滚珠丝杠课程设计.docx
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滚珠丝杠课程设计
本科生专业课程设计
（届）
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专业课程设计计算说明书原始数据
一、系统总体方案设计
二、机械系统的设计计算
三、控制系统设计.
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机开环控制。
其他参数如下：
动电
人机接口
X方向传动机构
由设计任务书知
本次设计可米用如下方案:
脉冲当量
mm/step
定位
精度
mm
最大移动速度
m/min
工作台尺寸
mm
进给抗力
N
工作台行程
mm
台面上最大物重质量
kg
X
Y
1
100*150
500
320
225
45
、系统总体方案设计
（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。
（3）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。
（4）控制系统设计
开环控制流程图
开环控制原理图
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。
上图为最简单的“开环控制”，若在
“机械传动”机构中引出反馈控制部分，再经过比较放大的则为“半闭环控制”。
如若是在“机械执行机构中引出反馈则为闭环控制。
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》）
（1）初选步进电动机
根据已知条件：
X、Y方向的脉冲当量X、y分别为:
0.005mm/step
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，价格较低，但功耗较大。
结论：
初选步进电机型号为：
，其相关参数如下:
机座号
型号
相数
电压V
电流A
步距角。
90
5
60/12
5
步距角误
差，
空载运行频率
转子转动惯量
重量kg
空载启动频
率Hz
最大静转矩
10
约12000
2500
并采用单双相通电方式，因此步距角0.8。
1步进电动机的脉冲频率计算
fx
Vx
60x
103
1
60
0.005
Vy
3
1
fy
10
60y
60
0.005
典型工况下，步进电动机的脉冲频率fx和fy分别为:
1033333.3p/sfxmax12000p/s
3
103333.3p/sfymax12000p/s
2、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Tx和Ty分别为:
按图5-7查得：
TxTy2.8Nm
Ay
3、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Fx和Fy分别为:
Fx
2TxxZ2
2
2.8（0.83）32
6480N
Fx进给抗力
500N
SxZ1
0.00418
Fy
2
TyyZ2
2
2.8（0.83）
32
6480N
Fy进给抗力
500N
SyZ1
0.00418
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。
（二）计算减速器传动比
减速器传动比：
360
步进电机步距角
p丝杠导程mm
工作台运动的脉冲当量
mm
0.84
16
360
3600.0059
1.78
初取滚珠丝杠:
公称直径
导程
20
4
此时:
5-33传动级选择曲蠻
t机电一体比设计基础*
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
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
符号
nv
nc
ng
nb
ns
效率
初选效率为。
1
传递功率500/0.810.4W
60
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
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。
1、齿轮传动机构的基本参数
传递功率
（W）
小齿轮转速ni
（r/min）
传动比
一天运转
时间（h）
工作寿命
（年）
传动效率
转向
工况
444
16/9
8
5
不变
平稳
其中小齿轮转速:
n…1000i工16444r/min）p49
2、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
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
Hliml1130MPa（淬火处理）
大齿轮的接触疲劳强度极限Hlim2550MPa
安全系数SH和SF
安全系数
软齿面
硬齿面
重要的传动、渗碳淬火齿轮或铸造齿轮
SH
Sf
小齿轮的弯曲疲劳强度极限
取安全系数SH1.1
大齿轮的弯曲疲劳强度极限
Flim2
190MPa
H1
Hlim1
1130
1027.27MPa
Sh
1.1
H2
Hlim2
550
500MPa
Sh
1.1
Fliml24°MPa
取SF1.3
Fliml
240
F1
F2
SF
Flim2
SF
184.62MPa
1.3
190146.15MPa
1.3
3、按齿面接触强度设计
设齿轮按7级精度制造。
取载荷系数，齿宽系数a0.3,
T9550-9550
n
9.2510
416
0.21N?
m
3
2
335
KT1
u1:
H
aU
a
16
9
1
2
3351.10.211000
5000.316
9
15.78mm
取z,18；大齿轮齿数:
Z2iz1
16
18
32
模数m215.780.63；取标准值m=
z-iz21832
确定中心距
m0.8“cc
aZ|z2183220mm
22
齿宽：
b=aa0.3206mm
取b26mm;b110mm
4、验算轮齿弯曲强度
齿形系数YF13.02;YF22.18
F1
2KT1YF1
bm2z
21.30.2110003.02
100.8218
14.31MPa
F1
184.62
Y218
F2F1YT仏31蚯倔命，2146・15
校验结果：
安全。
5、齿轮的圆周速度
d1n1
601000
3.140.818416
601000
0.31m/s10m/s
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z127；大齿轮齿数:
Z2iz1
16
27
48
中心距:
Z1
Z2
竺274830mm
2
齿宽：
b=aa0.3309mm
取b29mm;Q14mm
（四）滚珠丝杠选择
1、滚珠丝杠工作长度计算
1I工作台I行程1余量
X方向丝杠工作长度：
IX10032020440mm
X方向丝杠工作载荷：
FX500N
Y方向丝杠工作长度：
lY15022520395mm
Y方向丝杠工作载荷：
Fy500N
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。
丝杠材料：
CrWMr钢；滚道硬度为58~62HRC丝杠传动精度为0.04mm。
平均转速n=125r/min（n
v工作台1000
P
0.51000
4
125r/min）
2、计算载荷FC求解
FCKFKHKAFm1.11.01.0500N550N
查《机电一体化设计基础》表2-6;2-7;2-8的Kf1.1;Kh1.0;KA1.0，查
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
Kf
1〜
表2-7硬度系数
滚道实际硬度
>58
55
50
45
40
Kh
表2-8精度系数
精度等级
C、D
E、F
G
H
KA
3、额定动载荷计算Ca计算
寿命：
Lh6300814400h
FCYCo4
550
20014400N
1.67104
3160N
4、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Ca等于或稍大于Ca的原则，选汉江
机床厂出品的，Ca5393N，
其参数如下:
D020mm
p2.5mm
338'
滚珠直径
d02.381mm
滚道半径R0.52d00.522.3811.238mm
do381
偏心距e0.707R—0.7071.238'3.358102mm
22
丝杠内径d1D02e2R（2023.35810221.238）mm17.59mm
5、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
S,其值应大于丝杠副传动结构允许安全系数[S]（见表2-10）
（l）2
式中，E为丝杠材料的弹性模量，对于钢,
杠危险截面的轴惯性矩（
m4）；为长度系数,
E=206GPaI为丝杠工作长度（见表2-10。
m）；Ia为丝
依题意，la
di4
64
3.14
4
0.017.59
64
94
4.710m
丝杠不会发生失稳的最大载荷称为临界载荷Fcr（N）按下式计算：
取2/3，则
FXcr
（l）2
3.1422061094.7109
2
2
0.44
3
1.11105N
（l）2
3.142
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