重慶理工大學(xué)機(jī)電一體化課程設(shè)計(jì)X-Y水平十字滑臺(tái)說明書 班級(jí)： 學(xué)號(hào)： 專業(yè)：機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化姓名： 教師： 時(shí)間：2015年6月22日-7月10日機(jī)電一體化課程設(shè)計(jì)目 錄一、設(shè)計(jì)目的2二、設(shè)計(jì)任務(wù)2三、總體方案的確定3 1、機(jī)械傳動(dòng)部件的選擇.3 2、控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì).4四、機(jī)械傳動(dòng)部件的計(jì)算與選型4 1、導(dǎo)軌上移動(dòng)部件的重量估算.4 2、銑削力的計(jì)算.4 3、直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副的計(jì)算與選型.7 4、滾珠絲杠螺母副的計(jì)算與選型.9 5、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)減速箱的選用.13 6、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的計(jì)算與選型.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(dòng)器的選擇.19 9、聯(lián)軸器的選擇.21五、工作臺(tái)機(jī)械裝配圖的繪制22六、 工作臺(tái)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì).22七、 十字滑臺(tái)運(yùn)動(dòng)控制程序的編制.22八、 結(jié)語(yǔ).25參考文獻(xiàn).2625一、 設(shè)計(jì)目的課程設(shè)計(jì)是一個(gè)重要的時(shí)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(shí)，獨(dú)立進(jìn)行設(shè)計(jì)訓(xùn)練，主要目的：1、 通過設(shè)計(jì)，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(shí)，學(xué)習(xí)總體的方案擬定，分析與比較的方法。2、 通過對(duì)機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，掌握幾種典型傳動(dòng)元件與導(dǎo)向元件的工作原理、設(shè)計(jì)計(jì)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(jì)”的思想4、 鍛煉提高學(xué)生應(yīng)用手冊(cè)和標(biāo)準(zhǔn)、查閱文獻(xiàn)資料及撰寫科技論文的能力二、 設(shè)計(jì)任務(wù)1、設(shè)計(jì)題目X-Y數(shù)控工作臺(tái)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)2、任務(wù) 設(shè)計(jì)一種供立式數(shù)控銑床使用的X-Y數(shù)控工作臺(tái)。要求可以設(shè)定工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)速度，實(shí)現(xiàn)正向/反向點(diǎn)動(dòng)、正向/反向連續(xù)運(yùn)動(dòng)、啟動(dòng)、停止、急停、軟硬限位等功能。3、主要設(shè)計(jì)參數(shù)1. 立銑刀最大直徑d=16mm2. 立銑刀齒數(shù)Z=33. 最大銑削寬度ac=10mm4. 最大銑削深度ap=8mm5. 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±0.02mm8. 工作臺(tái)面尺寸為350mm×350mm,加工范圍為450mm×450mm9. X,Y方向工作臺(tái)空載最快移動(dòng)速度都為2500mm/min 10. X，Y方向工作臺(tái)進(jìn)給速度都為400mm/min三、總體方案的確定1、機(jī)械傳動(dòng)部件的選擇（1）導(dǎo)軌副的選用要設(shè)計(jì)的X-Y工作臺(tái)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(dòng)導(dǎo)軌副，它具有摩擦系數(shù)小、不易爬行、傳動(dòng)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(dòng)導(dǎo)軌副（2）絲杠螺母副的選用伺服電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)需要通過絲杠螺母副轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動(dòng)，要滿足0.01mm的脈沖當(dāng)量和±0.01mm的定位精度，滑動(dòng)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(dòng)精度高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、壽命長(zhǎng)、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(dòng)絲杠螺母副（3）減速裝置的選用 選擇了步進(jìn)電動(dòng)機(jī)和滾珠絲杠副以后，為了圓整脈沖當(dāng)量，放大電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩，降低運(yùn)動(dòng)部件折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)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(dòng)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(jí)，空載最快移動(dòng)速度也只有2500mm/min。因此，本設(shè)計(jì)不必采用高檔次的伺服電動(dòng)機(jī)，如交流伺服電動(dòng)機(jī)或直流伺服電動(dòng)機(jī)等，可以選用性能好一些的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，如混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，以降低成本，提高性價(jià)比。伺服電機(jī)選步進(jìn)電機(jī)（5）檢測(cè)裝置的選用選用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)作為伺服電動(dòng)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(duì)于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)來說還是偏高的，為了確保電動(dòng)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(dòng)機(jī)的尾部轉(zhuǎn)軸上安裝增量式旋轉(zhuǎn)編碼器，用以檢測(cè)電動(dòng)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(dòng)機(jī)的步距角相匹配?？紤]到X、Y兩個(gè)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(jì)工作量，X、Y兩個(gè)坐標(biāo)的導(dǎo)軌副、絲杠螺母副、減速裝置、伺服電動(dòng)機(jī)，以及檢測(cè)裝置擬采用相同的型號(hào)與規(guī)格。檢測(cè)裝置的選用：增量式旋轉(zhuǎn)編碼器2、控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)（1）設(shè)計(jì)的X-Y工作臺(tái)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(jì)成連續(xù)控制型。連續(xù)控制型（2）對(duì)于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的半閉環(huán)控制，選用MPC2810運(yùn)動(dòng)控制卡，應(yīng)該能夠滿足任務(wù)書給定的相關(guān)指標(biāo)?？刂破鬟x：MPC2810運(yùn)動(dòng)控制卡（3）要設(shè)計(jì)一臺(tái)完整的控制系統(tǒng)，在選擇運(yùn)動(dòng)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(dòng)電源，與步進(jìn)電動(dòng)機(jī)配套使用，我們將自行設(shè)計(jì)。自行設(shè)計(jì)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電源整體方案設(shè)計(jì)系統(tǒng)總體方案圖四、機(jī)械傳動(dòng)部件的計(jì)算與選型1、導(dǎo)軌上移動(dòng)部件的重量估算 按照下導(dǎo)軌上面移動(dòng)部件的重量來進(jìn)行估算。包括工件、夾具、工作平臺(tái)、上層電動(dòng)機(jī)、減速箱、滾珠絲杠副、直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副、導(dǎo)軌座等，估計(jì)重量約為900N。 G=900N2、銑削力的計(jì)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(shí)的銑削力計(jì)算公式為： 硬質(zhì)合金銑刀銑削力的計(jì)算公式（單位N）316銑刀類型工件材料銑削力公式面銑刀碳鋼灰鑄鐵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(jì)算最大銑削力，在不對(duì)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(shí)，各銑削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(duì)稱銑削不對(duì)稱銑削逆銑順銑端銑削ae=(0.40.8)d/mmfz=(0.10.2)/(mm.z-1)Ff / Fc0.30.40.60.90.150.3Fe / Fc0.850.950.450.700.91.0Ffn / Fc0.500.550.500.550.50.55圓柱銑削ae=0.05 d/mmfz=(0.10.2)/(mm.z-1)Ff / Fc1.01.20.80.9Ffn / Fc0.20.30.750.8Fe / Fc0.350.40.3250.4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(gè)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(tái)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(tái)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。Fz=376NFx=1088NFy=247N3、直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副的計(jì)算與選型（1）滑塊承受工作載荷Fmax的計(jì)算及導(dǎo)軌型號(hào)的選取工作載荷是影響直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副使用壽命的重要因素。X-Y工作臺(tái)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，即垂直于臺(tái)面的工作載荷全部由一個(gè)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(dòng)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(dòng)導(dǎo)軌副的型號(hào)為ZL系列的JSA-LG15型，其額定動(dòng)載荷Ca=7.94kN，額定靜載荷C0a=9.5kN。任務(wù)書規(guī)定工作臺(tái)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3-35345，按標(biāo)準(zhǔn)系列，選取導(dǎo)軌長(zhǎng)度為820mm.表3-35 JSA型導(dǎo)軌長(zhǎng)度系列導(dǎo)軌型號(hào)導(dǎo)軌長(zhǎng)度系JSA-LG15280340400460520580640700760820940JSA-LG20340400520580640760820940100011201240JSA-LG2546064080010001240136014801600184019603000JSA-LG3552060084010001080124014801720220024403000JSA-LG4555065750850950125014501850205025503000JSA-LG5566078090010201260138015001980222027003000JSA-LG65820970112012701420157017202020232027703000導(dǎo)軌副的型號(hào):ZL系列的 JSA-LG15型導(dǎo)軌長(zhǎng)度為820mm(2) 距離額定壽命L的計(jì)算上述選取的ZL系列JSA-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(jí)，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）50555864fH0.530.81.0表2-5 溫度系數(shù)工作溫度/<100100150150200200250fT1.000.900.730.60表2-6 接觸系數(shù)每根導(dǎo)軌上滑塊數(shù)12345fC1.000.810.720.660.61表2-7 精度系數(shù)精度等級(jí)2345fR1.1.00.90.9表2-8 載荷系數(shù)工況無外部沖擊或震動(dòng)的低速場(chǎng)合，速度小于15m/min無明顯沖擊或振動(dòng)的中速場(chǎng)合，速度為1560m/min有外部沖擊或振動(dòng)的高速場(chǎng)合，速度大于60m/minfW11.51.5223.5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。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(jì)算與選型（1）最大工作載荷Fm的計(jì)算在立銑時(shí)，工作臺(tái)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(tái)面垂直）Fz=719N。已知移動(dòng)部件總重量G=900N，按矩形導(dǎo)軌進(jìn)行計(jì)算，查表2-9【3】38，表2-9 最大工作載荷Fm實(shí)驗(yàn)計(jì)算公式及參考系數(shù)導(dǎo)軌類型實(shí)驗(yàn)公式K矩形導(dǎo)軌1.10.15燕尾導(dǎo)軌1.40.2三角形或綜合導(dǎo)軌1.150.150.8注：表中摩擦因數(shù)均為滑動(dòng)導(dǎo)軌。對(duì)于貼塑導(dǎo)軌=0.030.05，滾動(dòng)導(dǎo)軌=0.0030.005。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(dòng)部件總重力，單位為N；K為顛覆力矩影響系數(shù)；為導(dǎo)軌的摩擦系數(shù)。取移動(dòng)部件總重量G=900N，按矩形導(dǎo)軌進(jìn)行計(jì)算，查表2-9，取顛覆力矩影響系數(shù)K=1.1，滾動(dòng)導(dǎo)軌上的摩擦因素=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(dòng)載荷FQ的計(jì)算設(shè)工作臺(tái)在承受最大銑削力時(shí)的最快進(jìn)給速度v=400mm/min，初選絲杠導(dǎo)程Ph=4mm，則此時(shí)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(shí)，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=500010000h，數(shù)控機(jī)床及一般機(jī)電設(shè)備取T=15000h；n為絲杠每分鐘轉(zhuǎn)速）；fW載荷系數(shù)，由表2-10查得。fH硬度系數(shù)（58HRC時(shí)，取1.0；等于55HRC時(shí)，取1.11；等于52.5HRC時(shí)，取1.35；等于50HRC時(shí)，取1.56；等于45HRC時(shí)，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1.01.2中等沖擊1.21.5較大沖擊或振動(dòng)1.52.5（3）初選型號(hào)最大動(dòng)載荷FQ=6475N 根據(jù)計(jì)算出的最大動(dòng)載荷和初選的絲杠導(dǎo)程，查附件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(jí)取5級(jí)，額定動(dòng)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(dòng)效率的計(jì)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(dòng)效率。效率要求大于90%，該絲杠副合格。>90%，合格。（5）剛度的驗(yàn)算1）X-Y工作臺(tái)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(duì)推力角接觸球軸承，面對(duì)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1在總變形量中的比重較大，可按下式計(jì)算： (2-5)341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2 無預(yù)緊時(shí) (2-6)341 有預(yù)緊時(shí) (2-7)341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(xiàng)，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(hào)絲杠為單螺母，滾珠的圈數(shù)×列數(shù)為3×2，代入公式：Z=Z×圈數(shù)×列數(shù)，得滾珠總數(shù)量Z=180。絲杠預(yù)緊時(shí)，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2因?yàn)榻z杠加有預(yù)緊力，且為軸向負(fù)載的1/3，所以實(shí)際變形量可減小一半，2=0.00055mm。3）將以上算出的1和2代入。 絲杠的有效行程為528mm，由表3-27【3】35知，5級(jí)精度滾珠絲杠有效行程在500630mm時(shí)，行程偏差允許達(dá)到32m，可見絲杠剛度足夠。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(zhǎng)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(shí)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2.54，垂直安裝時(shí)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(jiǎn)支雙推-雙推單推-單推fk0.25241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(dòng)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Fk13297N，遠(yuǎn)大于工作載荷Fm=1204N，故絲杠不會(huì)失穩(wěn)。絲杠不會(huì)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(dòng)機(jī)減速箱的選用已知工作臺(tái)脈沖當(dāng)量=0.01mm/脈沖，滾珠絲杠導(dǎo)程Ph=4mm，初選步進(jìn)電機(jī)步距角=0.9°，由公式，傳動(dòng)比為1時(shí)達(dá)不到減速的效果，故本次設(shè)計(jì)不需要減速器。 6、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的計(jì)算與選型（1）初選步進(jìn)電機(jī)的型號(hào)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(dòng)機(jī)空載啟動(dòng)時(shí)折算到轉(zhuǎn)軸上最大加速度轉(zhuǎn)矩Tmax，一部分是移動(dòng)部件運(yùn)動(dòng)時(shí)折算到計(jì)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(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的附加摩擦轉(zhuǎn)矩T0，T0相對(duì)于Tt和Tf很小，可以忽略不計(jì)。則有： 由公式式中：Jeq步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，kg.m2 電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸的角加速度，rad/s2 nm電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min ta電動(dòng)機(jī)加速所用時(shí)間，s,一般在0.31s之間選取。(這里取0.4s)總效率，取=0.7 式中 vmax空載最快移動(dòng)速度，任務(wù)書指定為2500mm/min; 步進(jìn)電機(jī)步距角，預(yù)選電動(dòng)機(jī)為0.9° 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 總傳動(dòng)效率，取=0.7 i總的傳動(dòng)比，i=nm/ns，其中nm為電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，ns為絲杠的轉(zhuǎn)速。 導(dǎo)軌摩擦因數(shù)（滑動(dòng)導(dǎo)軌取0.150.18）,滾動(dòng)導(dǎo)軌取0.0030.005）；這里取0.005 Fz垂直方向的工作載荷，空載時(shí)Fz=0 （2-12）式中： 導(dǎo)軌摩擦因數(shù)（滑動(dòng)導(dǎo)軌取0.150.18）,滾動(dòng)導(dǎo)軌取0.0030.005）； Fc垂直方向的工作載荷，車削時(shí)為Fc，立銑時(shí)為Fz單位為N，空載時(shí)Fc=0； G運(yùn)動(dòng)部件的總總量，單位為N （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；0滾珠絲杠未預(yù)緊時(shí)的傳動(dòng)效率，一般取00.9 由于滾珠絲杠副的傳動(dòng)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?jì)。由式2-9得快速空載啟動(dòng)時(shí)電動(dòng)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(hào)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(hào)電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jm=（式中長(zhǎng)度單位均為cm）托板折算到轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量則步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速=625r/min快速空載啟動(dòng)時(shí)折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大加速轉(zhuǎn)矩=0.2599Nm移動(dòng)部件運(yùn)動(dòng)時(shí)折算到電動(dòng)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(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的附加摩擦轉(zhuǎn)矩=0(即忽略)快速空載啟動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩=0.266Nm2）最大工作負(fù)載狀態(tài)下電動(dòng)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(jì)算。 Tt折算到電動(dòng)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(jì)對(duì)滾珠絲杠進(jìn)行計(jì)算的時(shí)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(dòng)部件運(yùn)動(dòng)時(shí)折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩：則由式2-14得：綜上計(jì)算，得到加在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩應(yīng)為：折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大工作負(fù)載轉(zhuǎn)矩=0.99Nm移動(dòng)部件運(yùn)動(dòng)時(shí)折算到電動(dòng)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(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩Teq2=0.997Nm綜上計(jì)算，得到加在步進(jìn)電動(dòng)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(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電源受電網(wǎng)電壓影響較大，當(dāng)輸入電壓降低時(shí)，其輸出轉(zhuǎn)矩會(huì)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(dòng)機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩時(shí)，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(dòng)機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩應(yīng)滿足：上述初選的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)型號(hào)為110BYG250A，由附件4表4-5查得該型號(hào)電動(dòng)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(shí)電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩校核任務(wù)書給定工作臺(tái)最快加工進(jìn)給速度，脈沖當(dāng)量，則電動(dòng)機(jī)對(duì)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(dòng)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。最快工作速度時(shí)電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩滿足要求。2）最快空載移動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩校核任務(wù)書給定工作臺(tái)最快空載移動(dòng)速度，則電動(dòng)機(jī)對(duì)應(yīng)的運(yùn)行頻率為：從圖2-2查得，在此頻率下，電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩Tmax=9Nm，大于快速空載啟動(dòng)時(shí)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩Teq1=0.266Nm，滿足要求。最快空載移動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩校核滿足要求3）最快空載移動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行頻率校核 與最快空載移動(dòng)速度對(duì)應(yīng)的電動(dòng)機(jī)運(yùn)行頻率可達(dá)4167Hz。查附件4表4-5可知110BYG250A電動(dòng)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(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行頻率校核滿足要求4）起動(dòng)頻率計(jì)算已知電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸不帶任何負(fù)載時(shí)的空載啟動(dòng)頻率（查附件4表4-5）。則可以求出步進(jìn)電動(dòng)機(jī)克服慣性負(fù)載的啟動(dòng)頻率：因此，要保證步進(jìn)電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)不失步，任何時(shí)候的啟動(dòng)頻率都必須小于3936Hz。實(shí)際上，在采用軟件升降頻時(shí)，啟動(dòng)頻率選的更低，通常只有100Hz。綜上所述，工作臺(tái)選用110BYG250A電動(dòng)機(jī)完全滿足設(shè)計(jì)要求。110BYG250A電動(dòng)機(jī)完全滿足設(shè)計(jì)要求7、增量式旋轉(zhuǎn)編碼器的選用本設(shè)計(jì)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(cè)步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)角與轉(zhuǎn)速，電動(dòng)機(jī)步距角，可知電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一轉(zhuǎn)時(shí)系統(tǒng)發(fā)出360/0.9=400個(gè)步進(jìn)脈沖，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)過一個(gè)步距角，編碼器對(duì)應(yīng)輸出一個(gè)脈沖信號(hào)。本例選擇編碼器型號(hào)為ZLK-A-400-05VO-16H:盤狀空心型，孔徑16mm，與電動(dòng)機(jī)尾部出軸相匹配，電源電壓+5V，每轉(zhuǎn)輸出400個(gè)A/B脈沖，信號(hào)為電壓輸出，生產(chǎn)廠家為長(zhǎng)春光機(jī)數(shù)顯有限公司。編碼器型號(hào)為ZLK-A-400-05VO-16H:盤狀空心型8、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的選擇本設(shè)計(jì)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(hào)的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器為HB206S兩相混合式步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，其主要參數(shù)及接線圖如下所示： 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器選擇HB206S兩相混合式步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器9、聯(lián)軸器的選擇由于十字滑臺(tái)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(dòng)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(tái)機(jī)械裝配圖的繪制在完成直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副、滾珠絲杠螺母副、步進(jìn)電機(jī)以及旋轉(zhuǎn)編碼器的計(jì)算與選型后，就可以著手繪制工作臺(tái)的裝配圖了，繪制后的X-Y工作臺(tái)機(jī)械裝配圖見附頁(yè)裝配圖。六、 工作臺(tái)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)X-Y工作臺(tái)的控制系統(tǒng)，按照教師要求，統(tǒng)一選用MPC2810運(yùn)動(dòng)控制卡作為控制系統(tǒng)，MPC2810控制卡作為開發(fā)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的平臺(tái)，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(dòng)器、編碼器、限位開關(guān)等元器件連接，實(shí)現(xiàn)對(duì)十字滑臺(tái)有效的運(yùn)動(dòng)控制。其電氣接線圖見附頁(yè)。MPC2810運(yùn)動(dòng)控制卡作為控制系統(tǒng)七、十字滑臺(tái)運(yùn)動(dòng)控制程序的編制本次設(shè)計(jì)采用VB編程，結(jié)合運(yùn)動(dòng)控制卡的編程指導(dǎo)書，其程序框圖及程序編制如下：Option ExplicitDim i As LongDim k As LongDim j As LongDim a As LongDim m As LongDim p As LongPrivate Function SetBoard() As Integer '初始化函數(shù)Dim Rtn As Integer, i As Integer Rtn = auto_set() '對(duì)板卡進(jìn)行自動(dòng)設(shè)置Rtn = init_board set_sd_logic 1, 0 set_el_logic 1, 0 set_org_logic 1, 0 set_alm_logic 1, 0End FunctionPrivate Sub a_Change()End SubPrivate Sub axiex_Click()j = 1End SubPrivate Sub axleY_Click()j = 2End SubPrivate Sub GetParam() set_maxspeed j, 2500 set_conspeed j, k End SubPrivate Sub Command1_Click()EndEnd SubPrivate Sub Form_Load() j = 1 If SetBoard < 0 Then MsgBox "初始化錯(cuò)誤,未檢測(cè)到板卡！", vbExclamation, "MPC2810演示" End IfEnd SubPrivate Sub jt_Click()move_pause jEnd SubPrivate Sub start_Click() GetParam con_pmove j, aEnd SubPrivate Sub stop_Click()sudden_stop jEnd SubPrivate Sub Text3_Change() a = Val(Text3)End SubPrivate Sub Text4_Change() a = Val(Text4)End SubPrivate Sub Xdis_Change()k = Val(Xdis)End SubPrivate Sub xjsd_Change()p = Val(xjsd)End SubPrivate Sub xmax_Change()m = Val(xmax)End SubPrivate Sub Ydis_Change()k = Val(Ydis)End SubPrivate Sub yjsd_Change()p = Val(yjsd)End SubPrivate Sub ymax_Change()m = Val(ymax)End Sub八、結(jié)語(yǔ)：為期三個(gè)星期的課程設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)瞬即逝，通過緊張的計(jì)算和設(shè)計(jì)，我順利的完成了此次機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)的課程設(shè)計(jì)。機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(jì)的數(shù)控十字滑臺(tái)就是機(jī)電有機(jī)結(jié)合的產(chǎn)品。在設(shè)計(jì)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(jì)時(shí)遇到了較大的難題。由于以前對(duì)微機(jī)計(jì)算機(jī)控制部分知識(shí)沒有掌握扎實(shí)，所以在控制程序設(shè)計(jì)也比較困難。通過本次課程設(shè)計(jì)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(jì)之后，使自己對(duì)課本上的東西有更加深刻的的認(rèn)識(shí)。由于自己的能力有限，設(shè)計(jì)中難免也存在不少細(xì)節(jié)上的錯(cuò)誤，希望老師指出改正。感謝老師在這段時(shí)間對(duì)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(shí)際的重要性。九、 參考文獻(xiàn)【1】姜培剛，蓋玉先 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)【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(jì)課程設(shè)計(jì)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(jì)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(dòng)控制卡用戶手冊(cè)【M】 樂創(chuàng)自動(dòng)化有限公司【7】leetro MPC2810運(yùn)動(dòng)控制卡編程手冊(cè)【M】 樂創(chuàng)自動(dòng)化有限公司