機電一體化?？普n程設(shè)計方案

1、第一章緒論課程設(shè)計是機電一體化系統(tǒng)設(shè)計課程的重要實踐環(huán)節(jié)，其目的是使學生 能在傳統(tǒng)的機電產(chǎn)品更新?lián)Q代和新的機電一體化產(chǎn)品研制開發(fā)領(lǐng)域掌握必要的實 驗技能，目的在于培養(yǎng)學員對機電一體化產(chǎn)品的設(shè)計能力，另外還包括：1）通過課程設(shè)計，理解機電一體化系統(tǒng)設(shè)計的基本知識。2）掌握元部件的正確選擇方法和特性參數(shù)的實驗方法。機電一體化系統(tǒng)的硬件一般由機械主體部分、傳感器、信息處理、計算機及電路部分和執(zhí)行元件等構(gòu)成，其設(shè)計內(nèi)容和設(shè)計方法基本上可歸納為以下幾個方面：1）采用微型計算機 包括單片機）進行數(shù)據(jù)采集、處理和控制主要考慮計算機的選擇或單片機構(gòu)成電路的選用、接口電路、軟件編制。2）選用驅(qū)動控制電路，對執(zhí)行

2、機構(gòu)進行控制主要考慮電動機的選擇及驅(qū)動力矩的計算及控制電動機電路的設(shè)計。3）精密執(zhí)行機構(gòu)的設(shè)計 主要考慮數(shù)控機床工作臺傳動裝置的設(shè)計問題。要弄 清機構(gòu)或機械執(zhí)行的主要功能 如傳遞運動、動力、位置控制、微調(diào)、精密定位 或高速運轉(zhuǎn)等），進行力 力矩）、負載轉(zhuǎn)矩、慣性 轉(zhuǎn)動慣量）、加 減）速控 制和誤差計算。提出裝配圖和零件加工圖。提出電動機和計算機控制要求。4）采用傳感器進行反饋控制或作為測量敏感部位。5）學會使用手冊和圖表資料。本次課程設(shè)計是設(shè)計回轉(zhuǎn)體數(shù)控測量裝置，通過此次課程設(shè)計，學員應(yīng)具有 機電一體化系統(tǒng)設(shè)計的初步能力，初步建立了正確的設(shè)計思想，學會運用手冊、 標準、規(guī)范等資料，培養(yǎng)了分析問

3、題和解決實際問題的能力。第二章回轉(zhuǎn)體數(shù)控測量裝置總體方案分析回轉(zhuǎn)體數(shù)控測量裝置是一種測量回轉(zhuǎn)體外形輪廓的機電一體化系統(tǒng)，其基本 工作原理利用檢測光幕傳感器檢測位于其中的回轉(zhuǎn)體。回轉(zhuǎn)體一般是柱形工件, 由卡盤夾緊并由電機驅(qū)動經(jīng)減速器使其旋轉(zhuǎn)，對于較長的工件，還要求有尾架,并在尾架上安裝頂尖，支頂較長的工件。檢測光幕傳感器在回轉(zhuǎn)軸方向Z向）可以來回移動，能對回轉(zhuǎn)體每個截面的輪廓進行測量。Z向Z向350mmC向可正Z向由于0.01mm C向2200mm/min130r/min（|）50m訴 350mm700mr 400mr 320mm行程范圍反轉(zhuǎn)連續(xù)回轉(zhuǎn)運動分辨率優(yōu)于0.1Z向最大移動速度C向最大選

4、擇速度被檢測工件最大尺寸 材料為鋼）外形尺寸 參考）2.1回轉(zhuǎn)體數(shù)控測量裝置總體方案確定回轉(zhuǎn)體數(shù)控測量裝置總體方案的確定包括系統(tǒng)運動方式的確定、伺服系統(tǒng)的 選擇、執(zhí)行機構(gòu)及傳動方式的確定、計算機系統(tǒng)的選擇等。1、系統(tǒng)運動方式的確定數(shù)控系統(tǒng)按運動方式可分為點位控制方式、點位 /直線系統(tǒng)和連續(xù)控制系統(tǒng)。 回轉(zhuǎn)體數(shù)控測量裝置要求快速定位，保證定位精度，因此選擇點位控制系統(tǒng)。2、伺服系統(tǒng)的選擇伺服系統(tǒng)可分為開環(huán)控制系統(tǒng)、半閉環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)。開環(huán)控制 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、容易掌握、調(diào)試和維修比較方便，因此在精度和速度 要求不高、驅(qū)動力矩不大的場合得到廣泛應(yīng)用。開環(huán)伺服系統(tǒng)主要由步進電動機

5、驅(qū)動。半閉環(huán)系統(tǒng)系統(tǒng)和閉環(huán)系統(tǒng)造價高、結(jié)構(gòu)和調(diào)試較復雜，適用于精度要求 較高的場合。回轉(zhuǎn)體數(shù)控測量裝置由于速度不高，為了簡化結(jié)構(gòu)、降低成本，采用步進電 動機開環(huán)控制系統(tǒng)。3、執(zhí)行機構(gòu)的結(jié)構(gòu)及傳動方式的確定任務(wù)名定Z向分辨率為0.01mm/!水沖，為實現(xiàn)所要求的分辨率，決定采用步進 電動機經(jīng)齒輪減速機構(gòu)再傳動絲杠帶動檢測光幕傳感器在Z向移動。為保證一定的傳動精度和平穩(wěn)性，盡量減小摩擦力，選用滾珠絲杠螺母副。C向分辨率為0.1,為實現(xiàn)所要求的分辨率，同樣決定采用步進電動機經(jīng)齒輪減速機構(gòu)帶動卡盤旋轉(zhuǎn)，從而帶動工件旋轉(zhuǎn)。為提高傳動剛度和消除間隙，采用有預加負荷的結(jié)構(gòu)。齒輪傳動也要采用消 除齒側(cè)間隙的結(jié)

6、構(gòu)。4、計算機的選擇根據(jù)任務(wù)要求，決定采用8位微機。由于MCS-51系列單片機具有集成度 高，可靠性好、功能強、速度快、抗干擾能力強、性價比高等特點，決定采用 MCS-51系列的8031單片機擴展系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)由微機部分、鍵盤及顯示器、I/O接口及光隔離電路、步進電動機功 率放大電路等組成。系統(tǒng)控制命令通過鍵盤操作實現(xiàn)，顯示器采用數(shù)碼管顯示加 工數(shù)據(jù)及機床狀態(tài)等信息。2.2總體方案框圖光 隔離夾具及工件光 隔離夾具及工件第三章回轉(zhuǎn)體數(shù)控測量裝置機械系統(tǒng)設(shè)計方案說明分析回轉(zhuǎn)體數(shù)控測量裝置的功能可知，它應(yīng)該具有兩個運動單元，即1）旋轉(zhuǎn)運動單元，即電機驅(qū)動減速器帶動工件作旋轉(zhuǎn)運動的單元；2）旋轉(zhuǎn)一直

7、線運動單元，即電機驅(qū)動減速器再通過旋轉(zhuǎn)一直線運動變換裝置 帶動測量光幕傳感器的做直線運動的單元。每個運動單元都由不同的傳動機構(gòu)組成，旋轉(zhuǎn)運動單元由電機和減速機構(gòu)構(gòu) 成，旋轉(zhuǎn)一直線運動單元由電機、減速機構(gòu)和旋轉(zhuǎn)一直線運動變換裝置構(gòu)成。圍 繞這兩個運動單元，對機械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方案進行初步確定，然后在進行細化計算。電動機在第一章總體方案設(shè)計中已經(jīng)選擇了步進電機作為驅(qū)動裝置。下面就選擇步 進電機作為驅(qū)動做一些必要的說明。電動機可分為直流電動機、交流電動機、步進電動機和無刷電動機等幾大類，每一大類又可以分許多不同的小類，其具體分類見表3-1。表3-1電動機分類電 動 機直誦電動一般直流電動機直流伺服電動機直

8、流力矩電動機交流電動 機一相異步電動機鼠籠式繞線式單相異步電動機交流伺服電動機永磁同步電動機步進電動 機反應(yīng)式單段式多段式軸向磁路 式徑向磁路 式永磁式永磁反應(yīng)式無刷電動機選用電動機作為驅(qū)動部件的突出的特點是精度高，易于在閉環(huán)系統(tǒng)中獲得很 高的連續(xù)路徑驅(qū)動。不同類型的電機有不同的應(yīng)用場合，一般要從控制性、功率 大小、轉(zhuǎn)速、精度以及性價比等方面選擇。一般，對于要求不高的開環(huán)固定轉(zhuǎn)速場合應(yīng)選用結(jié)構(gòu)簡單、廉價的交流異步 電動機。對于需要連續(xù)控制且精度要求較高的場合，目前較成熟的選用直流電動機。 直流電機具有扭矩慣量比大的特點，可直接帶動負載，簡化傳動機構(gòu)，避免了傳 動間隙，提高傳動精度等優(yōu)點。對于調(diào)

9、速系統(tǒng)，交流電動機的變頻調(diào)速成為了一種理想的選擇。對于要求壽 命長，嚴禁火花，同時控制精度要求高的特殊場合，通?？紤]無刷電動機。對于數(shù)字控制、精度增量控制且振動要求不高的場合，常采用步進電機。步 進電機在開環(huán)數(shù)控機床、繪圖機、軋鋼機等控制系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。本次設(shè)計的回轉(zhuǎn)體數(shù)控測量裝置由于速度、精度等要求都不是很高，因而采 用步進電動機作為驅(qū)動裝置。減速機構(gòu)齒輪系及蝸桿副是一種發(fā)展歷史悠久、現(xiàn)在仍然廣泛使用的一種機械傳動機 構(gòu)。它工作可靠、傳動比恒定、結(jié)構(gòu)成熟，但制造復雜。齒輪系及蝸桿副可按表 3-2分類。表3-2齒輪系及蝸桿副分類傳動軸平行傳動軸相交傳動軸交錯傳動軸同軸線圓柱直齒輪直齒錐

10、齒輪交錯軸斜齒輪擺線針輪圓柱斜齒輪r斜齒錐齒輪雙曲線錐齒輪諧波齒輪人字齒輪r弧兇力隹兇車匕圓柱蝸桿圓弧點嚙合圓 周齒輪零度弧齒錐齒 輪劃、面蝸桿行星齒輪圓弧點嚙合錐齒輪齒輪齒條根據(jù)傳動軸的特點，可選用不同的齒輪系及蝸桿副做減速機構(gòu)。用于平行軸 之間的傳遞運動的正齒輪易于設(shè)計制造、成本低，使用最為廣泛。斜齒輪可用于 高速、重載、要求噪聲低的場合，但斜齒輪存在較大的軸向推力；人字齒輪則由 于左右推力平衡而不產(chǎn)生軸向推力，其中一個齒輪的安裝應(yīng)有一定的軸向間隙以 便安裝。相交軸傳動中直齒錐齒輪為線接觸，傳動效率較高。交錯軸斜齒輪有滑 動作用，傳動效率低，同時為點接觸，只能承受較輕負載。行星齒輪尺寸小，

11、重 量輕、效率高且能傳遞較大的功率，但結(jié)構(gòu)復雜。蝸桿副為線接觸，可傳遞較大的功率、傳動比大、傳動平穩(wěn)、噪聲小、可自 鎖，但傳動效率低。諧波齒輪具有傳動比大、速比范圍寬、傳動效率高、重疊系數(shù)大、嚙合好、 傳動平穩(wěn)、噪聲小、結(jié)構(gòu)緊湊，質(zhì)量輕、精度高、承載能力大、功率范圍寬、間 隙易于消除，可通過密封壁傳動等優(yōu)點，在高技術(shù)領(lǐng)域獲得廣泛的應(yīng)用。對比上述各種齒輪系及蝸桿副的傳動特點，本次設(shè)計的回轉(zhuǎn)體數(shù)控測量裝置 選用圓柱直齒輪傳動作為減速機構(gòu)。旋轉(zhuǎn)一直線運動裝置能夠?qū)崿F(xiàn)旋轉(zhuǎn)運動到直線運動的傳動機構(gòu)有螺旋傳動機構(gòu)、齒輪齒條傳動機 構(gòu)等。螺旋傳動結(jié)構(gòu)分為普通螺旋傳動機構(gòu)和滾珠絲杠螺母副等。普通螺旋傳動廣 泛

12、的用于將旋轉(zhuǎn)運動變換為直線運動，但由于螺母和螺桿之間的摩擦為滑動摩 擦，在磨損和精度等方面不能滿足一些高精度機電一體化系統(tǒng)的要求，滾珠絲杠 螺母副則是為了克服普通螺旋傳動的缺點發(fā)展起來的一種傳動機構(gòu)。它用滾動摩 擦螺旋取代了滑動摩擦螺旋，具有磨損小、傳動效率高、傳動平穩(wěn)、壽命長、精 度高、溫升低等優(yōu)點。它具有的運動摩擦小、便于消除傳動間隙等優(yōu)點，對于機 電一體化系統(tǒng)性能的改善。本次設(shè)計的回轉(zhuǎn)體數(shù)控測量裝置主要以傳遞運動為主，要求有較高的傳動精 度并結(jié)構(gòu)緊湊，因此選用滾珠絲杠螺母副來將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運動。導軌導軌用于引導運動部件的走向。它對機電一體化系統(tǒng)的影響通常是由摩擦特 性決定的，主要影

13、響定位精度和低速均勻性。導軌主要分為滑動導軌、滾動導軌、液體靜壓導軌和氣浮導軌?；瑒訉к壗Y(jié) 構(gòu)簡單，阻尼系數(shù)大，剛度大；但易產(chǎn)生低速爬行現(xiàn)象，易磨損。滾動導軌的摩 擦系數(shù)不大于滑動導軌的1/10,因此不存在低速爬行現(xiàn)象，可采用較小功率的電 動機，但剛度小，阻尼系數(shù)小，可能引起振蕩。液體靜壓導軌無磨損，無靜摩 擦，無低速爬行現(xiàn)象，阻尼系數(shù)大，但設(shè)計、制造、使用均較復雜。氣浮導軌無 磨損，無靜摩擦，無低速爬行現(xiàn)象，無需回氣導管，不產(chǎn)生污染，但剛度小，阻 尼系數(shù)小，容易引起振蕩。由于滾動導軌的特點，本次設(shè)計的回轉(zhuǎn)體數(shù)控測量裝置決定采用滾動導軌。 由于采用了齒輪減速結(jié)構(gòu)，從而可以克服滾動導軌滾動阻尼系

14、數(shù)小，容易產(chǎn)生振 蕩的缺點。軸承及支承方式本次設(shè)計的回轉(zhuǎn)體數(shù)控測量裝置決定采用滾動軸承作為軸的支承。對于旋轉(zhuǎn) 運動單元，只有齒輪減速箱用到滾動軸承，由于沒有軸向載荷，因此選用深溝球軸承作為齒輪的徑向支承。對于旋轉(zhuǎn)一直線運動單元，其齒輪減速箱和滾珠絲杠 都要采用滾動軸承支承，齒輪減速箱中的齒輪采用深溝球軸承來支承，滾珠絲杠 則由于有軸向載荷，因此要對絲杠的徑向和軸向都進行支承。支承方式選擇兩端 固定的支承方式，每一端選擇一個深溝球軸承和一個推力球軸承組合進行支承。第四章 回轉(zhuǎn)體數(shù)控測量裝置機械部分設(shè)計計算機械傳動系統(tǒng)設(shè)計計算回轉(zhuǎn)體數(shù)控測量裝置共有兩個運動單元，一個是旋轉(zhuǎn)運動單元，一個是旋轉(zhuǎn) 一直

15、線運動單元，組成這個兩個單元的傳動機構(gòu)不盡相同，因此計算的思路和步 驟也不盡相同。下面就每一個運動單元分別進行設(shè)計計算。旋轉(zhuǎn)運動單元傳動系統(tǒng)設(shè)計計算旋轉(zhuǎn)運動單元傳動系統(tǒng)由步進電動機、齒輪減速箱和夾具組成，夾具采用三 角自定心卡盤。旋轉(zhuǎn)運動單元傳動系統(tǒng)計算步驟大體可分為以下幾步：1）根據(jù)給定的旋轉(zhuǎn)精度，初步確定步進電動機的步距角；2）根據(jù)旋轉(zhuǎn)精度和步距角，確定齒輪減速機構(gòu)的傳動比以及齒輪的參數(shù)；3）計算負載轉(zhuǎn)矩，選定步進電動機型號。1、初選步進電動機步距角qb對步進電動機施加一個脈沖信號，步進電動機就轉(zhuǎn)動一個固定的角度，這個 角度就叫步距角。電動機的轉(zhuǎn)動的角度與輸入脈沖個數(shù)成正比，轉(zhuǎn)動的速度與脈

16、 沖頻率成正比。步進電動機步距角越小，它所能達到的位置精度越高。此次要求的旋轉(zhuǎn)精度 是0.1度，為不使傳動比過大，齒輪級數(shù)過多，因此決定初步選則步進電動機的 步距角為0.36。如果選擇的步距角不合適，則重新再選擇。2、計算傳動比i旋轉(zhuǎn)精度qp為0.1 ,步距角qb為0.36,則旋轉(zhuǎn)運動傳動系統(tǒng)的傳動比i確定傳動比i后，接下來確定齒輪傳動的級數(shù)及各齒輪的參數(shù)。一般，隨著齒輪傳動的級數(shù)的增加，齒輪傳動的總慣量減少，但傳動效率要 降低，齒隙和摩擦的來源也會有隨之增加。因此應(yīng)在傳動級數(shù)和傳動比的分配上 綜合權(quán)衡。一般，當傳動比iwi2時，選用一級傳動；2im20202020中心 距56603、步進電動

17、機型號選擇 (1)轉(zhuǎn)動慣量計算根據(jù)被檢測工件最大尺寸 材料為鋼）為0 50m訴350mm確定三角自定心卡 盤的最大外徑為100mm其厚度為40mm過渡件的外徑也為100mm厚度為 10mm其材質(zhì)均為鋼。對于鋼質(zhì)圓柱體，其轉(zhuǎn)動慣量其中，D圓柱體直徑cn）;l圓柱體長度cm 。負載各部分的轉(zhuǎn)動慣量如下：其中，J1、J2、J3齒輪Z1、Z2、Z3及其軸的轉(zhuǎn)動慣量kgcm2 ;J4齒輪Z4的轉(zhuǎn)動慣量kg - cm2 ;J 工件白轉(zhuǎn)動慣量kg cm2 ;J夾夾具白轉(zhuǎn)動慣量kg - cm2 。負載折算到電機軸上的總的轉(zhuǎn)動慣量 JSkgcm2為（2估算步進電動機起動轉(zhuǎn)矩在此次回轉(zhuǎn)體數(shù)控測量裝置的旋轉(zhuǎn)運動單元

18、傳動系統(tǒng)中，負載的加速度轉(zhuǎn)矩 占起動轉(zhuǎn)矩的比例較大，因此根據(jù)負載的加速度轉(zhuǎn)矩乘以一定的安全系數(shù)來估算 步進電動機的起動轉(zhuǎn)矩，然后初步選定步進電動機型號。設(shè)電機起動加速到最大轉(zhuǎn)速的起動加速時間ta=0.03s ,則最大負載加速度轉(zhuǎn)矩 TlmaxN cnrj）式中，J負載折算到電機軸上的總等效轉(zhuǎn)動慣量 kg cm2 ;e電機最大角加速度rad/s2 ;nmax電機最大轉(zhuǎn)速 r/min ）;nlmax工件最大轉(zhuǎn)速r/min ）;i 傳動比。進電動機起動轉(zhuǎn)矩 TqN cnj）由式子進行估算。其中k為安全系數(shù)，由于在計算起動轉(zhuǎn)矩時沒有加入電動機轉(zhuǎn)子慣 量，因此根據(jù)慣量匹配，選取 k=1.31.5 ,這是

19、比較合理的。代入數(shù)據(jù)得3）計算最大靜轉(zhuǎn)矩Tjmax最大靜轉(zhuǎn)矩Tjmax表示步進電動機所能承受的最大靜態(tài)負載轉(zhuǎn)矩，與啟動轉(zhuǎn) 矩的關(guān)系見表4-2。最大靜轉(zhuǎn)矩與步進電動機的通電方式有關(guān)，可根據(jù)它在步進 電動機技術(shù)手冊中初選步進電動機。表4-2步進電機啟動轉(zhuǎn)矩與最大靜轉(zhuǎn)矩的關(guān)系相數(shù)三相四相五相六項拍數(shù)3648510612_ I 10.50.8660.70 70.7070.8090.95 10.8660.866取步進電動機的通電方式為五相10拍，則最大靜轉(zhuǎn)矩Tjmax4）計算最高起動頻率fk式中，nlmax工件最大轉(zhuǎn)速r/min ）;qp旋轉(zhuǎn)精度 /步）。5）初選步進電動機型號根據(jù)估算出的最大靜轉(zhuǎn)矩Tj

20、max步進電動機技術(shù)手冊中查出90BF006的最大 靜轉(zhuǎn)矩為215.6N cm大于五相10拍時的最大靜轉(zhuǎn)矩 Tjmax=170.962N cm,因 此決定選用90BF006步進電動機。但從表中看出，90BF006步進電動機的最高空 載起動頻率為2400Hz,不能滿足fk7800Hz）的要求，此項指標可暫不考慮， 可以采用軟件升降速程序來解決。6）校核轉(zhuǎn)矩90BF006的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量JM=1.8N cm,因此傳動系統(tǒng)折算到電機軸上的總的 轉(zhuǎn)動慣量JSkg . cm2為步進電動機起動轉(zhuǎn)矩 TqN cnj）I X |最大靜轉(zhuǎn)矩Tjmax它小于步進電動機90BF006的最大靜轉(zhuǎn)矩為215.6N - c

21、m,且有較大的的余量，因 此該步進電動機是合適的。4.1.2旋轉(zhuǎn)一直線運動單元傳動系統(tǒng)設(shè)計計算4)移動部件尺寸及重量估算根據(jù)采用的光幕傳感器LS-7070的外形尺寸，確定承載光幕傳感器的連接臺 的尺寸 N=240N5)滾動導軌的確定1)滾動導軌形式滾動導軌形式選擇雙V型滾珠鋼制淬火導軌。2)導軌長度根據(jù)350mm勺行程范圍及連接臺的尺寸，確定:動導軌長度動導軌行程支承導軌長度保持架長度(3)滾動體尺寸與參數(shù)的確定滾珠直徑取d=6mm滾珠數(shù)目lB=100mm l=350mm L=lB + l=450mmlG=lB + l/2=275mm式中，G為導軌所支承的重量；d為滾珠直徑(4)許用負荷驗算平

22、均每個滾珠上的最大負載 PmaxN式中，PH為導軌的預加負荷，按最大負荷的1/2計算。代入數(shù)據(jù)得對于滾珠導軌，滾珠上的許用負載PN),可用下式計算式中，d滾珠直徑mm ；K 作用在滾動體橫截面上的假定應(yīng)力 N/cm2),參加表4-3;考慮到導軌硬度的修正系數(shù)，參加表 4-4。表4-3滾動體橫截面上的假定應(yīng)力K導軌形式K3100013001500150表4-4導軌硬度的修正系數(shù)鑄鐵導軌HBS1601802002200.60.811.7鋼制淬火導軌HRCP 505557600.520.700.801由于選用的是滾珠鋼制淬火導軌，因此選擇K=60N/cm2 , 1=1,代入公式得 因為Pmax=15

23、.427 P,故導軌可用。3、滾珠絲杠的設(shè)計計算1)計算絲杠軸向力Fm回轉(zhuǎn)體數(shù)控測量裝置是點位控制系統(tǒng)，對系統(tǒng)的動態(tài)性能要求較高，要求能 快速移動，因此作用在滾珠絲杠的軸向的力應(yīng)該以移動部件的慣性力為主，同時 包括移動部件的重量作用在滾動導軌上的摩擦力。設(shè)系統(tǒng)要求移動部件能在10ms內(nèi)從正向最大移動速度加速到反向最大移動速度，其產(chǎn)生的慣性力 F慣LHJ式中，m移動部件的質(zhì)量kg);vlmax移動部件最大移動速度m/s);G 移動部件的重量N);g 重力加速度。ta加速日寸間s) o移動部件的重量作用在滾動導軌上的摩擦力F摩f為滾動導軌的摩擦系數(shù)，f=0.00250.005 ,此處取0.005

24、絲杠軸向力Fm2)最大動負載C選用滾珠絲杠螺母副的直徑d0時，必須保證在一定的軸向負載作用下，絲杠 在回轉(zhuǎn)100萬轉(zhuǎn)后，在它的滾到上不產(chǎn)生點蝕現(xiàn)象。這個軸向負載的最大值稱為 該滾珠絲杠能承受的最大動負載 C,可用下面的公式計算：0式中，L壽命，以106轉(zhuǎn)為一單位；n絲杠轉(zhuǎn)速r/min );vs 為最大切削力條件下的進給速度 m/min),此處就取最高移動速度 的 1/2 ;Lo絲杠導程mm ,根據(jù)表4-5,初選為5mmT使用壽命h),對數(shù)控機床取15000h;fw 運轉(zhuǎn)系數(shù)，無沖擊運轉(zhuǎn)情況取1.01.2 ,取1.2。具體計算如下：表4-5滾珠絲杠螺母副的公稱直徑d0和基本導程L0公 稱 直 徑

25、 d0導程L0122.534568101216202532406810121620253240506380100125180200=OO=OOO O:O O=注：應(yīng)優(yōu)先采用有=的組合，優(yōu)先組合不夠用時，推薦選用。的組合；只有優(yōu) 先組合和推薦組合都不夠用時，才選用黑框內(nèi)的普通組合。3）選擇滾珠絲杠螺母副根據(jù)最大動負載，查滾珠絲杠螺母副標準，可知 W1D2005 2.5圈l列外循環(huán) 墊片調(diào)整預緊的雙螺母滾母絲杠副，額定動荷為8800N可滿足要求，選定精度為3級。表4-6為W1D2005 2.5圈l列外循環(huán)墊片調(diào)整預緊的雙螺母滾母的幾何 參數(shù)。4）絲杠副傳動效率計算滾珠絲杠螺母副的傳動效率為目式中，

26、丫一一絲杠螺旋升角；j 摩擦角，滾珠絲杠螺母副的滾動摩擦系數(shù) f=0.0030.004 ,其摩擦角約 等于10。W12004袞珠絲杠螺母副的螺旋升角為 3 39,代入傳動效率公式得Z1表4-6 W1D2005滾珠絲杠幾何參數(shù)參數(shù)名稱符 號關(guān)系式W1D2005螺紋 滾道公稱直 徑d020導程L05接觸角3 39鋼球直 徑dq3.175滾J法 面半徑RR=0.52dq1.651偏心距e0.045螺紋開 角丫匚13 39螺桿外徑di i19.4內(nèi)徑d1L L 16.788接觸直 徑dzJ16.835螺紋直 徑D123.212內(nèi)徑D11120.6535）剛度驗算和穩(wěn)定性核算由于杠軸向力Fm小，且絲桿的

27、長度較短，因此只要對絲杠螺母及支承絲杠的 軸承進行預緊，剛度和穩(wěn)定性是滿足系統(tǒng)要求的。4、滾動軸承的選擇1）深溝球軸承的選擇和驗算根據(jù)絲杠的公稱直徑d0=20mnST知，絲杠軸頸必定要小于20mm因此初步選 定61802型深溝球軸承，其公稱內(nèi)徑 d=15mm公稱外徑D=24mm內(nèi)、外圈公稱 寬度B=5mm其他尺寸查看表4-7。RJ-7 JOI遂溝球班聯(lián)基本尺女露據(jù)第分1口苛/mmm央怖1前t-7r/X/漢1/r町 :1m1n渴黃粵dDBcd am i nD am a xiamard2 IA -7，/ 1m i n1I fICOr脂油W6000a 4 on545720.Ag .r 0 .2.IU

28、4 o A1f00O A那0.0A A6180C 4 AA8rrc1460.! c. c c J0丁 .4.30L CC2(r c c矽掰%6190A ccc2814960.c20 f .c c ,5 0 . .5.60L L C2(8C C L09鏘901600入c c c2914I960.20 f .5 0 . .5.5828509鏘050600251A00)205A21 .0 0 6TA7.65A A I-33L A電例%0c c6202c c cc2320L7124).i 1I n11.552400邵朧6.027651149一 .0 0 . .2.201.5期掰106,甲00714L8

29、0.20 i.5 0 .I .4.602.609播6,甲05894r2 .飛22 j .6.(FJ05.500016005094260.& i:2 3TO-呼07掰%0600S0220)60624 : ，069.5800掰620.714)4 126 i11.5001郴99680800d2d00 -70A An 0GA CQ274050131711122.710.電1(500526403軸承的尺寸可根據(jù)額定動載荷來選擇。如果軸承的預期壽命Lh和轉(zhuǎn)速n已知，可按下列公式求取軸承所需基本額定動載荷 C日式中，Lh預期壽命，對于機床，取值為 2000030000h;P當量動載荷N);ft溫度系數(shù)，見表

30、4-8 ;e壽命指數(shù)，球軸承e=3;Fr徑向載荷N);Fa軸向載荷N);X徑向動載荷系數(shù)；Y軸向動載荷系數(shù)。深溝球軸承當量動載荷的計算系數(shù) X, Y的取值見表4-9。根據(jù)基本額定動載荷C可以很方便從表3-3選定基本額定動載荷C C的軸 承型號。相對軸向載荷單列相對軸向載荷單列雙列L2SJL - iLjlJ1 1XYXYXYXY0.0140.0560.0840.1720.6481.03-210 992111.30.71.550.170.280:462.073.456.89105671514 13111c01；5 51 5 )4 )010561111.41.15.000.190.260.280.3

31、40.380.44表4-8溫度系數(shù)ft工作溫 度/ c120125150175200225250300ft10.950.90.850.800.750.700.60表4-9深溝球軸承載荷系數(shù)X、Y下面開始具體計算：第二章 軸向載荷Fa 軸向載荷等于絲杠的進給牽引力，為 180.79N;第三章 徑向載荷Fr移動部件的總重量240N絲杠由2個深溝球軸承支承著。為簡便計算，并從安全的角度考慮，取每個深溝球軸承的徑向載荷為120K第四章載荷系數(shù)X、Y61802的徑向基本額定靜載荷 C0r=1300NL查表4-9,得e=0.32。因為選擇的是單列深溝球軸承，計算 因此選擇X=0.56, Y=1.38,當量

32、動載荷第五章溫度系數(shù)ft選擇為1第六章轉(zhuǎn)速n在前面求絲杠的最大動負載時已經(jīng)求的，為 n=220r/min6）基本額定動載荷故61802型軸承滿足要求2、推力球軸承的選擇和驗算初步選定了 51102推力球軸承，下面驗算它是否滿足要求。對于51000型推力球軸承，當量動載荷 P就等于絲杠的進給牽引力。其基本 額定動載荷其中，Ca為軸向基本額定動載荷，通過查表 4-10得到。因此，該推力球軸承滿 足要求。圖4-2 51000型推力球軸承表4-1/r min -1w)d am i nD am xrad1nxaaM0.1110.01212.517.606090圖4-2 51000型推力球軸承表4-1/r

33、 min -1w)d am i nD am xrad1nxaaM0.1110.01212.517.606090。8000.0510105120由 n-0-r-6qr6n04 n 90A Cr-06-p-0 penp28q0n c d d n269280.136010.215.00800:明5 11IU 14 434 n7UCr 4 nn81280.148013.219.00700(305彳0aQ6QAA589200.168010.516.00800:叨5引0Q4 -7Q3a n rQ 4Q-7cr 4 on22220.172016.524.40600%05?04 QQ64 n oA o.TM

34、IC709220.180010.818.00700:叨513104 C3d -7 na nn nc d on522206195617.027.406002051s205284564 4 000c0c8r才)c0502o6(3A215x0314.224.40o o6000J051410443805220022.237.005000.05邛06nr nA UCr d on48311227135.0due55.304000.1513054152052620615.2er c30.L C4060 0m10101010中心 距1 1 i4998(6)步進電動機的計算和選型步進電動機驅(qū)動慣性體時的運動方程

35、為: 式中，JM步進電動機轉(zhuǎn)子慣量kg cm2 ;JL負載折算到電機軸上的總等效轉(zhuǎn)動慣量 kg cm2 ;3步進電動機角速度 rad/s ;TL等效負載轉(zhuǎn)矩N, cmj);Ta加速轉(zhuǎn)矩N- cmj);T步進電機所需轉(zhuǎn)矩N- cmj)。加速轉(zhuǎn)矩Ta在變速區(qū)內(nèi)進行驅(qū)動時根據(jù)加減速而定。如圖 4-3所示直線加速時加速轉(zhuǎn)矩Ta式中，fl自啟動區(qū)的脈沖速度pps;f2變速區(qū)的脈沖速度pps;t1 加速時間s);qb步品巨角 /步)。根據(jù)步進電動機驅(qū)動慣性體時的運動方程來計算所需轉(zhuǎn)矩時，需要知道等效 負載轉(zhuǎn)矩TL、加速轉(zhuǎn)矩Ta、等效轉(zhuǎn)動慣量JL、電動機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量JM及加速時 間t1。由于尚未選取具體型號

36、的步進電動機，轉(zhuǎn)動慣量JM是未知的，因此計算時加速轉(zhuǎn)矩時，轉(zhuǎn)動慣量 JM不加進去，算出來后的再乘以一個1.3的安全系數(shù)就是所需的加速轉(zhuǎn)矩。下面進行具體的計算。1)等效負載慣量JL負載折算到電機軸上的總等效轉(zhuǎn)動慣量 JLkg - cm2式中，J1齒輪Z1其軸的轉(zhuǎn)動慣量kg cm2 ;J4齒輪Z4的轉(zhuǎn)動慣量kg - cm2 ;Js絲杠轉(zhuǎn)動慣量kg - cm2 ;L0絲杠導程cn);G移動部件重量N)。對于鋼質(zhì)圓柱體，其轉(zhuǎn)動慣量 其中，D圓柱體直徑cm);l圓柱體長度cm 。齒輪的直徑級寬度前面已經(jīng)算出，絲杠的長度根據(jù)行程范圍及移動部件的尺 寸確定為500mm齒輪與絲杠的轉(zhuǎn)動慣量如下：I X G=2

37、40N代入公式得3）估算步進電動機起動轉(zhuǎn)矩 TqN cm）步進電動機起動轉(zhuǎn)矩TqN cnj）I x 1式中，TL等效負載轉(zhuǎn)矩N- cm）;Tamax最大加速轉(zhuǎn)矩N- cnrj）。最大加速轉(zhuǎn)矩可以根據(jù)負載的最大加速轉(zhuǎn)矩乘以一定的安全系數(shù)來估算步進電動機的起動轉(zhuǎn)矩，然后初步選定步進電動機型號。設(shè)電機起動加速到最大轉(zhuǎn)速的起動加速時間 ta=0.03s ,則最大負載加速度轉(zhuǎn) 矩 TLamaxN cnrj）-I式中，JL負載折算到電機軸上的總等效轉(zhuǎn)動慣量 kg cm2 ;e電機最大角加速度 ;nmax電機最大轉(zhuǎn)速 r/min ）;vmax最大移動速度轉(zhuǎn)速 mm/min , 2200mm/minta加速時

38、間 s） , 0.03s ;qb步距角 /步），0.75 /步；8 p脈沖當量mm步），0.01mm涉。起動加速轉(zhuǎn)矩TamaxN cnrj）等于負載加速轉(zhuǎn)矩 TLamaxN cnrj）乘以一個1.3 的安全系數(shù)估算得到等效負載轉(zhuǎn)矩TLN- cmj）可以由下式計算:式中，Tf等效摩擦轉(zhuǎn)矩N- cnj);To附加摩擦轉(zhuǎn)矩N- cnj);Fo 導軌白摩擦力2 ；G橫向移動部件的重量，單位為 N;f導軌的摩擦系數(shù)；Lo滾珠絲杠導程cn);i齒輪傳動比；Fpo 滾珠絲杠預加負荷N), 一般軸向力的1/3;刀o滾珠絲杠未預緊時的傳動效率，一般取A 0.9刀一一傳動鏈總效率，一般可取 0.70.85。由于軸

39、向力和摩擦力都比較小，因此在估計起動轉(zhuǎn)矩時，等效負載轉(zhuǎn)矩可以 忽略，起動轉(zhuǎn)矩近似等于最大加速轉(zhuǎn)矩，即3)計算最大靜轉(zhuǎn)矩Tjmax最大靜轉(zhuǎn)矩Tjmax表示步進電動機所能承受的最大靜態(tài)負載轉(zhuǎn)矩，與起動轉(zhuǎn) 矩的關(guān)系見表4-12。最大靜轉(zhuǎn)矩與步進電動機的通電方式有關(guān)，可根據(jù)它在步進 電動機技術(shù)手冊中初選步進電動機。表4-12步進電機啟動轉(zhuǎn)矩與最大靜轉(zhuǎn)矩的關(guān)系相數(shù)三相四相五相六項拍數(shù)3648510612L *110.50.8660.70 70.7070.8090.95 10.8660.866若取三相6拍，則若取五相10拍,則4)最高起動頻率fkHz)式中，vmax最大移動速度m/min),為2.2m/m

40、in ;S p脈沖當量mm步)，為0.01mm涉。5)初選步進電動機型號根據(jù)估算出的最大靜轉(zhuǎn)矩Tjmax步進電動機技術(shù)手冊中查出90BF004的最大 靜轉(zhuǎn)矩為245N cm大于五相10拍時的最大靜轉(zhuǎn)矩 Tjmax=53.48N cm,而且有 較大的余量，因此決定選用 90BF004步進電動機。從表中看出，90BF004步進電 動機的最高空載起動頻率為4000Hz,能滿足fk3666.7Hz)的要求。(6)校核轉(zhuǎn)矩90BF004的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量JM=1.8N cm,因此傳動系統(tǒng)折算到電機軸上的總的 轉(zhuǎn)動慣量JSkg . cm2為步進電動機起動轉(zhuǎn)矩 TqN cnj)最大靜轉(zhuǎn)矩TjmaxN cnj)9

41、0BF004的最大靜轉(zhuǎn)矩為245N cm大于五相10拍時的最大靜轉(zhuǎn)矩 Tjmax=71.42N cm,而且有較大白余量，因此 90BF004滿足轉(zhuǎn)矩要求。因為I因此滿足負載匹配要求。最后，選擇90BF004步進電動機作為旋轉(zhuǎn)一運動單元傳動系統(tǒng)的驅(qū)動機構(gòu)。4.2機械部分結(jié)構(gòu)設(shè)計經(jīng)過計算，此次回轉(zhuǎn)體數(shù)控測量裝置回轉(zhuǎn)單元采用90BF006型步進電動機，經(jīng)過兩對齒輪減速，齒輪齒數(shù) Z1=20, Z2=36, Z3=20, Z4=40,模數(shù)m=2直線單 元采用90BF004型步進電動機，經(jīng)一對齒輪減速，齒輪齒數(shù) Z1=24, Z2=25,模數(shù) m=2滾珠絲杠白公稱直徑 d0=20mm滾絲杠螺母副選用的是 W1D2005 2.5圈l列 外循環(huán)墊片調(diào)整預緊的雙螺母滾珠絲杠螺母副。附圖A為回轉(zhuǎn)體數(shù)控測量裝置裝配圖，設(shè)計時可以考慮以下問題：1、為減小摩擦力，直線單元采用雙 V型滾動導軌，用方頭長圓柱緊定螺釘66對導軌進行預緊，調(diào)好以后，再用內(nèi)六角圓柱頭螺釘69鎖緊。一共采用了 14個方頭長圓柱緊定螺釘和16各內(nèi)六角圓柱頭螺釘對導軌進行預緊和鎖緊。2、滾珠絲杠兩端通過