精密机械课程设计--丝杆传动工作台.docx

学号_ 密级_ 精密机械课程设计丝杆传动工作台二一一年六月the curriculum design of precisionmachinescrew drive table college : school of electronic information subject : measuring & control technology and instrumentationsname : li haochendirected by : xu xianze professor2011/6/18摘 要本文介绍了一种丝杆传动工作台的设计过程。该丝杆传动工作台，水平行程20mm，重复精度0.05mm。整个装置采用丝杆与弹簧相结合的运作方式，具有体积小，传动精度高，运行平稳、灵活的特点。关键词： 丝杆传动 弹簧 重复精度abstract this paper presents the design process of a screw drive table. this screw drive table has 20mm of horizontal movement and 0.05mm of repetition precision. the whole device adopts the combination of screw and spring, with the characteristics of small size, high driving accuracy, smooth operation and flexibility. key words: screw drive spring repetition precision目 录1. 设计要求与内容12. 总体方案选择23.设计过程43.1.丝杆及附属部分设计43.2.导轨的选择113.3.螺纹联接键的选择123.4.润滑剂的选择143.5.传动精度分析153.6.基座尺寸的确定174.设计心得175.装配图及零件图19参考书目21丝杆传动工作台设计1 设计内容与要求1、设计内容：确定丝杆传动装置的总体设计方案，计算传动装置的运动参数，丝杆传动的设计计算，导轨、润滑、联接件的选择及校核计算。绘制装配图及两张零件图。编写设计计算说明书。2、设计要求：设计一个用于传输装置上的螺旋传动工作台。工作台由电动机驱动，自行选择选择电机各项参数。在此基础上，计算传动装置的运动参数，完成丝杆传动的设计计算，以及轴承、联轴器、润滑、联接件的选择及校核计算。最后，绘制出装配工作图及零件工作图，并编写出设计计算说明书。设计的具体数据要求如下：（1）工作台水平行程20mm（2）重复精度0.05mm（3）承重1.5kg（4）运行速度5mm/s3、最终结果：（1）螺旋传动工作台装配图一张（2）零件工作图三张（丝杆、基座、导轨）（3）设计计算说明书一份2 总体方案选择1、丝杆传动工作台原理丝杆传动工作台传动部分基于螺旋传动的原理，利用螺杆与螺母的相对运动，将旋转运动转变为直线运动，实现传递运动的功能。螺旋传动是精密机械中常用的一种运动形式，将螺旋运动变为直线运动，其运动关系式为l=ph2式中：l螺杆（或螺母）的位移（mm）； ph导程（mm）； 螺杆和螺母间的相对转角（rad）。2、装置特点 （1）装置设计简单，结构紧凑，稳定性高，便于拆装维护。 （2）装置具有自锁功能。装置本身结构可有效减小空回误差。 （3）由于采用螺旋传动，根据螺旋传动的自身特点，可知该装置有较高的传动精度。 （4）由于有载重要求，故必须考虑3、装置方案选择 （1）传动方式选择 在本设计方案中，我们采用滑动传动方式，主要基于以下几点考虑：降速比传动比大。螺距一般很小，故在转角很大的情况下，能获得很小的直线位移量，可明显缩短机构的链传动，所以传动结构简单、紧凑，传动精度高，工作平稳。具有增力作用。自主动件输入一个较小的转矩，从动件上即能得到较大的轴向力。能自锁。若螺旋线升角小于摩擦角，则螺旋传动具有自锁作用。效率低，磨损快。因螺旋工作面为滑动摩擦，故其传动效率低（一般为30%40%），磨损快，不适用于高速和大功率传动。由于本装置处于低速运行状态，工作台行程短，无寿命要求且要求精度适中、运行平稳，综合以上几点分析，选用滑动螺旋传动。 （2）滑动螺旋传动的形式 主要存在以下两种基本类型：螺母固定，螺杆转动并移动（如图1）。这种传动方式的螺母本身起着支撑作用，由此消除了螺杆与轴承之间可能的轴向窜动，容易获得较高的传动精度。其结构比较简单。缺点是所占的轴向尺寸比较大（螺杆行程的两倍加上螺母厚度），刚性较差。因此仅适用于短行程的微动机构。螺杆转动，螺母移动（如图2）。这种机构的轴向尺寸也取决于螺母的厚度和行程的长度。这种传动形式的特点是结构紧凑，机构的刚度较大。适用于工作行程较长的精密加工设备和监测仪器。比较两种螺旋传动的优缺点，考虑到本题目中的行程并不是很长，而且题目中要求的精度比较高，故决定采用第一种方案，即螺母固定，螺杆转动并移动的方式进行设计。这种方式经常用于测微目镜的示数螺旋传动，借鉴多种读数装置的设计易知此方案可以得到题目中所要求的0.05mm的精度要求。但由于这种设计的刚度较差，应该重点对螺杆的刚度进行设计计算和校核。传动方案的结构如下图所示： 图1 图23设计过程1、丝杆及附属部分的设计 （1）螺旋副的选择 在精密机械中，螺旋传动可以分为示数螺旋传动、传力螺旋传动和一般螺旋传动三类。本设计方案为传力螺旋传动。在传力螺旋传动中，多采用梯形螺纹和锯齿形螺纹。其中梯形螺纹适用于传动双向动力，且适用于精密机械中有相对位移的结构，本设计方案中采用梯形螺纹，单头右旋（如图三）。图三梯形螺纹有以下特点：牙形角=30，螺旋副的大径和小径处有相等的径向间隙。牙根强度高。螺纹工艺性好，内外螺纹以锥面贴合。对中形好，不易松动。 （2）载物平台由于载物平台的重量关系到螺杆所收轴向力fa和扭矩t,故单独将载物台的设计列出。材料为灰铸铁（ht250），此种铸铁有良好的铸造性能和良好的耐磨性能，适用于制造受压状态下工作的零件。热处理有以下几步：1、消除内应力退火，2、改善切削加工性退火，3、表面淬火。该平台采用“工”字型结构，体积为75000mm3，质量0.6kg。选取摩擦系数=0.3由平台和载重共同作用所产生的摩擦力为：f=6.3n。（3）弹簧的选择 压缩弹簧yi型，该弹簧易于制造，结构紧凑；适于小空间。材料：碳素弹簧钢65mn。弹簧载荷计算公式为：f=gd48d3n式中：g弹簧材料切变模量； d簧丝直径； d弹簧中径。参数选取：d=30mm c=10 d=2mm n=10经计算得：fk =39.25n(4)丝杆相关参数计算本设计方案中，丝杆采用45号钢制造。45钢是轴类零件的常用材料，它价格便宜经过调质（或正火）后，可得到较好的切削性能，而且能获得较高的强度和韧性等综合机械性能，淬火后表面硬度可达4552hrc。 轴向载荷fafa=50nf+fk=45.55n 螺纹中径计算d2=fp 式中：f轴向载荷； p许用压强（丝杆为45号钢,p=7mpa） =0.8（梯形螺纹） =2（整体式螺母）经计算: d2=1.512mm 查机械设计手册，选择如下所示梯形螺纹：公称直径d螺距p中径d2=d2大径d4小径d3小径d38mm1.5mm7.25mm8.306.206.50螺母高度h=d214.5mm旋合圈数z=hp9.667mm螺纹工作高度h=0.5p0.75mm基本牙型高度h1=0.5p0.75mm （5）丝杆具体参数计算及校核 耐磨性p=fd2hz 要求：pp 式中：p工作压强(mpa) f轴向载荷(n) h螺纹工作高度(mm) z旋合圈数 d2外螺纹中径(mm) p许用压强(68mp) 计算结果：p=0.303mpap 校核结果：满足。 自锁条件 a.螺纹升角=arctanld2 b.当量摩擦角=arctanscos2 要求： 式中：螺纹升角()； l导程(mm)； 当量摩擦角()； s螺旋副摩擦系数(0.10)； 牙形角(30)。 计算结果：=3.769 =5.910 校核结果：满足。 螺杆强度 螺杆材料许用应力=(4fd33)2+3(t0.2d33)2 t=fd22tan(+) 要求： 式中：当量应力(mpa)； t传递转矩(n*m); d3外螺纹小径(mm)； 螺杆材料许用应力(71118.333mpa)； 螺纹升角()； 当量摩擦角()。 计算结果：t=30.9n*m =1.154mpa 校核结果：满足。 螺纹强度 a.螺纹牙底宽度b=0.65p=0.975mm b.螺杆抗剪强度=fd3bz 要求： 式中：f螺旋传动轴向载荷(n)； d3外螺纹小径(mm)； b螺纹牙底宽度(mm)； z旋合圈数； 3040mpa。 计算结果：=0.272mpa 校核结果：满足。 c.螺杆抗弯强度b=3fhd3b2z 式中：h基本牙形高度(mm)； b4060mpa； 要求：bb 计算要求：b=0.662mpa 校核结果：满足。 d.螺纹抗剪强度=fd4bz 要求: 式中：d4内螺纹大径(mm)； 3040mpa。 计算结果：=0.204mpa 校核结果：满足。 d.螺纹抗弯强度b=3fhd4bz 式中：b4060mpa。 要求：bb 计算结果：b=0.458mpab 螺杆刚度 a.轴向载荷使导程产生的形变lf=flea=4fled32 式中：f轴向载荷(n)； l导程(mm)； e螺旋材料弹性模量； d3外螺纹小径。 计算结果：lf=1.200710-5mm b.转矩使导程产生的形变lf=16fl2ed32 式中：t驱动转矩； g螺旋材料切变模量(83000mpa)。 计算结果：lt=9.199310-7mm c.导程的总变形量l=lf+lt=1.292710-5mm 螺杆稳定性 a.临界载荷fc=3ed3464(l)2 要求：fcf2.54 式中：长度系数，取2； l最大工作长度20mm。 计算结果：fc=92475.3n fcf2.54 校核结果：满足。 效率=tantan(+)=0.38622、导轨的选择 （1）导轨本设计方案中，我们选择三角型导轨（如图四）。三角型导轨具有自动补偿图四磨损的能力，导向性好。其顶角一般为90，小于90可提高导向精度，110120时可提高承载能力，设计时两斜面的比压要基本相等。（2）导轨参数本设计中所用导轨参数如下=90 b=12mm b=1.2mm导轨结构图如下：本设计方案中，导轨材料为ht250，热处理采用高频淬火。3、螺纹联接件的选择在本丝杆传动工作台的设计方案中选用两种螺钉，共有三种尺寸。两种螺钉分别为十字槽沉头螺钉m26和m38(gbt819.1-2000)（如图五），开槽盘头螺钉m1.68(gbt67-200)（如图六）。（1）十字槽沉头螺钉图五 （2）开槽盘头螺钉图六4、润滑剂的选择本方案中，工作台需要承载最大1.5kg的重物，且工作台传度精度要求较高；同时该工作平台处于开放状态，易受外界灰尘等杂物干扰，尤其是丝杆传动部分，灰尘等杂质对其传动精度影响较大；导轨部分倾斜面较多，长时间使用后，润滑剂消耗大润滑剂分为润滑油和润滑脂两种，根据上述工作台特点，通过对比，选用润滑脂，润滑脂有以下优点：（l）与具有可比粘度的润滑油相比，润滑脂具有更高的承载能力和更好的阻尼减震能力。（2）由于稠化剂结构体系的吸收作用，润滑脂具有较低的蒸发速度。因此在缺油脂润滑状态下，特别是在高温和长周期运行中，润滑脂具有更好的特性。（3）由于稠化剂结构的毛细管作用，与可比粘度的润滑油相比，润滑脂的基础油爬行倾向小。（4）润滑脂能形成具有一定密封作用的脂圈，可防止固体或流体污染物的侵入，有利于在潮湿和多尘环境中使用。（5）润滑脂能牢固地粘附在被润滑表面上，即使在倾斜甚至垂直表面上也不流失。在外力作用下，它产生形变，能够像油一样流动；一旦去掉外力，它又恢复到原始状态，停止流动。因此，润滑脂能在敞开的或密封不良的摩擦部件上工作本设计方案中，最终选用3号仪表润滑脂(sht0385-92),其具体参数如图七所示。5、传动精度分析 (1)螺纹参数误差 螺距误差螺距误差分为单个螺距误差和螺距累积误差，在传动过程中，螺杆的螺距误差将直接影响传动精度。而螺母的螺距累积误差对传动精度没有影响（它只影响空回的大小）。因此设计时，应对螺杆提出严格的精度要求，而对螺母只取适当的加工精度即可。螺纹中径误差中径误差直接影响螺旋副的间隙及旋合性能。为使螺杆螺母的转动灵活和储存润滑油，必须保证螺纹中径公差（螺杆中径上偏差为零，螺母中径下偏差为零）。所选螺纹的优先配合公差如下表所示：外螺纹内螺纹精度nlnl中等7h 7e8e7h8h粗糙8e 8c9c8h9h故选择的螺纹配合公差为7h/7h 牙型半角误差牙型半角误差存在于螺纹牙两侧，会使螺纹啮合轴向间隙发生改变。但对于螺纹全长而言，因是在一次装刀切下来的，所以牙型半角误差在螺纹的全长上变化不大，对传动精度影响很小。（2）螺旋传动机构装置误差 偏斜误差 在螺旋传动机构中，如果螺杆的轴线方向与移动件的方向不平行，而又一个夹角时，就会发生偏斜误差。设杆的总位移量是l,移动件的实际移动量是x,则偏斜误差为:l=l-x=l1-cos=2lsin22取l=0.05，有此算得=4.05，因此要保证4.05 温度误差如果螺旋传动的工作温度与制造、装配时的温度不同，就会引起螺杆长度和螺距发生变化，进而产生传动误差，这种误差就是温度误差。其大小为lt=lwt式中：lw螺杆螺纹部分长度(mm)； 螺杆材料线膨胀系数，对于钢材，一般取为11.610-6(1 c)； t工作温度与制造工艺温度之差。 在本设计方案中，因为螺杆的工作行程比较短，又工作于常温的状态，故温度误差可以忽略。6、基座尺寸的确定由于基座在装置中起支撑和固定作用，所以基座的尺寸根据所设计的平台，所选择的导轨和弹簧来确定即可。所用材料为灰铸铁。热处理采用调制处理，铸造圆角2mm6mm。采用去除表面材料的方法使表面粗糙粗最大为3.2m。4 设计心得通过精密机械课程设计，在长达四周的不断探索与学习实践中，我收获颇丰。首先是对自己所学专业的精密仪器研究方向有了更深入的了解，对仪器设计过程有了亲身的体会，也了解到了精密仪器在实际中的发展和应用情况。同时，对专业课程精密机械设计、互换性与技术测量、机械制图、误差理论与数据处理最直观的理解，之前只是将各科目的理论知识分开学习，并不知道如何相互联系并在实际中应用。在精密机械课程设计的过程中，理论联系实际，对这几门科目有了进一步的认识，逐渐理解了它们之间的关系，将之前分散的知识形成一个体系。课程设计开始时，完全是一头雾水，拿到设计题目不知从何下手，感觉所有的知识都摆在眼前，但具体到每一点又不知道如何去做，可以说是毫无头绪。在老师的帮助下，我们小组展开了积极的讨论，从方案的选取，到具体的设计，再到最终汇总成型，每一步都是大家共同讨论的成果。虽然在这个过程中存在很多分歧，但大家总能在最终达成一致。在这个过程中，我体验到了共同学习与进步的乐趣，同时也明白，