化技术手册
一、总体方案的确定
1、机械传动部件的选择
（1）导轨副的选用
要设计的工作台是用来配套轻型的数控机床，需要承载
的载荷不大，但脉冲当量小（0.005mm/p），定位精度高（±
5.mm），因此，决定选用直线滚动导轨副，它具有摩擦系
选直线滚动导
轨副
数小、不易爬行、传动效率高、结构紧凑、安装预紧方便等优点。
（2）丝杠螺母副的选用
伺服电动机的旋转运动需要通过丝杠螺母副转换成直线
运动，要满足0.005mm的脉冲当量和±0.01mm的定位精度，
选滚动丝杠螺
只有选用滚珠丝杠副才能达到。
滚珠丝杠副的传动精度高、
母副
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，而且滚珠丝杠已经系列化，选用非常方便，有利于
提高开发效率。
（3）伺服电动机的选用
任务书规定的空载最快移动速度6000mm/min。
因此，本设计
不必采用高档次的伺服电动机，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，提高性价比。
伺服电机选步
进电机
3
单向工作台设计
（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
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，决定采用半闭环控制，并在电动机的尾部转轴上安装增量式旋转编码
检测装置的选
用：
增量式旋转
编码器
器，用以检测电动机的转角与转速。
2、控制系统的设计
（1）设计的工作台准备用在数控机床上，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。
连续控制型
（2）对于步进电动机的半闭环控制，选用单片机，应该能够满足任务书给定的相关指标。
单片机
（3）选择合适的驱动电源，与步进电动机配套使用。
步进电机驱动
电源
系统总体框图
二、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
按照导轨上面移动部件的重量来进行估算。
包括工作平台、滑块等，估计重量约为G=500N
4
单向工作台设计
500N。
2、直线滚动导轨副的计算与选型
（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。
工作台采用水平布置，利用
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：
G
FF（2-2）
max4
2
其中，移动部件重量G=500N，外加载荷F=FZ=1750N，代入式2-2得最大工作载荷
导轨副的型号:
查表3-41，根据工作载荷Fmax=1875N，初选直线滚动导轨副的型号为KL系列的
KL系列的
JSA-LG25型，其额定动载荷Ca=7.94kN，额定静载荷C0a=9.5kN。
JSA-LG25型
查表3-35，按标准系列，选取导轨长度为3000mm.
导轨长度为
表3-35JSA型导轨长度系列
3000mm
导轨型号导轨长度系
JSA-LG15280340400460520580640700760820940
JSA-LG20340400520580640760820940100011201240
JSA-LG2546064080010001240136014801600184019603000
JSA-LG3552060084010001080124014801720220024403000
JSA-LG4555065750850950125014501850205025503000
JSA-LG5566078090010201260138015001980222027003000
JSA-LG65820970112012701420157017202020232027703000
（2）距离额定寿命L的计算
上述选取的ZL系列JSA-LG25型导轨副的滚道硬度为60HRC，工作温度不超过100℃，
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
表3-36硬度系数
滚道硬度（HRC）505558~64
fH0.530.81.0
5
单向工作台设计
表3-37温度系数
距离寿命为
工作温度/℃<100100~150150~200200~25044700km远大
于期望值fT1.000.900.730.60
表3-38接触系数
50km，故距离额
定寿命满足要
每根导轨上滑块数12345
求
fC1.000.810.720.660.61
表3-39精度系数
精度等级2345
1.
fR1.00.90.9
表3-40载荷系数
工
况
无外部冲击或震动的低速
场合，速度小于15m/min
无明显冲击或振动的中速
场合，速度为15～
60m/min
有外部冲击或振动的高速
场合，速度大于60m/min
fW1~1.51.5~22~3.5
分别取硬度系数fH=1.0、温度系数fT=1.00、接触系数fC=0.81、精度系数fR=0.9、
载荷系数fW=1.5，代入式2-3，得所选丝杠的距离寿命为42600km。
L
f
H
ff
T
f
W
C
f
R
C
a
F
max
3
100
（2-3）
即
3
1.11.000.810.97.94
4
L1004.4710km
1.50.757
结论：
所选导轨的距离寿命远大于期望值50km，故距离额定寿命满足要求。
3、滚珠丝杠螺母副的计算与选型
（1）最大工作载荷Fm的计算
工作台受到进给方向的载荷（与丝杠轴线平行）Fx=150N，受到垂直方向的载荷（与
工作台面垂直）Fz=1875N。
已知移动部件总重量G=500N，按矩形导轨进行计算，查表3-29，
表3-29最大工作载荷Fm实验计算公式及参考系数
导轨类型实验公式Kμ
6
单向工作台设计
矩形导轨FmKFx（FzFyG）1.10.15
燕尾导轨FKF（F2FG）
m1.40.2
xzy
三角形或综合导轨FKF（FG）
m1.15
xz
6.~0.
8
注：
表中摩擦因数μ均为滑动导轨。
对于贴塑导轨μ=0.03～0.05，滚动导轨μ=0.003～0.005。
表中，Fx为进给方向载荷，Fy为横向载荷，Fz为垂直载荷，单位均为N；G为移动
最大工作载荷：
部件总重力，单位为N；K为颠覆力矩影响系数；μ为导轨的摩擦系数。
取移动部件总重量G=500N，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素μ=0.005。
求得滚珠丝杠副的最大工作载荷：
F2024N
m
FKF（FFG）1.11500.00518755002024N
mxzy
（2）最大动载荷FQ的计算
工作台的最快进给速度v=3000mm/min，初选丝杠导程Ph=5mm，则此时丝杠转速
n=v/Ph=600r/min。
取滚珠丝杠的使用寿命T=15000h，代入L0=60nT/106，得丝杠寿命系数L0=63（单
位为：
6
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fH=1.0，代入
式2-4
FQ3L0ffF（2-4）
WHm
即：
FN
3631.21.020249664
Q
式中：
L0——滚珠丝杠副的寿命，单位（106r）。
L0=60nT/106，（其中T为使用寿命，
最大动载荷
FQ=9664N
普通机械取T=5000~10000h，数控机床及一般机电设备取T=15000h；n为
丝杠每分钟转速）；
fW——载荷系数，由表3-30查得。
fH——硬度系数（≥58HRC时，取1.0；等于55HRC时，取1.11；等于52.5HRC时，
取1.35；等于50HRC时，取1.56；等于45HRC时，取2.40）；
Fm——滚珠丝杠副的最大工作载荷，单位为N。
7
单向工作台设计
表3-30滚珠丝杠载荷系数
运转状态载荷系数fW
平稳或轻度冲击1.0～1.2
中等冲击1.2～1.5
较大冲击或振动1.5～2.5
（3）初选型号
根据计算出的最大动载荷和初选的丝杠导程，查附件3表3-31，选择济宁博特精密
丝杠制造有限公司生产的GD系列2005-4型滚珠丝杠副，为内循环固定反向器双螺母式，G系列2005-4
其公称直径为20mm，导程为5mm，循环滚珠为4圈×2列，精度等级取4级，额定动载
型滚珠丝杠副
荷为11921N，大于FQ，满足要求。
（4）传动效率η的计算
将公称直径d0=20mm，导程Ph=5mm，代入arctan[P/（d）]
h，得丝杠螺旋升角
0
7.%>
90%，合格。
338。
将摩擦角10，代入tan/tan，得传动效率95.6%。
效率要求大于90%，该丝杠副合格。
（5）刚度的验算
1）工作台滚珠丝杠副的支承均采用“双推-简支”的方式。
丝杠的一端用深沟球轴
承，另一端用深沟球与推力球轴承的组合，左、右支承的中心距离约为a=2150mm；钢的
弹性模量E=2.1×105MPa；查表3-31，得滚珠直径DW=2.175mm，丝杠底径d2=16.2mm，丝
杠截面积
22
Sd2/4352.8mm。
丝杠的拉伸或压缩变形量δ1在总变形量中的比重较大，可按下式计算：
2
FmaMa
1（2-5）
ES2IE
式中：
Fm——丝杠的最大工作载荷，单位为N
a——丝杠两端支承间的距离，单位为mm
E——丝杠材料的弹性模量，钢的E=2.1×105MPa
2
S——丝杠按底径d2确定的截面积，单位为mm
M——转矩，单位为N·mm
8
单向工作台设计
44I——丝杠按底径d2确定的截面积惯性矩（Id/64），单位为mm
2
滚珠与螺纹滚道间的接触变形量δ2
21F
m（2-6）0.0038
无预紧时3
210
DZ
有预紧时
2
F
m（2-7）
8.
32
10DFZ/10
wYJ
式中DW——滚珠直径，mm
Z∑——滚珠总数量，Z∑=Z×圈数×列数
Z——单圈滚珠数，Zd0/Dw（外循环），Zd0/DW3（内循环）
FYJ——预紧力，单位N
由于转矩M一般较小，可以忽略式2-5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
Fa20242354
m
15
ES2.110352.8
1.2mm
2）根据公式d0/DW3
Z，求得单圈滚珠数Z=24；该型号丝杠为单螺母，滚珠
的圈数×列数为4×2，代入公式：
ZΣ=Z×圈数×列数，得滚珠总数量ZΣ=176。
丝杠预
紧时，取轴向预紧力FYJ=Fm/3=674N。
则由式2-7，滚珠与螺纹滚道间的接触变形量δ2
丝杠刚度足够F2024
m
0.130.00130.0014mm
23232
10DFZ/10103.175675176/10
wYJ
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，δ2=0.0007mm。
3）将以上算出的δ1和δ2代入
120.01640.00070.0171mm17.1m。
丝杠的有效行程为2150mm，由表3-27知，4级精度滚珠丝杠有效行程在2150～2200mm
时，行程偏差允许达到27μm，可见丝杠刚度足够。
（6）压杆稳定性校核
滚珠丝杠是属于受轴向力的细长杆，如果轴向负载过大，则可能产生失稳现象。
失
稳时的临界载荷Fk应满足：
9
单向工作台设计
2
fEI
k
FkF
2m
Ka
（2-8）
式中Fk——临界载荷，单位N
fk——丝杠支承系数，如表所示
K——压杆稳定安全系数，一般取2.5～4，垂直安装时取小值；
A——滚珠丝杠两端支承间的距离，单位为mm。
表3-34丝杠支承系数
方式双推-自由双推-简支双推-双推单推-单推
fk0.25241
丝杠不会失稳
查表3-34，取fk=0.25；由丝杠底径d2=16.2mm，求得截面惯性矩：
44
Id2/649910.44mm；
压杆稳定系数K取3（丝杠卧式水平安装）；滚动螺母至轴向固定处的距离a
取最大值1075mm。
代入式2-8即:
临界载荷Fk≈24200N，远大于工作载荷Fm=2024N，故丝杠不会失稳。
综上所述，初选
综上所述，初选的滚珠丝杠副满足使用要求。
的滚珠丝杠副
满足使用要求
4、步进电机的选用
已知工作台的脉冲当量=0.005mm/脉冲，滚珠丝杠导程Ph=5mm初,选步进电机步距角为
9.°，采用五倍细分，由传动比：
i1
P
h
i=1
360
因此不需要减速机构，可以用步进电机直接驱动滚珠丝杠转动。
5、步进电动机的计算和选型
已知：
滚珠丝杠的公称直径d0=20mm；总
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