滚珠丝杠专业课程设计.doc

本 科 生 专 业 课 程 设 计

（ 届）
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目 录
专业课程设计计算阐明书 3
原始数据 3
一、系统总体方案设计 3
二、机械系统设计计算 4
三、控制系统设计 19

专业课程设计计算阐明书
原始数据
设计一台微机控制XY两坐标工作台，采用MCS-51单片机控制，控制方式采用步进电机开环控制。其她参数如下：
脉冲当量
mm/step
定位精度
mm
最大移动速度
m/min
工作台尺寸
mm
进给抗力
N
工作台行程
mm
台面上最大物重质量
kg
X
Y
0.005
0.04
1
100*150
500
320
225
45
一、系统总体方案设计
步进电动机
减速器

滚珠丝杠
步进电动机
减速器
工作台
滚珠丝杠
X方向传动机构
Y方向传动机构
微型机
机电接口

驱动电路
人机接口
由设计任务书知，本次设计可采用如下方案：

（一）机械系统
1、 传动机构采用滚珠丝杠副与齿轮或带减速。
2、 导向机构采用滚动直线导轨。
3、 执行机构采用步进电机。
（二）接口设计
1、人机接口
（1）采用键盘或BCD码盘作为输入。
（2）采用LED作为电源等批示标志。
（3）采用蜂鸣器或扬声器作为警报装置。
（4）采用数码管作为显示屏。
2、机电接口
采用光电偶合器作为微型机与步进电动机驱动电路接口，实现电气隔离。
（三）伺服系统设计
本次设计系统精度规定不高，载荷不大，因而采用开环控制。
（四）控制系统设计
微型机
接口电路
功放电路
执行元件
机械传动
执行机构
开环控制流程图
1、控制某些方案选取
控制方案不外乎三种：开环控制、半闭环控制、闭环控制。
CPU
光偶
驱动器
步进电机
人机接口
速度位移
显示、报警
开环控制原理图
上图为最简朴“开环控制”，若在“机械传动”机构中引出反馈控制某些，再通过比较放大则为“半闭环控制”。如若是在“机械执行机构中引出反馈则为闭环控制。
采用步进电机来实现驱动，普通状况下多采用开环控制。由于步进电机输出转角与控制器提供脉冲数有着正比关系，电机转速与控制器提供脉冲频率成正比。因而普通在精准度规定不是很高时，采用步进电机是合理。固然，由于步进电机具备高频易失步，负载能力不强缺陷。
二、机械系统设计计算
（本次设计若未作特殊阐明，其中表与图均来自：由郑堤主编《机电一体化设计基本》）
（一）初选步进电动机
依照已知条件：X、Y方向脉冲当量分别为：

即脉冲当量较小，因而这里选用反映式步进电动机。其特点是：步距角小，运营频率高，价格较低，但功耗较大。
结论：初选步进电机型号为：90BF5-1.5，其有关参数如下：
机座号
型号
相数
电压V
电流A
步距角°
90
90BF5-1.5
5
60/12
5
1.5/0.8
步距角误差’
空载运营频率
转子转动惯量10-5kg.m2
重量kg
空载启动频率Hz
最大静转矩N.m
10
约1
0.08
0.22
2500
1.96
并采用单双相通电方式，因而步距角。
1、步进电动机脉冲频率计算
典型工况下，步进电动机脉冲频率分别为：

2、步进电动机驱动转矩计算
典型工况下，步进电动机驱动转矩分别为：

按图5-7查得：
3、步进电动机驱动力计算
典型工况下，步进电动机驱动力分别为：

驱动力远不不大于进给抗力，因此所选步进电动机满足使用规定。
（二）计算减速器传动比
减速器传动比：

初取滚珠丝杠：
公称直径
导程
20
4
此时：

按图5-33，选一级齿轮传动。
（三）齿轮机构设计

机械传动效率概略值（供参照）
类型
V带传动
联轴器传动
圆柱齿轮传动
一对滚动轴承
丝杠螺母副
符号
ηv
ηc
ηg
ηb
ηs
效率
0.94~0.97
0.97~0.995
0.96~0.99
0.98~0.995
0.90~0.95
初选效率为0.8。

可见，系统传递功率很小，在规定不高时，后来各步计算可省略。并采用经验法来设计各元部件。但为练习计算过程，本次设计采用分析计算来设计。
1、齿轮传动机构基本参数
传递功率(w)
小齿轮转速n1 (r/min)
传动比
一天运转时间(h)
工作寿命（年）
传动效率
转向
工况
10.4
444
16/9
8
5
0.975
不变
平稳
其中小齿轮转速：
）
2、选取材料及拟定许用应力
小齿轮材料选取45钢（表面淬火），硬度为45HRC
大齿轮材料为45钢（调质）硬度为220HBS
小齿轮接触疲劳强度极限（淬火解决）
大齿轮接触疲劳强度极限
安全系数和
安全系数
软齿面
硬齿面
重要传动、渗碳淬火齿轮或锻造齿轮

1.0~1.1
1.1~1.2
1.3

1.3~1.4
1.4~1.6
1.6~2.2

取安全系数

小齿轮弯曲疲劳强度极限
大齿轮弯曲疲劳强度极限
取

3、按齿面接触强度设计
设齿轮按7级精度制造。取载荷系数1.1，齿宽系数，

取；大齿轮齿数：
模数；取原则值 m=0.8
拟定中心距

齿宽： b=
取
4、验算轮齿弯曲强度
齿形系数

校验成果：安全。
5、齿轮圆周速度

选用7级精度是安全。
为以便与电机轴配合，对齿轮作如下修改：
取；大齿轮齿数：
中心距：

齿宽： b=
取
（四）滚珠丝杠选取
1、滚珠丝杠工作长度计算

X方向丝杠工作长度：
X方向丝杠工作载荷：
Y方向丝杠工作长度：
Y方向丝杠工作载荷：
令两方向丝杠工况均为：每天开机6小时；每年300个工作日；工作8年以上。
丝杠材料：CrWMn钢；滚道硬度为58~62HRC；丝杠传动精度为。
平均转速n=125r/min（）
2、计算载荷求解

查《机电一体化设计基本》表2-6；2-7；2-8，查表2-4取C级精度。
表2-6 载荷系数
载荷性质
无冲击平稳运转
普通运转
有冲击和振动运转

1~1.2
1.2~1.5
1.5~2.5
表2-7 硬度系数
滚道实际硬度
≥58
55
50
45
40

1.0
1.11
1.56
2.4
3.85
表2-8 精度系数
精度级别
C、D
E、F
G
H

1.0
1.1
1.25
1.43

3、额定动载荷计算计算
寿命：

4、滚珠丝杠副选取
假设选用FC1型号，按滚珠丝杠副额定动载荷等于或稍不不大于原则，选汉江机床厂出品-2.5，，
其参数如下：

滚珠直径
滚道半径
偏心距
丝杠内径
5、稳定性验算
1） 由于一端轴向固定长丝杠在工作时也许会发生失稳，因此在设计时应验算其安全系数S，其值应不不大于丝杠副传动构造容许安全系数[S]（见表2-10）
丝杠不会发生失稳最大载荷称为临界载荷（N）按下式计算：

式中，E为丝杠材料弹性模量，对于钢，E=206GPa；l为丝杠工作长度（m）；Ia为丝杠危险截面轴惯性矩（m4）；为长度系数，见表2-10。
依题意，
取，则

安全系数

查表2-10，[S]=2.5~3.3。S>[S]，丝杠是安全，不会失稳。
2） 高速长丝杠工作时也许发生共振，因而需验算其不会发生共振最高转速——。规定丝杠最大转速
临界转速（r/min）：

该丝杠工作转速
3） 滚珠丝杠副还受值限制，普通规定

因此该丝杠副工作稳定。
6、刚度验算
滚珠丝杠在工作负载F（N）和转矩共同作用下引起每个导程变形量为

式中，A为丝杠截面积，；为丝杠极惯性矩，；G为丝杠切变模量，对钢；为转矩。

式中，为摩擦角，其正切函数值为摩擦系数；为平均工作负载。本题取摩擦系数为,则。

按最不利状况取（其中）

则丝杠在工作长度上弹性变形所引起导程误差为

普通规定丝杠导程误差应不大于其传动精度1/2，即

，该丝杠满足刚度规定。
7、效率验算
滚珠丝杠副传动效率为
%
规定在90%~95%之间，因此该丝杠副合格。

（五）滚动直线导轨选取
1、已知参数
滑座上载荷
滑座个数M
单向行程长度
每分钟往复次数
441N
2个
440mm
4次
每天工作
一年工作日数
寿命

6小时
300天
5年

2、导轨额定寿命计算

由公式2-10：

得：
因滑座数M=2，因此每根导轨上使用1个滑座，由表2~15-2~18拟定

由式2-9：

得：

查《机械电子工程专业课程设计指引书》表3-19，选LY25AL，其基本额定载荷为：
，能满足使用规定。
（六）计算系统转动惯量
1、电动机轴上总当量负载转动惯量计算
小齿轮转动惯量
大齿轮转动惯量
丝杠转动惯量
将各传动件转动惯量及工作台质量折算到电动机轴上，得总当量负载转动惯量：

2、惯量匹配验算

满足规定，惯量匹配比较合理。
3、步进电动机负载能力校验
（1）步进电动机轴上总惯量

（2）空载启动时，电动机轴上惯性转矩

（3）电动机轴上当量摩擦转矩

其中伺服进给传动链总效率取为
（4）设滚动丝杠螺母副预紧力为最大轴向载荷1/3，则因预紧力而引起折算到电动机轴上附加摩擦转矩为
（5）工作台上最大轴向载荷折算到电动机轴上负载转矩为

（6）空载启动时电动机轴上总负载转矩为

（7）在最大工作载荷下电动机轴上总负载转矩为

（8）按表5-5查得空载启动时所需电动机最大静转矩为

（9）按式5-39可求得在最大外载荷下工作时所需要电动机最大静转矩为

结论：
所选步进电动机启动转矩远不不大于所需要启动转矩，因而选取步进电机功能不能充分发挥。（为提高经济性，可重新选取。）
4、系统刚度计算
（1）按表5-8所列公式可求得丝杠最大、最小拉压刚度为

（2）假定丝杠轴向支承轴承通过预紧并忽视轴承座和螺母座刚度影响，按表5-9所列公式可求得丝杠螺母机构综合拉压刚度

（3）按式5-45可计算出丝杠最低扭转刚度为

5、固有频率计算
（1）丝杠质量为

（2）丝杠-工作台纵振系统最低固有频率为

（3）折算到丝杠轴上系统总当量转动惯量为

（4）如果忽视电动机轴及减速器中扭转变形，则系统最低扭振固有频率为

6、死区误差计算
设齿轮传动和丝杠螺母机构分别采用了消隙和预紧办法，则按式（5-59）可求得由摩擦力引起最大反向死区误差为：

，因而系统能满足单脉冲进给。
7、由系统刚度变化引起定位误差计算
按式（5-60）可求得由丝杠螺母机构综合拉压刚度变化所引起最大定位误差。

由于系统规定定位精度为，即容许定位误差为
因而，系统刚度满足定位精度规定。
三、控制系统设计
（一）微解决器选取
　　依照设计规定，系统控制重要功能是对步进电机脉冲频率及其分派控制。同步在实现这一主功能基本上，附带若干协助功能，如显示、预置、时间、键盘等。
结论：
1、系统对内存规定不高。
2、系统解决运算不是很复杂，对CPU计算速度规定不高。
3、为扩展键盘、显示、掉电保护等功能，规定系统提供较多口线和完善中断系统。
考虑到上面因素，这里可以采用市面供应充分，性能价格比较好AT89C52作为系统微解决器。其参数见下表：
AT89C52参数表
型号
ROM
串行口
晶振频率
封装
RAM
阐明
AT89C52
8K
UARK
12MHz
40DIP
256
与intel 80C32兼容
D0
cs
A1
39
AD0
D7
A2
WR
RD
8255
CPU
p00
p07
p27
p26
32
AD7
RD
WR
p25
图3-1扩展连线
（二）系统扩展
系统中采用键盘实现输入，并采用LED显示屏，它们均需要占用较多芯片口线，因此该系统是需要进行系统扩展。
可编程并行接口8255A是一种应用广泛并行接口扩展器件。它具备三个8位并行口PA、PB、PC由此提供了24条口线。
（三）键盘连接
p
K
Gnd
400Ω
VCC
8255
图3-2 单键接线图
键盘采用机械式按键构成。它属于常开类型，按图（3-2）接线，当键K按下时P口电位拉低。相反，K未准时，P口始终保持高电位。其中电路中电阻起限流作用，避免CPU被过大电流烧毁。键盘采用软件消抖。
（四）时钟芯片选取
为了实现时间显示，这里引入了时钟芯片DS12C887。
（五）可靠性设计
SPK
GND
图3-3 报警电路连线
1K
9012
P
CPU
VCC
为提高系统可靠性，在这里采用了MAX813L。这是由于AT89C52芯片内部未带WATCHDOG（系统正常工作监视器），因而若不加外部WATCHDOG，便会导致在工作电压过低时，系统浮现不正常运营，产生不良现实后果。
（六）掉电保护设计
掉电保护设计目是在断电或复位后，待系统恢复正常时，系统可以恢复到原先状态，实现继续运转功能。这样就规定将运营时重要参数得到保存。保存数据涉及，预置时“位移值”、“速度值”、“运营过程中已经走过位移量”。为实现这一种目，需要在系统中引入芯片AT24C01（E2PROM）。
（七）报警设计
报警装置可以是“警报灯”、“声音报警”、“声音和灯光共用”等形式，在实验室等安静环境中，声音报警是比较抱负办法。因而，依照实际状况，在该系统中采用“声音”报警。
（八）显示模块设计
TXD/P
1、2
LED
400Ω
3
13
1、2
8
8
400Ω
74LS164
74LS164
T×D/P
图3-4 显示模块
系统所需显示任务是数字显示，且显示数据量不大，因而在系统中采用数码管作为显示屏是可以满足任务。
系统中采用静态显示较为合理。在静态显示方式中，采用4LS164作为显示接口是比较通用办法，并且这种接口价格便宜，使用以便，CPU只要提供两条口线便可以实现稳定、高亮显示。
（九）步进电机驱动电路设计
步进电机驱动电路设计重要涉及脉冲分派器选取问题和驱动电路选则问题。
时下脉冲分派器重要有两种：一种是硬件脉冲分派器（国内重要有YB系列），另一种是软件脉冲分派器。软件脉冲分派器不需要额外电路，相应减少了系统成本，虽然这种办法占用了一定计算机运营时间，但是在该设备中计算机有足够资源来担当脉冲分派任务。该系统采用软件来进行脉冲分派更为合理。单片机与步进电机接口电路见图3-5
步进电机驱动电路采用斩波限流驱动方式，这种电路采用单一高压电源供电，以加快电流上升速度，并通过对绕组电流检测，控制功放管开和关，使电流在控制脉冲持续期间始终保持在规定值上下，这种电路出力大，功耗小，效率高，当前应用较广。
图3-5 单片机与步进电机接口电路
CPU
8255
PC2
PC1
PC0
R1
+5V
+15V
R2
GND