武汉纺织大学机电工程院
班级： 学号： 姓名： 指导老师：
机电一体化课程设计说明
书
摘要
模块化的小幅面平板式单坐标画笔驱动系统，通常由导轨座、移动滑块、工作平台、滚珠丝杠副，以及伺服电动机等部件组成。其外观形式如图1-1所示。其中，伺服电动机作为执行元件用来驱动滚珠丝杠，通过直齿圆柱齿轮的减速传动，滚珠丝杠的螺母带动滑块和工作平台仔导轨上运动，完成工作台在X方向的直线移动，调动画笔的高度从而实现直线的生成。导轨副、滚珠丝杠螺母副和伺服电动机等均已标准化，由专门厂家生产，设计时只需根据工作载荷选取即可。控制系统根据需要，可以选用标准的工业控制计算机，也可以设计专门的微机控
1 机电一体化方向专业课程设计任务书
2 总体方案设计
2.1 设计任务
设计一个数控X-Y小幅面平板式绘图仪，该用于图纸幅面A5以下的图形绘制，重复定位精度为±0.5mm。
设计参数如下：
台面尺寸C×B×H＝210mm×148mm×10mm；
底座外形尺寸C1×B1×H1＝430mm×160mm×20mm；
最大长度L=500mm；
工作台加工范围X=210mm，Y=148mm；
工作台最大快移速度为1m/min。
2.2 总体方案确定
2.2.1 系统的运动方式与伺服系统
由于绘图移动的过程中，应用点位控制系统。定位方式采用增量坐标控制。为了简化结构，降低成本，采用步进电机开环伺服系统驱动X-Y工作台。并选用MCS-51系列的ATR89C52作开环控制，与CPU、程序存储器、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．选择合适的驱动电源，与步进电动机配套使用组成完整的控制系统，X、Y两工作位元件拟采用相同的型号与规格。
2.2.2 X-Y工作台的传动方式
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，因此采用无预加载荷的HG系列滚珠导轨，采用滚珠直线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。
系统总体框架图
3 机械系统设计
3.1 工作台外形尺寸及重量估算
X向拖板（上拖板）尺寸：
长⨯宽⨯高 145×160×10
重量：按重量=体积×材料比重估算
3214516010107.81018--⨯⨯⨯⨯⨯≈N
Y 向拖板（下拖板）尺寸： 长⨯宽⨯高 14516010⨯⨯ 重量：约18N 。
上导轨座（连电机）重量：
223(3001402022108)7.81010 1.11084π--⨯⨯+⨯⨯⨯⨯⨯⨯+⨯≈()N
夹具及工件重量：约10N 。
X-Y 工作台运动部分的总重量：约120N 。
3.2 滚动导轨的参数确定 3.2.1 导轨型式：直线滚动导轨 3.2.2 导轨长度
①上导轨（X 向）
②下导轨（Y 向）
3.2.3 直线导轨副的设计计算
作用在滑块上的载荷130M F N
=，滑座数M=4，则
13032.544M
F F N =
==，
单项行程长度
148/210S L mm
=，每分钟往返次数K=5，工作寿命10000h.
按下导轨计算导轨类型：
由
3
10260s h s T T L n ⨯=
⨯⨯ 得： 2520s T km = 由于每根导轨使用两个滑座，查表知0.81
c f =,取
1,1,2
H T W f f f ===。计算动
载荷
'
a C ，根据额定寿命计算公式可知：
'
297a H T C C N
===
初选直线导轨型号：HGW15 CA
3.2.3 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。
3.3 滚珠丝杠的设计计算
滚珠丝杠的负荷仅为运动部件的重量所引起的进给抗力。
3.3.1 最大动负载Q 的计算
Q = 查表得系数1
f ω=，
1
c f =，
1
a f =寿命值
查表得使用寿命时间
15000
h L =h ，初选丝杠螺距t=4mm ，得丝杠转速
max 100010001
250(/min)4m V n r t ⨯=
==
得：
Q ==
X 向丝杠牵引力
1.414x x
P f G =当
()
f 当——当量摩擦系数
1.4140.01300.424()N =⨯⨯= Y 向丝杠牵引力
1.4141.4140.01130 1.84()y y
P f G N ==⨯⨯= 所以最大动负荷
X 向
110.424 2.58()x Q N =⨯⨯= Y 向
11 1.8411.2()
y Q N =⨯⨯=
查表，取滚珠丝杠公称直径 010d mm
=，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。
3.3.2 滚珠丝杠螺母副几何参数计算
表2-1 滚珠丝杠螺母副几何参数
