機(jī)電一體化課程設(shè)計(jì)滾珠絲杠螺母副的設(shè)計(jì)

1、沈陽理工大學(xué)課程設(shè)計(jì)專用紙?zhí)峁┩暾娴漠厴I(yè)設(shè)計(jì)目錄 前言 滾珠絲杠螺母副的設(shè)計(jì) 軸承選擇 電機(jī)選擇 設(shè)計(jì)總結(jié) 參考文獻(xiàn) 前言機(jī)電一體化是以機(jī)械技術(shù)和電子技術(shù)為主題，多門技術(shù)學(xué)科相互滲透、相互結(jié)合的產(chǎn)物，是正在發(fā)展和逐漸完善的一門新興的邊緣學(xué)科。機(jī)電一體化使機(jī)械工業(yè)的技術(shù)結(jié)構(gòu)、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、功能與構(gòu)成、生產(chǎn)方式及管理體系發(fā)生了巨大變化，使工業(yè)生產(chǎn)由“機(jī)械電氣化”邁入了以“機(jī)電一體化”為特征的發(fā)展階段。隨著社會生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，機(jī)械產(chǎn)品的性能和質(zhì)量不斷提高。產(chǎn)品的更新?lián)Q代也不斷加快。因此對機(jī)床不僅要求具有較高的精度和生產(chǎn)率，而且應(yīng)能迅速地適應(yīng)產(chǎn)品零件的變換，生產(chǎn)的需要促使了數(shù)控機(jī)床的產(chǎn)生。數(shù)控

2、機(jī)床是指機(jī)床的操作命令以數(shù)值數(shù)字的形式描述工作過程按規(guī)定的程序自動進(jìn)行的機(jī)床。隨著微電子技術(shù)，特別是計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)控機(jī)床迅速地發(fā)展起來。裝備工業(yè)的技術(shù)水平和現(xiàn)代化程度決定著整個國民經(jīng)濟(jì)的水平和現(xiàn)代化程度，數(shù)控技術(shù)及裝備是發(fā)展新興高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)和尖端工業(yè)（如信息技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)、生物技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)、航空、航天等國防工業(yè)產(chǎn)業(yè)）的使能技術(shù)和最基本的裝備。馬克思曾經(jīng)說過“各種經(jīng)濟(jì)時代的區(qū)別，不在于生產(chǎn)什么，而在于怎樣生產(chǎn)，有什么勞動資料生產(chǎn)” 。制造技術(shù)和裝備就是人類生產(chǎn)活動的最基本的生產(chǎn)資料，而數(shù)控技術(shù)又是當(dāng)今先進(jìn)制造技術(shù)和裝備最核心的技術(shù)。當(dāng)今世界各國制造業(yè)廣泛采用的數(shù)控技術(shù)，以提高制造能力和水平，

3、提高對動態(tài)多變市場的適應(yīng)能力和競爭能力。此外世界上各工業(yè)發(fā)達(dá)國家還將數(shù)控技術(shù)及數(shù)控裝備列為國家的戰(zhàn)略物資，不僅采取重大措施來發(fā)展自己的數(shù)控技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)，而且在“高精尖”數(shù)控關(guān)鍵技術(shù)和裝備方面對我國實(shí)行封鎖和限制政策?？傊?，大力發(fā)展以數(shù)控技術(shù)為核心的先進(jìn)制造技術(shù)已成為世界各發(fā)達(dá)國家加速經(jīng)濟(jì)發(fā)展、提高綜合國力和國家地位的重要途徑。此次 “機(jī)電一體化課程設(shè)計(jì)”主要簡單設(shè)計(jì)出數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)，其實(shí)離實(shí)際真正工業(yè)用數(shù)控機(jī)床還有很大的距離。由于時間倉促和自己知識水平有限，在設(shè)計(jì)中難免會有些許瑕疵，懇請老師指正。 1 滾珠絲杠螺母副的設(shè)計(jì)1.1 確定滾珠絲杠副的導(dǎo)程ph=8.3mm取ph=10mmph：滾珠絲杠

4、副的導(dǎo)程mmvmax：工作臺最高移動速度nmax：電機(jī)最高轉(zhuǎn)速i：傳動比因電機(jī)與絲杠直聯(lián)，i=1vmax=10m/min ，n max= 1200r/min代入得， ph=8.3mm查表，取ph=10mm 1.2 確定當(dāng)量轉(zhuǎn)速與當(dāng)量載荷1.2.1 各種切削方式下，絲杠轉(zhuǎn)速nmax=350r/minnmin=0.1r/min1.2.2 各種切削方式下，絲杠軸向載荷fmax=4500+0.01833=4583.3nfmin=0.01833=83.3n1.2.3 當(dāng)量轉(zhuǎn)速 nm=175.05mm/min1.2.4 當(dāng)量載荷fm=3083.3n1.3 預(yù)期額定動載荷1.3.1 按預(yù)期工作時間估算cam

5、=cam：預(yù)期額定動載荷n按表查得：輕微沖擊取 fw=1.3 fa=1 可靠性90%取fc=1已知：lh=15000小時代入得 cam=28362.6n 1.3.2 擬采用預(yù)緊滾珠絲杠副，按最大負(fù)載fmax計(jì)算：cam=fefmax按表查得： 中預(yù)載取 fe=4.5代入得cam=20624.85n取以上兩種結(jié)果的最大值 cam=28362.6n1.4 確定允許的最小螺紋底徑1.4.1 估算絲杠允許的最大軸向變形量m（）重復(fù)定位精度m（）定位精度m : 最大軸向變形量m已知：重復(fù)定位精度 6m, 定位精度12mm=2 m=3 m =3 取兩種結(jié)果的小值m=2m1.4.2 估算最小螺紋底徑絲杠要求

6、預(yù)拉伸，取兩端固定的支承形式d2m=10=0.039d2m：最小螺紋底徑mml (1.11.2)行程+（1014）ph=1.1350+1010=485mm 靜摩擦力f0=mg=0.01859.8=8.3n代入得d2m=0.039=1.7mm1.5 確定滾珠絲杠副的規(guī)格代號1.5.1 選內(nèi)循環(huán)浮動式法蘭，直筒雙螺母型墊片預(yù)形式1.5.2 由計(jì)算出的ph,cam,d2m在樣本中取相應(yīng)規(guī)格的滾珠絲杠副ffzd4010-3ph=10mm , ca=30000cam=28362n, d2=39.5mmd2m=1.7mm1.6 確定滾珠絲杠副預(yù)緊力fp=fmax=4583.3=1527.8n1.7 行程補(bǔ)

7、償值與與拉伸力1.7.1 行程補(bǔ)償值c=11.8tlu10-6式中：lu =350+148+230=558mmt取2.5c代入得c=17m1.7.2 預(yù)拉伸力 ft=1.95td22=1.952.534.32=5735.4n 1.8 確定滾珠絲杠副支承用的軸承代號、規(guī)格1.8.1 軸承所承受的最大軸向載荷fbmax=ft+fmax=5735+4583.310320n1.8.2 軸承類型兩端固定的支承形式，選背對背60角接觸推力球軸承1.8.3 軸承內(nèi)徑d 略小于d2=34.3mm fbp=fbmax=3279n取 d=30mm1.8.4 軸承預(yù)緊力 預(yù)加負(fù)荷3300nfbp=1527.8n1.

8、8.5 按樣本選軸承型號規(guī)格選760206tni軸承d=30mm 1.9 滾珠絲杠副工作圖設(shè)計(jì)1.9.1絲杠螺紋長度ls：由表查得余程le=40ls=lu+2le=560+240=640mm1.9.2 兩固定支承距離l1l1=640+135=775mm絲杠全長ll=775+85+85=945mm1.9.3 行程起點(diǎn)離固定支承距離l0l0=l2+b=15+15=30mm2 電機(jī)選擇2.1 參數(shù)計(jì)算2.1.1 功率p=fv=900w2.1.2 負(fù)載轉(zhuǎn)動慣量jl（kgm2）及傳動系統(tǒng)轉(zhuǎn)動慣量j（kgm2）的計(jì)算jl=ji（）2+mj()2式中jl，ni為各旋轉(zhuǎn)件的轉(zhuǎn)動慣量（kgm2）和轉(zhuǎn)速（r/mi

9、n） mj,vj為各直線運(yùn)動件的質(zhì)量（kg）和速度（m/min） jm,nm為電機(jī)的轉(zhuǎn)動慣量（kgm2）和轉(zhuǎn)速（r/min） jl=20kgcm22.1.3 力矩計(jì)算空載啟動時，折算到電機(jī)軸上的加速力矩tamaxtamax=0.125nm折算到電動機(jī)上的摩擦力矩tttt=10-3=10-3=0.0165nm由于絲杠預(yù)緊力引起和折算到電動機(jī)軸上的附加摩擦力矩t0t0=10-3=10-3=3.29nm總力矩 tm= tamax+ tt+ t0=3.43nm2.2 型號選擇根據(jù)轉(zhuǎn)動慣量和力矩選擇電機(jī)型號為120mb150b-0010002.3 聯(lián)軸器選擇根據(jù)電動機(jī)軸徑，力矩等因素選擇聯(lián)軸器lk11-

10、126k-22223 傳動系統(tǒng)剛度3.1 絲杠抗壓剛度3.1.1 絲杠最小抗壓剛度ksmin=6.6102ksmin ：最小抗壓剛度n/md2：絲杠底徑l1：固定支承距離代入得 ksmin=6.6102=1001.9n/m3.1.2 絲杠最大抗壓剛度ksmax=6.6102=6731.3n/m3.2 支承軸承組合剛度3.2.1 一對預(yù)緊軸承的組合剛度 kbo=22.34 kbo：一對預(yù)緊軸承的組合剛度 n/m dq：滾珠直徑mm z：滾珠數(shù) famax ：最大軸向工作載荷n：軸承接觸角 dq=7.938,z=19,=60代入得kb0=1076 n/m3.2.2 支承軸承組合剛度由兩端固定支承k

11、b=2kbo=21076=3152 n/m3.2.3 滾珠絲杠副滾珠和滾道的接觸剛度 kc=kckc ：滾珠和滾道的接觸剛度n/mkc：查樣本上的剛度 n/mfp：滾珠絲杠副預(yù)緊力 nca：額定動載荷 n由樣本查得：kc=973 n/m；ca=30000n； fp=1528n代入得kc=777n/m3.3 剛度驗(yàn)算及精度選擇3.3.1 驗(yàn)算傳動系統(tǒng)剛度=+=+=2.710-3n/mkmin=370=+=1.910-3n/mkmax=526f0=w1=0.01859.8=8.3nkmin已知反向差值或重復(fù)定位精度為10kmin=1.3283.3.2 傳動系統(tǒng)剛度變化引起的定位誤差k=f0（-）=

12、6.610-3m3.3.3 確定精度v300p：任意300mm內(nèi)的行程變動量對半閉環(huán)系統(tǒng)言v300p0.8定位精度-k所以，絲杠精度選取3級3.3.4 確定滾珠絲杠副的規(guī)格代號已確定的型號ffzd公稱直徑 40mm 導(dǎo)程 10mm 螺紋長度 640mm 絲杠全長 945mm p類3級精度即 ffzd3210-3-p3/9456403.4 驗(yàn)算臨界壓縮載荷絲杠所受最大軸向載荷小于絲杠預(yù)拉伸力ft不用驗(yàn)算3.5 驗(yàn)算滾珠絲杠副的臨界轉(zhuǎn)速nc（r/min）nc=f107f:與支承形式有關(guān)的系數(shù)d2：絲杠底徑mmlc2：臨界轉(zhuǎn)速計(jì)算長度mm由表得 f=21.9d2=34.3mmlc2=l1-l0=77

13、5-30=745mm代入得 nc=21.9107=13534nmax=1200r/min3.6 驗(yàn)算dndpw=d2+dw=34.3+7.144=34.444mmdn=dpwnmax=34.4441200=41332.870000dpw:滾珠絲杠副的節(jié)圓直徑mmnmax:滾珠絲杠副最高轉(zhuǎn)速r/min3.7 基本軸向額定靜載荷coa驗(yàn)算fsfamaxcoafs一般為1.5coa=50.2kn=66300nfamax=870n/m1.587008 強(qiáng)度計(jì)算 d22famaxd2許用應(yīng)力（n/mm2）取=726n/mm2d2=3.91mm 驗(yàn)算合格 4控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)4.1控

14、制系統(tǒng)plc與變頻器，編碼器，交流電機(jī)連線圖的設(shè)計(jì)4.1.1硬件的選擇 3g3mz系列變頻器乃針對各種變頻調(diào)速應(yīng)用而開發(fā)：人性化的設(shè)計(jì)和先進(jìn)的制造管理技術(shù)以及歐姆龍一貫的造型簡約、功能豐富的風(fēng)格，結(jié)合最新的用戶的技術(shù)需求，使其具備了高貴的血統(tǒng)和最貼近市場的元素。涵蓋了風(fēng)機(jī)泵類專用功能，開環(huán)矢量功能，內(nèi)置噪聲濾波器以及多種網(wǎng)絡(luò)總線功能，3g3mz將是最節(jié)約而最完美的選擇。圖4.1變頻器多速開關(guān)控制接線圖 交流電機(jī)選型要根據(jù)功率、轉(zhuǎn)速、電壓等級、應(yīng)用場合、放水標(biāo)準(zhǔn)等條件選擇，交流電機(jī)控制非常簡單，運(yùn)用變頻器，軟啟動器或直接啟動都可以控制，直流電機(jī)控制現(xiàn)在也不是很復(fù)雜，只是直流電機(jī)不能做到交流電機(jī)的

15、免維護(hù)，故障率稍高，如果工作條件差還是建議使用交流電機(jī)。一般直流電機(jī)比交流電機(jī)造價高，但直流電機(jī)機(jī)械特性要稍好于交流電機(jī)。不過現(xiàn)在采用矢量變頻控制技術(shù)的交流電機(jī)已經(jīng)和直流電機(jī)特性已經(jīng)非常接近。單相300vac和3相400vac機(jī)種內(nèi)置有噪音濾波器，因此無需外部配線。 圖4.2交流電機(jī)接線示意圖圖4.3控制回路端子連接示意圖交流電機(jī)是用于實(shí)現(xiàn)機(jī)械能和交流電能相互轉(zhuǎn)換的機(jī)械。由于交流電力系統(tǒng)的巨大發(fā)展，交流電機(jī)已成為最常用的電機(jī)。交流電機(jī)與直流電機(jī)相比，由于沒有換向器因此結(jié)構(gòu)簡單，制造方便，比較牢固，容易做成高轉(zhuǎn)速、高電壓、大電流、大容量的電機(jī)。交流電機(jī)功率的覆蓋范圍很大.交流電機(jī)按其功能通常分為

16、交流發(fā)電機(jī)、交流電動機(jī)和同步調(diào)相機(jī)幾大類。由于電機(jī)工作狀態(tài)的可逆性，同一臺電機(jī)既可作發(fā)電機(jī)又可作電動機(jī)。把電機(jī)分為發(fā)電機(jī)與電動機(jī)并不很確切，只是有些電機(jī)主要作發(fā)電機(jī)運(yùn)行，有些電機(jī)主要作電動機(jī)運(yùn)行。4.1.2系統(tǒng)硬件接線圖 圖4.4系統(tǒng)硬件接線圖 4.2 plc控制梯形圖設(shè)計(jì)4.2.1軟件流程圖 課程設(shè)計(jì)的要求是加速-勻速1-減速-勻速2-減速停的速度曲線，并可以正反轉(zhuǎn)得軟件流程圖。 圖4.5軟件流程圖 4.2.2 plc程序計(jì)算 假設(shè)電機(jī)5段的脈沖總數(shù)為4000，啟動和停止時的脈沖頻率為2khz,最大脈沖頻率為10khz即起始和停止時的周期為500，最高頻率的周期為100，第一段加速脈沖400

17、個，第二段勻速脈沖2000個，第三段減速脈沖200個，第四段勻速脈沖1200個，第五段減速脈沖200個。 沈陽理工大學(xué) 圖4.6 步進(jìn)電機(jī)的頻率曲線期增量由公式： ,第一段的周期增，第二段的周期增量為，假設(shè)第四段的開始周期為300則第三段的周期增量為，第四段周期增量為，第五段周期增量為 。 根據(jù)步進(jìn)電機(jī)的頻率曲線繪制多段pto包絡(luò)表2.2.1如下： v存儲器地址 數(shù)據(jù) vb500 5(段） vw501 500（初始周期） vw503 -1（第一段周期增量） vd505 400（第一段脈沖數(shù)) vw509 100(第二段初始周期） vw511 0（第二段周期增量) vd513 2000(第二段脈

18、沖數(shù)） vw517 100（第三段初始周期） vw519 1(第三段周期增量） vd521 200（第三段脈沖數(shù)） vw525 300（第四段初始周期） vw527 0（第四段周期增量） vd529 1200（第四段脈沖數(shù)） vw533 300（第五段初始周期） vw535 1（第五段周期增量） vw537 200（第五段脈沖數(shù)） 表4.1多段pto包絡(luò)表 4.2.3 plc控制梯形圖主程序：子程序： 中斷子程序： 設(shè)計(jì)總結(jié)通過這次的課程設(shè)計(jì)，讓我受益匪淺。在課程設(shè)計(jì)期間通過與同學(xué)們之間的交流和老師的指導(dǎo)，使自己學(xué)到了不少知識。除了學(xué)會了西門子s7200 的基本知識，并掌握了s7200的工作原理和一些指令的功能以外，還掌握了變頻器的使用方法，并且深化了我對plc控制技術(shù)的理解。在這次課程設(shè)計(jì)中我覺得最重要的就是要有自學(xué)能力，因?yàn)檫@次實(shí)訓(xùn)中有部分知識我們之前還沒有接觸過，所以自己必須學(xué)會查找相關(guān)的資料。另外就是在遇到實(shí)際問題的時候，要認(rèn)真思考，運(yùn)用所學(xué)的知識，一步一步的去探索，是完全可以解決遇到的一般問