1.设计目的1.1加深理解和掌握《机电一体化》、《计算机接口设计》、《计算机控制技术》、《数控技术》等课程的基本知识，提高学生综合运用所学知识的能力。

1.2培养学生根据设计课题的需要，选用参考书，查阅有关工程手册的技术数据、图标和文献资料的能力。

2.设计任务2.1组号 1.工作台长X宽（mm）：390X290。

工作台工作重量：1800N2.2工作台行程：△Z=工作台长-100△Y=工作台宽-1002.3 脉冲当量：0.005—0.008mm/p3.设计要求3.1 工作台进给运动采用滚珠丝杠螺母传动；3.2滚珠丝杠支承方式为双推—简支型；3.3驱动电机为反应式步进电动机；3.4步进电机与滚珠丝杠间采用齿轮降速、要求消除齿轮传动的间隙。

4. 设计步骤4.1总体方案的选择与确定；4.2设计方案论证后查阅资料。

5. 工作量5.1零号装备图一；5.2设计说明书一个（30页以上）。

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控位结构，其单项驱动系统结构简图如图1-1所示。

6.2 滚珠丝杠设计下丝杠 设计滚珠丝杠时，已知工作条件是：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 r/min 或最大转速10000max =n r/min ），以及滚道硬度58-63HRC 和运转精度mm 03.0=δ。

6.2.1计算载荷F cF c =K F *K H *K A F M =1.2⨯1.0⨯1.0⨯1150=1380N查表2-6取K F = 1.2 、查表2-7取K H = 1.0 、查表2-4取D 级精度 、查表2-8取K A =1.0 。

6.2.2 计算额定动载荷，计算值Ca ’Ca ‘=341064.1⨯nh L n c F =1380⨯341067.110000100⨯⨯=5125.3N 6.2.3 根据Ca ‘选择滚珠丝杠副，假设选用F c 型号，按滚珠丝杠副的额定动载荷等于或稍大于Ca ‘的原则，查表2-9选以下型号 规格：5393,5.220041=-=Ca F c N 8630,5.220051=-=a c C F N考虑各种因素选用 5.220041-c F ，由表2-9得丝杠副数据： 公称直径：mm D 200= 导程：P=4mm 螺旋角："0383=λ 滚珠直径：d 0=2.381mm 按表2-1中尺寸公式计算：滚道半径：R=0.521d=1.238mm偏心距：e=(R-d/2)21036.3707.0-⨯=⨯mm6.2.4稳定性验算6.2.4.1丝杠不会发生失稳的最大载荷称为临界载荷F cr （N ），按下式计算： F cr =2)(2UC aFI π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）；u 为长度系数，见表2-10I a ==6441d π49410464)0176.0(14.3m -⨯=⨯ 取u=2/3，则F cr =429921039.6)19.032(1041020614.3⨯=⨯⨯⨯⨯⨯-N 安全系数S= 7.7109001039.64=⨯=m cr F F 。

查表2-10[s]=2.5---3.3,S>[s],丝杠是安全的，不会失稳。

6.2.4.2 高速长丝杠工作时，可能发生共振，因此需要验算其不会发生共振的最高转速——临界转速n cr 。

需求丝杠的最大转速 n max <n cr ，临界转速n cr （r/min ）可按下式计算：n cr = 9910212)(ul d f c ⨯ 式中f c 为临界转速系数，见表2-10，取F c = 3.927 u= 2/3 ，则n cr =min /9.21178)19.032(0176.0927.3991022r =⨯⨯⨯ n cr >n max =10000r/min ,所以丝杠工作时，不会发生共振。

6.2.4.3 此外滚珠丝杠副还受D 0n 值的限制，通常要求D 0n<7*104mmr/min ， D 0n=20min /.1071004r mm ⨯<⨯ 所以丝杠副工作稳定。

6.2.4.4刚度验算滚珠丝杠在工作负载下F （N ）和转矩T （N*m ）共同作用下起每个导程的变形量△l 0（m ）为△l 0= C GJ TP EA PF π22±± 式中A 为丝杠截面积，A= 2421104.241m d -⨯=π ，J c 为丝杠的极惯性矩J c =494110932m d -⨯=π ，G 为丝杠切变模量，对钢G=83.3，J （N*m ）为转矩，T=M N D F m.509.0)tan(2=+λρ 式中，ρ为摩擦角，其正切函数值为摩擦系数，F M 为平均工作载荷，按最不利的情况取（其中F=F m ）=0l um 2992494109109103.8314.32509.0004.0104.210206900104---⨯=⨯⨯⨯⨯⨯⨯+⨯⨯⨯⨯⨯则丝杠在工作长度上的弹性变形所引起的导程误差为△l=um um l p l 1503.0212128.410410919.0.320=⨯=≤=⨯⨯⨯=--σ 通常要求丝杠的导程误差△l 应小于其传动精度的1/2，即该丝杠的△l 满足上式，所以其刚度可满足要求。

6.2.4.5 效率验算滚珠丝杠副的传动效率为η=%5.94%100)tan(tan =⨯+ρλλn 要求在90%--95%之间，所以该丝杠副合格。

经上述计算验证，5.220041-c F 各项性能均符合题目要求，可选用。

下丝杠的设计 要求如下：设计滚珠丝杠时，已知工作条件是：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 r/min 或最大转速10000max =n r/min ），以及滚道硬度58-63HRC 和运转精度mm 03.0=δ。

同上述的计算及验算校核选取考虑各种因素选用 5.220041-c F上丝杠的承受载荷比下丝杠小 顾选用 5.220041-c F 完全可以 上下丝杠 均选用 5.220041-c F 型号6.2．5丝杠轴承的选择型号：52202 数量：2 参数及尺寸 d=12mmD=32mm 1T =22mm a C =16.5KN A=0.003m ax n =4800r/min B=5mm型号： 6201 数量：4 参数及尺寸 d=12mm D= 32mm B= 10mm r C = 6.82KN m ax n = 1900r/min 2d =18.3mm 2D =26.1mm min r = 0.66.2．6丝杠的消隙采用垫片调隙式 调整垫片的厚度使螺母产生微量的轴向位移，已达到消除轴向间隙和产生预紧力的目的。

6.3 滚动导轨有已知条件得，该导轨的额定工作时间寿命T h 为：T h = h 900053006=⨯⨯由T h = n l Ts s 2103⨯得T s = 2310nl T s h =2km 1000608.09000÷⨯⨯⨯=3456km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f c =0.81 ，f H = 1 ，f T = 1 f W = 2 ，则由式（2-9）T s =3⎪⎪⎭⎫⎝⎛•F C f f f f k a w c t h Ca=w ct h s f f f f K T F •3/其中F=N N M F 67541800900=+=∑ Ca=N N 46.589821181.05034566753=⨯⨯⨯若选用 汉江机场床的HJG-D 系列滚动直线导轨，查表2-13，其中HJG-D25型号的导轨的Ca 值为17500N ，能满足五年的使用要求，所以可选用HJG-D25的滚动直线导轨 上下导轨均选用 HJG-D25的滚动直线导轨7.步进电机的选择下电机的要求：工作台的重量m=220kg 导轨摩擦系数 0.2 最大轴向力 F=1100N δ=0.0057.1 减速器传动比的计算i=2005.0360004.9.03600=⨯⨯=∂δP按最小惯量条件，从图5-33、5-34查得减速器应用 级传动，选各传动齿轮齿数分别为Z 1= 20 ，Z 2= 40 ，模数m=2mm 齿宽1b = 25 mm 2b =20mm7.2 电动机轴上总当量，负载传动惯量计算按式5-26分别计算各传动件的转动惯性，其中齿数的等效值分别为分度圆直径丝杠的等效直径为Ø 。

J z1=32141L d πρ=51047.4-⨯2.m kgJ z2=3222L d πρ=5104.9-⨯2.m kgJ S =32Dl πρ=25.103m kg -⨯将各传动件的转动惯量及工作台质量计算到电动机轴上得总当量负载转动惯量。

J d =m I P J J iJ S Z Z 2221)2()(1π+++=24.10547.m kg -⨯7.3 惯量匹配计算716.01075.010537.044=⨯⨯=--m d J J满足141≤≤md J J ，要求说明惯量匹配比较合理。

7.4 步进电机负载能力校验步进电机轴上的总惯量J=J m +J d =2444.10287.11075.010537.0m kg ---⨯=⨯+⨯，空载启动时电动机轴上的惯性转矩：m N tV P i J T J .34.02max=∆⨯⨯=π 电动机轴上的当量摩擦转矩：m N mg iP T .143.02==μπλμ其中伺服进给传动链的总效率取η= 0.8设滚动丝杠螺母副的预紧力为最大轴向载荷的1/3则因预紧力而引起的折算到电动机轴上的附加摩擦力转矩为：T 0=m N Fp .023.0)1(3i22=-⨯ηπη 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：T w =m N F ip .358.02=πη于是空载启动时电动机轴上的总负载转矩为m N T T T T J q .506.00=++=μ在最大外载荷工作下工作时电动机轴上的总负载转矩为：T 1=mNTTTW.524.0=++μ按表5-5查得空载启动时所需电动机最大转矩为：T s1=mNTq.715.0707.0=按式5-39可求最大外载荷工作时所需电动机最大静转矩为：Ts2=mNT.08.1~75.1)5.0~3.0(1=根据以上的计算数据选的电机型号为：56BYG250E7.5技术参数及型号如下：= 2.5N.m>1.75N.m 所以步进电动机能正常由于Ts启动。