精密机械课程设计---丝杆传动

1、精密机械课程设计说明书 设计题目 丝杆传动学校 武汉大学 专业 测控技术与仪器 完成日期2014年9月28日目录第一章 概述31.1课程设计的目的31.2 设计要求31.3 注意事项4第二章 总体方案设计42.1工作台的尺寸设计52.2导轨类型设计52.3丝杠的选型和校核计算52.4电机的选择52.5联轴器和轴承的选择5第三章 机械零部件设计53.1工作台的设计53.1.1工作台外形尺寸及重量初步估计53.1.2工作台工作时的运动情况估计53.1.3工作台简图63.2导轨的设计63.2.1导轨材料和类型选择63.2.2导轨额定载荷的预算73.2.3导轨参数选择73.2.4滑动导轨的计算83.3

2、丝杠的的选型和计算93.3.1 滚珠丝杠使用条件93.3.2 确定滚珠丝杠副导程103.3.3 滚珠丝杠轴向负荷计算103.3.4 滚珠丝杠选型113.3.5 静安全系数113.3.6 丝杠轴安装方式和挫曲载荷123.3.7 丝杠容许转速133.3.8 校核工作寿命143.3.9 定位精度计算153.4 电机选型163.5 轴承的选择173.6 联轴器选型18第四章 机构润滑194.1 导轨润滑194.2 滚动轴承的润滑204.3 滚珠丝杠润滑21课程设计总结23第一章 概述1.1课程设计的目的“精密机械设计基础” 课程设计作为实践环节对于整个课程具有非常重要的意义。学生在这个环节中不仅是完成

3、一项指定任务，更重要的是实际走过一个完整的设计过程。学生在课程设计中应该定位为设计者。设计者要进行方案筛选论证，要考虑装配关系，考虑结构工艺性，考虑选材。整个设计采用Solidworks完成，从3D建模到2D图纸。我们要求每人拿出至少一张可用于加工的图纸。这样的图纸，仅仅图形表达正确是远远不够的。图纸的尺寸标注要合理，要有尺寸公差和形位公差，要正确选择材料，要有技术要求。总之，通过课程设计要使学生知道，设计过程包括那些步骤，能够投放生产的加工图纸是什么样子。其目的是：（1）具体应用、巩固加深和扩大课程及有关先修课程的理论知识、生产知识，了解精密机械设计的一般设计方法和步骤，培养学生的实际设计能

4、力，为以后进行毕业设计打下基础；（2）掌握正确的设计思想。 通过课程设计使同学掌握仪表的设计思路。机械产品设计，一般其主要过程为：（接受）设计任务（拟定）设计方案设计计算绘制装配图绘制零件图设计过程中需注意以下内容： 1）满足使用要求（功能、可靠性及精度要求） 2）注意工艺性（结构合理、简单，经济性，外观要求）3）熟悉有关规范、标准、手册 设计中涉及到的零件材料、结构等，均需按照有关标准选择；零件的尺寸、公差等亦应符合相关标准；制图也要符合一定的规范。因此在课程设计过程中要求同学学习、掌握查阅标准及使用手册的能力。1.2 设计要求工作台水平行程20mm，重复精度0.05mm，承重1.5kg，运

5、行速度5mm/s。设计内容：1、确定螺旋传动装置的总体设计方案；2、工作台的尺寸设计；3、导轨的选择设计；4、螺旋传动的设计计算5、轴承及联轴器的选择及校核计算；6、选择电动机；7、绘制装配工作图及零件工作图；8、编写设计计算说明书；1.3 注意事项（1） 在课程设计前，应认真研究题目，明确设计要求和已知条件，阅读参考资料，了解课程设计的内容；（2） 对设计方案及结构，设计小组应进行讨论和对比，以明确优、劣、正、误，取长补短，改进设计；（3） 在正式进行设计计算前与指导教师充分讨论设计方案，明确设计方案；（4） 设计方案确定后，将确定的结构方案用计算机绘成草图给指导教师审阅，审阅后可绘制成正式

6、的设计图纸；（5） 按规定编制设计计算说明书，将设计说明书和全部图纸交给指导教师审查，经认可后方可呈交；第2章 总体方案设计 丝杠传动工作台总体设计方案的内容包括工作台尺寸设计、导轨设计、联轴器和轴承的选择以及电机的选择。总体装配模型如图2.1所示。图2.12.1工作台的尺寸设计由于所要承受的负载的重量较小，并且导轨的行程比较小，所以根据负载的重量可设计矩形工作台。2.2导轨类型设计由于工作台的运动部件重量和工作载荷不大，故设计滑动直线导轨副，从而减小工作台的摩擦系数，提高运动稳定性。 2.3丝杠的选型和校核计算螺旋传动通常可分为滑动螺旋传动、滚动螺旋传动和静压螺旋传动。由于滑动螺旋传动摩擦阻

7、力大，传动效率地、磨损快，传动精度低，而滚动螺旋传动和静压螺旋传动都有摩擦阻力小，传动效率高的优点，但静压螺旋传动需要供油系统，结构很复杂，所以综合考虑选择滚动螺旋传动。 2.4电机的选择根据负载的重量和工作台及零部件的重量较小，所以选用的电机的功率较小，可选用步进电机，结合丝杠的转矩可选择所需的电机型号。2.5联轴器和轴承的选择根据所选用的电机的转轴的尺寸和减速器的蜗轮和蜗杆的尺寸，可以选择合适的联轴器。由于在转动过程中，所受的轴向力比较小，主要承受径向力，所以可选择角接触轴承。第3章 机械零部件设计3.1工作台的设计3.1.1工作台外形尺寸及重量初步估计工作台的相关参数设定为：材料：灰铸铁

8、 HT200，密度=7.2g/cm3长度×宽度×厚度：1000×80×10=80000mm3工作台质量：m=V=7.2×80000×10-6=0.576kg G=5.76N取重力加速度g=10N/kg工作台最大载荷：F=15N3.1.2工作台简图 根据给定的有效行程，画出工作台简图。取两道轨的中心距为60mm，设计工作台简图如下：3.2导轨的设计3.2.1导轨材料和类型选择导轨类型的选择为滑动和滚动，在此我们选择滑动三角形导轨。导轨截面图如下：材料： 用于导轨的材料，应具有耐磨性好，摩擦因数小，并具有良好的加工和热处理性质。本设计导轨

9、材料应选用HT200，它具有较好的耐磨性，灰铸铁密度为=7.2g/cm3。此灰铸铁导轨的硬度一般为180200HBW。为了提高导轨表面硬度，采用表明淬火工艺，表面硬度可达55HRC，导轨的耐磨性可提高13倍。3.2.2导轨额定载荷的预算 工作台重量G=5.76N，工作台最大载荷F=15N，因此导轨额定静载荷为F静=F+G=5.76+15=20.76N3.2.3导轨参数选择 H6810121620253240506580100125H19121518243038486075100h7911131722273443536885105130b不大于1.21.622.5345681012162025b

10、19001.21.622.534568101216202512001.622.534568101216202532b2不小于9000.811.21.622.534568101212001.622.53456810121620K不小于0.811.21.622.5345681012K1不小于11.21.622.53456810121620B=6006.939.2411.5513.8618.4823.0928.87=900121620243240506480100130H1为推荐尺寸；B仅供参考，允许使用不同宽度的棱面。表3.2.1 由表3.2.1可选用 H=8 H1=12 h=9 b不大于1.6

11、=900 B=16mm导轨长度 L=150mm3.2.4滑动导轨的计算 根据导轨的初步尺寸和形状，以及受力情况，求出导轨面上的压力分布，然后算出导轨面上的平均比压和最高比压，其值低于使用经验所推荐的许用比压值。为了使导轨磨损均匀及提高工作寿命，导轨上的压力应尽可能平均，从表中可得，许用最大比压约为许用平均比压的二倍，因此在实际设计实验中，通常只计算平均比压。P=（P2+G）/BLP(公斤/厘米2)P计算平均比压(公斤/厘米2)；P2垂直载荷（公斤）；G导轨面所承受的总重量，包括工件和工作台的重量（公斤）；B导轨的水平投影宽度（厘米）；L与工作台接触的导轨面总长度（厘米），对于圆周运动导轨，L=

12、D，D为原型导轨的平均直径（厘米）；p许用平均比压(公斤/厘米2)，P=(1.5+0.576/2)/(115)=0.1192(公斤/厘米2)铸铁导轨的许用比压 (公斤/厘米2)如下表3.2.2所示：导轨种类直线运动导轨圆周运动导轨直径D中等机床重型机床磨床D<300D>300环状工作台单导轨双导轨主运动导轨平均比压45234321.5最大比压84进给运动导轨平均比压121550.250.40最大比压2530100.500.80表3.2.2注：i. 以固定切削规范工作的专用机床，逊于比压应减小25%；ii. 钢对铸铁用表中允许值，钢对钢的允许比压应增加2030%；iii. 聚四氯乙烯

13、（P.T.F.E）为基材的塑料正常连续使用时平均比压小于3.5(公斤/厘米2)；间断使用时允许达17.5(公斤/厘米2)；短暂使用时，最大可达35(公斤/厘米2)；iv. 锌合金ZnAl10-5导轨的平均比压可达2(公斤/厘米2)。查表得P=0.250.40pp则导轨尺寸设计合理。3.3丝杠的的选型和计算选用THK滚珠丝杠，根据技术手册选型步骤如下：3.3.1 滚珠丝杠使用条件重复定位精度：0.05mm，假设：丝杠转速：75r/min滑动导轨承重时取滑动摩擦系数为u=0.15导轨面摩擦力为：定位精度：0.3mm/1000mm按四个滑块，每个滑块密封阻力2.5N计算得 ，考虑余量取。3.3.2

14、确定滚珠丝杠副导程导程：假定螺母长60mm，行程长度20mm，丝杠轴末端100mm所以丝杠长度初步估算为。v：工作台运动速度n：丝杠转速v=0.3m/min， n=75r/min计算得：。3.3.3 滚珠丝杠轴向负荷计算去路加速：去路匀速：去路减速：返程加速：返程匀速：返程减速：取滚动摩擦系数 计算得 故 。3.3.4 滚珠丝杠选型根据滚珠丝杠副的导程和最大轴向负荷，参考THK产品手册参数，初步选择型号为BNT 1404-3.6的精密滚珠丝杠。参数如下：Ca=6.8KN，Ca0=12.6KN，刚性：K=190KN/um丝杠的惯性力矩：导程Ph=4mm，丝杠外径d=14mm，钢球中心直径D=14

15、.4mm沟槽谷径d1=11.5mm，圈数*列数=3.65×13.3.5 静安全系数 丝杠在静止或运动中，由于冲击或启动停止所产生的惯性力等，会有意想不到的外力作用，故需要对丝杠先进行静安全计算。，表3.3.1使用机械负荷条件的下限一般工业机械无振动或冲击时1.03.5有振动或冲击时2.05.0机床行业无振动或冲击时1.04.0有振动或冲击时2.57.0，取，计算得，故丝杠满足要求。3.3.6 丝杠轴安装方式和挫曲载荷滚珠丝杆常见的三种安装方式:综合考虑工作台移动速度，工作行程和精度等因素，选用“固定-固定”型安装方式。两端分别分别由一对轴承约束轴向和径向自由度，负荷由两组轴承副共同承

16、担。挫曲载荷： 挫曲载荷(N)安装间距(mm)E 杨氏模数() 丝杠轴的最小断面二次矩()：与安装方法相关的系数固定-自由 固定-支承 固定-固定 丝杠轴的容许拉伸压缩负荷：计算得：由此可见, 丝杠轴的挫曲载荷和容许拉伸压缩负荷至少等于最大轴向负荷。因此, 所选滚珠丝杠在使用上没有问题。3.3.7 丝杠容许转速1. 丝杠轴的危险速度 随着滚珠丝杠转速的提高，逐渐接近丝杠轴的固有频率，因而会发生共振而不能继续转动。因此，一定要在共振点（危险速度）一下使用。丝杠轴的危险速度：危险速度下的容许转速安装间距(mm)E 杨氏模数() 丝杠轴的最小断面二次矩()固定-自由 固定-支承 固定-固定 则有，

17、，计算得：。2. DN值决定丝杠的容许转速Dm为滚珠丝杠的钢球中心直径，N为丝杠轴最大转数。所以DN值即表示钢球的公转速度。钢球的公转速度变大后，其冲击力将对循环部品造成损伤。因此，容许公转速度受钢球中心直径Dm和丝杠轴转速N组成的DN值所限制。DN值即该滚珠丝杠的设计高速极限。故由DN值决定的丝杠容许转速为：D：钢球中心直径且D=14.4mm计算得：。3.3.8 校核工作寿命1. 额定寿命（总转数）： L 额定寿命（总转数） (rev)Ca 基本动额定负荷 (N)Fm 轴向平均负荷(N) fw 负荷系数振动、冲击速度（V）fW微小微速时V0.25m/s1-1.2小低速时0.25V1m/s1.

18、2-1.5中中速时1V2m/s1.5-2大高速时V2m/s2-3.5表3.3.3 负荷系数，计算可得：。2. 工作寿命时间 工作寿命时间(h) N 每分钟转数(min-1)n 每分钟往返次数(min-1) 滚珠丝杠的导程(mm) 行程长度(mm)运行距离寿命。由于，计算可得：，大于要求寿命20000小时，故满足要求。3.3.9 定位精度计算1.运行距离误差：滚珠丝杠等级选择C2，运行距离误差0.007mm，取轴向间隙0.05mm2.发热引起的变形误差：假设温度上升5，定位误差 丝杠轴的轴方向伸缩量(mm) 热膨张系数（）t 丝杠轴的温度改变()螺纹部有效长度(mm)3. 运行中姿态变化引起的误

19、差：滚珠丝杠中心到需要精度的位置相距l=80mm 假设垂直公差在 以下，得=0.0039mm定位精度：,则，在定位精度范围内。由于所选丝杠是滚动型，重复定位精度很高，且要求的负载，行程都较小，要求重复定位精度值较大，滚动丝杠能达到所需要求，故此处忽略重复定位精度的计算，只对定位精度进行了计算。3.4 电机选型 选择步进电动机，初选众为兴公司型号为85BYGH820A的步进电机。其步距角为1.8°，静力矩为2.1Nm，电压为4.4V。电机输出轴为D型轴，轴径为14mm，长度为37mm。3.4.1电机的计算1. 必要脉冲数：必要脉冲数=；2. 采用加/减速运行方式驱动。设加/减速时间为定

20、位时间的10，启动脉冲速度为200Hz，则 ；3. 负载力矩的计算 由外部负荷引起的摩擦扭矩： 取滚珠丝杠的效率为0.9，减速比为1，计算可得：。 加速时所需力矩和减速时所需力矩: J ：惯性力矩(kg·m2) 加速时角加速度(rad/s2) m 运送质量(kg) 减速时角加速度(rad/s2)Ph 滚珠丝杠的导程(mm) JS 丝杠轴的惯性力矩 (kg·m2)A 减速比 Nm 丝杠每分钟转数(min-1) 加速时间(s) 加速时间(s)其中，取0.05s，取0.15s，计算可得： 所需电机扭矩的有效值： 所选电机的静力矩为2.1Nm，大于所需扭矩的三倍以上，故满足要求。3

21、.5 轴承的选择 选择轴承的类型时通常根据下列几个因素： 允许空间。载荷大小和方向。例如既有径向又有轴向联合载荷一般选用角接触球轴承或圆锥滚子轴承，如径向载荷大，轴向载荷小，可选深沟球和外圈都有挡边的圆柱滚子轴承，如同时还存在轴或壳体变形大及安装对中性差，可选用推力调心滚子轴承。轴承工作转速。旋转精度。轴承的刚性。轴向游动。由上综合：本设计选用角接触球轴承初选轴承为a=25o的角接触球轴承。（1）径向外载荷Fr： Fr=（m1+ m2）g=26.8N（2）轴向外载荷Fa： Fa=15.6N（3）轴承支反力： R1=R2=R=Fr/2=13.4N（4）轴承派生轴向力： 查表得：S1=S2=S=0

22、.7R=9.38N（5）轴承所受轴向载荷：因S1+ FaS2 则A2= S2+ Fb2= S1+ FA=9.38+15.6=24.98N A1= S1=9.38N附表：基本尺寸/mm基本额定载荷/KN极线转速/r*min-1安装尺寸/mmd D BCrCor脂油daminDamaxramax10 26 84.922.25190002800012.423.60.326 84.752.12190002800012.423.60.3 30 95.822.95180002600015250.6 30 95.582.82180002600015250.6（6）计算轴承所受当量载荷Pr因轴承工作时有冲击，

23、查表载荷系数为fp=1.4因A1/R1=0.7>e=0.68 A2/R2=1.42>e=0.68且A2>A1 Pr=P2=fp（xR2+ yA1）=1.4(0.41×13.4+0.81×9.38) =18.329N（7） 基本额定动载荷C C=(Prfh/ft)*(60nLn/106)1/2=967.4N L,h: 轴承预期计算寿命，L,h=20000h, Fh： 寿命指数，当L,n=20000时，fh=3.11 Ft： 温度系数，ft =1.0工作温度/<120125150175200ft1.00.950.90.850.80 基本参数（尺寸）：d=

24、10mm D=26mm B=8 a=8.2mm 安装尺寸(mm)： da=12.4 Da=23.6 ras=0.3 基本额定动载荷Cr=4.75Kn 静载荷Cor=2.12 计算寿命Lh： Lh=(106/60n)(ftCr/Pr)fh=4.79×104h Lh>L,h=20000h 且C<Cr 因此，轴承合格。3.6 联轴器选型 联轴器主要用于两轴之间的联接传递扭矩。根据被联接两轴的相对位置关系，联轴器可分为刚性、弹性和液力三种。刚性联轴器用在两轴能严格对中，并且在工作时不会发生相对位移的地方；弹性联轴器用在两轴稍有偏斜或工作中有相对位移的地方。液力联轴器是用液体动能来

25、传递功率，用在需要保护原动机不遭过载损坏而又可空载起动的地方。 考虑到两轴装配时不可能保证严格对中，选择零间隙爪型梅花弹性联轴器。零间隙爪型梅花弹性联轴器是在直爪型的基础上演变而来，其设计能适合伺服系统的应用，常用于联接伺服电机、步进电机和滚珠丝杠。梅花联轴器具有结构简单、使用寿命长，具有良好的减振、缓冲和电气绝缘性能，具有较大的轴向、径向和角向补偿能力等优点。滚珠丝杠的公称直径为14mm，根据丝杠轴尺寸查表初选LS10-32型梅花联轴器。技术参数如下图所示：图3.5 梅花联轴器技术参数 由表知LS10-32型梅花联轴器的额定扭矩为6.5Nm大于电机额定输出力矩和丝杠最大扭矩，故所选联轴器能满

26、足使用要求。第4章 机构润滑4.1 导轨润滑 保证导轨的良好的润滑，是减少导轨的摩擦和磨损的另一个有效措施。 选择导轨润滑油的主要原则是载荷越大、速度越低，则油的粘度应越大；垂直导轨的润滑油粘度，应比水平导轨的润滑油的粘度大些。在工作温度变化时，润滑油的粘度变化要小。润滑油应具有良好的润滑性能和足够的油膜强度，不侵蚀机件，油中的杂质应尽量少。对于精密机械中的导轨，应根据使用条件和性能特点来选择润滑油，常用的润滑油有机油、精密机床液压导轨油和变压器油等。还有少数精密导轨，选用润滑脂进行润滑。机床导轨的润滑方法：导轨类型使用何种润滑剂润滑方法备注普通的滑动导轨L-AN全损耗系统用油油绳、油轮、油枪

27、、压力循环没有爬行的卧式机床液压-导轨油由液压系统供油各类的磨床导轨和液压系统采用同一种油导轨油油绳、油轮、油枪、压力循环适用于有爬行现象的机床油雾排除空气，并要求工作表面没有切屑润滑脂滑动面较短时用脂枪或压盖脂杯注入到油槽里适用于垂直导轨和偶尔有慢速运动的导轨表4.1因此由上表可知本设/计选用机密机床导轨油润滑。按滑动速度和平均压力来选择粘度。下表是按照导轨滑动速度和平均压力来选择其润滑油的粘度。其中的粘度和国标GB/T7632-1987机床用润滑剂的选用中所推荐的两种导轨油L-G68、L-G150和两种导轨-液压油L-HG32与L-H68的粘度相当。按滑动速度和平均压力来选择其粘度（40&

28、#176;）(单位： mm2/s)滑动速度（mm/min）比压/MPa0.010.111010010000.050.1N68N68N68N68N32N320.20.4N150或220N150或220N150或220N150或220N68N68表4-1-1S=L·B=50*10=500mm2式中：S导轨和工作台支柱接触面积L工作台支柱长度B导轨宽度P=F静/S=20.76N/12×10-4 =1.73×104Pa=0.0173MpaF静导轨额定静载荷V=5mm/s=300mm/min由以上计算及表可知导轨的润滑油选择N324.2 滚动轴承的润滑滚动轴承的参数：n主轴

29、转速（r/min）;d轴承内径（mm）；dm轴承内外径平均值（mm）；T轴承工作温度（）；p轴承承受的载荷（Pa）。已知dn值及T，求其润滑油粘度。按照dn值/温度推荐的油粘度dn值/(mm·r/min)润滑油粘度/(mm2/s)(37.8)A030B3060C6090D9012010001000010000250002500060000600007500075000100000100000250000250000以上60353520209911595706060353536027027022016011595750550550360360270270表4-3-1已知dn=d

30、3;n=10×200=2000mm·r/min 根据上表可以选择润滑油的粘度为60滚动轴承用润滑油的种类、牌号的选择轴承工作温度/速度系数（dn值）/(mm·r/min)普通载荷适用粘度（40）/( mm2/s)选用油名称、牌号06015000以下3270L-AN32、L-AN46、L-AN68全损耗系统用油L-TSA32、L-TSA46汽轮机油15000750003250L-AN32、L-AN46全损耗系统用油、L-TSA32汽轮机油750001500001532L-AN15、L-AN32全损耗系统用油、L-TSA32汽轮机油150000300000912L-F

31、C5、L-FC7轴承油表4-3-2由表4-3-2及油的粘度可得选择润滑油的名称及牌号为:L-AN32、L-AN46、L-AN68全损耗系统用油、L-TSA32、L-TSA46汽轮机油。4.3 滚珠丝杠润滑 当使用直线运动系统时,必须提供良好的润滑功能。如果以无润滑状态使用,滚动部分就会更快地磨损,因而其使用寿命会缩短。润滑剂具有如下功效(1) 降低各运动部件之间的摩擦,从而可防止焦化及减少磨损。(2) 在滚动面上形成油膜以减少作用于表面的应力，并延长滚动疲劳寿命。(3) 将油膜覆盖于金属表面以防止生锈。图4.1 在特殊环境下使用的润滑剂根据使用环境，选择ACF油脂。AFC 油脂由于其特殊的添加剂以及尿素类增稠剂, 具有高耐微振磨损腐蚀性, 使用高级合成油作为基础油。课程设计总结 本次的课程设计，让我收获颇丰。经过大半个月的学习，我的精密机械课程设计总算是圆满结束。这是大学以来的第一次课程设计，也是对大学以来所学知识的一次综合运用与实践，抱着这种心态，我将