滾珠絲杠課程設(shè)計報告書

./本科生專業(yè)課程設(shè)計〔屆學(xué)生：學(xué)號：專業(yè)名稱：班級：指導(dǎo)教師：年月日.目錄TOC\o"1-1"\h\z\u專業(yè)課程設(shè)計計算說明書3原始數(shù)據(jù)3一、系統(tǒng)總體方案設(shè)計3二、機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計計算4三、控制系統(tǒng)設(shè)計19.專業(yè)課程設(shè)計計算說明書原始數(shù)據(jù)設(shè)計一臺微機(jī)控制XY兩坐標(biāo)工作臺,采用MCS-51單片機(jī)控制,控制方式采用步進(jìn)電機(jī)開環(huán)控制。其他參數(shù)如下：脈沖當(dāng)量mm/step定位精度mm最大移動速度m/min工作臺尺寸mm進(jìn)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(shè)計步進(jìn)電動機(jī)減速器步進(jìn)電動機(jī)減速器滾珠絲杠步進(jìn)電動機(jī)減速器工作臺滾珠絲杠X方向傳動機(jī)構(gòu)Y方向傳動機(jī)構(gòu)微型機(jī)機(jī)電接口驅(qū)動電路人機(jī)接口〔一機(jī)械系統(tǒng)傳動機(jī)構(gòu)采用滾珠絲杠副與齒輪或帶減速。導(dǎo)向機(jī)構(gòu)采用滾動直線導(dǎo)軌。執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用步進(jìn)電機(jī)?！捕涌谠O(shè)計1、人機(jī)接口〔1采用鍵盤或BCD碼盤作為輸入。〔2采用LED作為電源等指示標(biāo)志。〔3采用蜂鳴器或揚(yáng)聲器作為警報裝置。〔4采用數(shù)碼管作為顯示器。2、機(jī)電接口采用光電偶合器作為微型機(jī)與步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動電路的接口,實(shí)現(xiàn)電氣隔離?！踩欧到y(tǒng)設(shè)計本次設(shè)計的系統(tǒng)精度要求不高,載荷不大,因此采用開環(huán)控制?！菜目刂葡到y(tǒng)設(shè)計微型機(jī)接口電路功放電路微型機(jī)接口電路功放電路執(zhí)行元件機(jī)械傳動執(zhí)行機(jī)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(jìn)電機(jī)人機(jī)接口速度位移顯示、報警開環(huán)控制原理圖采用步進(jìn)電機(jī)來實(shí)現(xiàn)驅(qū)動,一般情況下多采用開環(huán)控制。因?yàn)椴竭M(jìn)電機(jī)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(jī)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(jìn)電機(jī)是合理的。當(dāng)然,由于步進(jìn)電機(jī)具有高頻易失步,負(fù)載能力不強(qiáng)的缺點(diǎn)。二、機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計計算〔本次設(shè)計若未作特殊說明,其中的表與圖均來自：由堤主編的《機(jī)電一體化設(shè)計基礎(chǔ)》〔一初選步進(jìn)電動機(jī)根據(jù)已知條件：X、Y方向的脈沖當(dāng)量分別為：即脈沖當(dāng)量較小,因此這里選用反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)。其特點(diǎn)是：步距角小,運(yùn)行頻率高,價格較低,但功耗較大。結(jié)論：初選步進(jìn)電機(jī)型號為：90BF5-1.5,其相關(guān)參數(shù)如下：機(jī)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(yùn)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(jìn)電動機(jī)的脈沖頻率計算典型工況下,步進(jìn)電動機(jī)的脈沖頻率分別為：2、步進(jìn)電動機(jī)的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩計算典型工況下,步進(jìn)電動機(jī)的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩分別為：按圖5-7查得：3、步進(jìn)電動機(jī)的驅(qū)動力計算典型工況下,步進(jìn)電動機(jī)的驅(qū)動力分別為：驅(qū)動力遠(yuǎn)大于進(jìn)給抗力,所以所選步進(jìn)電動機(jī)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(dǎo)程204此時：按圖5-33,選一級齒輪傳動?！踩X輪機(jī)構(gòu)設(shè)計機(jī)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?？梢?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(yàn)法來設(shè)計各元部件。但為練習(xí)計算過程,本次設(shè)計采用分析計算來設(shè)計。1、齒輪傳動機(jī)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(yùn)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(yīng)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(qiáng)度極限〔淬火處理大齒輪的接觸疲勞強(qiáng)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(qiáng)度極限大齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度極限取3、按齒面接觸強(qiáng)度設(shè)計設(shè)齒輪按7級精度制造。取載荷系數(shù)1.1,齒寬系數(shù),?。淮簖X輪齒數(shù)：模數(shù)；取標(biāo)準(zhǔn)值m=0.8確定中心距齒寬：b=取4、驗(yàn)算輪齒彎曲強(qiáng)度齒形系數(shù)校驗(yàn)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(jī)軸的配合,對齒輪作如下修改：??；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(jī)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(jī)電一體化設(shè)計基礎(chǔ)》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(yùn)轉(zhuǎn)一般運(yùn)轉(zhuǎn)有沖擊和振動運(yùn)轉(zhuǎn)1~1.21.2~1.51.5~2.5表2-7硬度系數(shù)滾道實(shí)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(shè)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(jī)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(yàn)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(shè)計時應(yīng)驗(yàn)算其安全系數(shù)S,其值應(yīng)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(yàn)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(yàn)算滾珠絲杠在工作負(fù)載F〔N和轉(zhuǎn)矩共同作用下引起每個導(dǎo)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(fù)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(dǎo)程誤差為通常要求絲杠的導(dǎo)程誤差應(yīng)小于其傳動精度的1/2,即,該絲杠滿足剛度要求。7、效率驗(yàn)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。〔五滾動直線導(dǎo)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(fù)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(dǎo)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(dǎo)軌上使用1個滑座,由表2~15-2~18確定由式2-9：得：查《機(jī)械電子工程專業(yè)課程設(shè)計指導(dǎo)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(jī)軸上總當(dāng)量負(fù)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(jī)軸上,得總當(dāng)量負(fù)載轉(zhuǎn)動慣量：2、慣量匹配驗(yàn)算滿足的要求,慣量匹配比較合理。3、步進(jìn)電動機(jī)負(fù)載能力校驗(yàn)〔1步進(jìn)電動機(jī)軸上的總慣量〔2空載啟動時,電動機(jī)軸上的慣性轉(zhuǎn)矩〔3電動機(jī)軸上的當(dāng)量摩擦轉(zhuǎn)矩其中伺服進(jìn)給傳動鏈的總效率取為〔4設(shè)滾動絲杠螺母副的預(yù)緊力為最大軸向載荷的1/3,則因預(yù)緊力而引起的折算到電動機(jī)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(jī)軸上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩為〔6空載啟動時電動機(jī)軸上的總負(fù)載轉(zhuǎn)矩為〔7在最大工作載荷下電動機(jī)軸上的總負(fù)載轉(zhuǎn)矩為〔8按表5-5查得空載啟動時所需電動機(jī)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(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩為結(jié)論：所選步進(jìn)電動機(jī)啟動轉(zhuǎn)矩遠(yuǎn)大于所需要的啟動轉(zhuǎn)矩,因此選擇的步進(jìn)電機(jī)的功能不能充分發(fā)揮?！矠樘岣呓?jīng)濟(jì)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(yù)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(jī)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(dāng)量轉(zhuǎn)動慣量為〔4如果忽略電動機(jī)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(shè)齒輪傳動和絲杠螺母機(jī)構(gòu)分別采取了消隙和預(yù)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(jìn)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(jī)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(shè)計〔一微處理器的選擇根據(jù)設(shè)計要求,系統(tǒng)控制的主要功能是對步進(jìn)電機(jī)的脈沖頻率及其分配的控制。同時在實(shí)現(xiàn)這一主功能的基礎(chǔ)上,附帶若干協(xié)助功能,如顯示、預(yù)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(yùn)算不是很復(fù)雜,對CPU的計算速度要求不高。3、為擴(kuò)展鍵盤、顯示、掉電保護(hù)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(yīng)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(kuò)展連線系統(tǒng)中采用鍵盤實(shí)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(jìn)行系統(tǒng)擴(kuò)展的?？删幊滩⑿薪涌?255A是一種應(yīng)用廣泛的并行接口擴(kuò)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(shí)現(xiàn)時間的顯示,這里引入了時鐘芯片DS12C887?！参蹇煽啃栽O(shè)計SPKGNDSPKGND圖3-3報警電路連線1K9012PCPUVCC〔六掉電保護(hù)設(shè)計掉電保護(hù)設(shè)計的目的是在斷電或復(fù)位后,待系統(tǒng)恢復(fù)正常時,系統(tǒng)能夠恢復(fù)到原先狀態(tài),實(shí)現(xiàn)繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的功能。這樣就要求將運(yùn)行時的重要參數(shù)得到保存。保存的數(shù)據(jù)包括,預(yù)置時的"位移值"、"速度值"、"運(yùn)行過程中已經(jīng)走過的位移量"。為實(shí)現(xiàn)這一個目的,需要在系統(tǒng)中引入芯片AT24C01〔E2PROM?！财邎缶O(shè)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(shí)驗(yàn)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(shí)際情況,在該系統(tǒng)中采用"聲音"報警?！舶孙@示模塊設(shè)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(shí)現(xiàn)穩(wěn)定、高亮的顯示?！簿挪竭M(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路設(shè)計步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動電路設(shè)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(yīng)的降低了系統(tǒng)的成本,雖然這