机电一体化课程设计-滚珠丝杠螺母副的设计

№沈阳理工大学课程设计专用纸№PAGE沈阳理工大沈阳理工大提供完整版的毕业设计目录前言……………………滚珠丝杠螺母副的设计……………………轴承选择……………电机选择……………设计总结……………参考文献……………前言机电一体化是以机械技术和电子技术为主题，多门技术学科相互渗透、相互结合的产物，是正在发展和逐渐完善的一门新兴的边缘学科。机电一体化使机械工业的技术结构、产品结构、功能与构成、生产方式及管理体系发生了巨大变化，使工业生产由“机械电气化”迈入了以“机电一体化”为特征的发展阶段。随着社会生产和科学技术的迅速发展，机械产品的性能和质量不断提高。产品的更新换代也不断加快。因此对机床不仅要求具有较高的精度和生产率，而且应能迅速地适应产品零件的变换，生产的需要促使了数控机床的产生。数控机床是指机床的操作命令以数值数字的形式描述工作过程按规定的程序自动进行的机床。随着微电子技术，特别是计算机技术的发展，数控机床迅速地发展起来。装备工业的技术水平和现代化程度决定着整个国民经济的水平和现代化程度，数控技术及装备是发展新兴高新技术产业和尖端工业（如信息技术及其产业、生物技术及其产业、航空、航天等国防工业产业）的使能技术和最基本的装备。马克思曾经说过“各种经济时代的区别，不在于生产什么，而在于怎样生产，有什么劳动资料生产”。制造技术和装备就是人类生产活动的最基本的生产资料，而数控技术又是当今先进制造技术和装备最核心的技术。当今世界各国制造业广泛采用的数控技术，以提高制造能力和水平，提高对动态多变市场的适应能力和竞争能力。此外世界上各工业发达国家还将数控技术及数控装备列为国家的战略物资，不仅采取重大措施来发展自己的数控技术及其产业，而且在“高精尖”数控关键技术和装备方面对我国实行封锁和限制政策。总之，大力发展以数控技术为核心的先进制造技术已成为世界各发达国家加速经济发展、提高综合国力和国家地位的重要途径。此次“机电一体化课程设计”主要简单设计出数控机床系统，其实离实际真正工业用数控机床还有很大的距离。由于时间仓促和自己知识水平有限，在设计中难免会有些许瑕疵，恳请老师指正。

1滚珠丝杠螺母副的设计1.1确定滚珠丝杠副的导程Ph=EQ\F(Vmax,inmax)=EQ\F(10000,1×1200)=8.3mm取Ph=10mmPh：滚珠丝杠副的导程mmVmax：工作台最高移动速度nmax：电机最高转速i：传动比因电机与丝杠直联，i=1Vmax=10m/min，nmax=1200r/min代入得，Ph=8.3mm查表，取Ph=10mm1.2确定当量转速与当量载荷1.2.1各种切削方式下，丝杠转速nmax=EQ\F(Vmax,Ph)=EQ\F(3500,10)=350r/minnmin=EQ\F(Vmin,Ph)=EQ\F(1,10)=0.1r/min1.2.2各种切削方式下，丝杠轴向载荷Fmax=4500+0.01×833=4583.3NFmin=0.01×833=83.3N1.2.3当量转速nm=EQ\F(nmax+nmin,2)=EQ\F(350+0.1,2)=175.05mm/min1.2.4当量载荷Fm=EQ\F(2Fmax+Fmin,3)=EQ\F(2×1583.3+83.3,3)=3083.3N1.3预期额定动载荷1.3.1按预期工作时间估算Cam=eq\r(3,60nmLh)EQ\F(Fmfw,100fafc)Cam：预期额定动载荷N按表查得：轻微冲击取fw=1.3fa=1可靠性90%取fc=1已知：Lh=15000小时代入得Cam=28362.6N1.3.2拟采用预紧滚珠丝杠副，按最大负载Fmax计算：Cam=FeF按表查得：中预载取fe=4.5代入得Cam=20624.85N取以上两种结果的最大值Cam=28362.6N1.4确定允许的最小螺纹底径1.4.1估算丝杠允许的最大轴向变形量①δm≤（EQ\F(1,3)～EQ\F(1,4)）重复定位精度②δm≤（EQ\F(1,4)～EQ\F(1,5)）定位精度δm:最大轴向变形量µm已知：重复定位精度6µm,定位精度12µm①δm=2δm=3②δm=3取两种结果的小值δm=2µm1.4.2估算最小螺纹底径丝杠要求预拉伸，取两端固定的支承形式d2m=10eq\r(2,EQ\F(10F0L,пδmE))=0.039eq\r(2,EQ\F(F0L,δm))d2m：最小螺纹底径mmL≈(1.1～1.2)行程+（10～14）Ph=1.1×350+10×10=485mm静摩擦力F0=μmg=0.01×85×9.8=8.3N代入得d2m=0.039eq\r(2,eq\f(8.3×485,2))=1.7mm1.5确定滚珠丝杠副的规格代号1.5.1选内循环浮动式法兰，直筒双螺母型垫片预形式1.5.2由计算出的Ph,Cam,d2m在样本中取相应规格的滚珠丝杠副FFZD4010-3Ph=10mm,Ca=30000>Cam=28362N,d2=39.5mm>d2m=1.7mm1.6确定滚珠丝杠副预紧力Fp=EQ\F(1,3)Fmax=EQ\F(1,3)×4583.3=1527.8N1.7行程补偿值与与拉伸力1.7.1行程补偿值C=11.8△tLu×10-6式中：Lu=350+148+2×30=558mm△t取2.5°C代入得C=17μm1.7.2预拉伸力Ft=1.95△td22=1.95×2.5×34.32=5735.4N1.8确定滚珠丝杠副支承用的轴承代号、规格1.8.1轴承所承受的最大轴向载荷FBmax=Ft+Fmax=5735+4583.3≈10320N1.8.2轴承类型两端固定的支承形式，选背对背60°角接触推力球轴承1.8.3轴承内径d略小于d2=34.3mmFBP=EQ\F(1,3)FBmax=3279N取d=30mm1.8.4轴承预紧力预加负荷3300N≥FBP=1527.8N1.8.5按样本选轴承型号规格选760206TNI轴承d=30mm1.9滚珠丝杠副工作图设计1.9.1丝杠螺纹长度Ls：由表查得余程Le=40Ls=Lu+2Le=560+2×40=640mm1.9.2两固定支承距离L1L1=640+135=775mm丝杠全长LL=775+85+85=945mm1.9.3行程起点离固定支承距离L0L0=L2+B=15+15=30mm2电机选择2.1参数计算2.1.1功率P=Fv=eq\f(4500×12,60)=900W2.1.2负载转动惯量JL（kg·m2）及传动系统转动惯量J（kg·m2）的计算JL=ΣJi（eq\f(ni,nm)）2+Σmj(eq\f(vj,2пnm))2式中JL，ni为各旋转件的转动惯量（kg·m2）和转速（r/min）mj,vj为各直线运动件的质量（kg）和速度（m/min）Jm,nm为电机的转动惯量（kg·m2）和转速（r/min）JL=20kg·cm22.1.3力矩计算空载启动时，折算到电机轴上的加速力矩TamaxTamax=eq\f(JLnmax,9.6t)=eq\f(2×10-3×1500,9.6×2)=0.125N·M折算到电动机上的摩擦力矩TtTt=eq\f(F0Ph,2пηi)×10-3=eq\f(8.3×10,2×3.14×0.8×1)×10-3=0.0165N·m由于丝杠预紧力引起和折算到电动机轴上的附加摩擦力矩T0T0=eq\f(Famax×Ph(1-η02),2пηi)×10-3=eq\f(8700×10×(1-0.92),2×3.14×0.8×1)×10-3=3.29N·m总力矩Tm=Tamax+Tt+T0=3.43N·m2.2型号选择根据转动惯量和力矩选择电机型号为120MB150B-0010002.3联轴器选择根据电动机轴径，力矩等因素选择联轴器LK11-126K-22223传动系统刚度3.1丝杠抗压刚度3.1.1丝杠最小抗压刚度Ksmin=6.6eq\f(d22,L1)×102Ksmin：最小抗压刚度N/μmd2：丝杠底径L1：固定支承距离代入得Ksmin=6.6×eq\f(34.32,775)×102=1001.9N/μm3.1.2丝杠最大抗压刚度Ksmax=6.6×eq\f(d22L1,4L0(L1-L0))×102=6731.3N/μm3.2支承轴承组合刚度3.2.1一对预紧轴承的组合刚度KBO=2×2.34×eq\r(3,dQZ2Famaxsin5β)KBO：一对预紧轴承的组合刚度

N/μmdQ：滚珠直径mmZ：滚珠数Famax：最大轴向工作载荷

Nβ：轴承接触角dQ=7.938,Z=19,β=60代入得KB0=1076N/μm3.2.2支承轴承组合刚度由两端固定支承Kb=2KBO=2×1076=3152N/μm3.2.3滚珠丝杠副滚珠和滚道的接触刚度KC=Kc′eq\r(3,eq\f(FP,0.1Ca))KC：滚珠和滚道的接触刚度N/μmKc′：查样本上的刚度N/μmFP：滚珠丝杠副预紧力NCa：额定动载荷N由样本查得：Kc′=973N/μm；Ca=30000N；FP=1528N代入得KC=777N/μm3.3刚度验算及精度选择3.3.1验算传动系统刚度eq\f(1,Kmin)=eq\f(1,Ksmin)+eq\f(1,Kb)+eq\f(1,Kc)=eq\f(1,101.9)+eq\f(1,2152)+eq\f(1,777)=2.7×10-3N/μmKmin=370eq\f(1,Kmax)=eq\f(1,Ksmax)+eq\f(1,Kb)+eq\f(1,Kc)==1.9×10-3N/μmKmax=526F0=μw1=0.01×85×9.8=8.3NKmin≥eq\f(1.6F0,反向差值)已知反向差值或重复定位精度为10Kmin≥eq\f(1.6×8.3,10)=1.3283.3.2传动系统刚度变化引起的定位误差δk=F0（eq\f(1,Kmin)-eq\f(1,Kmax)）=6.6×10-3μm3.3.3确定精度V300p：任意300mm内的行程变动量对半闭环系统言V300P≤0.8×定位精度-δk所以，丝杠精度选取3级3.3.4确定滚珠丝杠副的规格代号已确定的型号FFZD公称直径40mm导程10mm螺纹长度640mm丝杠全长945mmP类3级精度即FFZD3210-3-P3/945×6403.4验算临界压缩载荷丝杠所受最大轴向载荷小于丝杠预拉伸力Ft不用验算3.5验算滚珠丝杠副的临界转速nc（r/min）nc=feq\f(d2,Lc22)×107f:与支承形式有关的系数d2：丝杠底径mmLc2：临界转速计算长度mm由表得f=21.9d2=34.3mmLc2=L1-L0=775-30=745mm代入得nc=21.9×eq\f(34.3,7452)×107=13534>nmax=1200r/min3.6验算DnDpw=d2+Dw=34.3+7.144=34.444mmDn=Dpw·nmax=34.444×1200=41332.8<70000Dpw:滚珠丝杠副的节圆直径mmnmax:滚珠丝杠副最高转速r/min3.7基本轴向额定静载荷Coa验算fsFamax≤Coafs一般为1.5Coa=50.2kN=66300NFamax=870N/μm1.5×8700=13050<663003.8强度计算[σ]eq\f(1,4)пd22≥Famaxd2≥eq\r(2,eq\f(4Famax,п[σ]))[σ]许用应力（N/mm2）取[σ]=726N/mm2d2≥eq\r(2,eq\f(4×8700,3.14×726))=3.91mm验算合格4控制系统的设计4.1控制系统PLC与变频器，编码器，交流电机连线图的设计4.1.1硬件的选择3G3MZ系列变频器乃针对各种变频调速应用而开发：人性化的设计和先进的制造管理技术以及欧姆龙一贯的造型简约、功能丰富的风格，结合最新的用户的技术需求，使其具备了高贵的血统和最贴近市场的元素。涵盖了风机泵类专用功能，开环矢量功能，内置噪声滤波器以及多种网络总线功能，3G3MZ将是最节约而最完美的选择。图4.1变频器多速开关控制接线图交流电机选型要根据功率、转速、电压等级、应用场合、放水标准等条件选择，交流电机控制非常简单，运用变频器，软启动器或直接启动都可以控制，直流电机控制现在也不是很复杂，只是直流电机不能做到交流电机的免维护，故障率稍高，如果工作条件差还是建议使用交流电机。一般直流电机比交流电机造价高，但直流电机机械特性要稍好于交流电机。不过现在采用矢量变频控制技术的交流电机已经和直流电机特性已经非常接近。单相300VAC和3相400VAC机种内置有噪音滤波器，因此无需外部配线。图4.2交流电机接线示意图图4.3控制回路端子连接示意图交流电机是用于实现机械能和交流电能相互转换的机械。由于交流电力系统的巨大发展，交流电机已成为最常用的电机。交流电机与直流电机相比，由于没有换向器因此结构简单，制造方便，比较牢固，容易做成高转速、高电压、大电流、大容量的电机。交流电机功率的覆盖范围很大.交流电机按其功能通常分为交流发电机、交流电动机和同步调相机几大类。由于电机工作状态的可逆性，同一台电机既可作发电机又可作电动机。把电机分为发电机与电动机并不很确切，只是有些电机主要作发电机运行，有些电机主要作电动机运行。4.1.2系统硬件接线图图4.4系统硬件接线图4.2PLC控制梯形图设计4.2.1软件流程图课程设计的要求是加速-匀速1-减速-匀速2-减速停的速度曲线，并可以正反转得软件流程图。图4.5软件流程图4.2.2PLC程序计算假设电机5段的脉冲总数为4000，启动和停止时的脉冲频率为2kHZ,最大脉冲频率为10kHZ即起始和停止时的周期为500，最高频率的周期为100，第一段加速脉冲400个，第二段匀速脉冲2000个，第三段减速脉冲200个，第四段匀速脉冲1200个，第五段减速脉冲200个。图4.6步进电机的频率曲线期增量由公式：,第一段的周期增，第二段的周期增量为，假设第四段的开始周期为300则第三段的周期增量为，第四段周期增量为，第五段周期增量为。根据步进电机的频率曲线绘制多段PTO包络表2.2.1如下：V存储器地址数据VB5005(段）VW501500（初始周期）VW503-1（第一段周期增量）VD505400（第一段脉冲数)VW509100(第二段初始周期）VW5110（第二段周期增量)VD5132000(第二段脉冲数）VW517100（第三段初始周期）VW5191(第三段周期增量）VD521200（第三段脉冲数）VW525300（第四段初始周期）VW5270（第四段周期增量）VD5291200（第四段脉冲数）VW533300（第五段初始周期）VW5351（第五段周期增量）VW537200（第五段脉冲数）表4.1多段PTO包络表4.2.3PLC控制梯形图主程序：子程序：中断子程序：设计总结通过这次的课程设计，让我受益匪浅。在课程设计期间通过与同学们之间的交流和老师的指导，使自己学到了不少知识。除了学会了西门子S7—200的基本知识，并掌握了S7—200的工作原理和一些指令的功能以外，还掌握了变频器的使用方法，并且深化了我对PLC控制技术的理解。在这次课程设计中我觉得最重要的就是要有自学能力，因为这次实训中有部分知识我们之前还没有接触过，所以自己必须学会查找相关的资料。另外就是在遇到实际问题的时候，要认真思考，运用所学的知识，一步一步的去探索，是完全可以解决遇到的一般问题的。而在这次设计程序的过程中，我一开始时走了很多弯路，这也是自己的知识不够扎实的原因。不过经过自己几天的努力，最后还是做了出来，而且还做得挺不错的。虽然我们设计的东西并不难，但是在设计的过程中我学到了书本上所没有学到的东西。只有理论，没有结合实际是很难做出东西的。比如在调试的过程中，遇到问题往往是书本上的知识不能直接的解决的，只要在扎实的专业知识的前提下，我们才能把东西做好。经过这次的课程设计，让我深深的感受到理论联系实践的重要性，平时在学习中不能够透彻理解的知识，通过动手，会有更好的认知。本次课程设计虽然不长，但是它给我们带来了很多收获。它使我意识到自己的操作能力的不足，在理论上还存在很多缺陷。所以在以后的学习生活中，我会更加努力地加强理论联系实践的学习，在努力学好专业知识的同时努力加强自己的专业技能方面的能力，使自己的知识在实践中不断增长，在实践中锻炼自己，培养自己各方面的能力，不断提高自己的能力。参考文献陈铁鸣主编．机械设计．第4版．哈尔滨,哈尔滨工业大学出版社,2006王连明,宋宝玉主编．机械设计课程设计．第2版.哈尔滨,哈尔滨工业大学出版社,20053.王知行，刘廷荣主编．.机械原理．.北京：高等教育出版社，20054.宋宝玉主编．机械设计手册（第二版）．北京：机械工业出版社，20045.陈铁鸣主编．新编机械设计课程设计图册．北京：高等教育出版社，20066.张志军.课程设计手册.沈阳理工大学出版，2009基于C8051F单片机直流电动机反馈控制系统的设计与研究基于单片机的嵌入式Web服务器的研究MOTOROLA单片机MC68HC（8）05PV8/A内嵌EEPROM的工艺和制程方法及对良率的影响研究基于模糊控制的电阻钎焊单片机温度控制系统的研制基于MCS-51系列单片机的通用控制模块的研究基于单片机实现的供暖系统最佳启停自校正（STR）调节器单片机控制的二级倒立摆系统的研究基于增强型51系列单片机的TCP/IP协议栈的实现基于单片机的蓄电池自动监测系统基于32位嵌入式单片机系统的图像采集与处理技术的研究基于单片机的作物营养诊断专家系统的研究基于单片机的交流伺服电机运动控制系统研究与开发基于单片机的泵管内壁硬度测试仪的研制基于单片机的自动找平控制系统研究基于C8051F040单片机的嵌入式系统开发基于单片机的液压动力系统状态监测仪开发模糊Smith智能控制方法的研究及其单片机实现一种基于单片机的轴快流CO〈,2〉激光器的手持控制面板的研制基于双单片机冲床数控系统的研究基于CYGNAL单片机的在线间歇式浊度仪的研制基于单片机的喷油泵试验台控制器的研制基于单片机的软起动器的研究和设计基于单片机控制的高速快走丝电火花线切割机床短循环走丝方式研究基于单片机的机电产品控制系统开发基于PIC单片机的智能手机充电器基于单片机的实时内核设计及其应用研究基于单片机的远程抄表系统的设计与研究基于单片机的烟气二氧化硫浓度检测仪的研制基于微型光谱仪的单片机系统单片机系统软件构件开发的技术研究基于单片机的液体点滴速度自动检测仪的研制基于单片机系统的多功能温度测量仪的研制基于PIC单片机的电能采集终端的设计和应用基于单片机的光纤光栅解调仪的研制气压式线性摩擦焊机单片机控制系统的研制基于单片机的数字磁通门传感器基于单片机的旋转变压器-数字转换器的研究基于单片机的光纤Bragg光栅解调系统的研究单片机控制的便携式多功能乳腺治疗仪的研制基于C8051F020单片机的多生理信号检测仪基于单片机的电机运动控制系统设计Pico专用单片机核的可测性设计研究基于MCS-51单片机的热量计基于双单片机的智能遥测微型气象站MCS-51单片机构建机器人的实践研究基于单片机的轮轨力检测基于单片机的GPS定位仪的研究与实现基于单片机的电液伺服控制系统用于单片机系统的MMC卡文件系统研制基于单片机的时控和计数系统性能优化的研究基于单片机和CPLD的粗光栅位移测量系统研究单片机控制的后备式方波UPS提升高职学生单片机应用能力的探究基于单片机控制的自动低频减载装置研究基于单片机控制的水下焊接电源的研究基于单片机的多通道数据采集系统基于uPSD3234单片机的氚表面污染测量仪的研制基于单片机的红外测油仪的研究96系列单片机仿真器研究与设计基于单片机的单晶金刚石刀具刃磨设备的数控改造基于单片机的温度智能控制系统的设计与实现基于MSP430单片机的电梯门机控制器的研制基于单片机的气体测漏仪的研究基于三菱M16C/6N系列单片机的CAN/USB协议转换器基于单片机和DSP的变压器油色谱在线监测技术研究基于单片机的膛壁温度报警系统设计基于AVR单片机的低压无功补偿控制器的设计基于单片机船舶电力推进电机监测系统基于单片机网络的振动信号的采集系统基于单片机的大容量数据存储技术的应用研究基于单片机的叠图机研究与教学方法实践基于单片机嵌入式Web服务器技术的研究及实现基于AT89S52单片机的通用数据采集系统基于单片机的多道脉冲幅度分析仪研究机器人旋转电弧传感角焊缝跟踪单片机控制系统基于单片机的控制系统在PLC虚拟教学实验中的应用研究基于单片机系统的网络通信研究与应用基于PIC16F877单片机的莫尔斯码自动译码系统设计与研究基于单片机的模糊控制器在工业电阻炉上的应用研究基于双单片机冲床数控系统的研究与开发基于Cygnal单片机的μC/OS-Ⅱ的研究基于单片机的一体化智能差示扫描量热仪系统研究基于TCP/IP协议的单片机与Internet互联的研究与实现变频调速液压电梯单片机控制器的研究基于单片机γ-免疫计数器自动换样功能的研究与实现基于单片机的倒立摆控制系统设计与实现单片机嵌入式以太网防盗报警系统基于51单片机的嵌入式Internet系统的设计与实现单片机监测系统在挤压机上的应用MSP430单片机在智能水表系统上的研究与应用基于单片机的嵌入式系统中TCP/IP协议栈的实现与应用单片机在高楼恒压供水系统中的应用基于ATm