竖直导轨位移速度测量机构

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1、 1 一 一 设计任务书设计任务书 1 1设计的目的 本专业课程设计是针对本专业重点课程和培养目标而进行的 主要培养学生 在课堂讲授环节和实验环节完成的基础上 较综合地运用所学的知识解决问题的 初步能力 以进一步掌握和加深对有关知识的理解 1 21 21 21 2设计题目及内容设计题目及内容 本次课程设计的题目 竖直导轨位移 速度测量机构 承重 30kg 设计 的内容主要为单片机组成的小型检测或控制系统设计 主要包括机构设计 机械 装配图 硬件电路设计 电路原理图 软件程序设计 1 31 31 31 3设计报告的要求设计报告的要求 要提供完整的设计机构的机械装配图 不小于 A2 电原理图 不小

2、于 A4 软件程序 并要提供文字报告 不少于 3 千字 主要内容应包括设计的目的 设计的基本思想 有关的计算 程序及说明等 二 二 设计总体方案介绍设计总体方案介绍 图 2 1 导轨传动简图 1 电动机 2 联轴器 3 斜齿轮 4 丝杠 5 滑块 2 机械传动部分由步进电机通过联轴器带动滚珠丝杠的运动通过滚动螺旋副 将旋转转变为平台的直线运动 选择竖直燕尾槽导轨 用步进电机驱动 通过滚珠丝杠带动导轨来回移动 用光栅传感器测量水平导轨的位移及速度 具体过程详见下面部分 三 三 导轨机构设计导轨机构设计 导轨部件由运动导轨 动导轨 和支撑导轨 静导轨 组成 动导轨上有工 作台或拖板 滑板 头架 尾

3、座及和他支持部件 测量装置等 静导轨与仪器 基座 立柱 横梁等支撑件连接在一起或者做成一体 在测控仪器中凡是传递直 线运动 几乎都要轨道部件 同时还要可靠的承受外加载荷 保持运动的稳定性 和灵活性 3 13 1 丝杠的设计和选取丝杠的设计和选取 3 1 13 1 1 初定丝杠导程初定丝杠导程 h p 6mm 3 1 1 13 1 1 13 1 1 13 1 1 1 确定静载荷确定静载荷 轴向负荷计算公式 294 w FGmgN 由于是恒力恒速度 所以有 当量载荷 294 mw FFN 表 3 1 滚珠丝杠副预期工作寿命 主机类别 h Lh 普通机械 普通金属切削机床 数控机床 精密机械 测试机

4、械 仪器 航空机械 5000 10000 10000 15000 15000 1000 可取丝杠寿命为普通机械类的最大值 h L 10000 h 3 1 1 23 1 1 23 1 1 23 1 1 2 计算丝杠动载荷 计算丝杠动载荷 1 3 60 100 amwmwh ac CfFn L f f 查机械设计手册 如下表 3 表 3 2 载荷系数 w f 使用条件 w f 无冲击 很平稳 轻微冲击 伴有冲击或震动 1 0 1 2 1 2 1 5 1 5 2 0 根据上表和实际所设计的装置的情况 选取 w f 1 5 表 3 3 精度系数 a f 精度等级 a f 1 2 31 0 4 50 9

5、 70 8 100 7 根据上表和实际所设计的装置的情况 选取精度等级 5 级 即 a f 0 9 表 3 3 可靠度系数 c f 可靠度 c f 901 950 62 960 53 970 44 980 33 990 21 根据上表和实际所设计的装置的情况 选取可靠性 97 即 c f 0 44 求得 1 3 60 100 amwmwh ac CfFn L f f 2549 5N 3 1 1 33 1 1 3 估算滚珠丝杠直径估算滚珠丝杠直径 2m d 20 mm dF L 0 F 294mgN 由于工作台行程 S 800mm 丝杠两支承间距 1 1141 1 80014 6944 h LS

6、Pmm 4 3 1 23 1 23 1 23 1 2 滚珠丝杠副滚珠丝杠副 滚珠丝杠副丝杠安装方式选择两端固定安装方式 该方式有如下特点 1 丝杠的静态稳定性和动态稳定性最高 适用于高速回转 2 结构复杂 两端轴承均调整预紧 丝杠的温度变形可转化为轴承的预紧力 3 轴向刚度最大 4 适用于对刚度和位移精度要求高的滚珠丝杠安装 5 适用于较长的丝杠安装 估算滚珠丝杠的最大允许轴向变形量 0min m FK 1 3 1 4 0 039 根据本设计情况 重复定位精度取 0 01mm 定位精度取 0 02mm 300mm 重复定位精度 4 1 3 1 m 0 0025 0 0034 mm m 定位精度

7、 5 1 4 1 0 004 0 005 mm 以上两种方法估算的最小值取做 m 值 即 m 0 0025mm 即 20 0 039294 944 2 512 mm dF Lmm 3 1 2 13 1 2 13 1 2 13 1 2 1 确定滚珠丝杠副规格代号确定滚珠丝杠副规格代号 根据 amam CCdd 22 选用内循环滚动螺旋副的型号为GQ2505 T05滚动螺旋副 其公称直径为 25mm 公称导程为 6mm 公差等级为 5 级 螺纹旋向为右 3 1 2 23 1 2 2 丝杠副材料选取 丝杠副材料选取 已知丝杠直径 0 d 25mm 移动负载质量 G 30kg 该丝杠为轻载 低速 精

8、度高的传动 故 丝杠材料为 45 号钢热处理为 高 中频加热 表面淬火 螺母材料为 ZCuSn10Zn2热处理为 渗氮 淬火 返向器材料为 60Mn热处理为 高 中频加热 表面淬火 螺纹滚道的法面截形 半圆弧 3 1 33 1 3 计算预紧力计算预紧力 p F 5 由于是半圆弧滚道 所以选择采用双螺母预紧 11 29498 33 pw FFN 3 1 43 1 4螺旋副几何尺寸的确定螺旋副几何尺寸的确定 选用的内循环滚珠丝杠副的尺寸如下 3 1 4 13 1 4 13 1 4 13 1 4 1 螺纹滚道 螺纹滚道 导程6 h Pmm 0 25 pw dDmm 接触角45 钢球直径0 63 6

9、wh DPmm 螺纹滚道曲率半径 0 51 0 56 1 7145 sw rDmm 偏心距 e sin0 0898 2 W s D er 螺纹升角3 39 3 1 4 23 1 4 2 丝杠 丝杠 丝杠大径 0 0 2 0 25 250 223 624 208 w ddDmm 丝杠小径 10 222520 08982 1 714521 751 s ddermm 丝杠接触点直径 0 cos253 60 70722 45 kw ddDmm 丝杠牙顶圆半径 0 1 0 15 0 3175 aw rDmm 3 1 4 33 1 4 3 螺母螺母 螺母螺纹大径 0 2228 250 N Ddermm 螺

10、母螺纹小径 100 0 5 250 5 2524 302 25 349Ddddmm 6 图 3 2 螺母螺杆 安装尺寸为 规格代号 2505 公称直径 d0 25 公称导程 Ph0 5 滚珠螺母安装 连接尺寸 D1 40 滚珠螺母安装 连接尺寸 D 66 滚珠螺母安装 连接尺寸 D4 53 滚珠螺母安装 连接尺寸 B 11 滚珠螺母安装 连接尺寸 D5 5 5 滚珠螺母安装 连接尺寸 D6 10 滚珠螺母安装 连接尺寸 h 5 7 图 3 3 螺母螺杆安装 3 1 53 1 53 1 53 1 5 丝杠副校核丝杠副校核 3 1 5 13 1 5 13 1 5 13 1 5 1 轴向弹性接触变形

11、量计算轴向弹性接触变形量计算 44 4 3 3 3 7 103 7 101 25294 3 37 10 225 3 6 30 1 2 3 6 z a Wp KF mm zD F 式中 z K 载荷分布不均系数 这里取 1 25 z 工作螺母的钢球数量 7 zz 圈数 列数 Z 一圈螺纹内的钢球数量 3 1 5 23 1 5 23 1 5 23 1 5 2 丝杠强度的计算丝杠强度的计算 由于滚动螺旋转动的丝杠所传递的转矩主要是螺纹的阻力矩 所以得传递力 矩 0 1 tan 74 53 2 m d TTFNmm 其中 tan 0 0025 由旋转运动变为直线运动 Fm 轴向力 T 所传递的力矩 N

12、mm T1 螺纹力矩 Nmm d0 公称直径 mm 螺旋升角度 0 当量摩擦角 度 0 所以当量应力为 22 23 11 4 3 0 2892 0 2 m FT MPa dd 其中 1 d为螺杆小径 查手册得 螺杆材料 45 号钢 的许用应力为屈服极限355 s MPa 所以 材料的许用应力71 5 s p MPa 可知 p 其中 长度系数 由于是一端固定 端铰支 查表得 0 5 l 螺杆的最大工作长度 mm 这里取 1720mm i 螺杆危险截面的惯性半径 mm 4 1 64 a d I 1 4 a Id i A 其中 a I为 螺杆的危险截面的轴惯性矩 mm 4 A 为危险截面的面积 mm

13、2 所以得临界载荷为 8 2 2 30304 0 a cr EI FN l 其中 E 为弹性模量 取 5 2 07 10EMPa 所以得291 382 54 cr m F F 校核合格 表 3 4 系数 的选取表 丝杠端部结构 系数 两端固定0 5 一端固定 一端铰支0 7 两端铰支1 一端固定 一端自由2 3 1 5 43 1 5 43 1 5 43 1 5 4临界转速的计算临界转速的计算 由于螺杆是钢制的 计算 cr n为 2 6 11 2 12 3 102023 min cr c d nr l 其中 1 系数 与螺杆的端部结构有关 由于是一端固定 一端铰支 所以查表 取 1 4 730

14、c l 螺杆两支承间的最大距离 mm 在这取 944mm 由于1200 min0 81618 4 min cr nrnr 查表并插值计算得 0 44x 1 42y 计算轴承的当量载荷 1 2 1 42 90153 36 p PfxRyAN 其中 fp为载荷系数 无冲击或轻微冲击时 在这选为 1 2 3 2 2 23 2 2 23 2 2 23 2 2 2 计算轴承的寿命计算轴承的寿命 图 3 4轴承结构 图 3 1 滚珠丝杠副 图 3 5轴承的基本尺寸 10 由设计要求可知 轴的使用寿命要求为 10000 h Lh 轴承的寿命计算为 6 10 71744810000 60 t h f C Lh

15、h nP 寿命指数 由于是球轴承 所以3 t f 温度系数 因轴承的工作温度不高 所以1 t f 3 33 33 33 3驱动力矩的计算驱动力矩的计算 1 1 1 294 5 238 85 22 3 14 0 98 5 1 238 85 251 42 0 95 a aa T Fl TN mm TN mm FNFmg lmmlmm iT T TN mm 丝杆的驱动力矩 其中 驱动力矩 工作面的摩擦阻力 进给丝杆的导程 取 进给丝杆的正效率取 0 98 斜齿轮的传动比则齿轮副的输入转矩 3 43 43 43 4 电机的选择电机的选择 由上面算得 系统的驱动力矩为 32 14474 53106 67

16、4 Qg TTTNmm 所以得电机的最大静转矩为 max 236 524 384 206 0 3 0 5 0 3 0 5 Q L j T T TNmm 查手册 选取步进电机的型号为 70BH 0370BH 0370BH 0370BH 03 感应式永磁步进电机 70BH 0370BH 0370BH 0370BH 03步进电机的技术参为 额定电压 27V 相数 3 静态电流 3A 步距角 0 3 度或 0 6 度 保持转矩 1200N mm 11 空载起动频率 2000pps Hz 空载运行频率 30000pps Hz 3 53 53 53 5联轴器设计联轴器设计 根据轴径的大小范围 还有转矩的大小 以及系统的工作条件来选择连轴器 根据在关常用联轴器的性能 使用条件等综合比较 选用弹性套柱销联轴器 弹性套柱销联轴器 表 3 6弹性套柱销联轴器的性能 名称许用 转矩 N m 轴径 范围 mm 允许 转速 r min 许用位移 轴向 x mm 径向 y mm 角向 弹性套柱 销联轴器 6 3 160009 170800 88000较大0 2 0 6 0 30 1 30 弹性套柱销联轴器的使用条