摘要通用二维平台是许多机电一体化设备的基本部件，如数控车床的纵-横向进刀机构、数控铣床和数控钻床的X-Y工作台、激光设备的工作台、电子元件表面贴装设备等。

根据设计要求的工作载荷，通过计算和校核，进行导轨副、滚珠丝杠螺母副和伺服电动机等的选型，在满足性能的要求下，以成本最低为原则，满足工作要求的需要，能稳定完成生产任务。

本次机械装配图采用国产软件CAXA进行绘制，通过提取图符操作调用标准零件，因而能够较快的绘制机械装配图。

电气原理图采用Protel99Se绘制。

关键词：运动平台；滚珠丝杠；计算；绘图；电路图目录第一章通用二维运动平台总体方案的确定 (1)1.1机械传动部件的选择 (1)1.1.1 导轨副的选用 (1)1.1.2 丝杠螺母副的选用 (1)1.1.3 电动机的选用 (1)1.2控制系统的设计 (1)第二章通用二维运动平台机械传动部件的计算与选型 (3)2.1 确定系统脉冲当量 (3)2.2 确定系统切削力 (3)2.3直线滚动导轨副的计算与选型 (3)2.4 滚珠丝杠螺母副的计算和选型 (4)2.4.1 X方向的滚珠丝杠螺母副的计算与选型 (4)2.4.2 Y方向的滚珠丝杠螺母副的计算与选型 (7)2.5交流伺服电动机的计算和选型 (8)第三章控制系统硬件电路设计 (11)3.1 控制系统 (11)3.2 PLC数控系统硬件电路设计 (11)3.2.1 PLC数控控制系统框图 (10)3.2.2 PLC的类型 (12)3.2.3 I/O口线设计 (13)3.3 控制系统的工作原理 (14)致谢 (16)参考文献 (17)第一章通用二维运动平台总体方案的确定1.1机械传动部件的选择通用二维运动平台的X-Y数控工作台，通常由导轨座、移动滑块、工作平台、滚珠丝杠螺母副，以及动力源电动机等部件组成。

为了满足通用二维运动平台实现X.Y 两坐标联动，任意平面曲面的加工，自动换象限，越位报警和急停等功能，进行通用二维运动平台设计总体方案的机械部分的选择。

1.1.1导轨副的选用要设计的通用二维平台是用来配套轻型立式数控铣床的，需要承受的载荷不大，但脉冲当量小，定位精度高，因此，决定选用直线滚动导轨副，它具有摩擦系数小，不易爬行、传动效率高、结构紧凑、安装预紧方便等优点。

1.1.2丝杠螺母副的选用伺服电动机的旋转运动需要通过丝杠螺母副转换成直线运动，满足0.005mm的脉冲当量和定位精度，滑动丝杠副无能力，只有选用滚珠丝杠副才能达到。

滚珠丝杠副的传动精度高、动态响应快、运转平稳、寿命长、效率高，预紧后可消除反向间隙。

1.1.3电动机的选用为了更好的满足X-Y方向的精准运动，和定位精度的提高，采用精度相对较高的交流伺服电动机。

选用了交流伺服电动机作为伺服电动机后，任务书所给的精度对于步进电动机来说是偏高的，为了保证电动机在运转过程中不受切削负载和电网的影响而失步，决定采用半闭环控制。

考虑到X、Y两个方向的加工范围相差不大，承受的工作载荷也相差不大，顾X 方向上满足了设计要求，及Y反向也满足，同时为了减少设计工作量，X、Y两个坐标的导轨副、丝杠螺母副、伺服电动机等都采用相同的型号与规格。

1.2控制系统的设计设计的X-Y工作台因具备单坐标定位、两坐标联动的基本功能，所以控制系统应该设计成连续控制型。

对于交流伺服电动机的半闭环控制，选用市场上广泛应用的PLC控制系统作为通用二维运动平台的控制系统，同时PLC控制系统与交流伺服电动机又有很好的兼容性，所以采用PLC来控制。

控制系统由PLC部分、键盘及显示器、I/O接口及光电隔离电路。

系统的加工程序和控制命令通过键盘操作实现，显示器采用数码管显示加工数据及机床状态等信息。

第二章 通用二维运动平台机械传动部件的计算与选型 伺服系统机械部分设计计算内容包括：确定系统的脉冲当量、区定系统的负载、，运动部件惯量计算，空载起动及切削力矩计算，确定伺服电机，传动及导向元件的设计、计算及选用，绘制机械部分装配图等。

现分述如下：2.1 确定系统脉冲当量一个进给脉冲，使运动部件产生的位移量，称为脉冲当量。

脉冲当量是衡量数控机床加工精度的一个基本技术参数 。

根据设计要求，通用二维运动平台采用的脉冲当量是0.005mm/step 。

2.2 确定系统切削力根据设计要求，机床的切削负载为：X 向600N ；Y 向700N ；Z 向800N ；G 为1000N 。

2.3直线滚动导轨副的计算与选型1、滑块承受当量载荷c P 的计算及导轨型号的选取工作载荷是影响直线滚动导轨使用寿命的重要因素。

本课题中的X-Y 工作台为水平布置，采用双导轨、四滑块的支承形式。

故滑块受的工作载荷为： 1302*2*24l l w l l w w P c -+= 1302*2*24l l w l l w w P c --= 1302*2*24l l w l l w w P c +-= 1302*2*24l l w l l w w P c ++= 其中，移动部件重量G=1000N ，外加载荷错误!未找到引用源。

=800N ，得w=z F +G=1800N ，其中3210,,,l l l l 分别取其最大值为极限位置的距离，分别为500mm 、400mm 、250mm 、200mm ，将上面的数据分别代入上试可得到=1c P 450N 、=2c P -450N 、=3c P 450N 、=4c P 1350N 。

对于全行程来讲还应算出当量载荷c P ，对于载荷呈线性变化则其计算公式如下： 32max min P P P c += 根据上面的计算结果可以算出当量载荷c P =750N=0.75KN 。

根据当量载荷c P 可初步查《机电一体化系统设计课程设计指导书》表3-41，初选直线滚动导轨副的型号为KL 系列的JSA-LG15型，其额定动载荷a C =7.94kN ，额定静载荷0a C =9.5kN 。

任务书规定工作台平面尺寸为500mm ×400mm ，考虑工作行程应留有一定余量，查《机电一体化系统设计课程设计指导书》表3-35，按标准系列，选取导轨的长度为X 方向：940mm ，Y 向：760mm 。

2 距离额定寿命L 的计算上述选取的KL 系列JSA-LG15型导轨副的滚道硬度为60HRC,工作温度不超过100C ,每根导轨上配有两只滑块，精度为3级，工作速度较低，载荷不大，查《机电一体化系统设计课程设计指导书》表3-36～表3-40，分别取硬度系数H f =1.0、温度系数T f =1.00、接触系数C f =0.81、精度系数R f =0.9、载荷系数W f =1.5，代入式50*⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=c a W R C T H P C f f f f f L ，得距离寿命： 50*⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=c a W R C T H P C f f f f f L ≈6810.15Km 远大于期望值50km,故距离额定寿命满足要求。

2.4 滚珠丝杠螺母副的计算和选型2.4.1 X 方向的滚珠丝杠螺母副的计算与选型1、最大工作载荷m F 的计算查《机电一体化系统设计课程设计指导书》表3-29，取颠覆力矩影响系数K=1.1，滚动导轨上的摩擦因数μ=0.005，已知G=1000N ，错误!未找到引用源。

=600N ，错误!未找到引用源。

=700N,错误!未找到引用源。

=800N 。

求得滚珠丝杠副的最大工作载荷：错误!未找到引用源。

=错误!未找到引用源。

+μ(错误!未找到引用源。

+错误!未找到引用源。

+G)=1.1错误!未找到引用源。

600+0.005(700+800+1000)=672.5N2、最大动负载aj C 的计算工作台切削时的最大速度为=v 6m/min=6000mm/min ，初选丝杠的导程=n P 5mm ，取滚珠丝杠的使用寿命=h L 15000h 。

此时丝杠转速==n e P v n 1200r/min 。

由于滚珠丝杠副在较高转速下工作，则： 3161060⎪⎭⎫ ⎝⎛=e h K a H t w e aj n Lf f f f f F C式中 t f ——温度系数t f =1.00；H f ——硬度系数H f =1.0；w f ——载荷系数，按一般运转取w f =1.2～1.5，取W f =1.2；a f —— 精度系数a f =0.9。

K f —— 精度系数a f =0.9。

则： N C aj 7.9199101200150006019.00.100.12.15.672316≈⎪⎭⎫ ⎝⎛⨯⨯⨯⨯⨯⨯= 3、滚珠丝杠螺母副的选型根据计算出的最大动载荷和初选的丝杠导程，查《机电一体化系统设计课程设计指导书》表3-31，选择济宁博特精密丝杠制造有限公司生产的G 系列2005-3型滚珠丝杠副，为内循环固定反向器单螺母式，其公称直径为0d =20mm ，导程为n P =5m,循环滚珠为3圈×1列，精度等级取5级，额定动载荷为9309N,大于最大动负载aj C ，满足要求。

4、传动效率计算将公称直径0d =20mm ，导程h P =5mm ，代入0arctan[/()],h P d λπ=得丝杠螺旋升角λ= 错误!未找到引用源。

,将摩擦角'10ϕ=，代入下式得；5、刚度验算X 方向滚珠丝杠副的支持采用“单推-单推”的方式，丝杠左右端各采用一对推力角接触球轴承，面对面组配，左、右支持的中心距离约为a=534mm 。

如下图所示。

图2.1滚珠丝杠布局结构简图(1)、丝杠的拉伸或压缩变形量'1δ钢的弹性模量E=2.1×510M a P ；查《机电一体化系统设计课程设计指导书》表3-31得，滚珠直径错误!未找到引用源。

,丝杠底径错误!未找到引用源。

，丝杠横截面积S=2/4d π=206.122mm ,已知m F =672.5N 。

将各个数据代入下式得 mm ES a F m 0083.012.206101.25345.67251=⨯⨯⨯=⨯=δ （2）、滚珠与螺纹滚道间接触变形2δ根据公式0(/)3W Z d D π=-,求得单圈滚珠数Z=20；该型号丝杠为单螺母滚珠的圈数×列数为3×1，代入公式：Z Z ∑=×圈数×列数，得滚珠总数量Z ∑=60。

丝杠预紧时，取轴向预紧力N F F m YJ 17.22435.6723=== 代入下式得mm Z F D F YJ W m 0014.010100013.0322=⨯⨯=∑δ因为丝杠加有预紧力，且为轴向负载的1／3，所以变形量可减小一半，取J Ma 1J2δ=0.0007mm 。

（3）将以上算出的1δ和2δ代入δ总=1δ＋2δ，求得丝杠总变形量δ总=0.0083＋0.0007=0.0090mm =9m μ由于本任务书中丝杠的有效行程为400mm ，由《机电一体化系统设计课程设计指导书》表3-37可知，5级精度滚珠丝杠有效行程在315～400mm 时，行程偏差允许达到40m μ,可见丝杠刚度足够，且δ总小于1／3的开环系统定位精度值25m μ，可见丝杠刚度足够。