目   录

一、设计任务. 2

二、总体方案确定. 2

   1.机械传动部件的选择. 2

   2.控制系统的设计. 3

三、机械传动部件的计算与选型. 4

1.导轨上移动部件的重量估算. 4

2.切削力的计算. 4

3.直线滚动导轨副的计算与类型. 5

4.滚珠丝杆螺母副的计算与选型. 6

5.步进电动机减速箱的选用. 12

6.步进电动机的计算与选型. 12

四、绘制进给传动机构的装配图. 19

五、控制系统的设计. 20

（1）控制系统的原理框图. 20

（2）简介. 20

（3）应用. 24

六、步进电动机驱动电源的选用. 27

七、附图. 28

八、参考文献. 28

 

一、设计任务

题目：Z4120钻床工作台X向进给系统设计

任务：设计一种供Z4120钻床使用的数控钻台

主要参数如下：

1）          钻头最大直径d=20mm;

2）          X方向的脉冲当量δ=0.005mm/step；

3）          X方向的定位精度为±0.01mm；

4）          工作台空载最快移动速度 3000mm/min；

二、总体方案确定

1.机械传动部件的选择

1)      导轨副的选用：要设计的工作台是与Z4120钻床配套使用的，因此，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。

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，要满足0.005mm的脉冲当量和  ±0.01mm的定位精度，滑动丝杠副无能为力，只有选用滚珠丝杠副才能达到。滑动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。

3)      减速装置的选用：选择了步进电动机和滚珠丝杠副以后，为了圆整脉冲当量，放大电动机的输出转矩，降低运动部件折算到电动机转轴上的转动惯量，可能需要减速装置，且应有消间隙机构。为此，决定采用无间隙齿轮传动减速箱。

4)      伺服电动机的选用：任务书规定的脉冲当量尚未达到0.001mm，定位精度也未达到微米级，空载最快移动速度也只有3000mm/min。因此，本设计不必采用高档次的伺服电动机，如交流伺服电动机或直流伺服电动机等，可以选用性能好一些的步进电动机，如混合式步进电动机，以降低成本，提高性价比。

5)      步进电动机的控制方式：由于任务书所给精度对于步进电动机还可应付，且此工作台仅要求单坐标定位，故选用开环控制。

2.控制系统的设计

6)      对于步进电动机的开环控制，选用8035作为控制系统的CPU，可满足任务书给定的相关指标。

7)      要设计一台完整的控制系统，在选择CPU之后，还需要进行存储器的选择、接口扩展、输入/输出接口电路的设计、隔离电路、报警电路、运行指示电路等。

8)      选择合适的驱动电源，与步进电动机配套使用。

三、机械传动部件的计算与选型

1.导轨上移动部件的重量估算

按照下导轨上面移动部件的重量来进行估算。包括工件、夹具、工作平台、上层电动机、减速箱、滚珠丝杠副、直线滚动导轨副、导轨座等，估计重量约为1000N。

2.切削力的计算

采用硬质合金钻头，工件材料为灰铸铁190HBW。钻孔时轴向力Ff的计算公式为：

今选择钻头直径为d=20mm，每转进给量f=0.17mm/r。由表3-8查得=410，=1.2，=0.75，=1，由上式求得切削力轴向力：

       =410*20^1.2*0.17^0.75N

≈9080N

对于麻花钻钻削加工

3.直线滚动导轨副的计算与类型

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。本设计中的工作台为水平布置，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，则单滑块所承受的最大垂直方向载荷为:

其中，移动部件重量G=1000N，外加载荷F==273N，代入上式，得最大工作载荷=523N=0.523kN。

查表3—41[1]，根据工作载荷=0.523kN，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，额定载荷。

设定工作台面尺寸为400mm×360mm，加工范围为210mm×210mm，考虑工作行程应留有一定余量，查表        3—35[1]，按标准系列，选取导轨的长度为700mm。

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，工作速度较低，载荷不大。查表3—36~3—40[1]，分别取硬度系数、温度系数、接触系数、精度系数、载荷系数，代入下式，得距离寿命：

远大于期望值50km，故距离额定寿命满足要求。

4.滚珠丝杆螺母副的计算与选型

（1）最大工作载荷的计算

已知移动部件总重量G=1000N，按矩形导轨进行计算，查表3—29[1]，取颠覆力矩影响系数K=1.1，滚动导轨上的摩擦系数。按下式计算滚珠丝杆副的最大工作载荷：

考虑工作台在移动过程中只受G影响

故       

考虑工作台在静止加工时只受影响

故       

取

（2）最大动载荷的计算

设定最快进给速度400mm/min

初选丝杠导程，则此时丝杠转速

取滚珠丝杆的使用寿命T=15000h，代入下式

的丝杠寿命系数(单位为：r)

查表3—30[1]，取载荷系数，滚道硬度为60HRC时，取硬度系数，代入下式

得最大动载荷：

（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—31[1]，选择济宁博特精密丝杠制造有限公司生产的GD系列 2505—4型滚珠丝杆副，为内循环固定反向器双螺母垫片预紧式，其参数如下：

公称直径

导程

循环滚珠为4圈×2列

精度等级   5级

额定动载荷   28759N

故,满足要求。

（4）传动效率的计算：

将公称直径，导程，代入

得

将摩擦角，代入

    得

（5）刚度的验算：

1)      滚珠丝杆副的支承采用“单推—单推”的方式，丝杠的两端各采用一对推力角接触球轴承，面对面，左右支承的距离约为a=680mm，钢的弹性模量。查表3—31[1]，得

滚珠直径

丝杠底径

丝杠截面积

丝杠在工作载荷作用下产生的拉/压变形量

2)      根据，得

单圈滚珠数Z=22

滚珠总数量

丝杠预紧时，取轴向预紧力

代入

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。

3)      总

由表3—27知，5级精度丝杠有效行程在630~800mm时，行程偏差允许达到，可见丝杠刚度不足。

（6）重选丝杠型号

仍选GD系列的3205—3型滚珠丝杆副。其

公称直径

导程

滚珠直径

丝杠底径

圈数×列数    3×2

精度等级      5级

额定动载荷满足要求。

同理

传动效率

满足要求。

（7）压杆稳定性校核：

根据下式

计算失稳时的临界载荷。查表3—34[1]，取支承系数，丝杠底径，截面惯性矩

压杆稳定安全系数K取3（丝杠卧式水平安装）滚动螺母至轴向固定处的距离a取最大值a=680mm。代入上式，得

远大于工作载荷，故丝杠不会失稳。

综上所述，初选的滚珠丝杆副满足使用要求。

（8）滚珠丝杆副主要尺寸列表：

主要尺寸               计算结果

公称直径                 32

基本导程                  5

滚珠直径                3.175

螺旋升角                  

丝杠外径                  31.2

丝杠底径                  28.2

螺母大经D                   82

螺母小径                   50

螺母长度L                    82

丝杠长度S                    <700

油杯                         M6

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结，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，采用弹簧错齿法消除间隙。

已知工作台的脉冲当量，滚珠丝杆的导程，初选步进电动机的齿距角。传动比的计算：

本设计中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调质钢，齿表面硬度达55HRC。减速箱中心距为，小齿轮厚度为20mm ，双片大齿轮厚度均为10mm。小齿轮直径为，大齿轮直径为。

6.步进电动机的计算与选型

（1）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

滚珠丝杆总长

基本导程

材料密度

移动部件总重力G=1000N

小齿轮宽度

小齿轮直径

大齿轮宽度

大齿轮直径

传动比

得滚珠丝杆的转动惯量

托板折算到丝杠上的转动惯量

小齿轮的转动惯量

大齿轮的转动惯量

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，二相八拍驱动时步距角为，从表4-5[1]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：

（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载转矩由式（4-8）[1]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是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，根据式（4-12）[1]可知，相对于和很小，可以忽略不计。则有：

根据式（4-9）[1]，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   ——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3000mm/min；

       ——步进电动机步距角，预选电动机为；

       ——脉冲当量，本设计。

将上式各值代入式（6-15）[1],算得。

设步进电动机由静止到加速至转速所需时间，传动链总效率。则由式（6-14）[1]求的：

由式（4-10）[1]可知，移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩为：

式中   ——导轨的摩擦因数，滚动导轨取0.005；

       ——垂直方向的切削力，空载时取0；

       ——传动链总效率。取0.7.

则由式（6-16）[1]，得：

最后由式（6-16）[1],求得快速空载起动时电动机转轴所承受的负载转矩：

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）[1]可知，包括三部分：一部分是折算到电动机转轴上的最大工作负载转矩；一部分是移动部件运动是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。相对于和很小，可以忽略不计。则有：

其中，由式（4-14）[1]计算。已知沿着丝杠轴线方向的最大进给载荷，则有：

再由式（4-10）[1]计算垂直方向承受最大工作负载（）情况下，移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩：

最后由式（6-18）[1]，求的最大工作负载状态下电动机转轴所承受的负载转矩为：

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：

（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。取安全系数K=4，则步进电动机的最大静转矩应满足：

上述初选的步进电动机型号为90BYG2602，由表4-5[1]查得该型号电动机的最大静转矩。显然，不满足要求。

（4）重选步进电动机

选步进电动机型号为110BYG2602，为两相混合式，由常州宝马集团公司生产，二相八拍驱动时步距角为，从表4-5[1]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：

快速空载起动时折算到电动机转轴上的最大加速转矩：

折算到电动机转轴上的摩擦转矩仍为：

则快速空载起动时电动机转轴所承受的负载转矩：

最大工作负载状态下电动机转轴所承受的负载转矩仍为：

得到加在步进电动机转轴上的最大等效负载转矩应为：

仍取安全系数K=4，则步进电动机的最大静转矩应满足：

上述选定的步进电动机型号为110BYG2602，由表4-5[1]查得该型号电动机的最大静转矩。显然，满足要求。

（5）步进电动机的性能校核

1）最快空载移动时电动机输出转矩校核   任务书给定工作最快空载移动速度，由式，从表4-7[1]查得，在此频率下，电动机的输出转矩，大于快速空载起动式的负载转矩，满足要求。

2）最快空载移动时的电动机运行频率校核   与最快空载移动速度对应的电动机运行频率为，查表4-5[1]可知110BYG2602电动机的空载运行频率可达20000Hz，可见满足要求。

3）起动频率的计算   已知电动机转轴上的总转动惯量，电动机转子的转动惯量，电动机转轴不带负荷负载时的空载起动频率（查表4-5[1]），则由式可以求出步进克服惯性负载的起动频率：

上式说明，要想保证步进电动机起动时不失步，任何时侯的起动频率都必须小于1217Hz。

综上所述，本设计工作台的X向进给步进电动机选用110BYG2602型号的完全满足设计要求。

四、绘制进给传动机构的装配图

在完成滚珠丝杠螺母副，减速箱和步进电动机的计算、选型后，就可以绘制进给传动机构的转配图了。在绘制装配图式，需要考虑以下问题：

1.根据载荷特点和支承形式，确定丝两端轴承的型号，轴承的结构，以及轴承的预紧和调试方式。

2.考虑各部件之间的定位、联接和调整方法。

3.考虑密封、防护、润滑以及安全机构等问题。

4.在进行各零件设计时，应注意装配的工艺性、考虑装配的顺序，保证安装，调试和拆卸的方便。

5.注意绘制装配图时的一些基本要求。

6.X向进给传动机构的装配图，见附图3。

五、控制系统的设计

（1）控制系统的原理框图

CPU选用8031扩展了一片EPROM芯片2764用作程序存储器，存放系统底层程序；扩展 了一片SRAM芯片6264用作数据存储器，存放用户程序；键盘与LED显示采用8155来管理；输入输出接口的扩展选用了并行接口8255芯片。

（2）简介

1）8031：包含一个8位CPU，128字节的RAM，两个16位的定时器，四个8位并行口，一个全双功能串行口，可扩展的外部程序存储器和数据存储器的容量含64K字节，具有5个中断源并配有两个优先级，还有21个特殊功能寄存器。他是一个有40根引脚的双列直插式器件。

控制系统原理框图

V编程和正常操作的电源电压端，电压为+5V；V：地电平。

P口：8位双向I/O口，既是数据线，又是低8位地址线，分时使用。

P口：8位双向I/O口，可供用户使用的接口。

P口：8位双向I/O口，系统外部存储器扩展时，作高8位地址线使用，系统扩展时，也可供用户使用。

P口：8位双向I/O口，是一个双功能口；第一个功能和P一样可以作为通用I/O口，工作于第二功能时，各端口定义如下：

P-RXD，串行输入   ；      P-TXD，串行输出；

P-,外部中断输入；    P-，外部中断输入；

P-T，定时器O外输入端；   P-T，定时器1外输入端；

P-,写信号；             P-,读信号；

ALE/PROG:访问外部存储器时，，用于锁定地址低8位字节的地址锁存允许输出。ALE提供一个定时信号，在与外部存储器存取数据时，把P口的低位地址字节锁存到外接的锁存器中。

PSEN：程序存储器允许输出，是外部程序存储器的读选信号。

/V:为高电平时，CPU执行程序内部程序存储器的指令。为低电平时CPU执行外部程序存储器指令。使用8031单片机必须接地。

XTAL1：振荡器的反相放大器输入，使用外部时必须接地；

XTAL2：振荡器的反相放大器输出，使用外部振荡器时，接受外部震荡信号；

R/VDP：复位控制，在震荡运行时，使RST引脚至少保持；两个机器周期为高电平时，可实现复位操作。VPD引脚是掉电电路输入口。

2）2764：程序存储器 容量为8KB

A-A：地址输入线，共13根；

D-D: 数据输出线，共8根；

：片选线，低电平有效；

：数据输出选通线，低电平有效；

:编程脉冲输入线；

V：编程电源；

    进行片内存储单元的选择，先把A-A引脚与地址锁存器8位地址对应连接，剩下的高位地址A-A与P口的P-P相连。这样2764芯片内存储单元的选择问题就解决了。

3）6234：数据存储器，容量为8K字节

A-A:地址输入线，共13根；

IO-IO:三态双向数据线，共8根 ；

、:片选信号端，选通时是低电平，是高电平；

:选通信号输入线，低电平有效；

:写选通信号输入线，低电平有效；

V：+5V电源；

GND：地电平；

（CS）：高电平有效，可用于掉电保护；

4）74LS373：地址锁存器单片机规定P口提供低8位地址线。同时又要作为数据线，所以P是一个分时输出低8位地址和数据通道。为了把地址信息分离出来保存，，提供外接存储器的低8位地址信息，Q-Q是输出端，CE是片选端，选通端G与8031单片机的地址锁存信号ALE连接， 当选通端G=1时，74LS373的输出端与输入端相通，当G端从高电平返回低电平时，输入信息就被锁存入Q-Q中。

5) 74SL138 3-8译码器即对三个输入信号进行译码，得到8个输出状态；G、和为使能端或译码允许端，当G=1时，==0时，该译码器可以译码，CBA为译码选择端，即译码信号输入。-为译码输出信号，低电平有效。输入端占用8031单片机的P-P三根高位地址线，剩余13根地址线用作数据存储器的内地址线。74LS138每一个输出端可接一个外部芯片的片选端实现分时片选控制，因此一个74LS138的8根输出端可以连接8个8K字节地址空间。

6) 8255：是可编程通用并行接口芯片，具有40个引脚，双列直插封装，由+5V供电，ABC三个口线共24根，与外设相连，而8位的数据线D- D与P口连接，是双向三态，在内部经数据总线缓冲电路后和各组控制寄存器及个端口数据寄存器连接。

    为片选信号，由地址译码器产生，低电平有效。地址信号A、A由8255内部译码生成四个口地址分别对应A、B、C三个独立的数据端口及一个公共控制端口。两个低电平有效的信号和决定了CPU;当=0时，由CPU写入8255.RESET为复位信号，高电平有效。复位后，控制存储器的内容被撤除，A、B、C三个端口全置成输入方式且锁存器也全清零。

方式选择开关通过接口芯片8255与8031单片机连接，选择开关动片接地，选择开关的固定片接到并行PA口，将PA口设置成输入方式PA的8个接口经上拉电阻接+5V，故为高电平。若某个接口被选中，则被选中的接口经动片接地变为低电平。

（3）应用

1) 方式选择开关

方式选择开关是一单刀6掷的波段开关，提供选择的方式有编辑、空运行、自动、手动、通信和单段，总共6种功能。

方式选择开关通过接口芯片8255与8031单片机连接，如图[3]所示.选择开关动片接地,选择开关的动定片接到并行PC 口，将PC口设为输入方式。PC的6个接口经上位电阻接+5V，故为高电平。若

控制面板方式选择开关控制电路

某个接口被选中，则被选中的接口经动片接地，变为低电平。

2）键盘接口设计

键盘和显示器是数控系统经常用的人机对话的外围设备，键盘可以完成程序数据的输入，显示器显示计算机运行时的状态数据。

键盘和显示器接口电路使用8155接口芯片，键盘接口电路8155和8031可以直接连接。因电路中的8155只作为并行接口使用，不使用内部存储器，故IO/M引脚直接经电阻R接高电平。8155与键盘的连接如图[4]键盘排成5行8列矩阵，共40个键。PC0～PC4是5根行线，PB0～PB7是8根列线，在列线与行线的交叉点上安装有按键PB口的8根列线按一定时间隔轮流输出低电平。当扫描到莫一列线上时，若无按键按下，则行线都是高电平；若有一键按下时，交叉点上对应的行线变为低电平。这个低电平信号被计算机捕获后，根据此键对应的行线和列线的位置，计算机可以判断键值，完成一次输入扫描工作。

 

键盘电路

3）光电耦合电路

如图所示，其输出端由+12V电源供电，输出端由+5V电源供电，且两端电源不共地，这样就达到了隔离的效果。图中的限位开关断开时，发光二极管无正向导通电流；不发光，输出端的晶体管截止，输出信号为高电平；限位开关闭合时，输出端构成回路，二极管有正向导通电流，开始发光，光敏晶体管的基极获得电流，集电极和发射极导通，输出信号被拉低，于是8255的PC0引脚变为低电平，CPU读取后判断限位信号有效。

光电藕合电路

4）辅助电路

为了防止机床行程越界，所以在机床上装有行程控制开关。为了防止意外，装有急停按钮。由于这些开关都安装在机床上，距控制箱较近容易产生电气干扰，为了避免这种情况的发生，在电路和接口之间实行光电隔离，为了报警，还设有报警电路。当绿色的发光二极管亮时表示工作正常，当红色的发光二极管亮时表示工作台已到极限位置。

六、步进电动机驱动电源的选用

X向进给系统设计选用110BYG2602型号步进电动机，生产厂家为常州宝马集团公司。查表4-14[1]，选择与之配套的驱动电源为BD28Nc型，输入电压110VAC，相电流4A，分配方式为二相八拍。该驱动电源与控制器的接线方式

七、附图

附图一   统组成框图

附图二   传动链图

附图三   X方向进个系统装配图

附图四   X方向进给系统电气控制原理图

八、参考文献

[1]尹志强，机电一体化系统设计课程设计指导书.北京：械工业出版社，2008

[2]张建民，机电一体化系统设计，北京：高等教育出版社，2007

[3]吴宗泽，罗圣国，机械设计课程设计手册，北京：高等教育出版社，2006

[4]华楚生，机械制造技术基础，重庆：重庆大学出版社，2000

[5]普通机床图册

[6]数控机床设计手册

[7]机床伺服系统原理与应用

[8]单片机原理与应用

[9]机械工程及自动化简明设计手册