滾珠絲杠課程設計報告書

./本科生專業(yè)課程設計〔屆學生：學號：專業(yè)名稱：班級：指導教師：年月日.目錄TOC\o"1-1"\h\z\u專業(yè)課程設計計算說明書3原始數(shù)據(jù)3一、系統(tǒng)總體方案設計3二、機械系統(tǒng)的設計計算4三、控制系統(tǒng)設計19.專業(yè)課程設計計算說明書原始數(shù)據(jù)設計一臺微機控制XY兩坐標工作臺,采用MCS-51單片機控制,控制方式采用步進電機開環(huán)控制。其他參數(shù)如下：脈沖當量mm/step定位精度mm最大移動速度m/min工作臺尺寸mm進給抗力N工作臺行程mm臺面上最大物重質(zhì)量kgXY0.0050.041100*15050032022545一、系統(tǒng)總體方案設計步進電動機減速器步進電動機減速器滾珠絲杠步進電動機減速器工作臺滾珠絲杠X方向傳動機構(gòu)Y方向傳動機構(gòu)微型機機電接口驅(qū)動電路人機接口〔一機械系統(tǒng)傳動機構(gòu)采用滾珠絲杠副與齒輪或帶減速。導向機構(gòu)采用滾動直線導軌。執(zhí)行機構(gòu)采用步進電機?！捕涌谠O計1、人機接口〔1采用鍵盤或BCD碼盤作為輸入?！?采用LED作為電源等指示標志?！?采用蜂鳴器或揚聲器作為警報裝置?！?采用數(shù)碼管作為顯示器。2、機電接口采用光電偶合器作為微型機與步進電動機驅(qū)動電路的接口,實現(xiàn)電氣隔離。〔三伺服系統(tǒng)設計本次設計的系統(tǒng)精度要求不高,載荷不大,因此采用開環(huán)控制。〔四控制系統(tǒng)設計微型機接口電路功放電路微型機接口電路功放電路執(zhí)行元件機械傳動執(zhí)行機構(gòu)開環(huán)控制流程圖控制方案不外乎三種：開環(huán)控制、半閉環(huán)控制、閉環(huán)控制。CPU光偶驅(qū)動器CPU光偶驅(qū)動器步進電機人機接口速度位移顯示、報警開環(huán)控制原理圖采用步進電機來實現(xiàn)驅(qū)動,一般情況下多采用開環(huán)控制。因為步進電機的輸出轉(zhuǎn)角與控制器提供的脈沖數(shù)有著正比關(guān)系,電機轉(zhuǎn)速與控制器提供的脈沖頻率成正比。因此通常在精確度要求不是很高時,采用步進電機是合理的。當然,由于步進電機具有高頻易失步,負載能力不強的缺點。二、機械系統(tǒng)的設計計算〔本次設計若未作特殊說明,其中的表與圖均來自：由堤主編的《機電一體化設計基礎》〔一初選步進電動機根據(jù)已知條件：X、Y方向的脈沖當量分別為：即脈沖當量較小,因此這里選用反應式步進電動機。其特點是：步距角小,運行頻率高,價格較低,但功耗較大。結(jié)論：初選步進電機型號為：90BF5-1.5,其相關(guān)參數(shù)如下：機座號型號相數(shù)電壓V電流A步距角°9090BF5-1.5560/1251.5/0.8步距角誤差’空載運行頻率轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量10-5kg.m2重量kg空載啟動頻率Hz最大靜轉(zhuǎn)矩N.m10約120000.080.2225001.96并采用單雙相通電方式,因此步距角。1、步進電動機的脈沖頻率計算典型工況下,步進電動機的脈沖頻率分別為：2、步進電動機的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩計算典型工況下,步進電動機的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩分別為：按圖5-7查得：3、步進電動機的驅(qū)動力計算典型工況下,步進電動機的驅(qū)動力分別為：驅(qū)動力遠大于進給抗力,所以所選步進電動機滿足使用要求?！捕嬎銣p速器傳動比減速器傳動比：初取滾珠絲杠：公稱直徑導程204此時：按圖5-33,選一級齒輪傳動?！踩X輪機構(gòu)設計機械傳動效率概略值〔供參考類型V帶傳動聯(lián)軸器傳動圓柱齒輪傳動一對滾動軸承絲杠螺母副符號ηvηcηgηbηs效率0.94~0.970.97~0.9950.96~0.990.98~0.9950.90~0.95初選效率為0.8。可見,系統(tǒng)傳遞的功率很小,在要求不高時,以后各步的計算可省略。并采用經(jīng)驗法來設計各元部件。但為練習計算過程,本次設計采用分析計算來設計。1、齒輪傳動機構(gòu)的基本參數(shù)傳遞功率<w>小齒輪轉(zhuǎn)速n1<r/min>傳動比一天運轉(zhuǎn)時間<h>工作壽命〔年傳動效率轉(zhuǎn)向工況10.444416/9850.975不變平穩(wěn)其中小齒輪轉(zhuǎn)速：2、選擇材料及確定許用應力小齒輪材料選擇45鋼〔表面淬火,硬度為45HRC大齒輪材料為45鋼〔調(diào)質(zhì)硬度為220HBS小齒輪的接觸疲勞強度極限〔淬火處理大齒輪的接觸疲勞強度極限安全系數(shù)和安全系數(shù)軟齒面硬齒面重要的傳動、滲碳淬火齒輪或鑄造齒輪1.0~1.11.1~1.21.31.3~1.41.4~1.61.6~2.2取安全系數(shù)小齒輪的彎曲疲勞強度極限大齒輪的彎曲疲勞強度極限取3、按齒面接觸強度設計設齒輪按7級精度制造。取載荷系數(shù)1.1,齒寬系數(shù),??；大齒輪齒數(shù)：模數(shù)；取標準值m=0.8確定中心距齒寬：b=取4、驗算輪齒彎曲強度齒形系數(shù)校驗結(jié)果：安全。5、齒輪的圓周速度選用7級精度是安全的。為方便與電機軸的配合,對齒輪作如下修改：取；大齒輪齒數(shù)：中心距：齒寬：b=取〔四滾珠絲杠選擇1、滾珠絲杠工作長度計算X方向絲杠工作長度：X方向絲杠工作載荷：Y方向絲杠工作長度：Y方向絲杠工作載荷：令兩方向絲杠的工況均為：每天開機6小時；每年300個工作日；工作8年以上。絲杠材料：CrWMn鋼；滾道硬度為58~62HRC；絲杠傳動精度為。平均轉(zhuǎn)速n=125r/min〔2、計算載荷求解查《機電一體化設計基礎》表2-6；2-7；2-8的,查表2-4取C級精度。表2-6載荷系數(shù)載荷性質(zhì)無沖擊平穩(wěn)運轉(zhuǎn)一般運轉(zhuǎn)有沖擊和振動運轉(zhuǎn)1~1.21.2~1.51.5~2.5表2-7硬度系數(shù)滾道實際硬度≥58555045401.01.111.562.43.85表2-8精度系數(shù)精度等級C、DE、FGH1.01.11.251.433、額定動載荷計算計算壽命：4、滾珠絲杠副選擇假設選用FC1型號,按滾珠絲杠副的額定動載荷等于或稍大于的原則,選漢江機床廠出品的2004-2.5,,其參數(shù)如下：滾珠直徑滾道半徑偏心距絲杠徑5、穩(wěn)定性驗算由于一端軸向固定的長絲杠在工作時可能會發(fā)生失穩(wěn),所以在設計時應驗算其安全系數(shù)S,其值應大于絲杠副傳動結(jié)構(gòu)允許安全系數(shù)[S]〔見表2-10絲杠不會發(fā)生失穩(wěn)的最大載荷稱為臨界載荷〔N按下式計算：式中,E為絲杠材料的彈性模量,對于鋼,E=206GPa；l為絲杠工作長度〔m；Ia為絲杠危險截面的軸慣性矩〔m4；為長度系數(shù),見表2-10。依題意,取,則安全系數(shù)查表2-10,[S]=2.5~3.3。S>[S],絲杠是安全的,不會失穩(wěn)。高速長絲杠工作時可能發(fā)生共振,因此需驗算其不會發(fā)生共振的最高轉(zhuǎn)速——。要求絲杠的最大轉(zhuǎn)速臨界轉(zhuǎn)速〔r/min：該絲杠工作轉(zhuǎn)速滾珠絲杠副還受值的限制,通常要求所以該絲杠副工作穩(wěn)定。6、剛度驗算滾珠絲杠在工作負載F〔N和轉(zhuǎn)矩共同作用下引起每個導程的變形量為式中,A為絲杠截面積,；為絲杠的極慣性矩,；G為絲杠切變模量,對鋼；為轉(zhuǎn)矩。式中,為摩擦角,其正切函數(shù)值為摩擦系數(shù)；為平均工作負載。本題取摩擦系數(shù)為,則。按最不利的情況取〔其中則絲杠在工作長度上的彈性變形所引起的導程誤差為通常要求絲杠的導程誤差應小于其傳動精度的1/2,即,該絲杠滿足剛度要求。7、效率驗算滾珠絲杠副的傳動效率為%要求在90%~95%之間,所以該絲杠副合格?！参鍧L動直線導軌選擇1、已知參數(shù)滑座上載荷滑座個數(shù)M單向行程長度每分鐘往復次數(shù)441N2個440mm4次每天工作一年工作日數(shù)壽命6小時300天5年2、導軌額定壽命計算由公式2-10：得：因滑座數(shù)M=2,所以每根導軌上使用1個滑座,由表2~15-2~18確定由式2-9：得：查《機械電子工程專業(yè)課程設計指導書》表3-19,選LY25AL,其基本額定載荷為：,能滿足使用要求?！擦嬎阆到y(tǒng)轉(zhuǎn)動慣量1、電動機軸上總當量負載轉(zhuǎn)動慣量計算小齒輪轉(zhuǎn)動慣量大齒輪轉(zhuǎn)動慣量絲杠轉(zhuǎn)動慣量將各傳動件轉(zhuǎn)動慣量及工作臺質(zhì)量折算到電動機軸上,得總當量負載轉(zhuǎn)動慣量：2、慣量匹配驗算滿足的要求,慣量匹配比較合理。3、步進電動機負載能力校驗〔1步進電動機軸上的總慣量〔2空載啟動時,電動機軸上的慣性轉(zhuǎn)矩〔3電動機軸上的當量摩擦轉(zhuǎn)矩其中伺服進給傳動鏈的總效率取為〔4設滾動絲杠螺母副的預緊力為最大軸向載荷的1/3,則因預緊力而引起的折算到電動機軸上的附加摩擦轉(zhuǎn)矩為〔5工作臺上的最大軸向載荷折算到電動機軸上的負載轉(zhuǎn)矩為〔6空載啟動時電動機軸上的總負載轉(zhuǎn)矩為〔7在最大工作載荷下電動機軸上的總負載轉(zhuǎn)矩為〔8按表5-5查得空載啟動時所需電動機最大靜轉(zhuǎn)矩為〔9按式5-39可求得在最大外載荷下工作時所需要電動機最大靜轉(zhuǎn)矩為結(jié)論：所選步進電動機啟動轉(zhuǎn)矩遠大于所需要的啟動轉(zhuǎn)矩,因此選擇的步進電機的功能不能充分發(fā)揮?！矠樘岣呓?jīng)濟性,可重新選擇。4、系統(tǒng)剛度計算〔1按表5-8所列公式可求得絲杠最大、最小拉壓剛度為〔2假定絲杠軸向支承軸承經(jīng)過預緊并忽略軸承座和螺母座剛度的影響,按表5-9所列公式可求得絲杠螺母機構(gòu)的綜合拉壓剛度〔3按式5-45可計算出絲杠最低扭轉(zhuǎn)剛度為5、固有頻率計算〔1絲杠質(zhì)量為〔2絲杠-工作臺縱振系統(tǒng)的最低固有頻率為〔3折算到絲杠軸上系統(tǒng)的總當量轉(zhuǎn)動慣量為〔4如果忽略電動機軸及減速器中的扭轉(zhuǎn)變形,則系統(tǒng)的最低扭振固有頻率為6、死區(qū)誤差計算設齒輪傳動和絲杠螺母機構(gòu)分別采取了消隙和預緊措施,則按式〔5-59可求得由摩擦力引起的最大反向死區(qū)誤差為：,因此系統(tǒng)能滿足單脈沖進給。7、由系統(tǒng)的剛度變化引起的定位誤差計算按式〔5-60可求得由絲杠螺母機構(gòu)綜合拉壓剛度的變化所引起的最大定位誤差。由于系統(tǒng)要求的定位精度為,即允許定位誤差為因而,系統(tǒng)剛度滿足定位精度要求。三、控制系統(tǒng)設計〔一微處理器的選擇根據(jù)設計要求,系統(tǒng)控制的主要功能是對步進電機的脈沖頻率及其分配的控制。同時在實現(xiàn)這一主功能的基礎上,附帶若干協(xié)助功能,如顯示、預置、時間、鍵盤等。結(jié)論：1、系統(tǒng)對存要求不高。2、系統(tǒng)處理的運算不是很復雜,對CPU的計算速度要求不高。3、為擴展鍵盤、顯示、掉電保護等功能,要求系統(tǒng)提供較多的口線和完善的中斷系統(tǒng)?？紤]到上面的原因,這里可以采用市面供應充分,性能價格比較好的AT89C52作為系統(tǒng)的微處理器。其參數(shù)見下表：AT89C52參數(shù)表型號ROM串行口晶振頻率封裝RAM說明AT89C528KUARK12MHz40DIP256與intel80C32兼容D0csA1D0csA139AD0D7A2WRRD8255CPUp00p07p27p2632AD7RDWRp25圖3-1擴展連線系統(tǒng)中采用鍵盤實現(xiàn)輸入,并采用LED顯示器,它們均需要占用較多芯片口線,所以該系統(tǒng)是需要進行系統(tǒng)擴展的?？删幊滩⑿薪涌?255A是一種應用廣泛的并行接口擴展器件。它具有三個8位并行口PA、PB、PC由此提供了24條口線?！踩I盤連接pKpKGnd400ΩVCC8255圖3-2單鍵接線圖〔四時鐘芯片的選擇為了實現(xiàn)時間的顯示,這里引入了時鐘芯片DS12C887?！参蹇煽啃栽O計SPKGNDSPKGND圖3-3報警電路連線1K9012PCPUVCC〔六掉電保護設計掉電保護設計的目的是在斷電或復位后,待系統(tǒng)恢復正常時,系統(tǒng)能夠恢復到原先狀態(tài),實現(xiàn)繼續(xù)運轉(zhuǎn)的功能。這樣就要求將運行時的重要參數(shù)得到保存。保存的數(shù)據(jù)包括,預置時的"位移值"、"速度值"、"運行過程中已經(jīng)走過的位移量"。為實現(xiàn)這一個目的,需要在系統(tǒng)中引入芯片AT24C01〔E2PROM?！财邎缶O計報警裝置可以是"警報燈"、"聲音報警"、"聲音和燈光共用"等形式,在實驗室等安靜的環(huán)境中,聲音報警是比較理想的方法。因此,根據(jù)實際情況,在該系統(tǒng)中采用"聲音"報警?！舶孙@示模塊設計TXD/P1、2TXD/P1、2LED400Ω3131、288400Ω74LS16474LS164T×D/P圖3-4顯示模塊系統(tǒng)中采用靜態(tài)顯示較為合理。在靜態(tài)顯示方式中,采用4LS164作為顯示接口是比較通用的方法,而且這種接口價格便宜,使用方便,CPU只要提供兩條口線便可以實現(xiàn)穩(wěn)定、高亮的顯示?！簿挪竭M電機驅(qū)動電路設計步進電機的驅(qū)動電路設計主要涉及脈沖分配器的選擇問題和驅(qū)動電路的選則問題。時下脈沖分配器主要有兩種：一種是硬件脈沖分配器〔國主要有YB系列,另一種是軟件脈沖分配器。軟件脈沖分配器不需要額外的電路,相應的降低了系統(tǒng)的成本,雖然這