滾珠絲杠課程設(shè)計

1、本科生專業(yè)課程設(shè)計（屆）學生姓名：學號：專業(yè)名稱：班級：指導(dǎo)教師：年月日目錄專業(yè)課程設(shè)計計算說明書3原始數(shù)據(jù)3一、系統(tǒng)總體方案設(shè)計3二、機械系統(tǒng)的設(shè)計計算4三、控制系統(tǒng)設(shè)計19專業(yè)課程設(shè)計計算說明書原始數(shù)據(jù)設(shè)計一臺微機控制XY兩坐標工作臺，采用MCS-51單片機控制，控制方式采用步進電機開環(huán)控制。其他參數(shù)如下：微型機機電接口人機接口,本次設(shè)計可采用如下方案:由設(shè)計任務(wù)書知脈沖當量mm/step定位精度mm最大移動速度m/min工作臺尺寸mm進給抗力N工作臺行程mm臺面上最大物重質(zhì)量kgXY0.0050.041100*15050032022545、系統(tǒng)總體方案設(shè)計（一）機械系統(tǒng)1、傳動機構(gòu)采用滾

2、珠絲杠副與齒輪或帶減速。2、導(dǎo)向機構(gòu)采用滾動直線導(dǎo)軌。3、執(zhí)行機構(gòu)采用步進電機。（二）接口設(shè)計1、人機接口(1)采用鍵盤或BCD碼盤作為輸入。(2)采用LED作為電源等指示標志。(3)采用蜂鳴器或揚聲器作為警報裝置。(4)采用數(shù)碼管作為顯示器。2、機電接口采用光電偶合器作為微型機與步進電動機驅(qū)動電路的接口，實現(xiàn)電氣隔離。(三)伺服系統(tǒng)設(shè)計本次設(shè)計的系統(tǒng)精度要求不高，載荷不大，因此采用開環(huán)控制。(四)控制系統(tǒng)設(shè)計開環(huán)控制原理圖開環(huán)控制流程圖1、控制部分方案選擇控制方案不外乎三種：開環(huán)控制、半閉環(huán)控制、閉環(huán)控制。上圖為最簡單的開環(huán)控制”，若在機械傳動”機構(gòu)中引出反饋控制部分，再經(jīng)過比較放大的則為半

3、閉環(huán)控制”。如若是在機械執(zhí)行機構(gòu)中引出反饋則為閉環(huán)控制。采用步進電機來實現(xiàn)驅(qū)動，一般情況下多采用開環(huán)控制。因為步進電機的輸出轉(zhuǎn)角與控制器提供的脈沖數(shù)有著正比關(guān)系，電機轉(zhuǎn)速與控制器提供的脈沖頻率成正比。因此通常在精確度要求不是很高時，采用步進電機是合理的。當然，由于步進電機具有高頻易失步，負載能力不強的缺點。二、機械系統(tǒng)的設(shè)計計算(本次設(shè)計若未作特殊說明，其中的表與圖均來自：由鄭堤主編的機電一體化設(shè)計基礎(chǔ))(一)初選步進電動機根據(jù)已知條件：X、丫方向的脈沖當量晨6y分別為:、.x=、.y=0.005mm/step即脈沖當量較小，因此這里選用反應(yīng)式步進電動機。其特點是：步距角小，運行頻率高，價格較

4、低，但功耗較大。結(jié)論：初選步進電機型號為：90BF5-1.5,其相關(guān)參數(shù)如下:機座號型號相數(shù)電壓V電流A步距角。9090BF5-1.5560/1251.5/0.8步距角誤差空載運行頻率轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量10-5kg.m2重量kg空載啟動頻率Hz最大靜轉(zhuǎn)矩N.m10約120000.080.2225001.96并采用單雙相通電方式，因此步距角值=0.8,1、步進電動機的脈沖頻率計算典型工況下，步進電動機的脈沖頻率fx和fy分別為:.Vx313.fx1010=3333.3p/s：二fxmax=12000p/s60x600.005_vy313_fy=1010=3333.3p/s：二fymax=12000p/

5、s60、.y600.0052、步進電動機的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩計算典型工況下，步進電動機的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩Tx和Ty分別為:“出后加7是行矩Si特性按圖5-7查得：Tx=Ty=2.8Nmxy3、步進電動機的驅(qū)動力計算典型工況下，步進電動機的驅(qū)動力Fx和Fy分別為:Fx2TxxZ22二2.8(0.83)32Sx乙0.00418=6480NaFx進給抗力=500NFy2TyyZ22二2.8(0.83)32Sy乙0.00418=6480N>Fy進給抗力=500N驅(qū)動力遠大于進給抗力，所以所選步進電動機滿足使用要求。（二）計算減速器傳動比減速器傳動比:-：p360cpp豆一步進電機步距角（白）p-絲杠導(dǎo)程（mm）6

6、P-工作臺運動的脈沖當量（mm）:p360、pp0.843600.0051691.78初取滾珠絲杠:公稱直徑導(dǎo)程204此時:圖5-83傳動級數(shù)選擇曲線機電一體化設(shè)計基礎(chǔ)按圖5-33,選一級齒輪傳動。(三)齒輪機構(gòu)設(shè)計傳遞功率=工作臺進給抗力M工作臺移動速度/傳動鏈效率機械傳動效率概略值(供參考)V帶傳動聯(lián)軸器傳動圓柱齒輪傳動一對滾動軸承絲杠螺母副符號刀v刀c刀gYbSs效率0.940.970.970.9950.96-0.990.98-0.9950.90-0.95初選效率為0.8。1傳遞功率=500/0.8=10.4w60可見，系統(tǒng)傳遞的功率很小，在要求不高時，以后各步的計算可省略。并采用經(jīng)驗法

7、來設(shè)計各元部件。但為練習計算過程，本次設(shè)計采用分析計算來設(shè)計。1、齒輪傳動機構(gòu)的基本參數(shù)傳遞功率(w)小齒輪轉(zhuǎn)速ni(r/min)傳動比一天運轉(zhuǎn)時間(h)工作壽命(年)傳動效率轉(zhuǎn)向工況10.444416/9850.975/、變平穩(wěn)其中小齒輪轉(zhuǎn)速:V"1000.1100016n=1=m一=444r/min）p492、選擇材料及確定許用應(yīng)力小齒輪材料選擇45鋼（表面淬火），硬度為45HRC大齒輪材料為45鋼（調(diào)質(zhì)）硬度為220HBS小齒輪的接觸疲勞強度極限0Hlim1=1130MR（淬火處理）大齒輪的接觸疲勞強度極限；：H11m2=550MPa安全系數(shù)SH和SF安全系數(shù)軟齒卸硬齒卸重要的

8、傳動、滲碳淬火齒輪或鑄造齒輪SH1.01.11.11.21.3SF1.31.41.41.61.62.2取安全系數(shù)SH=1.1詈=1027.27Hlim2Sh550=500MPa小齒輪的彎曲疲勞強度極限；：F11ml=240MPa大齒輪的彎曲疲勞強度極限c-F11m2=190MPaBSF=1.33、按齒面接觸強度設(shè)計匕1L、1m1SfFlim2Sf設(shè)齒輪按7級精度制造。取載荷系數(shù)240184.62MP1.3190146.15MPa1.31.1,齒寬系數(shù)Wa=0.3,P92510T=95509550=0.21N*mn416337335KKTi1633511.1乂0.211000a旗u+1h1=1+

9、1j-H1,aU95000316；.9=15.78mm取z,=18；大齒輪齒數(shù)：Z2=i。=1618-329模數(shù)m=二a=2X15.78=0.63；取標準值m=0.8z1z21832確定中心距a=mz1z2=0；1832=20mm齒寬：b='-aa=0.320=6mm取b2=6mm;b1=10mm4、驗算輪齒彎曲強度齒形系數(shù)YF1=3.02;YF2=2.182KTYf121.30.2110003.02；=F1=2=14.31MPa”fJ=184.62bm24100.8218；;F2='1*=14.31218=10.33MPaF2046.15Yf13.02校驗結(jié)果：安全。5、齒輪

10、的圓周速度二dmv二6010003.140.818416=0.31m/s：10m/s601000選用7級精度是安全的。為方便與電機軸的配合，對齒輪作如下修改:取乙=27；大齒輪齒數(shù):16“_Z2=iz1=27=489中心距:0.82748=30mm齒寬：b='-aa=0.330=9mmBb2=9mm;b1=14mm(四)滾珠絲杠選擇1、滾珠絲杠工作長度計算I=1工作臺+1行程+1余量X方向絲杠工作長度：lX=100+320+20=440mmX方向絲杠工作載荷：Fx=500NY方向絲杠工作長度：Iy=150+225+20=395mmY方向絲杠工作載荷：Fy=500N令兩方向絲杠的工況均為

11、：每天開機6小時；每年300個工作日；工作8年以上。絲杠材料：CrWMn鋼；滾道硬度為5862HRC;絲杠傳動精度為±0.04mmov"0000.5父1000平均轉(zhuǎn)速n=125r/min(n=125r/min)P42、計算載荷Fc求解Fc=KFKHKAFm=1.11.01.0500N=550N查機電一體化設(shè)計基礎(chǔ)表2-6;2-7;2-8的Kf=1.1；Kh=1.0;Ka=1.0,查表2-4取C級精度。表2-6載荷系數(shù)載荷性質(zhì)無沖擊平穩(wěn)運轉(zhuǎn)一般運轉(zhuǎn)有沖擊和振動運轉(zhuǎn)Kf11.21.21.51.52.5表2-7硬度系數(shù)滾道實際硬度>5855504540Kh1.01.111.

12、562.43.85表2-8精度系數(shù)精度等級C、DE、FGHKa1.01.11.251.433、額定動載荷計算C；計算壽命：Lh=63008=14400hCa=Fc3nmLh.1.67104200144005503N3160N1.67父10J4、滾珠絲杠副選擇假設(shè)選用FC1型號，按滾珠絲杠副的額定動載荷Ca等于或稍大于C；的原則，選漢江機床廠出品的2004-2.5,Ca=5393N,其參數(shù)如下:D0=20mmp=2.5mm九=3f8'滾珠直徑d0=2.381mm滾道半徑R=0.52d0=0.52*2.381=1.238mm偏心距e=0.707R_%=0.707m1.2382381=3.3

13、58M10/mm<2J<2絲杠內(nèi)徑d1=D0+2e_2R=(20+2M3.358x10N2x1.238)mm=17.59mm5、穩(wěn)定性驗算1）由于一端軸向固定的長絲杠在工作時可能會發(fā)生失穩(wěn)，所以在設(shè)計時應(yīng)驗算其安全系數(shù)S,其值應(yīng)大于絲杠副傳動結(jié)構(gòu)允許安全系數(shù)S（見表2-10）絲杠不會發(fā)生失穩(wěn)的最大載荷稱為臨界載荷Fcr（N）按下式計算：二2EIa(T尸式中，E為絲杠材料的彈性模量，對于鋼,杠危險截面的軸慣性矩（m4）;為長度系數(shù),E=206GPa；l為絲杠工作長度（m）;Ia為絲見表2-10。4依題意，1a二旦643.140.017.59464_-94=4.710m取N=2/3,則

14、FXcr二2EIa(T)23.1422061094.710，5=1.11105N<3J3.1422061094.710，2父0.395j<3J=1.38105N安全系數(shù)SxFcr1.11105Fm500二222SyFcr1.38105上=276500絲杠是安全的，不會失穩(wěn)。查表2-10,S=2.53.3。S>S,ncr。要2)高速長絲杠工作時可能發(fā)生共振，因此需驗算其不會發(fā)生共振的最高轉(zhuǎn)速求絲杠的最大轉(zhuǎn)速nmax:二ncrmaxci臨界轉(zhuǎn)速ncr(r/min)：=9910fc2d1（明2=99103.92720.017592人,三父0.44I=31242r/min該絲杠工作轉(zhuǎn)

15、速n=125r/min：ncrci3)滾珠絲杠副還受D0n值的限制，通常要求D0n:7104mmr/minD0n=20125=2500二7104所以該絲杠副工作穩(wěn)定。6、剛度驗算10m滾珠絲杠在工作負載F(N)和轉(zhuǎn)矩T(Nm供同作用下引起每個導(dǎo)程的變形量pF_P2TEA2二GJcc1式中，A為絲杠截面積，A=-叼1(m)；Jc為絲杠的極慣性矩，Jc=d1(m)；432G為絲杠切變模量，對鋼G=83.3GPa；T(Nm)為轉(zhuǎn)矩。式中，P為摩擦角，其正切函數(shù)值為摩擦系數(shù);Fm為平均工作負載。本題取摩擦系數(shù)為tanP=0.0025，則P=8'40”。T=5002010，2tan338'

16、;840Nm:0.33Nm按最不利的情況?。ㄆ渲蠪=Fm)上2二GJcc4pF二Ed1216p2T二2Gd144410，50016M(4父10,2父0.333.142061090.017592：3.99710$m3.14283.31090.017594則絲杠在工作長度上的彈性變形所引起的導(dǎo)程誤差為2L03.99710L=l=0.44-o-m=4.40mp410通常要求絲杠的導(dǎo)程誤差A(yù)L應(yīng)小于其傳動精度的1/2,即1一一一=-0.04=0.02mm=20-m2L：二上1L該絲杠滿足剛度要求。7、效率驗算tan,tan(iP)滾珠絲杠副的傳動效率”為tan338'96%tan(338

17、9;840)“要求在90%95%之間，所以該絲杠副合格。（五）滾動直線導(dǎo)軌選擇1、已知參數(shù)滑座上載荷Ft滑座個數(shù)M單向行程長度ls每分鐘往復(fù)次數(shù)441N2個440mm4次每天工作一年工作日數(shù)壽命6小時300天5年F=mg=459.8=441N2、導(dǎo)軌額定壽命計算Th=63005=900Oh由公式2-10:Ts103Th-2LsnTs-導(dǎo)軌額定行程長度壽命（km）Ls-工作單形成長度（m）n每小時往復(fù)次數(shù)（次/h）得：Ts=2Th1sn/103=290000.44460/103=1900.8km因滑座數(shù)M=2,所以每根導(dǎo)軌上使用1個滑座，由表215-218確定接觸系數(shù)：fc=0.81c硬度系數(shù)：

18、儲=1溫度系數(shù)：fT=1負荷系數(shù)：fw=1.5由式2-9:3>37/儲fTfcCaTsKIfwFK-壽命系數(shù)，一般取50kmF-滑座工作載荷NCa-額定動載荷N得：CaF3Ts/Kfw220.531900.8/501.5：二1373N110.81441220.5N查機械電子工程專業(yè)課程設(shè)計指導(dǎo)書表3-19,選LY25AL,其基本額定載荷為:2Ca=1740N,能滿足使用要求。（六）計算系統(tǒng)轉(zhuǎn)動慣量1、電動機軸上總當量負載轉(zhuǎn)動慣量計算小齒輪轉(zhuǎn)動慣量Jz1二：d4l3二7.8104_一0.01440.010大齒輪轉(zhuǎn)動慣量Jz2323272=3.2910kg*m絲杠轉(zhuǎn)動慣量J二7d4134二7

19、.8100.02560.0063232_4_3_4-二:dl二7.8100.01850.44s3232=1.9710-6kg*m2_5_2=3.9510kg*m將各傳動件轉(zhuǎn)動慣量及工作臺質(zhì)量折算到電動機軸上，得總當量負載轉(zhuǎn)動慣量:Jd=Jz1Jz2Js；i-P7.61=3.29101.97100.004”2162nx9)45=6.7310"kg，m22、慣量匹配驗算一一一上Jd6.7310Jm1.764104=0.381j.滿足1EJdE1的要求，慣量匹配比較合理。4Jm3、步進電動機負載能力校驗(1)步進電動機軸上的總慣量J=JmJd=1.76410)6.7310*=2.4410,

20、kg.m2(2)空載啟動時，電動機軸上的慣性轉(zhuǎn)矩c16max2&ivmaxlj=J；-J=J.：tpLt2丁11=2.441093=0.045Nm0.004251060(3)電動機軸上的當量摩擦轉(zhuǎn)矩TiFi=-mgJ=0004459.80.2=0.04Nm2二i-2二i2二0.8"9其中伺服進給傳動鏈的總效率取為=0.8(4)設(shè)滾動絲杠螺母副的預(yù)緊力為最大軸向載荷的1/3,則因預(yù)緊力而引起的折算到電動機軸上的附加摩擦轉(zhuǎn)矩為T0=PF01-；=PFwmax1_2=0.0045001-0.92=0.014N2M2,32hx08x1639(5)工作臺上的最大軸向載荷折算到電動機軸上

21、的負載轉(zhuǎn)矩為_p_0.004一Tw=Fwmax=至500=0.18Nm2。162i2二0.8-9(6)空載啟動時電動機軸上的總負載轉(zhuǎn)矩為Tq二TjTT0=0.0450.040.014-0.099Nm(7)在最大工作載荷下電動機軸上的總負載轉(zhuǎn)矩為T1=TwTjT0=0.180.040.014=0.234Nm(8)按表5-5查得空載啟動時所需電動機最大靜轉(zhuǎn)矩為Tq0.8090.0990.809=0.12Nm(9)按式5-39可求得在最大外載荷下工作時所需要電動機最大靜轉(zhuǎn)矩為Ts2=Ti（0.30.5）0.234（0.30.5）=0.4680.78Nm結(jié)論:所選步進電動機啟動轉(zhuǎn)矩Ts=1.96N，m

22、遠大于所需要的啟動轉(zhuǎn)矩Ts1,因此選擇的步進電機的功能不能充分發(fā)揮。(為提高經(jīng)濟性，可重新選擇。)4、系統(tǒng)剛度計算(1)按表5-8所列公式可求得絲杠最大、最小拉壓剛度為KLmax：d2E4lmin二0.018522.11011C“8=9.410N/m40.060KLmin二0.018522.110118=1.510N/m4lmax40.38(2)假定絲杠軸向支承軸承經(jīng)過預(yù)緊并忽略軸承座和螺母座剛度的影響，按表5-9所列公式可求得絲杠螺母機構(gòu)的綜合拉壓剛度1K0min2KBKLmin外111a889=1.0210mN21.96101.5101.0210K0min=9.8107NmK0max12K

23、b11+KLmaxKn121.961081+9.41081+1.02109=0.37310“mNK0max=2.68108Nm0max(3)按式5-45可計算出絲杠最低扭轉(zhuǎn)剛度為4_4_10KTmin=2450Nm/rad二dG二二0.01858.11032lmax-320.385、固有頻率計算(1)絲杠質(zhì)量為12-123ms二一二dL：二一二0.01850.4407.8100.92kg44(2)絲杠-工作臺縱振系統(tǒng)的最低固有頻率為K0min1m+ms39.8101470.7rad/s1450.9235Jsd=Ji=2.44102161.八_5.2一=7.71乂10kg.m<9；9（3）

24、折算到絲杠軸上系統(tǒng)的總當量轉(zhuǎn)動慣量為（4）如果忽略電動機軸及減速器中的扭轉(zhuǎn)變形，則系統(tǒng)的最低扭振固有頻率為'ntTminJsd24507.7110=5637.1rad/s。nc與。nt均較高，說明系統(tǒng)動態(tài)特性好。ncn6、死區(qū)誤差計算設(shè)齒輪傳動和絲杠螺母機構(gòu)分別采取了消隙和預(yù)緊措施，則按式（5-59）可求得由摩擦力引起的最大反向死區(qū)誤差為：mmax2mg310K0min2459.80.237-10=0.0018mm9.8107max<脈沖當量，因此系統(tǒng)能滿足單脈沖進給。7、由系統(tǒng)的剛度變化引起的定位誤差計算按式（5-60）可求得由絲杠螺母機構(gòu)綜合拉壓剛度的變化所引起的最大定位誤差

25、。K0minK0maxM103二mgK0minK0max父103_3_10=0.00057mm=459.80.2-|X19.8父1072.68父108J由于系統(tǒng)要求的定位精度為00.04mm,即允許定位誤差為0=0.08mm1_.6Kmax=0.00057<-d=0.016mm因而，系統(tǒng)剛度滿足te位精度要求。5三、控制系統(tǒng)設(shè)計（一）微處理器的選擇根據(jù)設(shè)計要求，系統(tǒng)控制的主要功能是對步進電機的脈沖頻率及其分配的控制。同時在實現(xiàn)這一主功能的基礎(chǔ)上，附帶若干協(xié)助功能，如顯示、預(yù)置、時間、鍵盤等。結(jié)論：1、系統(tǒng)對內(nèi)存要求不高。2、系統(tǒng)處理的運算不是很復(fù)雜，對CPU的計算速度要求不高。3、為擴展

26、鍵盤、顯示、掉電保護等功能，要求系統(tǒng)提供較多的線和完善的中斷系統(tǒng)?？紤]到上面的原因，這里可以采用市面供應(yīng)充分，性能價格比較好的AT89C52作為系統(tǒng)的微處理器。其參數(shù)見下表：AT89C52參數(shù)表型號ROM串行口晶振頻率封裝RAM說明AT89C528KUARK12MHz40DIP256與intel80C32兼容p0039AD0CPUi1p07iAD7p2732p26WRp25RDD0118255D7csA1WRA2RD（二）系統(tǒng)擴展系統(tǒng)中采用鍵盤實現(xiàn)輸入，并采用LED顯示器，它們均需要占用較多芯片口線，所以該系統(tǒng)是需要進行系統(tǒng)擴展的?？删幊滩⑿薪涌?255A是一種應(yīng)用廣泛的并行接口擴展器件。它具有三個8位并行口PA、PB、PC由此提供了24條口線。圖3-1擴展連線圖3-2單鍵接線圖（三）鍵盤連接鍵盤采用機械式按鍵組成。它屬于常開類型,的接線，當鍵K按下時P口電位拉低。相反，一直保持高電位。其中電路中電阻起限流作用，大的電流燒毀。鍵盤采用軟件消抖。（四）時鐘