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1、机电一体化机械系统设计课程设计计算说明书目 录第一章：直线移动机构模块的设计错误!未定义书签。1工作台的选择错误!未定义书签。2滚动导轨副的选择计算和校核错误!未定义书签。3滚珠丝杠副的设计计算和校验错误!未定义书签。4轴承的选择计算错误!未定义书签。第二章：步进电机的选择错误!未定义书签。1.脉冲当量的选择错误!未定义书签。2.等效转矩的计算错误!未定义书签。3系统的转动惯量的折算错误!未定义书签。4步进电动机的选择错误!未定义书签。5.一级齿轮的设计计算错误!未定义书签。第三章：控制系统的设计错误!未定义书签。1.控制器选型及存储器扩展分析错误!未定义书签。2.系统功能选择实现错误!未定义
2、书签。3.系统状态显示错误!未定义书签。4.系统端口分配方式错误!未定义书签。5.软件编程算法实现错误!未定义书签。第四章：程序执行流程错误!未定义书签。第五章：控制流程图错误!未定义书签。第六章：机械进给系统的建模与仿真错误!未定义书签。心得体会错误!未定义书签。参考文献错误!未定义书签。第一章：直线移动机构模块的设计1工作台的选择根据设计要求初选工作台为，密度7.81，质量约为14Kg。2滚动导轨副的选择计算和校核滚动直线导轨副是在滑块与导轨之间放入适当的钢球，使滑块与导轨之间的滑动摩擦变为滚动摩擦，大大降低二者之间的运动摩擦阻力，从而获得动、静摩擦力之差很小，随动性极好，即驱动信号与机械
3、动作滞后的时间间隔极短，有益于提高数控系统的响应速度和灵敏度。 驱动功率大幅度下降，只相当于普通机械的十分之一。 与V型十字交叉滚子导轨相比，摩擦阻力可下降约40倍。 适应高速直线运动，其瞬时速度比滑动导轨提高约10倍。 能实现高定位精度和重复定位精度。 能实现无间隙运动，提高机械系统的运动刚度。成对使用导轨副时，具有“误差均化效应”，从而降低基础件（导轨安装面）的加工精度要求，降低基础件的机械制造成本与难度。导轨副滚道截面采用合理比值的圆弧沟槽，接触应力小，承接能力及刚度比平面与钢球点接触时大大提高，滚动摩擦力比双圆弧滚道有明显降低。导轨采用表面硬化处理，使导轨具有良好的可校性；心部保持良好
4、的机械性能。 简化了机械结构的设计和制造。滑块可选用基本尺寸为，导轨副材料的选择为灰铸铁HT200，因为它的耐磨性和减震性好，热稳定性好，容易铸造和切削加工，成本较低。因设计任务要求，选用四块这样的滑块组成双排导轨，则总质量约为：。21滚动体的尺寸和数目 滚动体的直径越大，滚动摩擦系数就越小，摩擦阻力也就越小；滚动体的直径过小，不但摩擦阻力会加大，而且会产生滑动的现象。因此在不受限制的情况下滚动体的直径越大越好，本次选择滚珠直径8mm，查文献3式5-6有：其中，Z 为滚珠数目；G运动部件的重力，单位N；D为滚珠直径，单位mm则：，所以选每一导轨滑块上滚珠的数目为7。22滚动导轨副的强度计算强度
5、的判断条件是判别受力最大的那个滚动体上的载荷是否超过了许用载荷。如果一条导轨上承受一个作用在导轨面上的力和力矩，则受力最大的滚动体就是位于最外侧的。查文献3式6-5可得在一个滚动体上的许用载荷： 其中，对于淬火钢珠铸铁导轨=125N/；对HT200导轨，导轨材料的硬度系数；则： 由此可知强度满足。2.3校核导轨副的寿命由文献1式3-22得：其中，为工作时间寿命，单位h； 为工作的有效行程长度，单位m； 为每分钟往复的次数，单位：次/min代入数据得： 因有四个滑块，所以每一导轨上使用两个滑块，则：由文献4表3-14和3-17确定以下系数：其中，K为寿命系数，一般取50km；F滑块的工作载荷，单
6、位N；为硬度系数，=；为温度系数，=1；为接触系数，=；为负荷系数，=1.5。而且；所以：；即 17500N，选用汉江机床厂HJG-D25有线导轨，查文献1表3-14至3-17得HJG-25型导轨的，所用的导轨能满足寿命要求。3滚珠丝杠副的设计计算和校验：3.1初选滚珠丝杠 根据设计任务，滚珠丝杠直径初定为25mm，导程Ph=8mm ，制造精度为3级。3.2丝杆的转速=，其中：为机械传动速度，单位是mm/min。则：=；r/min3.3行程补偿值滚珠丝杆的热变形将导致长度，定位精度的变化，可由下面的方法进行补偿：其中：为温度上升值，一般为取； 为有效行程，单位是；则： 3.4两端固定支撑方式的
7、预拉伸补偿热变形在采用两端固定安装方式时，还要采用丝杆预拉伸的方法来进一步补偿热变形，预拉伸为：式中： E为弹性模量，； d为丝杆公称直径，mm；故：N 3.5滚珠丝杆副轴向载荷的计算（参考文献5的P.101-P.103）式中：为滚珠丝杆副的摩擦系数，一般取0.00250.005;m为工作台和滑块的总质量;f为导轨与底面的摩擦力；为滚珠丝杆的径向受力；为滚珠丝杆的轴向受力； 为最大加速度， 则： 所以:当量载荷设空转和常用切削分配的时间分别为10%和90%，则当量转速3.6额定静载荷及额定动载荷的下限值：（1）额定静载荷式中，为安全系数，一般取2-3，这里取3；是外加在滚珠丝杆副上的最大轴向载
8、荷故有： （2）额定动载荷在当量条件下达到预期寿命时，丝杆所受的最大额定动载荷为其中为载荷系数，取；为精度系数，取。37选定滚珠丝杆的型号当滚珠丝杆副在较高转速下工作时，应按寿命计算选择其尺寸规格，并校核其载荷是否超过额定动载荷；当滚珠丝杆副低速工作时，应按计算额定静载荷的方法确定滚珠丝杆副的规格尺寸，并校核寿命。在本设计中，最高转速不足300r/min，属于低速运转的情况，所以在这里按额定静载荷的大小选择：根据文献5，选择系列代号为2508-5的滚珠丝杆副。其额定动载荷，额定静载荷，刚度1485，外径，内径钢球直径mm，螺旋角，滚道半径，循环圈数（圈）。查参考文献5的P.107得：螺纹全长：
9、 720mm余留长度：参考文献6表4-2取32mm，安全行程：取16mm，行程 ，螺母长度，螺纹左端到轴承和螺纹右端到轴承的距离左右两端轴承的间距：3.8验算Dn值3.9预紧力的确定当采用两端固定的支撑方式时，预紧力可以计算如下：而且：，即满足运转要求。3.10稳定性的校验 （1）由于滚珠丝杆副在工作时很可能会发生失稳，所以要求设计计算所达到的安全系数S，其值应该大于丝杆传动结构所允许的安全系数S。 丝杆不会发生失稳的最大载荷称为临界载荷，并按文献1中式计算：式中：E为丝杆材料的弹性模量，对于钢，；L为丝杆的有效工作长度（m）；为丝杆的危险截面的轴惯性矩（）；为长度系数，查文献1表3-6取=1
10、而则：，安全系数22.7，查文献1表3-6，丝杆不会失稳。（2）丝杆工作时可能发生共振，因此需要验算其不会发生共振的最高转速称之为临界转速，要求丝杆的最大转。临界转速（）可按下式计算：式中： 为临界转速系数，查文献1表3-6，本设计中，则：所以丝杆工作时不会发生共振。3.11刚度的验算 (1) 估算丝杠轴向最大变形量 重复定位精度 定位精度 所以 取 mm丝杠在工作载荷(N)和转矩T（）作用下引起每个导程的变形量为：式中：E为丝杠切变模量，对于钢E=210；M为扭 矩， ；为摩擦升角，；I为丝杠的极惯性矩， ；S为丝杠截面积，；丝杠在300mm内的弹性变形所引起的导程误差为：所以该丝杠的刚度满
11、足要求。3.13效率的校核本设计取摩擦系数为0.003，即：，则；滚珠丝杆副的传动效率K为：K的要求在90%以上，所以该丝杆副合格。经过上述校核验证，所选型号规格的滚珠丝杆副的各项性能均能满足设计要求。3.14滚珠丝杆副的润滑滚珠丝杆副一般需要用润滑剂来提高耐磨性和传动效率，润滑的方法有脂润滑和油润滑两种。通常，螺母在很长的丝杆上运行，而且是进行回转运动的，保持润滑油是十分困难的；另外可能因为密封不好，有硬质的灰尘回切屑等脏物落入螺纹滚道会防碍滚珠的运转和磨损的，因此本设计采用脂润滑，润滑剂为锂基油脂。4.轴承的选择计算根据设计要求滚珠丝杆副采用两端固定支撑的安装方式，而且要同时承受径向载荷和
12、轴向载荷，故根据文献8选用角接触球轴承7305B，。采用反装形式。(1)求两轴承受到的径向载荷和 设左边的轴承为轴承1= =/2=2000/2=1000N(2)求两轴承的计算轴向力和查文献2表13-5得，判断系数e=0.68故， 因为外加轴向力的存在，必须满足平衡，则必有。所以： (3)求轴承的当量动载荷因为 ， 由文献2表13-5分别进行查表得径向载荷系数和轴向载荷系数为，对轴承1 0.35，0.57对轴承2 1，因轴承运转中可能会产生冲击载荷，按文献2表13-6查得，本设计中取。则：(4)验算轴承的寿命因为，所以按轴承1的受力情况进行校验。其中当轴承为球轴承时=3，则有：故所选用的轴承满足
13、寿命要求。第二章：步进电机的选择1.脉冲当量的选择 初选三相步进电动机的步距角为；当三相三拍运行时，步距角为，其每转脉冲数: 初选脉冲当量（每输入一个指令脉冲，步进电动机驱动工作台的移动距离，单位）由于重复定位误差为0.01mm，故选电机的脉冲当量为，由此可得中间齿轮的传动比为 选小齿轮的齿数，模数2等效转矩的计算(1）空载时等效负载转矩:(2）车削加工时的负载转矩3系统的转动惯量的折算(1）滚珠丝杆的转动惯量：其中，为公称直径，单位m； L丝杆的全长，单位m； 为材料密度，约为(2）工作台及滑块的转动惯量换算到电机轴上的转动惯量:其中，W为工作台和滑块的总重量，单位N； 为丝杆的基本导程，单
14、位m； i为齿轮副的传动比；(3） 大齿轮的转动惯量其中， 为大齿轮的分度圆直径，单位是m； 为大齿轮的齿宽，单位是m；(4）小齿轮的转动惯量其中， 为小齿轮的分度圆直径，单位是m；为大齿轮的齿宽，单位是m；(5）因此折算到电机轴上的总转动惯量是：4.步进电动机的选择（1）纵向进给运动的负载分析1）现预选电机为130BY001，其转子的转动惯量为，于是有：式中采用最不利于机床启动时的速度，这里选用快速进给速度（全部直线运动部件总质量）；r/min则有： 2)丝杆摩擦阻力矩（）的计算 由于滚珠丝杆的传动效率很高，其摩擦阻力矩相对于其他负载力矩小得多，故一般不考虑。3）等效负载转矩 由文献4式（6-8）得4）启动惯性阻力矩（）的计算 加（减）速时间为t=4s由于电机转速为，取加速曲线为等加速梯形曲线，故角加速度为：则 5）电机输出轴上的总负载转矩的计算 （2）步
