滚珠丝杠教学规划

**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 4原始数据 4一、系统总体方案设计 4二、机械系统的设计计算 6三、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谢谢阅读机开环控制。其他参数如下：脉冲当量定位最大移动速工作台行程台面上最大工作台尺寸进给抗力mm/ste精度度mm物重质量mmNpmmm/minXkgY0.005 0.04 1 100*150 500 320 225 45感谢阅读一、系统总体方案设计Y方向传动机构微机工作台电步进电型接动机减速器滚珠丝杠机口驱动电人机接口路减速滚步进电器珠X方向传动机构动机丝杠由设计任务书知，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。谢谢阅读（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。谢谢阅读（四）控制系统设计**微接功执机执型口放行械行机电电元传机路路件动构开环控制流程图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。感谢阅读上图为最简单的“开环控制”，若在“机C光驱P偶动步进电机械传动”机构中引出反馈控制部分，再经U器过比较放大的则为“半闭环控制”。如若是人机接口显示、报警在“机械执行机构中引出反馈则为闭环控速度制。位移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感谢阅读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。因此通常在精谢谢阅读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，负载精品文档放心下载能力不强的缺点。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》）谢谢阅读（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：精品文档放心下载y0.005mm/stepx y**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，价谢谢阅读格较低，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：精品文档放心下载机座号 型号 相数 电压V 电流A 步距角°90 90BF5-1.5 5 60/12 5 1.5/0.8感谢阅读转子转动惯空载运行频 空载启动频 最大静转矩步距角误差’ 量 重量kg率 率Hz N.m10-5kg.m210 约12000 0.08 0.22 2500 1.96精品文档放心下载并采用单双相通电方式，因此步距角0.8。精品文档放心下载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f和f分别为：感谢阅读x yfvx10311033333.3p/sf12000p/sx60x600.005xmaxfv10313333.3p/sf12000p/sy103y60600.005ymaxy2、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T和T分别为：谢谢阅读x y**按图5-7查得：TT2.8Nmxy3、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F和F分别为：x yFZ22.8(0.83)326480NF500N2Txx2xSZ0.00418x进给抗力1F2TZ22.8(0.83)326480NF500Nyy2ySZ0.00418y进给抗力1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。感谢阅读（二）计算减速器传动比减速器传动比：pi360p步进电机步距角p丝杠导程mmp工作台运动的脉冲当量mm初取滚珠丝杠：**公称直径 导程20 4此时：ip0.84161.78360p3600.0059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/传动链效率精品文档放心下载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 丝杠螺母副精品文档放心下载符号 ηv ηc ηg ηb ηs**0.94~0.0.97~0.99效率0.96~0.990.98~0.9950.90~0.95975初选效率为0.8。传递功率500601/0.810.4w精品文档放心下载可见，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。并采用经验法来谢谢阅读设计各元部件。但为练习计算过程，本次设计采用分析计算来设计。精品文档放心下载1、齿轮传动机构的基本参数小齿轮转传递功率 一天运转 工作寿命速n1 传动比 传动效率 转向 工况(w) 时间(h) （年）(r/min)10.4 444 16/9 8 5 0.975 不变 平稳精品文档放心下载其中小齿轮转速：v1000i1100016444r/min）n工作台p492、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精品文档放心下载大齿轮材料为45钢（调质）硬度为220HBS小齿轮的接触疲劳强度极限 1130MP（淬火处理）精品文档放心下载Hlim1 a**大齿轮的接触疲劳强度极限 550MPHlim2 a安全系数S和SH F重要的传动、渗碳淬安全系数 软齿面 硬齿面火齿轮或铸造齿轮S1.0~1.11.1~1.21.3HS1.3~1.41.4~1.61.6~2.2F取安全系数S1.1H1130Hlim11027.27MPH1S1.1aH550Hlim2500MPH2S1.1aH小齿轮的弯曲疲劳强度极限240MPFlim1a大齿轮的弯曲疲劳强度极限190MPFlim2a取S 1.3F240Flim1184.62MPF1S1.3aF190Flim2146.15MPF2S1.3aF3、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0.3，a**T9550P95509.251030.21N•mn41633352KT1633351.10.211000au11215.78mm1aHu95000.3169取z18；大齿轮齿数：ziz1618321219模数m2a215.780.63；取标准值m=0.8zz183212确定中心距am0.83220mm2zz18122齿宽：b=a0.3206mma取b6mm; b10mm2 14、验算轮齿弯曲强度齿形系数Y3.02;Y2.18F1F22KTY21.30.2110003.0214.31MPa184.621F1100.8218F1bm2zF112.1810.33MPa146.15Y14.31F23.02F2F1YF2F1校验结果：安全。5、齿轮的圆周速度vdn3.140.8184160.31m/s10m/s11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z27；大齿轮齿数：ziz1627481219中心距：amzz0.8274830mm精品文档放心下载2 1 2 2齿宽：b=aa0.3309mm精品文档放心下载取b9mm; b14mm2 1（四）滚珠丝杠选择1、滚珠丝杠工作长度计算ll l l工作台 行程 余量X方向丝杠工作长度：l10032020440mmXX方向丝杠工作载荷：F500NXY方向丝杠工作长度：mYY方向丝杠工作载荷：F500NY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。感谢阅读丝杠材料：CrWMn钢；滚道硬度为58~62HRC；丝杠传动精度为0.04mm。谢谢阅读v10000.51000125r/min）平均转速n=125r/min（n工作台p4**2、计算载荷F求解CFKKKF1.11.01.0500N550N精品文档放心下载C F H A m查《机电一体化设计基础》表2-6；2-7；2-8的K1.1；K 1.0；K 1.0，查谢谢阅读F H A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 有冲击和振动运转感谢阅读K 1~1.2 1.2~1.5 1.5~2.5F表2-7硬度系数滚道实际硬度≥5855504540K1.01.111.562.43.85H表2-8精度系数精度等级 C、D E、F G HK 1.0 1.1 1.25 1.43A3、额定动载荷计算C计算a寿命：L6300814400h感谢阅读h**CFnL55020014400mh31.67104N3160NaC31.671044、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C等于或稍大于C的原则，选汉江谢谢阅读a a机床厂出品的2004-2.5，C5393N，精品文档放心下载a其参数如下：D20mmp2.5mm338’滚珠直径0d2.381mm0滚道半径R0.52d0.522.3811.238mm感谢阅读0d0.7072.3813.358102mm偏心距e0.707R01.23822丝杠内径dD2e2R(2023.35810221.238)mm17.59mm谢谢阅读1 05、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感谢阅读S，其值应大于丝杠副传动结构允许安全系数[S]（见表2-10）精品文档放心下载丝杠不会发生失稳的最大载荷称为临界载荷F（N）按下式计算：精品文档放心下载crF2EIacr(l)2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为感谢阅读**丝杠危险截面的轴惯性矩（m4）；为长度系数，见表2-10。感谢阅读Iad43.140.017.5944.710m依题意，64941取2/3，则F2EI3.1422061094.7109Na21.11105Xcr(l)220.443F2EI3.1422061094.7109Na21.38105Ycr(l)220.3953安全系数SXF1.11105crmSYF1.38105crm查表2-10，[S]=2.5~3.3。S>[S]，丝杠是安全的，不会失稳。精品文档放心下载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——n。要感谢阅读cr求丝杠的最大转速nnmaxcr临界转速n（r/min）：crn9910f2d99103.92720.0175931242r/minc122cr(l)20.443该丝杠工作转速n125r/minncr感谢阅读**3）滚珠丝杠副还受D0n值的限制，通常要求Dn7104mmr/min谢谢阅读0n2012525007104感谢阅读0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TNm共同作用下引起每个导程的变形量Lm感谢阅读0为LpFp2T2GJ0c式中，A为丝杠截面积，A1为丝杠的极惯性矩，Jd4m4；d2m2；J3241cc1G为丝杠切变模量，对钢G83.3GPa；TNm为转矩。谢谢阅读FD0tan2m式中，为摩擦角，其正切函数值为摩擦系数；F为平均工作负载。本题取摩擦系数精品文档放心下载mtan0.0025,则840。谢谢阅读500202103tan338'840Nm0.33Nm谢谢阅读按最不利的情况取（其中FF）mLpFp2T4pF16p2T0EA2GJEd22Gd4c11410320.3344103500163.142061090.0175923.14283.31090.0175943.997108m则丝杠在工作长度上的弹性变形所引起的导程误差为**LlL0.443.997102m4.40mp04103通常要求丝杠的导程误差L应小于其传动精度的1/2，即谢谢阅读[L]12120.040.02mm20m精品文档放心下载LL，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tantan338'96%tan(338'840)tan()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F滑座个数M单向行程长度ls每分钟往复次数441N 2个 440mm 4次每天工作 一年工作日数 寿命6小时300天5年Fmg459.8441N**2、导轨额定寿命计算Th630059000h由公式2-10：TT103sh2LnsT导轨额定行程长度寿命（km）sL工作单形成长度（m）sn每小时往复次数（次/h）得：T2Tln/103290000.44460/1031900.8kmshs因滑座数M=2，所以每根导轨上使用1个滑座，由表2~15-2~18确定精品文档放心下载接触系数：f0.81c硬度系数：f 1H温度系数：f 1T负荷系数：f 1.5w由式2-9：TsKfffC3THcafFwK寿命系数，一般取50kmF滑座工作载荷NCa额定动载荷N得：CF3T/Kfw220.531900.8/501.51373Nfsf110.81afHTCFF441220.5N**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：谢谢阅读a1740N，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Jd4l7.81030.014440.0103.29107kg•m232z132大齿轮转动惯量Jd4l7.81030.025640.0061.97106kg•m2z23232丝杠转动惯量Jd4l7.81030.018540.443.95105kg•m232s32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：谢谢阅读JJJJ1p2mdz1z2si22i23.2910.0041071.9710616451622996.73106kg•m22、惯量匹配验算Jd6.731060.38J 1.764105m满足14JJd 1的要求，惯量匹配比较合理。谢谢阅读m**3、步进电动机负载能力校验（1）步进电动机轴上的总惯量JJJ1.7641056.731062.44105kg•m2md（2）空载启动时，电动机轴上的惯性转矩216TJJmaxJ2ivmax2.441059110.045NmJtpt0.0042510360（3）电动机轴上的当量摩擦转矩TpFpmg0.00416459.80.20.04Nm2i2i20.89其中伺服进给传动链的总效率取为0.8（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精品文档放心下载机轴上的附加摩擦转矩为TpF12pF120.00450010.920.014Nm2i2iwmax1630003020.89（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TpF0.004165000.18Nmw2iwmax20.89（6）空载启动时电动机轴上的总负载转矩为TTTT0.0450.040.0140.099Nm感谢阅读q J 0（7）在最大工作载荷下电动机轴上的总负载转矩为**TTTT0.180.040.0140.234Nm感谢阅读1 w 0（8）按表5-5查得空载启动时所需电动机最大静转矩为谢谢阅读TT0.0990.12Nmqs10.8090.809（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谢谢阅读TT0.2340.468~0.78Nm1s2（0.3~0.5）（0.3~0.5）结论：所选步进电动机启动转矩T1.96Nm远大于所需要的启动转矩T，因此选择的步感谢阅读ss1进电机的功能不能充分发挥。（为提高经济性，可重新选择。）精品文档放心下载4、系统刚度计算（1）按表5-8所列公式可求得丝杠最大、最小拉压刚度为感谢阅读d2E0.018522.110119.4108N/m感谢阅读Lmax4l40.060mind2E0.018522.110111.5108N/m谢谢阅读Lmin4l40.38max（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所列公谢谢阅读式可求得丝杠螺母机构的综合拉压刚度11111111.02108mNK2KKK21.961081.51081.021090minBLminN9.8107Nm0min**11111110.373108mNK2KKK21.961089.41081.021090maxBLmaxN2.68108Nm0max（3）按式5-45可计算出丝杠最低扭转刚度为d4G0.018548.110102450Nm/rad谢谢阅读Tmin32l320.38max5、固有频率计算（1）丝杠质量为m1d2L10.018520.4407.81030.92kgs44（2）丝杠-工作台纵振系统的最低固有频率为K9.81070min1470.7rad/sncm1m4510.923s3（3）折算到丝杠轴上系统的总当量转动惯量为JJi22.441621057.71105kg.m2sd9（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谢谢阅读K24505637.1rad/sTmin7.71105ntJsd与均较高，说明系统动态特性好。nc nt6、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）可求得由摩感谢阅读**擦力引起的最大反向死区误差为：2mg1032459.80.21030.0018mm感谢阅读maxK9.81070minmax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。感谢阅读F1110311103mgKKKKKmax0max0min0max0min459.80.2111030.00057mm9.81072.68108由于系统要求的定位精度为0.04mm，即允许定位误差为0.08mm感谢阅读0.0005710.016mm因而，系统刚度满足定位精度要求。Kmax5三、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。同时在感谢阅读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。精品文档放心下载结论：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。精品文档放心下载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。谢谢阅读**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作为系精品文档放心下载统的微处理器。其参数见下表：AT89C52参数表RA型号 ROM 串行口 晶振频率 封装 说明M与intel80C32兼AT89C52 8K UARK 12MHz 40DIP 256感谢阅读容CPUp0039AD0D08255（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。

p07AD7p2732D7csp26A1WRp25WRA2RDRD图3-1扩展连线可编程并行接口8255A是一种应用广泛的并行接口扩展器件。它具有三个8位并行口精品文档放心下载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）感谢阅读的接线，当键K按下时P口电位拉低。相反，K未按时，P口精品文档放心下载

VCC400Ω8255一直保持高电位。其中电路中电阻起限流作用，避免CPU被过pK大的电流烧毁。键盘采用软件消抖。Gnd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。感谢阅读（五）可靠性设计为提高系统的可靠性，