机械电子课程设计单向数控平台设计.doc

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机电传动单向数控

平台设计

——机械工程及自动化专业专业课程设计说明书

专业：

机械工程及其自动化

班级：

学生姓名：

学号：

指导老师：

2011年06月日

目录

1.设计任务

1.1设计任务介绍及意义

1.2设计任务明细

1.3设计的基本要求

2．总体方案设计

3．机械传动系统设计及核算

4．电气控制系统设计

5．小结

6．参考文献

1.设计任务

1.1设计任务介绍及意义

u课程设计题目

机电传动单向数控平台设计

u主要设计内容

（1）机械传动结构设计

（2）电气控制系统

u课程设计意义：

⑴培养学生综合运用所学的基础理论和专业知识，独立进行机电控制系统（产品）的初步设计工作。

⑵培养学生搜集、阅读和综合分析参考资料，运用各种标准和工具书籍以及编写技术文件的能力，提高计算、绘图等基本技能。

⑶培养学生掌握机电产品设计的一般程序和方法，进行工程师基本素质的训练。

⑷树立正确的设计思想及严肃认真的工作作风。

1.2设计任务明细：

机电传动单向数控平台设计：

1.21电机驱动方式：

步进电机；

1.22机械传动方式：

螺旋丝杆；

1.23电气控制方式：

PLC控制；

1.24功能控制要求：

速度控制；

1.25主要设计参数：

单向工作行程——500mm；

移动负载质量——100kg；

负载移动阻力——100N；

移动速度控制——第一段行程100mm，速度0.2m/s，第二段工作行程400mm，速度0.1m/s；

1.3设计的基本要求

⑴方案设计：

根据课程设计任务的要求，在搜集、归纳、分析资料的基础上，明确系统的主要功能，确定实现系统主要功能的原理方案，并对各种方案进行分析和评价，进行方案选优。

⑵总体设计：

针对具体的原理方案，通过对动力和总体参数的选择和计算，进行总体设计，最后给出机械系统的控制原理图或主要部件图（A0一张）。

⑶电气控制线路图：

根据控制功能要求，完成电气控制设计，给处电气控制电路原理图（A1图一张）。

⑷成果展示：

课程设计的成果最后集中表现在课程设计说明书和所绘制的设计图纸上，完成课程设计说明书一份，不少于30页，设计图纸不少于两张。

⑸绘图及说明书：

用计算机绘图，打印说明书。

2．总体方案设计

2.1设计基本依据

步进电机又称脉冲电机。

它是将电脉冲信号转换成机械角位移的执行元件。

每当输入一个电脉冲时，转子就转过一个相应的步距角。

转子角位移的大小及转速分别与输入的电脉冲数及频率成正比，并在时间上与输入脉冲同步。

只要控制输入电脉冲的数量、频率以及电机绕组通电相序即可获得所需的转角、转速及转向。

步进电动机具有以下特点：

1、工作状态不易受各种干扰因素（如电压波动、电流大小与波形变化、温度等）的影响；

2、步进电动机的步距角有误差，转子转过一定步数以后也会出现累积误差，但转子转过一转以后，其累积误差变为“零”；

3、由于可以直接用数字信号控制，与微机接口相接比较容易；

4、控制性能好,在起动、停止、反转时不易“丢步”；

5、不需要传感器进行反馈，可以进行开环控制；

6、缺点是能量效率较低。

2.2总体方案确定，参数初设如下：

⑴电机驱动方式：

步进电机

⑵机械传动方式：

螺旋丝杠

⑶电气控制方式：

PLC控制

⑷功能控制要求：

速度控制

⑸主要设计参数：

单向最大工作行程——500mm；工作台重量70kg

移动负载质量——100kg；

负载移动阻力——100N；移动速度控制——6

选用矩形导轨；工作台滑动摩擦系数；

螺旋丝杠材料初选钢材为，其HRC为。

丝杠两端为固定支撑（F-F），每个支座安装两个的接触角推力球轴承，面对面安装，进行预拉伸。

总体结构图如下图所示：

3.机械传动系统设计及核算

3.1滑动导轨的简易选择

1、已知条件

单向行程长度：

ls＝500mm＝0.5m

移动速度：

6m/min

负载质量：

100kg

寿命要求：

每天开机8h，一年按300个工作日，寿命5年以上

2、动载荷计算

寿命：

行程长度寿命：

其中，n为每分钟往返次数：

次/min

所以：

h

所设计的平台上共有滑块数M=4，所以每根导轨上使用2个滑块。

故：

查表=0.81，=1，=1，=2，k为寿命系数，一般取k=50km。

因为，可得：

动载荷

通过以上计算，我们查阅相关手册，最后选用海宁金贸金属制品有限公司生产的HGH20CA型矩形直线滑动导轨副，其摩擦系数f=0.15。

3.2螺旋丝杠的计算

1、工作载荷F的计算

通过查阅相关资料，工作载荷Fm是指丝杠副在驱动工作台时承受的轴向力，也叫做进给牵引力，它包括丝杠的走刀方式及与移动体重力作用在导轨上的其他切削分力相关的摩擦力，计算公式如下：

矩形导轨：

燕尾槽导轨;

三角形或综合导轨：

其中，分别为工作台进给方向载荷、垂直载荷和横向载荷（N）；G为移动部件的重力；k和分别为考虑颠覆力矩影响的试验参数和导轨上的摩擦系数，因导轨形式不同而不同

对于矩形导轨：

K=1.1=0.15

对于燕尾导轨：

K=1.4=0.2

对于三角形或综合导轨：

K=1.15=0.15—0.18

选取梯形导轨所以：

=1.15*100+0.15*（100*9.8+70*9.8）

=232.6N

2、动载荷Q计算

动载荷的计算公式为：

其中，L为丝杠的寿命系数，单位为1×转,;

为载荷系数，无冲击取1—1.2一般情况取1.2—1.5

本设计中受轻度冲击，故取=1.1；

T为使用寿命时间,数控机床，一般取T=15000h;

n为丝杠转速：

；

s为导程；取s=6mm，v=6m/min，故n=1000r/min；

得

根据Q值对丝杠进行选择，并进行行管计算。

3、滑动螺旋计算

滑动螺旋副工作时主要承受转矩、轴向拉压力，设计时应根据具体工作情况，判定其失效形式，确定相应的计算准则。

滑动螺旋副的主要失效形式是磨损，故螺杆的直径和螺母的高度通常是按耐磨性计算确定的。

传力较大或受冲击载荷的传力螺旋，应校核螺杆危险截面的强度及螺母螺纹牙的剪切和弯曲强度。

对精度要求较高的受压螺杆，因其易产生侧向弯曲，需校核其稳定性。

长径比较大，转速又较高的螺杆，可能发生横向振动，应校核其临界转。

对有自锁要求的螺旋传动，要验算其能否满足自锁条件。

在进行滑动螺旋计算之前，要先选择螺纹，螺纹有梯形、锯齿形、圆形、矩形、三角形等，各有各的特点，在这里选用比较常用的梯形螺纹，其特点为：

牙型角为30度，内外螺纹以锥面贴紧不易松动，与矩形螺纹相比，传动效率略低，但工艺性好，牙根强度高，对中性好；如用剖分螺母，还可以调整间隙。

下面开始计算：

一、耐磨性

（1）螺杆中径（mm）

其中，为螺纹形式系数（梯形螺纹），取=0.8；

为轴向力，即为Q；

为螺母长度L与螺杆中径之比，选整体式螺母，故=1.5；

为许用压强，通过查表选择：

螺杆螺母材料为钢—耐磨铸铁，得=8MPa

故

（2）公称直径d和螺距P

根据上式算出的按螺纹的标准基本尺寸系列选取相应的d和P，经查表可选出：

公称直径：

d=16mm，螺距：

p=4mm，取=d-0.5*P=14mm

材料选择：

丝杠材料45钢（不淬火）加工性能好。

轴颈处可局部热处理淬硬至40—50HRC,于一般传动螺母采用耐磨铸铁。

（3）导程S

选取线数Z=1，因为螺距P=4mm，故导程S=Z×P=4mm。

（4）螺母旋合长度L

螺母旋合长度L==1.5×14=21mm。

（5）旋合圈数m

=21/4=5.25

（6）螺纹工作高度

因为是梯形螺纹，所以=0.5P=2mm

（7）螺纹相关参数：

=2.25=11.5Z=0.25P=/2=1=0.5=0.125==0.25=16.5=12--牙顶间隙

牙顶间隙P=1.5,=0.15;P=2—5,=0.25;P=6--12=0.5;P=14—40,=1

=2588.11/（3.14×14×2×5.25）=5.6Mp

（8）压强校核：

因为=8，即校核合格，所以说设计正确。

二、验算是否自锁

（1）螺纹升角

（2）当量摩擦角

通过查表，可得

滑动摩擦系数（定期润滑）：

=0.10

牙型半角

故

（3）反行程自锁条件

通过以上计算可知：

，满足自锁条件，故此设计可自锁。

三、螺杆强度

（1）螺杆传动的转矩T（N·mm）

（2）当量应力（MPa）

；因=11.5

故

（3）强度条件

因为螺杆材料：

45钢调质，故可查表得：

材料屈服极限=340~360MPa，选360MPa；

[]=0.2~0.33，则[]=0.3×360=108MPa；

所以，[]=108，校核通过，说明设计正确。

四、螺纹牙强度

（1）螺纹牙底宽度b（mm）

因为是梯形螺纹，故b=0.65p=0.65×4=2.6mm

（2）剪切：

剪切应力（MPa）

螺杆：

=2528.11/（3.14×11.5×2.6×5.25）

=5.13MPa

螺母：

=2977.57/（3.14×14×2.6×5.25）

=4.2131MPa

强度条件为：

螺杆为钢，许用剪切应力=0.6=64.8MPa

螺母为耐磨铸铁，许用剪切应力=40MPa

5.13<64.8，4.2131<40Mpa

故校核通过，说明设计正确。

（3）弯曲：

弯曲应力（MPa）

螺杆：

=3×2528.11×2/（3.14×11.5×2.6×2.6×5.25）

=11.836MPa

螺母：

=3×2528.11×2/（3.14×16×2.6×2.6×5.25）

=8.51MPa

为许用弯曲应力；

螺杆为钢，许用弯曲应力=108MPa

螺母为耐磨铸铁，许用弯曲应力=50MPa

满足，说明螺纹牙强度足够，设计正确。

五、螺杆的稳定性

（1）柔度

其中，为长度系数：

=0.5（两端固定）；

L为螺杆的最大工作长度：

L=800mm；

故=4×0.5×800/11.5

=139.13

（2）因螺杆采用非淬火钢所以

当>90时

故

（