滾珠絲杠螺母副的設(shè)計

1、目錄 前言 滾珠絲杠螺母副的設(shè)計 軸承選擇 電機選擇 設(shè)計總結(jié) 參考文獻 前言機電一體化是以機械技術(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。機電一體化使機械工業(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“機械電氣化”邁入了以“機電一體化”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)控機床的產(chǎn)生。數(shù)控機床是指機床的操作命令以數(shù)值數(shù)字的形式描述工作

2、過程按規(guī)定的程序自動進行的機床。隨著微電子技術(shù)，特別是計算機技術(shù)的發(fā)展，數(shù)控機床迅速地發(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，提高對動態(tài)多變市場的適應(yīng)能力和競爭能力。此外世

3、界上各工業(yè)發(fā)達國家還將數(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行封鎖和限制政策?？傊罅Πl(fā)展以數(shù)控技術(shù)為核心的先進制造技術(shù)已成為世界各發(fā)達國家加速經(jīng)濟發(fā)展、提高綜合國力和國家地位的重要途徑。此次 “機電一體化課程設(shè)計”主要簡單設(shè)計出數(shù)控機床系統(tǒng)，其實離實際真正工業(yè)用數(shù)控機床還有很大的距離。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1.1 確定滾珠絲杠副的導(dǎo)程Ph=8.3mm取Ph=10mmPh：滾珠絲杠副的導(dǎo)程mmVmax：工作臺最高移動速度nmax

4、：電機最高轉(zhuǎn)速i：傳動比因電機與絲杠直聯(lián)，i=1Vmax=10m/min ，nmax= 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+0.01×833=4583.3NFmin=0.01×833=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=Cam：預(yù)期額定動載荷N

5、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，按最大負載Fmax計算：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µm已知：重復(fù)定位精度 6µm, 定位精度12µmm=2 m=3 m =3 取兩種結(jié)果的小值m=2µm1.4.2 估

6、算最小螺紋底徑絲杠要求預(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=1.1×350+10×10=485mm靜摩擦力F0=mg=0.01×85×9.8=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=30000>Cam=28362N, d2=39.5mm>d2m=1.7mm1

7、.6 確定滾珠絲杠副預(yù)緊力Fp=Fmax=×4583.3=1527.8N1.7 行程補償值與與拉伸力1.7.1 行程補償值C=11.8tLu×10-6式中：Lu =350+148+2×30=558mmt取2.5°C代入得C=17m1.7.2 預(yù)拉伸力Ft=1.95td22=1.95×2.5×34.32=5735.4N1.8 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

8、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)加負荷3300NFBP=1527.8N1.8.5 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1.9.1絲杠螺紋長度Ls：由表查得余程Le=40Ls=Lu+2Le=560+2×40=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 行程起點離固定支承距離L0L0=L2+B=15+15=30mm2 電機選擇2.1 參數(shù)計算2.1.1 功率P=Fv=

9、900W2.1.2 負載轉(zhuǎn)動慣量JL（kg·m2）及傳動系統(tǒng)轉(zhuǎn)動慣量J（kg·m2）的計算JL=Ji（）2+mj()2式中JL，ni為各旋轉(zhuǎn)件的轉(zhuǎn)動慣量（kg·m2）和轉(zhuǎn)速（r/min） mj,vj為各直線運動件的質(zhì)量（kg）和速度（m/min） Jm,nm為電機的轉(zhuǎn)動慣量（kg·m2）和轉(zhuǎn)速（r/min） JL=20kg·cm22.1.3 力矩計算空載啟動時，折算到電機軸上的加速力矩TamaxTamax=0.125N·M折算到電動機上的摩擦力矩TtTt=×10-3=×10-3=0.0165N·m由于絲杠

10、預(yù)緊力引起和折算到電動機軸上的附加摩擦力矩T0T0=×10-3=×10-3=3.29N·m總力矩 Tm= Tamax+ Tt+ T0=3.43N·m2.2 型號選擇根據(jù)轉(zhuǎn)動慣量和力矩選擇電機型號為120MB150B-0010002.3 聯(lián)軸器選擇根據(jù)電動機軸徑，力矩等因素選擇聯(lián)軸器LK11-126K-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=6.6×102Ksmin ：最小抗壓剛度N/md2：絲杠底徑L1：固定支承距離代入得 Ksmin=6.6××102=1001.9N/m3.1.2

11、 絲杠最大抗壓剛度Ksmax=6.6××102=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=2×2.34× 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Kb=2KBO=2×1076=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

12、 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 剛度驗算及精度選擇3.3.1 驗算傳動系統(tǒng)剛度=+=+=2.7×10-3N/mKmin=370=+=1.9×10-3N/mKmax=526F0=w1=0.01×85×9.8=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（-）=6.6×10-3m3.3.3 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

13、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-P3/945×6403.4 驗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不用驗算3.5 驗算滾珠絲杠副的臨界轉(zhuǎn)速nc（r/min）nc=f×107f:與支承形式有關(guān)的系數(shù)d2：絲杠底徑mmLc2：臨界轉(zhuǎn)速計算長度mm由表得 f=21.9d2=34.3mmLc2=L1-L0=775-30=745mm代入得 nc=21.9×

14、×107=13534>nmax=1200r/min3.6 驗算DnDpw=d2+Dw=34.3+7.144=34.444mmDn=Dpw·nmax=34.444×1200=41332.8<70000Dpw: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驗算fsFamaxCoafs一般為1.5Coa=50.2kN=66300NFamax=870N/m1.5×8700=13050<663003.8 強度計算d22Famaxd2許用應(yīng)力（N/mm2）取=726N/mm2d2=3.91mm 驗算合

15、格 4控制系統(tǒng)的設(shè)計4.1控制系統(tǒng)PLC與變頻器，編碼器，交流電機連線圖的設(shè)計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)計和先進的制造管理技術(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選型要根據(jù)功率、轉(zhuǎn)速、電壓等級、應(yīng)用場合、放水標準等條件選擇，交流電機控制非常簡單，運用變頻器，軟啟動器或直接啟動都可以控制，直流電機控制現(xiàn)在也不是很復(fù)雜，只是

16、直流電機不能做到交流電機的免維護，故障率稍高，如果工作條件差還是建議使用交流電機。一般直流電機比交流電機造價高，但直流電機機械特性要稍好于交流電機。不過現(xiàn)在采用矢量變頻控制技術(shù)的交流電機已經(jīng)和直流電機特性已經(jīng)非常接近。單相300VAC和3相400VAC機種內(nèi)置有噪音濾波器，因此無需外部配線。 圖4.2交流電機接線示意圖圖4.3控制回路端子連接示意圖交流電機是用于實現(xiàn)機械能和交流電能相互轉(zhuǎn)換的機械。由于交流電力系統(tǒng)的巨大發(fā)展，交流電機已成為最常用的電機。交流電機與直流電機相比，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。交流電機功率的覆蓋范圍很大

17、.交流電機按其功能通常分為交流發(fā)電機、交流電動機和同步調(diào)相機幾大類。由于電機工作狀態(tài)的可逆性，同一臺電機既可作發(fā)電機又可作電動機。把電機分為發(fā)電機與電動機并不很確切，只是有些電機主要作發(fā)電機運行，有些電機主要作電動機運行。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4.2.1軟件流程圖 課程設(shè)計的要求是加速-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程序計算 假設(shè)電機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10

18、0，第一段加速脈沖400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。圖4.6 步進電機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)步進電機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(

19、第二段脈沖數(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)計總結(jié)通過這次的課程設(shè)計，讓我受益匪淺。在課程設(shè)計期間通過與同學(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)計中我覺得最重要的就是要有自學(xué)能力，因為這次實訓(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。另外就是在遇到實際問題的時候，要認真思考，