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1、机电一体化系统设计实例 6.1 卧式车床数控化改造设计 6.2 数控车床自动回转刀架机电系统设计 6.3 X-Y数控工作台机电系统设计 6.4 波轮式全自动洗衣机机电系统设计,第三节 X-Y数控工作台机电系 统设计 X-Y数控工作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、激光加工设备的工作台、电子元件表面贴装设备等。因此，选择X-Y数控工作台作为机电综合课程设计的内容，对于机电一体化专业的教学具有普遍意义。,模块化的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伺服电动机等部件构成。其外观形式如图6-22所示。其中
2、，伺服电动机作为执行元件用来驱动滚珠丝杠，滚珠丝杠的螺母带动滑块和工作平台在导轨上运动，完成工作台在X、Y方向的直线移动。导轨副、滚珠丝杠螺母副和伺服电动机等均已标准化，由专门厂家生产，设计时只需根据工作载荷选取即可。控制系统根据需要，可以选用标准的工业控制计算机，也可以设计专用的微机控制系统。,图6-22 X-Y数控工作台外形,3.直线滚动导轨副的计算与选型（1）滑块承受工作载荷 的计算及导轨型号的选取 工作载荷是影响直线滚动导轨副使用寿命的重要因素。本例中的X-Y工作台为水平布置，采用双导轨、四滑块的支承形式。考虑最不利的情况，即垂直于台面的工作载荷全部由一个滑块承担，则单滑块所受的最大垂
3、向载荷为：=F（6-12）其中，移动部件重量G800N，外加载荷F=Fz=556N，代入（6-12）式得最大工作载荷PC=756N=0.756kN。查表3-41，根据工作载荷PC=0.756kN，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Ca=7.94 kN，额定静载荷C0a=9.5 kN。任务书规定工作台面尺寸为230mm230mm，加工范围为250mm250mm，考虑工作行程应留有一定余量，查表3-35，按标准系列，选取导轨的长度为520mm。,（2）距离额定寿命 的计算 上述选取的KL系列JSA-LG15型导轨副的滚道硬度为HRC60，工作温度不超过100，每根
4、导轨上配有两只滑块，精度为4级，工作速度较低，载荷不大。查表3-36表3-40，分别取硬度系数=1.0，温度系数=1.00，接触系数=0.81，精度系数=0.9，载荷系数=1.5，代入式（3-33），得距离寿命：6649 km远大于期望值50km，故距离额定寿命满足要求。,4.滚珠丝杠螺母副的计算与选型（1）最大工作载荷Fm的计算 如图3-20所示，承受最大铣削力时，工作台受到进给方向的载荷（与丝杠轴线平行）Fx=1609N，受到横向的载荷（与丝杠轴线垂直）Fy=366N，受到垂向的载荷（与工作台面垂直）Fz=556N。已知移动部件总重量G=800N，按矩形导轨进行计算，查表3-29，取颠覆力
5、矩影响系数K=1.1，滚动导轨上的摩擦因数=0.005。求得滚珠丝杠副的最大工作载荷 Fm=KFx+（Fz+Fy+G）=1.11609+0.005(556+366+800)N 1779 N,（2）最大动载荷FQ的计算 设工作台在承受最大铣削力时的最快进给速度=400mm/min，初选丝杠导程=5 mm，则此时丝杠转速n=v/Ph=80 r/min。取滚珠丝杠的使用寿命T=15000 h，代入L0=60nT/106，得丝杠寿命系数L0=72（单位为：106 r）。查表3-30，取载荷系数fW=1.2，滚道硬度为HRC60时，取硬度系数fH=1.0，代入式（3-23），求得最大动载荷：FQ 888
6、1 N,（3）初选型号 根据计算出的最大动载荷和初选的丝杠导程，查表3-32，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20 mm，导程为5 mm，循环滚珠为3圈1列，精度等级取4级，额定动载荷为9309 N，大于FQ，满足要求。（4）传动效率的计算 将公称直径d0=20mm，导程Ph=5mm，代入=arctanPh/(d0)，得丝杠螺旋升角=4 33。将摩擦角=10，代入=tan/tan(+),得传动效率=96.4%。,（5）刚度的验算 1）X-Y工作台上下两层滚珠丝杠副的支承均采用“单推-单推”的方式，见书后图6-23。丝
7、杠的两端各采用一对推力角接触球轴承，面对面组配，左、右支承的中心距离约为a=500mm；钢的弹性模量 2.1 Mpa；查表3-32，得滚珠直径=3.175mm，丝杠底径=16.2 mm，丝杠截面积/4=206.12mm2。忽略式（3-25）中的第二项，算得丝杠在工作载荷Fm作用下产生的拉/压变形量1=Fma/（ES）=1779500/（2.1 206.12）mm 0.0205 mm。,2）根据公式()-3,求得单圈滚珠数=20；该型号丝杠为单螺母，滚珠的圈数列数为31，代入公式：圈数列数，得滚珠总数量=60。丝杠预紧时，取轴向预紧力=/3=593 N。则由（3-27）式，求得滚珠与螺纹滚道间的
8、接触变形量 0.0026 mm。因为丝杠加有预紧力，且为轴向负载的1/3，所以实际变形量可减小一半，取=0.0013mm。3）将以上算出的 和 代入，求得丝杠总变形量（对应跨度500mm）0.0218 mm=21.8m。由表3-27知,5级精度滚珠丝杠有效行程在315400mm时，行程偏差允许达到25m，可见丝杆刚度足够。,（6）压杆稳定性校核 根据公式（3-28）计算失稳时的临界载荷Fk。查表3-31，取支承系数=1；由丝杠底径=16.2 mm，求得截面惯性矩 3380.88 mm；压杆稳定安全系数 取3（丝杠卧式水平安装）；滚动螺母至轴向固定处的距离 取最大值500mm。代入式（3-28）
9、，得临界载荷 9343N，远大于工作载荷=1779N，故丝杠不会失稳。综上所述，初选的滚珠丝杠副满足使用要求。,5.步进电动机减速箱的选用 为了满足脉冲当量的设计要求，增大步进电动机的输出转矩，同时也为了使滚珠丝杠和工作台的转动惯量折算到电动机转轴上尽可能地小，今在步进电动机的输出轴上安装一套齿轮减速箱。采用一级减速，步进电动机的输出轴与小齿轮联接，滚珠丝杠的轴头与大齿轮联接。其中大齿轮设计成双片结构，采用图3-8所示的弹簧错齿法消除侧隙。已知工作台的脉冲当量=0.005 mm/脉冲，滚珠丝杠的导程Ph=5 mm，初选步进电动机的步距角=0.75。根据（3-12）式，算得减速比：i=(Ph)/
10、(360)=(0.755)/(3600.005)=25:12 本设计选用常州市新月电机有限公司生产的JBF-3型齿轮减速箱。大小齿轮模数均为1mm，齿数比为75:36，材料为45号调质钢，齿表面淬硬后达HRC55。减速箱中心距为(75+36)1/2 mm55.5 mm，小齿轮厚度为20mm，双片大齿轮厚度均为10mm。,6.步进电动机的计算与选型 步进电动机的计算与选型参见第四章第三节相关内容。（1）计算加在步进电动机转轴上的总转动惯量 已知：滚珠丝杠的公称直径=20 mm，总长l=500mm，导程 5mm，材料密度；移动部件总重量G=800N;小齿轮宽度 20mm，直径=36 mm;大齿轮宽
11、度 20mm，直径=75 mm；传动比i=25/12。参照表4-1，算得各个零部件的转动惯量如下（具体计算过程从略）：滚珠丝杠的转动惯量=0.617 拖板折算到丝杠上的转动惯量=0.517 小齿轮的转动惯量=0.259 大齿轮的转动惯量=4.877。,初选步进电动机型号为90BYG2602，为两相混合式，由常州宝马集团公司生产，二相四拍驱动时步距角为0.75，从表4-5查得该型号电动机转子的转动惯量。则加在步进电动机转轴上的总转动惯量为：=+(+)/=30.35,2）计算加在步进电动机转轴上的等效负载转矩 分快速空载起动和承受最大工作负载两种情况进行计算。1）快速空载起动时电动机转轴所承受的负
12、载转矩 由式（4-8）可知，包括三部分：一部分是快速空载起动时折算到电动机转轴上的最大加速转矩；一部分是移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩；还有一部分是滚珠丝杠预紧后折算到电动机转轴上的附加摩擦转矩。因为滚珠丝杠副传动效率很高，根据（4-12）式可知，相对于 和 很小，可以忽略不计。则有：=+（6-13）,根据式（4-9），考虑传动链的总效率，计算快速空载起动时折算到电动机转轴上的最大加速转矩：（6-14）式中 nm 对应空载最快移动速度的步进电动机最高转速，单位为r/min；步进电动机由静止到加速至nm转速所需的时 间，单位为s。其中：（6-15）式中 空载最快移动速度，任务书指定为
13、3000mm/min；步进电动机步距角，预选电动机为0.75；脉冲当量，本例=0.005mm/脉冲。将以上各值代入式（6-15），算得nm=1250r/min。,设步进电动机由静止到加速至nm转速所需时间=0.4s，传动链总效率=0.7。则由式（6-14）求得：1.42（Nm）由式（4-10）可知，移动部件运动时，折算到电动机转轴上的摩擦转矩为：（6-16）则由式（6-16），得：0.002（Nm）最后由式（6-13），求得快速空载起动时电动机转轴所承受的负载转矩：=+=1.422 N（6-17）,2）最大工作负载状态下电动机转轴所承受的负载转矩 由式（4-13）可知，包括三部分：一部分是折算
14、到电动机转轴上的最大工作负载转矩Tt；一部分是移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩Tf；还有一部分是滚珠丝杠预紧后折算到电动机转轴上的附加摩擦转矩T0，T0相对于Tt和Tf很小，可以忽略不计。则有：=Tt+Tf（6-18）其中，折算到电动机转轴上的最大工作负载转矩Tt由（4-14）式计算。本例中在对滚珠丝杠进行计算的时候，已知沿着丝杠轴线方向的最大进给载荷Fx=1609N，则有：0.88（Nm）,再由式（4-10）计算垂直方向承受最大工作负载（Fz=556N）情况下，移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩：=0.004（Nm）最后由式（6-18），求得最大工作负载状态下电动机转轴所承
15、受的负载转矩为：=Tt+Tf=0.884 Nm（6-19）经过上述计算后，得到加在步进电动机转轴上的最大等效负载转矩应为：=max，=1.422 Nm,（3）步进电动机最大静转矩的选定 考虑到步进电动机的驱动电源受电网电压影响较大，当输入电压降低时，其输出转矩会下降，可能造成丢步，甚至堵转。因此，根据 来选择步进电动机的最大静转矩时，需要考虑安全系数。本例中取安全系数K=4，则步进电动机的最大静转矩应满足：Tjmax 4=41.422 Nm=5.688 Nm(6-20)上述初选的步进电动机型号为90BYG2602，由表4-5查得该型号电动机的最大静转矩Tjmax=6 Nm。可见，满足（6-20
16、）式的要求。,（4）步进电动机的性能校核 1）最快工进速度时电动机输出转矩校核 任务书给定工作台最快工进速度=400mm/min，脉冲当量=0.005mm/脉冲由（4-16）式求出电动机对应的运行频率=400/(600.005)Hz 1333Hz。从90BYG2602电动机的运行矩频特性曲线图6-24可以看出，在此频率下，电动机的输出转矩 5.6Nm，远远大于最大工作负载转矩=0.884Nm，满足要求。2）最快空载移动时电动机输出转矩校核 任务书给定工作台最快空载移动速度=3000mm/min，仿照（4-16）式求出电动机对应的运行频率=3000/（600.005）Hz=10000Hz。从图6
17、-24查得，在此频率下，电动机的输出转矩=1.8 Nm，大于快速空载起动时的负载转矩=1.422Nm，满足要求。,3）最快空载移动时电动机运行频率校核 最快空载移动速度=3000mm/min对应的电动机运行频率=10000Hz。查表4-5可知90BYG2602电动机的极限运行频率为20000Hz，可见没有超出上限。4）起动频率的计算 已知电动机转轴上的总转动惯量Jeq=30.35 电动机转子的转动惯量，电动机转轴不带任何负载时的最高起动频率=1800Hz.则由式（4-17）可以求出步进电动机克服惯性负载的起动频率：=614Hz 上式说明，要想保证步进电动机起动时不失步，任何时候的起动频率都必须小于614Hz。实际上，在采用软件升降频时，起动频率选得更低，通常只有100Hz（即100脉冲/s）。综上所述，本例中工作台的进给传动选用90BYG2602步进电动机，完全满足设计要求。,图6-24 90BYG2602步进电动机的运行矩频特性曲线,图6-23 X-Y数控工作台装配图,
