目录
1.序言 (2)
2.技术要求 (2)
设计题目 (2)
技术数据 (2)
设计要求 (2)
3.总体结构设计 (2)
丝杠选取 (3)
计算动载荷 (3)
滚珠丝杠副的选取 (4)
计算载荷 (4)
根据Ca选择滚珠丝杠副 (4)
计算额定动载荷计算值Ca (4)
滚珠丝杠副校核 (5)
稳定性运算 (5)
计算临界转速
n (5)
K
压杆稳定性计算 (6)
滚动导轨 (6)
计算行程长度寿命 Ts (6)
计算动载荷
C………………………………………………………6、选取电j
机 (8)
电机的初选 (8)
步进电机转动的校核 (8)
4.结语 (11)
5.参考文献 (11)
1.序言
X-Y数控工作台机电系统设计是一个开环控制系统,其结构简单。实现方便而且能够保证一定的精度。降低成本,是微机控制技术的最简单的应用。它充分的利用了危机的软件硬件功能以实现对机床的控制;使机床的加工范围扩大,精度和可靠性进一步得到提高。X-Y数控工作台机电系统设计是利用8031单片机,及2764,6264存储器及8155芯片等硬件组成,在控制系统的硬件上编写一定的程序以实现一定的加工功能。其基本思想是:通过圆弧或者直线插补程序以实现对零件进行几何加工,每进行一段加工都要产生一定的脉冲以驱动电机正反转,同时通过8155(1)将相应的加工进刀信息送至刀架库中以实现以之相应的走刀,电机和刀具的相对运动所以实现了刀具对工件的加工。该控制系统采用软件中断控制系统结构及子程序结构简单，条件明确在经济型数控中应用较多。中断结构采用模块化结构设计因为这种结构便于修改和扩充，编制较为方便，便于向多处理方向发展。X-Y数控工作台机电系统设计采用步进电机作为驱动装置。步进电机是一个将脉冲信号转移成角位移的机电式数模转换器装置。其工作原理是：每给一个脉冲便在定子电路中产生一定的空间旋转磁场；由于步进电机通的是三相交流电所以输入的脉冲数目及时间间隔不同，转子的旋转快慢及旋转时间的长短也是不同的。由于旋转磁场对放入其中的通电导体既转子切割磁力线时具有力的作用，从实现了旋转磁场的转动迫使转子作相应的转动，所以转子才可以实现转子带动丝杠作相应的运动。本题目是步进电机，微型计算机，插补原理，汇编语言的综合应用，本题目设计得到了老师的帮助和支持，最后由关英俊老师审定，在此表示感谢。因本人水平有限，错误和不足之处在所难免，处理问题也有不妥之处，敬请相关老师批评指正。
2.技术要求
设计题目：X-Y双坐标联动数控工作台设计
技术数据
工作台长 宽（mm）:410*310
工作台重量（N）：2300N
脉冲当量：～P
设计要求：长*宽*高=500*200*20+2*500*48*27=*10-3 m3
（1）工作台进给运动采用滚珠丝杠螺结构
（2）滚珠丝杠支撑方式：双推—简支型
（3）驱动电机为反应式步进电机
（4）步进电机与滚珠丝杠间采用齿轮降速要求消除齿轮间隙
3.总体结构设计
数控工作台采用由步进电机驱动的开环控制结构,其单向驱动系统结构简图如图所示:
实际设计的工作台为X、Y双坐标联动工作台,工作台是由上拖板、中拖板、下拖板及导轨、滚珠丝杠等组成.其中下拖板与床身固联,它上面固定X向导轨,中拖板在下拖板的导轨上横向运动,其上固定Y向导轨,上拖板与工作台固联,在Y向导轨上移动.X、Y导轨方向互相垂直。.
滚珠丝杠选取
滚珠螺旋传动按滚动体循环方式分为外循环和内循环两类,其中应用较广的是插管式和螺旋槽式,它们各有特点,其轴向间隙的调整方法主要有垫片调隙式和螺纹调隙式。
滚珠丝杠传动副多为专业厂家生产,一般用户设计时只负责选用,在选用时主要验算其额定动载荷和临界转速,丝杠较长时还应进行压杆稳定性验算。
计算动载荷Cj
)(3/1N F K K L C a H F j ???=
4.1=F K (表1)
1.1=H K （表2）
取丝杠转速：n=100r/min
轴向载荷：N F F a 2352300*101972.0≈==μ 使用寿命：T=15000h 则额定寿命：h nT
L 9010606
==
所以动载荷N C j 76.12632350.12.19031
≈???=
所以滚珠丝杠型号为：BSS1204滚珠丝杠 精度等级C7
表1 表2
表
3 滚珠丝杠副的选取
计算载荷.
Fc=K F *K H *K A *F a
查<<机电一体化设计基础》表2—6取，K F = 查表2—7 取K H = 查表2—4 取D 级精度 查表2—8 取 K A = 取平均工作载荷F a =235N 则 Fc=***235=282N
计算额定动载荷计算值Ca
n=100r/min 使用寿命T=15000h L=60n *
610T =660*100*1500010
=90h N T
n
F C m
c a 1241*67.115000*100*282*67.1*3
4
3
4
10
10
≈==
根据Ca 选择滚珠丝杠副
根据《机电一体化设计基础》，滚珠丝杠副额定动载荷Ca 等于或者大于Ca 的原则，选用得丝杠副数据：
公称直径：（中径d 2）D 0=12mm 导程：P=4mm 滚珠直径：d 0=
根据《机电一体化设计基础》表2-1中公式得： 螺纹滚道半径：R=* d 0=*=
偏心距：e=(R- d 0/2)=* 丝杠内径d1=D0+2e-2R=12+2**=
滚珠丝杠副校核
滚珠丝杠副还要受D 0*n 的值的限制，通常要求D 0*n<7*104
mmr/min
D 0*n=12*100=1200mm*r/min<7*104
mm*r/min
所以 丝杠副工作稳定
稳定性运算
计算临界转速 K n
221
9910*(*)fc d nk l μ= （r/min ）
式中fc —临界转速系数 见表4 μ—长度系数 见表4 d 1—丝杠内径 (m)
l —丝杠工作长度 (m)
因为工作台y 向长度为310mm 可知y 向临界转速最大
min /34029)1031067.0(10591.993.39910233
2r n k =?????
=-- min /10000max r n =
因为n k >n max 所以丝杠工作时不会发生共振
表 4
压杆稳定性计算
F K =22
()EIa
l πμ （N ）
式中 F K —临界载荷
E —材料弹性模量
对于钢,E=×1110Pa
Ia —丝杠危险截面惯性矩 Ia=
m 4
9
10
02.1-?
临界载荷F cr1=
N 996431
.0*67.010*02.1*10*06.2*14.39
112≈-
F cr2=
N 1473921
.0*67.010*02.1*10*06.2*14.39
112≈- 安全系数安全系数 F cr1?F cr2
33.42300
9964
≈=
=
F
F m
cr S [=~ []
S S >=33.4丝杠安全，不失稳。
丝杠绝对安全，不会失稳。
丝杠选取无误，即选用BSS1204型滚珠丝杠。
滚动导轨
导轨是工作台系统的重要组成部分,由于滚动导轨具有定位精度高、低速无爬行、移动轻便等显著优点,故本工作台系统设计选用滚动导轨.滚动导轨应用最广的是滚珠导轨,按滚珠的循环方式分类,滚珠导轨又可分为滚珠不循环式和可循环式.在专业厂家生产的标准化滚动导轨中,都为滚动体可循环式,本次导轨设计的主要任务是根据负载情况选用标准化滚动导轨,在选用过程中,主要进行额定载荷验算.
计算行程长度寿命 Ts
Ts=2Ls ·n ·60·Th/1000 (km)
式中 Ls —工作单行程长度(m) m L sx 31.0= m L sy 21.0= n —往复次数 (次/min) min)/(645.01
3.02004
.01002次≈??==
sx x L np n
min)/(952.021
.02004
.01002次≈??==
sy y L np n Th —工作时间寿命 (h)：h T h 15000=
行程长度寿命：km T sx 91.3591000/)1500060645.031.02(=????= km T sy 856.3591000/)1500060952.021.02(=????=
计算动载荷 j C
j C =H
c T s w f f f m k T f F ?????3/1)/(
式中 F —作用在滑座上的载荷 (N)
M —滑座个数 K —寿命系数 f T —温度系数 见表5 f C —接触系数 见表6 f H —硬度系数 见表7
f W —负载系数 见表8
表5 表6
T
f
、
c
f 、
H
f 、
w
f
分别由指导书表5，6，7，8查得
T
f
=,
c
f
=,
H
f
=,
w
f
=
另取滑座个数 m=4 寿命系数一般取k=50(km) 作用在滑座上载荷F=2300N
∴N m K F f
f f T f C H
C
T
S
j 19990
.1*0.1*0.1*450360
*8.1*2300***
33
≈=
=
ω
故选取滚动导轨型号为35D HJG -
选取电机
电机的初选
t
i ??δα0360＝ （度）
式中 δ—工作台脉冲当量 (mm/P) 6
006.0 =δ i —传动系统传动比 i=2 t —滚珠丝杠导程 (mm) t=4mm
?=??2.14
26
006.03600 ＝
α 由设计指导书附录三初选型号为110BF003 由机电一体化设计基础图5-33、5-34查的 减速器采用1级传动
传动比分别为21=i 各传动齿轮齿数为： Z1=20 Z2=40 模数m=2 齿轮宽b=20mm
步进电机转矩校核
由机电一体化设计基础书中式5-36分别计算各传动件的转动惯量，其中齿轮交叉直径取分度圆直径：
mm m d Z 4020*2*11=== mm m d Z 8040*2*22=== 丝杠长度取L=600mm ∴32
4L
d p J ***=
π
2543110*9.332
02
.0*04.0*10*8.7*m kg J z ?≈=
-π
2443210*3.632
02
.0*08.0*10*8.7*m kg J z ?≈=
-π
26431008.532
32
.0*012.0*10*8.7*m kg J s ??≈=
-π
2
426
45222110*04.2250*)2
26006.0()10*08.510*3.6(4110*9.3)2()(1m kg m i
p J J i J J S z z d ?=??+++=+++=----ππ
取电动机轴自身转动惯量2310*48.3m kg J m ?=-
则步进电动机轴的总转动惯量：44410*52.510*04..210*48.3---=+=+=d m J J J 设步进电机空载启动时间为25ms ，最大进给速度：m in /0.1max m V = 导轨摩擦系数1.0=υ
空载启动时，电动机轴的惯性转矩：
m
N t p V i J f W J T T j ?≈????????=?***?=??==--69.060
10250067.01214.321052.5)/()2(/34max max π?
电动机轴上的当量摩擦转矩：
m N i pmg i
pF T ?≈==
=
153.02
*8.0*14.3*21
.0*2300*0067.022πημπημμ 其中伺服进给链的总效率8.0=η
设滚珠丝杠螺母副的与预紧力为最大轴向载荷的1/3，则因预紧力而引起，而折算到电动机轴上的附加摩擦转矩为：
m N i pF i pF T w o ??=????-??=-=-=
-103
22
0max 2007.93
28.014.32)9.01(2300067.032)1(2)1(πηηπηη 其中9.00=η
工作台的最大轴向负载折算到电动机轴上的负载转矩： m N i pF T w w ?≈????==
153.02
8.014.322300067.02max πη 则电动机空载启动时电动机轴总的负载转矩：
m N T T T T j q ?=++=++=8527.00097.0153.069.00μ 电动机轴上的总负载转矩为：
m N T T T T o
g
?=++=++=3197.0153.00097.0153.0ωμ
电动机最大静转矩Ts
按空载启动计算：
空载启动上所需电动机最大静转矩 m N c T T q s ?==
=
99.0866
.08527
.01 C= 由下表可查
按正常工作计算：
在最大外载荷下工作时所需要电动机最大静转矩： m N T T g s ?==
=
78925.04
.03197
.04
.02 Ts 取二者大的，故Ts=﹤[Ts] 步进电机的最大静转矩满足要求 频率校核
参考电动机的转矩—频率特性曲线
原则：选用步进电机应使实际应用的启动频率，运行频率与负载转矩所对应的启动，运行工作点位于该曲线之下，才能保证步进电机不失频的正常工作。 经校核满足要求。
∴选取86BYG350CL-SAKSLM-0601型步进电机
4.结语
通过本次课程设计，我更加了解了关于机电一体化方面的知识，将理论与实践进行了很好的实践。通过从图书馆查阅资料和对书上知识的掌握，使我受益匪浅，获益良多。本次课程设计利用机电控制系统，采用步进电机控制滚珠丝杠实现X —Y 方向的进给，Z 方向手动，采用主轴电机带动主轴使工件旋转，最终实现模拟加工工件，具有快速、灵活、精确的特点，该课题对机电一体化控制实验具有很好的使用价值。
本篇论文是在指导老师郝成第的指导下完成的。在研究分析的过程中，关英俊老师给予了指导，并提供了很多与该课题相关的重要信息，培养了我对事情研究分析的严谨态度和创新精神，很大程度上提高了我分析问题，解决问题的能力，这非常有利于我现在和今后的学习和工作。在此表示衷心的感谢！
5.参考文献
(1)《机电一体化设计基础》 机械工业出版社 郑堤、唐可洪主编
(2)《机床设计手册》 机械工业出版社 (3)《机械零件设计手册》 机械工业出版社
(4)《金属切削机床设计》机械工业出版社
(5)《经济型数控机床系统设计》上海科学技术出版社
(6)《机电一体化实用技术》上海科学技术文献出版社