滚珠丝杠螺母副的设计

精品文档 0欢迎下载0欢迎下载 沈阳理工大 学 目录目录 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 精品文档 1欢迎下载1欢迎下载 沈阳理工大 学 前言前言 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 精品文档 2欢迎下载2欢迎下载 沈阳理工大 学 1 滚珠丝杠螺母副的设计 1 1 确定滚珠丝杠副的导程 Ph 8 3mm Vmax inmax 10000 1 1200 取 Ph 10mm Ph 滚珠丝杠副的导程 mm Vmax 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 1 Vmax 10m min n max 1200r min 代入得 Ph 8 3mm 查表 取 Ph 10mm 1 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 350r min Vmax Ph 3500 10 nmin 0 1r min Vmin Ph 1 10 1 2 2 各种切削方式下 丝杠轴向载荷 精品文档 3欢迎下载3欢迎下载 沈阳理工大 学 Fmax 4500 0 01 833 4583 3N Fmin 0 01 833 83 3N 1 2 3 当量转速 nm 175 05mm min nmax nmin 2 350 0 1 2 1 2 4 当量载荷 Fm 3083 3N 2Fmax Fmin 3 2 1583 3 83 3 3 1 3 预期额定动载荷 1 3 1 按预期工作时间估算 Cam 3 60nmLh Fmfw 100fafc Cam 预期额定动载荷 N 按表查得 轻微冲击取 fw 1 3 fa 1 可靠性 90 取 fc 1 已知 Lh 15000 小时 代入得 Cam 28362 6N 1 3 2 拟采用预紧滚珠丝杠副 按最大负载 Fmax计算 Cam FeFmax 按表查得 中预载取 fe 4 5 精品文档 4欢迎下载4欢迎下载 沈阳理工大 学 代入得 Cam 20624 85N 取以上两种结果的最大值 Cam 28362 6N 1 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 m 重复定位精度 1 3 1 4 m 定位精度 1 4 1 5 m 最大轴向变形量 m 已知 重复定位精度 6 m 定位精度 12 m m 2 m 3 m 3 取两种结果的小值 m 2 m 1 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 10 0 039 d2m 最小螺纹底径 mm L 1 1 1 2 行程 10 14 Ph 1 1 350 10 10 485mm 静摩擦力 F0 mg 0 01 85 9 8 8 3N 精品文档 5欢迎下载5欢迎下载 沈阳理工大 学 代入得 d2m 0 039 1 7mm 1 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 3 Ph 10mm Ca 30000 Cam 28362N d2 39 5mm d2m 1 7mm 1 6 确定滚珠丝杠副预紧力 Fp Fmax 4583 3 1527 8N 1 3 1 3 1 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 17 m 1 7 2 预拉伸力 Ft 1 95 td22 1 95 2 5 34 32 5735 4N 1 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 精品文档 6欢迎下载6欢迎下载 沈阳理工大 学 FBmax Ft Fmax 5735 4583 3 10320N 1 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 3mm FBP FBmax 3279N 1 3 取 d 30mm 1 8 4 轴承预紧力 预加负荷 3300N FBP 1527 8N 1 8 5 按样本选轴承型号规格 选 760206TNI 轴承 d 30mm 1 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 40 Ls Lu 2Le 560 2 40 640mm 1 9 2 两固定支承距离 L1 L1 640 135 775mm 精品文档 7欢迎下载7欢迎下载 沈阳理工大 学 丝杠全长 L L 775 85 85 945mm 1 9 3 行程起点离固定支承距离 L0 L0 L2 B 15 15 30mm 2 电机选择 精品文档 8欢迎下载8欢迎下载 沈阳理工大 学 2 1 参数计算 2 1 1 功率 P Fv 900W 4500 12 60 2 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 Ji 2 mj 2 ni nm vj 2 nm 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 cm2 2 1 3 力矩计算 空载启动时 折算到电机轴上的加速力矩 Tamax Tamax 0 125N M JLnmax 9 6t 2 10 3 1500 9 6 2 折算到电动机上的摩擦力矩 Tt Tt 10 3 10 3 0 0165N m F0Ph 2 i 8 3 10 2 3 14 0 8 1 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 T0 T0 10 3 10 3 3 29N m Famax Ph 1 02 2 i 8700 10 1 0 92 2 3 14 0 8 1 精品文档 9欢迎下载9欢迎下载 沈阳理工大 学 总力矩 Tm Tamax Tt T0 3 43N m 2 2 型号选择 根据转动惯量和力矩选择电机型号为 120MB150B 001000 2 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 2222 3 传动系统刚度 精品文档 10欢迎下载10欢迎下载 沈阳理工大 学 3 1 丝杠抗压刚度 3 1 1 丝杠最小抗压刚度 Ksmin 6 6 102 d22 L1 Ksmin 最小抗压刚度 N m d2 丝杠底径 L1 固定支承距离 代入得 Ksmin 6 6 102 1001 9N m 34 32 775 3 1 2 丝杠最大抗压刚度 Ksmax 6 6 102 6731 3N m d22L1 4L0 L1 L0 3 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 3 dQZ2Famaxsin5 KBO 一对预紧轴承的组合刚度 N m dQ 滚珠直径 mm Z 滚珠数 Famax 最大轴向工作载荷 N 轴承接触角 精品文档 11欢迎下载11欢迎下载 沈阳理工大 学 dQ 7 938 Z 19 60 代入得 KB0 1076 N m 3 2 2 支承轴承组合刚度 由两端固定支承 Kb 2KBO 2 1076 3152 N m 3 2 3 滚珠丝杠副滚珠和滚道的接触刚度 KC Kc KC 滚珠和滚道的接触刚度 N m Kc 查样本上的刚度 N m FP 滚珠丝杠副预紧力 N Ca 额定动载荷 N 由样本查得 Kc 973 N m Ca 30000N FP 1528N 代入得 KC 777N m 3 3 刚度验算及精度选择 3 3 1 验算传动系统刚度 精品文档 12欢迎下载12欢迎下载 沈阳理工大 学 2 7 10 3N m 1 Kmin 1 Ksmin 1 Kb 1 Kc 1 101 9 1 2152 1 777 Kmin 370 1 9 10 3N m 1 Kmax 1 Ksmax 1 Kb 1 Kc Kmax 526 F0 w1 0 01 85 9 8 8 3N Kmin 1 6F0 反向差值 已知反向差值或重复定位精度为 10 Kmin 1 328 1 6 8 3 10 3 3 2 传动系统刚度变化引起的定位误差 k F0 6 6 10 3 m 1 Kmin 1 Kmax 3 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 k 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 精品文档 13欢迎下载13欢迎下载 沈阳理工大 学 公称直径 40mm 导程 10mm 螺纹长度 640mm 丝杠全长 945mm P 类 3 级精度 即 FFZD3210 3 P3 945 640 3 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 f 107 d2 Lc22 f 与支承形式有关的系数 d2 丝杠底径 mm Lc2 临界转速计算长度 mm 由表得 f 21 9 d2 34 3mm Lc2 L1 L0 775 30 745mm 代入得 nc 21 9 107 13534 nmax 1200r min 34 3 7452 3 6 验算 Dn Dpw d2 Dw 34 3 7 144 34 444mm Dn Dpw nmax 34 444 1200 41332 8 70000 Dpw 滚珠丝杠副的节圆直径 mm 精品文档 14欢迎下载14欢迎下载 沈阳理工大 学 nmax 滚珠丝杠副最高转速 r min 3 7 基本轴向额定静载荷 Coa验算 fsFamax Coa fs一般为 1 5 Coa 50 2kN 66300N Famax 870N m 1 5 8700 13050 66300 3 8 强度计算 d22 Famax 1 4 d2 许用应力 N mm2 取 726N mm2 d2 3 91mm 验算合格 4 4 控制系统的设计控制系统的设计 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 精品文档 15欢迎下载15欢迎下载 沈阳理工大 学 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 精品文档 16欢迎下载16欢迎下载 沈阳理工大 学 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 24 1 2 系统硬件接线图系统硬件接线图 精品文档 17欢迎下载17欢迎下载 沈阳理工大 学 图 4 4 系统硬件接线图 4 24 2 PLCPLC控制梯形图设计控制梯形图设计 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 精品文档 18欢迎下载18欢迎下载 沈阳理工大 学 精品文档 19欢迎下载19欢迎下载 沈阳理工大 学 图 4 5 软件流程图 4 2 2 PLC 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s s 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 精品文档 0欢迎下载0欢迎下载 沈阳理工大 学 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 QICTECT 周期增量 s 1 400 500100 1 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0 2 s 第四段周期增量为 第五段周期增量为 s 1 200 100300 3 0 4 s 1 200 300500 5 根据步进电机的频率曲线绘制多段PTO包络表2 2 1如下 表 4 1 多段 PTO 包络表 V存储器地址 数据 VB500 5 段 VW501 500 初始周期 VW503 1 第一段周期增量 VD505 400 第一段脉冲数 VW509 100 第二段初始周期 VW511 0 第二段周期增量 VD513 2000 第二段脉冲数 VW517 100 第三段初始周期 VW519 1 第三段周期增量 VD521 200 第三段脉冲数 VW525 300 第四段初始周期 VW527 0 第四段周期增量 VD529 1200 第四段脉冲数 VW533 300 第五段初始周期 VW535 1 第五段周期增量 VW537 200 第五段脉冲数 精品文档 1欢迎下载1欢迎下载 沈阳理工大 学 4 2 3 PLC 控制梯形图 主程序 子程序 精品文档 2欢迎下载2欢迎下载 沈阳理工大 学 精品文档 3欢迎下载3欢迎下载 沈阳理工大 学 精品文档 4欢迎下载4欢迎下载 沈阳理工大 学 中断子程序 精品文档 5欢迎下载5欢迎下载 沈阳理工大 学 设计总结设计总结 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