XY板绘图仪机械结构设计
说 明 书
学院：高职学院
班级：机电 113 班
姓名：陈位
学号：1111******
指导老师：目 录
目 录
中文摘
课程设计目
二设计务
三总体方案确定
四机械传动部件设计选型
1．滚珠丝杆副选型计算
2．电机选型计算
3轴承选择验算
4．联轴器选
5．滚动直线导轨选择计算验算
6．密封润滑
七总结
八参考文献
中文摘
模块化幅面板式单坐标画笔驱动系统通常导轨座移动滑块工作台滚珠丝杠副伺服电动机等部件组成外观形式图11示中伺服电动机作执行元件驱动滚珠丝杠滚珠丝杠螺母带动滑块工作台导轨运动完成工作台X方直线移动调动画笔高度实现直线生成导轨副滚珠丝杠螺母副伺服电动机等均已标准化专门厂家生产设计时需根工作载荷选取控制系统根需选标准工业控制计算机设计专门微机控制系统
图1—1
课程设计目
1） 学机电体化系统总体设计方案拟定分析较方法
2） 通机械系统设计掌握种典型传动元件导元件工作原理设计计算方法选原齿轮步带减速装置蜗杆副滚珠丝杠螺母副直线滚动导轨副等
3） 通进伺服系统设计掌握常伺服电动机工作原理计算选择方法控制驱动方式学会选典型位移速度传感器交流步进伺服进系统增量式旋转编码器直线光栅等
4） 通控制系统设计掌握典型硬件电路设计方法控制软件设计思路控制系统选原CPU选择存储器扩展IO接口扩展ADDA配置键盘显示电路设计等控制系统理软件伺服电机控制软件等
5） 培养学生独立分析问题解决问题力学初步树立系统设计思路
6） 锻炼提高学生应手册标准查阅文献资料撰写科技文力
二设计务
题目：幅面板式绘图仪画笔驱动系统设计
参数：
工作台面尺寸600mm×600mm绘图范围210mm×297mm（A4图纸）
XY方定位精度均±02mm
加工材料碳素钢色金属
机架 板金 铸铝 注塑件
外壳采注塑件
传动系统采：步齿形带 钢丝
XY电机采步进电机
三总体方案确定
（1）导轨副选
设计XY工作台配套轻型画笔需承受载荷非常脉量定位精度高决定选直线滚动导轨副具摩擦系数易爬行传动效率高机构紧凑安装预紧方便等优点
（2）丝杠螺母副选
伺服电动机旋转运动需通丝杠螺母副转换成直线运动满足±02mm定位精度滑动丝杠副力选择滚珠丝杠副达滚珠丝杠副传动精度高动态响应快运转稳寿命长效率高预紧消反间隙
（3）伺服电动机选
务书规定脉量尚未达0001mm定位精度未达微米级快移动速度高设计必采高档次伺服电动机交流伺服电动机直流伺服电动机等选性步进电动机混合式步进电动机降低成提高性价
（4）联轴器选
系统中性求较高决定选刚性联轴器具结构简单制造成低等优点．考虑工作载荷拟选套筒联轴器具结构简单制造容易径尺寸优点
（5）检测装置选
选步进电动机作伺服电动机选开环控制选闭环控制．务书精度步进电动机说高决定采开环控制．
（6）控制系统设计
１） 设计驱动系统单坐标定位控制系统应该设计成连续控制型．
２） 步进电动机开环控制选MCS51系列ATR89C52应该够满足设计务书定相关指标．
３） 设计套完整控制系统选择CPU需扩展程序存储器数存储器键盘显示电路IO接口电路DA转换电路串行接口电路等．选择合适驱动电源步进电动机配套
考虑XY两方工作范围额相差承受载荷相差减少设计工作量XY两坐标导轨副丝杠螺母副伺服电动机检测装置拟采相型号规格
四机械传动部件设计选型
幅面板式绘图仪画笔驱动系统设计
1．滚珠丝杆副选型计算
11 确定滚珠丝杆副导程Ph：
根传动关系图传动条件选择滚珠丝杆副导程Ph
Ph10mm
12 滚珠丝杆副载荷转速计算
1）载荷Fmin
选机器空载时滚珠丝杆副传动力根工作台尺寸确定质量25kg滚动导轨副摩擦系数f0005
2)载荷Fmax
选机器承受负荷时滚珠丝杆副传动力
3)滚珠丝杆副量转速nm量载荷Fm
13 确定预期额定载荷
1)预期工作时间Lh（时）计算：
根求选取系数fw15 fa10 fc10公式：
N
14 精度求确定允许滚珠丝杆螺纹底径d2m
1)估算滚珠丝杆允许轴变形量：
机床机械装置伺服系统精度早空载检验空载时滚珠丝杆副轴工作载荷静摩擦力F0移动部件Kmin处起启动反时F0方变化产生误差2 F0Kmin（称摩擦死区误差）影响重复定位精度素般占重复定位精度（12~23）规定滚珠丝杆副允许轴变形：
（00025~00034）mm
影响定位精度素滚珠丝杆副精度次滚珠丝杆滚珠丝杆身拉压弹性变形(种弹性变形滚珠螺母滚珠丝杆位置变化变化)滚珠丝杆副滚珠丝杆副摩擦力矩变化等般估算时
（0004~0005）mm
两种方法估算值取做值00025mm
2)估算滚珠丝杆副底径d2m：
滚珠丝杆副安装方式
式中：
L—两固定支承间距离（mm）
12×500+12×10720mm
15 确定滚珠丝杆副规格代号：
根条件选滚珠丝杆副型号3210—5公称直径
16 预紧滚珠丝杆副确定预紧力Fb：
轴工作载荷Fmax确定
17 滚珠丝杆副工作图设计：
1）确定滚珠丝杆副螺纹长度
Le40mm Lu效行程+螺母长度500+8Ph580mm
18 滚珠丝杆螺母安装连接尺寸：
D140mm D66mm D453mm L72mm B11mm h6mm
19 滚珠丝杆校核
选择滚珠丝杆时根原丝杆直径类法选择名义直径需负载力进行必校核果根承载力选出应压杆稳定刚度进行必校核
1）面进行滚珠丝杆副界压缩载荷Fc核算（验算压杆稳定性）
（中： f219 ）
验证稳定性合格
2）滚珠丝杆副极限转速nc校核(避免高速运转时产生振)
验算合格
3）Dn值验证
合格
4）基轴额定静Cu验算
5）强度验算
2．电机选型计算
21 作滚珠丝杆副种转矩计算
外加载荷产生摩擦力矩TF（Nm）
空载时
外加径载荷摩擦力矩
滚珠丝杆副预加载荷Fb产生预紧力矩
22 负荷转动惯量JL（Kgm2）传动系统转动惯量J（Kgm）计算：
滚动丝杆转动惯量：
：
取Jm357104
：
23 加速转速Ta加速转矩Tam
电机转速n1升n2时
电机静止升速nmax
24 电动机启动转矩Tr(Nm)
25 电动机连续工作转矩
26 电动机选择
选择电动机方面考虑
满足控制精度求
满足负载转矩求
满足惯量匹配原
述计算均没考虑机械系统传动效率选择机械传动总效率096时时车削时材料均匀等素影响会引起负载转矩突然增避免计算误差负载转矩突然增引起步进电机丢步引起加工误差适考虑安全系数安全系数般122间选取果选取安全系数K15步进电机总负载转矩
果选述预选电动机90BYG55C静转矩Tjmax63Nm五相十拍驱动时步矩角036()setp保证带负载正常加速启动定位停止电动机起动转矩必须满足：Tjmax
Tjmax 63Nm 选合适
27 步进电动机性校核
１） 快进速度时电动机输出转矩校核
设计定工作台快进速度Vmaxf2000mmmin脉量ζ(5×075°360°)mm脉电动机应运行频率fmaxf[Vmaxf(60ζ)]Hz[2000(60×5×075°360°)]Hz3200Hz．90BYG2602电动机运行矩频特性曲线图12出频率电动机输出转矩Tmaxf≈35 N·m远远工作负载转矩Teq1006657N·m满足设计求．
２） 快移动时电动机运行频率校核
快移动速度Vmaxf2000mmmin应电动机运行频率fmax3200Hz．查表45知90BYG262电动机空载运行频率达20000Hz见没超出限．
３） 起动频率计算
已知电动机转轴总转动惯量Jeq4437kg·cm2电动机转子转动惯量Jm4kg·cm2电动机转轴带负载时空载起动频率fq1800Hz（查表45）．求出步进电动机克服惯性负载起动频率：
式说明想保证步进家起动时失步时候起动频率必须1240Hz．实际采软件升降频时起动频率选更低通常100Hz（100脉s）．
综述次设计中进传动选90BYG2602步进电动机完全满足设计求．
3轴承选择验算
根前面计算预选轴承角接触球轴承选型号7005AC
查相关手册(<<机械设计指导>>)轴承相关参数
Cr112KN Cor’708KN d25mm B12mm
进行受力分析
两式连解 20223N 96437N
取e068
轴承1压紧
求量动载荷
轴承1 X1041 Y1087
轴承2 X21 Y10 取fp11
验算轴承寿命
P1>P2 轴承承受寿命计算
轴承寿命合格
4．联轴器选
述电动机型号查输出转轴直径14mm选择圆锥套筒联轴器相关参数：（mm）
d D L l C 许转矩 圆锥销(2件)
14 25 45 10 05 160 4×25
5．滚动直线导轨选择计算验算
设计采滚动直线导轨优点摩擦系数动静摩擦系数差运动轻便灵活运动需功率摩擦发热少磨损精度保持性低速运动稳性移动精度定位精度高优点采滚动直线导轨结构图示
选择导轨时遵循条原：
精度干涉原：导轨项精度制造时互影响易较高精度
动摩擦系数相原：例选滚动导轨朔料导轨摩擦系数静动摩擦系数相获低运动速度高重复定位精度
导轨动贴合原：钥匙导轨精度高必须相互结合导轨动贴合性水位置工作导轨工作台重贴合导轨附加弹簧力者滚轮压力贴合
移动导轨移动程中始终全部接触原固定导轨长移动导轨短水安装导轨导轨基准导轨弹性体原补偿受力变形受热变形原
根原设计机械受力初选导轨GGB16AAL2P24额定静动载KN68KN查表确定系数
确定受力323KN公式：
（）10675km
式：27799 hh
满足寿命求合格
6．密封润滑
阻止灰尘水酸气杂物进入轴承阻止润滑剂流失设计中加轴承密封装置滚珠丝杠转速高采接触式密封透盖轴承中间加入唇形密封圈目防止润滑油流出轴承左侧加入轴承端盖目阻止灰尘水酸气杂物进入轴承降低摩擦阻力散热吸收振动防止锈蚀等整系统中加入润滑装置系统中滚珠丝杠轴承采脂润滑
4步进电动机驱动电源选
次设计中选90BYG2602型电动机生产厂家常州宝马集团公司．选择ISM202A细分驱动器．
41特点
１）电源电压+45VDC
２）斩波频率35KHZ
３）输入信号TTL兼容
４）驱动两相四相混合式步进电机
５）双极性恒流斩波方式
７）光电隔离信号输入
８）细分数选SM202A型：248163264根户求设计
９）驱动电流开关设定
10）外型尺寸：85*59*19
11）重量：011kg
42引脚说明
１）GND端外接直流电源．
２） A+A端电机A相．
３）B+B端电机B相．
４）+COM端光电隔离电源公端典型值+5V高+5V时应CPDIRFREE端串接电阻．
５）CP端脉信号降效．
６） DIR端方控制信号电高低决定电机运行方．
７）FREE端驱动器高电悬空电机运行．低电驱动器电流输出电机处状态．
43 电气特性 （Tj25℃）
１）信号逻辑输入电流10mA25mA．
２）降脉时间5us．
３）绝缘电阻500MΩ．
44 环境参数
１） 冷方式然冷强制风冷．
２） 环境量避免粉尘腐蚀性气体．
３）温度0°C +50°C．
４） 湿度40 89RH．
45机械安装
图14．
46 电源供
驱动器采非稳压型直流电源供电采变压器降压+桥式整流+电容滤波．
47 输入接口电路
图15．
48 电机接线
SM202A驱动器驱动四线六线八线两相四相电机．图16详细列出4线6线8线步进电机接法：
49驱动器电机匹配
491 供电电压选定
般说供电电压越高电机高速时力矩越越避免高速时掉步．方面电压太高损坏驱动器 高电压工作时 低速运动振动较．
492 输出电流设定值
电机电流设定值越时电机输出力矩越电流时电机驱动器发热较严重．般情况电流设成供电机长期工作时出现温热热时数值．
⑴ 四线电机六线电机高速度模式：输出电流设成等略电机额定电流值
⑵ 六线电机高力矩模式：输出电流设成电机额定电流70
⑶ 八线电机串联接法：输出电流设成电机额定电流70
⑷ 八线电机联接法：输出电流设成电机额定电流14倍．
电流设定请运转电机1530分钟电机温升太高应降低电流设定值．降低电流值电机输出力矩够请改善散热条件保证电机驱动器均烫手宜．
410 驱动器接线
完整步进电机控制系统应含步进电机步进驱动器直流电源控制器 (脉源)．次设计选择步进电动机90BY2602相配套驱动电源BD28Nb型输入电压100VAC相电流4A分配方式二相八拍控制器接线方式图17．
六设计结
设计中采步进电机直接驱动滚珠丝杠实现工作台水移动位置反馈精度取决驱动系统机械传动机构性精度精度高般功率步进电机作伺服驱动元件结构简单工作稳定调试方便维修简单价格低廉等优点减速装置精度速度求高驱动力矩场合时公式
α——步进电动机步距角（°）
δ——脉量（mm脉）
h——丝杠螺距（mm）
易知通增传动i提高定位精度设计采步进电机直接驱动滚珠丝杠定位精度步距角α确定
m——定子相数
z——转子齿数
k——通电系数
求步进电动机较步距角较步距角需较转子齿数增加成
设计中选滚动直线导轨具摩擦系数（00025~0005)动静摩擦力相差甚微运动轻便灵活需功率摩擦发热磨损精度保持性低速运动稳移动精度定位精度较高优点消低速度移动时爬行现象滚动导轨结构复杂制造成高抗震性差
设计中传动部件滚珠丝杠螺母机构具摩擦损失传动效率高达85~98丝杆螺母间预紧完全消间隙刚度↑摩擦阻力等优点时锁运动逆性旋转运动→直线运动直线运动→旋转运动等缺点然滚珠丝杠螺母副传动效率高锁垂直传动水放置高速惯量传动中必须装制动装置
减少丝杠受热变形丝杠制成空心支承法兰处通入恒温油进行强迫冷循环
滚珠丝杠必须采润滑油锂基油脂进行润滑时采防尘密封装置接触式非接触密封圈螺旋式弹簧钢带折叠式塑性造革防护罩等
滚珠丝杠采循环方式图示：
种方式具结构紧凑定位刚性易磨损返回滚道短易发生滚珠堵塞摩擦损失
七总结
次课程设计目巩固学机电体化系统设计知识熟悉典型数控型执行机构设计设计组成员次设计中付出代价搜集材料整理数二维三维设计历许挫折设计重心传动系统设计传动系统设计思路简单选择丝杠副直线运动导轨工作强度校核设计零件尺寸定精确螺纹孔位置准确否装配程中出现问题设计初期碰问题解决方案点
(1) 保证丝杠效行程(300mm)前提直线运动导轨长度够工作台运动时撞电动机解决方案增加丝杠轴端长度时调整丝杠螺母工作台定位
(2) 丝杠螺母副直线运动导轨副部结构清楚解决方案设计外观
(3) 工作台沉孔空密集方便加工解决方案减少沉孔数量时增沉孔直径增六角圆头螺钉公称直径保证工作台稳定性
(4) 设计规定工作台理尺寸210×290考虑直线运动导轨承受载荷工作台粗糙度(铝合金材质)工作台尺寸设计230×230实际画直线时考虑工作台固定210×290注塑件台厚度23mm
(5) 设计时应考虑加工工艺
(6) 控制系统设计直接参考市场控制模块
(7) 考虑二维设计图读性画笔支架没参设计
然设计中出现困难组成员努力成功完成指定设计务次课程设计中学东西发现前学中足处时真正体会科学点半点虚伪道理
感谢张智明老师课程设计指导提出少宝贵意见加快设计进度
八参考文献
[1]．尹志强等著．机电体化系统设计课程设计指导书．机械工业出版社2007年7月第版．
[2]．机电体化技术委员会编．机电体化技术手册．机械工业出版社第二版．
[3]．三浦宏文编．机电体化实手册．科学出版社2001年第1版．
[4]．刘宝廷等著．步进电动机驱动控制系统．哈尔滨工业学出版社1997年11月第版．
[5]．机械工程手册电机工程手册编辑委员会编．机械工程手册．机械工业出版社1996年9月第二版．
[6]．蔡春源编．机电液设计手册．机械工业出版社东北学出版社1997年1月第版．
[7]．铭新等编．机械制图．高等教育出版社1997年7月第四版．
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说 明 书
学院：高职学院
班级：机电 113 班
姓名：陈位
学号：1111******
指导老师：目 录
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中文摘
课程设计目
二设计务
三总体方案确定
四机械传动部件设计选型
1．滚珠丝杆副选型计算
2．电机选型计算
3轴承选择验算
4．联轴器选
5．滚动直线导轨选择计算验算
6．密封润滑
七总结
八参考文献
中文摘
模块化幅面板式单坐标画笔驱动系统通常导轨座移动滑块工作台滚珠丝杠副伺服电动机等部件组成外观形式图11示中伺服电动机作执行元件驱动滚珠丝杠滚珠丝杠螺母带动滑块工作台导轨运动完成工作台X方直线移动调动画笔高度实现直线生成导轨副滚珠丝杠螺母副伺服电动机等均已标准化专门厂家生产设计时需根工作载荷选取控制系统根需选标准工业控制计算机设计专门微机控制系统
图1—1
课程设计目
1） 学机电体化系统总体设计方案拟定分析较方法
2） 通机械系统设计掌握种典型传动元件导元件工作原理设计计算方法选原齿轮步带减速装置蜗杆副滚珠丝杠螺母副直线滚动导轨副等
3） 通进伺服系统设计掌握常伺服电动机工作原理计算选择方法控制驱动方式学会选典型位移速度传感器交流步进伺服进系统增量式旋转编码器直线光栅等
4） 通控制系统设计掌握典型硬件电路设计方法控制软件设计思路控制系统选原CPU选择存储器扩展IO接口扩展ADDA配置键盘显示电路设计等控制系统理软件伺服电机控制软件等
5） 培养学生独立分析问题解决问题力学初步树立系统设计思路
6） 锻炼提高学生应手册标准查阅文献资料撰写科技文力
二设计务
题目：幅面板式绘图仪画笔驱动系统设计
参数：
工作台面尺寸600mm×600mm绘图范围210mm×297mm（A4图纸）
XY方定位精度均±02mm
加工材料碳素钢色金属
机架 板金 铸铝 注塑件
外壳采注塑件
传动系统采：步齿形带 钢丝
XY电机采步进电机
三总体方案确定
（1）导轨副选
设计XY工作台配套轻型画笔需承受载荷非常脉量定位精度高决定选直线滚动导轨副具摩擦系数易爬行传动效率高机构紧凑安装预紧方便等优点
（2）丝杠螺母副选
伺服电动机旋转运动需通丝杠螺母副转换成直线运动满足±02mm定位精度滑动丝杠副力选择滚珠丝杠副达滚珠丝杠副传动精度高动态响应快运转稳寿命长效率高预紧消反间隙
（3）伺服电动机选
务书规定脉量尚未达0001mm定位精度未达微米级快移动速度高设计必采高档次伺服电动机交流伺服电动机直流伺服电动机等选性步进电动机混合式步进电动机降低成提高性价
（4）联轴器选
系统中性求较高决定选刚性联轴器具结构简单制造成低等优点．考虑工作载荷拟选套筒联轴器具结构简单制造容易径尺寸优点
（5）检测装置选
选步进电动机作伺服电动机选开环控制选闭环控制．务书精度步进电动机说高决定采开环控制．
（6）控制系统设计
１） 设计驱动系统单坐标定位控制系统应该设计成连续控制型．
２） 步进电动机开环控制选MCS51系列ATR89C52应该够满足设计务书定相关指标．
３） 设计套完整控制系统选择CPU需扩展程序存储器数存储器键盘显示电路IO接口电路DA转换电路串行接口电路等．选择合适驱动电源步进电动机配套
考虑XY两方工作范围额相差承受载荷相差减少设计工作量XY两坐标导轨副丝杠螺母副伺服电动机检测装置拟采相型号规格
四机械传动部件设计选型
幅面板式绘图仪画笔驱动系统设计
1．滚珠丝杆副选型计算
11 确定滚珠丝杆副导程Ph：
根传动关系图传动条件选择滚珠丝杆副导程Ph
Ph10mm
12 滚珠丝杆副载荷转速计算
1）载荷Fmin
选机器空载时滚珠丝杆副传动力根工作台尺寸确定质量25kg滚动导轨副摩擦系数f0005
2)载荷Fmax
选机器承受负荷时滚珠丝杆副传动力
3)滚珠丝杆副量转速nm量载荷Fm
13 确定预期额定载荷
1)预期工作时间Lh（时）计算：
根求选取系数fw15 fa10 fc10公式：
N
14 精度求确定允许滚珠丝杆螺纹底径d2m
1)估算滚珠丝杆允许轴变形量：
机床机械装置伺服系统精度早空载检验空载时滚珠丝杆副轴工作载荷静摩擦力F0移动部件Kmin处起启动反时F0方变化产生误差2 F0Kmin（称摩擦死区误差）影响重复定位精度素般占重复定位精度（12~23）规定滚珠丝杆副允许轴变形：
（00025~00034）mm
影响定位精度素滚珠丝杆副精度次滚珠丝杆滚珠丝杆身拉压弹性变形(种弹性变形滚珠螺母滚珠丝杆位置变化变化)滚珠丝杆副滚珠丝杆副摩擦力矩变化等般估算时
（0004~0005）mm
两种方法估算值取做值00025mm
2)估算滚珠丝杆副底径d2m：
滚珠丝杆副安装方式
式中：
L—两固定支承间距离（mm）
12×500+12×10720mm
15 确定滚珠丝杆副规格代号：
根条件选滚珠丝杆副型号3210—5公称直径
16 预紧滚珠丝杆副确定预紧力Fb：
轴工作载荷Fmax确定
17 滚珠丝杆副工作图设计：
1）确定滚珠丝杆副螺纹长度
Le40mm Lu效行程+螺母长度500+8Ph580mm
18 滚珠丝杆螺母安装连接尺寸：
D140mm D66mm D453mm L72mm B11mm h6mm
19 滚珠丝杆校核
选择滚珠丝杆时根原丝杆直径类法选择名义直径需负载力进行必校核果根承载力选出应压杆稳定刚度进行必校核
1）面进行滚珠丝杆副界压缩载荷Fc核算（验算压杆稳定性）
（中： f219 ）
验证稳定性合格
2）滚珠丝杆副极限转速nc校核(避免高速运转时产生振)
验算合格
3）Dn值验证
合格
4）基轴额定静Cu验算
5）强度验算
2．电机选型计算
21 作滚珠丝杆副种转矩计算
外加载荷产生摩擦力矩TF（Nm）
空载时
外加径载荷摩擦力矩
滚珠丝杆副预加载荷Fb产生预紧力矩
22 负荷转动惯量JL（Kgm2）传动系统转动惯量J（Kgm）计算：
滚动丝杆转动惯量：
：
取Jm357104
：
23 加速转速Ta加速转矩Tam
电机转速n1升n2时
电机静止升速nmax
24 电动机启动转矩Tr(Nm)
25 电动机连续工作转矩
26 电动机选择
选择电动机方面考虑
满足控制精度求
满足负载转矩求
满足惯量匹配原
述计算均没考虑机械系统传动效率选择机械传动总效率096时时车削时材料均匀等素影响会引起负载转矩突然增避免计算误差负载转矩突然增引起步进电机丢步引起加工误差适考虑安全系数安全系数般122间选取果选取安全系数K15步进电机总负载转矩
果选述预选电动机90BYG55C静转矩Tjmax63Nm五相十拍驱动时步矩角036()setp保证带负载正常加速启动定位停止电动机起动转矩必须满足：Tjmax
Tjmax 63Nm 选合适
27 步进电动机性校核
１） 快进速度时电动机输出转矩校核
设计定工作台快进速度Vmaxf2000mmmin脉量ζ(5×075°360°)mm脉电动机应运行频率fmaxf[Vmaxf(60ζ)]Hz[2000(60×5×075°360°)]Hz3200Hz．90BYG2602电动机运行矩频特性曲线图12出频率电动机输出转矩Tmaxf≈35 N·m远远工作负载转矩Teq1006657N·m满足设计求．
２） 快移动时电动机运行频率校核
快移动速度Vmaxf2000mmmin应电动机运行频率fmax3200Hz．查表45知90BYG262电动机空载运行频率达20000Hz见没超出限．
３） 起动频率计算
已知电动机转轴总转动惯量Jeq4437kg·cm2电动机转子转动惯量Jm4kg·cm2电动机转轴带负载时空载起动频率fq1800Hz（查表45）．求出步进电动机克服惯性负载起动频率：
式说明想保证步进家起动时失步时候起动频率必须1240Hz．实际采软件升降频时起动频率选更低通常100Hz（100脉s）．
综述次设计中进传动选90BYG2602步进电动机完全满足设计求．
3轴承选择验算
根前面计算预选轴承角接触球轴承选型号7005AC
查相关手册(<<机械设计指导>>)轴承相关参数
Cr112KN Cor’708KN d25mm B12mm
进行受力分析
两式连解 20223N 96437N
取e068
轴承1压紧
求量动载荷
轴承1 X1041 Y1087
轴承2 X21 Y10 取fp11
验算轴承寿命
P1>P2 轴承承受寿命计算
轴承寿命合格
4．联轴器选
述电动机型号查输出转轴直径14mm选择圆锥套筒联轴器相关参数：（mm）
d D L l C 许转矩 圆锥销(2件)
14 25 45 10 05 160 4×25
5．滚动直线导轨选择计算验算
设计采滚动直线导轨优点摩擦系数动静摩擦系数差运动轻便灵活运动需功率摩擦发热少磨损精度保持性低速运动稳性移动精度定位精度高优点采滚动直线导轨结构图示
选择导轨时遵循条原：
精度干涉原：导轨项精度制造时互影响易较高精度
动摩擦系数相原：例选滚动导轨朔料导轨摩擦系数静动摩擦系数相获低运动速度高重复定位精度
导轨动贴合原：钥匙导轨精度高必须相互结合导轨动贴合性水位置工作导轨工作台重贴合导轨附加弹簧力者滚轮压力贴合
移动导轨移动程中始终全部接触原固定导轨长移动导轨短水安装导轨导轨基准导轨弹性体原补偿受力变形受热变形原
根原设计机械受力初选导轨GGB16AAL2P24额定静动载KN68KN查表确定系数
确定受力323KN公式：
（）10675km
式：27799 hh
满足寿命求合格
6．密封润滑
阻止灰尘水酸气杂物进入轴承阻止润滑剂流失设计中加轴承密封装置滚珠丝杠转速高采接触式密封透盖轴承中间加入唇形密封圈目防止润滑油流出轴承左侧加入轴承端盖目阻止灰尘水酸气杂物进入轴承降低摩擦阻力散热吸收振动防止锈蚀等整系统中加入润滑装置系统中滚珠丝杠轴承采脂润滑
4步进电动机驱动电源选
次设计中选90BYG2602型电动机生产厂家常州宝马集团公司．选择ISM202A细分驱动器．
41特点
１）电源电压+45VDC
２）斩波频率35KHZ
３）输入信号TTL兼容
４）驱动两相四相混合式步进电机
５）双极性恒流斩波方式
７）光电隔离信号输入
８）细分数选SM202A型：248163264根户求设计
９）驱动电流开关设定
10）外型尺寸：85*59*19
11）重量：011kg
42引脚说明
１）GND端外接直流电源．
２） A+A端电机A相．
３）B+B端电机B相．
４）+COM端光电隔离电源公端典型值+5V高+5V时应CPDIRFREE端串接电阻．
５）CP端脉信号降效．
６） DIR端方控制信号电高低决定电机运行方．
７）FREE端驱动器高电悬空电机运行．低电驱动器电流输出电机处状态．
43 电气特性 （Tj25℃）
１）信号逻辑输入电流10mA25mA．
２）降脉时间5us．
３）绝缘电阻500MΩ．
44 环境参数
１） 冷方式然冷强制风冷．
２） 环境量避免粉尘腐蚀性气体．
３）温度0°C +50°C．
４） 湿度40 89RH．
45机械安装
图14．
46 电源供
驱动器采非稳压型直流电源供电采变压器降压+桥式整流+电容滤波．
47 输入接口电路
图15．
48 电机接线
SM202A驱动器驱动四线六线八线两相四相电机．图16详细列出4线6线8线步进电机接法：
49驱动器电机匹配
491 供电电压选定
般说供电电压越高电机高速时力矩越越避免高速时掉步．方面电压太高损坏驱动器 高电压工作时 低速运动振动较．
492 输出电流设定值
电机电流设定值越时电机输出力矩越电流时电机驱动器发热较严重．般情况电流设成供电机长期工作时出现温热热时数值．
⑴ 四线电机六线电机高速度模式：输出电流设成等略电机额定电流值
⑵ 六线电机高力矩模式：输出电流设成电机额定电流70
⑶ 八线电机串联接法：输出电流设成电机额定电流70
⑷ 八线电机联接法：输出电流设成电机额定电流14倍．
电流设定请运转电机1530分钟电机温升太高应降低电流设定值．降低电流值电机输出力矩够请改善散热条件保证电机驱动器均烫手宜．
410 驱动器接线
完整步进电机控制系统应含步进电机步进驱动器直流电源控制器 (脉源)．次设计选择步进电动机90BY2602相配套驱动电源BD28Nb型输入电压100VAC相电流4A分配方式二相八拍控制器接线方式图17．
六设计结
设计中采步进电机直接驱动滚珠丝杠实现工作台水移动位置反馈精度取决驱动系统机械传动机构性精度精度高般功率步进电机作伺服驱动元件结构简单工作稳定调试方便维修简单价格低廉等优点减速装置精度速度求高驱动力矩场合时公式
α——步进电动机步距角（°）
δ——脉量（mm脉）
h——丝杠螺距（mm）
易知通增传动i提高定位精度设计采步进电机直接驱动滚珠丝杠定位精度步距角α确定
m——定子相数
z——转子齿数
k——通电系数
求步进电动机较步距角较步距角需较转子齿数增加成
设计中选滚动直线导轨具摩擦系数（00025~0005)动静摩擦力相差甚微运动轻便灵活需功率摩擦发热磨损精度保持性低速运动稳移动精度定位精度较高优点消低速度移动时爬行现象滚动导轨结构复杂制造成高抗震性差
设计中传动部件滚珠丝杠螺母机构具摩擦损失传动效率高达85~98丝杆螺母间预紧完全消间隙刚度↑摩擦阻力等优点时锁运动逆性旋转运动→直线运动直线运动→旋转运动等缺点然滚珠丝杠螺母副传动效率高锁垂直传动水放置高速惯量传动中必须装制动装置
减少丝杠受热变形丝杠制成空心支承法兰处通入恒温油进行强迫冷循环
滚珠丝杠必须采润滑油锂基油脂进行润滑时采防尘密封装置接触式非接触密封圈螺旋式弹簧钢带折叠式塑性造革防护罩等
滚珠丝杠采循环方式图示：
种方式具结构紧凑定位刚性易磨损返回滚道短易发生滚珠堵塞摩擦损失
七总结
次课程设计目巩固学机电体化系统设计知识熟悉典型数控型执行机构设计设计组成员次设计中付出代价搜集材料整理数二维三维设计历许挫折设计重心传动系统设计传动系统设计思路简单选择丝杠副直线运动导轨工作强度校核设计零件尺寸定精确螺纹孔位置准确否装配程中出现问题设计初期碰问题解决方案点
(1) 保证丝杠效行程(300mm)前提直线运动导轨长度够工作台运动时撞电动机解决方案增加丝杠轴端长度时调整丝杠螺母工作台定位
(2) 丝杠螺母副直线运动导轨副部结构清楚解决方案设计外观
(3) 工作台沉孔空密集方便加工解决方案减少沉孔数量时增沉孔直径增六角圆头螺钉公称直径保证工作台稳定性
(4) 设计规定工作台理尺寸210×290考虑直线运动导轨承受载荷工作台粗糙度(铝合金材质)工作台尺寸设计230×230实际画直线时考虑工作台固定210×290注塑件台厚度23mm
(5) 设计时应考虑加工工艺
(6) 控制系统设计直接参考市场控制模块
(7) 考虑二维设计图读性画笔支架没参设计
然设计中出现困难组成员努力成功完成指定设计务次课程设计中学东西发现前学中足处时真正体会科学点半点虚伪道理
感谢张智明老师课程设计指导提出少宝贵意见加快设计进度
八参考文献
[1]．尹志强等著．机电体化系统设计课程设计指导书．机械工业出版社2007年7月第版．
[2]．机电体化技术委员会编．机电体化技术手册．机械工业出版社第二版．
[3]．三浦宏文编．机电体化实手册．科学出版社2001年第1版．
[4]．刘宝廷等著．步进电动机驱动控制系统．哈尔滨工业学出版社1997年11月第版．
[5]．机械工程手册电机工程手册编辑委员会编．机械工程手册．机械工业出版社1996年9月第二版．
[6]．蔡春源编．机电液设计手册．机械工业出版社东北学出版社1997年1月第版．
[7]．铭新等编．机械制图．高等教育出版社1997年7月第四版．
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