课题名称：  三坐标工作台设计

学    院：  机械工程学院

班    级：  

专    业：  机械设计制造及其自动化

设计成员：  

目　录

一、总体方案设计…………………………………………………… 3

 1.1 设计任务…………………………………………………………3

 1.2 总体方案确定……………………………………………………3

 1.2.1 方案确定思想…………………………………………………..3

 1.2.2 方案分析……………………………………….. ……………...4

 1.2.3 总体方案系统组成…………………………………………. …5

二、机械系统设计……………………………………………………. 6

 2.1 总体方案的确定………………………………………………….6

 2.2机械传动部件的计算与选择……………………………………..7

三、控制系统硬件设计……………………………………………......9

 3.1 控制电路的设计………………………………………………... 12

 3.2 电路的原理图…………………………………………………...15

四、总结……………………………………………………………… 17

五、参考文献………………………………………………………… 17

六、附录

一、总体方案设计

1.1设计任务

1）.设计三坐标运动平台，完成机械系统设计、控制系统设计与电子电路设计，根据试验条件进行调试，完成整个开发系统。

2）. .主要技术指标

1.一定的规格要求（3自由度有效行程100mm，控制精度0.02mm，悬臂深200mm，梁上物件2kg）；

   2.运动灵敏度高、低速无爬行；

3.定位精度高；

4.结构轻便，建议机座和滑台采用铝合金；

5.标准组件，产品；

1.2总体方案确定

1.2.1方案确定思想

根据设计任务，参照参考资料结合实际，设定以下方案：

1.2.2 方案分析

1. 直线滚动到导轨副具有摩擦系数小，不易爬行、传动效率高、结构紧凑、安装预紧方便等特点。

滚珠丝杠副有如下特点：①传动效率高②系统刚性好③传动精度高④使用寿命长⑤运动具有可逆性（既可将回转运动转变为直线运动，又可将直线运动变为回转运动，且逆传动效率几乎与正传动效率相同）⑥不会自锁⑦可进行预紧和调隙。

2.步进电机：结构简单、价格低、转动惯量小、动态响应快、易起停，可满足快速移动和精度要求。

3.无隙齿轮箱减速：可消除间隙，但设计和安装精度高。

4.闭环控制：控制精度和抑制干扰的性能都比较差，而且对系统参数的变动很敏感。

1.2.3 总体方案系统组成

   1.机械系统组成

  机械系统由三个步进电机；三个一级齿轮减速器；三个滚珠丝杠以及三个直线滚动导轨副作为主要的动力输出、传动以及机械控制部分，系统的组成还有其他一些机构。

 2.控制系统组成

  控制系统由键盘输入信号，通过3个单端—差分脉冲转换，差分—单端脉冲转换电路去控制3个电机的运转，从而达到在3个方向上运动的目的。

二、机械系统设计

2.1、总体方案的确定

1.机械传动部件的选择

（1） 导轨副的选择

要设计的三坐标运动平台是用来配合传感器的定位的，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（线性滑轨HG系列），它具有摩擦系数小、不易爬行、传动效率高、机构紧凑、安装预紧方便等优点。

（2） 丝杆螺母副的选用

伺服电动机的旋转运动需要通过丝杆螺母副转换成直线运动，要满足0.02mm的脉当量和±0.02mm的定位精度，滑动丝杆副为力，只有选用滚珠丝杆副才能达到。滚珠丝杆副的传动精度高、动态响应快、运转平稳、寿命长、效率高，顶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杆副以后，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，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，定位精度也未达到的微米级，空载最快移动速度也只有。因此，可以选用性能好一些的步进电动机，如永磁感应式步进电机，以降低成本，提高性价比。

2.2 机械传动部件的计算与选择

1.  导轨上移动部件的重量估算

按照下导轨上面的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、减速箱、滚珠丝杆副、直线滚动导轨副、导轨座等，估计重量为500N。

 2.   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。设计中的三坐标工作台为水平布置和垂直布置，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：

                  = （G+F）/4       （6-1）

其中，部件重500N，外加负载20N，代入式（6-1）,得最大工作负载

=0.13kN。

查线性滑轨技术手册，根据工作负载，有效行程，选定滑轨如下：

（2）距离额定寿命的计算 

上述选取的HGH型导轨副的滚道硬度为60HRC，工作温度不超过，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~表3-40，分别取硬度系数，温度系数、接触系数、精度系数、载荷系数，代入式（3-33）,距离寿命：

远大于期望值50km，故距离额定寿命满足要求

3. 滚珠丝杠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=600N，按矩形导轨进行计算，取力矩影响系数，滚动导轨上的摩擦因数。求得滚珠丝杠副的最大工作载荷：

（2）最大动载荷的计算

取滚珠丝杠的使用寿，代入，得丝杠寿命系数Lo=180 （单位为：）。

查表3-30，取载荷系数，滚道硬度为60HRC时，取硬度系数，代入式（3-23），求得最大动载荷： 

（3） 选型号

  精密研磨级滚珠丝杠 FDV

将公称直径do=16mm，导程Ph=5mm，代入，得丝杠螺旋升角λ=3°38′36″ 。将摩擦角，代入，得传动效率η=97.3％。

（5）压杆稳定性校核

计算失稳时的临界载荷。查表3-34，取支承系数：由丝杠底径d2=21.2mm，求得截面惯性矩：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500mm。临界载荷，远大于工作载荷，故丝杠不会失稳。

4．步进电动机的计算与选型

（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d=16mm，总长l=280mm，导程，材料密度：移动部件总重力G=500N：小齿轮宽度，直径：大齿轮宽度，直径：传动比i=1。

如表4-1所示，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

1.365

拖板折算到丝杠上的转动惯量 0.343

初选步进电动机型号为ECMA C104，二相四拍驱动时步距角为，从表4-5查得该型号电动机转子的转动惯量4 。

则加在步进电动机转轴上的总转动惯量为：5.885 

（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）可知， 包括三部分：一部分是快速空载启动时折算到电机转轴上的最大加速度转矩；一部分是移动部件运动折算到电动机转轴上的摩擦转矩；还有一部分是滚珠丝杆杠顶紧后折算到电动机转轴的附加摩擦转矩。 因为滚珠丝杆杠副传动效率很高，  相对于和很小，可以忽略不计。则有： 

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度转矩：   

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;

——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：   

式中—— 空载最快移动速度，任务书指定为

——   步进电动机步距角，预选电动机为

——   脉冲当量， 

将以上各值代入算的

设步进电动机由静止奥加速至 转速所需时间，传动链总效率。求得=0.04N·m

移动部件运动时，折算到电动机转轴上的摩擦转矩为：        

式中————导轨的摩擦因素，滚动导轨取0.005；

———— 垂直方向的铣削力，空载时取0；

———— 传动链总效率，取。

得 

最后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，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功时折算到电动机转轴上的摩擦转矩；还有一部分是滚珠丝杆杠顶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，折算到电动机转轴上的最大工作负载转矩可以忽略不计。

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：

最后求得最大工作载荷状态下电动机转轴所承受的负载转矩为：0.0055N·m

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：

0.166  N·m

上述初选的步进电动机型号为ECMA，由表4-5查得该型号电动机的最大静转矩6 N·m 。可见，满足要求。

（4）步进电动机的性能校核

1）最快工作速度时电动机输出转矩校核

工作台最快工作速度1000mm/min，脉冲当量δ=0.02mm/脉冲，求出电动机对应的运行频率 833HZ。从ECMA电动机的运行矩频特性曲线图可以看出，在此频率下，电动机的输出转矩5.5N·，远大于最大工作负载转矩0.04224N·m，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1000mm/min，仿照式（4-16）求出电动机对应的运行频率833HZ。从图6-24查得，在此频率下，电动机的输出转矩，大于快速空载起动时的负载转矩，满足要求。

3）最快空载移动时电动机运行频率校核

与最快空载移动速度 1000mm/min对应的电动机运行频率为883Hz 。查表4-5可知ECMA电动机的空载运行频率可达20000  ，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，电动机转子的转动惯量，电动机转轴不带任何负载时的空载起动频率（查表4-5）。则由式（4-17）可以求出步进电动机克服惯性负载的启动频率：

上式说明，要想保证步进电动机起步时不失步，任何时候的起动频率都必须小于709  。实际上，在采用软件升降顿时，起动频率选得更低，通常只有100Hz（即100脉冲/s）。

图1  三坐标工作台结构

三、控制系统硬件设计

3.1控制电路的设计

1.元器件介绍

SP488E和SP4E是一个低功耗的4路差分线性接收器，符合具有增强型ESD性能的RS-485和RS-422串行协议规范。它们的ESD容限已增强为±15kV人体放电模式和IEC1000-4-2气隙放电模式。它们可以很好的向后代替Sipex的SP488和SP4器件，并遵循通用工业标准。与最初的版本一样，SP488E含有一个共用的接收器使能控制；SP4E为每对接收器单独提供接收器使能控制。SP488E和SP4E都具有宽共模输入范围。接收器含有自动故障安全保护特性，可在接收器输入悬空时，使输出强制为逻辑“1”。两者都采用16脚塑料DIP和SOIC封装。

2.  SP488E管脚配置

管脚1－RI1B－接收器1输入B 

管脚2－RI1A－接收器1输入A 

管脚3－RO1－接收器1输出－如果接收器1输出被使能，当RI1A比RI1B大200mV时，接收器1输出为高电平。如果接收器1输出被使能，当RI1A比RI1B小200mV时，接收器1输出为低电平。

管脚4－EN－接收器输出使能。请参考SP488E的真值表(1)。

管脚5－RO2－接收器2输出－如果接收器2输出被使能，当RI2A比RI2B大200mV时，接收器2输出为高电平。如果接收器2输出被使能，当RI2A比RI2B小200mV时，接收器2输出为低电平。

管脚6－RI2A－接收器2输入A 

管脚7－RI2B－接收器2输入B 

管脚8－GND－数字地

管脚9－RI3B－接收器3输入B 

管脚10－RI3A－接收器3输入A。

管脚11－RO3－接收器3输出－如果接收器3输出被使能，当RI3A比RI3B大200mV时，接收器3输出为高电平。如果接收器3输出被使能，当RI3A比RI3B小200mV时，接收器3输出为低电平。 

管脚12－EN－ 接收器输出使能。请参考SP488E的真值表(1)。

管脚13－RO4－接收器4输出－如果接收器4输出被使能，当RI4A比RI4B大200mV时，接收器4输出为高电平。如果接收器4输出被使能，当RI4A比RI4B小200mV时，接收器4输出为低电平。

管脚14－RI4A－接收器4输入A。

管脚15－RI4B－接收器4输入B。

管脚16－电源电压VCC－ 4.75V≤VCC≤5.25V

3.  SP4E管脚配置

管脚1－RI1B－接收器1输入B 

管脚2－RI1A－接收器1输入A 

管脚3－RO1－接收器1输出－如果接收器1输出被使能，当RI1A比RI1B大200mV时，接收器1输出为高电平。如果接收器1输出被使能，当RI1A比RI1B小200mV时，接收器1输出为低电平。

管脚4－EN1/EN2－接收器1和2输出使能。请参考SP4E的真值表(2)。

管脚5－RO2－接收器2输出－如果接收器2输出被使能，当RI2A比RI2B大200mV时，接收器2输出为高电平。如果接收器2输出被使能，当RI2A比RI2B小200mV时，接收器2输出为低电平。

管脚6－RI2A－接收器2输入A 

管脚7－RI2B－接收器2输入B 

管脚8－GND－数字地

管脚9－RI3B－接收器3输入B 

管脚10－RI3A－接收器3输入A。

管脚11－RO3－接收器3输出－如果接收器3输出被使能，当RI3A比RI3B大200mV时，接收器3输出为高电平。如果接收器3输出被使能，当RI3A比RI3B小200mV时，接收器3输出为低电平。

管脚12－EN3/EN4－接收器3和4输出使能。请参考SP4E的真值表(2)。

管脚13－RO4－接收器4输出－如果接收器4输出被使能，当RI4A比RI4B大200mV时，接收器4输出为高电平。如果接收器4输出被使能，当RI4A比RI4B小200mV时，接收器4输出为低电平。

管脚14－RI4A－接收器4输入A。

管脚15－RI4B－接收器4输入B。

管脚16－电源电压VCC－ 4.75V≤VCC≤5.25V

特性

SP488E和SP4E是低功耗的4路差分线性接收器，符合RS-485和RS-422

标准。SP488E具有高电平有效和低电平有效的共用接收器使能控制；SP4E为

每对接收器对单独提供了高电平有效的接收器使能控制。三态输出和－7V～＋

12V的共模输入范围允许通信总线上的器件之间存在±7V 的地偏差。

SP488E/SP4E含有自动故障安全保护特性，可在输入悬空时，使接收器输出强

制为逻辑高电平。SP488E和SP4E支持高达10Mbps的数据传输速率，两者都

采用16脚塑料DIP和SOIC的封装。

3.2 电路的原理图

1.单端-差分脉冲转换电路

2.差分-单端脉冲转换

四、总结

五、参考文献

[1]尹志强.机电一体化系统设计课程设计指导书[M].北京:机械工业出版社, 2007.7.

[2]赵松年.机电一体化机械系统设计[M].北京: 机械工业出版社, 1997,6.

[3]张建民.机电一体化系统设计[M].北京: 北京理工大学出版社,1996,8.

[4]陈强,解云龙.机械系统的微机控制[M].北京: 清华大学出版社,1999,8.

[5]周佩玲.微机原理与接口技术(基于16位机) [M].北京:电子工业出版社,2004.

[6]吴秀清.微型计算机原理与接口技术[M].北京:清华大学出版社,2003.

[7]沈美明.IBM-PC汇编语言程序设计[M].北京:清华大学出版社,2002.

[8]张伟.Protel DXP 入门与提高[M].北京:人民邮电出版社,2003.2.

[9]钱培怡.电子电路实验与课程设计[M].北京:地震出版社, 2002, 6.

[10]各类机电产品设计手册.

六、附录

1．三坐标工作台机械solidworks装配图。

2．三坐标工作台零部件cad图。下载本文