滚珠丝杠教学规划

1、业课程设计f*届）学生姓名:学 号:专业名称:级:指导教师:专业课程设计计算说明书原始数据一、系统总体方案设计二、机械系统的设计计算三、控制系统设计24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:脉冲当量定位最大移动速工作台尺寸mm/ste0.005精度mm0.04m/minmm100*150500工作台行程mmXY320225台面上最大进给抗力物重质量kg45、系统总体方案设计Y方向传动机构5-I人机接口驱动电路hl工作台M速1 »滚珠丝杠1步进电卜丄 、昱:动机 I减滚 珠 丝 杠X方向

2、传动机构由设计任务书知，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。上图为最简单的“开环控

3、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”。如若是显示、报警人机接口在“机械执行机构中引出反馈则为闭环控速度位移制。开环控制原理图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因此通常在精负载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。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, 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y分别为:X y

4、 0.005mm/ste p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。并采用单双相通电方式，因此步距角0.8。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 -5 kg.m 2重量kg空载启动频率Hz最大静转矩N.m10约 120000.080.2225001.961、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fx和fy分别为:x盘103怎1033333.3 p/s fxmax

5、 12000 p/s1033333.3 p/s fymax 12000 p/sy-V1031y 60 y60 0.0052、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Tx和Ty分别为:Bra>典型工况下，步进电动机的驱动力Fx和Fy分别为:厂 2 Tx xZ222.8厂xSxZ10.004 18(0.83LJ26480NFx进给抗力500NFy 彎 2 囂囂 32 6480NF y进给抗力500Nbifes sriju按图 5-7 查得：Tx Ty 2.8N m3、步进电动机的驱动力计算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

6、:步进电机步距角丝杠导程mm工作台运动的脉冲当量mm初取滚珠丝杠:公称直径导程204此时:0.8 4161.78360 0.00593S-33传动级选择曲«（机电一擁牝设计基础按图5-33，选一级齿轮传动。（三）齿轮机构设计传递功率工作台进给抗力工作台移动速度/传动链效率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nvncns0.940.0.97-0.99效率0.96-0.990.98-0.9950.90-0.95975初选效率为0.8 。1传递功率500 /0.8 10.4w60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

7、。 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/mi n）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:n V工作台 1000 i g0 笑 444r/min)492、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H lim 11130MPa （淬火处理）大齿轮的接触疲劳强度极限Hlim2 550 MPa安全系数Sh和Sf安全系数软齿面硬齿面重要

8、的传动、渗碳淬火齿轮或铸造齿轮Sh1.01.11.11.21.3Sf1.31.41.41.61.62.2取安全系数Sh1.11130H1Sh1.1H lim 2550H2Sh1.1小齿轮的弯曲疲劳强度极限F lim 1240MPa大齿轮的弯曲疲劳强度极限Flim 2190M Pa取 Sf1.3F Iim1240F1., cSf1.3F lim 2190H Iim1F2Sf1027.27MPa500MPa184.62MFa1.3146.15MPa设齿轮按7级精度制造。取载荷系数1.1，齿宽系数 a 0.3，3、按齿面接触强度设计T 9550 -9550n39.25 100.21 N?m416取z

9、,18 ;大齿轮齿数:2a模数mZ1Z2确定中心距齿宽：b= a a取 b26 mm;b,4、验算轮齿弯曲强度齿形系数F1F2校验结果:KT,16aUZ22 15.7818 320.3 2010mmYf13.02; YF22KT1Yf12 1.333550011 O.21 100015.78mm0.3罟bm2z1安全。5、齿轮的圆周速度14.31v60 1000选用7级精度是安全的。16iZ1 618320.63 ;取标准值 m=0.83220mm6mm2.180.21 1000 3.0210 0.82 182 18一 10.33 MPa3.023.14 0.8 18 41660 100014

10、.31 MPa F1 184.62F2 146.150.31m/s 10m/s为方便与电机轴的配合，对齿轮作如下修改:4取Z1 27 ；大齿轮齿数：Z2 iZ116 27 48中心距:Z2罟 27 48 30mm齿宽：b= aa 0.3 309mm取 b2 9mm; bi 14mm（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:1x100X方向丝杠工作载荷:FxY方向丝杠工作长度:1yY方向丝杠工作载荷:Fy11工作台320500N150 225500N令两方向丝杠的工况均为：每天开机2020l行程l余量440mm395mm6小时；每年300个工作日；工作 8年以上。0.04mm

11、。丝杠材料：CrWM n钢；滚道硬度为 5862HRC ;丝杠传动精度为平均转速 n=125r/min（ n V工作台一1000 0.5 1000 125r/min）2、计算载荷Fc求解Fc KFKHKAFm 1.11.0 1.0 500N550N查机电一体化设计基础表 2-6 ; 2-7;2-8 的 Kf 1.1； Kh1.0; KA 1.0，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Kf11.21.21.51.52.5表2-7硬度系数滚道实际硬度>5855504540Kh1.01.111.562.43.85表2-8精度系数精度等级C、DE、F

12、GHKA1.01.11.251.433、额定动载荷计算 Ca计算Ca FC沽犒550 3 200 14400 N 3160N 1.67 1044、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Ca等于或稍大于 Ca的原则，选汉江机床厂出品的2004-2.5 , Ca 5393N ,其参数如下:Do 20mmp 2.5mm3 38do 2.381mm滚道半径 R 0.52d00.52 2.381 1.238mm偏心距e 0.707 RplQ OQ d0.7071.2383.358 10 2 mm2 22丝杠内径 d1D。 2e 2R (20 2 3.358 10 2 2 1.238)

13、mm 17.59mm5、稳定性验算所以在设计时应验算其安全系数1）由于一端轴向固定的长丝杠在工作时可能会发生失稳,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Fcr（ N ）按下式计算:Fcr2EIa(l)2式中，E为丝杠材料的弹性模量，对于钢,E=206G Pa ； l为丝杠工作长度（m）； la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，I ad46443.14 O.017.594.7 10 9m464取 2/3，F Xcr2EIanr3.142 206 109 4.7 10 920.441.11 105N安

14、全系数FYcr2EIanr查表 2-10 , S=2.53.3。3.142 206109 4.7 10 922 0.39531.38 105NSxSyS>SFcrFmFcrFm1.11 1055001.38 105500222276，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求丝杠的最大转速nmax ncr临界转速ncr（r/min）：&r 99109910(l)23.9272O.。175931242r/min22 0.443该丝杠工作转速 n 125r / min ncr3)滚珠丝杠副还受Don值的限制，通常要求 D0n 7 1

15、04mm r/minDon 20 12525007 104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T共同作用下引起每个导程的变形量Lo mL0pFEApF2 GJc式中，A为丝杠截面积， A - d2444Jc为丝杠的极惯性矩，Jc-d1 m ；G为丝杠切变模量，对钢G 83.3G Pa ；m为转矩。式中，为摩擦角,为 tan0.0025,则T FmDO tan2其正切函数值为摩擦系数;Fm为平均工作负载。本题取摩擦系数8 40 。T 50020 1023 tan 3 38' 8 40 N m 0.33N m按最不利的情况取(其中Fm)L0 EAp2t2

16、GJc4 pFEd12216p T2G14 206 1090.0175923.997 10 8m3 2164 100.332943.142 83.3 1 090.01 7594则丝杠在工作长度上的弹性变形所引起的导程误差为4.40 m亠 0.44 3997 10 2 mp4 10 3通常要求丝杠的导程误差L应小于其传动精度的1/2，即0.04 0.02mm20 mL L，该丝杠满足刚度要求。7、效率验算tan tan(滚珠丝杠副的传动效率为96%tan 3 38'tan(3 38' 8 40 )要求在90%95%之间，所以该丝杠副合格。（五）滚动直线导

17、轨选择1、已知参数滑座上载荷F滑座个数M单向行程长度Is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F mg 45 9.8441N2、导轨额定寿命计算Th 6 300 59000h由公式2-10 :Th sTs 1032LsnTsLs导轨额定行程长度寿命（km） 工作单形成长度（m）每小时往复次数（次/h）得：Ts 2Thlsn/1032 9000 0.44 4 60/1031900.8km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 :接触系数 硬度系数 温度系数 负荷系数: cfHfTfw0.811.5TsKfHffw

18、fTfc3CaFCa寿命系数，一般取50 km滑座工作载荷N额定动载荷N得:CaF3/Ts/K fwfH fT fc220.5 3'1900.8/50 1.51 1 0.811373N441 220.5NM 2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:Ca 1740N，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Jz1d4l32347.8 100.01440.010 ccc "7 c 23.29 10 kg?m 32大齿轮转动惯量J z2d4l327.8 103 0.02564 0.006 ,

19、cr " 6|21.97 10 kg ?m32丝杠转动惯量Jsd4l327.8 103 O.。1854 O.443.95 10 5kg?m232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:Jd J z11Jz2 Js pi3.2910 71.97100.0046.7310 6 kg ? m216916 452、惯量匹配验算1065Jd6.73Jm1.764 100.381 J满足-1的要求，惯量匹配比较合理。4 Jm3、步进电动机负载能力校验步进电动机轴上的总惯量J Jm Jd 1.764 1056.7310 6522.44 10 kg?m空载启动时，电动机

20、轴上的惯性转矩TjJJ 2 ' Vmax2.44t P t210 5 -1690.0041325 100.045N m60电动机轴上的当量摩擦转矩T 占 F hg0.00445 9.8 0.2160.04N m其中伺服进给传动链的总效率取为2 0.80.8(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ToP F 12 P Fwmax 12越 F。10 厂丁100.00495001 0.920.014N m3(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0.004 LCC0" 16 50020.8 90.18

21、N m空载启动时电动机轴上的总负载转矩为TqTjTT。0.045 0.04 0.0140.099N m(7)在最大工作载荷下电动机轴上的总负载转矩为T1 Tw TT0 0.18 0.04 0.014 0.234N(8)按表5-5查得空载启动时所需电动机最大静转矩为Ts10.12N m0.8090.809(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Ti0.234Ts2(0.3 0.5)(0.3 0.5)0.468-0.78N结论:Tsi，因此选择的步所选步进电动机启动转矩Ts 1.96N m远大于所需要的启动转矩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

22、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K L maxd2E0.01852 2.1 101141min4 0.06089.4 10 N/mK L mind2E0.01852 2.1 10111.5 108N/m41 max4 0.38按表5-9所列公(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,式可求得丝杠螺母机构的综合拉压刚度K0min2 K B K Lmin K N2 1.96 10811.5 10891.02 1091.02 10 8m NK0min9.8 107N mK0max2Kb©maxKn2 1.96 10819.4 108

23、1一90.373 10 8m N1.02 10Ko max2.681O8N m(3 )按式5-45可计算出丝杠最低扭转刚度为d4GKT min_32lmax0.01854 8.1 1010320.382450N m/rad5、固有频率计算丝杠质量为msd2L123-0.01852 0.440 7.8 103 0.92kg4(2)丝杠-工作台纵振系统的最低固有频率为| K0minnc I1Y m-ms9.8 107”451470.7rad /s0.92折算到丝杠轴上系统的总当量转动惯量为Jsd Ji22.44 10 516如果忽略电动机轴及减速器中的扭转变形，ntf Kt min7.71 10

24、5kg.m2则系统的最低扭振固有频率为J 2450 55637.1rad / sV7.71 10 5nc与nt均较高，说明系统动态 特性好。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:9.8 107max1032 45 9.87 0.2 1030.0018mmK0minmax脉冲当量，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。K maxFKomin K 0max103 mg K0minK0max10345 9.8

25、0.2一1一7 1一89.8 1072.68 1081030.00057mm由于系统要求的定位精度为0.04mm，即允许定位误差为0.08mm1Kmax O.。0057 50.016mm因而，系统刚度满足定位精度要求。三、控制系统设计（一）微处理器的选择同时在根据设计要求，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。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

26、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 in tel 80C32 兼容（二）系统扩展系统中采用键盘实现输入，并采用显示器，它们均需要占用较多芯片口线,LED所以图3-1扩展连线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）键盘连接键盘采用机械式按键组成。它属于常开类型,按图（3-2 )VCC的接线，当键K按下时P 口电位拉低。相反,K未按时，P 口400 Q8255一直保持高电位。其中电路中电阻起限流作用,避免CPU被过Gnd大的电流烧毁。键盘采用软件消抖。图3-2单键接线图（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）可靠性设计为提高系统的可靠性， 在这里采用了 MAX813L。这 是因为