本科生专业课程设计（届）学生姓名：学号：专业名称：班级：指导教师：年月日目录专业课程设计计算说明书 (3)原始数据 (3)一、系统总体方案设计 (3)二、机械系统的设计计算 (4)三、控制系统设计 (19)专业课程设计计算说明书原始数据设计一台微机控制XY两坐标工作台，采用MCS-51单片机控制, 控制方式采用步进电机开环控制。
其他参数如下：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与齿轮或带减速。
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）采用键盘或BCD 码盘作为输入。
（2）采用LED 作为电源等指示标志。
（3）采用蜂鸣器或扬声器作为警报装置。
（4）采用数码管作为显示器。
2、机电接口采用光电偶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）伺服系统设计本次设计的系统精度要求不高，载荷不大，因此采用开环控制。
（四）控制系统设计1、控制部分方案选择控制方案不外乎三种：开环控制、半闭环控制、闭环控制。
上图为最简单的“开环控制”，若在“机械传动”机构中引出反馈控制部分，再经过比较放大的则为“半闭环控制”。
如若是在“机械执行机构中引出反馈则为闭环控制。
采用步进电机来实现驱动，一般情况下多采用开环控制。
因为步进电机的输出转角与控制器提供的脉冲数有着正比关系，电机转速与控制器提供的脉冲频率成正比。
因此通常在精确度要求不是很高时，采用步进电机是合理的。
当然，由于步进电机具有高频易失步，负载能力不强的缺点。
二、机械系统的设计计算（本次设计若未作特殊说明，其中的表与图均来自：由郑堤主编的《机电一体化设计基础》） （一）初选步进电动机根据已知条件：X 、Y 方向的脉冲当量y x δδ、分别为：开环控制流程图开环控制原理图step mm y x/005.0==δδ即脉冲当量较小，因此这里选用反应式步进电动机。
其特点是：步距角小，运行频率高，价格较低，但功耗较大。
结论：初选步进电机型号为：，其相关参数如下： 机座号 型号 相数 电压V 电流A 步距角°90 5 60/125步距角误差’ 空载运行频率 转子转动惯量重量kg 空载启动频率Hz 最大静转矩10约120002500并采用单双相通电方式，因此步距角︒=8.0α。
1、步进电动机的脉冲频率计算典型工况下，步进电动机的脉冲频率y x f f 和分别为：sp f s p v f s p f s p v f y yy y x x x x /12000/3.333310005.06011060/12000/3.333310005.06011060max 33max 33=<=⨯⨯=⨯==<=⨯⨯=⨯=δδ2、步进电动机的驱动转矩计算典型工况下，步进电动机的驱动转矩y x T T 和分别为：按图5-7查得：m N T T y x ⋅==8.23、步进电动机的驱动力计算典型工况下，步进电动机的驱动力y x F F 和分别为：N F N Z S Z T F x x x x x 500648018004.032)83.0(8.22212=>=⨯⨯⨯⨯==进给抗力πηπN F N Z S Z T F y y y y y 500648018004.032)83.0(8.22212=>=⨯⨯⨯⨯==进给抗力πηπ驱动力远大于进给抗力，所以所选步进电动机满足使用要求。
（二）计算减速器传动比减速器传动比：ppi δα360=()()()mm mm p p 工作台运动的脉冲当量丝杠导程步进电机步距角--︒-δα初取滚珠丝杠：此时：78.1916005.036048.0360≈=⨯⨯==p p i δα按图5-33，选一级齿轮传动。
（三）齿轮机构设计传动链效率工作台移动速度工作台进给抗力传递功率/⨯=机械传动效率概略值（供参考）类型 V 带传动联轴器传动圆柱齿轮传动一对滚动轴承丝杠螺母副符号 ηvηcηgηbηs效率~~~~~初选效率为。
w 4.108.0/601500=⨯=传递功率 可见，系统传递的功率很小，在要求不高时，以后各步的计算可省略。
并采用经验法来设计各元部件。
但为练习计算过程，本次设计采用分析计算来设计。
1、齿轮传动机构的基本参数传递功率(w)小齿轮转速n 1 (r/min) 传动比一天运转时间(h) 工作寿命（年）传动效率 转向 工况44416/9 8 5 不变 平稳其中小齿轮转速：min /4449164100011000r i pv n =⨯⨯=⨯=工作台） 2、选择材料及确定许用应力小齿轮材料选择45钢（表面淬火），硬度为45HRC 大齿轮材料为45钢（调质）硬度为220HBS小齿轮的接触疲劳强度极限a H MP 11301lim =σ（淬火处理） 大齿轮的接触疲劳强度极限a H MP 5502lim =σ安全系数H S 和F S取安全系数1.1=H S[][]aHH H aHH H MP S MP S 5001.155027.10271.111302lim 21lim 1======σσσσ小齿轮的弯曲疲劳强度极限a F MP 2401lim =σ 大齿轮的弯曲疲劳强度极限a F MP 1902lim =σ 取3.1=F S[][]aFF F aFF F MP S MP S 15.1463.119062.1843.12402lim 21lim 1======σσσσ3、按齿面接触强度设计设齿轮按7级精度制造。
取载荷系数，齿宽系数3.0=a ψ，m N n P T •=⨯⨯==-21.04161025.9955095503()[]mm u KT u a aH 78.159163.0100021.01.15003351916335123123=⨯⨯⨯⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎭⎫⎝⎛+=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+≥ψσ 取181=z ；大齿轮齿数：321891612=⨯==iz z 模数63.0321878.152221=+⨯=+=z z a m ；取标准值 m=确定中心距()()mm z z ma 20321828.0221=+=+=齿宽： b=mm a a 6203.0=⨯=ψ 取mm b mm b 10;612==4、验算轮齿弯曲强度齿形系数 18.2;02.321==F F Y Y[][]15.14633.1002.318.231.1462.18431.14188.01002.3100021.03.122212121212111=<=⨯===<=⨯⨯⨯⨯⨯⨯==F F F F F F F F MPa Y Y MPa z bm Y KT σσσσσ校验结果：安全。
5、齿轮的圆周速度s m s m n d v /10/31.0100060416188.014.310006011<=⨯⨯⨯⨯=⨯=π选用7级精度是安全的。
为方便与电机轴的配合，对齿轮作如下修改：取271=z ；大齿轮齿数：482791612=⨯==iz z 中心距：()()mm z z ma 30482728.0221=+=+=齿宽： b=mm a a 9303.0=⨯=ψ 取mm b mm b 14;912==（四）滚珠丝杠选择 1、滚珠丝杠工作长度计算余量行程工作台l l l l ++=X 方向丝杠工作长度：mm l X 44020320100=++= X 方向丝杠工作载荷：N F X 500=Y 方向丝杠工作长度：mm l Y 39520225150=++= Y 方向丝杠工作载荷：N F Y 500=令两方向丝杠的工况均为：每天开机6小时；每年300个工作日；工作8年以上。
丝杠材料：CrWMn 钢；滚道硬度为58~62HRC ；丝杠传动精度为mm 04.0±。
平均转速n=125r/min （min /125410005.01000r pv n =⨯=⨯=工作台） 2、计算载荷C F 求解N N F K K K F m A H F C 5505000.10.11.1=⨯⨯⨯==查《机电一体化设计基础》表2-6；2-7；2-8的0.10.11.1===A H F K K K ；；，查表2-4取C 级精度。
表2-6 载荷系数表2-7 硬度系数表2-8 精度系数3、额定动载荷计算aC '计算 寿命：h L h1440083006=⨯⨯=' N N L n F C h m C a31601067.1144002005501067.13434≈⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⨯⨯⨯=⨯'=' 4、滚珠丝杠副选择假设选用FC1型号，按滚珠丝杠副的额定动载荷a C 等于或稍大于aC '的原则，选汉江机床厂出品的，N C a 5393=， 其参数如下：5、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[S]（见表2-10）丝杠不会发生失稳的最大载荷称为临界载荷cr F （N ）按下式计算：22)(l EI F acr μπ= 式中，E 为丝杠材料的弹性模量，对于钢，E=206GPa ；l 为丝杠工作长度（m ）；I a 为丝杠危险截面的轴惯性矩（m 4）；μ为长度系数，见表2-10。
依题意，()49441107.46459.017.014.364m d I a -⨯=⨯==π 取3/2=μ，则N l EI F a Xcr52992221011.144.032107.41020614.3)(⨯=⎪⎭⎫⎝⎛⨯⨯⨯⨯⨯==-μπ N l EI F a Ycr52992221038.1395.032107.41020614.3)(⨯=⎪⎭⎫⎝⎛⨯⨯⨯⨯⨯==-μπ 安全系数2225001011.15=⨯==m cr X F F S2765001038.15=⨯==m cr Y F F S查表2-10，[S]=~。
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——cr n 。
要求丝杠的最大转速cr n n <max 临界转速cr n （r/min ）：min /3124244.03201759.0927.39910)(991022212r l d f n c cr =⎪⎭⎫⎝⎛⨯⨯⨯==μ 该丝杠工作转速cr n r n <=m in /1253） 滚珠丝杠副还受nD 0值的限制，通常要求min /10740r mm n D ⋅⨯<40107250012520⨯<=⨯=n D所以该丝杠副工作稳定。