目录设计任务 (3)一.系统总体方案设计 (3)(一)机械系统 (3)(二)接口设计 (3)(三)伺服系统设计 (4)(四)控制系统设计 (4)二.机械系统的设计计算 (4)(一) 滚珠丝杠的选型与计算 (4)(二) 滚动直线导轨的选型与计算 (7)(三) 电机的选择 (8)(四)光电开关的选择 (10)(五)限位开关的选择 (10)三控制系统设计 (12)1.操作面板的布置图 (12)2.操作面板功能介绍 (12)3.控制系统原理框图 (15)5、光电开关和限位开关信号采集原理 (15)6、键盘、显示器接口电路分析 (15)四程序 (16)五参考文献 (19)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:0.02mm工作寿命:每天8小时,工作8年,250天/年一.系统总体方案设计由设计任务书知,本次设计可采用如下方案(一)机械系统1.传动机构采用滚珠丝杠副2.导向机构采用滚动直线导轨3.执行机构采用步进电机(二)接口设计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步进电动机驱动电路的接口,实现电气隔离. (三)伺服系统设计 采用开环控制 (四)控制系统设计二.机械系统的设计计算(一)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8250816000h L h =⨯⨯=,传动精度要求0.02mm σ=±设导程P=5 mm ,则max600120/min 560001200/min5m n r n r ====(1) 求计算载荷1.21.01.016001C F H A M F K K K K N ==⨯⨯⨯= 由条件,查《机电一体化系统设计》表2-6取F K =1.2, 查表2-6取H K =1.2, 表2-4取D 精度, 查表2-6取A K =1.0, (2)计算额定动载荷计算值Ca`由式(2-4)19209336Ca F N '===(3)根据Ca '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Ca '的原则,查表2-9选以下型号规格 FC1-2505-2.5 Ca=9610公称直径025D mm = 导程5P m m = 螺旋角'338λ=︒ 滚珠直径0 3.175d mm =按表2-1中尺寸计算滚道半径 R=0..520d =0.52⨯3.175=1.651mm 偏心距0 3.1750.07()0.07(1.651)0.004422d e R mm =-=-= 丝杠内径10222520.00442 1.65121.71d D e R mm =+-=+⨯-⨯= (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22()acr EI F l πμ= 其中 E=206Gpa L=0.3m 448410.02171 1.09106464a d I m ππ-===⨯取23μ= 则2985220610 1.0910 5.53102(0.3)3cr F N π-⨯⨯⨯==⨯⨯ 安全系数535.5310368.981.510cr m F S F ⨯===⨯查表2-10 [S]=2.5-3.3 S>[S] 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cr n ,要求丝杠的最大转速max cr n n <221223.9270.02821991099108293328/min 2()(0.3)3c cr fd n r l μ===⨯max cr n n < 所以丝杠不会发生共振〈3〉此外滚珠丝杠副还受0D n 值的限制,通常要求40340710/min25120/min 310/min 710/minD n mm r D n mm r mm r mm r <⨯∙=⨯∙=⨯∙<⨯∙(5)刚度验算滚珠丝杠在工作负载F(N)和转矩T(N ∙m)共同作用下引起每个导程的变形量0()L m ∆为202CpF p TL EA GJ π∆=±±式中,A 为丝杠截面积,A=2211();4C d m J π为丝杠的极惯性矩, 4411();32C J d m π=G 为丝杠切变模量,对钢G=83.3GP a;T(N ∙m)为转矩. 0tan()2m DT F λρ=+式中, ρ为摩擦角,其正切函数值为摩擦系数; m F 为平均工作载荷.取摩擦系数为tan 0.0025ρ=,则得840ρ'''= 3'25150010tan(338840) 1.252T Nm Nm -'''=⨯︒+≈ 按最不利的情况取(F=m F )223322022492294114164515001016(510)1.259.84102 3.14206100.02171 3.1483.3100.02171C pF p T pF p T L m EA GJ Ed Gd μπππ--⨯⨯⨯⨯⨯∆=+=+=+=⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯ 则丝杠在工作长度上的弹性变形所引起的导程误差为2039.84100.3 5.9510L L l m m p μμ--∆⨯∆==≈⨯通常要求丝杠的导程误差小于其传动精度的1/2,即110.020.011022L mm m σμ∆<=⨯==该丝杠的L ∆满足上式,所以其刚度可满足要求. (6)效率验算''tan tan3380.947tan()tan(338840)ληλρ︒==='''+︒+ η要求在90%---95%之间,所以该丝杠副合格.经上述计算验证,FC1-2505-2.5各项性能均符合题目要求,可选用. (二)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8250816000h L h =⨯⨯=由3102S h s T T l n⨯= 得32160000.24602/1015361000s h s T T l n km km ⨯⨯⨯⨯=== 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0.81112c h T W f f f f ====则由式2-9, 3()h r c S w f f f Ca T K f F=得h T cCa =17004254F F N M ∑=== X 方向导轨由所给条件得,该导轨的额定工作时间为8250816000h L h =⨯⨯=由3102S h s T T l n⨯= 得32160000.34602/1023041000s h s T T l n km km ⨯⨯⨯⨯===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0.81112c h T W f f f f ====则由式2-9, 3()h r c S w f f f Ca T K f F=得h T cCa =17004254F F N M ∑===3762.2Ca N ==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-D26型号的导轨的Ca 值为17600,能满足八年的使用要求.(三)电机的选择 1. 电机类型选择在开环控制的中小型伺服系统中,可以采用步进电机。
减速器传动比计算1.5523603600.01p p i αδ⨯===⨯选各传动齿轮齿数分别为1z =20, 2z =40,模数m=2mm,齿宽b=20mm.。
大齿轮采用双圆柱薄片齿轮错齿调整。
强度强度检验略。
2. 电动机轴上总当量负载转动惯量计算 初选步进电机75BF001, m j =30.61710-⨯2kg m ∙3425217.8100.040.023.91032z j kg m kg m π-⨯⨯⨯⨯=∙≈⨯∙3424227.8100.080.026.31032z j kg m kg m π-⨯⨯⨯⨯=∙≈⨯∙将各传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。
2254242122110.005(3.910 6.310100) 2.12102422d z z p j j j m kg m kg m i i ππ---⎛⎫⎛⎫=++=⨯+⨯⨯+⨯∙≈⨯∙ ⎪ ⎪⨯⎝⎭⎝⎭惯量匹配验算432.12100.340.61710d m j j --⨯=≈⨯，满足要求。
4步进电机负载能力校验 步进电动机轴上得总惯量：34242(0.61710 2.1210)8.2910m d j j j kg m kg m ---=+=⨯+⨯∙=⨯∙空载启动时，电动机轴上得惯性转矩：4max 3222618.29108.330.005251060j w i T j jN m N m p t ππε--⨯===⨯⨯⨯⨯∙≈∙∆⨯ 电动机轴上得当量摩擦转矩：0.0051009.80.20.102220.820.8p p T F mg N m N miiμμμπηπηπη===⨯⨯⨯∙≈∙⨯⨯=总功率取为设滚动丝杠螺母副得预紧力为最大轴向载荷得13,则因预紧力而引起的、折算到电动机轴上的附加摩擦转矩为220000.0052480(1)(10.9)0.078220.823p T F N m N m iηπηπ=-=⨯⨯-∙≈∙⨯⨯工作台上的最大轴向载荷折算到电动机轴上的负载转矩为max 0.0052480 1.23220.82w w p T F N m N m iπηπ==⨯∙≈∙⨯⨯于是空载启动时电动机轴上的总负载转矩为0(8.330.100.078)8.508q j T T T T N m N m μ=++=++∙=∙在最大外载荷下工作时，电动机轴上的总负载转矩为0(1.230.100.078) 1.408l w T T T T N m N m μ=++=++∙=∙按表5-5查得空载启动时所需电动机最大静转矩为18.5089.820.8660.866q s T T ==≈ 按式5-39可求得在最大外载荷下工作时所需电动机最大静转矩为2 2.816~4.690.3~0.5ls T T N m =≈∙19.82,s s T T >=所取步进电机能正常启动（四）光电开关的选择产品简介E3R 型放大器内置型光电传感器，低成本，小型光电传感器，采用了耐药品、耐油性都很优秀的特氟龙（PFA ）能够民晶圆片洗净槽的硫酸等高温液体的检测相对应。