机电一体化习题及全解

..例2—1试设计一数控铣床工作台进给用滚珠丝杠副。已知平均工作载荷Fm＝3800N,丝杠工作长度l＝1.2m,平均转速nm=l00r/min,最大转速nmax＝10000r／min,使用寿命Lh’=15000h左右,丝杠材料为CrWMn钢,滚道硬度为58～62HRC,传动精度要求σ＝±0.03mm。解：〔1求计算载荷FC查表2-4决定选D级精度丝杠,查表2-6、2-7、2-8,取KF=1.2,KH=1.0,KA=1.0〔2计算额定动载荷〔3初选丝杠FC1-5006-3Ca=21379NFC1-5008-2.5Ca=22556NFC1-4005-5Ca=21183N考虑各种因素选用FC1-5006-3,由表2-9得D0=50mm,P=6mm,d0=3.969mm,λ=2,R=<0.52~0.58>d0=0.52×3.969=2.067mm<取0.52>,e=0.707<R-0.5d0>=0.056mm3此外滚珠丝杠副还受D0n值的限制,通常要求D0n<7×104mmD0n=50×100mm·r/min=5×103mm·r/min<7×10所以该丝杠副工作稳定。〔5刚度校验其中截面积极惯性矩转矩取最不利的情况所以该丝杠刚度满足要求。效率校验η要求在90%~95%之间。所以该丝杠效率满足要求。经验证FC1-5006-3型丝杠可满足要求。习题2-7试设计某数控机床工作台进给用滚珠丝杠副。已知平均工作载荷Fm=4000N,丝杠工作长度l=2m,平均转速=120r/min,每天开机6小时,每年300个工作日,要求工作8年以上,丝杠材料为CrWMn钢,滚道硬度为58~62HRC,丝杠传动精度为±0.04mm.解法一：设滚珠丝杠副采用采用一端固定一端游动方式,〔1求计算载荷FC查表2-4决定选D级精度丝杠,查表2-6、2-7、2-8,取KF=1.2,KH=1.0,KA=1.0〔2计算额定动载荷〔3初选丝杠FC1-5008-2.5Ca=22556NFC1-6308-3Ca=29715N考虑各种因素选用FC1-6308-3,由表2-9得D0=63mm,P=8mm,d0=4.763mm,λ=2°19′,R=<0.52~0.58>d0=2.477mm<取0.52>,e=0.707<R-0.5d0>=0.0675mm,d1=D0+2e-2R=58.18mm<4>校验稳定性校验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>。临界载荷Fcr<N>计算：查表2—10,μ=2/3,fc=3.937,,[s]：2.5～3.3。丝杠是安全的,不会失稳。高速长丝杠工作时可能发生共振,因此要求最高转速小于临界转速本题未已知最高转速,所以需计算出临界转速以决定运行的最高转速所以运行的最高转速应低于5000r/min.D0n=63×120mm·r/min=7560mm·r/min<7×104mm所以该丝杠副工作稳定。刚度校验其中截面积极惯性矩转矩取最不利的情况所以该丝杠刚度满足要求。效率校验η要求在90%~95%之间。所以该丝杠效率满足要求。经验证FC1-6308-3型丝杠可满足要求。解法二：设滚珠丝杠副采用采用两端固定方式,〔1求计算载荷FC查表2-4决定选D级精度丝杠,查表2-6、2-7、2-8,取KF=1.2,KH=1.0,KA=1.0〔2计算额定动载荷〔3初选丝杠FC1-5008-2.5Ca=22556NFC1-6308-3Ca=29715N考虑各种因素选用FC1-6308-3,由表2-9得D0=63mm,P=8mm,d0=4.763mm,λ=2°19′,R=<0.52~0.58>d0=2.477mm<取0.52>,e=0.707<R-0.5d0>=0.0675mm,d1=D0+2e-2R=58.18mm<4>校验由于采用两端固定形式,所以稳定性不需要校验,只需要进行刚度和效率校验。刚度校验其中截面积极惯性矩转矩取最不利的情况所以该丝杠刚度满足要求。效率校验η要求在90%~95%之间。所以该丝杠效率满足要求。经验证FC1-6308-3型丝杠可满足要求。习题2-9请根据以下条件选择HJG-D系列滚动直线导轨。作用在滑座上的总载荷=18000N,滑座数M=4,单向行程长度ls=0.8m,每分钟往返次数为3,工作温度不超过120℃,工作速度为40m/min,工作时间要求10000h以上,滚道表面硬度为60HRC。解：Th=10000h∵∴∵T≤120℃∴查表2—15选取fT=0.9,表2—16选取fC=0.81,表2—17选取fw=2,表2—18选取fH=1.0∴Ca=47678.5N选HJG-D55其Ca=60700N>47678.5N,可满足要求。例3-2：在一个8031应用系统中,要求通过一片8155扩展4位LED显示器和4位BCD码拨盘。画出接口电路。说明当千位LED显示器和BCD码拨盘数字为"2"时8155的PA、PB、PC口的信息,并指明哪个是输出口,哪个是输入口；说明8155的哪个口完成字型控制,哪个口完成字位控制。解：接口电路可以采用如图所示设计。PA7~PA0=a~gDP=11011010,PB3~PB0=1000,PC3~PC0=0010PA、PB为输出口,PC为输入口PA口完成字型控制,PB口完成字位控制。习题3-13在一机电一体化产品中,8031通过P1口扩展了一个4×4键盘,画出接口逻辑电路。解：接口逻辑电路如图所示。习题3—14在一机电一体化产品中,采用8031做控制微机,要求通过其串行口扩展74LSl64,控制6位LED显示器,试画出接口逻辑。解：接口逻辑电路如图所示。5习题3—16在一机电一体化产品中,采用差动变压器进行位移测量,对应0～10mm量程,传感器输出为0～5V。要求测量精度为0.1mm,采样频率为100次／s,试进行A／D接口设计。解：习题分析,对应0～10mm量程,要求测量精度为0.1mm,则选择的A／D转换器的转换精度即转换误差应小于1%〔0.1/10=0.01=1%；采样频率为100次／s,则要求A／D转换器的转换速度大于100次／s。所以应该选择ADC0809。则接口电路如图所示。习题5-16某开环控制的数控车床纵向进给传动链如图所示。已知工作台质量为80kg,工作时在垂直方向和纵向走刀方向所受的最大切削力分别为FZ=1520N和FX=760N,快速空载启动的时间常数为25ms,导轨摩擦系数为0.15；滚动丝杠导程p=6mm,直径d=32mm,总长度L=1400mm；步进电机步距角α=0.75º,最大静转矩为10Nm,转子转动惯量Jm=1.8×10-3kgm2。要求系统脉冲当量为0.01mm,工作台最大快进速度为2m/min,定位精度±0.015mm。试对该伺服进给系统进行惯量匹配验算和负载能力校验。解：减速器传动比计算转动惯量计算采用一级传动,齿轮齿数分别为：Z1=20,,Z2=25,模数m=2mm,齿宽b=20mm丝杠转动惯量为步进电机轴上总当量转动惯量为惯量匹配验算：惯量匹配符合要求转矩计算,负载能力校验其中空载启动时电动机轴上的总负载转矩为：最大外载荷下工作时,电动机轴上的总负载转矩为：设电动机为五相步进电机,取系数为0.809由于TS=10Nm,显然所以步进电动机可以不失步正常启