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机电工程系本科毕业设计（论文） 开题报告毕业设计（论文）题目：投影仪电动工作台 机械结构设计 专 业： 机械设计制作及其自动化 指导教师： 张藏汉 学生姓名： 吴楠 学 号： 2011010336 毕业时间： 齐齐哈尔工程学院教务处制一、选题依据（目的、意义、学术价值、国内外研究现状、学术准备情况、研究思路及方法）（一）目的、意义 被测工件置于工作台上，在透射或反射照明下，它由物镜成放大实像并经反射镜成像于投影屏磨砂面上。此时可用标准玻璃尺在投影屏上进行测量，测得的数值除以物 镜放大倍数即为工作的测量尺寸。也可以用预先绘制的标准放大图对其进行比较测量。还可以利用工作台上的数字显示系统对工件进行座标测量；利用投影屏角度数 显系统对工件角度进行测量。视工件性质，透射照明和反射照明可分别使用亦可同时使用。此毕业设计题目来源于生产实际，主要完成对确定投影仪电动工作台的传动机构、工作台的纵向进给机构及实现大范围调整的旋转机构的设计。由于工具磨床是生产的重要组成部分，它对于生产的顺利进行及生产效率、产品的精度保证起着至关重要的作用。因此，设计一种高精度的投影仪电动工作台具有较大的实用价值。（二）学术价值 投影仪是零件外形尺寸检测的常用仪器，其原理是将零件平放在工作台上，用上方的投影物镜将零件放大投影在屏幕上，读取屏幕上的刻度进行测量。本课题要研究投影仪的光学检测原理，设计投影仪电动工作台的精密机械结构，对测量常见物体的相关参数具有重要的意义，扩大人的认识范围。（三）国内外研究现状到目前为止，投影机主要通过三种显示技术实现，即CRT投影技术、LCD投影技术以及近些年发展起来的DLP投影技术。1、CRT三枪投影机 CRT是英文Cathode Ray Tube的缩写，译作阴极射线管。作为成像器件，它是实现最早、应用最为广泛的一种显示技术。这种投影机可把输入信号源分解成R（红）、G（绿）B（蓝）三个CRT管的荧光屏上，荧光粉在高压作用下发光系统放大、会聚、在大屏幕上显示出彩色图像。光学系统与RT管组成投影管，通常所说的三枪投影机就是由三个投影管组成的投影机，由于使用内光源，也叫主动式投影方式。CRT技术成熟，显示的图像色彩丰富，还原性好，具有丰富的几何失真调整能力；但其重要技术指标图像分辨率与亮度相互制约，直接影响CRT投影机的亮度值，到目前为止，其亮度值始终徘徊在300lm以下。另外CRT投影机操作复杂，特别是会聚调整繁琐，机身体积大，只适合安装于环境光较弱、相对固定的场所，不宜搬动。2、LCD投影机 LCD是Liquid Cristal Display 的英文缩写。LCD投影机分为液晶板和液晶光阀两种。液晶是介于液体和固体之间的物质，本身不发光，工作性质受温度影响很大，其工作温度为-55C+77C。投影机利用液晶的光电效应，即液晶分子的排列在电场作用下发生变化，影响其液晶单元的透光率或反射率，从机时影响它的光学性质，产生具有不同灰度层次及颜色的图像。下面分别说明两种LCD投影机的原理。3.液晶光阀投影机 它采用CRT管和液晶光阀作为成像器件，是CRT投影机与液晶与光阀相结合的产物。为了解决图像分辨率与亮度间的矛盾，它采用外光源，也叫被动式投影方式。一般的光阀主要由三部分组成：光电转换器、镜子、光调制器，它是一种可控开关。通过CRT输出的光信号照射到光电转换器上，将光信号转换为持续变化的电信号；外光源产生一束强光，投射到光光阀上，由内部的镜子反射，能过光调制器，改变其光学特性，紧随光阀的偏振滤光片，将滤去其它方向的光，而只允许与其光学缝隙方向一致的光通过，这个光与CRT信号相复合，投射到屏幕上。它是目前为止亮度、分辨率最高的投影机，亮度可达6000ANSI流明，分辨率为25002000，适用于环境光较强，观众较多的场合，如超大规模的指挥中心、会议中心及大型娱乐场所，但其价格高，体积大，光阀不易维修。主要品牌有：休斯-JVC、Ampro等。 4液晶板投影机 它的成像器件是液晶板，也是一种被动式的投影方式。利用外光源金属卤素灯或UHP（冷光源），若是三块LCD板设计的则把强光通过分光镜形成RGB三束光，分别透射过RGB三色液晶板；信号源经过模数转换，调制加到液晶板上，控制液晶单元的开启、闭合，从而控制光路的通过断，再经镜子合光，由光学镜头放大，显示在大屏幕上。目前市场上常见的液晶投影机比较流行单片设计（LCD单板，光线不用分离），这种投影机体积小，重量轻，操作、携带极其方便，价格也比较低廉。但其光源寿命短，色彩不很均匀，分辨率较低，最高分辨率为1024768，多用于临时演示或小型会议。这种投影机虽然也实现了数字化调制信号，但液晶本身的物理特性，决定了它的响应速度慢，随着时间的推移，性能有所下降。5数码投影机 DLP是英文Digital Light Processor 的缩写，译作数字光处理器。这一新的投影技术的诞生，使我们在拥有捕捉、接收、存储数字信息的能力后，终于实现了数字信息显示。DLP技术是显示领域划时代的革命，正如CD在音频领域产生的巨大影响一样，DLP将为视频投影显示翻开新的一页。它以DMD（Digital Micromere Device)数字微反射器作为光阀成像器件。DLP投影机的技术关键点如下：首先是数字优势。数字技术的采用，使图像灰度等级达256-1024级，色彩达256-1024种，图像噪声消失，画面质量稳定，精确的数字图像可不断再现，而且历久弥新。其次是反射优势。反射式DMD器件的应用，使成像器件的总光效率达60%以上，对比度和亮度的均匀性都非常出色。在DMD块上，每一个像素的面积为16m16，间隔为1m。根据所用DMD的片数，DLP投影机可分为：单片机、两片机、三片机。DLP投影机清晰度高、画面均匀，色彩锐利，三片机亮度可达2000流明以上，它抛弃了传统意义上的会聚，可随意变焦，调整十分便利；分辨率高，不经压缩分辨率可达1024768（有些机型的最新产品的分辨率已经达到12801024）。（四）学术准备情况 通过图书馆、中国知网查阅文献资料和购买图书资料等多种途径，为开题报告的撰写和论文的正式写作做了较为充分的准备。其中，主要著作包括：机械设计,工艺设计手册, 机电一体化手册, 机床设计, 机床图册,机电一体化实例分析等。（五）本选题研究思路及方法在查阅了国内外大量的有关投影仪电动工作台设计理论及相关知识的资料和文献基础上，综合考虑投影仪电动工作台结构特点、具体作业任务特点以及投影仪电动工作台的推广应用，分析确定使用投影仪电动工作台实现自动化目的。为了实现上述目标，本文拟进行的研究内容如下:1 根据现场作业的环境要求和电动工作台本身的结构特点，确定电动工作台整体设计方案。2 确定电动工作台的性能参数，对初步模型进行静力学分析，根据实际情况选择电机。3 从所要功能的实现出发，完成电动工作台各零部件的结构设计；4 完成主要零部件强度与刚度校核。二、论文结构框架（一）论文提纲目 录目 录IV1 绪论11.1 投影仪工作原理11.2 测量投影仪原理及结构31.3 本课题研究的内容及方法41.3.1主要的研究内容41.3.2设计要求41.3.3关键的技术问题42 投影仪电动工作台装置总体结构设计52.1设计的要求与数据52.2 总体结构设计53 工作台X方向结构及传动设计83.1 X向滚珠丝杆副的选择93.1.1导程确定93.1.2确定丝杆的等效转速93.1.3估计工作台质量及负重93.1.4确定丝杆的等效负载93.1.5确定丝杆所受的最大动载荷103.1.6精度的选择113.1.7选择滚珠丝杆型号113.2校核123.2.1 临界压缩负荷验证123.2.2临界转速验证133.2.3丝杆拉压振动与扭转振动的固有频率143.3电机的选择143.3.1电机轴的转动惯量153.3.2电机扭矩计算164 工作台Y方向结构设计184.1 Y轴滚动导轨副的计算、选择184.2 滚珠丝杠计算、选择194.3 步进电机惯性负载的计算225 旋转机构的设计255.1 旋转机构设计255.2 步进电机选择255.3 轴的设计与计算385.4 轴承的校核465.5 键的选择和校核506 控制系统设计516.1 系统方案设计516.1.1行元件的选择516.1.2 机构方案的选择516.1.3 机构方案的选择526.2 控制系统的选用526.3 数控装置的部件结构和安装536.4.控制系统的硬件设计536.4.1硬件电路的组成536.4.2设计说明54结论55参考文献56致 谢57（二）参考文献1 王安岑，武吉梅.画法几何与机械制图M.西安:陕西科学技术出版社M，20012 尚久浩. 自动机械设计M. 北京：中国轻工业出版社,20063 顾晓勤.工程力学M. 北京：机械工业出版社,20084 卢秉恒.机械制造技术基础M 北京：机械工业出版社,20085 单辉祖. 材料力学M北京：高等教育出版社， 2010 6 吴琰琨. 液压与气动技术M 北京：人民邮电出版社,20087 张建民.机电一体化系统设计M.高等教育出版社，2001（2）：4549.8 冯开平，左宗义.画法几何与机械制图M.华南理工大学出版社，200（3）：5160.9 顾崇衔.机械制造工艺学M.陕西科学技术出版社，1999（6）：11.10 哈尔滨工业大学理论力学教研室.理论力学M.高等教育出版社，2002（4）：7983.11 华东纺织工学院 哈尔滨工业大学 天津大学机床设计图册S上海科学技术出版社1979（5）：1521.12 机械设计手册编写组机械设计手册S机械工业出版社1986（6）：1218.13 邱宣怀机械设计M高等教育出版社2004（2）：4951.14 李华，李焕峰机械制造技术M机械工业出版社出版2003（5）：333715 叶伟昌 ，林岗副机械工程及自动化简明设计手册S机械工业出版社出版2008（2）：5662.16 ClavelR .Delta,a fast robot wth parallel geometry. TheInt.Symposium on in dustrial robots( ISIR),Sydney,Australia,1998,91-100.17SoedelW.Design and mechanics of compressor valvesM.Purdue University，West Lafayette，IN 47907，198418Graham T. Smith.CNC machining technologyM.London: Springer-Verlag， 1993：105-144.19Machine tool design handbookM.New Delhi : Tata McGraw-Hill Publishing Co. Ltd.，1982：114-136.三、论文写作安排2014年12月9日2014年12月17日：收集资料，选题2014年12月17日2014年12月24日:参考文献，完成开题报告 2015年1月1日2014年1月7日：总体方案设计2015月1月7日2015年2月7日：完成所有结构设计和进行相关内容的计算2015年2月7日2015年3月7日：根据计算结果画出要求的图纸草图2015年3月7日2015年4月7日：根据结构设计和设计计算撰写设计说明书2015年4月7日2015年5月7日：整理说明书；2015年5月7日2015年5月31日：图纸和说明书的修改，形成毕业设计全部文件，准备答辩 2015年6月：毕业答辩四、审核意见指导教师意见：1、通过 2、完善后通过 3、未通过指导教师（签字） 年 月 日系部（专业）意见：1、通过 2、完善后通过 3、未通过负责人（签字） 年 月 日机电工程系本科毕业设计（论文）毕业设计（论文）题目：投影仪电动工作台 机械结构设计 专 业： 机械设计制作及其自动化 指导教师： 张藏汉 学生姓名： 吴楠 学 号： 2011010336 毕业时间： 齐齐哈尔工程学院教务处制IV目 录摘 要VIAbstractVII第1章 绪论11.1 投影仪工作原理11.2 测量投影仪原理及结构31.3 本课题研究的内容及方法41.3.1主要的研究内容41.3.2设计要求41.3.3关键的技术问题4第2章 投影仪电动工作台装置总体结构设计52.1设计的要求与数据52.2 总体结构设计5第3章 工作台X方向结构及传动设计83.1 X向滚珠丝杆副的选择93.1.1导程确定93.1.2确定丝杆的等效转速93.1.3估计工作台质量及负重103.1.4确定丝杆的等效负载103.1.5确定丝杆所受的最大动载荷113.1.6精度的选择123.1.7选择滚珠丝杆型号133.2校核133.2.1 临界压缩负荷验证133.2.2临界转速验证143.2.3丝杆拉压振动与扭转振动的固有频率153.3电机的选择163.3.1电机轴的转动惯量163.3.2电机扭矩计算18第4章 工作台Y方向结构设计204.1 Y轴滚动导轨副的计算、选择204.2 滚珠丝杠计算、选择214.3 步进电机惯性负载的计算26第5章 旋转机构的设计295.1 旋转机构设计295.2 步进电机选择295.2.1 计算输出轴的转矩295.2.2 确定各轴传动比325.2.3 传动装置的运动和动力参数325.3 齿轮设计与计算355.3.1高速级齿轮设计与计算355.3.2 低速级齿轮设计与计算415.4 轴的设计与计算465.4.1输入轴的设计与计算465.4.2 中间轴的设计与计算505.4.3输出轴的设计与计算535.5 轴承的校核565.5.1 输入轴上轴承寿命计算565.5.2 中间轴上轴承寿命计算585.5.3 输出轴上轴承寿命计算605.6 键的选择和校核62第6章 控制系统设计646.1 系统方案设计646.1.1行元件的选择646.1.2 机构方案的选择646.1.3 机构方案的选择656.2 控制系统的选用656.3 数控装置的部件结构和安装666.4.控制系统的硬件设计676.4.1硬件电路的组成676.4.2设计说明67结论69参考文献70致 谢71摘 要本次设计是对投影仪电动工作台装置的设计。在这里主要包括:传动系统的设计、这次毕业设计对设计工作的基本技能的训练，提高了分析和解决工程技术问题的能力，并为进行一般机械的设计创造了一定条件。整机结构主要由电动机产生动力通过联轴器将需要的动力传递到丝杆上，丝杆带动丝杆螺母，从而带动整机运动，提高劳动生产率和生产自动化水平。更显示其优越性，有着广阔的发展前途。本论文研究内容：(1) 投影仪电动工作台装置总体结构设计。(2) 投影仪电动工作台装置工作性能分析。(3)电动机的选择。(4) 投影仪电动工作台装置的传动系统、执行部件及机架设计。(5)对设计零件进行设计计算分析和校核。(6)绘制整机装配图及重要部件装配图和设计零件的零件图。 关键词：投影仪电动工作台装置， 联轴器，滚珠丝杠 AbstractThis design is the design of electric device projector worktable. Here mainly include: design, drive system of the graduation design on the design of the basic skills training, enhancing the analysis and to solve engineering problems, and create a certain condition for general mechanical design.The structure is mainly produced by the motor power through the coupling will need to transfer the power to the screw rod, the screw rod drives the screw rod nut, thereby driving the movement, improve labor productivity and automation level of production. But also show its superiority, there are broad prospects for the development.The research of this thesis:(1) the projector electric table device structure design.(2) analysis projector electric table device performance.(3) the choice of motor.(4) transmission system, execution unit and a projector electric table device.(5) the design of components for the design calculation and check.(6) to draw the assembly drawing and parts assembly diagram and parts diagram design.Key words: projector electric table device, coupling, ball screw74第1章 绪论1.1 投影仪工作原理到目前为止，投影机主要通过三种显示技术实现，即CRT投影技术、LCD投影技术以及近些年发展起来的DLP投影技术。1、CRT三枪投影机 CRT是英文Cathode Ray Tube的缩写，译作阴极射线管。作为成像器件，它是实现最早、应用最为广泛的一种显示技术。这种投影机可把输入信号源分解成R（红）、G（绿）B（蓝）三个CRT管的荧光屏上，荧光粉在高压作用下发光系统放大、会聚、在大屏幕上显示出彩色图像。光学系统与RT管组成投影管，通常所说的三枪投影机就是由三个投影管组成的投影机，由于使用内光源，也叫主动式投影方式。CRT技术成熟，显示的图像色彩丰富，还原性好，具有丰富的几何失真调整能力；但其重要技术指标图像分辨率与亮度相互制约，直接影响CRT投影机的亮度值，到目前为止，其亮度值始终徘徊在300lm以下。另外CRT投影机操作复杂，特别是会聚调整繁琐，机身体积大，只适合安装于环境光较弱、相对固定的场所，不宜搬动。2、LCD投影机 LCD是Liquid Cristal Display 的英文缩写。LCD投影机分为液晶板和液晶光阀两种。液晶是介于液体和固体之间的物质，本身不发光，工作性质受温度影响很大，其工作温度为-55C+77C。投影机利用液晶的光电效应，即液晶分子的排列在电场作用下发生变化，影响其液晶单元的透光率或反射率，从机时影响它的光学性质，产生具有不同灰度层次及颜色的图像。下面分别说明两种LCD投影机的原理。3.液晶光阀投影机 它采用CRT管和液晶光阀作为成像器件，是CRT投影机与液晶与光阀相结合的产物。为了解决图像分辨率与亮度间的矛盾，它采用外光源，也叫被动式投影方式。一般的光阀主要由三部分组成：光电转换器、镜子、光调制器，它是一种可控开关。通过CRT输出的光信号照射到光电转换器上，将光信号转换为持续变化的电信号；外光源产生一束强光，投射到光光阀上，由内部的镜子反射，能过光调制器，改变其光学特性，紧随光阀的偏振滤光片，将滤去其它方向的光，而只允许与其光学缝隙方向一致的光通过，这个光与CRT信号相复合，投射到屏幕上。它是目前为止亮度、分辨率最高的投影机，亮度可达6000ANSI流明，分辨率为25002000，适用于环境光较强，观众较多的场合，如超大规模的指挥中心、会议中心及大型娱乐场所，但其价格高，体积大，光阀不易维修。主要品牌有：休斯-JVC、Ampro等。 4液晶板投影机 它的成像器件是液晶板，也是一种被动式的投影方式。利用外光源金属卤素灯或UHP（冷光源），若是三块LCD板设计的则把强光通过分光镜形成RGB三束光，分别透射过RGB三色液晶板；信号源经过模数转换，调制加到液晶板上，控制液晶单元的开启、闭合，从而控制光路的通过断，再经镜子合光，由光学镜头放大，显示在大屏幕上。目前市场上常见的液晶投影机比较流行单片设计（LCD单板，光线不用分离），这种投影机体积小，重量轻，操作、携带极其方便，价格也比较低廉。但其光源寿命短，色彩不很均匀，分辨率较低，最高分辨率为1024768，多用于临时演示或小型会议。这种投影机虽然也实现了数字化调制信号，但液晶本身的物理特性，决定了它的响应速度慢，随着时间的推移，性能有所下降。5数码投影机 DLP是英文Digital Light Porsessor 的缩写，译作数字光处理器。这一新的投影技术的诞生，使我们在拥有捕捉、接收、存储数字信息的能力后，终于实现了数字信息显示。DLP技术是显示领域划时代的革命，正如CD在音频领域产生的巨大影响一样，DLP将为视频投影显示翻开新的一页。它以DMD（Digital Micormirror Device)数字微反射器作为光阀成像器件。DLP投影机的技术关键点如下：首先是数字优势。数字技术的采用，使图像灰度等级达256-1024级，色彩达256-1024种，图像噪声消失，画面质量稳定，精确的数字图像可不断再现，而且历久弥新。其次是反射优势。反射式DMD器件的应用，使成像器件的总光效率达60%以上，对比度和亮度的均匀性都非常出色。在DMD块上，每一个像素的面积为16m16，间隔为1m。根据所用DMD的片数，DLP投影机可分为：单片机、两片机、三片机。DLP投影机清晰度高、画面均匀，色彩锐利，三片机亮度可达2000流明以上，它抛弃了传统意义上的会聚，可随意变焦，调整十分便利；分辨率高，不经压缩分辨率可达1024768（有些机型的最新产品的分辨率已经达到12801024）。1.2 测量投影仪原理及结构被测工件置于工作台上，在透射或反射照明下，它由物镜成放大实像并经反射镜成像于投影屏磨砂面上。此时可用标准玻璃尺在投影屏上进行测量，测得的数值除以物 镜放大倍数即为工作的测量尺寸。也可以用预先绘制的标准放大图对其进行比较测量。还可以利用工作台上的数字显示系统对工件进行座标测量；利用投影屏角度数 显系统对工件角度进行测量。 视工件性质，透射照明和反射照明可分别使用亦可同时使用。 结构与功能 测量投影仪仪器总体结构（如下图） 1 投影箱2投影屏3投影屏旋转微调手轮4投影屏旋转微调锁紧手轮5数显表6反射照明锁紧手轮7反射照明聚光镜8、12小门9X轴手轮10电源板11搬运手柄 13调焦手轮14底脚螺丝15主机箱16操作面板17Y轴手轮18旋转载物台19工作台20零位标记块21投影屏快速运动手柄22弹性压脚23遮光罩1.3 本课题研究的内容及方法1.3.1主要的研究内容在查阅了国内外大量的有关投影仪电动工作台设计理论及相关知识的资料和文献基础上，综合考虑投影仪电动工作台结构特点、具体作业任务特点以及投影仪电动工作台的推广应用，分析确定使用投影仪电动工作台实现自动化目的。为了实现上述目标，本文拟进行的研究内容如下:1 根据现场作业的环境要求和电动工作台本身的结构特点，确定电动工作台整体设计方案。2 确定电动工作台的性能参数，对初步模型进行静力学分析，根据实际情况选择电机。3 从所要功能的实现出发，完成电动工作台各零部件的结构设计；4 完成主要零部件强度与刚度校核。1.3.2设计要求1 根据所要实现的功能，提出电动工作台的整体设计方案；2 完成电动工作台结构的详细设计；3 通过相关设计计算，完成电机选型；4 完成电动工作台结构的设计；绘制电动工作台结构总装配图、主要零件图。1.3.3关键的技术问题1 方案选择2整体的支撑架设计3机构设计 4 强度校核 第2章 投影仪电动工作台装置总体结构设计2.1设计的要求与数据投影仪是零件外形尺寸检测的常用仪器，其原理是将零件平放在工作台上，用上方的投影物镜将零件放大投影在屏幕上，读取屏幕上的刻度进行测量。本课题要研究投影仪的光学检测原理，设计投影仪电动工作台的精密机械结构，论文的研究内容分为以下几个方面：1、查阅资料，了解投影仪工作原理，了解投影仪测量对工作台的要求；2、对原有手动调整的投影仪工作台进行自动化设计，用步进电机驱动工作台XY和旋转轴的移动，代替原有的手动旋钮。对工作台包括底座整体进行结构优化设计；3、设计投影仪工作台的步进电机控制电路；4、详细绘制各部件和零件的机械图纸；毕业设计（论文）的要求与数据1、投影仪放大倍率为20；2、要求投影仪工作台尺寸300300mm，定位精度0.01mm，移动速度10mm/s；3、工作台机械结构紧凑，能保证定位精度。2.2 总体结构设计一般来讲，普通投影仪的数控设计主要有两部分，一是设计一套简易微机数控工作台，固定在投影仪的工作台上。二是将控制上、下运动的手柄拆去，改用微机控制步进电机通过一级减速装置使头上下运动。本设计只对工作台进行设计。取投影仪步进电机的脉冲当量可选为0.01mm/脉冲，步进电机的步距角0.9。方案1系统运动方式的确定数控系统按运动方式可分为点位控制系统，点位直线系统，连续控制系统。如果工件相对于刀具移动过程中不进行切削，可选用点位控制方式。数控投影仪在工作台移动过程中头并不进行孔加工，因此数控装置可采用点位控制方式。对点位系统的要求是快速定位，保证定位精度。2伺服系统的选择伺服系统实现位置伺服控制有开环、闭环、半闭环3种控制方式。开环控制的伺服系统存在着控制精度不能达到较高水平的基本问题，但是步进电机具有角位移与输入脉冲的严格对应关系，使步距误差不会积累；转速和输入脉冲频率严格的对应关系，而且在负载能力范围内不受电流、电压、负载大小、环境条件的波动而变化的特点。并且步进电机控制的开环系统由于不存在位置检测与反馈控制的问题，结构比较简单，易于控制系统的实现与调试。并且随着电子技术和计算机控制技术的发展，在改善步进电机控制性能方面也取得了可喜的发展。因此，在一定范围内，这种采用步进电机作为驱动执行元件的开环伺服系统可以满足加工要求，适宜于在精度要求不很高的一般数控系统中应用。虽然闭环、半闭环控制为实现高精度的位置伺服控制提供了可能，然而由于在具体的系统中，增加了位置检测、反馈比较及伺服放大等环节，除了在安装调试增加工作量和复杂性外，从控制理论的角度看，要实现闭环系统的良好稳态和动态性能，其难度也将大为提高。为此，考虑到在普通立式投影仪上进行设计，精度要求不是很高，为了简化结构，降低成本，本设计采用步进电机开环伺服系统。3执行机构传动方式的确定为确保数控系统的传动精度和工作平稳性，在设计机构传动装配时，通常提出低摩擦、低惯量、高刚度、无间隙、高谐振以及有适宜阻尼比的要求。故在设计中应考虑以下几点：1）尽量采用低摩擦的传动和导向元件。如采用滚珠丝杠螺母传动副、滚动导轨等。2）尽量消除传动间隙。如步进电机上的传动齿轮采用偏心轴套式消隙结构。3）缩短传动链。缩短传动链可以提高系统的传动刚度，减小传动链误差。可采用预紧以提高系统的传动刚度。如应用预加负载的滚动导轨和滚珠丝杠传动副，丝杠支承设计成两端轴向固定，并加预拉伸的结构等提高传动刚度。X-Y工作台传动采用滚珠丝杠螺母传动副和滚动导轨。4计算机系统的选择计算机数控系统一般由微机部分、I/O接口电路、光电隔离电路、伺服电机驱动电路、检测电路等几部分所组成。在简易数控系统中，大多采用8位微处理器的微型计算机。如何采用Z80CPU或MCS-51单片机组成的微机应用系统。Z80CPU有芯片价廉，通用性强，维修方便等特点。MCS-51单片机具有集成度高、可靠性好、功能强、速度快和很高的性能价格比等特点。通过比较，对于简易数控机床推荐采用MCS-51系列单片机作为主控制器。微机数控的X-Y工作台。由于X-Y工作台的运动部件重量，因此选用有预加载荷的滚珠导轨。采用滚动导轨可减小两个相对运动面的动、静摩擦系数之差，从而提高运动平稳性，减小振动。考虑到电机步距角和丝杠导程只能按标准选取，为达到分辨率0.01mm要求，需采用齿轮降速传动。综上所述，本文总体方案确定为：采用MCS-51单片机对数据进行计算处理，由I/O接口输出步进脉冲步进电机经一级齿轮减速后，带动丝杠转动，从而实现工件的纵向、横向运动，同时为了防止意外事故，保护微机及其它设备，还设置报警，急停电路等，第3章 工作台X方向结构及传动设计表 3-1滚珠丝杆副支承支承方式简图特点一端固定一端自由结构简单，丝杆的压杆的稳定性和临界转速都较低设计时尽量使丝杆受拉伸。这种安装方式的承载能力小，轴向刚度底，仅仅适用于短丝杆。一端固定一端游动需保证螺母与两端支承同轴，故结构较复杂，工艺较困难，丝杆的轴向刚度与两端相同，压杆稳定性和临界转速比同长度的较高，丝杆有膨胀余地，这种安装方式一般用在丝杆较长，转速较高的场合，在受力较大时还得增加角接触球轴承的数量，转速不高时多用更经济的推力球轴承代替角接触球轴承。两端固定只有轴承无间隙，丝杆的轴向刚度为一端固定的四倍。一般情况下，丝杆不会受压，不存在压杆稳定问题，固有频率比一端固定要高。可以预拉伸，预拉伸后可减少丝杆自重的下垂和热膨胀的问题，结构和工艺都比较困难，这种装置适用于对刚度和位移精度要求较高的场合。3.1 X向滚珠丝杆副的选择滚珠丝杆副就是由丝杆、螺母和滚珠组成的一个机构。他的作用就是把旋转运动转和直线运动进行相互转换。丝杆和螺母之间用滚珠做滚动体，丝杠转动时带动滚珠滚动。设X向最大行程为300mm,最快进给速度为18m/min,大概质量为50kg,工作台大概质量为80kg,移动部件大概质量为30kg，工作台最大行程为300mm。3.1.1导程确定电机与丝杆通过联轴器连接，故其传动比i=1, 选择电机Y系列异步电动机的最高转速，则丝杠的导程为 取Ph=12mm3.1.2确定丝杆的等效转速基本公式 最大进给速度是丝杆的转速 最小进给速度是丝杆的转速 丝杆的等效转速 式中取故3.1.3估计工作台质量及负重 估算测量物重量 工作台重量 移动部件重量 3.1.4确定丝杆的等效负载工作负载是指机床工作时，实际作用在滚珠丝杆上的轴向压力，他的数值用进给牵引力的实验公式计算。选定导轨为滑动导轨，取摩擦系数为0.03，K为颠覆力矩影响系数，一般取1.11.5，本课题中取1.3，则丝杆所受的力为其等效载荷按下式计算（式中取，）3.1.5确定丝杆所受的最大动载荷fw-负载性质系数，（查表：取fw=1.2）ft-温度系数（查表：取ft=1）fh-硬度系数（查表：取fh =1）fa-精度系数（查表：取fa =1）fk-可靠性系数（查表：取fk =1）Fm-等效负载nz-等效转速Th -工作寿命，取丝杆的工作寿命为15000h由上式计算得Car=17300N表3-1-1各类机械预期工作时间Lh表3-1-2精度系数fa表3-1-3可靠性系数fk表3-1-4负载性质系数fw3.1.6精度的选择滚珠丝杠副的精度对电气机床的定位精度会有影响，在滚珠丝杠精度参数中，导程误差对机床定位精度是最明显的。一般在初步设计时设定丝杠的任意300行程变动量应小于目标设定定位精度值的1/31/2,在最后精度验算中确定。，选用滚珠丝杠的精度等级X轴为13级（1级精度最高），Z轴为25级，考虑到本设计的定位精度要求及其经济性，选择X轴Y轴精度等级为3级，Z轴为4级。3.1.7选择滚珠丝杆型号 计算得出Ca=Car=17.3KN,则Coa=(23)Fm=（34.651.9）KN公称直径Ph=12mm则选择FFZD型内循环浮动返向器，双螺母垫片预紧滚珠丝杆副，丝杆的型号为FFZD40103。公称直径 d0=40mm 丝杆外径d1=39.5mm 钢球直径dw=7.144mm 丝杆底径d2=34.3mm 圈数=3圈 Ca=30KN Coa=66.3KN 刚度kc=973N/m3.2校核滚珠丝杆副的拉压系统刚度影响系统的定位精度和轴向拉压震动固有频率，其扭转刚度影响扭转固有频率。承受轴向负荷的滚珠丝杆副的拉压系统刚度KO有丝杆本身的拉压刚度KS，丝杆副内滚道的接触刚度KC，轴承的接触刚度Ka，螺母座的刚度Kn，按不同支撑组合方式计算而定。3.2.1 临界压缩负荷验证丝杆的支撑方式对丝杆的刚度影响很大，采用一端固定一端支撑的方式。临界压缩负荷按下列计算：式中E-材料的弹性模量E钢=2.1X1011（N/m2）LO-最大受压长度（m）K1-安全系数，取K1=1.3Fmax-最大轴向工作负荷（N）f1-丝杆支撑方式系数：f1=15.1I=丝杆最小截面惯性距（m4）式中do-是丝杆公称直径（mm）dw-滚珠直径（mm），丝杆螺纹不封闭长度Lu=工作台最大行程+螺母长度+两端余量Lu=300+148+20X2=488mm支撑距离LO应该大于丝杆螺纹部分长度Lu，选取LO=620mm代入上式计算得出Fca=5.8X108N可见FcaFmax，临界压缩负荷满足要求。3.2.2临界转速验证滚珠丝杠副高速运转时，需验算其是否会发生共振的最高转速，要求丝杠的最高转速： 式中：A-丝杆最小截面：A=-丝杠内径，单位；P-材料密度p=7.85*103(Kg/m)-临界转速计算长度，单位为，本设计中该值为=148/2+300+(620-488)/2=440mm-安全系数，可取=0.8fZ-丝杠支承系数，双推-简支方式时取18.9经过计算，得出= 6.3*104，该值大于丝杠临界转速，所以满足要求。3.2.3丝杆拉压振动与扭转振动的固有频率 丝杠系统的轴向拉压系统刚度Ke的计算公式式中 A丝杠最小横截面，；螺母座刚度KH=1000N/m。当导轨运动到两极位置时，有最大和最小拉压刚度，其中，L植分别为750mm和100mm。经计算得：式中 Ke 滚珠丝杠副的拉压系统刚度(N/m)； KH螺母座的刚度(N/m)；KH=1000 N/mKc丝杠副内滚道的接触刚度(N/m)；KS丝杠本身的拉压刚度(N/m)；KB轴承的接触刚度(N/m)。经计算得丝杠的扭转振动的固有频率远大于1500r/min，能满足要求。3.3电机的选择步进电机是一种能将数字输入脉冲转换成旋转或直线增量运动的电磁执行元件。每输入一个脉冲电机转轴步进一个距角增量。电机总的回转角与输入脉冲数成正比例，相应的转速取决于输入脉冲的频率。步进电机具有惯量低、定位精度高、无累计误差、控制简单等优点，所以广泛用于机电一体化产品中。选择步进电动机时首先要保证步进电机的输出功率大于负载所需的功率，再者还要考虑转动惯量、负载转矩和工作环境等因素。3.3.1电机轴的转动惯量a、回转运动件的转动惯量上式中：d直径,丝杆外径d=39.5mmL长度=1mP钢的密度=7800经计算得b、X向直线运动件向丝杆折算的惯量上式中：M质量 X向直线运动件M=160kgP丝杆螺距（m）P=0.001m经计算得c、联轴器的转动惯量查表得 因此3.3.2电机扭矩计算a、折算至电机轴上的最大加速力矩上式中：J=0.0028kg/m2ta加速时间 KS系统增量，取15s-1,则ta=0.2s经计算得b、折算至电机轴上的摩擦力矩上式中：F0导轨摩擦力，F0=Mf，而f=摩擦系数为0.02，F0=Mgf=32NP丝杆螺距（m）P=0.001m传动效率，=0.90I传动比，I=1经计算得c、折算至电机轴上的由丝杆预紧引起的附加摩擦力矩上式中P0滚珠丝杆预加载荷1500N0滚珠丝杆未预紧时的传动效率为0.9经计算的T0=0.05NM则快速空载启动时所需的最大扭矩 根据以上计算的扭矩及转动惯量，选择电机型号为SIEMENS的IFT5066，其额定转矩为6.7。第4章 工作台Y方向结构设计4.1 Y轴滚动导轨副的计算、选择根据给定的工作载荷Fz和估算的Wx和Wy计算导轨的静安全系数fSL=C0/P，式中：C0为导轨的基本静额定载荷，kN；工作载荷P=0.5(Fz+W)； fSL=1.03.0(一般运行状况)，3.05.0（运动时受冲击、振动）。根据计算结果查有关资料初选导轨：因系统受中等冲击,因此取根据计算额定静载荷初选导轨:选择汉机江机床厂HJG-D系列滚动直线导轨,其型号为:HJG-D25基本参数如下:额定载荷/N静态力矩/N*M滑座重量导轨重量导轨长度动载荷静载荷L(mm)17500260001981982880.603.1760滑座个数单向行程长度每分钟往复次数M40.64导轨的额定动载荷N依据使用速度v（m/min）和初选导轨的基本动额定载荷 (kN)验算导轨的工作寿命Ln：额定行程长度寿命: 导轨的额定工作时间寿命: 导轨的工作寿命足够.4.2 滚珠丝杠计算、选择初选丝杠材质：CrWMn钢，HRC5860，导程：l0=5mm强度计算丝杠轴向力：(N)其中：K=1.15，滚动导轨摩擦系数f=0.0030005；在车床车削外圆时：Fx=(0.10.6)Fz，Fy=(0.150.7)Fz，可取Fx=0.5Fz，Fy=0.6Fz计算。取f=0.004,则:寿命值：，其中丝杠转速(r/min)最大动载荷：式中：fW为载荷系数，中等冲击时为1.21.5；fH为硬度系数，HRC58时为1.0。查表得中等冲击时则:根据使用情况选择滚珠丝杠螺母的结构形式，并根据最大动载荷的数值可选择滚珠丝杠的型号为: CM系列滚珠丝杆副，其型号为：CM2005-5。其基本参数如下:名称计算公式结果公称直径20mm螺距mm接触角钢球直径3.175mm螺纹滚道法向半径1.651mm偏心距0.04489mm螺纹升角螺杆外径19.365mm螺杆内径16.788mm螺杆接触直径17.755mm螺母螺纹外径23.212mm螺母内径（外循环）20.7mm其额定动载荷为14205N 足够用.滚珠循环方式为外循环螺旋槽式,预紧方式采用双螺母螺纹预紧形式.滚珠丝杠螺母副的几何参数的计算如下表（1） 传动效率计算丝杠螺母副的传动效率为：式中：=10，为摩擦角；为丝杠螺旋升角。（2） 稳定性验算丝杠两端采用止推轴承时不需要稳定性验算。（3） 刚度验算滚珠丝杠受工作负载引起的导程变化量为：(cm)Y向所受牵引力大,故用Y向参数计算丝杠受扭矩引起的导程变化量很小，可忽略不计。导程变形总误差为E级精度丝杠允许的螺距误差 =15m/m。4.3 步进电机惯性负载的计算根据等效转动惯量的计算公式，有：（1）等效转动惯量的计算折算到步进电机轴上的等效负载转动惯量为：式中：为折算到电机轴上的惯性负载；为步进电机轴的转动惯量；为齿轮的转动惯量；为齿轮的转动惯量；为滚珠丝杠的转动惯量；为移动部件的质量。对钢材料的圆柱零件可以按照下式进行估算：式中为圆柱零件直径，为圆柱零件的长度。所以有：电机轴的转动惯量很小，可以忽略，所以有：步进电机的选用(）步进电机启动力矩的计算设步进电机的等效负载力矩为，负载力为，根据能量守恒原理，电机所做的功与负载力所做的功有如下的关系：式中为电机转角，为移动部件的相应位移，为机械传动的效率。若取，则，且。所以：式中：为移动部件负载（N），G为移动部件质量（N），为与重力方向一致的作用在移动部件上的负载力（N），为导轨摩擦系数，为步进电机的步距角（rad）,T为电机轴负载力矩（N.cm）。取=0.3（淬火钢滚珠导轨的摩擦系数），.8，=279.23。考虑到重力影响，向电机负载较大，因此1200，所以有：考虑到启动时运动部件惯性的影响，则启动转矩：取系数为.，则： 对于工作方式为三相拍的步进电机： (） 步进电机的最高工作频率为使电机不产生失步空载启动频率要大于最高运行频率,同时电机最大静转矩要足够大,查表选择两个90BF001型三相反应式步进电机.电机有关参数如下:型号主要技术参数相数步距角电压(V)相电流(A)最大静转矩(n.m)空载启动频率空载运行频率分配方式90BF00140.98073.92200080004相8拍外形尺寸(mm)重量kg转子转动惯量Kg.m外直径长度轴直径9014594.51764第5章 旋转机构的设计5.1 旋转机构设计旋转机构系统部件的结构设计。（1） 支撑架的设计支撑架主要承载所有零件的重量，右端设计驱动电机支撑架。考虑旋转机构回转时的偏心力，合理设计支撑架与回转轴的连接，采用柱销式连接，两边用螺钉紧固。同时设计一个支撑圆盘加以固定，使其转动更加平衡。为了减轻自重，选用ZL401材料。（2） 机座的设计机座在中间轴对应的位置处加工一个轴承固定座，其他无特殊要求。旋转机构系统的内部设计主要是对传动系统的各部件进行设计计算与校核，其设计计算主要参照机械设计14。5.2 步进电机选择5.2.1 计算输出轴的转矩 （3.1） （3.2） （3.3） （3.4） （3.5） （3.6）惯性力矩 摩擦力矩 输出轴转动角速度 转动惯量旋转机构自身转动惯量启动时间=0.5s=0.8m/s=0.5m 1.6 rad/s =1.6kgm由同组组员算出的小臂质量及相关小臂相对oa线的垂直距离得出：=1000mm，m=20kg，代入式（3.5）得：=6.67kgmm计算相关旋转机构设计数值得出：kg代入式（3.6）得：=5.75kgm代入（3.2）得到=44.86Nm 带入（3.1）得到=49.85Nm= =6.86Nm选择二级圆柱齿轮减速器i=9 （3.7）=0.99 联轴器传动效率=0.96 齿轮传动效率=0.98 轴承传动效率代入式（3.7）得到：0.8075.2.2 确定各轴传动比总传动比=9 ，根据推荐的传动副传动比合理范围，取：高速级传动比=3 ，低速级传动比=3 5.2.3 传动装置的运动和动力参数由图3.2，各轴由高速至低速依次设计为轴（输入轴）、轴（中间轴）、轴（输出轴）。图3.2 传动示意简图各轴转速 （3.8） （3.9） =1.6rad/s=15.3r/min代入式（3.8）、式（3.9）得：45.9r/min，137.7r/min转矩计算 （3.10）49.85Nm代入式（3.7）得：17.7Nm同理得到：=17.7Nm=6.27Nm=6.66Nm北京和利时电机电器有限公司的一些步进电机技术参如表3.1。表3.1 步进电机产品系列及技术参数型号相数步距角(DEG.)电压(V)电流(A)静转矩(N.m)空载运行频率(KHZ)转动惯量(Kg.cm2)备注86BYG250AN20.9/1.81103.62.4150.5686BYG250BN20.9/1.811045.0151.286BYG250CN20.9/1.811057.0154.28北京和利时电机电器有限公司86BYG250CN型步进电机的运行矩频特性曲线如图3.3。图3.3 运行矩频特性由计算得到所需：=6.86Nm，137.7r/min该电机可以满足要求。 北京和利时电机电器有限公司86BYG250CN型步进电机的外型简图如图3.4。图3.4 步进电机外形简图根据前面计算，选择北京和利时电机电器厂的86BYG250CN型步进电机。由电机输出轴尺寸选择TL2型弹性套柱销联轴器，主从动端均选用型轴孔16。5.3 齿轮设计与计算5.3.1高速级齿轮设计与计算（1） 选定齿轮类型、精度等级、材料与齿数按已知条件，选用直齿圆柱齿轮传动。由资料14（下同）表10-1小齿轮材料选用45Cr(调质)，表面硬度为280HBS,大齿轮材料选用45钢（调质），表面硬度为240HBS。选择7级精度，（2） 按齿面接触疲劳强度计算根据设计计算公式（10-9a）试算小齿轮分度圆直径，即： （3.11）载荷系数输入轴承受扭矩齿宽系数重合度系数弹性影响系数接触疲劳许用应力确定上式中各参数：试选载荷系数=1.3，小齿轮传递的扭矩为 =6.27Nm查表10-7，选齿宽系数=1；查表10-6，得弹性影响系数=189.8，查图10-21d，查得小齿轮接触疲劳强度极限为MPa；大齿轮接触疲劳强度极限为MPa。计算应力循环: （3.12）输入轴转速工作时间137.7r/min=10000h双向转动，取=2代入式（3.12）得： =1.65108次=4.96108次 查图10-19，得接触疲劳寿命系数1.15，1.26；计算接触疲劳许用应力：取安全系数S=1，则=690MPa， =693MPa计算设计公式中代入中较小值，得21.74mm计算小齿轮分度圆圆周速度0.17m/s计算齿宽b=21.74mm计算齿宽与齿高之比： b/h （3.13）模数0.91mm齿高=2.04mm代入式（3.13）得： =10.67计算载荷系数 （3.14）查图10-8，由v=0.17m/s，7级精度，得：=1.0查表10-4，得：1.2查表10-2，得：=1.25查表10-3，得：=1.30查图10-13，得：=1.28以上代入式（3.14）得： 1.95 按实际载荷系数修正 24.87mm （3.15）计算模数m：1.04mm按弯曲强度设计由公式（10-5 ） （3.16）弯曲疲劳寿命系数弯曲疲劳需用应力齿形系数应力校正系数由图10-20c查得小齿轮弯曲疲劳强度极限=500MPa；大齿轮弯曲强度极限=380MPa；由图10-18取弯曲疲劳寿命系数=0.93，=0.97计算载荷系数=1.92计算弯曲疲劳需用应力，取弯曲疲劳安全系数S=1.4，得：=332.1MPa=263.3MPa查取齿形系数，由表10-5得：=2.65；=2.226查取应力校正系数，由表10-5查得：=1.58；=1.764=0.013=0.015大齿轮对应数值大，将以上数值代入得：0.86对比计算结果，由于齿轮模数m的大小主要取决于弯曲强度所决定的承载能力，而齿面接触疲劳强度的承载能力仅与齿轮直径有关，所以取由弯曲疲劳强度算得的m=0.86，并取圆整为标准值m=1，前面计算得=24.87mm,得小齿轮的齿数：24.8725=75几何尺寸计算：分度圆直径 （3.17)将模数、齿数代入式（3.17）得：25mm；75mm中心距 （3.18）将，代入式（3.18）得： 50mm齿轮宽度 （3.19）由式（3.19）得：=25mm；=30mm5.3.2 低速级齿轮设计与计算（1） 选定齿轮类型、精度等级、材料与齿数（a） 按已知条件，选用直齿圆柱齿轮传动。 （b）由表10-1小齿轮的材料为40Cr（调质），硬度为280HBS，大齿轮的材料为45钢（调质），硬度为240HBS。（c）选择7级精度，（2）按齿面接触疲劳强度计算试选载荷系数：=1.3小齿轮传递的扭矩为：=17.7Nm查表10-7，选齿宽系数=1查表10-6，得弹性影响系数=189.8；查图10-21d，查得小齿轮接触疲劳强度极限为MPa；大齿轮接触疲劳强度极限为MPa。计算应力循环系数=5.5108次=1.84107次 查图10-19，得接触疲劳寿命系数1.26，1.31；计算接触疲劳许用应力：取安全系数S=1，则：=756MPa， =720.5MPa计算设计公式中代入中较小值，得：29.85mm计算小齿轮分度圆圆周速度0.072m/s计算齿宽b=29.85mm计算齿宽与齿高之比b/h模数1.24mm齿高=2.8mm =10.67计算载荷系数查图10-8，由v=0.07m/s，7级精度，得：=1.0查表10-4，得：1.2查表10-2，得：=1.25查表10-3，得：=1.30查图10-13，得：=1.28所以载荷系数1.95按实际载荷系数修正34.17mm计算模数m1.42mm按弯曲强度设计由式（10-5）得：由图10-20c查得小齿轮弯曲疲劳强度极限=500MPa；大齿轮弯曲强度极限=380MPa；由图10-18取弯曲疲劳寿命系数=0.93，=0.97计算弯曲疲劳需用应力取弯曲疲劳安全系数S=1.4，得：=332.1MPa=263.3MPa计算载荷系数=1.92查取齿形系数。由表10-5得：=2.65；=2.226查取应力校正系数由表10-5查得：=1.58；=1.764=0.013=0.015大齿轮对应数值大将以上数值代入得：0.86对比计算结果，由于齿轮模数m的大小主要取决于弯曲强度所决定的承载能力，而齿面接触疲劳强度的承载能力仅与齿轮直径有关，所以取由弯曲疲劳强度算得的m=1.21，并取圆整为标准值m=1.5，前面计算得=29.85mm,得小齿轮的齿数24.6725=75几何尺寸计算分度圆直径37.5mm；112.5mm中心距=75mm齿轮宽度=37.5mm；=42.5mm5.4 轴的设计与计算5.4.1输入轴的设计与计算（1） 求输入轴上的功率、转速、扭矩0.456kW137.7r/min6.27Nm（2） 初估轴直径 （3.20）选取轴的材料为45钢，调质处理，查表11-3，取，并将数据代入式（3.20）得： =17mm （3） 轴的结构设计输入轴的最小直径与先前计算齿轮直径相差很少，所以做成齿轮轴。轴的结构尺寸如图3.5。图3.5 输入轴结构尺寸简图（4） 求轴上支反力与弯矩水平方向： ； （3.21）垂直方向： ； （3.22） 对锥齿轮： , （3.23） 对直齿轮： ， （3.24） 将输入轴参数代入式（3.24）得：538.2N,138.5N501.6N,182.6N代入得：408.6N,867.2N 514.8N ,558.9N作出输入轴水平方向及垂直方向的弯矩图3.6： 图3.6 输入轴的受力分析图 从输入轴的结构图和受力情况分析得到截面II是输入轴的危险截面，计算结果如表3.4。表3.4 截面处的弯矩载荷水平面H垂直面V支反力408.6N867.2N514.8N558.9N弯矩44.8Nm 0.7Nm 总弯矩44.8Nm 扭矩6.27Nm（5） 按弯扭合成应力校核轴的强度 （3.25）式中：轴的计算应力 轴受得弯矩 轴所受的扭矩 轴的抗弯截面系数 （3.26）校核轴上承受最大计算弯矩的截面处的强度，取1，将各数值代入式（3.25）、（3.26）得：7.66MPa轴的材料为45钢，查表11-1，。因此，故安全。5.4.2 中间轴的设计与计算（1） 求输入轴上的功率、转速、扭矩0.429kW45.9r/min17.7Nm（2） 初估轴直径选取轴的材料为45钢，调质处理，查表11-3，取，得：25mm（3） 轴的结构设计中间轴的直径与小齿轮分度圆直径相差很少，所以做成锥齿轮轴。轴的结构尺寸如图3.7。图3.7 中间轴结构尺寸简图（4） 求轴上支反力与弯矩水平方向： ； （3.27）垂直方向： ； （3.28） 对直齿轮：，将输入轴参数代入得：472N,171.8N944N,343.6N代入得：35.8N,436.2N13N,158.7N作出中间轴水平方向及垂直方向的弯矩图： 图3.8 中间轴的受力分析图 从轴的结构图和受力情况分析得到截面II是轴的危险截面，计算结果如表3.5。表3.5 截面处的弯矩载荷水平面H垂直面V支反力35.8N436.2N13N158.7N弯矩31.7Nm11.51Nm总弯矩33.7Nm扭矩17.7Nm（5） 按弯扭合成应力校核轴的强度校核轴上承受最大计算弯矩的截面处的强度2.01MPa轴的材料为45钢，查表11-1，60MPa。因此，故安全。5.4.3输出轴的设计与计算 （1） 求输出轴上的功率、转速、扭矩0.404kW15.3r/min49.85Nm（2） 初估轴直径选取轴的材料为45钢，调质处理，查表11-3，取，得：33mm（3） 轴的结构设计轴的结构尺寸如图3.9，输出轴的直径与齿轮直径相差很少，所以做成锥齿轮轴。图3.9 输出轴结构尺寸简图（4） 求轴上支反力与弯矩水平方向： ； （3.29）垂直方向： ； （3.30） 对直齿轮：，将输入轴参数代入得：886.2N,322.6N代入得：1364.4N,478.1N 496.6N,174N作出输出轴水平方向及垂直方向的弯矩图3.10：图3.10 输出轴的受力分析图 从轴的结构图和受力情况分析得到轴的危险截面，计算结果如表3.7。表3.7 截面处的弯矩载荷水平面H垂直面V支反力1364.4N478.1N496.68N174N弯矩33.5Nm12.2Nm总弯矩35.7Nm扭矩49.85Nm（5） 按弯扭合成应力校核轴的强度校核轴上承受最大计算弯矩的截面处的强度35MPa轴的材料为45钢，查表11-1，60MPa。因此，故安全。5.5 轴承的校核5.5.1 输入轴上轴承寿命计算查阅资料14表13-3得到轴承的预期寿命为由图3.5可知轴上安装轴承处直径为17mm，考虑其承受齿轮轴和联轴器的重量，所以选择圆锥滚子轴承30203，e=0.35，=1.7， 1， Cr=20.8kN、Cor=21.8kN。求出各力即可算出强度。轴上所受的支反力： 657.2N 1031.5N （3.31） 193.3N， 303.2N （3.32）式中：径向支反力轴向支反力193.3N，303.2N193.3N，303.2N ，查表13-5得：0.4， ，查表13-5得：1，0查表13-6载荷系数=1.2，将以上代入式（3.33）、（3.34），轴承当量动载荷为 750.5N （3.33） 1237.8N （3.34）由公式（13-15） （3.35）式中：轴承所在轴的转速温度系数额定动载荷轴承所在轴的传动功率计算轴承寿命。 137.7r/min=25000N10/3查表13-7，温度系数=1代入式（3.35）得：h，满足使用要求。5. 5.2 中间轴上轴承寿命计算（1） 由图3.7可知轴上安装轴承处直径为25mm，考虑其承受齿轮轴和联轴器的重量，所以选择圆锥滚子轴承3007105，e=0.37，=1.6， 0.9， Cr=32kN，Cor=37kN。求出各力即可算出强度。轴上所受的支反力：38.1N，464.2N11.9N，145.1N， 考虑其轴上零件重量得到，50 N；61.9N，145.1N；61.9N，=145.1N ，查表13-5得0.4，1.6 ，查表13-5得1，0查表13-6载荷系数=1.2，轴承当量动载荷为 137.1N557N计算轴承寿命。 45.9r/min C=28000N 10/3 查表13-7，温度系数=1代入得h，满足使用要求。5.5.3 输出轴上轴承寿命计算轴承受力如图3.11所示，轴安装出直径为35mm，由于轴向要承受大小臂的重力，所以选择圆锥滚子轴承2007907E，Cr=54.2kN，Cor=63.5kN，e=0.37，1.6，0.9，求出各力大小，即可算出强度。 图3.11 轴轴承受力结构简图图中R有两部分组成，第一部分为轴上所受的支反力：1452N， 508.8N第二部分为大臂和小臂工作时产生的偏心力，如图3.12所示。图3.12 工作时大、小臂质量产生偏心力简图 大小臂重力分别为：300N,200N经计算得：2400N3852N，2908.8N1203.8N，909N，1753.9N，909N1753.9N，=909N ，查表13-5得0.4，1.6 ，查表13-5得1，0查表13-6载荷系数=1.2，轴承当量动载荷为5108.2N2949.6N由公式13-10a，因为，所以带入进行校核计算轴承寿命。 15.3r/min =73200N10/3查表13-7，温度系数=1代入得h，满足使用要求。5.6 键的选择和校核5.6.1 键的选择根据齿轮和轴的参数，参考机械设计选择设计键。电机输出轴键：；中间轴的键：；输出轴的键：。5.6.2 键的校核键的材料为45钢，由资料表6-2查得许用挤压应力MPa 根据公式 （3.25）得到：键：工作长度mm，接触高度3.3mm，17.7Nm25.5MPa，安全。键：工作长度mm，接触高度3.8mm，49.85Nm23.9MPa，安全。第6章 控制系统设计6.1 系统方案设计经初步分析,投影仪电动工作台的伺服系统的负载不大，精度要求不高、可采用开环控制。一般来讲，开环伺服系统的稳定性不在问题，设计时应主要考虑满足精度方面的要求。6.1.1行元件的选择在选择执行元件时要综合考虑负载能力、调速范围、运行精度、可控性、可靠性以及体积、成本等多方面要求。开环伺服系统中可采用步进电动机、电液脉冲马达、伺服阀控制的液压缸和液压马达等作为执行元件。其步进电动机应用最为广泛。一般情况下就优先选用步进电动机。故初选步进电动机为系统的执行元件。由微机控制步进电机的输入频率，来控制电机的输出转速，从而实现割炬枪的无级调速。6.1.2 机构方案的选择传动机构实质上是执行元件与执行机构之间的一个机械接口，用于对运动和力进行变换和传递。步进电动机输出的是旋转运动，用于将旋转运动转换成直线运动的传动机构主要有齿轮齿条和丝杠螺母等。前者可获得较大的传动比和较高的传动效率，所能传递的力也较大，但高精度的齿轮齿条制造困难，且为消除传动间隙而结构复杂；后者困结构简单、制造容易而应用广泛，是伺服系统中的首先传动机构。故初选丝杠螺母作为传动机构。传动方式采用丝杠旋转，丝杠螺母带动工作台直线运动，利用调节丝杠的转速来控制割枪的速度。当电动机与丝杠电心距较大时，可采用同步齿形带传动。 6.1.3 机构方案的选择执行机构是伺服系统中的被控对象，是实现实际操作的机构。执行机构方案的选择主要是导向机构的选择，即导轨的的选择。导轨主要有滑动和滚动两大类。其中滚动直线导轨承载能力大，刚性强，寿命长，传动动平稳可靠，且具有自调整能力。故初选滚动直线导轨为导向机构。6.2 控制系统的选用机电一体化控制系统由硬件系统和软件系统两大部分组成.本控制系统选用我国国内自主研发生产的数控装置-“世纪星”HNC-21 系列数控装置（HNC-21M）。 数控装置的简介：“世纪星”HNC-21 系列数控装置（HNC-21M） 采用先进的开放式体系结构，内置嵌入式工业PC 机，高性能32 位中央处理器，配置7.5”彩色液晶显示屏和标准机床工程面板，集成进给轴接口、主轴接口、手持单元接口、内嵌式PLC 接口、远程I/O 板接口于一体，支持硬盘、电子盘等程序存储方式以及软驱、以太网等程序交换功能，主要适用于数控车、投影仪和加工中心的控制。具有高性能、配置灵活、结构紧凑、易于使用、可靠性高的特点。1.最大联动轴数为4 轴。2.可选配各种类型的脉冲式、模拟式交流伺服驱动器或步进电机驱动器以及HSV-11 系列串行式伺服单元。3. 配置标准机床工程面板,不占用PLC 的输入/输出接口操作面板,颜色按键名称可按用户要求定制.4.配置40 路输入接口和32 路功率放大光电隔离开关量输出接口、手持单元接口、模拟主轴控制接口与编码器接口，以及远程I/O 板扩展接口。5.采用7.5”彩色液晶显示器（分辨率为640480）， 全汉字操作界面，具有故障诊断与报警设置，多种图形加工轨迹显示和仿真功能，操作简便、易于掌握和使用。6.采用国际标准G 代码编程，与各种流行的CAD/CAM 自动编程系统兼容，具有直线、圆弧、螺旋线插补，固定循环、旋转、缩放、镜像、刀具补偿、宏程序等功能。 7. 加工断点保存/恢复功能，为用户安全、方便使用提供保证。 8.反向间隙和