双坐标十字滑台控制系统设计

大学现代远程教育

毕业设计

题目:双坐标十字滑台控制系统设计（单片机）

入学年月2013年春

学生姓名郭向伟

学号

专业机电一体化

学习中心石鸡中心

指导教师

成绩

完成时间2015年01月4日

目录

一、机械部分

1设计目的 (3)

2设计任务 (3)

3设计要求 (3)

4设计步骤 (3)

5工作量 (3)

6工作台的结构及参数设计 (4)

7步进电机选择 (8)

8减速器的参数设计 (11)

9联轴器的选择 (14)

二、双坐标十字滑台控制系统设计

1设计目的........................... (14)

2设计任务........................... . (15)

3设计步骤........................... (16)

4工作量...................... . (16)

5数控编程及电气控制部分设计过程...... ...... ...... (16)

6 程序清单...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... (18)

三．参考资料...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ..22四．心得体会...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... .22

双坐标十字滑台控制系统设计

一．机械部分

1.设计目的

1.1加深理解和掌握《机电一体化》、《计算机接口设计》、《计算机控制技术》、《数控技

术》等课程的基本知识，提高学生综合运用所学知识的能力。

1.2培养学生根据设计课题的需要，选用参考书，查阅有关工程手册的技术数据、图标

和文献资料的能力。

2.设计任务

2.1组号1.工作台长X宽（mm）：390X290。工作台工作重量：1800N

2.2工作台行程：△Z=工作台长-100

△Y=工作台宽-100

2.3 脉冲当量：0.005—0.008mm/p

3.设计要求

3.1 工作台进给运动采用滚珠丝杠螺母传动；

3.2滚珠丝杠支承方式为双推—简支型；

3.3驱动电机为反应式步进电动机；

3.4步进电机与滚珠丝杠间采用齿轮降速、要求消除齿轮传动的间隙。

4. 设计步骤

4.1总体方案的选择与确定；

4.2设计方案论证后查阅资料。

5. 工作量

5.1 零号装备图一；

5.2 设计说明书一个（30页以上）。

6. 工作台结构及参数设计

6.1 数控工作台采用步进电机驱动的开环控位结构，其单项驱动系统结构简图如图1-1

所示。

6.2 滚珠丝杠设计

下丝杠 设计滚珠丝杠时，已知工作条件是：工作载荷F=900+400=1300（N ） 使用寿命L ，h=10000（h ），丝杠的工作长度（或螺母的有效行程）L=0.31（m ）、丝杠

的转速n （平均转速n=100 r/min 或最大转速10000max =n r/min ），以及滚道硬度

58-63HRC 和运转精度mm 03.0=δ。

6.2.1计算载荷F c

F c =K F *K H *K A F M =1.2⨯1.0⨯1.0⨯1150=1380N

查表2-6取K F = 1.2 、查表2-7取K H = 1.0 、查表2-4取D 级精度 、查表2-8取K A =1.0 。

6.2.2 计算额定动载荷，计算值Ca ’

Ca ‘=341064.1⨯n

h L n c F =1380⨯34

1067.110000100⨯⨯=5125.3N 6.2.3 根据Ca ‘选择滚珠丝杠副，假设选用F c 型号，按滚珠丝杠

副的额定动载荷等于或稍大于Ca ‘的原则，查表2-9选以下型号

规格：

5393,5.220041=-=Ca F c N

8630,5.220051=-=a c C F N

考虑各种因素选用 5.220041-c F ，由表2-9得丝杠副数据：

公称直径：mm D 200=

导程：P=4mm

螺旋角："0383=λ

滚珠直径：d 0=2.381mm

按表2-1中尺寸公式计算：

滚道半径：R=0.521d=1.238mm

偏心距：e=(R-d/2)21036.3707.0-⨯=⨯mm

6.2.4稳定性验算

6.2.4.1丝杠不会发生失稳的最大载荷称为临界载荷F cr （N ），按下式计算：

F cr =2)(2UC a

FI π

式中，E 为丝杠材料的弹性模量，对于钢E=206GPa ；L 为丝杠工作长度（m ）；I a 为丝

杠危险截面的轴惯性矩（m 4）；u 为长度系数，见表2-10

I a ==644

1d π494

10464

)0176.0(14.3m -⨯=⨯

取u=2/3，则F cr =42

9

921039.6)19.03

2(1041020614.3⨯=⨯⨯⨯⨯⨯-N 安全系数S= 7.710900

1039.64

=⨯=m cr F F 。查表2-10[s]=2.5---3.3,S>[s], 丝杠是安全的，不会失稳。

6.2.4.2 高速长丝杠工作时，可能发生共振，因此需要验算其不

会发生共振的最高转速——临界转速n cr 。需求丝杠的最大转速

n max

n cr = 99102

12)(ul d f c ⨯ 式中f c 为临界转速系数，见表2-10，取F c = 3.927 u= 2/3 ， 则n cr = min /9.21178)19.03

2(0176.0927.399102

2r =⨯⨯⨯ n cr >n max =10000r/min ,所以丝杠工作时，不会发生共振。

6.2.4.3 此外滚珠丝杠副还受D 0n 值的限制，通常要求D 0n<7*104mmr/min ， D 0n=20min /.1071004r mm ⨯<⨯ 所以丝杠副工作稳定。

6.2.4.4刚度验算

滚珠丝杠在工作负载下F （N ）和转矩T （N*m ）共同作用下起每个导程的变形量

△l 0（m ）为△l 0= C

GJ T P EA PF π22±± 式中A 为丝杠截面积，A= 2421104.24

1m d -⨯=π ，J c 为丝杠的极惯性矩J c = 494110932m d -⨯=π ，G 为丝杠切变模量，对钢G=83.3，J （N*m ）为转矩，T=M N D F m .509.0)tan(2

0=+λρ 式中，ρ为摩擦角，其正切函数值为摩擦系数，F M 为平均工作载荷，