1、本科生專業(yè)課程設(shè)計(jì)學(xué)生姓名:學(xué)號(hào)：專業(yè)名稱:班級(jí)：指導(dǎo)教師:2014年5月目錄任務(wù)書(shū)錯(cuò)誤！未定義書(shū)簽。二、總體方案的確定錯(cuò)誤!未定義書(shū)簽。三、機(jī)械傳動(dòng)部件的計(jì)算與選型錯(cuò)誤！未定義書(shū)簽四、工作臺(tái)機(jī)械裝配圖的繪制錯(cuò)誤！未定義書(shū)簽五、工作臺(tái)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)錯(cuò)誤！未定義書(shū)簽。參考文獻(xiàn)錯(cuò)誤!未定義書(shū)簽。附件1錯(cuò)誤!未定義書(shū)簽。附件2錯(cuò)誤!未定義書(shū)簽。附件3錯(cuò)誤!未定義書(shū)簽。附件4錯(cuò)誤!未定義書(shū)簽。任務(wù)書(shū)設(shè)計(jì)題目：X-Y數(shù)控工作臺(tái)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)任務(wù)：設(shè)計(jì)一臺(tái)微機(jī)控制XY兩坐標(biāo)工作臺(tái)，供立式數(shù)控銳床使用。具體內(nèi)容如下：機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)：通過(guò)計(jì)算，正確選擇傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、導(dǎo)向機(jī)構(gòu)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)等，根據(jù)計(jì)算說(shuō)明，繪

2、制機(jī)械系統(tǒng)裝配圖。控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)：根據(jù)系統(tǒng)要求，選擇正確的控制策略，設(shè)計(jì)合理的控制系統(tǒng)，并繪制控制系統(tǒng)電路圖。主要程序設(shè)計(jì)：在機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)與控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行控制系統(tǒng)的主程序設(shè)計(jì)，列出程序清單。設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)撰寫(xiě)。系統(tǒng)主要參數(shù)：立銳刀最大直徑d=20mm立銳刀齒數(shù)Z=3最大銳削寬度ae20mm最大背吃刀量ap10mm加工材料為碳素鋼或有色金屬X,丫方向的脈沖當(dāng)量xy0.01mm/pX,Y方向的定位精度均為士工作臺(tái)面尺寸為400mmx500mm（我們這個(gè)長(zhǎng)度400以下），加工范圍為200mmx200mm工作臺(tái)空載最快移動(dòng)速度Vxmaxvymax5000mm/min工作臺(tái)進(jìn)給最快移動(dòng)速度vfxm

3、axIVymaxf350mm/min時(shí)間安排及任務(wù)：一、系統(tǒng)功能介紹、總體方案設(shè)計(jì)（1天）機(jī)電一體化產(chǎn)品設(shè)計(jì)的基本過(guò)程介紹；2.XY工作臺(tái)功能介紹；3.總體方案的確定二、單元功能模塊介紹和設(shè)計(jì)任務(wù)的落實(shí)（1天）三、詳細(xì)設(shè)計(jì)（8天）1.機(jī)械系統(tǒng)裝配圖設(shè)計(jì)；2.控制各部分原理圖的設(shè)計(jì)；3.主功能程序的編制、總體方案的確定1、機(jī)械傳動(dòng)部件的選擇(1)導(dǎo)軌副的選用要設(shè)計(jì)的X-Y工作臺(tái)是用來(lái)配套輕型的立式數(shù)控銖床，需要承載的載荷不大，但脈沖當(dāng)量小(xy0.01mm/p),定位精度高(VxmaxfVymaxf350mm/min),因此，決定選用直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副，它具有摩擦系數(shù)小、不易爬行、傳動(dòng)效率高、結(jié)構(gòu)緊

4、湊、安裝預(yù)緊方便等優(yōu)點(diǎn)(2)絲杠螺母副的選用伺服電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)需要通過(guò)絲杠螺母副轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動(dòng)，要滿足的脈沖當(dāng)量和士的定位精度，滑動(dòng)絲杠副無(wú)能為力，只有選用滾珠絲杠副才能達(dá)到。滾珠絲杠副的傳動(dòng)精度高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、壽命長(zhǎng)、效率高、預(yù)緊后可消除反向間隙，而且滾珠絲杠已經(jīng)系列化，選用非常方便，有利于提高開(kāi)發(fā)效率。選直線滾動(dòng)導(dǎo)軌選滾動(dòng)絲杠螺母副(3)減速裝置的選用選擇了步進(jìn)電動(dòng)機(jī)和滾珠絲杠副以后，為了圓整脈沖當(dāng)量，放大電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩，降低運(yùn)動(dòng)部件折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，可能需要減速裝置，且應(yīng)有消除間隙機(jī)構(gòu)。為此，系統(tǒng)中決定采用無(wú)間隙齒輪傳動(dòng)減速箱。(4)伺服電動(dòng)機(jī)的選用任務(wù)書(shū)規(guī)定的

5、脈沖當(dāng)量尚未達(dá)到，定位精度也未達(dá)到微米級(jí)，空載最快移動(dòng)速度也只有2000mm/min。因此，本設(shè)計(jì)不必采用高檔次的伺服電動(dòng)機(jī)，如交流伺服電動(dòng)機(jī)或直流伺服電動(dòng)機(jī)等，可以選用性能好一些的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，如混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，以降低成本，提高性價(jià)比。擬米用減速器伺服電機(jī)選步進(jìn)電機(jī)(5)檢測(cè)裝置的選用選用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)作為伺服電動(dòng)機(jī)后，可選開(kāi)環(huán)控制，也可選閉環(huán)控制。任務(wù)書(shū)所給精度對(duì)于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)還是偏高的，為了確保電動(dòng)機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中不受切削負(fù)載和電網(wǎng)的影響而失步，決定采用半閉環(huán)控制，并在電動(dòng)機(jī)的尾部轉(zhuǎn)軸上安裝增量式旋轉(zhuǎn)編碼器，用以檢測(cè)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)角與轉(zhuǎn)速。增量式旋轉(zhuǎn)編碼器的分辨率應(yīng)與步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角相匹配。考

6、慮到X、Y兩個(gè)方向的加工范圍相同，承受的工作載荷相差不大，為了減少設(shè)計(jì)工作量，兩個(gè)坐標(biāo)的導(dǎo)軌副、絲杠螺母副、減速裝置、伺服電動(dòng)機(jī)，以及檢測(cè)裝置擬采用相同的型號(hào)與規(guī)格。檢測(cè)裝置的選用：增量式旋轉(zhuǎn)X、Y編碼器2、控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)(1)設(shè)計(jì)的X-Y工作臺(tái)準(zhǔn)備用在數(shù)控銳床上，其控制系統(tǒng)應(yīng)該具有單坐標(biāo)定位、與圓弧插補(bǔ)的基本功能，所以控制系統(tǒng)應(yīng)該設(shè)計(jì)成連續(xù)控制型。兩坐標(biāo)直線插補(bǔ)連續(xù)控制型(2)對(duì)于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的半閉環(huán)控制，選用CPU,應(yīng)該能夠滿足任務(wù)書(shū)給定的相關(guān)指標(biāo)。MCS-51系列的8位單片機(jī)AT89S52作為控制系統(tǒng)的單片機(jī)選：AT89S52需要電路擴(kuò)展自行設(shè)計(jì)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電源人機(jī)接口驅(qū)動(dòng)電路系統(tǒng)總體方案

7、圖(3)要設(shè)計(jì)一臺(tái)完整的控制系統(tǒng)，在選擇CPU之后，還需要擴(kuò)展程序存貯器、數(shù)據(jù)存貯器、鍵盤(pán)與顯示電路、I/O接口電路、D/A轉(zhuǎn)換電路、串行接口電路等。(4)選擇合適的驅(qū)動(dòng)電源，與步進(jìn)電動(dòng)機(jī)配套使用，我們將自行設(shè)計(jì)。三、機(jī)械傳動(dòng)部件的計(jì)算與選型1、導(dǎo)軌上移動(dòng)部件的重量估算G=900N按照下導(dǎo)軌上面移動(dòng)部件的重量來(lái)進(jìn)行估算。包括工件、夾具、工作平臺(tái)、上層電動(dòng)機(jī)、減速箱、滾珠絲杠副、直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副、導(dǎo)軌座等，估計(jì)重量約為900No2、銖削力的計(jì)算設(shè)零件的加工方式為立式銳削，采用硬質(zhì)合金立銳刀，工件的材料為碳鋼。則由表2-1查得立銳時(shí)的銖削力計(jì)算公式為：表2-1硬質(zhì)合金銳刀銳削力的計(jì)算公式(單位N)3

8、16鐵刀類型工件材料銖削力公式面銳刀碳鋼F11278a；06f88d1.3a*90n0.18Zcezp灰鑄鐵lf八1.0工0.74,1.00.90Fc539aefzdapZ可鍛鑄鐵L4CCL1.110.75】1.31.00.20-7Fc4825aefzdanZcezp圓柱鐵刀碳鋼L0.8810.75】0.871.0-,Fc1000aefzda。Zcezp灰鑄鐵LLCC0.90.80J0.901.0rFc596aefzdaDZcezp三面刃銳刀LC80.9q0.80j1.11.10.1-7Fc2560aefzda。nZcezp兩面力銳刀碳鋼LC50.8£0.701.10.85Fc274

9、6aefzdapZ立銖刀F118a°.85f0.75d0.73/.0門(mén)0.13ZFc118a。fzda?nz期中：ap為背吃刀量mm；ae為側(cè)吃刀量mm；fz為每齒進(jìn)給量mm/Z；vf進(jìn)給速度mm/min；Z鐵刀齒數(shù);d銳刀直徑mm；n銳刀轉(zhuǎn)速r/min，見(jiàn)圖2-1。(2-1)0.850.750.731.00.13-,F118apf7dannZcezpA)b)圖2-1銳削用量說(shuō)明若鐵刀直徑d=15mm，齒數(shù)Z=3,為了計(jì)算最大銖削力，在不對(duì)稱銖削情況下，取最大銖削寬度ae=15mm，背吃刀量ap=8,每齒進(jìn)給量fz=Z；銳刀轉(zhuǎn)速n=300r/min。則由公式2-1求得最大銳削Fc11

10、8200.850.10.75200.7381.03000.1331893N采用立鐵刀進(jìn)行圓柱銖削時(shí)，各銖削力之間的比值可由表2-2表2-2各銖削力之間比值銖削條件比值對(duì)稱銖削不對(duì)稱銖削逆銖順銖端銖削ae=d/mmfz=/)Ff/FcFe/FcFfn/Fc圓柱銖削ae=d/mmfz=/)Ff/FcFfn/FcFe/Fc圖2-3順銖與逆銖由表2-2，圖2-2和圖2-3,考慮逆銳情況，可估算出三個(gè)方向的銳削力分別為：Ff1.1Fc2082NcFe0.38Fc719NFfn0.25Fc473N圖2-3a為臥銳情況，現(xiàn)考慮立銳，貝U工作臺(tái)受到垂直方向的銳削力F=Fe=719N,受到水平方向的銳削力分別為

11、Ff和Ffn。今將水平方向較大的銳削力分配給工作臺(tái)的縱向(絲杠軸線方向)，則縱向銳削力Fx=Ff=2082N，徑向銳削力Fy=Ffn=473N。卮=719N&=2082NR=473N3、直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副的計(jì)算與選型(1)滑塊承受工作載荷Fmax的計(jì)算及導(dǎo)軌型號(hào)的選取工作載荷是影響直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副使用壽命的重要因素。X-Y工作臺(tái)米用水平布置，利用雙導(dǎo)軌、四滑塊的支承形式。考慮最不利的情況，即垂直于臺(tái)面的工作載荷全部由一個(gè)滑塊承擔(dān)，貝U單滑塊所受的最大垂直方向載荷為：1-GFmaxF(2-2)4其中，移動(dòng)部件重量G=900N,外加載荷F=Fz=719N，代入式2-2得最大工作載荷導(dǎo)軌副的型號(hào):

12、ZL系列的JSA-LG4理導(dǎo)軌長(zhǎng)度為750mmG900FmaxF一7191169N1.169kN44查表3-41'3】48,根據(jù)工作載荷Fmax=,初選直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副的型號(hào)為ZL系列的JSA-LG45型，其額定動(dòng)載荷Ca=,額定靜載荷C0a=o任務(wù)書(shū)規(guī)正工作臺(tái)面尺寸為400mmx500mm，加工氾圍為200mmx200mm,考慮工作仃程應(yīng)留有一定余量，查表3-35345,按標(biāo)準(zhǔn)系列，選取導(dǎo)軌長(zhǎng)度為750mm.表3-35JSA型導(dǎo)軌長(zhǎng)度系列導(dǎo)軌型號(hào)導(dǎo)軌長(zhǎng)度系JSA-LG15280340400460520580640700760820940JSA-LG2034040052058064076

13、0820940100011201240JSA-LG2546064080010001240136014801600184019603000JSA-LG3552060084010001080124014801720220024403000JSA-LG4555065750850950125014501850205025503000JSA-LG5566078090010201260138015001980222027003000JSA-LG65820970112012701420157017202020232027703000(2)距離額定壽命L的計(jì)算上述選取的ZL系列JSA-LG45型導(dǎo)軌副的滾道硬

14、度為60HRC,工作溫度不超過(guò)100C,每根導(dǎo)軌上配有兩只滑塊，精度為4級(jí)，工作速度較低，載荷不大。查表表2-4硬度系數(shù)距離壽命為180km遠(yuǎn)大于期望值50km,故距離額定壽命滿足要求滾道硬度(HR。50555864fH表2-5溫度系數(shù)工作溫度/c<100100150150200200250fT表2-6接觸系數(shù)每根導(dǎo)軌上滑塊數(shù)12345fC表2-7精度系數(shù)精度等級(jí)2345fR1.表2-8載荷系數(shù)工況無(wú)外部沖擊或震動(dòng)的低速場(chǎng)合，速度小于15m/min無(wú)明顯沖擊或振動(dòng)的中速場(chǎng)合，速度為1560m/min有外部沖擊或振動(dòng)的高速場(chǎng)合，速度大于60m/minfW122分別取硬度系數(shù)fH=、溫度系數(shù)

15、fT=、接觸系數(shù)fC=、精度系數(shù)fR=、載荷系數(shù)fW=，代入式2-3'3】46,得所選絲杠的距離壽命為180km。3IfHfTfCfRCa亡八/cc、L50(2-3)fWFmax31.01.000.810.942.5E“5：即L502.7610km1.51.169結(jié)論：所選導(dǎo)軌的距離壽命遠(yuǎn)大于期望值50km,故距離額定壽命滿足要求。4、滾珠絲杠螺母副的計(jì)算與選型（1）最大工作載荷Fm的計(jì)算在立銳時(shí)，工作臺(tái)受到進(jìn)給方向的載荷（與絲杠軸線平行）Fx=2082N,受到橫向的載荷（與絲杠軸線垂直）Fy=473N，受到垂直方向的載荷（與工作臺(tái)面垂直）Fz=719N。已知移動(dòng)部件總重量G=900N

16、,按矩形導(dǎo)軌進(jìn)行計(jì)算，查表2-91*38,表2-9最大工作載荷Fm實(shí)驗(yàn)計(jì)算公式及參考系數(shù)最大工作載荷：Fm2301N導(dǎo)軌類型實(shí)驗(yàn)公式K1矩形導(dǎo)軌FmKFx(FzFyG)燕尾導(dǎo)軌FmKFx(Fz2FyG)三角形或綜合導(dǎo)軌FmKF、(FzG)0.8注：表中摩擦因數(shù)仕均為滑動(dòng)導(dǎo)軌。對(duì)于貼塑導(dǎo)軌n=，滾動(dòng)導(dǎo)軌11=。表中，F(xiàn)x為進(jìn)給方向載荷，F(xiàn)y為橫向載荷，F(xiàn)z為垂直載荷，單位均為N;G為移動(dòng)部件總重力，單位為N;K為顛覆力矩影響系數(shù)；n為導(dǎo)軌的摩擦系數(shù)。取移動(dòng)部件總重量G=900N，按矩形導(dǎo)軌進(jìn)行計(jì)算，查表2-9,取顛覆力矩影響系數(shù)K=,滾動(dòng)導(dǎo)軌上的摩擦因素11=。求得滾珠絲杠副的最大工作載荷：、F

17、mKFx（FzFyG）1.120820.0057194739002301N（2）最大動(dòng)載荷Fq的計(jì)算設(shè)工作臺(tái)在承受最大銳削力時(shí)的最快進(jìn)給速度v=350mm/min，初選絲杠導(dǎo)程Ph=5mm,則此時(shí)絲杠轉(zhuǎn)速n=v/Ph=70r/min。取滾珠絲杠的使用壽命T=15000h,代入比=60nT/106,得絲杠壽命系數(shù)Lo=63（單位為：106r）。查表2-10'3：139,取載荷系數(shù)fW=，滾道硬度為60HRC時(shí)，取硬度系數(shù)fH=,代入式2-4'3,38FqP'L0fWfHFm（2-4）即：FqV631.21.023019698N式中：Lo滾珠絲杠副的壽命，單位（106r）。

18、L0=60nT/106,（其中T為使用壽命，普通機(jī)械取T=500010000h,數(shù)控機(jī)床及一般機(jī)電設(shè)備取T=15000h;n為絲杠每分鐘轉(zhuǎn)速）；fW載荷系數(shù)，由表2-10查得。fH硬度系數(shù)（A58HRC時(shí)，取；等于55HRC時(shí)，取；等于時(shí)，取；等于50HRC時(shí)，取；等于45HRC時(shí)，取）；Fm滾珠絲杠副的最大工作載荷，單位為No表2-10滾珠絲杠載荷系數(shù)最大動(dòng)載荷FQ=9698N運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)載荷系數(shù)fW平穩(wěn)或輕度沖擊中等沖擊較大沖擊或振動(dòng)(3)初選型號(hào)根據(jù)計(jì)算出的最大動(dòng)載荷和初選的絲杠導(dǎo)程，查附件3表3-3139,選擇濟(jì)寧博特精密絲杠制造有限公司生產(chǎn)的GD系列2505-4型滾珠絲杠副，為內(nèi)循環(huán)固定

19、反向器單螺母式，其公稱直徑為25mm，導(dǎo)程為5mm，循環(huán)滾珠為4圈X2列，精度等級(jí)取5級(jí)，額定動(dòng)載荷為11921N,大于FQ,滿足要求。GD系列2505-4型滾珠絲杠副(4)傳動(dòng)效率Y的計(jì)算將公稱直徑do=25mm，導(dǎo)程Ph=5mm，代入arctanPh/(d0),得絲杠螺旋升角338。將摩擦角10,代入tan/tan，得傳動(dòng)效率95.9%。效率要求大于90%,該絲杠副合格。95.9%>90%,合格。(5)剛度的驗(yàn)算1)X-Y工作臺(tái)上下兩層滾珠絲杠副的支承均米用“單推-單推”的方式。絲杠的兩端各米用一對(duì)推力角接觸球軸承，面對(duì)面組配，左、右支承的中心距離約為a=550mm;鋼的彈性模量E=

20、x105MPa；查附件3,得滾珠直徑Dw=，絲杠底徑d2=，絲杠截面積Sd；/4352.8mm2。絲杠的拉伸或壓縮變形量a1在總變形量中的比重較大，可按下式計(jì)算：BMi"411(2-5)ES2IE式中：Fm絲杠的最大工作載荷，單位為Na絲杠兩端支承間的距離，單位為mmE絲杠材料的彈性模量，鋼的E=x105MPaS絲杠按底徑d2確定的截面積，單位為mm2M轉(zhuǎn)矩，單位為N-mm4,I絲杠按底徑d2確定的截面積慣性矩(Id2/64)，單位為mm4滾珠與螺紋滾道間的接粗變形量a22無(wú)預(yù)緊時(shí)20.0038-(2-6嚴(yán)D10Z有預(yù)緊時(shí)20.0013=m2(2-7)341式中Dw滾珠直徑，mmZe

21、滾珠總數(shù)量，ZE=Zx圈數(shù)x列數(shù)Z單圈滾珠數(shù)，Zd°/Dw(外循環(huán))，Zd°/Dw3(內(nèi)循環(huán))Fyj預(yù)緊力，單位N忽略式2-5中的第二項(xiàng)，算得絲杠在工作載荷Fm作用下產(chǎn)生的拉/壓變形量=凱Fma2301550八即1ma0.0171mmES2.1105352.82)根據(jù)公式Zd0/Dw3,求得單圈滾珠數(shù)Z=22;該型號(hào)絲杠為單螺母，滾珠的圈數(shù)X列數(shù)為4X2,代入公式：Zz=ZX圈數(shù)X列數(shù)，得滾珠總數(shù)量L=176。絲杠預(yù)緊時(shí)，取軸向預(yù)緊力Fy戶Fm/3=767N。則由式2-7，滾珠與螺紋滾道間的接觸變形量a2F-230120.0013m0.00130.0015mm10pDwFY

22、JZ2/1010守3.1757671762/10因?yàn)榻z杠加有預(yù)緊力，且為軸向負(fù)載的1/3，所以實(shí)際變形量可減小一半，a2=03)將以上算出的a1和a2代入總120.01710.00050.0176mm17.6m。絲杠的有效行程為400mm，由表3-27'*35知，5級(jí)精度滾珠絲杠有效行程在315400mm時(shí)，行程偏差允許達(dá)到25卬m,可見(jiàn)絲杠剛度足夠。絲杠剛度足夠(6)壓桿穩(wěn)定性校核滾珠絲杠是屬于受軸向力的細(xì)長(zhǎng)桿，如果軸向負(fù)載過(guò)大，則可能產(chǎn)生失穩(wěn)現(xiàn)象。失穩(wěn)時(shí)的臨界載荷Fk應(yīng)滿足：1fkEL3】42Fk“2Fm(2-8)342Ka式中Fk臨界載荷，單位Nfk絲杠支承系數(shù)，如表所示K壓桿穩(wěn)

23、定安全系數(shù)，一般取4,垂直安裝時(shí)取小值；A滾珠絲杠兩端支承間的距離，單位為mm。表2-11絲杠支承系數(shù)13,42絲杠不會(huì)失穩(wěn)方式雙推-自由雙推-簡(jiǎn)支雙推-雙推單推-單推fk241查表2-11，取fk=1；由絲杠底徑d2=,求得截面慣性矩：4_4一一Id/649910.44mm；壓桿穩(wěn)定系數(shù)K取3(絲杠臥式水平安裝)；滾動(dòng)螺母至軸向固定處的距離a取最大值550mm。代入式2-8，得臨界載荷Fl22611N,遠(yuǎn)大于工作載荷Fm=2301N,故絲杠不會(huì)失穩(wěn)。綜上所述，初選的滾珠絲杠副滿足使用要求。綜上所述，初選的滾珠絲杠副滿足使用要求5、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)減速箱的選用杠的導(dǎo)程Ph=5mm,初選步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步

24、距角為了滿足脈沖當(dāng)量的設(shè)計(jì)要求，增大步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩，同時(shí)也為了使?jié)L珠絲杠和工作臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量折算到電動(dòng)機(jī)軸上盡可能小，決定在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的輸出軸上安裝一套齒輪減速箱。采用一級(jí)減速，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的輸出軸與小齒輪聯(lián)接，滾珠絲杠的軸頭與大齒輪聯(lián)接。其中大齒輪設(shè)計(jì)成雙片結(jié)構(gòu)，采用右圖所示的彈簧錯(cuò)齒法消除側(cè)隙。已知工作臺(tái)的脈沖當(dāng)量a=p,滾珠絲計(jì)算減速器傳動(dòng)比Ph0.75553603600.014步進(jìn)電機(jī)步距角p絲杠導(dǎo)程mmp工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)的脈沖當(dāng)量pmm=°,算得減速比:5-33傳動(dòng)罪數(shù)選擇曲紋機(jī)電一體化設(shè)計(jì)基礎(chǔ)按圖5-33,選一級(jí)齒輪傳動(dòng)齒輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)傳遞功率工作臺(tái)進(jìn)給抗力工作臺(tái)移動(dòng)速度/傳動(dòng)鏈

25、效率機(jī)械傳動(dòng)效率概略值（供參考）類型V帶傳動(dòng)聯(lián)軸器傳動(dòng)圓柱齒輪傳動(dòng)一對(duì)滾動(dòng)軸承絲杠螺母副符號(hào)Yv門(mén)cTgYb門(mén)s效率初選效率為傳遞功率1200-/0.987.14w1200其中nV工作臺(tái)1000i350587.5r/min54傳遞功率:可見(jiàn)，系統(tǒng)傳遞的功率很小，在要求不高時(shí)，以后各步的計(jì)算可省略。并采用經(jīng)驗(yàn)法來(lái)設(shè)計(jì)各元部件。但為練習(xí)計(jì)算過(guò)程，本次設(shè)計(jì)采用分析計(jì)算來(lái)設(shè)計(jì)。傳遞功率（w）小齒輪轉(zhuǎn)速n1（r/min）傳動(dòng)比一天運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間（h）工作壽命（年）傳動(dòng)效率轉(zhuǎn)向工況87.55/485不變平穩(wěn)齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的基本參數(shù)小齒輪轉(zhuǎn)速:選擇材料及確定許用應(yīng)力小齒輪材料選擇45鋼（表面淬火），大齒輪材料為45

26、鋼（調(diào)質(zhì)）硬度為45HRC硬度為220HBS小齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限Hliml1130MPa（淬火處理）大齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限Hlim2550MPa安全系數(shù)SH和SF安全系數(shù)軟齒面硬囚面重要的傳動(dòng)、滲碳淬火齒輪或鑄造齒輪ShSf小齒輪轉(zhuǎn)速：n=min取安全系數(shù)SH1.1Hlim1Sh11301.11027.27MPaHlim2SH5501.1500MPa小齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度極限Flim1240MPa大齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度極限Flim2190MPa取Sf1.3fi240184.62MPaSf1.3F2-1190146.15MPaSf1.3按齒面接觸強(qiáng)度設(shè)計(jì)設(shè)齒輪按7級(jí)精度制造。取載荷系數(shù)，齒寬系

27、數(shù)a0.3,-3P7.1410-T955095500.164N?mn4163J232.335KTi5.|3351.10.1641000“仁a"1Y1|513.5mm一一5取z132；大齒輪齒數(shù)：z2iz1324042a213.5八一模數(shù)m0.375；按實(shí)際取m=z1z24032確定中心距aziz403232.422曜：b=aa0.332.49.72mm取b210mm;b110mm驗(yàn)算輪齒彎曲強(qiáng)度齒形系數(shù)YF12.4;YF21.672KTiYfi21.30.16410002.4,睥“F12256.85MPaF1184.62bmzi50.340Y”2.4F2口-56.8581.7MPaF

28、2146.15YF11.67校驗(yàn)結(jié)果：安全。齒輪的圓周速度dm3.140.34087.5v0.055m/s10m/s601000601000選用7級(jí)精度是安全的。中心距：a=校驗(yàn)結(jié)果：安全6、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的計(jì)算與選型(1)計(jì)算加在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jeq已知：滾珠絲杠的公稱直徑do=25mm；總長(zhǎng)l=580mm導(dǎo)程Ph=20mm；材料密度p=x10-3kg/cm3移動(dòng)部件總重力G=900N；小齒輪寬度bi=10mm，直徑di=；大齒輪菟度b2=10mm，直徑d2=36mm；傳動(dòng)比i=5/41)滾珠絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：434:dl7.85100.0250.58“5。2.。2Js17.510kg

29、?m1.75kg?cm3232小齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：d4l7.851030.028840.01522Jzi0.5310kg?m0.053kg?cm3232大齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣重：434:dl7.85100.0360.01c5c2c2Jz21.2910kg?m0.129kg?cm托板折算到絲杠上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：222.PhPhG0.5900八只皿/2JWm,0.582kg/cm22g29.8初選步進(jìn)電動(dòng)機(jī)型號(hào)為110BYG2502,為兩相混合式，由常州寶馬集團(tuán)公司生產(chǎn)，二相八拍驅(qū)動(dòng)時(shí)步距角為。，從附件4表4-513】65查得該型號(hào)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jm=。則加在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：1/,、,2小2J

30、eqJmJz1(Jz2JWJS)/i17.1kg.cm滾珠絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)慣量=小齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量=大齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量=托板折算到絲杠上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量=步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量(2)計(jì)算加在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩Teq分快速空載啟動(dòng)和承受最大工作負(fù)載兩種情況進(jìn)行計(jì)算。快速空載啟動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩Teq1Teq1LmaxTfT°(2-9)式中：Tamax快速空載啟動(dòng)時(shí)折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大加速轉(zhuǎn)矩，NmTf移動(dòng)部件運(yùn)動(dòng)時(shí)折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩，NmT0滾珠絲杠預(yù)緊后折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的附加摩擦轉(zhuǎn)矩,Nm12Jeqnm1TamaxJeq60ta(2-10)式中:出步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)

31、軸上的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，£電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸的角加速度，rad/s2nm電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，r/minta電動(dòng)機(jī)加速所用時(shí)間，s,一般在1s之間選取。（這里取Y齒輪組總效率，取Y=vmax20000.9500r/min3603600.01vmax空載最快移動(dòng)速度，任務(wù)書(shū)指定為2000mm/min;a一步進(jìn)電機(jī)步距角，預(yù)選電動(dòng)機(jī)為。a脈沖當(dāng)量，任務(wù)書(shū)指定為2-10得nm式中由式Tamax-42何110500N.m600.40.90.249Nm電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速=500r/minTfF摩Ph(FzG)Ph2i2i0.00509000.0050.003Nm20.91.25(2-11)式中F摩一一導(dǎo)軌的摩擦力，Ph滾珠絲

32、杠導(dǎo)程，Y齒輪總效率，取Yi總的傳動(dòng)比，i=nm/ns，其中nm為電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速,卬一一導(dǎo)軌摩擦因數(shù)（滑動(dòng)導(dǎo)軌取）Fz垂直方向的工作載荷，空載時(shí)ns為絲杠的轉(zhuǎn)速。，滾動(dòng)導(dǎo)軌取）；這里取Fz=0快速空載啟動(dòng)時(shí)折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大加速轉(zhuǎn)矩=FwFcGc(2-12)式中:），滾動(dòng)導(dǎo)軌取）;Fc,立銳時(shí)為Fz單位為N,空載時(shí)Fc=0；G運(yùn)動(dòng)部件的總總量，單位為N卬一一導(dǎo)軌摩擦因數(shù)（滑動(dòng)導(dǎo)軌取Fc垂直方向的工作載荷，車削時(shí)為T(mén)0FyjPh2i102(2-13)Fy滾珠絲杠的預(yù)緊力，一般取滾珠絲杠工作載荷Y0滾珠絲杠未預(yù)緊時(shí)的傳動(dòng)效率，一般取Y0>由于滾珠絲杠副的傳動(dòng)效率很高，所以T0值一般很小，與

33、Tamax和Tf比起來(lái)，通常可以忽略不計(jì)。由式2-9得快速空載啟動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩：式中Fm的1/3，單位為N;Teq1TamaxTfT°TamaxTf0.2490.0030.252Nm移動(dòng)部件運(yùn)動(dòng)時(shí)折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩滾珠絲杠預(yù)緊后折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的附加摩擦轉(zhuǎn)矩=0(即忽略)快速空載啟動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩=2)最大工作負(fù)載狀態(tài)下電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩Teq2Teq2LTfTo(2-14)式中：Tf和To分別按式2-11和2-13計(jì)算。Tt折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大工作負(fù)載轉(zhuǎn)矩FfPh20820.005Tt1.326Nm(2-15)2i20.91.2

34、5式中Ff進(jìn)給方向最大工作載荷，單位No本設(shè)計(jì)對(duì)滾珠絲杠進(jìn)行計(jì)算的時(shí)候，已知沿著絲杠軸線方向的最大進(jìn)給載荷Fx=2802N。由式2-11得：垂直方向承受最大工作負(fù)載(Fz=719N)情況下，移動(dòng)部件運(yùn)動(dòng)時(shí)折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩：F摩Ph(FzG)Ph0.0057199000.005“Tf1.146Nm2i2i20.91.25則由式2-14得：Teq2TtTfT°TtTf2.472Nm綜上計(jì)算，得到加在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩應(yīng)為：TeqmaxTeq1,Teq22.472Nm折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大工作負(fù)載轉(zhuǎn)矩=移動(dòng)部件運(yùn)動(dòng)時(shí)折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩最大工作負(fù)載狀態(tài)

35、下電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩Teq2=綜上計(jì)算，得到加在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩應(yīng)為：(3)步進(jìn)電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩的選定考慮到步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電源受電網(wǎng)電壓影響較大，當(dāng)輸入電壓降低時(shí)，其輸出轉(zhuǎn)矩會(huì)下降，可能造成丟步，甚至堵轉(zhuǎn)。因此，根據(jù)Teq選擇步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩時(shí)，需要考慮安全系數(shù)。這里取安全系數(shù)K=4,則步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩應(yīng)滿足：Tjmax4Teq42.4729.888Nm上述初選的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)型號(hào)為110BYG2502，由附件4表4-5查得該型號(hào)電動(dòng)機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩Tjmax20Nm。可見(jiàn)，滿足要求。步進(jìn)電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩滿足要求。(4)步進(jìn)電機(jī)性能校核1)最快工作速度時(shí)電動(dòng)機(jī)輸出

36、轉(zhuǎn)矩校核任務(wù)書(shū)給正工作臺(tái)最快加工進(jìn)給速度vmaxf350mm/min，脈沖當(dāng)量0.01mm/p,則電動(dòng)機(jī)對(duì)應(yīng)的運(yùn)行頻率為：-Vmaxf350lcciifmaxf583Hz60600.01圖2-2110BYG2502步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行距頻特性曲線從圖2-2查得，在此頻率下，電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩TmaxJso宣舊£411_:1114要求。最快工作速度時(shí)電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩滿足要求。"10IO2IO3104/7Hzf-,大于最大工作負(fù)載轉(zhuǎn)矩Teq2_,滿足2)最快空載移動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩校核任務(wù)書(shū)給定工作臺(tái)最快空載移動(dòng)速度vmax2000mm/min,則電動(dòng)機(jī)對(duì)應(yīng)的運(yùn)行頻率為：Vmax2000fmaxmax3333Hz60600.01從圖2-2查得，在此頻率下，電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩Tmax-6Nm，大于快速空載啟動(dòng)時(shí)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩Teq1-,滿足要求。最快空載移動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩校核滿足要求3)最快空載移