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机电一体化设计课程设计说明书设计题目：数控X-Y工作台设计班级： xxxxXXX姓名： XXXXXXX学号： XXXXXXX指导教师：XXXXXXXX目 录摘要1第1章 设计任务书 1第2章 系统总体方案设计 12.1方案的分析、比较 12.2机械系统设计 22.3控制系统设计 22.4检测系统设计 2第3章 机械系统的设计计算 3 3.1滚珠丝杠的计算 3 3.2滚动直线导轨的计算 9 3.3轴承的选择 10 3.3电机的计算选择 11 3.3联轴器的选择 13第4章 控制系统设计 13 4.1单片机系统选择 13 4.2系统扩展及操作面板设计 14 4.3操作面板功能介绍 154.4控制系统原理框图 164.5电动机控制原理 164.6光电编码盘信号采集原理 184.7键盘、显示器接口电路分析 19第5章 检测系统设计 205.1光电编码盘的选择 205.2限位开关的选择 21第6章 程序流程图 22注意事项23参考文献目 录第1章 设计任务书 1第2章 系统总体方案设计 12.1方案的分析、比较 12.2机械系统设计 12.3控制系统设计 12.4检测系统设计 2第3章 机械系统的设计计算 23.1滚珠丝杠的计算 23.2滚动直线导轨的计算 63.3轴承的选择 73.4电机的计算选择 83.5联轴器的选择 10第4章 控制系统设计 104.1单片机选择及系统扩展104.2操纵面板设计及操作面板功能介绍114.3电动机控制原理 124.4光电编码盘信号采集原理 134.5键盘、显示器接口电路分析 14第5章 检测系统设计 15第6章 程序流程图 15注意事项16参考文献16摘要：本设计结合机电一体化课程教学环节需要，设计用微型计算机作为控制系统的X-Y工作台。通过论述X-Y工作台机械结构设计和控制电路接口设计,阐述了机电一体化设计中的共性和关键技术.本次设计任务是二维工作台中的螺旋传动的选型、控制电机的选择。初步掌握伺服控制系统设计方法,进行驱动装置和执行机构的选择。它综合运用机械设计，驱动技术知识，外载荷的大小，来设计出二维工作台控制系统。本次设计是对机械、自动控制等方面综合的机电一体化训练。关键词：X-Y工作台；微型计算机；机电一体化设计第1章 设计任务书设计任务: X方向行程:300mm Y方向行程:200mm 工作台面的参考尺寸:500X300mm 平均切削力:1500N 平均切削进给速度:600mm/min 最高运动速度:6m/min 定位精度: 工作寿命:每天8小时,工作8年,250天/年第2章 系统总体方案设计2.1 方案的分析、比较数控X-Y工作台的总体方案设计应考虑工作台应具有沿纵向和横向往复运动、暂停等功能，因此数控控制系统采用连续控制系统。在保证一定加工性能的前提下，结构应简单，以求降低成本。因此进给伺服统应采用步进电机开环控制系统。但本次课程设计考虑到让同学对机电一体化技术有个整体上的认识，对所学知识得到更好的训练，故采用半闭环设计系统。X方向工作台滑板支承座Y方向电机Y方向工作台滑板X方向电机X方向电机2.2 机械系统设计1由于系统采用闭环控制，执行机构采用直流电机，可由电机直接驱动，不需传动机构。直流电机具有响应迅速、精度和效率高、调速范围宽、负载能力大、控制特性优良等优点。2纵向和横向进给是两套独立的传动链，它们各自由各的直流电动机、联轴器、丝杠螺母副组成。3.为了保证进给伺服系统的传动精度和平稳性，选用摩擦小、传动效率高的滚珠丝杠螺母副，并应有预紧装置，以提高传动刚度和消除间隙。4.为减少导轨的摩擦阻力，选用矩形滚动直线导轨。 2.3 控制系统设计1.人机接口： (1)采用键盘作为输入(2)采用LED作为指示标志(3)采用数码管作为显示器2.机电接口： 采用光电耦合器作为微型机与直流电动机驱动电路的接口,实现隔离.3该控制系统采用的微型机为80C51单片机。执行元件采用直流电机。扩展两片并行接口芯片8255A，一片键盘和显示芯片8255A，两片定时器芯片8253。2.4 检测系统设计信息接口负责控制系统中信息的反馈。这些信息反馈中包括直线位移、角位移、速度等等。而此次全闭环的设计中主要涉及到直线位移的检测和速度的检测。在位移检测中又包含两个方面：工作台绝对位移的检测和限位零位的检测。在原来的产品中多采用测速发电机进行测量，原理图如下在工作台绝对位移的检测中一般采用直线光栅传感器。由于它分辨率高、安装使用简单而被广泛应用。在限位零位的检测中，采用接近开关。在限位检测中，由于对检测精度要求不高，采用一个接近开关。在零位的检测中，由于工作台要准确稳定的停止在零位，因此采用两个接近开关。当第一个接近开关发出信号时，工作台开始减速，到第二个接近开关信号发出时，工作台准确停在零位。在速度的检测中，可以采用光电编码盘或测速电机，由于测速电机输出为模拟电压，要经过转换隔离电路才能进入计算机，而光电编码盘可以直接输出TTL电平的脉冲，因此采用光电编码盘。因此传感器选用如下：（1）速度检测：光电编码盘（2）位移检测：光电编码盘（3）限位检测：接近开关第3章 机械系统的设计计算3.1 滚珠丝杠的选型与计算由技术要求,平均载荷F=1500N,丝杠工作长度L=300mm,工作寿命,传动精度要求设导程P=5 mm ,则Y方向(1) 最大工作载荷Fm的计算在立铣时，工作台受到进给方向的载荷（与丝杠轴线平行）Fx=1500N，受到横向的载荷（与丝杠轴线垂直）Fy=1500N，受到垂直方向的载荷（与工作台面垂直）Fz=556N.已知移动部件总重G=1500N，按矩形导轨进行计算，查表，取倾覆力矩影响系数K=1.1，滚动导轨的摩擦系数=0.003。求的滚珠丝杠副的最大工作载荷：Fm=KFx+(Fz+Fy+2G)=1.1X1500+0.003(1500X3)=1664N(2) 求计算载荷由条件,查机电一体化系统设计表2-6取=1.3, 查表2-6取=1.0, 表2-4取D精度, 查表2-6取=1.0, (3) 计算额定动载荷计算值Ca由式(2-4)(3)根据选择滚珠丝杠副 假设选用FC1型号,按滚珠丝杠副的额定动载荷Ca 等于或稍大于的原则,查表2-9选以下型号规格FC1-3205-2.5 Ca=10689N公称直径 导程 螺旋角 滚珠直径按表2-1中尺寸计算滚道半径 R=0.52=0.523.175=1.651mm偏心距丝杠内径(4)稳定性验算1由于一端轴向固定的长丝杠在工作时可能会发生失稳,所以在设计时应验算其安全系数S,其值应大于丝杠副传动结构允许安全系数 丝杠不会发生失稳的最大载荷称为临界载荷其中 E=206Gpa L=0.3m 取 则安全系数查表2-10 S=2.5-3.3 SS 丝杠是安全的,不会失稳2高速长丝杠工作时可能发生共振,因此需验算其不会发生共振的最高转速-临界转速,要求丝杠的最大转速 所以丝杠不会发生共振3此外滚珠丝杠副还受值的限制,通常要求(5)刚度验算滚珠丝杠在工作负载F(N)和转矩T(Nm)共同作用下引起每个导程的变形量为式中,A为丝杠截面积,A=为丝杠的极惯性矩, G为丝杠切变模量,对钢G=83.3GP a;T(Nm)为转矩. 式中, 为摩擦角,其正切函数值为摩擦系数; 为平均工作载荷.取摩擦系数为,则得按最不利的情况取(F=)则丝杠在工作长度上的弹性变形所引起的导程误差为通常要求丝杠的导程误差小于其传动精度的1/2,即该丝杠的满足上式,所以其刚度可满足要求.(6)效率验算要求在90%-95%之间,所以该丝杠副合格.经上述计算验证,FC1-3205-2.5各项性能均符合题目要求,可选用.X方向(4) 最大工作载荷Fm的计算在立铣时，工作台受到进给方向的载荷（与丝杠轴线平行）Fx=1500N，受到横向的载荷（与丝杠轴线垂直）Fy=1500N，受到垂直方向的载荷（与工作台面垂直）Fz=556N.已知移动部件总重G=1500N，按矩形导轨进行计算，查表，取倾覆力矩影响系数K=1.1，滚动导轨的摩擦系数=0.003。求的滚珠丝杠副的最大工作载荷：Fm=KFx+(Fz+Fy+2G)=1.1X1500+0.003(1500X4)=1668(5) 求计算载荷由条件,查机电一体化系统设计表2-6取=1.3, 查表2-6取=1.0, 表2-4取D精度, 查表2-6取=1.0, (6) 计算额定动载荷计算值Ca由式(2-4)(3)根据选择滚珠丝杠副 假设选用FC1型号,按滚珠丝杠副的额定动载荷Ca 等于或稍大于的原则,查表2-9选以下型号规格FC1-3205-2.5 Ca=10689N公称直径 导程 螺旋角 滚珠直径按表2-1中尺寸计算滚道半径 R=0.52=0.523.175=1.651mm偏心距丝杠内径(4)稳定性验算1由于一端轴向固定的长丝杠在工作时可能会发生失稳,所以在设计时应验算其安全系数S,其值应大于丝杠副传动结构允许安全系数 丝杠不会发生失稳的最大载荷称为临界载荷其中 E=206Gpa L=0.3m 取 则安全系数查表2-10 S=2.5-3.3 SS 丝杠是安全的,不会失稳2高速长丝杠工作时可能发生共振,因此需验算其不会发生共振的最高转速-临界转速,要求丝杠的最大转速 所以丝杠不会发生共振3此外滚珠丝杠副还受值的限制,通常要求(5)刚度验算滚珠丝杠在工作负载F(N)和转矩T(Nm)共同作用下引起每个导程的变形量为式中,A为丝杠截面积,A=为丝杠的极惯性矩, G为丝杠切变模量,对钢G=83.3GP a;T(Nm)为转矩. 式中, 为摩擦角,其正切函数值为摩擦系数; 为平均工作载荷.取摩擦系数为,则得按最不利的情况取(F=)则丝杠在工作长度上的弹性变形所引起的导程误差为通常要求丝杠的导程误差小于其传动精度的1/2,即该丝杠的满足上式,所以其刚度可满足要求.(6)效率验算要求在90%-95%之间,所以该丝杠副合格.经上述计算验证,FC1-3205-2.5各项性能均符合题目要求,可选用.综上所述，选用FC1-3205-2.5滚珠丝杠。3.2 滚动直线导轨的选型与计算(1)Y方向导轨由所给条件得,该导轨的额定工作时间为由 得因滑座数M=4,所以每根导轨上使用2个滑座,由表2-15-2-18确定则由式2-9, 得 =23199N X方向导轨由所给条件得,该导轨的额定工作时间为由 得因滑座数M=4,所以每根导轨上使用2个滑座,由表2-15-2-18确定则由式2-9, 得 选用汉江机床厂的HJG-D系列滚动直线导轨,查表2-13,其中HJG-D35型号的导轨的Ca值为29400N,能满足八年的使用要求.3.3轴承的选择丝杠的支承方式为一端固定一端游动，固定端需承受径向和轴向两个方向的作用力，游动端只需承受径向载荷，因此游动端选用深沟球轴承，固定端选用双向角接触球轴承，轴承寿命选择与丝杠一致。根据计算载荷初选深沟球轴承为6206，d=30,D=62,B=14角接触球轴承为7206AC,d=30,D=62,B=16校核:将力分解到水平面，铅垂面1. 求径向载荷 2. 轴承的计算轴向力由轴承背对背安装且相隔很近，对于Fa的影响很小，轴向力可以近似为1500N(1) 因 Fa/Fr =1500/1572.53=0.960.68,因此P1=预期寿命L=16000hC=选择的角接触球轴承Ca=15200N满足要求 选择的深沟球轴承Ca=25500N满足要求3.3 电机的选择1. 电机类型选择在闭环控制,的中小型伺服系统中,主要采用直流电机,直流伺服电机具有优良的静动态特性,并且易于控制.2. 电动机电压和功率的范围直流电动机常采用220V,随电动机功率的增大,采用的电压等级也响应提高。所以根据机械设计手册表16-1-9，选择电压V,功率范围0.25-320kw。3.电动机的转速选择在此选用相应转速的电动机不经机械减速机构直接传动由已知最高运动速度v=6m/min,导程p=5mm,所以空载转速4.电动机功率计算(1) 初选电动机功率直线运动机械查表得 滚动轴承=0.97 滚动丝杠=0.90 所以=0.873初选电动机型号为BOSZ611H20型号电压(v)功率(W)电流（A）空载转速(r/min)负载转速(r/min)转距(N.m)BOSZ611H201275030.0250020002.86 电动机上的负载转矩 （3）电动机过载能力校验连续工作制直流电动机短时允许过载系数直流电动机过载倍数校验为(4) 符合(5) 惯量匹配验算电动机轴上总当量负载转动惯量计算丝杠转动惯量将转动惯量及工作台质量折算到电动机轴上,得总当量负载转动惯量满足 要求，说明惯量匹配比较合理。3.4 联轴器的选择1.选择联轴器的类型根据传递的转矩大小和转速高低，以及对缓冲和振动的要求，参考各类联轴器的特点，选择适用的联轴器类型。根据需要选择弹性联轴器。2.联轴器的转矩传动轴上的公称转矩T（Nm）可用下式进行计算T=9550=9550=2.865Nm实际计算时，应将公称转矩T乘以工作情况系数KA,得到计算转矩3. 确定联轴器的型号根据计算转矩的条件确定联轴器的型号。式中，为所选型号联轴器的许用转矩。选择弹性套柱销式联轴器TL1。4. 校核最高转速联轴器工作过程中的最高转速n，不应超过其允许的最高转速经校核选择弹性套柱销式联轴器TL1第4章 控制系统设计4.1 单片机系统选择该控制系统采用的微型机为8031单片机。执行元件采用直流电机。扩展三片并行接口芯片8255A，一片数据存储器EPRAM芯片，四片定时器芯片8253。根据设计要求,系统控制的只要功能是对PWM脉冲宽度调制,在实现这一主功能的基础上,附带若干协助功能,如键盘显示等.结论,1.系统对内存要求不高 2.系统处理的运算不是很复杂,对CPU的计算速度要求不高 3.为扩展键盘,显示等功能,要求系统提供较多的口线和完善的中断系统.考虑到上面的原因,这里可以采用市面供应充分,性能价格比较好的8031作为系统的微处理器.其参数见下表.4.2 系统扩展及操纵面板设计由于要实现对直流电机、键盘显示、控制面板开关、按钮、限位信号和状态指示灯的控制，因此需扩展三片8255。可编程并行接口8255是一种应用广泛的并行接口扩展器件，它具有3个8位并行口PA、PB、PC由此提供了24条口线。根据系统的功能要求，微机数控系统中除了CPU外，还应包括扩展数据存储器6264。要实现对光栅、光电编码盘脉冲信号的计数，需扩展四片可编程定时器/计数器芯片8253，它具有三个独立的16位计数器，可用程序设置成多种工作方式。面板设计：4.3 操作面板功能介绍速度调节旋钮，分为一百份，最大速度1000R/min,通过电位器转化为电压值，然后通过ADC 0808 转化入计算机。LED 显示坐标。急停按钮防止突发事件。3X8 键盘。11 位指示灯。4.4 控制系统原理框图4.5 电动机控制原理直流电机控制接口电路如图所示。采用8255A作为并行接口电路。8255C口为输出口。C口PC0,PC1经四总线缓冲门74LS125和反向驱动器74LS06控制四个光电隔离器和四个功率场效应开关管IRF640（图中用SW1-SW2表示）。当单片机经8255接口输出02H（PC0=1，PC1=0）时，由于锁存器74LS125中三态门2是打开的，所以光电隔离器LEI4导通并发光，光敏三极管输出为高电平，因而使大功率场效应开关管IRF640 （SW4）导通。同理，74LS125的4三态门输出为“0”，使得3门的控制端也为“0”电平，因此，3三态门打开，使光电隔离器LEI1发光并导通，因而使SW1导通。同理可分析，此时SW2和SW3是关断的。因此，电流从左至右流过直流电机，使电机正转。当PC0和PC1端口输出为01H控制模型时，则锁存器74LS125中的2，3三态门打开，使得SW2和SW3接通，SW1和SW4关断，电流由右向左流过电机，使电机反转。 同理可决定刹车及滑行模式分别为03H和00H。 电机控制电气原理图 4.6 光电编码盘信号采集光电编码盘接口电路如图所示。光电编码盘采集的A向和B向两路脉冲信号经辨向电路分别送入8253的CLOCK口进行计数，计满后申请中断，中断后对8255的PC1 到PC4口进行查询，查询到高电平后在相应的位上加一，实现软件计数。光电编码盘的脉冲信号经8253后检测出单位脉冲宽度，从而实现对速度的检测。光栅辨向原理图如图九所示，输入信号A、B为相位差90的方波信号可见，当A导前B 90时，Uo1有输出，Uo2无输出，当B导前A 90时，Uo1无输出，Uo2有输出，实现辨向。 电气图4.7 键盘、显示器接口电路分析键盘与指示灯共占一8255，显示器与速度旋钮共占一8255，分别电路图如下。 键盘指示灯电路图旋钮与显示电路图第5章 检测系统设计 5.1光电编码盘的选择上海戴昕电子有限公司电磁式编码器2048脉冲/圈、1024脉冲/圈、512脉冲/圈、256脉冲/圈,供电源5VDC或12-24VDC,非接触电磁增量编码器,不锈钢外壳,用于旋转或直线位移量测量用于检测电机的转速或位置,从而构成各种闭环控制系统。根据本设计的要求选择256脉冲/圈的编码盘。5.2 限位开关设计第6章 程序流程图开始 各芯片状态初始化有键中断？开中断 NO YES判断真否有键按下？ NO YES键处理NO ENDX？Y?判断是否运行数字键判断正负判断步进、工进、快进读键值判断X、Y参数返回输出相应指令判断X,Y YES输出相应指令 送入程序执行超过6位？是否到位 NO YES是否限位中断 YES NO 送入存储，执行返回 YES返回返回需注意事项：注意1：片外的数据存储器地址从 0000H1FFFH（除了内部256位RAM）2：首先开中断，出串行口外。3：设置8255 状态字；键盘指示灯 状态地址为 #3FFFH,A口地址为 #27FFH,B 口地址为#2FFFH,C口地址为#37FFH;4: 等待键盘中断，延时20S，将速度旋钮进行转换。5:键盘指示灯处理。由于要进行PB口的扫描，所以中断会在扫描工程中产生，而这是我们不希望看到的。 由于扫描到的是行号和列号的相加。而非按键所表示的。因此需经过相应的译码程序。主要通过判断是否与给定的相同来判断。并且在此工程中，按键会有一先后顺序。首先，按键必须在选择 X?Y? 按键后才可。并且 +X -X +Y -Y 的按键实在步进状态下实现的。START 按钮指示将面板状态送入8031启动。在输入坐标时，必须将小数点前三位全部输入，小数点后不限制。小数点不必输入，系统自动认为前三位即百十个位。并且注意DEL 键同时消除“-”号选择。按DEL 键后，X或Y的状态全部消除。需注意！X 目的坐标6位数据存储于片内30H35H中，总坐标存储于36H，37H（小数）中,38H中表示X参数输入的第几位数据。同样，Y目的坐标存储于40H45H中，总坐标存储于46H,47H(小数)中，48H中表示Y参数输入的第几位数据。由于设置必须在停止状态下，设定的状态需存储入数据存储器中，当开始后，从数据存储器中调运。本系统，我将状态存入片内位寻址空间，00H-高电平Y轴设定状态，低电平为X，01H-X的正负号，02H-X的插补，03H-X的回零，04H-X的步进，05H-X的工进，06H-X的快进0AH-X的START,11H-Y的正负，12H-Y的插补，13H-Y的回零，14H-Y的步进，15H-Y的工进，16H-Y的快进，1AH-Y的START.只有当AD 转换结束后，才可启动START.若在启动状态下，按“END”键，则首先判断是哪一电机。然后转结束程序。参考文献1.尤丽华主编测试技术机械工业出版社, 20062.吴宗泽,罗圣国主编机械设计课程设计手册高等教育出版社, 19993.高学山编著光机电一体化系统典型实例机械工业出版社,20064.成大先主编机械设计图册化学工业出版社,20005. 成大先主编机械设计手册(减速器.电机与电器)化学工业出版社,20046.机电一体化技术手册编委会编机电一体化技术手册(上.下)机械工业出版社,19997.郑堤,唐可洪主编机电一体化设计基础机械工业出版社,8.潘新民,王燕芳主编微型计算机控制技术电子工业出版社,2005.9张迎新等主编单片机初级教程北京航空航天大学出版社,1999.25第1章 设计任务书X方向行程：300mm Y方向行程：200mm工作台面的参考尺寸：500X300mm平均切削力：1500N平均切削进给速度：600mm/min最高运动速度：6m/min定位精度：工作寿命：每天8小时，工作8年，250天/年第2章 系统总体方案设计2.1 方案的分析、比较数控X-Y工作台的总体方案设计考虑工作台应具有沿纵向和横向往复运动、暂停等功能，因此数控控制系统采用连续控制系统。在保证一定加工性能的前提下，结构应简单，本次课程设计采用半闭环设计系统。X方向工作台滑板支承座Y方向电机Y方向工作台滑板X方向电机X方向电机2.2 机械系统设计1由于系统采用半闭环控制，执行机构采用直流伺服电机，电机直接驱动，不需传动机构。直流电机具有响应迅速、精度和效率高、调速范围宽、负载能力大、控制特性优良等优点。2纵向和横向进给是两套独立的传动链，它们各自由各的直流电动机、联轴器、丝杠螺母副组成。3.为了保证进给伺服系统的传动精度和平稳性，选用摩擦小、传动效率高的滚珠丝杠螺母副，并应有预紧装置，以提高传动刚度和消除间隙。4.为减少导轨的摩擦阻力，选用矩形滚动直线导轨。2.3 控制系统设计1.人机接口：(1)采用键盘作为输入，速度旋钮，急停按钮；(2)采用LED作为指示标志，采用数码管作为显示器。2.机电接口：采用光电耦合器作为微型机与直流电动机驱动电路的接口，实现隔离。3.该控制系统：采用单片机及相应芯片实现程序控制。输入、输出传送与转换。2.4 检测系统设计信息接口负责控制系统中信息的反馈。这些信息反馈中包括角位移、角速度。在位移检测中包含限位、零位的检测。在限位、零位的检测中采用接近开关，角位移、角速度检测采用光电编码盘进行测量，原理图如下第3章 机械系统的设计计算3.1 滚珠丝杠的选型与计算由技术要求,平均载荷F=1500N,丝杠工作长度L=300mm,工作寿命,传动精度要求设导程P=5 mm ,则Y方向(1) 最大工作载荷Fm的计算在立铣时，工作台受到进给方向的载荷（与丝杠轴线平行）Fx=1500N，受到横向的载荷（与丝杠轴线垂直）Fy=1500N，受到垂直方向的载荷（与工作台面垂直）Fz=556N.已知移动部件总重G=1500N，按矩形导轨进行计算，查表，取倾覆力矩影响系数K=1.1，滚动导轨的摩擦系数=0.003。求的滚珠丝杠副的最大工作载荷：Fm=KFx+(Fz+Fy+2G)=1.1X1500+0.003(1500X3)=1664N(2) 求计算载荷由条件,查机电一体化系统设计表2-6取=1.3, 查表2-6取=1.0, 表2-4取D精度, 查表2-6取=1.0 (3) 计算额定动载荷计算值Ca由式(2-4)(3)根据选择滚珠丝杠副 假设选用FC1型号,按滚珠丝杠副的额定动载荷Ca 等于或稍大于的原则,查表2-9选以下型号规格FC1-3205-2.5 Ca=10689N公称直径 导程 螺旋角 滚珠直径按表2-1中尺寸计算滚道半径 R=0.52=0.523.175=1.651mm偏心距丝杠内径(4)稳定性验算1由于一端轴向固定的长丝杠在工作时可能会发生失稳,所以在设计时应验算其安全系数S,其值应大于丝杠副传动结构允许安全系数丝杠不会发生失稳的最大载荷称为临界载荷其中 E=206Gpa，L=0.3m，取 则安全系数查表2-10 S=2.5-3.3 SS 丝杠是安全的,不会失稳2高速长丝杠工作时可能发生共振,因此需验算其不会发生共振的最高转速-临界转速,要求丝杠的最大转速 所以丝杠不会发生共振3此外滚珠丝杠副还受值的限制,通常要求(5)刚度验算滚珠丝杠在工作负载F(N)和转矩T(Nm)共同作用下引起每个导程的变形量为 式中,A为丝杠截面积,A=为丝杠的极惯性矩, G为丝杠切变模量,对钢G=83.3GP a;T(Nm)为转矩.式中, 为摩擦角,其正切函数值为摩擦系数; 为平均工作载荷.取摩擦系数为,则得按最不利的情况取(F=)则丝杠在工作长度上的弹性变形所引起的导程误差为通常要求丝杠的导程误差小于其传动精度的1/2,即该丝杠的满足上式,所以其刚度可满足要求.(6)效率验算要求在90%-95%之间,所以该丝杠副合格.经上述计算验证,FC1-3205-2.5各项性能均符合题目要求，可选用。X方向（1）最大工作载荷Fm的计算在立铣时，工作台受到进给方向的载荷（与丝杠轴线平行）Fx=1500N，受到横向的载荷（与丝杠轴线垂直）Fy=1500N，受到垂直方向的载荷（与工作台面垂直）Fz=556N.已知移动部件总重G=1500N，按矩形导轨进行计算，查表，取倾覆力矩影响系数K=1.1，滚动导轨的摩擦系数=0.003。求的滚珠丝杠副的最大工作载荷：Fm=KFx+(Fz+Fy+2G)=1.1X1500+0.003(1500X4)=1668（2）求计算载荷由条件,查机电一体化系统设计表2-6取=1.3, 查表2-6取=1.0, 表2-4取D精度, 查表2-6取=1.0,（3）计算额定动载荷计算值Ca由式(2-4)根据选择滚珠丝杠副 假设选用FC1型号,按滚珠丝杠副的额定动载荷Ca 等于或稍大于的原则,查表2-9选以下型号规格FC1-3205-2.5 Ca=10689N公称直径，导程，螺旋角，滚珠直径按表2-1中尺寸计算滚道半径 R=0.52=0.523.175=1.651mm偏心距丝杠内径(4) 稳定性验算1由于一端轴向固定的长丝杠在工作时可能会发生失稳,所以在设计时应验算其安全系数S,其值应大于丝杠副传动结构允许安全系数丝杠不会发生失稳的最大载荷称为临界载荷其中 E=206Gpa，L=0.3m，取 则安全系数查表2-10 S=2.5-3.3 SS 丝杠是安全的,不会失稳2高速长丝杠工作时可能发生共振,因此需验算其不会发生共振的最高转速-临界转速,要求丝杠的最大转速 所以丝杠不会发生共振3此外滚珠丝杠副还受值的限制,通常要求(5)刚度验算滚珠丝杠在工作负载F(N)和转矩T(Nm)共同作用下引起每个导程的变形量为 式中,A为丝杠截面积,A=为丝杠的极惯性矩, G为丝杠切变模量,对钢G=83.3GP a;T(Nm)为转矩。式中, 为摩擦角,其正切函数值为摩擦系数; 为平均工作载荷.取摩擦系数为,则得按最不利的情况取(F=)则丝杠在工作长度上的弹性变形所引起的导程误差为通常要求丝杠的导程误差小于其传动精度的1/2,即该丝杠的满足上式,所以其刚度可满足要求.(6)效率验算要求在90%-95%之间,所以该丝杠副合格.经上述计算验证,FC1-3205-2.5各项性能均符合题目要求,可选用.综上所述，选用FC1-3205-2.5滚珠丝杠。3.2 滚动直线导轨的选型与计算(1)Y方向导轨由所给条件得,该导轨的额定工作时间为由 得因滑座数M=4,所以每根导轨上使用2个滑座,由表2-15-2-18确定则由式2-9, =23199N (2)X方向导轨由所给条件得,该导轨的额定工作时间为由 得因滑座数M=4,所以每根导轨上使用2个滑座,由表2-15-2-18确定则由式2-9, 得 选用汉江机床厂的HJG-D系列滚动直线导轨,查表2-13,其中HJG-D35型号的导轨的Ca值为29400N,能满足八年的使用要求。3.3轴承的选择丝杠的支承方式为一端固定一端游动，固定端需承受径向和轴向两个方向的作用力，游动端只需承受径向载荷，因此游动端选用深沟球轴承，固定端选用双向角接触球轴承，轴承寿命选择与丝杠一致。根据计算载荷初选深沟球轴承为6206，d=30,D=62,B=14角接触球轴承为7206AC,d=30,D=62,B=16校核:将力分解到水平面，铅垂面1. 求径向载荷 2. 轴承的计算轴向力由轴承背对背安装且相隔很近，对于Fa的影响很小，轴向力可以近似为1500N(1) 因 Fa/Fr =1500/1572.53=0.960.68,因此P1=预期寿命L=16000hC=选择的角接触球轴承Ca=15200N满足要求 选择的深沟球轴承Ca=25500N满足要求3.4 电机的计算选择1电机类型选择：在闭环控制,的中小型伺服系统中,主要采用直流电机,直流伺服电机具有优良的静动态特性,并且易于控制。2电动机电压和功率的范围：直流电动机常采用220V,随电动机功率的增大,采用的电压等级也响应提高。所以根据机械设计手册表16-1-9，选择电压V,功率范围0.25-320kw。3电动机的转速选择：在此选用相应转速的电动机直接传动。由已知最高运动速度v=6m/min,导程p=5mm,所以空载转速4电动机功率计算：（1）初选电动机功率：直线运动机械查表得：滚动轴承=0.97 滚动丝杠=0.90 所以=0.873初选电动机型号为BOSZ611H20型号电压(v)功率(W)电流（A）空载转速(r/min)负载转速(r/min)转距(N.m)BOSZ611H201275030.0250020002.86（2）电动机上的负载转矩 （3）电动机过载能力校验连续工作制直流电动机短时允许过载系数直流电动机过载倍数校验为（4） 符合（5）惯量匹配验算电动机轴上总当量负载转动惯量计算丝杠转动惯量将转动惯量及工作台质量折算到电动机轴上,得总当量负载转动惯量满足 要求，说明惯量匹配比较合理。3.5 联轴器的选择1.选择联轴器的类型根据传递的转矩大小和转速高低，以及对缓冲和振动的要求，参考各类联轴器的特点，选择适用的联轴器类型。根据需要选择弹性联轴器。2.联轴器的转矩传动轴上的公称转矩T（Nm）可用下式进行计算T=9550=9550=2.865Nm实际计算时，应将公称转矩T乘以工作情况系数KA,得到计算转矩3.确定联轴器的型号根据计算转矩的条件确定联轴器的型号。式中，为所选型号联轴器的许用转矩。选择弹性套柱销式联轴器TL1。4.校核最高转速联轴器工作过程中的最高转速n，不应超过其允许的最高转速经校核。选择弹性套柱销式联轴器TL1第4章 控制系统设计4.1 单片机选择及系统扩展根据设计要求,系统控制的主要功能是对PWM脉冲宽度调制,在实现这一主功能的基础上,附带若干协助功能,如键盘、显示等。系统处理的运算不是很复杂,对CPU的计算速度要求不高，为扩展键盘,显示等功能,要求系统提供较多的口线和完善的中断系统。考虑到上面的原因,这里可以采用市面供应充分,性能价格比较好的8051作为系统的微处理器。由于要实现对直流电机、键盘、显示、按钮、限位信号和状态指示灯的控制，因此需扩展三片8255。还应扩展数据存储器6264。要实现对光电编码盘脉冲信号的计数，需扩展两片可编程定时器/计数器芯片8253。4.2操纵面板设计及操作面板功能介绍面板设计： 速度调节旋钮： 分为一百份，最大速度1000R/min,通过电位器转化为电压值，然后通过A/D转换器转化为数字量送入计算机。LED 显示坐标： 急停按钮防止突发事件：3X8 键盘： 11 位指示灯： 4.3 电动机控制原理 直流电机控制接口电路如图所示。采用8255A作为并行接口电路。8255C口为输出口。C口PC0,PC1经四总线缓冲门74LS125和反向驱动器74LS06控制四个光电隔离器和四个功率场效应开关管IRF640（图中用SW1-SW2表示）。当单片机经8255接口输出02H（PC0=1，PC1=0）时，由于锁存器74LS125中三态门2是打开的，所以光电隔离
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