1、杭州电子科技大学机械工程学院杭州电子科技大学机械工程学院第七章第七章 X-Y数控工作台机电系统设计数控工作台机电系统设计机电一体化系统设计机电一体化系统设计1 设计任务设计任务2 总体方案的确定总体方案的确定 引言引言第七章第七章 X-Y数控工作台机电系统设计数控工作台机电系统设计3 具体设计具体设计机电一体化系统设计机电一体化系统设计 X-Y数控工作台是许多机电一体化设备的基本部数控工作台是许多机电一体化设备的基本部件，如数控车床的纵件，如数控车床的纵-横向进刀机构、数控铣床和数横向进刀机构、数控铣床和数控钻床的控钻床的X-Y工作台、激光加工设备的工作台、电子工作台、激光加工设备的工作台、电
2、子元件表面贴装设备等。元件表面贴装设备等。X-Y数控工作台机电系统设计 机电一体化系统设计机电一体化系统设计完整的机电一体化系统组成：完整的机电一体化系统组成：机械本体机械本体动力与驱动部分动力与驱动部分执行机构执行机构传感测试部分传感测试部分控制及信息处理部分控制及信息处理部分X-Y数控工作台机电系统设计 机电一体化系统设计机电一体化系统设计X-Y数控工作台机电系统设计 模块化的模块化的X-Y数控数控工作台，通常由工作台，通常由导轨导轨座、移动滑块、工作座、移动滑块、工作平台、滚珠丝杠螺母平台、滚珠丝杠螺母副以及伺服电动机副以及伺服电动机等等部件构成。部件构成。X-Y数控工作台外形机电一体化
3、系统设计机电一体化系统设计X-Y数控工作台机电系统设计 伺服电动机作为执行元伺服电动机作为执行元件用来驱动滚珠丝杠，滚珠件用来驱动滚珠丝杠，滚珠丝杠的螺母带动滑块和工作丝杠的螺母带动滑块和工作平台在导轨上运动，完成工平台在导轨上运动，完成工作台在作台在X、Y方向的直线移方向的直线移动。动。导轨副、滚珠丝杠螺母副和伺服电动机等均已标导轨副、滚珠丝杠螺母副和伺服电动机等均已标准化，由专门厂家生产，设计时只需根据工作载荷选准化，由专门厂家生产，设计时只需根据工作载荷选取即可。控制系统根据需要，可以选用标准的工业控取即可。控制系统根据需要，可以选用标准的工业控制计算机，也可以设计专用的微机控制系统。制
4、计算机，也可以设计专用的微机控制系统。机电一体化系统设计机电一体化系统设计题目题目：X-Y数控工作台机电系统设计数控工作台机电系统设计任务任务：设计一种供立式数控铣床使用的：设计一种供立式数控铣床使用的X-Y数控工作台数控工作台 一、设计任务 主要参数如下：主要参数如下：（1）立铣刀最大直径）立铣刀最大直径d=15 mm；（2）立铣刀齿数）立铣刀齿数Z=3；（3）最大铣削宽度）最大铣削宽度ae=15 mm；（4）最大铣削深度）最大铣削深度ap=8 mm；（5）加工材料为碳素钢或有色金属；）加工材料为碳素钢或有色金属；机电一体化系统设计机电一体化系统设计（6）X、Y方向的脉冲当量方向的脉冲当量x
5、=y=0.005mm/脉冲；脉冲；（7）X、Y方向的定位精度均为方向的定位精度均为 0.01 mm；（8）工作台面尺寸为）工作台面尺寸为230 mm230 mm，加工范围为加工范围为250 mm250 mm；（9）工作台空载最快移动速度）工作台空载最快移动速度vxmax=vymax=3000 mm/min；（10）工作台进给最快移动速度）工作台进给最快移动速度vxmaxf=vymaxf=400 mm/min。一、设计任务机电一体化系统设计机电一体化系统设计（1）导轨副的选用）导轨副的选用二、总体方案的确定1机械传动部件的选择机械传动部件的选择应用环境应用环境：要设计的要设计的X-Y工作台是工作
6、台是用来配套轻型的立式数控用来配套轻型的立式数控铣床，需要承受的载荷不铣床，需要承受的载荷不大，但脉冲当量小、定位大，但脉冲当量小、定位精度高。精度高。机电一体化系统设计机电一体化系统设计二、总体方案的确定 这样，决定选用这样，决定选用直线直线滚动导轨副滚动导轨副。它具有摩擦系数小、它具有摩擦系数小、不易爬行、传动效率高、不易爬行、传动效率高、结构紧凑、安装预紧方便结构紧凑、安装预紧方便等优点。等优点。机电一体化系统设计机电一体化系统设计（2）丝杠螺母副的选用）丝杠螺母副的选用应用环境应用环境：伺服电动机的旋转运伺服电动机的旋转运动需要通过丝杠螺母副转动需要通过丝杠螺母副转换成直线运动，要满足
7、换成直线运动，要满足0.005mm的脉冲当量和的脉冲当量和 0.01mm的定位精度。的定位精度。二、总体方案的确定机电一体化系统设计机电一体化系统设计 滑动丝杠副无能为滑动丝杠副无能为力，只有选用力，只有选用滚珠丝杠滚珠丝杠副副才能达到。才能达到。滚珠丝杠副的传动滚珠丝杠副的传动精度高、动态响应快、精度高、动态响应快、运转平稳、寿命长、效运转平稳、寿命长、效率高，预紧后可消除反率高，预紧后可消除反向间隙。向间隙。二、总体方案的确定机电一体化系统设计机电一体化系统设计 选择了步进电动机选择了步进电动机和滚珠丝杠副以后，为了和滚珠丝杠副以后，为了圆整脉冲当量，放大电动圆整脉冲当量，放大电动机的输出
8、转矩，降低运动机的输出转矩，降低运动部件折算到电动机转轴上部件折算到电动机转轴上的转动惯量，可能需要减的转动惯量，可能需要减速装置，且应有消间隙机速装置，且应有消间隙机构。为此本例决定采用构。为此本例决定采用无无间隙齿轮传动减速箱。间隙齿轮传动减速箱。（3）减速装置的选用）减速装置的选用二、总体方案的确定机电一体化系统设计机电一体化系统设计（4）伺服电动机的选用）伺服电动机的选用应用环境应用环境：任务书规定的脉冲当任务书规定的脉冲当量尚未达到量尚未达到0.001mm，定，定位精度也未达到微米级，位精度也未达到微米级，空载最快移动速度也只有空载最快移动速度也只有3000mm/min。二、总体方案
9、的确定机电一体化系统设计机电一体化系统设计 因此，本设计不必采用因此，本设计不必采用高档次的伺服电动机，如交高档次的伺服电动机，如交流伺服电动机或直流伺服电流伺服电动机或直流伺服电动机等，可以选用性能好一动机等，可以选用性能好一些的步进电动机，如些的步进电动机，如混合式混合式步进电动机步进电动机，以降低成本，以降低成本，提高性提高性/价比。价比。二、总体方案的确定机电一体化系统设计机电一体化系统设计（5）检测装置的选用）检测装置的选用应用环境应用环境：选用步进电动机作为伺服选用步进电动机作为伺服电动机后，可选开环控制也可电动机后，可选开环控制也可选闭环控制。选闭环控制。任务书所给的精度对于步任
10、务书所给的精度对于步进电动机来说还是偏高的，需进电动机来说还是偏高的，需要确保电动机在运转过程中不要确保电动机在运转过程中不受切削负载和电网的影响而失受切削负载和电网的影响而失步。步。二、总体方案的确定机电一体化系统设计机电一体化系统设计 本设计决定采用本设计决定采用半闭半闭环控制环控制，拟在电动机的，拟在电动机的尾部转轴上安装增量式尾部转轴上安装增量式旋转编码器，用以检测旋转编码器，用以检测电动机的转角与转速。电动机的转角与转速。增量式旋转编码器的分增量式旋转编码器的分辨率应与步进电动机的辨率应与步进电动机的步距角相匹配。步距角相匹配。二、总体方案的确定机电一体化系统设计机电一体化系统设计
11、考虑到考虑到X、Y两个方向两个方向的加工范围相同，承受的的加工范围相同，承受的工作载荷相差不大，为了工作载荷相差不大，为了减少设计工作量，减少设计工作量，X、Y两两个坐标的导轨副、丝杠螺个坐标的导轨副、丝杠螺母副、减速装置、伺服电母副、减速装置、伺服电动机以及检测装置拟采用动机以及检测装置拟采用相同的型号与规格。相同的型号与规格。二、总体方案的确定机电一体化系统设计机电一体化系统设计2控制系统的设计控制系统的设计二、总体方案的确定 （1）设计的）设计的X-Y工作台工作台准备用在数控铣床上，其准备用在数控铣床上，其控制系统应该具有单坐标控制系统应该具有单坐标定位、两坐标直线插补与定位、两坐标直线
12、插补与圆弧插补的基本功能，所圆弧插补的基本功能，所以控制系统应该设计成连以控制系统应该设计成连续控制型。续控制型。机电一体化系统设计机电一体化系统设计 （2）对于步进）对于步进电动机的半闭环控电动机的半闭环控制，选用制，选用MCS-51系列的系列的8位单片机位单片机AT89C52作为控制作为控制系统的系统的CPU，应该，应该能够满足任务书给能够满足任务书给定的相关指标。定的相关指标。二、总体方案的确定机电一体化系统设计机电一体化系统设计 （3）要设计一台完整的）要设计一台完整的控制系统，在选择控制系统，在选择CPU之之后，还需要后，还需要扩展程序存储扩展程序存储器、数据存储器、键盘与器、数据存
13、储器、键盘与显示电路、显示电路、I/O接口电路、接口电路、D/A转换电路、串行接口转换电路、串行接口电路等电路等。二、总体方案的确定机电一体化系统设计机电一体化系统设计（4）选择合适的）选择合适的驱动电驱动电源源（功率放大器），与（功率放大器），与步进电动机配套使用。步进电动机配套使用。二、总体方案的确定机电一体化系统设计机电一体化系统设计1.导轨上移动部件的重量估算导轨上移动部件的重量估算三、机械传动部件的计算与选型 按照下导轨之上移按照下导轨之上移动部件的重量来进行估动部件的重量来进行估算。算。包括工件、夹具、包括工件、夹具、工作平台、上层电动机工作平台、上层电动机、减速箱、滚珠丝杠副、减
14、速箱、滚珠丝杠副、直线滚动导轨副、导、直线滚动导轨副、导轨座等，估计重量约为轨座等，估计重量约为800N。机电一体化系统设计机电一体化系统设计 设零件的加工方式为立式铣削，采用硬质合金设零件的加工方式为立式铣削，采用硬质合金立铣刀，工件的材料为碳钢。则由表查得立铣时的立铣刀，工件的材料为碳钢。则由表查得立铣时的铣削力铣削力Fc计算公式为：计算公式为：2.铣削力的计算铣削力的计算三、机械传动部件的计算与选型0.850.750.731.00.13cezP118Fafdanzae最大铣削宽度最大铣削宽度fz每齿进给量每齿进给量d铣刀直径铣刀直径ap铣削深度铣削深度n铣刀转速铣刀转速Z齿数齿数机电一体
15、化系统设计机电一体化系统设计选择如下选择如下参数参数：铣刀直径：铣刀直径：d=15mm，齿数：齿数：Z=3，为了计算最大铣削力，在不为了计算最大铣削力，在不对称铣削情况下，取最大铣对称铣削情况下，取最大铣削宽度：削宽度：ae=15mm，铣削深度：铣削深度：ap=8mm，每齿进给量：每齿进给量：fz=0.1 mm，铣刀转速：铣刀转速：n=300r/min。三、机械传动部件的计算与选型机电一体化系统设计机电一体化系统设计Fc=118150.850.10.7515-0.7381.03000.133 N 1463 N三、机械传动部件的计算与选型求得求得最大铣削力最大铣削力：机电一体化系统设计机电一体化
16、系统设计 采用立铣刀进行圆柱铣削时，各铣削力之间的采用立铣刀进行圆柱铣削时，各铣削力之间的比值可由表比值可由表3-5查得，考虑逆铣时的情况，可估算查得，考虑逆铣时的情况，可估算三个方向的铣削力分别为：三个方向的铣削力分别为：三、机械传动部件的计算与选型进给力：进给力：Ff=1.1Fc1609N，横向进给力：横向进给力：Fe=0.38Fc556N，垂直进给力：垂直进给力：Ffn=0.25Fc366N机电一体化系统设计机电一体化系统设计 考虑立铣，则工作台受力如下：考虑立铣，则工作台受力如下：垂直方向垂直方向的铣削力的铣削力Fz=Fe=556N，水平方向水平方向的铣削力分别为的铣削力分别为Ff和和
17、Ffn。三、机械传动部件的计算与选型 现将水平方向较大的铣削力分配给工作台的现将水平方向较大的铣削力分配给工作台的纵向（丝杠轴线方向），则：纵向（丝杠轴线方向），则：纵向铣削力纵向铣削力Fx=Ff=1609N，径向铣削力径向铣削力Fy=Ffn=366N。机电一体化系统设计机电一体化系统设计 3.直线滚动导轨副的计算与选型直线滚动导轨副的计算与选型max4GFF三、机械传动部件的计算与选型（1）滑块承受工作载荷）滑块承受工作载荷 的计算及导轨型号的选取的计算及导轨型号的选取 工作载荷是影响直线滚动导轨副使用寿命工作载荷是影响直线滚动导轨副使用寿命的重要因素。本例中的的重要因素。本例中的X-Y工作
18、台为水平布置，工作台为水平布置，采用采用双导轨、四滑块双导轨、四滑块的支承形式。考虑最不利的支承形式。考虑最不利的情况，即垂直于台面的工作载荷全部由一个的情况，即垂直于台面的工作载荷全部由一个滑块承担，则单滑块所受的最大垂向载荷为：滑块承担，则单滑块所受的最大垂向载荷为：机电一体化系统设计机电一体化系统设计其中，其中，移动部件重量移动部件重量：G800N，外加载荷外加载荷：F=Fz=556N，代入得：代入得：最大工作载荷最大工作载荷：Fmax=756N=0.756kN。三、机械传动部件的计算与选型机电一体化系统设计机电一体化系统设计三、机械传动部件的计算与选型 查表，据工作载荷查表，据工作载荷
19、Fmax=0.756kN，初选初选直线滚动导轨副直线滚动导轨副的型号为的型号为KL系列系列的的JSA-LG15型。型。其参数如下：其参数如下：额定动载荷额定动载荷Ca=7.94 kN，额定静载荷额定静载荷C0a=9.5 kN。机电一体化系统设计机电一体化系统设计三、机械传动部件的计算与选型 任务书规定：任务书规定：工作台面尺寸工作台面尺寸为：为：230mm230mm，加工范围加工范围为：为：250mm250mm。考虑工作行程应留有一定余量，查考虑工作行程应留有一定余量，查表，按标准系列，选取表，按标准系列，选取导轨的长度导轨的长度为为520mm。机电一体化系统设计机电一体化系统设计 （2）距离
20、额定寿命）距离额定寿命 L的计算的计算三、机械传动部件的计算与选型 选取的选取的KL系列系列JSA-LG15型导轨副的相关型导轨副的相关参数：参数：滚道硬度滚道硬度为为HRC60，工作温度工作温度不超过不超过100，每根导轨上配有两只滑块，每根导轨上配有两只滑块，精度为精度为4级级，工作速度较低工作速度较低，载荷不大载荷不大。机电一体化系统设计机电一体化系统设计三、机械传动部件的计算与选型 查表查表3-363-40，分别取硬度系数，分别取硬度系数fH=1.0，温度系，温度系数数fT=1.00，接触系数，接触系数fC=0.81，精度系数，精度系数fR=0.9，载荷系数载荷系数fW=1.5，代入，
21、得距离寿命：，代入，得距离寿命：远大于期望值远大于期望值50km，故距离额定寿命满足要求。，故距离额定寿命满足要求。3HTCRaWmax506649f f f fCLkmfF机电一体化系统设计机电一体化系统设计（1）最大工作载荷）最大工作载荷Fm的计算的计算4.滚珠丝杠螺母副的计算与选型滚珠丝杠螺母副的计算与选型三、机械传动部件的计算与选型承受最大铣削力时，工作台承受最大铣削力时，工作台受到受到进给方向的载荷进给方向的载荷（与丝（与丝杠轴线平行）杠轴线平行）:Fx=1609N，受到受到横向的载荷横向的载荷（与丝杠轴（与丝杠轴线垂直）线垂直）Fy=366N，受到受到垂向的载荷垂向的载荷（与工作台
22、（与工作台面垂直）面垂直）Fz=556N。机电一体化系统设计机电一体化系统设计 已知移动部件总重量已知移动部件总重量G=800N，按，按矩形导轨矩形导轨进行计算，查表进行计算，查表3-29，取，取颠覆力矩影响系数颠覆力矩影响系数K=1.1，滚动导轨上的，滚动导轨上的摩擦因数摩擦因数=0.005。求得。求得滚珠丝杠副的最大工作载荷滚珠丝杠副的最大工作载荷三、机械传动部件的计算与选型Fm=KFx+（Fz+Fy+G）=1.11609+0.005 (556+366+800)N 1779 N机电一体化系统设计机电一体化系统设计三、机械传动部件的计算与选型（2）最大动载荷）最大动载荷FQ的计算的计算 设工
23、作台在承受最大铣削力时的设工作台在承受最大铣削力时的最快进给速度最快进给速度:v=400mm/min，初选丝杠导程初选丝杠导程:Ph=5 mm，则此时丝杠转速则此时丝杠转速:n=v/Ph=80 r/min。取滚珠丝杠的使用寿命取滚珠丝杠的使用寿命 T=15000 h，代入代入L0=60nT/106，得得丝杠寿命系数丝杠寿命系数:L0=72（单位为：（单位为：106 r）。）。机电一体化系统设计机电一体化系统设计三、机械传动部件的计算与选型 查表查表3-30，取载荷系数，取载荷系数fW=1.2，滚道硬度为，滚道硬度为HRC60时，取硬度系数时，取硬度系数fH=1.0，代入，求得最大动，代入，求得
24、最大动载荷：载荷：308881QWHmFL f f FN机电一体化系统设计机电一体化系统设计（3）初选型号）初选型号 三、机械传动部件的计算与选型 类型类型：内循环固定反向器单螺母式内循环固定反向器单螺母式，参数参数：其：其公称直径公称直径为为20 mm，导程导程为为5 mm，循循环滚珠环滚珠为为3圈圈1列，列，精度等级精度等级取取5级，级，额定动载荷额定动载荷为为9309 N，大于，大于FQ，满足要求。，满足要求。根据计算出的最大动载荷和初选的丝杠导程根据计算出的最大动载荷和初选的丝杠导程.查表查表3-31，选择济宁博特精密丝杠制造有限公司，选择济宁博特精密丝杠制造有限公司生产的生产的G系列
25、系列2005-3型滚珠丝杠副型滚珠丝杠副.机电一体化系统设计机电一体化系统设计 （4）传动效率）传动效率的计算的计算 三、机械传动部件的计算与选型公称直径：公称直径：d0=20mm，导程：导程：Ph=5mm，代入代入=arctanPh/(d0)，得丝杠得丝杠螺旋升角螺旋升角：=4 33。将摩擦角将摩擦角=10，代入代入=tan/tan(+),得得传动效率传动效率：=96.4%。机电一体化系统设计机电一体化系统设计 丝杠的两端各采用一对丝杠的两端各采用一对推力角接触球轴承推力角接触球轴承，面，面对面组配，对面组配，左、右支承的中心距离左、右支承的中心距离约为：约为：a=500mm；钢的弹性模量钢
26、的弹性模量 E=2.1 Mpa；三、机械传动部件的计算与选型（5）刚度的验算）刚度的验算 1）X-Y工作台上下两层滚珠丝杠副的支承均采工作台上下两层滚珠丝杠副的支承均采用用“单推单推-单推单推”的方式。的方式。机电一体化系统设计机电一体化系统设计 查表查表3-31，得滚珠直径，得滚珠直径 Dw=3.175mm，丝杠底径，丝杠底径 d2=16.2 mm，丝杠截面积，丝杠截面积S=206.12mm2。三、机械传动部件的计算与选型算得丝杠在工作载荷算得丝杠在工作载荷Fm作用下产生的拉作用下产生的拉/压变压变形量形量:1=Fma/(ES)=1779500/（2.1 206.12）mm 0.0205 m
27、m。22/4d机电一体化系统设计机电一体化系统设计2）根据公式）根据公式 ()-3,求得求得:单圈滚珠数单圈滚珠数 =20；该型号丝杠为单螺母，滚珠的该型号丝杠为单螺母，滚珠的“圈数圈数列列数数”为为31，代入公式：，代入公式：圈数圈数列数，列数，得滚珠总数量得滚珠总数量 =60。wDd/0Z三、机械传动部件的计算与选型ZZZZ机电一体化系统设计机电一体化系统设计丝杠预紧时，取轴向预紧力：丝杠预紧时，取轴向预紧力：=/3=593 N。则由（则由（3-27）式，求得滚珠与螺纹滚道间的接触变）式，求得滚珠与螺纹滚道间的接触变形量形量：0.0026 mm。因为丝杠加有预紧力，且为轴向负载的因为丝杠加
28、有预紧力，且为轴向负载的1/3，所，所以实际变形量可减小一半，取以实际变形量可减小一半，取 =0.0013mm。YJFmF22三、机械传动部件的计算与选型机电一体化系统设计机电一体化系统设计3）将以上算出的）将以上算出的 和和 代入代入2121总总三、机械传动部件的计算与选型 查表查表3-27,可知可知5级精度滚珠丝杠有效行程在级精度滚珠丝杠有效行程在315400mm时，行程偏差允许达到时，行程偏差允许达到25m，可，可见丝杆刚度足够。见丝杆刚度足够。求得丝杠总变形量（对应跨度求得丝杠总变形量（对应跨度500mm）0.0218 mm=21.8m。机电一体化系统设计机电一体化系统设计kf2d42
29、/64IdKa三、机械传动部件的计算与选型（6）压杆稳定性校核）压杆稳定性校核根据公式根据公式(3-28)计算失稳时的临界载荷计算失稳时的临界载荷Fk。查表查表3-34，取支承系数，取支承系数 =1；由丝杠底径由丝杠底径 =16.2 mm，求得截面惯性矩：，求得截面惯性矩：3380.88 mm；压杆稳定安全系数压杆稳定安全系数 取取3（丝杠卧式水平安装）；（丝杠卧式水平安装）；滚动螺母至轴向固定处的距离滚动螺母至轴向固定处的距离 取最大值取最大值500mm。机电一体化系统设计机电一体化系统设计代入，得临界载荷代入，得临界载荷 9343N，远大于工作载荷远大于工作载荷 =1779N，故丝杠不会失
30、稳。，故丝杠不会失稳。kFmF三、机械传动部件的计算与选型综上所述，初选的滚珠丝杠副满足使用要求。综上所述，初选的滚珠丝杠副满足使用要求。机电一体化系统设计机电一体化系统设计 为了满足脉冲当量的设计要求，增大步进电动为了满足脉冲当量的设计要求，增大步进电动机的机的输出转矩输出转矩，同时也为了使滚珠丝杠和工作台的，同时也为了使滚珠丝杠和工作台的转动惯量转动惯量折算到电动机转轴上尽可能地小，今在步折算到电动机转轴上尽可能地小，今在步进电动机的输出轴上安装一套齿轮减速箱。进电动机的输出轴上安装一套齿轮减速箱。三、机械传动部件的计算与选型5.步进电动机减速箱的选用步进电动机减速箱的选用机电一体化系统设
31、计机电一体化系统设计三、机械传动部件的计算与选型 采用一级减速，步进电动机的输出轴与小齿轮联采用一级减速，步进电动机的输出轴与小齿轮联接，滚珠丝杠的轴头与大齿轮联接。其中大齿轮设接，滚珠丝杠的轴头与大齿轮联接。其中大齿轮设计成双片结构，采用弹簧错齿法消除侧隙。计成双片结构，采用弹簧错齿法消除侧隙。机电一体化系统设计机电一体化系统设计 已知工作台的脉冲当量已知工作台的脉冲当量=0.005 mm/脉冲，滚脉冲，滚珠丝杠的导程珠丝杠的导程Ph=5 mm，初选步进电动机的，初选步进电动机的步距步距角角=0.75。算得减速比：。算得减速比：三、机械传动部件的计算与选型i=(Ph)/(360)=(0.75
32、5)/(3600.005)=25/12机电一体化系统设计机电一体化系统设计 本设计选用常州市新月电机有限公司生产的本设计选用常州市新月电机有限公司生产的JBF-3型齿轮减速箱。型齿轮减速箱。三、机械传动部件的计算与选型 减速箱中心距为减速箱中心距为(75+36)1/2 mm55.5 mm，小齿轮厚度为，小齿轮厚度为20mm，双片大齿轮厚度均为，双片大齿轮厚度均为10mm。大小齿轮模数均为大小齿轮模数均为1mm，齿数比为，齿数比为75:36，材，材料为料为45号调质钢，齿表面淬硬后达号调质钢，齿表面淬硬后达HRC55。机电一体化系统设计机电一体化系统设计滚珠丝杠的公称直径滚珠丝杠的公称直径 =2
33、0 mm，总长总长l=500mm，导程导程 5mm，材料密度材料密度 ；移动部件总重量移动部件总重量G=800N;小齿轮宽度小齿轮宽度 20mm，直径，直径 =36 mm;大齿轮宽度大齿轮宽度 20mm，直径，直径 =75 mm；传动比传动比i=25/12。三、机械传动部件的计算与选型 6.步进电动机的计算与选型步进电动机的计算与选型（1）计算加在步进电动机转轴上的总转动惯量）计算加在步进电动机转轴上的总转动惯量已知：已知：0dhP33/1085.7cmkg1d1b2b2d机电一体化系统设计机电一体化系统设计大齿轮的转动惯量大齿轮的转动惯量 =4.877 SJWJ1zJ2zJ2cmkg2cmk
34、g2cmkg2cmkg三、机械传动部件的计算与选型 查表查表4-1，算得各个零部件的转动惯量如下（，算得各个零部件的转动惯量如下（具体计算过程从略）：具体计算过程从略）：滚珠丝杠的转动惯量滚珠丝杠的转动惯量 =0.617拖板折算到丝杠上的转动惯量拖板折算到丝杠上的转动惯量 =0.517小齿轮的转动惯量小齿轮的转动惯量 =0.259机电一体化系统设计机电一体化系统设计=+(+)/=30.35 eqJmJ1zJ2zJWJSJ2i2cmkg 三、机械传动部件的计算与选型 初选步进电动机型号为初选步进电动机型号为90BYG2602，为两相混，为两相混合式，由常州宝马集团公司生产，二相四拍驱动时合式，由
35、常州宝马集团公司生产，二相四拍驱动时步距角为步距角为0.75，查表查表4-5得该型号电动机转子的转动惯量为：得该型号电动机转子的转动惯量为：则加在步进电动机转轴上的总转动惯量为：则加在步进电动机转轴上的总转动惯量为：24mJkg cm机电一体化系统设计机电一体化系统设计 分快速空载起动和承受最大工作负载两分快速空载起动和承受最大工作负载两种情况进行计算。种情况进行计算。eqT1eqT三、机械传动部件的计算与选型2）计算加在步进电动机转轴上的等效负载转矩）计算加在步进电动机转轴上的等效负载转矩1）快速空载起动时电动机转轴所承受的）快速空载起动时电动机转轴所承受的 负载转矩负载转矩包括三部分：包括
36、三部分：1eqT机电一体化系统设计机电一体化系统设计maxaTfT0T三、机械传动部件的计算与选型 一部分是快速空载起动时折算到电动机转一部分是快速空载起动时折算到电动机转轴上的最大加速转矩轴上的最大加速转矩 一部分是移动部件运动时折算到电动机转一部分是移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩轴上的摩擦转矩 一部分是移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩一部分是移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩擦转矩机电一体化系统设计机电一体化系统设计0TmaxaTfT1eqTmaxaTfT三、机械传动部件的计算与选型 因为滚珠丝杠副传动效率很高，因为滚珠丝杠副传动效率很高，相对于相对于 和和 很小，
37、可以忽略不计。很小，可以忽略不计。则有：则有：=+机电一体化系统设计机电一体化系统设计 考虑传动链的总效率考虑传动链的总效率，计算快速空载起动时折，计算快速空载起动时折算到电动机转轴上的最大加速转矩：算到电动机转轴上的最大加速转矩：1602maxameqatnJTat三、机械传动部件的计算与选型 nm 对应空载最快移动速度的步进电动机最高转速，对应空载最快移动速度的步进电动机最高转速，单位为单位为r/min；步进电动机由静止到加速至步进电动机由静止到加速至nm转速所需的时间，转速所需的时间，单位为单位为s。式中式中机电一体化系统设计机电一体化系统设计 空载最快移动速度，任务书指定为空载最快移动
38、速度，任务书指定为3000mm/min；步进电动机步距角，预选电动机为步进电动机步距角，预选电动机为0.75；脉冲当量，本例脉冲当量，本例=0.005mm/脉冲。脉冲。将以上各值代入，算得：将以上各值代入，算得：360maxvnmmaxv三、机械传动部件的计算与选型式中式中nm=1250r/min机电一体化系统设计机电一体化系统设计 1.42（Nm）at7.04.06012501035.3024maxaTiPGFThzf2)(三、机械传动部件的计算与选型 设步进电动机由静止到加速至设步进电动机由静止到加速至nm转速所需转速所需时间时间 =0.4s，传动链总效率，传动链总效率=0.7。则求得：。
39、则求得：移动部件运动时，折算到电动机转轴上的摩擦转矩为：移动部件运动时，折算到电动机转轴上的摩擦转矩为：机电一体化系统设计机电一体化系统设计=+=1.422 N 12/257.02005.0)8000(005.0fT1eqTmaxaTfT三、机械传动部件的计算与选型代入已知参数，得：代入已知参数，得：0.002（Nm）最后求得快速空载起动时电动机转轴所承受的负载转矩：最后求得快速空载起动时电动机转轴所承受的负载转矩：机电一体化系统设计机电一体化系统设计2eqT2eqT三、机械传动部件的计算与选型2）最大工作负载状态下电动机转轴所承受的）最大工作负载状态下电动机转轴所承受的 负载转矩负载转矩包括
40、三部分：包括三部分：一部分是折算到电动机转轴上的最大工作负载转矩一部分是折算到电动机转轴上的最大工作负载转矩Tt；一部分是移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦一部分是移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩转矩Tf；一部分是滚珠丝杠预紧后折算到电动机转轴上的附加一部分是滚珠丝杠预紧后折算到电动机转轴上的附加摩擦转矩摩擦转矩T0；机电一体化系统设计机电一体化系统设计 本例中在对滚珠丝杠进行计算的时候，已知本例中在对滚珠丝杠进行计算的时候，已知沿着丝杠轴线方向的最大进给载荷沿着丝杠轴线方向的最大进给载荷Fx=1609N，则，则有：有：2eqT三、机械传动部件的计算与选型T0相对于相对于Tt和和
41、Tf很小，可以忽略不计。则有：很小，可以忽略不计。则有：=Tt +Tf0.88（Nm）12/257.02005.016092iPFThft机电一体化系统设计机电一体化系统设计 计算垂直方向承受最大工作负载（计算垂直方向承受最大工作负载（Fz=556N）情）情况下，移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦况下，移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩：转矩：=0.004（Nm）iPGFThzf2)(12/257.02005.0)800556(005.0三、机械传动部件的计算与选型机电一体化系统设计机电一体化系统设计最后求得最大工作负载状态下电动机转轴所承受的最后求得最大工作负载状态下电动机转轴所
42、承受的负载转矩为：负载转矩为：=Tt +Tf =0.884 Nm 经过上述计算后，得到加在步进电动机转轴上的最经过上述计算后，得到加在步进电动机转轴上的最大等效负载转矩应为：大等效负载转矩应为：=max ，=1.422 Nm2eqTeqT1eqT2eqT三、机械传动部件的计算与选型机电一体化系统设计机电一体化系统设计三、机械传动部件的计算与选型（3）步进电动机最大静转矩的选定步进电动机最大静转矩的选定 考虑到步进电动机的驱动电源受电网考虑到步进电动机的驱动电源受电网电压影响较大，当输入电压降低时，其输电压影响较大，当输入电压降低时，其输出转矩会下降，可能造成丢步，甚至堵转出转矩会下降，可能造成
43、丢步，甚至堵转。因此，根据。因此，根据 来选择步进电动机的最来选择步进电动机的最大静转矩时，需要考虑安全系数。大静转矩时，需要考虑安全系数。eqT机电一体化系统设计机电一体化系统设计 上述初选的步进电动机型号为上述初选的步进电动机型号为90BYG2602，查，查表得该型号电动机的最大静转矩表得该型号电动机的最大静转矩Tjmax=6 Nm。，。，满足要求。满足要求。三、机械传动部件的计算与选型本例中取安全系数本例中取安全系数K=4，则步进电动机的最，则步进电动机的最大静转矩应满足：大静转矩应满足：Tjmax 4 =41.422 Nm=5.688 NmeqT机电一体化系统设计机电一体化系统设计ma
44、xv三、机械传动部件的计算与选型（4）步进电动机的性能校核）步进电动机的性能校核1）最快工进速度时电动机输出转矩校核）最快工进速度时电动机输出转矩校核给定工作台最快工进速度给定工作台最快工进速度 =400mm/min；脉冲当量脉冲当量=0.005mm/脉冲；脉冲；机电一体化系统设计机电一体化系统设计ffmax三、机械传动部件的计算与选型求出电动机对应的运行频率：求出电动机对应的运行频率：=400/(600.005)Hz 1333Hz。从从90BYG2602电动机的运行矩频特性曲线图电动机的运行矩频特性曲线图可以看出，在此频率下，电动机的输出转矩可以看出，在此频率下，电动机的输出转矩 5.6Nm
45、，远远大于最大工作负载转矩，远远大于最大工作负载转矩 =0.884Nm，满足要求。，满足要求。fTmax2eqT机电一体化系统设计机电一体化系统设计90BYG2602步进电动机的运行矩频特性曲线机电一体化系统设计机电一体化系统设计 在此频率下，电动机的输出转矩在此频率下，电动机的输出转矩 =1.8 Nm，大于快速空载起动时的负载转矩，大于快速空载起动时的负载转矩 =1.422Nm，满足要求。，满足要求。maxfmaxT1eqTmaxv三、机械传动部件的计算与选型2）最快空载移动时电动机输出转矩校核）最快空载移动时电动机输出转矩校核给定工作台最快空载移动速度给定工作台最快空载移动速度 =3000
46、mm/min求出电动机对应的运行频率求出电动机对应的运行频率 =3000/（600.005）Hz=10000Hz。机电一体化系统设计机电一体化系统设计 查表查表4-5可知可知90BYG2602电动机的极限运行频率电动机的极限运行频率为为20000Hz，没有超出上限。，没有超出上限。maxvmaxf三、机械传动部件的计算与选型3）最快空载移动时电动机运行频率校核）最快空载移动时电动机运行频率校核最快空载移动速度最快空载移动速度=3000mm/min对应的对应的电动机运行频率电动机运行频率=10000Hz。机电一体化系统设计机电一体化系统设计=614Hz2cmkg 4mJ2cmkg qfmeqqL
47、JJff1三、机械传动部件的计算与选型4）起动频率的计算）起动频率的计算已知电动机转轴上的总转动惯量已知电动机转轴上的总转动惯量Jeq=30.35 ；电动机转子的转动惯量电动机转子的转动惯量 ，电动机转轴不带任何负载时的最高起动频率电动机转轴不带任何负载时的最高起动频率 =1800Hz.可以求出步进电动机克服惯性负载的起动频率：可以求出步进电动机克服惯性负载的起动频率：机电一体化系统设计机电一体化系统设计 说明，要想保证步进电动机起动时不失步，任说明，要想保证步进电动机起动时不失步，任何时候的起动频率都必须小于何时候的起动频率都必须小于614Hz。实际上，在采。实际上，在采用软件升降频时，起动
48、频率选得更低，通常只有用软件升降频时，起动频率选得更低，通常只有100Hz（即（即100脉冲脉冲/s）。）。综上所述，本例中工作台的进给传动选用综上所述，本例中工作台的进给传动选用90BYG2602步进电动机，完全满足设计要求。步进电动机，完全满足设计要求。三、机械传动部件的计算与选型机电一体化系统设计机电一体化系统设计7增量式旋转编码器的选用增量式旋转编码器的选用 本设计所选步进电动机采用半闭环控制，可在本设计所选步进电动机采用半闭环控制，可在电动机的尾部转轴上安装增量式旋转编码器，用以电动机的尾部转轴上安装增量式旋转编码器，用以检测电动机的转角与转速。增量式旋转编码器的分检测电动机的转角与
49、转速。增量式旋转编码器的分辨率应与步进电动机的步距角相匹配。由步进电动辨率应与步进电动机的步距角相匹配。由步进电动机的步距角机的步距角=0.75，可知电动机转动一转时，需要，可知电动机转动一转时，需要控制系统发出控制系统发出360/=480个步进脉冲。个步进脉冲。三、机械传动部件的计算与选型机电一体化系统设计机电一体化系统设计 考虑到增量式旋转编码器输出的考虑到增量式旋转编码器输出的A、B相信号，相信号，可以送到四倍频电路进行电子四细分，因此，编码可以送到四倍频电路进行电子四细分，因此，编码器的分辨率可选器的分辨率可选120线。这样控制系统每发一个步进线。这样控制系统每发一个步进脉冲，电动机转
50、过一个步距角，编码器对应输出一脉冲，电动机转过一个步距角，编码器对应输出一个脉冲信号。个脉冲信号。三、机械传动部件的计算与选型机电一体化系统设计机电一体化系统设计 本例选择编码器的型号为：本例选择编码器的型号为：ZLK-A-120-05VO-10-H：盘状空心型，孔径：盘状空心型，孔径10mm，与电动机尾部出，与电动机尾部出轴相匹配，电源电压轴相匹配，电源电压+5V，每转输出，每转输出120个个A/B脉冲脉冲，信号为电压输出，生产厂家为长春光机数显技术，信号为电压输出，生产厂家为长春光机数显技术有限公司。有限公司。三、机械传动部件的计算与选型机电一体化系统设计机电一体化系统设计 四、工作台机械
