双坐标十字滑台控制系统设计

1、。郑州大学现代远程教育完成商业计划题目：双坐标十字滑台控制系统的设计(单片机)2013年春季入境月学生的姓是郭薛业产业的机电一体化向鸡的心脏学习指讲师成就完成时间：2015年1月4日目录一.机械部分1设计目的.32设计任务.33设计要求.34个设计步骤.35工作量.36工作台的结构和参数设计.47步电机选择.88减速器的参数设计.119联轴器的选择.14二。双坐标十字滑台控制系统的设计1设计目的.142设计任务.153设计步骤.164工作量.165数控编程和电气控制部分的设计过程.166程序清单.18Iii .参考材料.22四.经验和经历.22双坐标十字滑台控制系统的

2、设计I .机械部件1.设计目标1.1加深理解，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础知识，提高学生综合运用所学知识的能力。1.2根据设计主题的需要，培养学生选择参考书和查阅与工程手册相关的技术数据、图标和文件的能力。2.设计任务2.1第1组。工作长度x宽度(mm): 390x290。工作台工作重量：1800牛顿2.2工作台行程：Z=工作台头-100Y=工作台宽度-1002.3脉冲当量：0.005-0.008毫米/秒3.设计要求3.1工作台的进给运动由滚珠丝杠螺母驱动。3.2滚珠丝杠由双推简易支撑型支撑；3.3驱动电机为反应式步进电机；3.4步进电机和滚珠丝杠采用齿

3、轮减速，消除齿轮传动的间隙。4.设计步骤4.1总体方案的选择和确定；4.2设计方案论证后查阅数据。5.工作量5.1 10号设备图纸；5.2一份设计规范(超过30页)。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位置控制结构，其单驱动系统结构图如图1-1所示。6.2滚珠丝杠设计当设计下螺杆的滚珠螺杆时，已知的工作条件是：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转/分钟或最大转速R/分钟)，滚道硬度58-63HRC和操作精度。6.2.1计算负载Fcfc=KF

4、* KH * KAFM=1 . 21 . 01 . 01150=1380牛顿查找表2-6取KF=1.2，查找表2-7取KH=1.0，查找表2-4取D级精度，查找表2-8取KA=1.0。6.2.2计算额定动态负荷和计算值Ca Ca =1380=5125.3N牛6.2.3根据ca 选择滚珠丝杠副，假设Fc型号，根据滚珠丝杠根据对的额定动载荷等于或略大于ca的原则，查表2-9，选择下列型号规格：NN考虑到各种因素的选择，螺杆副的数据见表2-9:公称直径：铅：P=4毫米螺旋角：球直径：d=2.381mm毫米根据表2-1中的尺寸公式：滚道半径：R=0.521d=1.238mm毫米偏心率：e=(R-d/2

5、)毫米6.2.4稳定性检查6.2.4.1丝杠不会失去稳定性的最大载荷称为临界载荷Fcr(N)，其计算公式如下：Fcr=其中e是丝杠材料的弹性模量，e=钢的206 GPa。l是丝杠的工作长度(m)；Ia是丝杠危险部分的轴向惯性矩(M4)；u为长度系数，见表2-10。Ia=如果u=2/3，Fcr=N安全系数S=。查表2-10 s=2.5-3.3，s s，丝杠是安全的，不会失去稳定性。6.2.4.2高速长丝杠工作时可能会发生共振，因此有必要检查它是否不工作共振发生时的最高速度临界速度ncr。要求丝杠的最大转速。Nmaxnmax=10000r/min，因此丝杠工作时不会发生共振。6.2.4.3另外滚珠

6、丝杠副也受D0n值的限制，通常要求D0n7*104mmr/min，D0n=20所以丝杠副工作稳定。6.2.4.4刚度的验算在工作载荷下，在F(N)和扭矩T(N*m)的共同作用下，滚珠丝杠各导程的变形l0(m)为l0=其中A为丝杠的截面积，A=，Jc为极惯性矩Jc=，G为丝杠的剪切模量，G为钢=83.3，J(N*m)为扭矩，T=其中为摩擦角，其正切函数值为摩擦系数，FM为平均工作载荷根据最不利的情况(其中F=Fm)丝杠在工作长度上的弹性变形引起的导程误差为l=通常要求丝杠的导程误差l应小于其传动精度的1/2，即丝杠的l满足上述公式，因此其刚度能够满足要求。6.2.4.5效率检查滚珠丝杠副的传动效

7、率为=n要求在90%-95%之间，所以螺杆副是合格的。经过以上计算和验证，各项性能均满足课题要求，可以进行选择。下导螺杆的设计要求如下：设计滚珠丝杠时，已知的工作条件是：工作载荷F=900(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转/分钟或最大转速R/分钟)，滚道硬度58-63HRC和操作精度。考虑到各种因素进行上述计算和检查检查选择上导螺杆可以比下导螺杆承受更少的载荷上下丝杠应为以下类型6.2.5丝杠轴承的选择型号：52202数量：2个参数，尺寸d=12mm毫米D=32mm毫米=22毫米=16.5千牛顿A=0

8、.003=4800转/分钟B=5毫米型号：6201数量：4个参数，尺寸d=12mm毫米D=32mm毫米B=10mm毫米=6.82千牛顿=1900转/分钟=18.3毫米=26.1毫米=0.66.2.6丝杠间隙通过调整垫片的间隙来调整垫片的厚度会使螺母产生轻微的轴向位移，从而达到消除轴向间隙并产生预紧力的目的。6.3滚动导轨在已知条件下，导轨的额定工作时间寿命Th为：Th=由Th=Ts=2=2=3456km公里因为滑块的数量m=4，所以每个导轨上使用两个滑块根据表2-15-2-18，fc=0.81，fH=1，fT=1 fW=2由公式(2-9)确定Ts=Ca=其中F=Ca=若选择汉江机场道床HJG-

9、D系列滚动直线导轨，可查阅表2-13，其中HJG-D25型导轨的钙值为17500牛顿，可满足五年使用要求，故可选择HJG-D25滚动直线导轨。上下导轨采用HJG-D25滚动直线导轨。7.步进电机的选择下电机要求：工作台重量m=220kg千克导轨摩擦系数0.2最大轴向力F=1100N牛顿=0.0057.1减速器传动比的计算i=根据最小惯性条件，从图5-33和图5-34中可以看出，减速器采用分级传动。每个传动齿轮的齿数选择为Z1=20，Z2=40，模数m=2mm，齿宽=25 mm=20 mm7.2电机轴总当量和负载传递惯量的计算根据公式5-26，分别计算各传动元件的转动惯量，其中齿数的当量分别为丝

10、杠的当量直径与分度圆的直径。Jz1=Jz2=JS=计算每个传动部件的转动惯量和工作台在电机轴上的质量，得到总的等效负载转动惯量。Jd=7.3惯性匹配计算满足要求表明惯性匹配是合理的。7.4步进电机负载能力验证总惯性J=Jm Jd=，空载启动时电机轴上的惯性扭矩：电机轴上的等效摩擦扭矩：其中伺服进给传动链的总效率=0.8如果滚动螺母副的预紧力是最大轴向载荷的1/3，则由于预紧力而转换到电机轴上的附加摩擦扭矩为：T0=工作台上的最大轴向载荷转换为电机轴上的载荷扭矩，如下所示：Tw=那么空载启动时电机轴上的总负载扭矩为在最大外部负载下工作时，电机轴上的总负载扭矩为：T1=根据表5-5，空载起动所需的

11、电机最大扭矩如下：Ts1=根据公式5-39，最大外部负载运行所需的电机最大静态扭矩可确定如下：Ts2=根据以上计算数据选择的电机型号为56BYG250E7.5技术参数和型号如下：由于Ts=2.5N.m1.75N.m，步进电机可以正常启动。上述电机要求与以下电机相同，并且负载较小。注意选择符合要求的56BYG250E-SASSBL型步进电机。经过以上计算和验证，上下电机均为56BYG250E-SASSBL步进电机。8.减速器的参数设计8.1选择齿轮类型、精度等级、材料和齿数(1)选择直圆柱齿轮传动(2)机床工作台选用5级精度。(3)材料选择：小齿轮材料为40Cr(调制)，硬度为280HBS；大齿

12、轮为45钢(调制)，硬度为240HBS，两种材料的硬度差为40HBS(4)选择小齿轮齿数Z1=20，大齿轮齿数Z2=20，取m=2mm，根据齿面接触强度设计(1)确定公式中的每个计算值1)负载系数=1.32)计算小齿轮扭矩3)选择齿宽系数4)检查材料弹性影响系数5)根据齿面硬度检查小齿轮接触疲劳强度极限和大齿轮接触疲劳强度极限。6)计算应力循环次数(寿命10年)7)取接触疲劳强度的影响系数8)计算接触疲劳的许用应力，失效概率为1%=1(2)计算计算小齿轮分度圆的直径d1t，并将其代入H中的较小值=10.69毫米所选齿轮强度符合要求。小齿轮：=20 m=2mm=25mm大齿轮：=40米=2毫米=20毫米间隙消除法：双薄齿轮差动齿调整法