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机电一体化系统课程设计

设计说明书

设计题目：

X－Y数控工作台机电系统设计

院校：

班级：

姓名：

学号：

2011年12月24日

机电一体化系统设计课程设计任务书

1．总体方案

1.1导轨副的选用

1.2丝杆螺母副的选用

1.3减速装置的选用

1.4伺服电动机的选用

1.5检测装置的选用

2.控制系统的设计

3.机械传动部件的计算与选型

3.1

3.2

3.3

3.4

3.5

3.6

导轨上移动部件的重量估算

铣削力的计算

直线滚动导轨副的计算与选型

滚珠丝杠螺母副的计算与选型

步进电动机减速箱的选用

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ae15mm；

4）最大背吃刀量ap8mm；

5）加工材料为碳钢；

6）X、Y方向的脉冲当量xy0.005mm/脉冲；

7）X、Y方向的定位精度均为0.01mm；

8）工作台导轨长度为1260mm；

9）工作台空载最快移动速度vxvy

3000mm/min；

10）工作台进给最快移动速度

vxmaxf

vymaxf

400

/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

设计计算与说明主要结果

间隙机构。

为此，决定采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。

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，决定采用半闭环控制，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、Y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、Y两个坐标的导轨副、丝杆螺母副、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。

2.控制系统的设计

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800N。

设计计算与说明主要结果

2.铣削力的计算

设零件的加工方式为立式铣削，采用硬质合金立铣刀，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：

118ae0.85fz0.75d

0.73a

1p.0n0.13Z

（1）

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ae15mm，背吃刀

量a

mm，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：

118150.850.10.75

150.7381.03000.133N1463NFc1463N

采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：

Ff1.1Fc1609N，Fe0.38Fc556N，Ffn0.25Fc366N。

图3-4a为卧铣情况，现在考虑立铣，则工作台受到垂直方向的铣削力FzFe556N，受到水平方向的铣

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），则纵向铣削力FxFf1609N，径向铣

削力FyFfn366N。

3.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。

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：

Ff1609N

Fe556N

Ffn366N

Fz556

Fx1609N

Fy366N

Fmax

G=800N

（2）

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FFz556N，代入式

（2），得最大工作载荷Fmax756N

0.756kN。

Fmax

0.756

查表3-41，根据工作载荷Fmax

0.756KN，初选直线滚动导

轨副的型号为KL系列的JSA-LG15型，其额定动载荷Ga7.94kN，

额定静载荷G0a9.5kN。

7.94kN

G0a

9.5kN

（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

1.0、温度系数

1.00、接触系数

fC0.81、精度系数fR

0.9、载荷系数

1.5，代入式（3-33），的距离寿命：

fHfTfCfR

506649km

Fmax

L6649

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）Fx1609N，受到横

向的载荷（与丝杠轴线垂直）Fy366N，受到垂直方向的载荷

（与工作台垂直）Fz

556

N。

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

μ=0.005。

求得滚珠丝杠副的最大工作载荷：

FmKFx

（Fz

G）

Fm1779N

[1.11609

0.005

（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

设

计

算

与

说明

主要结果

最快进给速度v=400mm/min，初选丝杠导程Ph

5mm，则此时Ph

5mm

丝杠转速nv/Ph

80r/min

。

v=400mm/min

80r/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

（单位为106

r）。

T=15000h

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（3-23），求得最大载荷：

1.2

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×1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η的计算将公称直径Do20mm，导程

5mm，代入

arctanPh/

，得丝杠螺旋升角

455,，。

将摩擦角=10′代入

tan/tan（），得传动

效率

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—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

a=500mm；钢的弹性模量E2.1105MPa；查表3-31，得滚

珠直径Dw3.175mm，丝杠底径d216.2mm，丝杠截面面积

Sd22/4206.12mm2。

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

Do20mm

Ph5mm

433,，

96.4%

E2.1105MPa

d216.2mm

设

计

计算

与

说

明

Fma/（ES）[1779

500/（2.1

105

206.12）]mm0.0205mm

。

2）根据公式Z

（d0/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×列数为

3×1，代入公式

Z圈数列数

，得滚珠总数量Z

60。

丝杠预紧时，

取轴向预紧力FYJ

Fm/3593N

。

则由式（3-27），求得滚珠

与螺纹滚道间的接触变形量20.0026mm。

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20.0013mm。

主要结果

ZZ60

FYJ593N

3）将以上算出的1和

2代入总1

2，求得丝杠总变

总21.8m

形量（对应跨度500mm）总

0.0218mm

21.8m。

本例中，丝杠的有效行程为670mm，由表3-27知，5级精度滚珠丝杠有效行程在315～400mm时，行程偏差允许达到25μm，可见丝杠刚度足够。

（6）压杆稳定性校核根据公式（3-28）计算失稳时的临

界载荷Fk。

查表3-34，取支承系数fk

1；由丝杠底径

d216.2mm求得截面惯性矩Id24/64

3380.88mm4；压杆

稳定安全系数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500mm。

代入式（3-28），得临界载荷

2EI

，远大于工作载荷Fm

1779N，故丝杠

29343N

不会失稳。

综上所述，初选的滚珠丝杠副满足使用要求

5步进电动机减速箱的选用

为了满足脉冲当量的设计要求，增大步进电动机的输出转

矩，同时也是为了使滚珠丝杠和工作台的转动惯量折算到电动机转轴上尽可能地小，今在步进电动机的输出轴上安装一套齿

轮减速箱。

采用一级减速，步进电机的输出轴与小齿轮连接，

Fk9343N

Fm1779N

设计计

算

与说明

主要结果

滚珠丝杠的轴头与大齿轮连接。

其中大齿轮设计成双片结构，

采用图3-8所以的弹簧错齿法消除侧隙。

已知工作台的脉冲当量

0.005mm/脉冲，滚珠丝杠的导程

0.75

ph5mm，初选步进电机的步进角

0.75。

根据式（3-12），

算得减速比：

i（Ph）/（360）

（0.75

5）/（3600.005）25/12

25/12

本设计选用常州市新月电机有限公司生产的JBF-3型齿

轮减速箱。

大小齿轮模数均为1mm，齿数比为75：

36，材料

为45

调制刚，齿表面淬硬后达HRC55。

减速箱中心距为

（75

36）25/12mm55.5mm，小齿轮厚度为20mm，双片

大齿轮厚度均10mm。

6步进电动机的计算与选型

步进电动机的计算与选型参见第四章第三节相关内容。

（1）计算加在步进电机转轴上的总转动惯量Jeq已知：

滚珠丝杠的公称直径

d020mm，总长

l500mm，导程

5mm，材料密度

7.85103kg/cm3

；移动部件总重力

800N；小齿轮度b1

20mm，直径d1

36mm；大齿轮度

20mm，直径d275mm；转动比i

25/12。

如表4-1所示，算得各个零件部件的转动惯量如下（具

体计算过程从略）：

滚珠丝杠的转动惯量

Js0.617kg.cm2；

拖板折算到丝杠上的转动惯量JW0.517kg.cm2；小齿轮的转

动惯量JZ10.259kg.cm2；大齿轮的转动惯量

JZ24.877kg.cm2。

初选步进电动机型号为90BYG2602，为两相混合式，由常州

d020mm

l500mm

Ph5mm

b120mm

b220mm

Js0.617kg.cm2

JZ1

0.259kg.cm2

JZ2

4.877kg.cm2

宝马集团公司生产，二相八拍驱动时步距角0.75，从表4-5

设计计算

与

说

明

主要结果

查得该型号电动机转子的转动惯量

4kg.cm2

。

则加在步进电机转轴上的总转动惯量为：

Jeq

JmJz1（Jz2JwJs）/i2

30.35kg.cm2

Jeq

30.35kg.cm2

（2）

计算加子在步进电机转轴上的等效负载转矩

Teq

分快速空载起动和承受最大工作负载两种情况进行计算。

1）快速空载起动时电动机转轴所承受的负载转矩Teq1由式（4-8）可知，Teq1包括三部分：

一部分是快速空载起动

时折算到电动机转轴上的最大加速转矩

Tamax；一部分是移

动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩

Tf；还有一

部分是滚珠丝杠预紧后折算到电动机转轴上的附加摩擦转

矩T0。

因为滚珠丝杠副传动效率很高，根据式

（4-12）可知，

T0相对于Tamax和Tf很小，可以忽略不计。

则有：

Teq1TamaxTf

（6-13）

根据式（4-9），考虑传动链的总效率，计算快速空载

起动时折算到电动机转轴的最大加速转矩：

Tamax

2Jeqnm1

60ta

（6-14

）

式中nm——对空载最快移动速度的步进电动机最高转速，单位为r/min；

ta——步进电动机由静止到加速到n转速所需的时间，

单位为s。

其中：

vmax

360

（6-15）

设

计

算

与说明

主要结果

式中vmax——空载最快移动速度，任务书指定为

3000mm/min；

——步进电动机步距角，预选电动机为

0.75；

——脉冲当量，本例

0.005mm/脉冲。

将以上各值代入式（6-15），算得

1250r/min

设步进电动机由静止到加速至

n转速所需时间t=0.4s，

传动链总效率

=0.7。

则由式（6-14）

求得：

Tamax

30.5104

1250Nm1.42Nm

Tamax

1.42Nm

0.4

0.7

由式（4-10）可知，移动部件运动时，折算到电动机转轴上的摩擦转矩为：

（Fz

G）Ph

（6-16

）

式中——导轨的摩擦因数，滚动导轨取0.005;

Fz——垂直方向的铣销力，空载时取0;

——传动链总效率，取0.7。

则由式（6-16）

，得：

0.005

（01000）0.005N.m0.002N.m

0.7

25/12

最后由式（6-13）求得快速空载起动时电动机转轴所承受的负载转矩：

Teq1TamaxTf1.422N.m

2）最大工作负载状态下电动机转轴所承受的负载转矩T由式（4-13）可知，T包括三部：

一部分是折算到电动机转轴上

的最大工作负载转矩T;一部分是移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩T;还有一部分是滚珠丝杠预紧后折算到电动机转轴上的附加摩擦转矩T，T相对于T和T很小，可以忽略不计。

则有：

0.002N.m

Teq11.422N.m

设计计算

与说明

主要结果

Teq2

其中，折算到电动机转轴上的最大工作负载转矩

T由式

（4-14）计算。

本例中在对滚珠丝杠进行计算的时候，

已知沿着

丝杠轴线方向的最大进给载荷F=1609N.m，则有：

nm1250

将以上各值代入式（6-15），算得nm

1250r/min

r/min

设步进电动机由静止到加速至

n转速所需时间t=0.4s，

传动链总效率=0.7。

则由式（6-14）求得：

Tamax

230.351041250Nm1.422Nm

0.4

0.7

由式（4-10）

可知，移动部件运动时，折算到电动机转轴上

Tamax1.422

的摩擦转矩为：

（Fz

G）Ph

式中——导轨的摩擦因数，滚动导轨取0.005;

Fz——垂直方向的铣销力，空载时取0;

——传动链总效率，取0.7。

则由式（6-16），得：

0.005

（0800）0.005

N.m0.002N.m

0.725/12

最后由式（6-13）求得快速空载起动时电动机转轴所承受的负载转矩：

Teq1TamaxTf1.422N.m

2）最大工作负载状态下电动机转轴所承受的负载转矩T由式（4-13）可知，T包括三部：

一部分是折算到电动机转轴上的最大工作负载转矩T;一部分是移动部件运动时折算到电动

机转轴上的摩擦转矩T;还有一部分是滚珠丝

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