单片机控制的数控X-Y工作台系统设计+电路原理图+汇编源程序 第3页
3 机械传动部件的计算与设计
3.1 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、工作台、上层电动机、减速箱、滚珠丝杠副、导轨座等,估计重量约为800N[1]
3.2 铣削力的计算
设零件的加工方式为立式铣削，采用硬质合金立铣刀，工件的材料为碳钢。则由表3-7[1]查得立铣时的铣削力计算公式为：
(3-1)
今选择铣刀的直径为d＝15mm，齿数Z＝3,为了计算最大铣削力，在不对称铣削情况下，取最大铣削宽度为ae =15mm，背吃刀量ap＝8mm ，每齿进给量fz＝0.1mm，铣刀转速n＝300r/min。则由式(3-1)求的最大铣削力：
(3-2)
采用立铣刀进行圆柱铣削时，各铣削力之间的比值可由表3-5[1]查得，考虑逆铣时的情况，可估算三个方向的铣削力分别为：Ff＝1.1Fc≈1609N, Fe＝0.38Fc≈556N，Ffn＝0.25Fc≈336N。图3-4a[1]为卧铣情况，现考虑立铣，则工作台受到垂直方向的铣削力Fz＝Fc＝556N，受到水平方向的铣削力分别为Ff和Ffn。今将水平方向较大的铣削力分配给工作台的纵向，则纵向铣削力Fx＝Ff＝1609N，径向铣削力为Fy＝Ffn＝336N。
3.3 直线滚动导轨副的计算与选型
3.3.1 滑块承受工作载荷Fmax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直方向载荷为：毕业论文
http://www.youerw.com (3-3)
其中，移动部件重量G＝800N，外加载荷F＝Fz＝556N，代入式(3-3)，得最大工作载荷Fmax＝686N＝0.686kN。
查表3-41[1]根据工作载荷Fmax＝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＝7.94kN，额定静载荷Coa＝9.5kN。
任务书规定加工范围为230×230㎜，考虑工作行程应留有一定余量，查表3-35[1]选取导轨的长度为520mm。
3.3.2 距离额定寿命L的计算
上述所取的KL系列JSA-LG15系列导轨副的滚道硬度为60HRC，工作温度不超过100℃，每根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[1]～表3-40[1]，分别取硬度系数fH＝1.0、温度系数fT =1.00，接触系数fc＝0.81，精度系数fR＝0.9，载荷系数fw＝1.5，代入式(3-33)[1]，得距离寿命：
L= (3-4)
远大于期望值50km，故距离额定寿命满足要求。
3.4 滚珠丝杠螺母副的计算与选型
3.4.1 最大工作载荷Fm的计算
如前所述，在立铣时，工作台受到进给方向的载荷（与丝杠轴线平行）Fx＝1609N,受到横向载荷（与丝杠轴线垂直）Fy＝366N，受到垂直方向的载荷（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[1]，取颠覆力矩影响系数K =1.1，滚动导轨上的摩擦系数μ＝0.005。求得滚珠丝杠副的最大工作载荷：
(3-5)本文来自优*文~论-文^网
3.4.2 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v＝400mm/min，初选丝杠导程Fh＝5mm,则此时丝杠转速n＝v/Ph＝80r/min。
取滚珠丝杠的使用寿命T＝15000h,代入L0＝60nT/106,得丝杠寿命系数L0=72（单位为：106r）。
查表3-30[1]，取载荷系fw＝1.2，滚道硬度为60HRC时，取硬度系数fH＝1.0,代入式(3-23)[1]，求得最大动载荷：
(3-6)
3.4.3 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20mm，导程为5mm，循环滚珠为3圈×1系列，精度等级取5级，额定动载荷为9309N，大于FQ，满足要求。
3.4.4 传动效率η的计算
将公称直径d0＝20mm,导程Ph＝20mm,代入λ＝arctan[Ph/(πd0)]，得丝杠螺旋升角λ＝4°33′。将摩擦角φ＝10′，代入η＝tanλ/tan(λ＋φ)，得传动效率。
3.4.5 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。丝杠的两端各采用一对推力角接触球轴承，面对面组配，左、右支承的中心距约为a＝500mm；钢的弹性模量E＝2.1×105MPa;查表得滚珠直径Dw＝3.175mm，丝杠底径d2＝16.2mm，丝杠截面积：
(3-7)
忽略式(3-25)[1]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：
(3-8)毕业论文
http://www.youerw.com2）根据公式Z＝(πd0/Dw)－3，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FYJ＝Fm/3＝593N。则由式(3-27)[1]，求得滚珠与螺纹滚道间的接触变形量δ2≈0.0026mm。
因为丝杠有预紧力，且为轴向负载的1/3，所以实际变形量可以减少一半，取δ2≈0.0013mm。
3）将以上算出的δ1和δ2代入δ总＝δ1＋δ2，求得丝杠总变形量（对应跨度500mm）δ总＝0.0218mm＝21.8µm
本例中，丝杠的有效行程为330mm，由表3-27 [1]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25µm，可见丝杠刚度足够。
3.4.6 压杆稳定性校核
根据公式(3-28)[1]计算失稳时的临界载荷Fk。查表3-34[1]取支承系数Fk＝1；由丝杠底径d2＝16.2mm，由式(3-9)求得截面惯性矩I＝3380.88mm4；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500mm。代入式(3-28)[1]，得临界载荷Fk≈9343N，远大于工作载Fm≈9343N，故丝杠不会失稳。本文来自优*文~论-文^网
综上所述，初选的滚珠丝杠副满足使用要求。
(3-9)
3.5 步进电动机减速箱的选用
为了满足脉冲当量的的设计要求，增大步进电动机的输出转矩，同时也为了使滚珠丝
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