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1、机械设计课程设计计算说明书设计题目 二维机械滑台设计 测控技术与仪器 专业 一 班设计者 指导教师 年 月 日（ ） 目录一、 设计任务.2二、设计工作.3三、计算选型51.电机和丝杆的部分参数选型2. 滚珠丝杠计算、选择3. 滚珠丝杆传动系统刚度4.电机的选定5.直线导轨的选定6.轴承的选定7.工作台的选定四、参考文献14五、工作日志15一、设计任务1、两坐标行程为350mm； 2、定位精度0.025mm； 3、响应速度1m/s2； 4、快速60m/min，慢速0.25m/min。 5、工作台尺寸：300*300mm二、设计工作1、运动设计（1）要实现一个二维平面运动，只需将其分解为两个垂直
2、方向的一维直线运动即可。由X方向的直线位移机构带动Y方向的直线位移机构沿X向做直线运动，然后X向直线位移机构不动，Y向直线位移机构在X向直线位移机构上沿Y向运动，这样就实现了XOY平面的二维运动。（2）直线运动设计： 选择丝杆和直线导轨机构。2、驱动设计采用反应式步进电机。3、机床部件设计联轴器、轴承选择刚性联轴器和滚动轴承。3.1 导轨根据设计要求，需要承受的载荷不大，定位精度高，因此在该设计中选用直线滚动导轨。3.2 丝杆电动机的旋转运动需要通过丝杆螺旋传动转换成直线运动。3.2.1 丝杠与螺母的相对运动对于卧式工作台我们选择第一种方案，即丝杠转动，螺母移动。3.2.2 选用滚珠丝杆副。3
3、.2.3滚动丝杠支承方式选用“固定游动”型3.2.4轴承安装方式固定端采用一对背对背角接触球轴承，游动端采用深沟球轴承，3.3 支承件 支承件是设备的基础构件，包括床身、横梁、摇臂、底座、刀架、工作台、箱体和升降台等。这些件一般都比较大，所以也称大件。合理配置加强筋是提高局部刚度的有效方法（金属切削机床设计P136）。3.3.2工作台 选用最常见的T形槽工作台，如图所示： （1）工作台与螺母座的联接。本设设计采用刚性联接结构，如图4.2所示。这种联接结构的特点是牢固可靠。4.控制系统4.1控制系统的选择开环伺服系统：系统只是根据输入量和干扰量进行控制，而输出端和输入端之间不存在反馈回路，输出量
4、取决于精密机械系统，而与控制系统无关。 在本设计中，只涉及到通过步进电机驱动，丝杆传动的直线运动。考虑到该设计的二维坐标机械滑台的定位精度要求不高，载荷不大，因此，为简化结构，降低成本，提高性价比，该设计中采用步进电机的开环伺服系统驱动。图4.1 开环伺服系统4.2行程控制行程控制，就是当运动部件到达一定行程位置时采用行程开关来进行控制。行程开关是由装在运动部件上的挡块来撞动的。行程开关作用有两个：（1）防止工作台超过最大行程，使电机损坏。（2）可以用与定位。所以这4个行程开关就充当了传感器。图4.2 行程开关工作示意图图4.2是行程开关工作的简单示意图。行程开关S1和S2分别装在导轨的起点和
5、终点，由装在工作台上的挡块来撞动。工作台由步进电机带动。工作台在起点时，其上挡块将起点行程开关S1压下，将串接在反转控制电路中的常闭触头压开。这时电动机不能反转。电动机正转，带动工作台前进。当工作台到达终点时，挡块压下行程开关S2，将串接在正转控制电路中的常开触头压开，电动机即停止正转。三、计算选型1.电机和丝杆的部分参数选型1.1根据定位精度要求确定脉冲当量选择步距角根据经验，初步选择导程为5mm的丝杆；本系统中X、Y方向的定位精度均为0.025mm，因此X、Y方向的脉冲当量均取=0.025mm/Hz。为脉冲当量为0.025mm/hz；为传动比；为步进电机步距角，初选为0.36；可得传动比i
6、=5；1.2根据快速进给速度，确定电机的最高运行频率为工作台运行最高速度（m/min）；为步进电机最高运行频率（Hz）。代入工作台最快进给速度60m/min，脉冲当量0.025mm/Hz计算得=40 000Hz。1.3根据电机的最高运行频率及步距角，确定电机最高转速计算可得nmax=2400r/min2. 滚珠丝杠计算、选择2.1导程的选择丝杆的导程必须满足下式 PhoVmaxnmaxI Pho 为导程（mm）;Vmax为工作台运行最高速度（mm/s）；nmax为电机最高转速（r/min）;I为传动比;代入数据得导程Pho5mm，故取PB=5（mm）;2.2平均转速nm由于我们要选择的丝杆的运
7、转方式为无切削方式，由上表可知取丝杆平均转速nm=1400r/min。2.3平均载荷Fm轴向载荷 Fa=Fw+FFw为摩擦阻力，Fw=mg 其中m=10kg，取0.2;F为切削阻力，为0;计算可得Fa=19.6N;故平均载荷Fm=Fa=19.6N2.4时间寿命与回转寿命工作寿命为5年，一年工作300天，每天工作6小时，因此工作寿命 Lh=53006=9000（小时）回转寿命L=Lhnmax60I=6480000000r2.5额定动载荷CaFw为载荷系数，此处为普通运动，由下表取Fw=1.4计算可得Ca=511.57N故选丝杆时，丝杆的额定动载荷Ca应该大于等于511.57N2.6预紧载荷Fao
8、Fao=Fa/3=19.6N/3=6.53N其中Fa为轴向载荷2.6丝杆公称直径d0丝杆临界转速nk=240050.8=15000r/min丝杆底径d2=nkln2fnk107 ln为临界长度，取350mmfnk为支承系数，当支承方式为固定-支承时，取18.9计算可得d2=9.7mm故所选的丝杆的底径d2应大于等于9.7mm2.7 丝杆初选综上可知 ，我们要选的丝杆应满足：导程Pho5mm底径d29.7mm额定动载荷Ca511.57N又根据所设计的二维滑台的精度等设计要求，我们初步选取的丝杆型号如下：N F S G 20 5 3.5 3P2 _滚珠圈数滚珠直径mm导程mm公称直径mm磨制丝杆单
9、螺母法兰螺母内循环丝杆螺纹长度丝杆长度精度等级2.7丝杆螺纹长度l1 l1=lu+2lelu为有效行程，为350mmle为余程，根据导程PB=5mm和下表可知le=20mm计算可得l1=390mm故丝杆螺纹的长度不得小于390mm加上丝杆螺母总成的一半21.5mm（螺母总长为43mm）得丝杆螺纹长度411.5mm，在此取丝杆螺母长度为l1=430mm。则轴承之间的距离la=430mm。加上轴承安装长度和与联轴器的连接长度，取丝杆长度为500mm故丝杆编号为：N F S G 2053.5 3P25004303. 滚珠丝杆传动系统刚度3.1丝杆刚度Rs当ls1=lk时，Rs为最小值，一般情况下计算
10、最小刚度值可得Ra=144.8N/min此时计算轴向弹性变形量计算可得s=0.14m。3.2螺母刚度Rnu查表得R=307N/mCa=10033NFs0=1/3Fa=6.5N刚度计算系数取0.1（垫片预紧）计算可得Rnu=45.8N/m计算可得nu=0.43m3.3支承刚度RaL查表可得RaL=1020N/m计算可得aL=0.019m3.4轴向总刚度Rtot计算可得Rtot=33.65N/m计算可得tot=0.589m4.电机的选定4.1驱动转矩轴向载荷Fa=19.6N系统效率取0.8计算可得Mta=0.0195Nm4.2由预加载荷产生的转矩预紧载荷Fs0=1/3Fa=6.5N预紧螺母内的摩擦
11、系数KP取0.2计算可得Mts=0.0011Nm4.3 惯性加速转矩Y轴方向上步进电机总转动惯量的计算）、工作台与负载的惯量：为工作台与负载的惯量；M为工作台与负载的总质量（Kg），初取6Kg。）、滚珠丝杆惯量： 为滚珠丝杆的惯量； 为滚珠丝杆的密度，7.90； 为滚珠丝杆总长，500mm； 为滚珠丝杆外径，19.5mm。折算到步进电机轴上的总惯量为： 惯性加速转矩、为加速开始及终止时的脉冲频率（Hz）；t为加速过程时间(s)，t=vmaxa=1s (其中是加速度1)；已知=40 000Hz，取=2 000Hz计算可得Tay=0.0026Nm4.4总转矩的计算电机转矩T=Mta+Mts+Tay
12、=0.0232Nm 可知所要选的电机的转矩应该大于0.0232Nm根据所算的电机转矩T和步距角，选取步进电机型号为：5相混合式步进电机90BYG550A-0301电机参数如下：5.直线导轨的选定根据设计要求，需要承受的载荷不大（98N），定位精度高，因此在该设计中选用直线滚动导轨。结合导轨长度和精度要求，初步选取上银科技股份有限公司MGN系列导轨。选取的导轨必须满足导轨直线度小于定位精度的1/3（0.05mm/3=16.7m）根据下表可选定导轨的精度等级为H。根据其轨道长度表，选取导轨的具体编号如下：MGN系列MGN R 12 R510 E H M单出滑轨不锈钢材质精度等级滑块特殊加工滑轨长度
13、尺寸导轨具体参数如图所示：6.轴承的选定轴承跟丝杆的配合方式是过盈配合，根据丝杆内径（16.9mm），选取内径为15mm的轴承。支承方式选用“固定游动”型。在固定端固定端采用一对背对背角接触球轴承，型号如下：游动端采用一个深沟球轴承，型号如下：7.工作台的选定工作台尺寸为300*300mm，选用最常见的T形槽工作台，材质为Q235。如图所示： 槽型尺寸如下：四、参考文献1 机械工程手册机械零部件设计,机械工业出版社,M,1997年.P1-12P1-18,P6-3P6-32,P7-6P7-9,P8-5P8-52,P9-21P9-52.2 机床设计手册2上,机械工业出版社,M,1980年8月.P424P425,P457P
