二维工作台课程设计【优秀】讲解

机电一体化系统设计课程设计报告设计题目：学院：姓名：班级（学号）：指导老师：时间： 2013年6月目录一、总体方案设计 (1)1.1、设计任务 (1)1.2、总体方案确定 (1)二、工作台的尺寸及其重量的初步确定 (4)2.1、工作台（X向托板） (4)2.2、工作台（Y向托板） (4)2.3、上导轨座（连电机）重量 (4)三、滚动导轨的计算与选择 (5)3.1、滑块承受工作载荷F的计算及导轨型号的选取 (5)3.2、导轨的寿命计算 (5)3.3、导轨额定动负载的核算 (6)四、滚珠丝杠的设计计算及选择 (6)F的计算 (6)4.1、滚珠丝杠最大工作载荷max4.2、滚珠丝杠静载荷c F的计算 (7)4.3、滚珠丝杠动载荷Q F的计算 (7)4.4、丝杠型号的确定 (8)4.5、丝杠压杆稳定性核算 (8)4.6、丝杠刚度的验算 (9)五、电机的计算与选择 (10)5.1、电机步距角的计算 (10)5.2、负载惯量的计算 (10)5.3、负载转矩的计算 (11)5.4、步进电动机最大静转矩的计算 (12)5.5、步进电动机的确定 (13)5.6、步进电动机的性能校核 (13)六、联轴器的选择 (14)6.1、联轴器的介绍 (14)6.2、联轴器的选择 (14)七、轴承的选择 (15)八、控制系统硬件设计 (15)九、控制系统的设计 (21)十、参考文献 (28)一、总体方案设计1.1 设计任务题目：CNC 二维工作平台的设计任务：设计两轴联动的数控X-Y 运动平台，完成机械系统设计、控制系统设计与相应软件编程，根据试验条件进行调试，完成整个开发系统；一人一题，其主要技术指标如下：1）工作台负载重量350N N =；2）工作台面尺寸为C B H 355mm 370mm 32mm ⨯⨯⨯⨯＝； 3）底座外形尺寸为C1B1H1420mm 430mm 32mm ⨯⨯⨯⨯＝； 4）加工范围X 125mm Y 120mm ==，； 5）工作台最大移动速度max 1.5/min V m =； 6）X,Y 方向的定位精度为0.025mm ±； 7）X,Y 方向的脉冲单量为0.015mm/step .1.2 总体方案确定1.2.1方案确定思想该工作台设计主要分为机械系统部件和控制系统部件，其中机械系统部件主要包括导轨副、丝杠螺母副、减速装置、伺服电动机和检测装置等，控制系统部件则包括CPU 控制电路、电源设计电路、输入信号电路、输出信号电路、步进电机驱动控制电路等。

因X 向和Y 向机械结构基本相同，故只绘制X 向机械系统部分的结构简图，如下：考虑在满足设计要求的前提下，应尽可能采用简洁轻便的结构设计和廉价实用的可选材料，符合绿色环保的现代机械设计理念，由此来确定最终方案。

1.2.2 方案的确定综合考虑设计任务和方案确定思想，因系统定位精度和最快移动速度相对并不是很高，故选用性能较好而性价比较高的混合式步进电动机已经足够；为了避免爬行现象，同时节约生产成本，且因该设计载荷较低，故选用直线滚动导轨副；滑动丝杠副在低速或微调时可能产生爬行显现，且为了能够满足0.025mm±的定位精度，故选用滚珠丝杠副；控制系统选用A T89C51单片机，足以满足设计要求且较为廉价；由于本设计中要求系统结构紧凑，且依靠步进电动机和滚珠丝杠副已经可以达到所需的脉冲当量，因此可以不使用减速箱。

1.2.3 总体方案系统组成（1）机械系统组成1）导轨副的选用该设计课题中所要求的二维工作台，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。

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，选用滚珠丝杠副。

滚珠丝杠副的传动精度高、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。

3）减速装置的选用选择了步进电动机和滚珠丝杠副以后，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，且应有消间隙机构。

但本设计中要求系统结构紧凑，且依靠步进电动机和滚珠丝杠副已经可以达到所需的脉冲当量，因此不使用减速箱。

4）伺服电动机的选用任务书规定的X,Y方向定位精度为0.025mm±，由此可以取脉冲当量为0.015mm/step，则其定位精度未达到微米级，最快移动速度也只要求为max 1.5/minV m=。

因此，只需要选用性能较好的步进电动机即可，故在本设计中选用混合式步进电动机，以降低成本，提高性价比。

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率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差不大，承受的工作载荷也相差不大，为了减少设计工作量，X、Y两个坐标的导轨副、丝杠螺母副、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）控制系统组成1）设计的二维工作台要求可直接应用于小型钻、铣床，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AT89C51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）鉴于此系统只考虑步进电机的控制，CPU的自身资源已经足够，不需要外部引入其它接口扩展电路。

考虑控制电路与输出信号电平不一致以及减少干扰等因素，在输入和输出信号之间加入光电耦合器组成信号输入输出电路。

4）选择合适的驱动电源，与步进电动机配套使用。

（3）系统总体框图根据已确定的总体方案绘制系统总体框图如下：计算及说明结果二、工作台的尺寸及其重量的初步确定根据给定的有效行程，画出工作台简图根据设计要求，最大工件重量350N ，初定工作台的335537032mm ⨯⨯。

工作台的材料为45号钢，其密度为33/1085.7m kg ⨯，（取kg N g /10=）。

工作台简图2.1、 工作台（X 向托板）93.135537032107.851033m kg -=⨯⨯⨯⨯⨯= 9135537034107.8510330G N -=⨯⨯⨯⨯⨯=2.2、 工作台（Y 向托板）取Y 向托板=X 向托板2133m m kg == 2330G N =2.3、上导轨座（连电机）重量初步取导轨座的长420mm ，宽为430mm ，高为32mm ，但导轨座中间有一大空缺，空缺部分大约220⨯230⨯32mm 3。

因此933(420430220230)32107.851032.7m kg -=⨯-⨯⨯⨯⨯⨯=332.710327G N =⨯=所以根据上面所求，得XY 工作台运动部分的总重量为：1233302327987G G G G N =++=⨯+=另外，还有丝杠、电机、联轴器等，大约3kg ，因此：431030G N =⨯= 根据要求所知，其负载为350N ，350309871367G N =++=总133m kg = 1330G N =233m kg = 2330G N =332.7m kg = 3327G N =987G N =430G N = 1367G N =总计算及说明三、滚动导轨的计算与选择3.1滑块承受工作载荷F 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CNC 二维工作台为水平布置，采用双导轨、四滑块的支承形式。

则每个滑块所受的工作载荷为：12344G G G G PF ++++=其中移动部件重量12341017G G G G N +++=，最大外加载荷350P N =， 故得到每个滑块所受的工作载荷341.75F N =。

查山东博特精工股份有限公司表1，根据工作载荷341.75F N =，初选 直线滚动导轨副的型号为KL 系列的15JSA LG -型，直线滚动导轨副的有关参数见下表：3.2导轨的寿命计算32n 6010h l L L ⨯⨯⨯=⨯式中： l ：行程长度，m ；n ：每分钟往返次数。

根据设计要求其寿命要在5年以上，一年300天，一天16小时，开机率为80%；假设每分钟走6个行程，则5300160.819200h L h =⨯⨯⨯=332n 6020.22660192003041.281010h l L L km ⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯===341.75F N =19200L h =h3041.28L h =计算及说明 结果4.4、丝杠型号的确定根据计算出的最大动载荷和初选的丝杠导程，查山东博特精工股份有限公司表2，选择CM 系列2006-2.5型滚珠丝杠副，根据表3可知为外循环插管埋入式单螺母，精度等级取4级，额定动载荷为9219 N ，大于QF ；额定静载荷为18358N ，大于 c F ，满足要求，滚珠丝杠副的有关参数见下表：4.5、丝杠压杆稳定性核算22smax /(K k k F f EI l F π=≥）式中 k F ：实际承受载荷的能力，N ；k f ：压杆稳定的支承系数，单推—单推式取1；E ：钢的弹性模量，52.110a MP ⨯；I ：滚珠丝杆底径2d 的抗弯截面惯性矩，4d I π=2/64； K ：压杆稳定安全系数，丝杠卧式安装取3K =。

取丝杠的有效长度是400mm43494(15.810) 3.06106464d I m ππ--⨯⨯===⨯22119max 22s 1 2.110 3.06104400(K )(30.4)k k f EI F N F l ππ-⨯⨯⨯⨯⨯===⨯所选用的丝杠实际承受载荷的能力比要求承受载荷的能力要大，所以合格。

943.0610I m -=⨯4400k F N =五、电机的计算与选择步进电机传动控制系统框图 它用电脉冲控制，每输入一个脉冲电机就移进一步，可以改变脉冲频率在很大范围内调节转速，可以点动，也可以连续动，可正转也可反转，停机时有自锁能力，它的步距角和转速不受电压波动和负载变化的影响，也不受环境影响，仅与脉冲频率有关。

由于电机与丝杠间直接用联轴器连接，所以传动链效率η取0.9，滚球未加预紧力时的效率η0取0.93；钻床在X 、Y 轴进给方向是没有切削力的，所以没有切削力矩。

5.1、电机步距角的计算360p b hP δθ⨯=式中：p δ：脉冲当量，0.015/mm step h P ：丝杠导程，6mm 所以：0.0153600.96b θ⨯==，所以初选步进电机步距角0.9b θ=。