机电一体化系统设计实例修改
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可以设计专用的微机控制系统。
图6-22 X-Y数控工作台外形
3. 直线滚动导轨副的计算与选型 （ 1）滑块承受工作载荷 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。本例中的 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向载荷为：
直径 =3.175mm，丝杠底径 =16.2 mm，丝杠截面积 /4=206.12mm2。
忽略式（3-25）中的第二项， 算得丝杠在工作载荷 Fm作用下产百度文库的拉/压变形量δ1=Fma/
（ES）
=[1779×500/（2.1 ×206.12）] mm
≈ 0.0205 mm。
2）根据公式 Z ＝(?d0 / Dw )-3,求得单圈滚珠数 Z =20；该
数μ=0.005。求得滚珠丝杠副的最大工作载荷 Fm = KFx + μ（Fz + Fy + G）
= [ 1.×1 1609 + 0.005 × ( 556 + 366 + 800 ) ] N
≈ 1779 N
（2）最大动载荷 F Q的计算 设工作台在承受最大铣削力时的最快进给速度
v =400mm/min，初选丝杠导程Ph =5 mm，则此时丝
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 如图3-20所示，承受最大 铣削力时，工作台受到进给方向的载荷（与丝杠轴线平行
）Fx=1609N，受到横向的载荷（与丝杠轴线垂直） Fy = 366N，受到垂向的载荷（与工作台面垂直） Fz= 556N。 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
型号丝杠为单螺母，滚珠的圈数×列数为3×1，代入公式：
Z ? ＝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 /3=593 N。则由（3-27）式，求得滚珠与螺纹滚道间 的接触变形量
?2
≈ 0.0026 mm。
因为丝杠加有预紧力，且为轴向负载的1/3，所以实际变
，对于机电一体化专业的教学具有普遍意义。
模块化的X-Y数控工作台，通常由导轨座、移动滑块、工作平台、滚珠 丝杠螺母副以及伺服电动机等部件构成。其外观形式如图6-22所示。其中， 伺服电动机作为执行元件用来驱动滚珠丝杠，滚珠丝杠的螺母带动滑块和工 作平台在导轨上运动，完成工作台在X、Y方向的直线移动。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
（4）传动效率 η的计算 将公称直径 d0=20mm，导程Ph=5mm，
代入λ= arctan[Ph/(πd0)]， 得丝杠螺旋升角 λ=4 33′。
将摩擦角 φ=10′， 代入η=tanλ / tan(λ+φ), 得传动效率 η=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，见书后图 6-23。丝杠的两端各采用一对推力 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 ＝2.1 Mpa；查表3-32，得滚珠
杠转速n=v/Ph = 80 r/min。 取滚珠丝杠的使用寿命 T=15000 h，代入L0=60nT/106
，得丝杠寿命系数 L0=72（单位为：106 r）。 查表3-30，取载荷系数 fW =1.2，滚道硬度为HRC60时 ，取硬度系数 fH=1.0，代入式（ 3-23），求得最大动载
荷：
? 3 LF0Q fW fH Fm
≈8881 N
（3）初选型号 根据计算出的最大动载荷和初选的丝杠导程，查表 3-32，选择济宁博特精密丝杠制造有限公司生产的 G系列2005-3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 20 mm ，导程为5 mm，循环滚珠为 3圈×1列，精度等级取 4级，额定动载
荷为9309 N，大于FQ，满足要求。
PC
G? 4
=
F （6-12）
其中，移动部件重量 G＝800N，外加载荷F= Fz= 556N，代入（6-12）式 得最大工作载荷 PC=756N=0.756kN 。
查表3-41，根据工作载荷 PC=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 Ca=7.94 kN，额定静载荷
3-40，分别取硬度系数fH =1.0，温度系数fT =1.00，接触系 数fC =0.81，精度系数fR =0.9， 载荷系数fW =1.5， 代入式
（3-33），得距离寿命：
L
?
? ? ?
fH
fT fC fW
fR
?Ca PC
?3 ?? ?
50
≈ 6649 km
远大于期望值50km，故距离额定寿命满足要求。
机电一体化系统设计实例
6.1 卧式车床数控化改造设计 6.2 数控车床自动回转刀架机电系统设计 6.3 X-Y数控工作台机电系统设计 6.4 波轮式全自动洗衣机机电系统设计
第三节 X-Y数控工作台机电系 统设计
X-Y数控工作台是许多机电一体化设备的基本部件，如 数控车床的纵-横向进刀机构、数控铣床和数控钻床的 X-Y工 作台、激光加工设备的工作台、电子元件表面贴装设备等 。因此，选择 X-Y数控工作台作为机电综合课程设计的内容
3形）量将（以对形上应量算跨可出度减的??5小120和0一??m总2半m?代，）入取?总
=0.0013mm。
? ?1 ??2 ，求得丝杠总变
0.0218 mm=21.8μm。
由表3-27知,5级精度滚珠丝杠有效行程在315~400mm时，
C0a=9.5 kN。 任务书规定工作台面尺寸为 230mm×230mm，加工范围为
250mm×250mm，考虑工作行程应留有一定余量，查表 3-35，按标准系 列，选取导轨的长度为 520mm。
（2）距离额定寿命 的计算 上述选取的KL系列JSA-LG15型导轨副的滚道硬度为
HRC60 ，工作温度不超过 100℃，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
图6-22 X-Y数控工作台外形
3. 直线滚动导轨副的计算与选型 （ 1）滑块承受工作载荷 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。本例中的 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向载荷为：
直径 =3.175mm，丝杠底径 =16.2 mm，丝杠截面积 /4=206.12mm2。
忽略式（3-25）中的第二项， 算得丝杠在工作载荷 Fm作用下产百度文库的拉/压变形量δ1=Fma/
（ES）
=[1779×500/（2.1 ×206.12）] mm
≈ 0.0205 mm。
2）根据公式 Z ＝(?d0 / Dw )-3,求得单圈滚珠数 Z =20；该
数μ=0.005。求得滚珠丝杠副的最大工作载荷 Fm = KFx + μ（Fz + Fy + G）
= [ 1.×1 1609 + 0.005 × ( 556 + 366 + 800 ) ] N
≈ 1779 N
（2）最大动载荷 F Q的计算 设工作台在承受最大铣削力时的最快进给速度
v =400mm/min，初选丝杠导程Ph =5 mm，则此时丝
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 如图3-20所示，承受最大 铣削力时，工作台受到进给方向的载荷（与丝杠轴线平行
）Fx=1609N，受到横向的载荷（与丝杠轴线垂直） Fy = 366N，受到垂向的载荷（与工作台面垂直） Fz= 556N。 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
型号丝杠为单螺母，滚珠的圈数×列数为3×1，代入公式：
Z ? ＝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 /3=593 N。则由（3-27）式，求得滚珠与螺纹滚道间 的接触变形量
?2
≈ 0.0026 mm。
因为丝杠加有预紧力，且为轴向负载的1/3，所以实际变
，对于机电一体化专业的教学具有普遍意义。
模块化的X-Y数控工作台，通常由导轨座、移动滑块、工作平台、滚珠 丝杠螺母副以及伺服电动机等部件构成。其外观形式如图6-22所示。其中， 伺服电动机作为执行元件用来驱动滚珠丝杠，滚珠丝杠的螺母带动滑块和工 作平台在导轨上运动，完成工作台在X、Y方向的直线移动。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
（4）传动效率 η的计算 将公称直径 d0=20mm，导程Ph=5mm，
代入λ= arctan[Ph/(πd0)]， 得丝杠螺旋升角 λ=4 33′。
将摩擦角 φ=10′， 代入η=tanλ / tan(λ+φ), 得传动效率 η=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，见书后图 6-23。丝杠的两端各采用一对推力 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 ＝2.1 Mpa；查表3-32，得滚珠
杠转速n=v/Ph = 80 r/min。 取滚珠丝杠的使用寿命 T=15000 h，代入L0=60nT/106
，得丝杠寿命系数 L0=72（单位为：106 r）。 查表3-30，取载荷系数 fW =1.2，滚道硬度为HRC60时 ，取硬度系数 fH=1.0，代入式（ 3-23），求得最大动载
荷：
? 3 LF0Q fW fH Fm
≈8881 N
（3）初选型号 根据计算出的最大动载荷和初选的丝杠导程，查表 3-32，选择济宁博特精密丝杠制造有限公司生产的 G系列2005-3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 20 mm ，导程为5 mm，循环滚珠为 3圈×1列，精度等级取 4级，额定动载
荷为9309 N，大于FQ，满足要求。
PC
G? 4
=
F （6-12）
其中，移动部件重量 G＝800N，外加载荷F= Fz= 556N，代入（6-12）式 得最大工作载荷 PC=756N=0.756kN 。
查表3-41，根据工作载荷 PC=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 Ca=7.94 kN，额定静载荷
3-40，分别取硬度系数fH =1.0，温度系数fT =1.00，接触系 数fC =0.81，精度系数fR =0.9， 载荷系数fW =1.5， 代入式
（3-33），得距离寿命：
L
?
? ? ?
fH
fT fC fW
fR
?Ca PC
?3 ?? ?
50
≈ 6649 km
远大于期望值50km，故距离额定寿命满足要求。
机电一体化系统设计实例
6.1 卧式车床数控化改造设计 6.2 数控车床自动回转刀架机电系统设计 6.3 X-Y数控工作台机电系统设计 6.4 波轮式全自动洗衣机机电系统设计
第三节 X-Y数控工作台机电系 统设计
X-Y数控工作台是许多机电一体化设备的基本部件，如 数控车床的纵-横向进刀机构、数控铣床和数控钻床的 X-Y工 作台、激光加工设备的工作台、电子元件表面贴装设备等 。因此，选择 X-Y数控工作台作为机电综合课程设计的内容
3形）量将（以对形上应量算跨可出度减的??5小120和0一??m总2半m?代，）入取?总
=0.0013mm。
? ?1 ??2 ，求得丝杠总变
0.0218 mm=21.8μm。
由表3-27知,5级精度滚珠丝杠有效行程在315~400mm时，
C0a=9.5 kN。 任务书规定工作台面尺寸为 230mm×230mm，加工范围为
250mm×250mm，考虑工作行程应留有一定余量，查表 3-35，按标准系 列，选取导轨的长度为 520mm。
（2）距离额定寿命 的计算 上述选取的KL系列JSA-LG15型导轨副的滚道硬度为
HRC60 ，工作温度不超过 100℃，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