双坐标十字滑台机械部分说明书

1.序言

双坐标十字滑台机电系统设计是一个开环控制系统,其结构简单。实现方便而且能够保证一定的精度。降低成本,是微机控制技术的最简单的应用。它充分的利用了危机的软件硬件功能以实现对机床的控制;使机床的加工范围扩大,精度和可靠性进一步得到提高。X-Y数控工作台机电系统设计是利用8031单片机,及2764,6264存储器及8155芯片等硬件组成,在控制系统的硬件上编写一定的程序以实现一定的加工功能。其基本思想是:通过圆弧或者直线插补程序以实现对零件进行几何加工,每进行一段加工都要产生一定的脉冲以驱动电机正反转,同时通过8155(1)将相应的加工进刀信息送至刀架库中以实现以之相应的走刀,电机和刀具的相对运动所以实现了刀具对工件的加工。该控制系统采用软件中断控制系统结构及子程序结构简单，条件明确在经济型数控中应用较多。中断结构采用模块化结构设计因为这种结构便于修改和扩充，编制较为方便，便于向多处理方向发展。双坐标十字滑台机电系统设计采用步进电机作为驱动装置。步进电机是一个将脉冲信号转移成角位移的机电式数模转换器装置。其工作原理是：每给一个脉冲便在定子电路中产生一定的空间旋转磁场；由于步进电机通的是三相交流电所以输入的脉冲数目及时间间隔不同，转子的旋转快慢及旋转时间的长短也是不同的。由于旋转磁场对放入其中的通电导体既转子切割磁力线时具有力的作用，从实现了旋转磁场的转动迫使转子作相应的转动，所以转子才可以实现转子带动丝杠作相应的运动。

2.技术要求

2.1设计题目：双坐标十字滑台设计

2.2技术数据

工作台长?宽（mm）:390*290

工作台重量（N）：1800N

工作台行程：?X=390-100=290mm ?Y=290-100=190mm

脉冲当量：δ=0.005—0.008 mm/P 取δ=0.005mm/P

2.3设计要求：

（1）工作台进给运动采用滚珠丝杠螺结构

（2）滚珠丝杠支撑方式：双推—简支型 （3）驱动电机为步进电机

（4）步进电机与滚珠丝杠间采用齿轮降速要求消除齿轮间隙

3.总体结构设计

数控工作台采用由步进电机驱动的开环控制结构,其单向驱动系统结构简图如图所示:

实际设计的工作台为X 、Y 双坐标联动工作台,工作台是由托板、导轨、滚珠丝杠等组成.其中下拖板与床身固联,它上面固定X 向导轨,中拖板在下拖板的导轨上横向运动,其上固定Y 向导轨,上拖板与工作台固联,在Y 向导轨上移动.X 、Y 导轨方向互相垂直。.

3.1滚珠丝杠选取

滚珠螺旋传动按滚动体循环方式分为外循环和内循环两类,其中应用较广的是插管式和螺旋槽式,它们各有特点,其轴向间隙的调整方法主要有垫片调隙式和螺纹调隙式。

滚珠丝杠传动副多为专业厂家生产,一般用户设计时只负责选用,在选用时主要验算其额定动载荷和临界转速,丝杠较长时还应进行压杆稳定性验算。

3.1.1计算动载荷Cj

a H F j F K K L C ???=3/1 N

取丝杠转速：n=100r/min 轴向载荷：Fa=μF=0.1*1800=180N 使用寿命：T=15000h 则额定寿命：h nT

L 9010606

==

取2.1=F K （根据《机电一体化设计基础》P22页表2—6） 0.1=H K （根据《机电一体化设计基础》P22页表2—7） 所以动载荷N C j 98.9671800.12.19031

=???=

根据Cj 选取滚珠丝杠副：选米思米 BSX1202 滚珠丝杠

得丝杠数据： 外径 D 0=12mm

导程 P=4mm

滚珠直径 d 0 =2.3812mm 丝杠内径 d =10.1mm

3.2滚珠丝杠副的选取 3.2.1计算载荷

Fc=K F *K H *K A *Fm

查《机电一体化设计基础》表2—6取，K F =1.3 查表2—7 取K H =1.0 查表2—4 取D 级精度 查表2—8 取 KA=1.0 取平均工作载荷Fm=3500N 则 Fc=1.3*1.0*1.0*3500=4550N

3.2.2计算额定动载荷计算值Ca

n=100r/min 使用寿命h L =15000h L=60n *

6

10h L =660*100*1500010=90h

3.2.3根据Ca 选择滚珠丝杠副

选米思米 BSX1202 滚珠丝杠

得丝杠数据： 外径 D 0=12mm

导程 P=4mm

滚珠直径 d 0 =2.3812mm 丝杠内径 d =10.1mm

3.2.4滚珠丝杠副校核

滚珠丝杠副还要受D 0*n 的值的限制，通常要求D 0*n<7*104

mmr/min

D 0*n=50*100=5000mm*r/min<7*104

mm*r/min 所以 丝杠副工作稳定

3.3稳定性运算

3.3.1计算临界转速 K n

22

1

9910*(*)

fc d nk l μ= （r/min ） 式中 临界转速系数fc: fc=3.927 (见《机电一体化设计基础》P25页表2—10) 长度系数μ： μ=0.67 （见《机电一体化设计基础》P25页表2—10） 丝杠内经d 1 （m ）： d 1=10.1 ?10-3 （m ）

l —丝杠工作长度 (m) 取丝杠工作长度:290=Lx mm 190=Ly mm 可知y 向临界转速最大

min /91.95248)1019067.0(101.10927.399102

33

2r n k =?????=-- min /10000max r n =

因为n k >n max 所以丝杠工作时不会发生共振。

3.3.2压杆稳定性计算

F K =22

()

EIa

l πμ （N ） 式中 F K —临界载荷

E —材料弹性模量 （对于钢,E=2.06×1110Pa ）

Ia —丝杠危险截面惯性矩

104

311011.564

)101.10(14.364/--?=??=

=d Ia π

临界载荷N

F k 4

2

101121040.6)19.067.0(1011.51006.214.3?=?????=- 安全系数5.2][56.355180

1040.64

=≥=?=

=

s F F s a

k

～3.3

丝杠绝对安全，不会失稳。

丝杠选取无误，即选取米思米 BSX1202 型滚珠丝杠。

3.4滚动导轨

导轨是工作台系统的重要组成部分,由于滚动导轨具有定位精度高、低速无爬行、移动轻便等显著优点,故本工作台系统设计选用滚动导轨.滚动导轨应用最广的是滚珠导轨,按滚珠的循环方式分类,滚珠导轨又可分为滚珠不循环式和可循环式.在专业厂家生产的标准化滚动导轨中,都为滚动体可循环式,本次导轨设计的主要任务是根据负载情况选用标准化滚动导轨,在选用过程中,主要进行额定载荷验算.

3.4.1计算行程长度寿命 Ts

Ts=2Ls ·n ·60·Th/1000 (km)

式中 Ls —工作单行程长度(m) m L sx 29.0= m L sy 19.0= n —往复次数 (次/min)

34.029

.021*******

=???==-sx x L np n

53.019.021*******

=???==-sy y L np n

Th —工作时间寿命 (h)：h T h 15000=

行程长度寿命：km T sx 5.1771000/)150006034.029.02(=????= km T sy 26.1811000/)150006053.019.02(=????=

3.4.2计算动载荷 j C

j C =H

c T s w f f f m k T f F ?????3/1)/(

式中 F —作用在滑座上的载荷 (N) F=1800 N

m —滑座个数 m =4

K —寿命系数 一般取 K = 50 km

T

f —温度系数 (根据《机电一体化设计基础》P34页表2—16) 取T

f

=1.0

c f —接触系数 (根据《机电一体化设计基础》P34页表2—17) 取c

f =1.00 H f —硬度系数 （根据《机电一体化设计基础》P34页表2—15）取H

f =1.0 w f

—负载系数 (根据《机电一体化设计基础》P35页表2—18) 取

w

f

=1.3

∴

jx c

=

13

(/)

4*1*1*1

x

w

s f k F T =892.41N

∴jy c =

1

3

(/)4*1*1*1

y

w

s f k F T =898.67N

故选取滚动导轨型号为HJG —D35

3.5选取电机

3.5.1电机的初选

步距角的确定 t

i

??δα0360＝ （度）

式中 δ—工作台脉冲当量 (mm/P) 005.0=δ

i —传动系统传动比

t —滚珠丝杠导程 (mm) t=4mm

取 ?2.1＝

α 7.2005

.03604

2.1360=??=

??=

δ

α t

i

减速器采用1级传动，传动比为i =2.7 齿轮齿数为：Z1=20 Z2=54 模数m=2 齿轮宽b=36mm

3.5.2步进电机转矩校核

X 轴向：取丝杠等效直径为mm d s 1.12=，长为70+290=360 mm 由《机电一体化设计基础》书中式5-3632

4l

d J πρ=，分别计算各传动件的转动惯量，其中齿轮

交叉直径取分度圆直径： mm d 402021=?= mm z m d 10854222=?=?= 254311005.732

036

.004.0108.7m kg J z ??≈????=

-π

234321075.332

036

.0108.0108.7m kg J z ??≈????=

-π

2643107.532

36

.0012.0108.7m kg J s ??≈????=

-π

总当量负载转动惯量：

2

526

32

5222

110525.8180)7.22004.0()107.51075.3(7

.211005.7()2()(1m kg m i p J J i

J J S z z d ??=???+?+?+

?=+++

=----ππ 3.5.3惯量匹配验算

141≤≤m

d J J 451041.310525.8--?≤≤?m J 2m kg ? 321041.310525.8?≤≤?m J 2cm kg ?

所以选择三相步进电机，型号为和利时86BYG 350BH —0201，主要数据如下表：

3.5.4步进电机负载能力校核

设步进电机空载启动时间为t ?=25ms ，最大进给速度：min /2.1max m =ω

则步进电动机轴的总转动惯量：255410765.810525.8104.2m kg J J J d m ??=?+?=+=--- 空载启动时，电动机轴的惯性转矩：

m N t p i J t J J T J ?=????????=?***?=??==--30.060

1025004.02.17.2210765.8)/()2(/3

5max max πωπωε

电动机轴上的当量摩擦转矩：

m N i pmg i

pF T ?=????==

=

053.07

.28.021

.01800004.022ππημπημμ 其中伺服进给链的总效率8.0=η

设滚珠丝杠螺母副的与预紧力为最大轴向载荷的1/3，则因预紧力而引起，而折算到电动机轴上的附加摩擦转矩为：

m N i pF i pF T w o ?=????-??=-=-=003.03

7.28.014.32)

9.01(180004.032)1(2)1(22

0max 200πηηπηη

其中9.00=η

工作台的最大轴向负载折算到电动机轴上的负载转矩： m N i pF T w w ?=????==

53.07

.28.014.321800004.02max πη 则电动机空载启动时电动机轴总的负载转矩：

m N T T T T j q ?=++=++=356.0003.0053.030.00μ 则电动机正常工作时电动机轴总负载转矩：

m N T T T T w g ?=++=++=586.0003.0053.053.00μ 电动机最大静转矩Ts

按空载启动计算：

空载启动上所需电动机最大静转矩 m N c T T q s ?==

=

504.0707

.0356

.01 C=0.707 由下表可查

按正常工作计算：

在最大外载荷下工作时所需要电动机最大静转矩： 95.13

.0586

.03

.02==

=

g s T T Ts 取二者大的，故Ts=1.95﹤[Ts] 步进电机的最大静转矩满足要求 频率校核

参考电动机的转矩—频率特性曲线

原则：选用步进电机应使实际应用的启动频率，运行频率与负载转矩所对应的启动，运行工作点位于该曲线之下，才能保证步进电机不失频的正常工作。 经校核满足要求。

∴选取86BYG 350BH —0201型步进电机