滚珠丝杠课程设计

本 科 生 专 业 课 程 设 计（ 届）学生姓名： 学 号： 专业名称： 班 级： 指导教师： 年 月 日目 录专业课程设计计算说明书3原始数据3一、系统总体方案设计3二、机械系统的设计计算4三、控制系统设计19专业课程设计计算说明书原始数据设计一台微机控制XY两坐标工作台，采用MCS-51单片机控制, 控制方式采用步进电机开环控制。其他参数如下：脉冲当量mm/step定位精度mm最大移动速度m/min工作台尺寸mm进给抗力N工作台行程mm台面上最大物重质量kgXY0.0050.041100*15050032022545一、系统总体方案设计步进电动机减速器滚珠丝杠步进电动机减速器工作台滚珠丝杠X方向传动机构Y方向传动机构微型机机电接口驱动电路人机接口由设计任务书知，本次设计可采用如下方案：（一）机械系统1、 传动机构采用滚珠丝杠副与齿轮或带减速。2、 导向机构采用滚动直线导轨。3、 执行机构采用步进电机。（二）接口设计1、人机接口（1）采用键盘或BCD码盘作为输入。（2）采用LED作为电源等指示标志。（3）采用蜂鸣器或扬声器作为警报装置。（4）采用数码管作为显示器。2、机电接口采用光电偶合器作为微型机与步进电动机驱动电路的接口，实现电气隔离。（三）伺服系统设计本次设计的系统精度要求不高，载荷不大，因此采用开环控制。（四）控制系统设计微型机接口电路功放电路执行元件机械传动执行机构开环控制流程图1、控制部分方案选择控制方案不外乎三种：开环控制、半闭环控制、闭环控制。CPU光偶驱动器步进电机人机接口速度位移显示、报警开环控制原理图上图为最简单的“开环控制”，若在“机械传动”机构中引出反馈控制部分，再经过比较放大的则为“半闭环控制”。如若是在“机械执行机构中引出反馈则为闭环控制。采用步进电机来实现驱动，一般情况下多采用开环控制。因为步进电机的输出转角与控制器提供的脉冲数有着正比关系，电机转速与控制器提供的脉冲频率成正比。因此通常在精确度要求不是很高时，采用步进电机是合理的。当然，由于步进电机具有高频易失步，负载能力不强的缺点。二、机械系统的设计计算（本次设计若未作特殊说明，其中的表与图均来自：由郑堤主编的机电一体化设计基础）（一）初选步进电动机根据已知条件：X、Y方向的脉冲当量分别为：即脉冲当量较小，因此这里选用反应式步进电动机。其特点是：步距角小，运行频率高，价格较低，但功耗较大。结论：初选步进电机型号为：90BF5-1.5，其相关参数如下：机座号型号相数电压V电流A步距角9090BF5-1.5560/1251.5/0.8步距角误差空载运行频率转子转动惯量10-5kg.m2重量kg空载启动频率Hz最大静转矩N.m10约120000.080.2225001.96并采用单双相通电方式，因此步距角。1、步进电动机的脉冲频率计算典型工况下，步进电动机的脉冲频率分别为：2、步进电动机的驱动转矩计算典型工况下，步进电动机的驱动转矩分别为：按图5-7查得：3、步进电动机的驱动力计算典型工况下，步进电动机的驱动力分别为：驱动力远大于进给抗力，所以所选步进电动机满足使用要求。（二）计算减速器传动比减速器传动比：初取滚珠丝杠：公称直径导程204此时：按图5-33，选一级齿轮传动。（三）齿轮机构设计机械传动效率概略值（供参考）类型V带传动联轴器传动圆柱齿轮传动一对滚动轴承丝杠螺母副符号vcgbs效率0.940.970.970.9950.960.990.980.9950.900.95初选效率为0.8。可见，系统传递的功率很小，在要求不高时，以后各步的计算可省略。并采用经验法来设计各元部件。但为练习计算过程，本次设计采用分析计算来设计。1、齿轮传动机构的基本参数传递功率(w)小齿轮转速n1 (r/min)传动比一天运转时间(h)工作寿命（年）传动效率转向工况10.444416/9850.975不变平稳其中小齿轮转速：）2、选择材料及确定许用应力小齿轮材料选择45钢（表面淬火），硬度为45HRC大齿轮材料为45钢（调质）硬度为220HBS小齿轮的接触疲劳强度极限（淬火处理）大齿轮的接触疲劳强度极限安全系数和安全系数软齿面硬齿面重要的传动、渗碳淬火齿轮或铸造齿轮1.01.11.11.21.31.31.41.41.61.62.2取安全系数小齿轮的弯曲疲劳强度极限大齿轮的弯曲疲劳强度极限取3、按齿面接触强度设计设齿轮按7级精度制造。取载荷系数1.1，齿宽系数，取；大齿轮齿数：模数；取标准值 m=0.8确定中心距齿宽： b=取4、验算轮齿弯曲强度齿形系数 校验结果：安全。5、齿轮的圆周速度选用7级精度是安全的。为方便与电机轴的配合，对齿轮作如下修改：取；大齿轮齿数：中心距：齿宽： b=取（四）滚珠丝杠选择1、滚珠丝杠工作长度计算X方向丝杠工作长度：X方向丝杠工作载荷：Y方向丝杠工作长度：Y方向丝杠工作载荷：令两方向丝杠的工况均为：每天开机6小时；每年300个工作日；工作8年以上。丝杠材料：CrWMn钢；滚道硬度为5862HRC；丝杠传动精度为。平均转速n=125r/min（）2、计算载荷求解查机电一体化设计基础表2-6；2-7；2-8的，查表2-4取C级精度。表2-6 载荷系数载荷性质无冲击平稳运转一般运转有冲击和振动运转11.21.21.51.52.5表2-7 硬度系数滚道实际硬度58555045401.01.111.562.43.85表2-8 精度系数精度等级C、DE、FGH1.01.11.251.433、额定动载荷计算计算寿命：4、滚珠丝杠副选择假设选用FC1型号，按滚珠丝杠副的额定动载荷等于或稍大于的原则，选汉江机床厂出品的2004-2.5，其参数如下：滚珠直径滚道半径偏心距丝杠内径5、稳定性验算1） 由于一端轴向固定的长丝杠在工作时可能会发生失稳，所以在设计时应验算其安全系数S，其值应大于丝杠副传动结构允许安全系数S（见表2-10）丝杠不会发生失稳的最大载荷称为临界载荷（N）按下式计算：式中，E为丝杠材料的弹性模量，对于钢，E=206GPa；l为丝杠工作长度（m）；Ia为丝杠危险截面的轴惯性矩（m4）；为长度系数，见表2-10。依题意，取，则安全系数查表2-10，S=2.53.3。SS，丝杠是安全的，不会失稳。2） 高速长丝杠工作时可能发生共振，因此需验算其不会发生共振的最高转速。要求丝杠的最大转速临界转速（r/min）：该丝杠工作转速3） 滚珠丝杠副还受值的限制，通常要求所以该丝杠副工作稳定。6、刚度验算滚珠丝杠在工作负载F（N）和转矩共同作用下引起每个导程的变形量为式中，A为丝杠截面积，；为丝杠的极惯性矩，；G为丝杠切变模量，对钢；为转矩。式中，为摩擦角，其正切函数值为摩擦系数；为平均工作负载。本题取摩擦系数为,则。按最不利的情况取（其中）则丝杠在工作长度上的弹性变形所引起的导程误差为通常要求丝杠的导程误差应小于其传动精度的1/2，即，该丝杠满足刚度要求。7、效率验算滚珠丝杠副的传动效率为%要求在90%95%之间，所以该丝杠副合格。（五）滚动直线导轨选择1、已知参数滑座上载荷滑座个数M单向行程长度每分钟往复次数441N2个440mm4次每天工作一年工作日数寿命6小时300天5年2、导轨额定寿命计算由公式2-10：得：因滑座数M=2，所以每根导轨上使用1个滑座，由表215-218确定由式2-9：得：查机械电子工程专业课程设计指导书表3-19，选LY25AL，其基本额定载荷为：，能满足使用要求。（六）计算系统转动惯量1、电动机轴上总当量负载转动惯量计算小齿轮转动惯量大齿轮转动惯量丝杠转动惯量将各传动件转动惯量及工作台质量折算到电动机轴上，得总当量负载转动惯量：2、惯量匹配验算满足的要求，惯量匹配比较合理。3、步进电动机负载能力校验（1）步进电动机轴上的总惯量（2）空载启动时，电动机轴上的惯性转矩（3）电动机轴上的当量摩擦转矩其中伺服进给传动链的总效率取为（4）设滚动丝杠螺母副的预紧力为最大轴向载荷的1/3，则因预紧力而引起的折算到电动机轴上的附加摩擦转矩为（5）工作台上的最大轴向载荷折算到电动机轴上的负载转矩为（6）空载启动时电动机轴上的总负载转矩为（7）在最大工作载荷下电动机轴上的总负载转矩为（8）按表5-5查得空载启动时所需电动机最大静转矩为（9）按式5-39可求得在最大外载荷下工作时所需要电动机最大静转矩为结论：所选步进电动机启动转矩远大于所需要的启动转矩，因此选择的步进电机的功能不能充分发挥。（为提高经济性，可重新选择。）4、系统刚度计算（1）按表5-8所列公式可求得丝杠最大、最小拉压刚度为（2）假定丝杠轴向支承轴承经过预紧并忽略轴承座和螺母座刚度的影响，按表5-9所列公式可求得丝杠螺母机构的综合拉压刚度（3）按式5-45可计算出丝杠最低扭转刚度为5、固有频率计算（1）丝杠质量为（2）丝杠-工作台纵振系统的最低固有频率为（3）折算到丝杠轴上系统的总当量转动惯量为（4）如果忽略电动机轴及减速器中的扭转变形，则系统的最低扭振固有频率为6、死区误差计算设齿轮传动和丝杠螺母机构分别采取了消隙和预紧措施，则按式（5-59）可求得由摩擦力引起的最大反向死区误差为：，因此系统能满足单脉冲进给。7、由系统的刚度变化引起的定位误差计算按式（5-60）可求得由丝杠螺母机构综合拉压刚度的变化所引起的最大定位误差。由于系统要求的定位精度为，即允许定位误差为因而，系统刚度满足定位精度要求。三、控制系统设计（一）微处理器的选择根据设计要求，系统控制的主要功能是对步进电机的脉冲频率及其分配的控制。同时在实现这一主功能的基础上，附带若干协助功能，如显示、预置、时间、键盘等。结论：1、系统对内存要求不高。2、系统处理的运算不是很复杂，对CPU的计算速度要求不高。3、为扩展键盘、显示、掉电保护等功能，要求系统提供较多的口线和完善的中断系统。考虑到上面的原因，这里可以采用市面供应充分，性能价格比较好的AT89C52作为系统的微处理器。其参数见下表：AT89C52参数表型号ROM串行口晶振频率封装RAM说明AT89C528KUARK12MHz40DIP256与intel 80C32兼容D0csA139AD0D7A2WRRD8255CPUp00p07p27p2632AD7RDWRp25图3-1扩展连线（二）系统扩展 系统中采用键盘实现输入，并采用LED显示器，它们均需要占用较多芯片口线，所以该系统是需要进行系统扩展的。 可编程并行接口8255A是一种应用广泛的并行接口扩展器件。它具有三个8位并行口PA、PB、PC由此提供了24条口线。（三）键盘连接pKGnd400VCC8255图3-2 单键接线图键盘采用机械式按键组成。它属于常开类型，按图（3-2）的接线，当键K按下时P口电位拉低。相反，K未按时，P口一直保持高电位。其中电路中电阻起限流作用，避免CPU被过大的电流烧毁。键盘采用软件消抖。（四）时钟芯片的选择为了实现时间的显示，这里引入了时钟芯片DS12C887。 （五）可靠性设计SPKGND图3-3 报警电路连线1K9012PCPUVCC为提高系统的可靠性，在这里采用了MAX813L。这是因为AT89C52芯片内部未带WATCHDOG（系统正常工作监视器），因此若不加外部WATCHDOG，便会造成在工作电压过低时，系统出现不正常运行，产生不良的现实后果。（六）掉电保护设计 掉电保护设计的目的是在断电或复位后，待系统恢复正常时，系统能够恢复到原先状态，实现继续运转的功能。这样就要求将运行时的重要参数得到保存。保存的数据包括，预置时的“位移值”、“速度值”、“运行过程中已经走过的位移量”。为实现这一个目的，需要在系统中引入芯片AT24C01（E2PROM）。（七）报警设计 报警装置可以是“警报灯”、“声音报警”、“声音和灯光共用”等形式，在实验室等安静的环境中，声音报警是比较理想的方法。因此，根据实际情况，在该系统中采用“声音”报警。（八）显示模块设计TXD/P1、2LED4003131、28840074LS16474LS164TD/P图3-4 显示模块 系统所需显示任务是数字显示，且显示数据量不大，因此在系统中采用数码管作为显示器是能够满足任务的。系统中采用静态显示较为合理。在静态显示方式中，采用4LS164作为显示接口是比较通用的方法，而且这种接口价格便宜，使用方便，CPU只要提供两条口线便可以实现稳定、高亮的显示。（九）步进电机驱动电路设计步进电机的驱动电路设计主要涉及脉冲分配器的选择问题和驱动电路的选则问题。时下脉冲分配器主要有两种：一种是硬件脉冲分配器（国内主要有YB系列），另一种是软件脉冲分配器