滚珠丝杠课程设计

1、本科生专业课程设计（届）学生姓名：学号：专业名称：班级：指导教师：年月日目录专业课程设计计算说明书3原始数据3一、系统总体方案设计3二、机械系统的设计计算4三、控制系统设计19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：微型机机电接口人机接口,本次设计可采用如下方案:由设计任务书知脉冲当量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*15050032022545、系统总体方案设计（一）机械系统1、传动机构采用滚

2、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。(三)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。(四)控制系统设计开环控制原理图开环控制流程图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

3、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)(一)初选步进电动机根据已知条件：X、丫方向的脉冲当量晨6y分别为:、.x=、.y=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

4、低，但功耗较大。结论：初选步进电机型号为：90BF5-1.5,其相关参数如下:机座号型号相数电压V电流A步距角。9090BF5-1.5560/1251.5/0.8步距角误差空载运行频率转子转动惯量10-5kg.m2重量kg空载启动频率Hz最大静转矩N.m10约120000.080.2225001.96并采用单双相通电方式，因此步距角值=0.8,1、步进电动机的脉冲频率计算典型工况下，步进电动机的脉冲频率fx和fy分别为:.Vx313.fx1010=3333.3p/s：二fxmax=12000p/s60x600.005_vy313_fy=1010=3333.3p/s：二fymax=12000p/

5、s60、.y600.0052、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:“出后加7是行矩Si特性按图5-7查得：Tx=Ty=2.8Nmxy3、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:Fx2TxxZ22二2.8(0.83)32Sx乙0.00418=6480NaFx进给抗力=500NFy2TyyZ22二2.8(0.83)32Sy乙0.00418=6480N>Fy进给抗力=500N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:-：p360cpp豆一步进电机步距角（白）p-丝杠导程（mm）6

6、P-工作台运动的脉冲当量（mm）:p360、pp0.843600.0051691.78初取滚珠丝杠:公称直径导程204此时:图5-83传动级数选择曲线机电一体化设计基础按图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M工作台移动速度/传动链效率机械传动效率概略值(供参考)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刀v刀c刀gYbSs效率0.940.970.970.9950.96-0.990.98-0.9950.90-0.95初选效率为0.8。1传递功率=500/0.8=10.4w60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

7、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10.444416/9850.975/、变平稳其中小齿轮转速:V"1000.1100016n=1=m一=444r/min）p492、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0Hlim1=1130MR（淬火处理）大齿轮的接触疲劳强度极限；：H11m2=550MPa安全系数SH和SF安全系数软齿卸硬齿卸重要的

8、传动、渗碳淬火齿轮或铸造齿轮SH1.01.11.11.21.3SF1.31.41.41.61.62.2取安全系数SH=1.1詈=1027.27Hlim2Sh550=500MPa小齿轮的弯曲疲劳强度极限；：F11ml=240MPa大齿轮的弯曲疲劳强度极限c-F11m2=190MPaBSF=1.33、按齿面接触强度设计匕1L、1m1SfFlim2Sf设齿轮按7级精度制造。取载荷系数240184.62MP1.3190146.15MPa1.31.1,齿宽系数Wa=0.3,P92510T=95509550=0.21N*mn416337335KKTi1633511.1乂0.211000a旗u+1h1=1+

9、1j-H1,aU95000316；.9=15.78mm取z,=18；大齿轮齿数：Z2=i。=1618-329模数m=二a=2X15.78=0.63；取标准值m=0.8z1z21832确定中心距a=mz1z2=0；1832=20mm齿宽：b='-aa=0.320=6mm取b2=6mm;b1=10mm4、验算轮齿弯曲强度齿形系数YF1=3.02;YF2=2.182KTYf121.30.2110003.02；=F1=2=14.31MPa”fJ=184.62bm24100.8218；;F2='1*=14.31218=10.33MPaF2046.15Yf13.02校验结果：安全。5、齿轮

10、的圆周速度二dmv二6010003.140.818416=0.31m/s：10m/s601000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:取乙=27；大齿轮齿数:16“_Z2=iz1=27=489中心距:0.82748=30mm齿宽：b='-aa=0.330=9mmBb2=9mm;b1=14mm(四)滚珠丝杠选择1、滚珠丝杠工作长度计算I=1工作台+1行程+1余量X方向丝杠工作长度：lX=100+320+20=440mmX方向丝杠工作载荷：Fx=500NY方向丝杠工作长度：Iy=150+225+20=395mmY方向丝杠工作载荷：Fy=500N令两方向丝杠的工况均为

11、：每天开机6小时；每年300个工作日；工作8年以上。丝杠材料：CrWMn钢；滚道硬度为5862HRC;丝杠传动精度为±0.04mmov"0000.5父1000平均转速n=125r/min(n=125r/min)P42、计算载荷Fc求解Fc=KFKHKAFm=1.11.01.0500N=550N查机电一体化设计基础表2-6;2-7;2-8的Kf=1.1；Kh=1.0;Ka=1.0,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Kf11.21.21.51.52.5表2-7硬度系数滚道实际硬度>5855504540Kh1.01.111.

12、562.43.85表2-8精度系数精度等级C、DE、FGHKa1.01.11.251.433、额定动载荷计算C；计算寿命：Lh=63008=14400hCa=Fc3nmLh.1.67104200144005503N3160N1.67父10J4、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C；的原则，选汉江机床厂出品的2004-2.5,Ca=5393N,其参数如下:D0=20mmp=2.5mm九=3f8'滚珠直径d0=2.381mm滚道半径R=0.52d0=0.52*2.381=1.238mm偏心距e=0.707R_%=0.707m1.2382381=3.3

13、58M10/mm<2J<2丝杠内径d1=D0+2e_2R=(20+2M3.358x10N2x1.238)mm=17.59mm5、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）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：二2EIa(T尸式中，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=206GPa；l为丝杠工作长度（m）;Ia为丝见表2-10。4依题意，1a二旦643.140.017.59464_-94=4.710m取N=2/3,则

14、FXcr二2EIa(T)23.1422061094.710，5=1.11105N<3J3.1422061094.710，2父0.395j<3J=1.38105N安全系数SxFcr1.11105Fm500二222SyFcr1.38105上=276500丝杠是安全的，不会失稳。查表2-10,S=2.53.3。S>S,ncr。要2)高速长丝杠工作时可能发生共振，因此需验算其不会发生共振的最高转速求丝杠的最大转速nmax:二ncrmaxci临界转速ncr(r/min)：=9910fc2d1（明2=99103.92720.017592人,三父0.44I=31242r/min该丝杠工作转

15、速n=125r/min：ncrci3)滚珠丝杠副还受D0n值的限制，通常要求D0n:7104mmr/minD0n=20125=2500二7104所以该丝杠副工作稳定。6、刚度验算10m滚珠丝杠在工作负载F(N)和转矩T(Nm供同作用下引起每个导程的变形量pF_P2TEA2二GJcc1式中，A为丝杠截面积，A=-叼1(m)；Jc为丝杠的极惯性矩，Jc=d1(m)；432G为丝杠切变模量，对钢G=83.3GPa；T(Nm)为转矩。式中，P为摩擦角，其正切函数值为摩擦系数;Fm为平均工作负载。本题取摩擦系数为tanP=0.0025，则P=8'40”。T=5002010，2tan338'

16、;840Nm:0.33Nm按最不利的情况取（其中F=Fm)上2二GJcc4pF二Ed1216p2T二2Gd144410，50016M(4父10,2父0.333.142061090.017592：3.99710$m3.14283.31090.017594则丝杠在工作长度上的弹性变形所引起的导程误差为2L03.99710L=l=0.44-o-m=4.40mp410通常要求丝杠的导程误差AL应小于其传动精度的1/2,即1一一一=-0.04=0.02mm=20-m2L：二上1L该丝杠满足刚度要求。7、效率验算tan,tan(iP)滚珠丝杠副的传动效率”为tan338'96%tan(338

17、9;840)“要求在90%95%之间，所以该丝杠副合格。（五）滚动直线导轨选择1、已知参数滑座上载荷Ft滑座个数M单向行程长度ls每分钟往复次数441N2个440mm4次每天工作一年工作日数寿命6小时300天5年F=mg=459.8=441N2、导轨额定寿命计算Th=63005=900Oh由公式2-10:Ts103Th-2LsnTs-导轨额定行程长度寿命（km）Ls-工作单形成长度（m）n每小时往复次数（次/h）得：Ts=2Th1sn/103=290000.44460/103=1900.8km因滑座数M=2,所以每根导轨上使用1个滑座，由表215-218确定接触系数：fc=0.81c硬度系数：

18、储=1温度系数：fT=1负荷系数：fw=1.5由式2-9:3>37/储fTfcCaTsKIfwFK-寿命系数，一般取50kmF-滑座工作载荷NCa-额定动载荷N得：CaF3Ts/Kfw220.531900.8/501.5：二1373N110.81441220.5N查机械电子工程专业课程设计指导书表3-19,选LY25AL,其基本额定载荷为:2Ca=1740N,能满足使用要求。（六）计算系统转动惯量1、电动机轴上总当量负载转动惯量计算小齿轮转动惯量Jz1二：d4l3二7.8104_一0.01440.010大齿轮转动惯量Jz2323272=3.2910kg*m丝杠转动惯量J二7d4134二7

19、.8100.02560.0063232_4_3_4-二:dl二7.8100.01850.44s3232=1.9710-6kg*m2_5_2=3.9510kg*m将各传动件转动惯量及工作台质量折算到电动机轴上，得总当量负载转动惯量:Jd=Jz1Jz2Js；i-P7.61=3.29101.97100.004”2162nx9)45=6.7310"kg，m22、惯量匹配验算一一一上Jd6.7310Jm1.764104=0.381j.满足1EJdE1的要求，惯量匹配比较合理。4Jm3、步进电动机负载能力校验(1)步进电动机轴上的总惯量J=JmJd=1.76410)6.7310*=2.4410,

20、kg.m2(2)空载启动时，电动机轴上的惯性转矩c16max2&ivmaxlj=J；-J=J.：tpLt2丁11=2.441093=0.045Nm0.004251060(3)电动机轴上的当量摩擦转矩TiFi=-mgJ=0004459.80.2=0.04Nm2二i-2二i2二0.8"9其中伺服进给传动链的总效率取为=0.8(4)设滚动丝杠螺母副的预紧力为最大轴向载荷的1/3,则因预紧力而引起的折算到电动机轴上的附加摩擦转矩为T0=PF01-；=PFwmax1_2=0.0045001-0.92=0.014N2M2,32hx08x1639(5)工作台上的最大轴向载荷折算到电动机轴上

21、的负载转矩为_p_0.004一Tw=Fwmax=至500=0.18Nm2。162i2二0.8-9(6)空载启动时电动机轴上的总负载转矩为Tq二TjTT0=0.0450.040.014-0.099Nm(7)在最大工作载荷下电动机轴上的总负载转矩为T1=TwTjT0=0.180.040.014=0.234Nm(8)按表5-5查得空载启动时所需电动机最大静转矩为Tq0.8090.0990.809=0.12Nm(9)按式5-39可求得在最大外载荷下工作时所需要电动机最大静转矩为Ts2=Ti（0.30.5）0.234（0.30.5）=0.4680.78Nm结论:所选步进电动机启动转矩Ts=1.96N，m

22、远大于所需要的启动转矩Ts1,因此选择的步进电机的功能不能充分发挥。(为提高经济性，可重新选择。)4、系统刚度计算(1)按表5-8所列公式可求得丝杠最大、最小拉压刚度为KLmax：d2E4lmin二0.018522.11011C“8=9.410N/m40.060KLmin二0.018522.110118=1.510N/m4lmax40.38(2)假定丝杠轴向支承轴承经过预紧并忽略轴承座和螺母座刚度的影响，按表5-9所列公式可求得丝杠螺母机构的综合拉压刚度1K0min2KBKLmin外111a889=1.0210mN21.96101.5101.0210K0min=9.8107NmK0max12K

23、b11+KLmaxKn121.961081+9.41081+1.02109=0.37310“mNK0max=2.68108Nm0max(3)按式5-45可计算出丝杠最低扭转刚度为4_4_10KTmin=2450Nm/rad二dG二二0.01858.11032lmax-320.385、固有频率计算(1)丝杠质量为12-123ms二一二dL：二一二0.01850.4407.8100.92kg44(2)丝杠-工作台纵振系统的最低固有频率为K0min1m+ms39.8101470.7rad/s1450.9235Jsd=Ji=2.44102161.八_5.2一=7.71乂10kg.m<9；9（3）

24、折算到丝杠轴上系统的总当量转动惯量为（4）如果忽略电动机轴及减速器中的扭转变形，则系统的最低扭振固有频率为'ntTminJsd24507.7110=5637.1rad/s。nc与。nt均较高，说明系统动态特性好。ncn6、死区误差计算设齿轮传动和丝杠螺母机构分别采取了消隙和预紧措施，则按式（5-59）可求得由摩擦力引起的最大反向死区误差为：mmax2mg310K0min2459.80.237-10=0.0018mm9.8107max<脉冲当量，因此系统能满足单脉冲进给。7、由系统的刚度变化引起的定位误差计算按式（5-60）可求得由丝杠螺母机构综合拉压刚度的变化所引起的最大定位误差

25、。K0minK0maxM103二mgK0minK0max父103_3_10=0.00057mm=459.80.2-|X19.8父1072.68父108J由于系统要求的定位精度为00.04mm,即允许定位误差为0=0.08mm1_.6Kmax=0.00057<-d=0.016mm因而，系统刚度满足te位精度要求。5三、控制系统设计（一）微处理器的选择根据设计要求，系统控制的主要功能是对步进电机的脉冲频率及其分配的控制。同时在实现这一主功能的基础上，附带若干协助功能，如显示、预置、时间、键盘等。结论：1、系统对内存要求不高。2、系统处理的运算不是很复杂，对CPU的计算速度要求不高。3、为扩展

26、键盘、显示、掉电保护等功能，要求系统提供较多的线和完善的中断系统。考虑到上面的原因，这里可以采用市面供应充分，性能价格比较好的AT89C52作为系统的微处理器。其参数见下表：AT89C52参数表型号ROM串行口晶振频率封装RAM说明AT89C528KUARK12MHz40DIP256与intel80C32兼容p0039AD0CPUi1p07iAD7p2732p26WRp25RDD0118255D7csA1WRA2RD（二）系统扩展系统中采用键盘实现输入，并采用LED显示器，它们均需要占用较多芯片口线，所以该系统是需要进行系统扩展的。可编程并行接口8255A是一种应用广泛的并行接口扩展器件。它具有三个8位并行口PA、PB、PC由此提供了24条口线。图3-1扩展连线图3-2单键接线图（三）键盘连接键盘采用机械式按键组成。它属于常开类型,的接线，当键K按下时P口电位拉低。相反，一直保持高电位。其中电路中电阻起限流作用，大的电流烧毁。键盘采用软件消抖。（四）时钟