二维步进单片机控制工作台机械系统设计

1、摘要本系统采用一级齿轮减速，带动丝杠传动，通过螺母的直线移动带动工作台运动。根据脉冲当量、步矩角、丝杠导程来确定齿轮的传动比，根据负载转矩的大小来校核丝杠传动的强度。 单片机控制二维工作台是众多控制机械传动方法的一种，它利用单片机发出指令控制步进电机的转角和转速，进而控制x-y工作台两方向的移动，实现画线，移动物体等功能，常用于试验教学。单片机控制二维工作台主要由三部分组成：工作台及传动支撑部分，减速装置，控制部分及电机组成。单片机控制的x-y工作台系统可以设计为开环，半闭环和闭环伺服系统三种。本设计采用开环伺服系统，通过单片机控制步进电动机的驱动，经传动机构动带动工作台的运动。系统没有检测装

2、置。机械结构设计首先根据工作台的最大载荷，选取导轨副，设计工作台，然后进行结构设计，受力分析，转矩计算，画出工作台的装配草图，再选择步进电动机的型号，进而设计选择滚珠丝杠，最后设计出x-y工作台，画出其装配图。关键词 工作台；步进电机；脉冲当量；步距角abstractscm control of the xy table system can be designed for the open-loop, semi-closed-loop system and closed-loop servo three. i design is open-loop servo systems using t

3、he stepper motor driven by the stepper motor control microcontroller-driven, driven by the transmission mechanism dynamic table of the campaign. system is not detecting device. mechanical structural design of the first table under the maximum load, select the rails of the design table, and then the

4、structural design, mechanical analysis, torque, the assembly table to draw the draft, then select the type stepper motor, thereby design choices ball screw, the final design xy table, draw their assembly. the system uses a gear to reduce speed transmission driven screw, nut straight through mobile w

5、orkstation driven campaign. according to pulse equivalent, step moment kok, screw lead to determine the gear transmission ratio, according to the size of load torque than the strength of the screw drive. scm control of two-dimensional table of the many methods of control of a mechanical transmission

6、, it issued a directive by scm stepper motor control and the speed of rotation, thereby control the direction of the two xy table movement, and drawing a line, moving objects , and other functions, commonly used in the trial of teaching. scm control of two-dimensional table mainly consists of three

7、parts: transmission and support of the table, deceleration devices, motor control parts and components. keywords table stepper motor control microcontroller-driven pulse equivalent step moment kokiii目录1绪论11.1课题研究的背景11.2工作台的分类11.3本设计工作台的作用和特点31.4步进电机的发展现状31.5单片机的发展现状52方案原理的设计62.1总体方案的选择和说明62.2总体方案实现的

8、系统组成框图73各零件的设计83.1步进电机的设计83.1.1步进电机的组成及工作原理83.1.2步进电机的选择93.1.3 步进电机的校核93.2减速器设计103.2.1主动齿轮的选择与计算103.2.2从动齿轮的选择与校核133.2.3轴的设计133.3轴承的设计163.3.1小轴两端轴承的选择和计算173.3.2大轴两端轴承的选择和计算183.4联轴器的设计193.4.1步进电机输出轴与小轴之间联轴器的选择与计算193.4.2大轴和滚珠丝杠间联轴器的选择和计算203.5键的设计213.6丝杠的设计223.6.1丝杠的特点223.6.2丝杠的选择233.6.3丝杠的校核计算233.7 导轨

9、的设计253.7.1直线滚动导轨的选型263.7.2直线滚动导轨的校核计算273.8支座的特点及材料组成29结论32致谢32参考文献34附录35ii1绪论1.1课题研究的背景本设计结合机电一体化课程教学环节需要，设计用单片机作为控制系统的x-y工作台。通过论述x-y工作台机械结构设计。设计和控制电路接口设计,阐述了机电一体化设计中的共性和关键技术。微型计算机控制机械传动毕业设计是机电一体化专业的学生必须要经历的一个重要的实践环节。通过本环节的锻炼力争能把以前所学的知识融会贯通，从而达到温故而知新的目的，提高解决实际工程课题的能力。根据教学要求，结合自己的资料掌握状况，选择基于单片机控制二维工作

10、台机械部分的设计作为毕业设计课题。单片机控制二维工作台是众多控制机械传动方法的一种，它利用单片机发出指令控制步进电机的转角和转速，进而控制x-y工作台两方向的移动，实现画线，移动物体等功能，常用于试验教学。单片机控制二维工作台主要由三部分组成：工作台及传动支撑部分，减速装置，控制部分及电机组成。加工工件固定在xy工作台上。x、y两方向的运动各由一台步进电机控制。控制系统每发出一个信号，步进电机就走一步，并通过中间传动机构带动两方向的丝杠旋转，分别使得x、y工作台进给。数控系统由单片机、键盘、变频检测系统构成，具有间隙补偿、直线插补、圆弧插补、断丝自动处理等主要功能。1.2工作台的分类（1）纳米

11、级微动工作台的研究现状及发展趋势纳米级微动工作台为从事纳米科学技术研究提供一维、二维或三维的纳米级微运动，是纳米科学技术研究应必备的关键仪器设备。现代纳米科学技术的快速发展对微动工作台提出了迫切的更高要求，即在提供大范围运动的前提下，还应具有纳米级的运动精度。在为纳米科学技术研究提供小范围纳米级精度的微运动时，最常见的是以压电陶瓷pzt作为驱动部件的柔性铰链机构微动工作台，要为纳米科学技术研究提供大范围纳米级精度的微运动时，柔性铰链机构、压电堆、丝杆滑动机构和气浮微动工作台等却都不能满足要求，它们不能同时实现纳米级运动精度和大运动范围。磁悬浮微动工作台由于运动平台和驱动机构采用非接触的磁悬浮驱

12、动技术，因此，易于实现大范围纳米级微运动，并且消除了摩擦、磨损对运动精度造成的影响。（2） 纳米级微动工作台的研究现状：柔性铰链式微动工作台柔性铰链微动机构是近年来发展起来的一种新型的微位移机构。它的特点是结构紧凑、体积很小,可以做到无机械摩擦、无间隙，具有较高的位移分辨率,可达1 nm。使用压电或电致伸缩器件驱动,可以实现亚微米甚至是纳米级的精度,同时不产生噪音和发热,可适于各种介质环境工作,是精密机械中理想的微位移机构。已在航空、宇航、微电子工业部门、精密测量和生物工程领域获得重要的应用。由于它的出现,开创了精度进入纳米的新时代。滚动导轨式微动工作台滚动导轨也是微动工作台中一种常见的导轨形

13、式，它具有行程大，运动灵活、结构简单、工艺性好、容易实现较高的定位精度的优点，采用滚珠导轨作为微动工作台的支承和导向元件，直流伺服电机传动、实现了对自动分步重复光刻机的微定位控制。磁悬浮式微动工作台磁悬浮式微动工作台由于运动平台和驱动机构采用非接触式的磁悬浮驱动技术,因此没有摩擦力和机械部件的磨损,易于实现高精度、大范围的要求。 纳米级微动工作台发展趋势及需要解决的问题大范围、高精度是纳米科技对微动工作台提出的新要求，然而大行程和高精度是微动技术中的一对矛盾。因此微动工作台的未来研究方向应围绕如何解决这一对矛盾展开。多种微运动相结合技术:结合多种微动方法以弥补各自的不足仍然是解决以上问题的主要

14、办法,比如在现有研究已经成熟的各种微动工作台基础上，妥善解决好其中两种或者多种微动工作台间的兼容性，解决好机械结构间的装配误差、多种平台间的定位误差，采用粗动和微动相结合的方法，粗动台用以完成快速大范围，微动工作台实现高精度，也就是说通过微动工作台对粗动工作台由于运动所带来的误差进行精度补偿，以此实现大范围、高精度的要求。新型纳米级微动工作台的研究:运动方向间的交叉耦合严重影响纳米微动工作台的定位精度，因此需进一步研究运动导向结构,从运动原理上有效地消除运动方向间的交叉耦合产生的定位误差，提高纳米级微动工作台的定位精度。改进控制策略，如采用建立迟滞和蠕变数学模型进行开环控制来避免因反馈而可能引

15、起的不稳定问题，采用自适应控制消除建模的误差和参数的不确定性及系统环境的变化等因数对系统精度的影响，提高系统的鲁棒性。采用模糊控制、神经元网络控制等方法改善系统的非线性和不确定性。磁悬浮微动工作台性能的进一步提高:在现有磁悬浮微动工作台基础上，充分考虑磁滞非线性、磁饱和以及高次谐波对系统精度的影响，解决运动控制和定位技术,从而实现纳米级精度的大范围运动。随着微米、纳米科学技术的不断发展，纳米级微动工作台的研究正日益受到国内外的重视。但因受到机械加工精度、控制精度和机构复杂性等技术水平的制约，其精度和运动范围还受到一定影响，随着对微动工作台的深入研究,结构合理、高精度和高分辨率的微动工作台必将不

16、断问世。旋转升降式工作台的发展趋势多种多样的升降工作台有着广泛的应用领域。许多工业企业除了在生产线上或生产线外使用升降工作台以外, 往往还利用升降工作台来运送较大的工件。例如在物资入库的时候,人们可以利用升降工作台首先将成批的钢材运送到指定的货架处, 然后再存放到货架的不同规格格层中或者在室外, 将工作台升降到合适的工作高度或者将单臂吊之类的起重设备运送到室外让它在室外工作等等。在2002年的汉诺威博览会上, bolzoni auramo有限责任公司推出他们开发生产的移动式升降工作台。该公司的设计师们设计的升降工作台带有运动装置使升降的物体重通过运动设备的轮子传递到地面, 从而可以使升降工作台

17、在任何器要它的地点发挥作用。这种移动式的结构设计也可 “ 移植” 到超薄型升降工作台的设计中。尤其是在汽车制造业中使用更为频繁。这种升降工作台不需要液压驱动系统, 几乎不需要维护保养。早在20年前, flexlift公司就研制开发出了机械式升降工作台。但是在今天机电一体化驱动技术取得了重大进步之后, 才使机械式升降工作台也有了较大的发展 1。1.3本设计工作台的作用和特点本课题研究的是x-y工作台的机械部分，主要的任务就是通过电机实现对工作台x-y两方向移动的控制，包括速度等的控制。采用步进电动机驱动方式。通过单片机控制实现电机的正反转，运行出错时候可以急停键停止，还有其他的一些操作等都可以通

18、过键盘实现。步进电机通过减速机构带动工作台，在工作台运行超过极限位置时候，安装在工作台两端的行程开关会被按下，产生电流信号，通过光电转换装置，向单片机发出信号，经单片机发出信号，蜂鸣器报警，报警的同时，电机停止转动。通过本课题的学习与研究，使我了解工作台的工作原理，知道了步进电机的驱动方式与减速机构的功能及对由于减速机构所带来的系统不稳定的消除，对步进电机的结构，工作原理有了更进一步的理解。使我认识了很多的电子元件，懂得了许多的机械方面的知识。1.4步进电机的发展现状步进电机最早是在二十世纪二十年代由英国人所开发。二十世纪五十年代后期晶体管的发明也逐渐应用在步进电机上，对于数字化的控制变得更为

19、容易。往后经过不断改良，使得今日步进电机已广泛运用在需要高定位精度、高分解能、高响应性、信赖性等灵活控制性高的机械系统中。在生产过程中要求自动化、省人力、效率高的机器中，我们很容易发现步进电机的踪迹，尤其以重视速度、位置控制、需要精确操作各项指令动作的灵活控制性场合步进电机用得最多。（1）步进电机的分类 步进电机依其构造上的差异可分为三大类： 可变磁阻式（vr型）：转子以软铁加工成齿状，当定子线圈不加激磁电压时，保持转矩为零，故其转子惯性小、响应性佳，但其容许负荷惯性并不大。其步进角通常为15°。 永久磁铁式（pm型）：转子由永久磁铁构成，其磁化方向为辐向磁化，无激磁时有保持转矩。依

20、转子材质区分，其步进角有45°、90°及7.5°、11.25°、15°、18°等几种。 混和式（hb型）：转子由轴向磁化的磁铁制成，磁极做成复极的形式，其乃兼采可变磁阻式步进电机及永久磁铁式步进电机的优点，精确度高、转矩大、步进角度小。（2）步进电机的历史步进电机在我国已有几十年的生产史，近几年，大规模集成电路及计算机技术的发展，进一步推动了步进电机的技术进步和广泛应用，据统计，全世界步进电机的年产量已达一亿多台，市场销售量占世界微电机销售总量的%左右。步进电机的发展依赖计算机外设和办公自动化机械的发展。我国计算机工业虽然起步晚，但经

21、过三十年的努力，已经初具规模。我国早在六十年代中期开始致力于步进电机的研究和开发，直到20 世纪80 年代，一直是磁阻式步进电动机占统治地位，混合式步进电动机是8 0 年代后期才开始发展，至今仍然是二种结构类型同时并存。尽管新的混合式步进电动机完全可能替代磁阻式电动机，但磁阻式电动机的整机获得了长期应用，对于它的技术也较为熟悉，特别是典型的混合式步进电动机的步距角（0 . 9 °/1.8°）与典型的磁阻式电动机的步距角（0.75°/1.5°）不一样，用户改变这种产品结构不是很容易的，这就使得两种机型并存的局面难以在较短时间内改变。这种现状对步进电动机的发

22、展是不利的 。（3）步进电机的发展趋势： 小型化、高精度计算机外部设备趋向小型，也就要求永磁式和混合式步进电机向小机座号发展，目前直径为39、42的步进电机使用就较多。 电机与线路一体化机电一体化的步进电机更受到用户的欢迎，虽然控制线路的成本比较高，但与电机组成一体化产品后更便于整机使用。 多功能新一代的磁盘与光盘需要具有两个自由度的圆柱式步进电机，直接完成横向运动和旋转运动两个功能，这种产品在日本电话电信公司已有产品。另外，美国已推出带电传感器的步进电机，能自检位置和转速。 直线小步距、高分辨率据日本和欧美国家报道，此类步进电机已制成步距为0.1微米，在40英寸/秒的线速度下产生50磅推力，

23、分辨率达12500步/英寸，定位精度为0.001英寸。 新结构、新材料、新技术步进电机总的发展趋向是增大出力、提高精度、改善动态特性，为此已出现一种盘式、轴向气隙的新结构步进电机。同时，还在研究采用如高磁能积的铁氧体、稀土、压电等新材料。21.5单片机的发展现状随着目前微电子技术的发展，技术工艺的不断提高，单片机技术也有了长足的进步。单片机在最近几年中得到了极大的发展，目前世界范围内单片机发展的主要领域有4个：一是欧美，最新开发产品及主要厂商有：national semicundutor 的cop8系列单片机，美国的scenix 的八位单片机，荷兰phillips的51系列单片机，美国amd公

24、司186系列16位嵌入式微机控制器，motorola的各个系列单片机；二是日本，toshiba公司开发了从4位到64位多系列单片机，日立公司也有从4位到32位多系列单片机，nec公司的75x、78x系列微机；三是台湾地区， 主要有winbond的w741/w516,w78/w77等系列产品微控制器；四是韩国，主要有hyundai microelectrionics的gms800、gms30系列微控制器。另外还有lg公司也生产单片机，可见单片机发展到今天可以说种类繁多、性能各异。但目前我国的许多单片机应用单位仍停留在采用片内无rom等低档单片机状态。当国内从80 年代起开始了单片机的热潮,二十多

25、年过去了,单片机从研究所走出来,成为日常生活中的一个不可缺少的部件。硬件方面日趋多样化,4 位、8 位、16 位、32 位等型号共同并存,在不同的领域存在,如家电、玩具、工业设备、仪器、通讯等。软件方面发展主要为汇编语言、c 语言、嵌入式操作系统。速度、稳定性特别要求的场合较多采用汇编语言和c 语言。单片机作为微型计算机的一个重要分支,应用面很广, 发展很快。自单片机诞生至今,已发展为上百种系列的近千个机种。目前,单片机正朝着高性能和多品种方向发展趋势将是进一步向着c m o s 化、低功耗、小体积、大容量、高性能、低价格和外围电路内装化等几个方面发展。2方案原理的设计2.1总体方案的选择和说

26、明设计一台微机控制x-y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： 表2.1 设计参数脉冲当量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kgxy0.0050.041100*15050032022560负载质量m=60kg；台面尺寸c×b×h150mm×100mm×15mm；工作台最大快移速度为1m/min。（1）人机接口 采用键盘或bcd码盘作为输入。 采用led作为电源等指示标志。 采用蜂鸣器或扬声器作为报警装置。 采用数码管作为显示器。（2）机电

27、接口采用光电偶合器作为微型机和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：微型机-微型机-功放-执行元件-机械传动-执行机构控制部分方案的选择：控制方案不外乎三种：开环控制，半闭环控制，闭环控制。上面位最简单的“开环控制”，若在“机械传动”机构中引出反馈给控制部分，再经过比较放大的则为“半闭环控制”。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频率成正比。因此通常在精度要求不是很高时，采用步进电机是比较合理的。

28、当然由于步进电机具有高频易失步，负载能力不强的缺点。（1）系统的运动方式与伺服系统由于工件在移动的过程中没有进行切削，故应用点位控制系统。定位方式采用增量坐标控制。考虑到定位精度要求不高，为了简化结构，降低成本，采用步进电机开环伺服系统驱动x-y工作台。（2）计算机系统本设计采用了与mcs-51系列兼容的at89s51单片机控制系统。它的主要特点是集成度高，可靠性好，功能强，速度快，有较高的性价比。控制系统由微机部分、键盘、led、i/o接口、光电偶合电路、步进电机、电磁铁功率放大器电路等组成。系统的加工程序和控制命令通过键盘操作实现。led显示数控工作台的状态。（3）x-y工作台的传动方式为

29、保证一定的传动精度和平稳性，又要求结构紧凑，所以选用丝杠螺母传动副。为提高传动刚度和消除间隙，采用预加负荷的结构。由于工作台的运动载荷不大，因此采用有预加载荷的双v形滚珠导轨。采用滚珠导轨可减少两个相对运动面的动、静摩擦系数之差，从而提高运动平稳性，减小振动。考虑电机步距角和丝杆导程只能按标准选取，为达到分辨率的要求，需采用齿轮降速传动。2.2总体方案实现的系统组成框图图2-1 总体方案设计3零件设计3.1步进电机的设计3.1.1步进电机的组成及工作原理步进电机又称脉冲电动机，它是将电脉冲信号转换成机械角位移的执行元件。其特点是输入一个电脉冲就转动一步。即每当电动机绕组接受一个电脉冲，转子就转

30、过一个相应的步矩角。转子角位移的大小及转速分别与输入的电脉冲及其频率成正比，并在时间上与输入脉冲同步，只要控制输入电脉冲的数量，频率以及电动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）步进电动机工作状态不易受各种干扰因素。（2）步进电动机的步矩角有误差，转子转过一定步数后也会出现累积误差，但转子转过一转后，其累积误差为0，不会长期积累。（3）控制性能好，在启动，停止，反转时不易丢步。步进电机的工作原理：步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加

31、一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点。使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单。 虽然步进电机已被广泛地应用，但步进电机并不能象普通的直流电机，交流电机在常规下使用。它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。因此用好步进电机却非易事，它涉及到机械、电机、电子及计算机等许多专业知识。 目前,生产步进电机的厂家的确不少，但具有专业技术人员，能够自行开发，研制的厂家却非常少，大部分的厂家只一、二十人，连最基本的设备都没有。仅仅处于一种盲目的仿制阶段。这就给用户在产品选型、使用中造成许多麻烦。签于上述情

32、况，我们决定以广泛的感应子式步进电机为例。叙述其基本工作原理。望能对广大用户在选型、使用、及整机改进时有所帮助。 感应子式步进电机工作原理 （1）反应式步进电机原理 由于反应式步进电机工作原理比较简单。下面先叙述三相反应式步进电机原理。结构：电机转子均匀分布着很多小齿，定子齿有三个励磁绕阻，其几何轴线依次分别与转子齿轴线错开。旋转： 步进电机转子每转一步，就转动一个步距角。由此可见：电机的位置和速度由导电次数（脉冲数）和频率成一一对应关系。而方向由导电顺序决定。不过，出于对力矩、平稳、噪音及减少角度等方面考虑。往往采用a-ab-b-bcc-ca-a这种导电状态。 由于x，y方向的脉冲当量分别为

33、： 即脉冲当量较小,这里选用反应式步进电机.其特点是:步矩角小,运行频率高,价格较低但功耗较大 2 3 。3.1.2步进电机的选择 初选电机型号为75bf003,其相关参数为: 表3-1 步进电机机座号 型号 相数 电压/v 电流/a 步矩角 75 75bf003 3 30 4 1.5外形尺寸(轴径)空载运行频率转子转动惯量10重量/kg空载启动频率hz最大静转矩n.m 1.563 1.58 1250 0.882 33.1.3 步进电机的校核f=fx=fy=3333.3r/min图3-1 转矩图tx=ty=2.8n.m 计算减速器的传动比:减速器传动比 初取滚珠丝杠：表3-2 丝杠 公称直径/

34、d 导程/p 20 4 此时 由于减速器的传动比i= 所以初取 z1=24 z2=80 步进电机的驱动力计算:典型工况下,步进电机的驱动力和分别为:1172.267n>>500n1172.267n>>500n 套筒联轴器的传动效率,取0.98滚动轴承副的传动效率,取0.99一级圆柱直齿轮的传动效率,取0.95滚珠丝杠的传动效率,取0.9滚动导轨副的传动效率,取0.98驱动力远大于进给抗力,所以所选步进电机满足要求 由于步进电动机的负载力矩ml= 式中f：进给方向的切削力（n）m：工件和工作台的总质量（kg）u：导轨的摩擦系数，滚动导轨取u=0.003z1：小齿轮齿数z2

35、：大齿轮齿数珠丝杠螺距（mm） h=4mm(螺距等于导程,单级)ml=0.12n.m 步进电动机转矩m=0.4 n.m 步进电动机最大静转矩mst=0.47n.m 小于0.882n.m所选步进电动机满足要求3。 3.2减速器设计3.2.1主动齿轮的选择与计算考虑电机步距角和丝杆导程只能按标准选取，为达到分辨率的要求，需采用齿轮降速传动。齿轮的选择及计算（1）初步计算转矩t=2.8n.m=2.8n.mm 齿宽系数 由表12.13,取接触疲劳极限由图12.17c =710mpa , =580mpa 初步计算的许用接触应力=0.9=639mpa =0.9 =522mpa 取ad=110计算小齿轮直径

36、 d1ad110=33mm 取小齿轮直径为90mm初步齿宽 =45mm （2）较核计算 圆周速度v=3.925m/s 精度等级选择选8级精度 齿数z和模数m由于齿数z1=24，z2=80模数 使用系数 取=1.5动载系数， =1.1齿间载荷分配系数由表 先求：=62.22n =2.07n.mm<100n.mm =1.88-3.2(=1.71 由此得 齿向载荷分布系数， 载荷系数= 弹性系数 取=189.8mpa节点区域系数， 接触最小安全系数 =10.5总工作时间 令两方向的工况均为：每天开机六小时，每年三百个工作日，工作八年以 应力循环次数 由表估计 ，则指数 m=7.08 =60 原

37、估计应力循环次数正确， 接触寿命系数 , =0.94许用接触应力 ： 验算： =94.07mpa< 计算结果表明，接触疲劳强度较为合适，齿轮尺寸无需调整。 中心矩 a= 齿根弯曲疲劳强度验算 重合度系数， 齿间载荷分配系数， 齿向载荷分布系数， 由于=5.33 由图 载荷系数 k= 齿形系数， ,应力修正系数 ,=1.72弯曲疲劳极限， 弯曲最小安全系数， =1.25 应力循环次数 弯曲寿命系数 尺寸系数 =1.0许用弯曲应力 验算： 传动无过载，故不作静强度较核4。3.2.2从动齿轮的选择与校核由于大齿轮的转矩 大齿轮直径: 得大轮的圆周力和径向力和小齿轮的相同.同理,可得大齿轮满足要

38、求4。3.2.3轴的设计3.2.3.1小轴的选择与计算表3-3轴的材料类型材料牌号热处理毛坯直径mm硬度/hbs抗拉强度极限屈服强度极限弯曲疲劳极限剪切疲劳极限许用弯曲应力备注 mpaq235-a热扎或锻后空冷<100 >100250 40042022517010540用于不重要及受载荷不大的轴37539021545正火 回火10017021759029525514055应用最广泛>100300162217570285245135调质2002172556403552751556040cr调质10024128673554035520070用于载荷较大，而无很大冲击的重要轴>

39、;10030068549033518540crni调质10027030090073543026075用于很重要 的轴>10030024027078557037021038simnmo调质10022928673559036521070用于重要的轴，性能近于40crni>100300217269685540345195计算齿轮受力小齿轮受力：小轮直径 转矩 圆周力： 径向力 ： 画小轴的受力图：图3.2 小轴的受力图水平面反力： 画水平面弯距图图3.3 水平面弯距图垂直面反力： 得 画垂直面受力图图3.4 垂直面受力图画垂直面弯矩图：图3.5垂直面弯矩图4 5 6合成弯矩图： 图3.6

40、合成弯矩图 计算许用应力：许用应力值：用插入法查得 应力校正系数a= 当量转矩：当量弯矩： 在小齿轮中间截面处 较核轴径：齿根圆直径： 轴径： 3.3轴承的设计滚动轴承结构设计：（1）精度各种机电一体化机械的滚动轴系的精度一般根据该机械的功能要求和检验标准有所规定，如精密级加工中心主轴轴系的端部径向跳动和轴向窜动，据此来选择主轴和轴承的精度。滚动轴承的精度分b，c，d，e，g五级。b级最高，g级为普通级。选择精度时主要根据载荷方向 。仅受径向载荷的深沟球轴承，主要根据内外圈的径向跳动然后考虑其他因素的影响。（2）配合滚动轴承内外圈往往是薄壁件，受相配的轴径箱体孔的精度和配合性质影响很大。配合性

41、质和配合面的精度合适，不致影响轴承精度；反之则旋转精度下降，引起振动和噪声配合性质和配合面的精度合适不致影响轴承精度；反之则旋转精度下降，引起振动和噪声。配合性质和配合面的精度还影响轴承的承载能力和预紧状态。滚动轴承外圈和箱体孔的配合采用基轴制。内圈孔与轴径的配合采用基孔制，但作为基准的轴承孔的公差带位于以公称直径为零线的下方。这样在采用相同配合的情况下，轴承孔与轴径的配合更紧些。滚动轴承的配合的选择参照gb-275-93，滚动轴承与轴和外壳的配合国家标准。对于g，e级精度轴承配合的钢，铸铁制轴的轴径规定17种公差带；对钢，铸铁制箱体孔规定16种公差带。 轴承配合性质的选择，要考虑下列工作条件

42、：负荷类型：承受始终在轴承套圈滚道的某一局部，作用的局部负荷的套圈，配合应相对松些。承受依次在轴承套圈的整个滚道上作用的循环负荷的套圈，配合应相对紧些。负荷越大，配合的过盈量应大写些。承受冲击振动负荷比承受平稳负荷的配合应更紧些。转速：一般转速越高，发热越大，轴承与运动件的配合应紧些，与静止件的配合可松些。轴承的游隙和预紧：轴承具有基本游隙，配合的过盈量应适中。轴承预紧，配合的过盈量应减小。轴承的轴向限位分无轴向负荷，单轴向负荷，双轴向负荷。深沟球轴承只要把轴承内圈用轴用挡圈或轴肩螺母限位在轴上即可。双向短圆柱滚子轴承的内外圈双向定位，内圈小端单向定位7。3.3.1小轴两端轴承的选择和计算初选

43、：采用深沟球轴承（单列）代号60000型表3-4 深沟球轴承（单列）d d b 173541019.432.60.322.929.10.363.25 小齿轮轴两端轴承的计算校核计算轴承动负荷， 由于： 可用3.3.2大轴两端轴承的选择和计算 初选：由于 初选深沟球轴承（单列） 代号60000型大齿轮轴两端轴承的计算校核计算轴承动负荷： n 可用。3.4联轴器的设计3.4.1步进电机输出轴与小齿轮轴之间联轴器的选择与计算表3-5联轴器的性能比较：类别联轴器名称转矩范围n.mm轴径范围mm最高转速r/min 特点及应用说明 固定式刚性套筒联轴器套筒联轴器（见图）圆锥销0.34000) 4100一般

44、小于等200250结构简单，制造容易，径向尺寸小，成本低。但装拆时需沿轴向移动较大的 距离。而且只能连接两轴直径相同的圆柱形，轴伸一般用于工作平稳的功率传动轴系。 平键715000 20100半圆键84501035花键15012500 25102凸缘联轴器102000010180130002300结构简单，制造容易，工作可靠，装拆方便，刚性好，传递转矩大，但不能吸收冲击。当两轴对中精度较低时，将引起较大的附加载荷，适用于工作平稳的一般传动，高速传动时需要有高的对中和制造精度。夹壳联轴器(hg5-213)1965装拆方便，不需沿轴向移动两轴，但平衡困难，而且两轴径必须是相同的圆柱形。仅适用于低速

45、传动的水平或垂直轴系，以传递平稳载荷为宜。30110859000900380 紧箍夹壳联轴器其特点和使用性能与夹壳联轴器相似，但外形简单，平衡条件有所改善，夹紧力大，很适宜用于径向夹紧力大的场合。1801250030110900380 图3.7 联轴器 一般联轴器是根据载荷情况，计算转矩，轴直径和工作转速来选择。计算转矩tc=2.8n.m由于工作台最大移动速度v=1m/min滚珠丝杠螺距p=4mm=0.004m所以滚珠丝杠最大转速v 所以步进电机带动联轴器的转速n工作转速r/min，n= 因为n=250×10/3= 套筒联轴器特点：结构简单、径向尺寸小、容易制造。缺点是装拆不方便。选

46、用圆锥销套筒联轴器 ，取d=12mm>8mm（步进电动机输出轴直径）tn=7.5n·m>tc=2.8n.m得套筒外径d0=22mm，套筒长度l=40mm两轴间距c=2mm，销至套筒边距l=8mm ，圆锥销：3×22销的抗剪强度计算：100mpa =n.mm=33n.mm 上式成立，销材料为45号钢。圆锥销直径 d1=0.25d=3mm. 3.4.2大齿轮轴和滚珠丝杠间联轴器的选择和计算3.4.2.1联轴器的选择图3.8 套筒联轴器初取d=16mm的圆锥销套筒联轴器表3-6 圆锥销套筒联轴器（mm） (mm) d公称转矩（n.mm） d l b c圆锥销（2个）1

47、6282845100.55 x28 3.4.2.2联轴器的校核计算较核： 取 k=1.2 计算转矩 ： 所选联轴器合适。销的抗剪强度计算： 成立，销材料为45号钢8 。3.5键的设计键的结构选取为平键取键宽 b=3mm 键与轮毂的接触高度 k= 键的工作长度：l=12mm较核计算： 键或键槽工作表面的抗压和键的剪力分别为 所选键满足要求9。3.6丝杠的设计3.6.1丝杠的特点滚珠丝杠副的组成及特点滚珠丝杠副是一种新型螺旋传动机构，其具有螺旋槽的丝杠与螺母之间装有中间传动元件滚珠。滚珠丝杠螺母机构由丝杠，螺母，滚珠，和反向器等四部分组成。当丝杠转动时，带动滚珠沿螺纹滚道滚动，为防止滚珠从滚道端面掉出，在螺母的螺旋槽两端设有滚珠回程引导装置构成滚珠的循环返回通