十字滑臺系統(tǒng)設(shè)計 課程設(shè)計

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1、 重慶理工大學(xué) 機(jī)電一體化課程設(shè)計 X-Y水平十字滑臺 說明書 班級： 學(xué)號： 專業(yè)：機(jī)械設(shè)計制造及其自動化 姓名： 教師： 時間：2015年6月22日-7月10日 機(jī)電一體化課程設(shè)計 目 錄 一、設(shè)計目的 2 二、設(shè)計任務(wù) 2 三、總體方案的確定 3 1、機(jī)械傳動部件的選擇.............................................

2、.............................................................3 2、控制系統(tǒng)的設(shè)計..................................................................................................................4 四、機(jī)械傳動部件的計算與選型 4 1、導(dǎo)軌上移動部件的重量估算....................................................................

3、..........................4 2、銑削力的計算......................................................................................................................4 3、直線滾動導(dǎo)軌副的計算與選型..........................................................................................7 4、滾珠絲杠螺母副的計算與選型.......

4、...................................................................................9 5、步進(jìn)電動機(jī)減速箱的選用..................................................................................................13 6、步進(jìn)電動機(jī)的計算與選型..............................................................................

5、...................13 7、增量式旋轉(zhuǎn)編碼器的選用.................................................................................................19 8、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器的選擇.....................................................................................................19 9、聯(lián)軸器的選擇..........................

6、..........................................................................................21 五、工作臺機(jī)械裝配圖的繪制 22 六、 工作臺控制系統(tǒng)的設(shè)計..........................................................................................................22 七、 十字滑臺運(yùn)動控制程序的編制...........................................

7、...................................................22 八、 結(jié)語 ..................................................................................................................................25 參考文獻(xiàn).................................................................................................

8、.........................................26 25 一、 設(shè)計目的 課程設(shè)計是一個重要的時間性教學(xué)環(huán)節(jié)，要求學(xué)生綜合的運(yùn)用所學(xué)的理論知識，獨(dú)立進(jìn)行設(shè)計訓(xùn)練，主要目的： 1、 通過設(shè)計，使學(xué)生全面地、系統(tǒng)地了解和掌握數(shù)控機(jī)床的基本組成及其思想知識，學(xué)習(xí)總體的方案擬定，分析與比較的方法。 2、 通過對機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計，掌握幾種典型傳動元件與導(dǎo)向元件的工作原理、設(shè)計計算及選用的方式 3、 培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立分析問題和解決問題的能力，學(xué)習(xí)并樹立“系統(tǒng)設(shè)計”的思想 4、 鍛煉提高學(xué)生應(yīng)用手冊和標(biāo)準(zhǔn)、查閱文獻(xiàn)資料及撰寫科技論文的能力 二

9、、 設(shè)計任務(wù) 1、設(shè)計題目 X-Y數(shù)控工作臺機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計 2、任務(wù) 設(shè)計一種供立式數(shù)控銑床使用的X-Y數(shù)控工作臺。要求可以設(shè)定工作臺的運(yùn)動速度，實現(xiàn)正向/反向點(diǎn)動、正向/反向連續(xù)運(yùn)動、啟動、停止、急停、軟硬限位等功能。 3、主要設(shè)計參數(shù) 1. 立銑刀最大直徑d=16mm 2. 立銑刀齒數(shù)Z=3 3. 最大銑削寬度ac=10mm 4. 最大銑削深度ap=8mm 5. 加工材料為碳素鋼 6. X，Y方向的脈沖當(dāng)量都為0.01mm/脈沖 7. X，Y方向的定位精度都為±0.02mm 8. 工作臺面尺寸為350mm×350mm,加工范圍為450mm×450

10、mm 9. X,Y方向工作臺空載最快移動速度都為2500mm/min 10. X，Y方向工作臺進(jìn)給速度都為400mm/min 三、總體方案的確定 1、機(jī)械傳動部件的選擇 （1）導(dǎo)軌副的選用 要設(shè)計的X-Y工作臺是用來配套輕型的立式數(shù)控銑床，需要承載的載荷不大，但脈沖當(dāng)量小()，定位精度高（），因此，決定選用直線滾動導(dǎo)軌副，它具有摩擦系數(shù)小、不易爬行、傳動效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、安裝預(yù)緊方便等優(yōu)點(diǎn)。 選直線滾動導(dǎo)軌副 （2）絲杠螺母副的選用 伺服電動機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動需要通過絲杠螺母副轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動，要滿足0.01mm的脈沖當(dāng)量和±0.01mm的定

11、位精度，滑動絲杠副無能為力，只有選用滾珠絲杠副才能達(dá)到。滾珠絲杠副的傳動精度高、動態(tài)響應(yīng)快、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、壽命長、效率高、預(yù)緊后可消除反向間隙，而且滾珠絲杠已經(jīng)系列化，選用非常方便，有利于提高開發(fā)效率。 選滾動絲杠螺母副 （3）減速裝置的選用 選擇了步進(jìn)電動機(jī)和滾珠絲杠副以后，為了圓整脈沖當(dāng)量，放大電動機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩，降低運(yùn)動部件折算到電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的轉(zhuǎn)動慣量，可能需要減速裝置，且應(yīng)有消除間隙機(jī)構(gòu)。 擬采用減速器 （4）伺服電動機(jī)的選用 任務(wù)書規(guī)定的脈沖當(dāng)量尚未達(dá)到0.001mm，定位精度也未達(dá)到微米級，空載最快移動速度也只有2500mm/min。因此，本設(shè)計不必采用高檔次

12、的伺服電動機(jī)，如交流伺服電動機(jī)或直流伺服電動機(jī)等，可以選用性能好一些的步進(jìn)電動機(jī)，如混合式步進(jìn)電動機(jī)，以降低成本，提高性價比。 伺服電機(jī)選步進(jìn)電機(jī) （5）檢測裝置的選用 選用步進(jìn)電動機(jī)作為伺服電動機(jī)后，可選開環(huán)控制，也可選閉環(huán)控制。任務(wù)書所給精度對于步進(jìn)電動機(jī)來說還是偏高的，為了確保電動機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中不受切削負(fù)載和電網(wǎng)的影響而失步，決定采用半閉環(huán)控制，并在電動機(jī)的尾部轉(zhuǎn)軸上安裝增量式旋轉(zhuǎn)編碼器，用以檢測電動機(jī)的轉(zhuǎn)角與轉(zhuǎn)速。增量式旋轉(zhuǎn)編碼器的分辨率應(yīng)與步進(jìn)電動機(jī)的步距角相匹配。 考慮到X、Y兩個方向的加工范圍相同，承受的工作載荷相差不大，為了減少設(shè)計工作量，X、Y兩個坐標(biāo)的導(dǎo)軌副、絲杠螺

13、母副、減速裝置、伺服電動機(jī)，以及檢測裝置擬采用相同的型號與規(guī)格。 檢測裝置的選用：增量式旋轉(zhuǎn)編碼器 2、控制系統(tǒng)的設(shè)計 （1）設(shè)計的X-Y工作臺準(zhǔn)備用在數(shù)控銑床上，其控制系統(tǒng)應(yīng)該具有單坐標(biāo)定位、兩坐標(biāo)直線插補(bǔ)與圓弧插補(bǔ)的基本功能，所以控制系統(tǒng)應(yīng)該設(shè)計成連續(xù)控制型。 連續(xù)控制型 （2）對于步進(jìn)電動機(jī)的半閉環(huán)控制，選用MPC2810運(yùn)動控制卡，應(yīng)該能夠滿足任務(wù)書給定的相關(guān)指標(biāo)。 控制器選：MPC2810運(yùn)動控制卡 （3）要設(shè)計一臺完整的控制系統(tǒng)，在選擇運(yùn)動控制卡之后，還需要轉(zhuǎn)接板作為與其他電器元件連接的樞紐。 需要轉(zhuǎn)接板 （4）選擇合適的驅(qū)動電源，與步進(jìn)電動機(jī)配套使用，我

14、們將自行設(shè)計。 自行設(shè)計步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電源 整體方案設(shè)計 系統(tǒng)總體方案圖 四、機(jī)械傳動部件的計算與選型 1、導(dǎo)軌上移動部件的重量估算 按照下導(dǎo)軌上面移動部件的重量來進(jìn)行估算。包括工件、夾具、工作平臺、上層電動機(jī)、減速箱、滾珠絲杠副、直線滾動導(dǎo)軌副、導(dǎo)軌座等，估計重量約為900N。 G=900N 2、銑削力的計算 設(shè)零件的加工方式為立式銑削，采用硬質(zhì)合金立銑刀，工件的材料為碳鋼。則由表2-1查得立銑時的銑削力計算公式為： 硬質(zhì)合金銑刀銑削力的計算公式（單位N）[3]16 銑刀類型 工件材料 銑削力公式 面銑刀 碳鋼 灰鑄鐵

15、 可鍛鑄鐵 圓柱銑刀 碳鋼 灰鑄鐵 三面刃銑刀 碳鋼 兩面刃銑刀 立銑刀 期中：ap為背吃刀量mm；ae為側(cè)吃刀量mm；fz為每齒進(jìn)給量mm/Z；vf進(jìn)給速度mm/min；Z銑刀齒數(shù)；d銑刀直徑mm；n銑刀轉(zhuǎn)速r/min，見圖2-1。 （2-1） 圖2-1 銑削用量說明 若銑刀直徑d=16mm，齒數(shù)Z=3，為了計算最大銑削力，在不對稱銑削情況下，取最大銑削寬度ae=10mm，背吃刀量ap=8，每齒進(jìn)給量fz=0.1mm/Z；銑刀轉(zhuǎn)速n=300r/min。則由公式2-1求得最大銑削力： 采用立銑刀進(jìn)行圓柱銑削時，各銑削

16、力之間的比值可由表2-2。 表2-2 各銑削力之間比值 銑削條件 比值 對稱銑削 不對稱銑削 逆銑 順銑 端銑削 ae=(0.4~0.8)d/mm fz=(0.1~0.2)/(mm.z-1)) Ff / Fc 0.3～0.4 0.6～0.9 0.15～0.3 Fe / Fc 0.85～0.95 0.45～0.70 0.9～1.0 Ffn / Fc 0.50～0.55 0.50～0.55 0.5～0.55 圓柱銑削 ae=0.05 d/mm fz=(0.1~0.2)/(mm.z-1)) Ff / Fc 1.0～1.2

17、 0.8～0.9 Ffn / Fc 0.2～0.3 0.75～0.8 Fe / Fc 0.35～0.4 0.325～0.4 圖2-2 銑削力分析 圖2-3 順銑與逆銑 由表2-2，圖2-2和圖2-3，考慮逆銑情況，可估算出三個方向的銑削力分別為： 圖2-3a為臥銑情況，現(xiàn)考慮立銑，則工作臺受到垂直方向的銑削力Fz=Fe=376N，受到水平方向的銑削力分別為Ff和Ffn。今將水平方向較大的銑削力分配給工作臺的縱向（絲杠軸線方向），則縱向銑削力Fx=Ff=1088N，徑向銑削力Fy=Ffn=247N。

18、 Fz=376N Fx=1088N Fy=247N 3、直線滾動導(dǎo)軌副的計算與選型 （1）滑塊承受工作載荷Fmax的計算及導(dǎo)軌型號的選取 工作載荷是影響直線滾動導(dǎo)軌副使用壽命的重要因素。X-Y工作臺采用水平布置，利用雙導(dǎo)軌、四滑塊的支承形式?？紤]最不利的情況，即

19、垂直于臺面的工作載荷全部由一個滑塊承擔(dān)，則單滑塊所受的最大垂直方向載荷為： (2-2) 其中，移動部件重量G=900N，外加載荷F=FZ=376N，代入式2-2得最大工作載荷 查表3-41【3】48，根據(jù)工作載荷Fmax=0.609kN，初選直線滾動導(dǎo)軌副的型號為ZL系列的JSA-LG15型，其額定動載荷Ca=7.94kN，額定靜載荷C0a=9.5kN。 任務(wù)書規(guī)定工作臺面尺寸為350mm×350mm，加工范圍為450mm×450mm，考慮工作行程應(yīng)留有一定余量，查表3-35[3]45，按標(biāo)準(zhǔn)系列，選取導(dǎo)軌長度為820mm.

20、表3-35 JSA型導(dǎo)軌長度系列 導(dǎo)軌型號 導(dǎo)軌長度系 JSA-LG15 280 340 400 460 520 580 640 700 760 820 940 JSA-LG20 340 400 520 580 640 760 820 940 1000 1120 1240 JSA-LG25 460 640 800 1000 1240 1360 1480 1600 1840 1960 3000 JSA-LG35 520 600 840 1000 1080 1240 1480 1720 2200 2

21、440 3000 JSA-LG45 550 65 750 850 950 1250 1450 1850 2050 2550 3000 JSA-LG55 660 780 900 1020 1260 1380 1500 1980 2220 2700 3000 JSA-LG65 820 970 1120 1270 1420 1570 1720 2020 2320 2770 3000 導(dǎo)軌副的型號:ZL系列的 JSA-LG15型 導(dǎo)軌長度為820mm (2) 距離額定壽命L的計算 上述選取的ZL系列JS

22、A-LG15型導(dǎo)軌副的滾道硬度為60HRC，工作溫度不超過100℃，每根導(dǎo)軌上配有兩只滑塊，精度為4級，工作速度較低，載荷不大。查表 表2-4 硬度系數(shù) 滾道硬度（HRC） 50 55 58~64 fH 0.53 0.8 1.0 表2-5 溫度系數(shù) 工作溫度/℃ <100 100~150 150~200 200~250 fT 1.00 0.90 0.73 0.60 表2-6 接觸系數(shù) 每根導(dǎo)軌上滑塊數(shù) 1 2 3 4 5 fC 1.00 0.81 0.72 0.66 0.61 表2-7 精度系數(shù) 精度等級 2 3 4

23、 5 fR 1. 1.0 0.9 0.9 表2-8 載荷系數(shù) 工況 無外部沖擊或震動的低速場合，速度小于15m/min 無明顯沖擊或振動的中速場合，速度為15～60m/min 有外部沖擊或振動的高速場合，速度大于60m/min fW 1~1.5 1.5~2 2~3.5 分別取硬度系數(shù)fH=1.0、溫度系數(shù)fT=1.00、接觸系數(shù)fC =0.81、精度系數(shù)fR =0.9、載荷系數(shù)fW =1.5，代入式2-3【3】46，得所選絲杠的距離壽命為180km。 （2-3） 即 結(jié)論：所選導(dǎo)軌的距離壽命遠(yuǎn)大于期望值50km，故距離額定壽命滿足要求。

24、 距離壽命為180km遠(yuǎn)大于期望值50km，故距離額定壽命滿足要求 4、滾珠絲杠螺母副的計算與選型 （1）最大工作載荷Fm的計算 在立銑時，工作臺受到進(jìn)給方向的載荷（與絲杠軸線平行）Fx=2082N，受到橫向的載荷（與絲杠軸線垂直）Fy=473N，受到垂直方向的載荷（與工作臺面垂直）Fz=719N。 已知移動部件總重量G=900N，按矩形導(dǎo)軌進(jìn)行計算，查表2-9【3】38， 表2-9 最大工作載荷Fm實驗計算公式及參考系數(shù) 導(dǎo)軌類型 實驗公式 K μ 矩形導(dǎo)軌 1.1 0.15 燕尾導(dǎo)軌 1.4 0.2 三角形或綜合導(dǎo)

25、軌 1.15 0.15~0. 8 注：表中摩擦因數(shù)μ均為滑動導(dǎo)軌。對于貼塑導(dǎo)軌μ=0.03～0.05，滾動導(dǎo)軌μ=0.003～0.005。 表中，F(xiàn)x為進(jìn)給方向載荷，F(xiàn)y為橫向載荷，F(xiàn)z為垂直載荷，單位均為N；G為移動部件總重力，單位為N；K為顛覆力矩影響系數(shù)；μ為導(dǎo)軌的摩擦系數(shù)。 取移動部件總重量G=900N，按矩形導(dǎo)軌進(jìn)行計算，查表2-9，取顛覆力矩影響系數(shù)K=1.1，滾動導(dǎo)軌上的摩擦因素μ=0.005。求得滾珠絲杠副的最大工作載荷：、 最大工作載荷： （2）最大動載荷FQ的計算 設(shè)工作臺在承受最大銑削

26、力時的最快進(jìn)給速度v=400mm/min，初選絲杠導(dǎo)程Ph=4mm，則此時絲杠轉(zhuǎn)速n=v/Ph=100r/min。 取滾珠絲杠的使用壽命T=15000h，代入L0=60nT/106，得絲杠壽命系數(shù)L0=90（單位為：106r）。 查表2-10【3】39，取載荷系數(shù)fW=1.2，滾道硬度為60HRC時，取硬度系數(shù)fH=1.0，代入式2-4【3】38 （2-4） 即： 式中：L0——滾珠絲杠副的壽命，單位（106r）。L0=60nT/106，（其中T為使用壽命，普通機(jī)械取T=5000~10000h，數(shù)控機(jī)床及一般機(jī)電設(shè)備取T=15000h；n為絲杠

27、每分鐘轉(zhuǎn)速）； fW——載荷系數(shù)，由表2-10查得。 fH——硬度系數(shù)（≥58HRC時，取1.0；等于55HRC時，取1.11；等于52.5HRC時，取1.35；等于50HRC時，取1.56；等于45HRC時，取2.40）； Fm——滾珠絲杠副的最大工作載荷，單位為N。 表2-10 滾珠絲杠載荷系數(shù) 運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài) 載荷系數(shù)fW 平穩(wěn)或輕度沖擊 1.0～1.2 中等沖擊 1.2～1.5 較大沖擊或振動 1.5～2.5 （3）初選型號 最大動載荷FQ=6475N 根據(jù)計算出的最大動載荷和初選的絲杠導(dǎo)程，查附件

28、3表3-31【3】39，選擇濟(jì)寧博特精密絲杠制造有限公司生產(chǎn)的GD系列2504-4型滾珠絲杠副，為內(nèi)循環(huán)固定反向器單螺母式，其公稱直徑為25mm，導(dǎo)程為4mm，循環(huán)滾珠為3圈×2列，精度等級取5級，額定動載荷為7674N，大于FQ，滿足要求。 GD系列2504-4型滾珠絲杠副 （4）傳動效率η的計算 將公稱直徑d0=25mm，導(dǎo)程Ph=4mm，代入，得絲杠螺旋升角將摩擦角代入，得傳動效率。 效率要求大于90%，該絲杠副合格。 >90%，合格。 （5）剛度的驗算 1）X-Y工作臺上下兩層滾珠絲杠副的支承均采用“單推-單推”的方式。絲杠的兩端各采用一對推力角接觸球軸承，面

29、對面組配，左、右支承的中心距離約為a=550mm；鋼的彈性模量E=2.1×105MPa；查附件3，得滾珠直徑DW=2.381mm，絲杠底徑d2=22.1mm，絲杠截面積。 絲杠的拉伸或壓縮變形量δ1在總變形量中的比重較大，可按下式計算： (2-5)[3]41 式中：Fm——絲杠的最大工作載荷，單位為N a——絲杠兩端支承間的距離，單位為mm E——絲杠材料的彈性模量，鋼的E=2.1×105MPa S——絲杠按底徑d2確定的截面積，單位為mm2 M——轉(zhuǎn)矩，單位為N·mm I——絲杠按底徑d2確定

30、的截面積慣性矩（），單位為mm4 滾珠與螺紋滾道間的接粗變形量δ2 無預(yù)緊時 (2-6)[3]41 有預(yù)緊時 (2-7)[3]41 式中 DW——滾珠直徑，mm Z∑——滾珠總數(shù)量，Z∑=Z×圈數(shù)×列數(shù) Z——單圈滾珠數(shù)，（外循環(huán)），（內(nèi)循環(huán)） FYJ——預(yù)緊力，單位N 忽略式2-5中的第二項，算得絲杠在工作載荷Fm作用下產(chǎn)生的拉/壓變形量=0.0124mm 即 2）根據(jù)公式，求得單圈滾珠數(shù)Z=30；該型號絲杠為單螺母，滾珠的圈數(shù)×列數(shù)為3×2，

31、代入公式：ZΣ=Z×圈數(shù)×列數(shù)，得滾珠總數(shù)量ZΣ=180。絲杠預(yù)緊時，取軸向預(yù)緊力FYJ=Fm/3=1204/3401N。則由式2-7，滾珠與螺紋滾道間的接觸變形量δ2 因為絲杠加有預(yù)緊力，且為軸向負(fù)載的1/3，所以實際變形量可減小一半， δ2=0.00055mm。 3）將以上算出的δ1和δ2代入 。 絲杠的有效行程為528mm，由表3-27【3】35知，5級精度滾珠絲杠有效行程在500～630mm時，行程偏差允許達(dá)到32μm，可見絲杠剛度足夠。

32、 絲杠剛度足夠 （6）壓桿穩(wěn)定性校核 滾珠絲杠是屬于受軸向力的細(xì)長桿，如果軸向負(fù)載過大，則可能產(chǎn)生失穩(wěn)現(xiàn)象。失穩(wěn)時的臨界載荷Fk應(yīng)滿足： （2-8）【3】42 式中 Fk——臨界載荷，單位N fk——絲杠支承系數(shù)，如表所示 K——壓桿穩(wěn)定安全系數(shù)，一般取2.5～4，垂直安裝時取小值； A——滾珠絲杠兩端支承間的距離，單位為mm。 表2-11 絲杠支承系數(shù)【3】42 方式 雙推-自由 雙推-簡支 雙推-雙推 單推-單推 fk

33、 0.25 2 4 1 查表2-11，取fk=1；由絲杠底徑d2=16.2mm，求得截面慣性矩： ；壓桿穩(wěn)定系數(shù)K取3（絲杠臥式水平安裝）；滾動螺母至軸向固定處的距離a取最大值780mm。代入式2-8，得臨界載荷Fk≈13297N，遠(yuǎn)大于工作載荷Fm=1204N，故絲杠不會失穩(wěn)。 絲杠不會失穩(wěn) 綜上所述，初選的滾珠絲杠副滿足使用要求。 綜上所述，初選的滾珠絲杠副滿足使用要求 5、步進(jìn)電動機(jī)減速箱的選用 已知工作臺脈沖當(dāng)量δ=0.01mm/脈沖，滾珠絲杠導(dǎo)程Ph=4mm，初選步進(jìn)電

34、機(jī)步距角 α=0.9°，由公式，傳動比為1時達(dá)不到減速的效果，故本次設(shè)計不需要減速器。 6、步進(jìn)電動機(jī)的計算與選型 （1）初選步進(jìn)電機(jī)的型號 1）空載狀態(tài)下電機(jī)轉(zhuǎn)軸所受負(fù)載包括三部分，一部分是電動機(jī)空載啟動時折算到轉(zhuǎn)軸上最大加速度轉(zhuǎn)矩Tmax，一部分是移動部件運(yùn)動時折算到計算機(jī)轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩Tf，還有一部分是滾珠絲杠預(yù)緊后折算到電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的附加摩擦轉(zhuǎn)矩T0，T0相對于Tt和Tf很小，可以忽略不計。則有： 由公式 式中： Jeq——步進(jìn)電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動慣量，kg

35、.m2 ε——電動機(jī)轉(zhuǎn)軸的角加速度，rad/s2 nm——電動機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min ta——電動機(jī)加速所用時間，s,一般在0.3～1s之間選取。(這里取0.4s) η——總效率，取η=0.7 式中 vmax——空載最快移動速度，任務(wù)書指定為2500mm/min; α——步進(jìn)電機(jī)步距角，預(yù)選電動機(jī)為0.9° δ——脈沖當(dāng)量，任務(wù)書指定為0.01mm/P 由式得 （2-11） 式中 F摩——導(dǎo)軌的摩擦力，N Ph——滾珠絲杠導(dǎo)程，m η——總傳動效率，取

36、η=0.7 i——總的傳動比，i=nm/ns，其中nm為電動機(jī)轉(zhuǎn)速，ns為絲杠的轉(zhuǎn)速。 μ——導(dǎo)軌摩擦因數(shù)（滑動導(dǎo)軌取0.15~0.18）,滾動導(dǎo)軌取0.003～0.005）；這里取0.005 Fz——垂直方向的工作載荷，空載時Fz=0 （2-12） 式中： μ——導(dǎo)軌摩擦因數(shù)（滑動導(dǎo)軌取0.15~0.18）,滾動導(dǎo)軌取0.003～0.005）； Fc——垂直方向的工作載荷，車削時為Fc，立銑時為Fz單位為N，空載時Fc=0； G——運(yùn)動部件的總總量，單位為N

37、 （2-13） 式中 FYJ——滾珠絲杠的預(yù)緊力，一般取滾珠絲杠工作載荷Fm的1/3，單位為N； η0——滾珠絲杠未預(yù)緊時的傳動效率，一般取η0≥0.9 由于滾珠絲杠副的傳動效率很高，所以T0值一般很小，與Tamax和Tf比起來，通?？梢院雎圆挥?。 由式2-9得快速空載啟動時電動機(jī)轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩： 考慮到不用減速箱，取減速比i=1算步距角 所以初選步進(jìn)電機(jī)型號為110BYG250A型，為兩相混合式，由杭州日升電氣設(shè)備有限公司生產(chǎn)，兩相八拍的步距角為0.9°。其參數(shù)如下表所示： 查表得該型號電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量Jm=

38、 （式中長度單位均為cm） 托板折算到轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動慣量 則步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動慣量 電動機(jī)轉(zhuǎn)速 =625r/min 快速空載啟動時折算到電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大加速轉(zhuǎn)矩=0.2599Nm 移動部件運(yùn)動時折算到電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩=0.0058Nm 滾珠絲杠預(yù)緊后折算到電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的附加摩擦轉(zhuǎn)矩=0(即忽略) 快速空載啟動時電

39、動機(jī)轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩=0.266Nm 2）最大工作負(fù)載狀態(tài)下電動機(jī)轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩Teq2 （2-14） 式中：Tf和T0分別按式2-11和2-13計算。 Tt——折算到電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大工作負(fù)載轉(zhuǎn)矩 （2-15） 式中 Ff——進(jìn)給方向最大工作載荷，單位N。本設(shè)計對滾珠絲杠進(jìn)行計算的時候，已知沿著絲杠軸線方向的最大進(jìn)給載荷Fx=2802N。 由式2-11得：垂直方向承受最大工作負(fù)載(Fz=719N)情況下，移動部件運(yùn)動時折算到電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩： 則由式2-14得： 綜上計算，得到加在步進(jìn)電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上

40、的最大等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩應(yīng)為： 折算到電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大工作負(fù)載轉(zhuǎn)矩=0.99Nm 移動部件運(yùn)動時折算到電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩=0.007Nm 最大工作負(fù)載狀態(tài)下電動機(jī)轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩Teq2=0.997Nm 綜上計算，得到加在步進(jìn)電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩應(yīng)為：0.997Nm （3）步進(jìn)電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩的選定 考慮到步進(jìn)電動機(jī)的驅(qū)動電源受電網(wǎng)電壓影響較大，當(dāng)輸入電壓降低時，其輸出轉(zhuǎn)矩會下降，可能造成丟步，甚至堵轉(zhuǎn)。因此，根據(jù)Teq選擇步進(jìn)電動機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩時，需要考慮安全系數(shù)。這里取安全系數(shù)K=4，則步進(jìn)電動機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩應(yīng)滿足：

41、 上述初選的步進(jìn)電動機(jī)型號為110BYG250A，由附件4表4-5查得該型號電動機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩?？梢?，滿足要求。 步進(jìn)電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩滿足要求。 （4）步進(jìn)電機(jī)性能校核 1）最快工作速度時電動機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩校核 任務(wù)書給定工作臺最快加工進(jìn)給速度，脈沖當(dāng)量，則電動機(jī)對應(yīng)的運(yùn)行頻率為： 圖2-2 110BYG2502步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行距頻特性曲線 從圖2-2查得，在此頻率下，電動機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩Tmaxf=17Nm，大于最大工作負(fù)載轉(zhuǎn)矩Teq2=0.997Nm，滿足要求。

42、 最快工作速度時電動機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩滿足要求。 2）最快空載移動時電動機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩校核 任務(wù)書給定工作臺最快空載移動速度，則電動機(jī)對應(yīng)的運(yùn)行頻率為： 從圖2-2查得，在此頻率下，電動機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩Tmax=9Nm，大于快速空載啟動時的負(fù)載轉(zhuǎn)矩Teq1=0.266Nm，滿足要求。 最快空載移動時電動機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩校核滿足要求 3）最快空載移動時電動機(jī)運(yùn)行頻率校核 與最快空載移動速度對應(yīng)的電動機(jī)運(yùn)行頻率可達(dá)4167Hz。查附件4表4-5可知110BYG250A電動機(jī)的空載運(yùn)行頻率超過20000Hz，可見沒有超出上限。 最快空載移動時電動機(jī)運(yùn)行頻率校核

43、滿足要求 4）起動頻率計算 已知電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動慣量，電動機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量，電動機(jī)轉(zhuǎn)軸不帶任何負(fù)載時的空載啟動頻率（查附件4表4-5）。則可以求出步進(jìn)電動機(jī)克服慣性負(fù)載的啟動頻率： 因此，要保證步進(jìn)電動機(jī)啟動時不失步，任何時候的啟動頻率都必須小于3936Hz。實際上，在采用軟件升降頻時，啟動頻率選的更低，通常只有100Hz。 綜上所述，工作臺選用110BYG250A電動機(jī)完全滿足設(shè)計要求。 110BYG250A電動機(jī)完全滿足設(shè)計要求 7、增量式旋轉(zhuǎn)編碼器的選用 本設(shè)計步進(jìn)電機(jī)采用半閉環(huán)控制，在電機(jī)尾座軸上安裝增量式旋轉(zhuǎn)編碼器，用于檢測步進(jìn)電機(jī)的

44、轉(zhuǎn)角與轉(zhuǎn)速，電動機(jī)步距角，可知電動機(jī)轉(zhuǎn)動一轉(zhuǎn)時系統(tǒng)發(fā)出360/0.9=400個步進(jìn)脈沖，電動機(jī)轉(zhuǎn)過一個步距角，編碼器對應(yīng)輸出一個脈沖信號。 本例選擇編碼器型號為ZLK-A-400-05VO-16H:盤狀空心型，孔徑16mm，與電動機(jī)尾部出軸相匹配，電源電壓+5V，每轉(zhuǎn)輸出400個A/B脈沖，，信號為電壓輸出，生產(chǎn)廠家為長春光機(jī)數(shù)顯有限公司。 編碼器型號為ZLK-A-400-05VO-16H:盤狀空心型 8、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器的選擇 本設(shè)計選擇的步進(jìn)電機(jī)為110BYG250A型，生產(chǎn)廠家為杭州日升電氣設(shè)備有限公司，根據(jù)廠家推薦其，配套型號的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器為HB206S兩相混合式步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器

45、，其主要參數(shù)及接線圖如下所示： 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器選擇HB206S兩相混合式步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器 9、聯(lián)軸器的選擇 由于十字滑臺的工作轉(zhuǎn)速比較低，沖擊低，為了提高精度穩(wěn)定性選用可以補(bǔ)償微小平行位移和角位移的十字滑塊聯(lián)軸器，這里選用廣州菱科自動化設(shè)備有限公司生產(chǎn)的LK4十字滑塊聯(lián)軸器。 聯(lián)軸器選擇LK4十字滑塊聯(lián)軸器。 五、 工作臺機(jī)械裝配圖的繪制 在完成直線滾動導(dǎo)軌副、滾珠絲杠螺母副、步進(jìn)電

46、機(jī)以及旋轉(zhuǎn)編碼器的計算與選型后，就可以著手繪制工作臺的裝配圖了，繪制后的X-Y工作臺機(jī)械裝配圖見附頁裝配圖。 六、 工作臺控制系統(tǒng)的設(shè)計 X-Y工作臺的控制系統(tǒng)，按照教師要求，統(tǒng)一選用MPC2810運(yùn)動控制卡作為控制系統(tǒng)，MPC2810控制卡作為開發(fā)運(yùn)動控制系統(tǒng)的平臺，其結(jié)構(gòu)是開放式的。該卡插在PC機(jī)PCI擴(kuò)展槽內(nèi)使用，通過轉(zhuǎn)接板與步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器、編碼器、限位開關(guān)等元器件連接，實現(xiàn)對十字滑臺有效的運(yùn)動控制。其電氣接線圖見附頁。 MPC2810運(yùn)動控制卡作為控制系統(tǒng) 七、十字滑臺運(yùn)動控制程序的編制 本次設(shè)計采用VB編程，結(jié)合運(yùn)動控制卡的編程指導(dǎo)書，其程序框圖及程序編制如下：

47、 Option Explicit Dim i As Long Dim k As Long Dim j As Long Dim a As Long Dim m As Long Dim p As Long Private Function SetBoard() As Integer '初始化函數(shù) Dim Rtn As Integer, i As Integer Rtn = auto_set() '對板卡進(jìn)行自動設(shè)置 Rtn = init_board set_sd_logic 1, 0 set_

48、el_logic 1, 0 set_org_logic 1, 0 set_alm_logic 1, 0 End Function Private Sub a_Change() End Sub Private Sub axiex_Click() j = 1 End Sub Private Sub axleY_Click() j = 2 End Sub Private Sub GetParam() set_maxspeed j, 2500 set_conspeed j, k

49、 End Sub Private Sub Command1_Click() End End Sub Private Sub Form_Load() j = 1 If SetBoard < 0 Then MsgBox "初始化錯誤,未檢測到板卡！", vbExclamation, "MPC2810演示" End If End Sub Private Sub jt_Click() move_pause j End Sub Private Sub start_Click() GetParam con_pmove j, a

50、End Sub Private Sub stop_Click() sudden_stop j End Sub Private Sub Text3_Change() a = Val(Text3) End Sub Private Sub Text4_Change() a = Val(Text4) End Sub Private Sub Xdis_Change() k = Val(Xdis) End Sub Private Sub xjsd_Change() p = Val(xjsd) End Sub Private Sub xmax_Ch

51、ange() m = Val(xmax) End Sub Private Sub Ydis_Change() k = Val(Ydis) End Sub Private Sub yjsd_Change() p = Val(yjsd) End Sub Private Sub ymax_Change() m = Val(ymax) End Sub 八、結(jié)語： 為期三個星期的課程設(shè)計轉(zhuǎn)瞬即逝，通過緊張的計算和設(shè)計，我順利的完成了此次機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計的課程設(shè)計。《機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計》是一門綜合性課程，它是一門機(jī)械技術(shù)與微電子技術(shù)的交叉學(xué)科。隨著機(jī)械技

52、術(shù)、微電子技術(shù)的飛速發(fā)展，機(jī)械技術(shù)與微電子技術(shù)的相互滲透越來越快。本次設(shè)計的數(shù)控十字滑臺就是機(jī)電有機(jī)結(jié)合的產(chǎn)品。在設(shè)計過程階段，遇到了許多困難。在老師和同學(xué)的幫助下，最終把問題一一解決了。在做控制系統(tǒng)設(shè)計時遇到了較大的難題。由于以前對微機(jī)計算機(jī)控制部分知識沒有掌握扎實，所以在控制程序設(shè)計也比較困難。通過本次課程設(shè)計之后也使自己更深一步的了解程序編寫。通過本次課程設(shè)計之后，使自己對課本上的東西有更加深刻的的認(rèn)識。由于自己的能力有限，設(shè)計中難免也存在不少細(xì)節(jié)上的錯誤，希望老師指出改正。感謝老師在這段時間對我們耐心的指導(dǎo)，使我懂得了學(xué)以致用的道理，我也因此明白了理論聯(lián)系實際的重要性。 九、 參

53、考文獻(xiàn) 【1】姜培剛，蓋玉先 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計【M】機(jī)械工業(yè)出版社，2003.9 【2】楊裕根，諸世敏 現(xiàn)代工程圖學(xué)【M】北京郵電大學(xué)出版社，2007 【3】尹志強(qiáng)、王玉林 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計課程設(shè)計指導(dǎo)書[M] 機(jī)械工業(yè)出版社，2010 【4】高林、周海燕 Visual Basic 6.0程序設(shè)計教程【M】人民郵電出版社，2003.7 【5】（美）Scott Warner 著Visual Basic 6.0程序教程 漢明工作室譯 【M】人民郵電出版社，1999.8 【6】leetro MPC2810運(yùn)動控制卡用戶手冊【M】 樂創(chuàng)自動化有限公司 【7】leetro MPC2810運(yùn)動控制卡編程手冊【M】 樂創(chuàng)自動化有限公司