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1、滚珠丝杠螺母副的计算和选型（同名 22624）一、进给传动部件的计算和选型进给传动部件的计算和选型主要包括：确定脉冲当量、计算切削力、 选择滚珠丝杠螺母副、计算减速器、选择步进电机等。1、脉冲当量的确定根据设计任务的要求，X方向的脉冲当量为S x=0.005mm/脉冲，Z 方向为S z=0.01mm/脉冲。2、切削力的计算切削力的分析和计算过程如下：设工件材料为碳素结构钢，(7 b=650Mpa;选用刀具材料为硬质合金 YT15 ;刀具几何参数为：主偏角 k r=60。，前角丫 o=10,刃倾角 入s=-5 ;切削用量为：背吃刀量 ap=3mm，进给量 仁0.6mm/r，切 削速度 vc=10
2、5m/min。查表得：Cfc=2795，xfc=1.0，yFc=0.75，nFc=-0.15。查表得：主偏角K r的修正系数k k rFc=0.94；刃倾角、前角和刀尖圆 弧半径的修正系数均为1.0o由经验公式(32)，算得主切削力 Fc=2673.4N。由经验公式Fc：Ff: Fp=1 : 0.35 : 0.4，算得进给切削力Ff=935.69N，背向力 Fp=1069.36N。3、滚珠丝杠螺母副的计算和选型(1) 工作载荷Fm的计算已知移动部件总重 G=1300N ;车削力Fc=2673.4N，Fp=1069.36N, Ff=935.69N。根据 Fz=Fc，Fy=Fp，Fx=Ff 的对应
3、关系，可得： Fz=2673.4N，Fy=1069.36N, Fx=935.69N。选用矩形一三角形组合滑动导轨，查表，取K=1.15，卩=0.16，代入 Fm=KFx+y ( Fz+G )，得工作载荷 Fm=仃12N。(2) 最大动载荷Fq的计算设本车床Z向在最大切削力条件下最快的进给速度v=0.8m/min，初 选丝杠基本导程 Ph=6mm，则此时丝杠转速 n=1000v/Ri=133r/min。 取滚珠丝杠的使用寿命T=15000h,代入Lo=60nT/106，得丝杠系数 Lo=1 佃.7X 106r。查表，取载荷系数fw=1.15,再取硬度系数fH=1，代入式(3 23),求得最大动载
4、荷Fq= 3 L ofwfHFm=97O3N。(3) 初选型号根据计算出的最大动载荷，查表，选择FL4006型滚珠丝杠副。其公称直径为40mm，基本导程为6mm，双螺母滚珠总圈数为 3X2 圈=6圈，精度等级取四级，额定动载荷为13200N，满足要求。(4) 传动效率n的计算将公称直径d0=40mm，基本导程 Ph=6mm，代入入=arctan Ph/( nd0)，得丝杠螺旋升角入=2 44。将摩擦角 =10，代入n =tan 入/tan (入+ )，得传动效率n =94.2%。(5) 刚度的验算1) 滚珠丝杠副的支承，采取一端轴向固定，一端简支的方式，固定端采取一对推力角接触球轴承，面对面组
5、配。丝杠加上两端接杆后，左右支承的中心距离约为a=1467mm；刚的弹性模量E=2.1 x 105MPa ;查表，得滚珠直径Dw=3.9688mm,算得丝杠底径d2= 公称直径 d0滚珠直径 Dw=36.0312mm，则丝杠截面积 S= n2 2d2 /4=1019.64mm。2) 根据公式Z= ( n d0/Dw) -3,求得单圈滚珠数目Z = 29;该型号丝 杠为双螺母，滚珠总圈数为3X 2 = 6，则滚珠总数量Z e=29X6=174。滚珠丝杠预紧时，取轴向预紧力Fyj= Fm/3571N。则由式(3 27)，求得滚珠与螺纹滚道间的接触变形量S 20.00117mm。因为丝杠加有预紧力，
6、且为轴向负载的1/3，所以实际变形量可减小一半，取 S 2 = 0.000585mm。3) 将以上算出的S 1和S 2代入S总1+S 2,求得丝杠总变形量S 总=0.012555mm= 12.555卩 m。查表，4级精度滚珠丝杠任意300mm轴向行程内的变动量允许16卩m，而对于跨度为1497mm的滚珠丝杠，总的变形量S总只 有12.555mm，可见丝杠强度足够。4)压杆稳定性校核根据式(328)计算失稳时的临界载荷Fk。查表，取支承系数fk= 2;由丝杠底径d2= 36.0312mm,求得截面惯性径I =n d24/64 82734.15mm4;压杆稳定安全系数K取3;滚动螺母至轴向固 定处
7、的距离a取最大值1497mm。代入式(3-28)，得临界载荷Fk51012N，远大于工作载荷Fm (仃12N)，故丝杠不会失稳。 综上所述，初选的滚珠丝杠副满足使用要求。4、同步带减速箱的设计为了满足脉冲当量的设计要求和增大转矩，同时也为了使传动系统的负载惯量尽可能的减小，传动量中长使用减速传动。设计同步减速箱需要的原始数据有：带传递的功率P,主动轮转速n1和传动比i,传动系统的位置和工作条件等。(1) 传动比i的确定已知电动机的步距角a = 0.72,脉冲当量S z= 0.01mm/脉冲，滚珠丝杠导程Ph = 6mm。根据式(312)算得传动比i= 1.2。(2) 主动轮最高转速n1由纵向床
8、鞍的最快移动速度 vzmax = 6000mm/min，可以算出主动轮最高转速 “1=( VzmaX S z)x a /360=1200r/min。(3) 确定带的设计功率Pd预选的步进电动机在转速为1200r/min时，对应的步进脉冲频率为 fmax= 1200X 360/ (60X a )= 10000Hz。(4) 选择带型和节距pb根据的带的设计功率Pd=0.574kW和主动轮最高转速n1 =1200r/min，选择同步带型号为 L型节距pb= 9.525mm。(5) 确定小带轮齿数Z1和小带轮节圆直径d1取Z1 = 15，则小带轮节圆直径 d1 = pb Z1/n = 45.85mm。
9、当n1达到最高转速1200r/min时同步带的速度为 v= n di ni( 60X 1000)=2.86m/s,没有超过L型带的极限速度35m/s。(6) 确定大带轮齿数Z2和大带轮节圆直径d2大带轮齿数Z2= i pb= 18,节圆直径d2= idi = 54.57mm。(7) 初选中心距ao、带的节线长度Lop、带的齿数Zb初选中心距 ao= 1.1(di+d2)= 110.06mm,圆整后取 ao= 110mm。 则带的节线长度 Lop心 2 ao+ n /2 ( d1+d2) +(d2-d1)/4 ao = 377.33mm。查表，选取接近的标准节线长度 Lop= 381mm,相 应
10、齿数Zb=40o(8) 计算实际中心距a实际中心距 aao+ (Lp-Lop) /2= 111.835mmo(9) 校验带与小带轮的啮合齿数 Zmzm = ent Z1/2pb Z1/2 n 2a (Z2 Z1) = 7,啮合齿数比 6 大，满足要求。(ent表示取整)。(10) 计算基准额定功率Po2Po=( Ta mv ) v/1000其中，Ta带宽为bs0时的许用工作拉力。m带宽为bso时的单位长度的质量。v同步带的带速。算得 Po= 0.697kW。(11) 确定实际所需同步带宽度 bs1/1 14bs bso ( Pd/KzP0)其中，bso选定型号的基准宽度。Kz小带轮啮合齿数系数
11、。由上式求得bs21.42mm,选定最接近的带宽bs= 25.4mm。(12) 带的工作能力计算计算同步带额定功率P的精确值：P=( KzKwTa bs/ bscmv2) vX 10-3经计算得 P = 0.697kW，而Pd= 0.574kW，满足P Pd。所以，带的工作能力合格。5、步进电动机的计算和选型(1) 计算加在步进电动机转轴上的总转动惯量Jeq.22Jeq Jm+Jzl+ (Jz2+Jw+Js) /i 其中，Jm 33 kg.cm2Jzi 0.95 kg.cm22Jz2 1.99 kg.cm2Jw 1.21 kg.cm2Js 30.78 kg.cm(2) 计算加在步进电动机转轴上
12、的等效负载转矩TeqT eq1 T amax+T fT amax 2 n Jeq nm/60taX 1/n其中，nm步进电动机的最高转速。ta 步进电动机由静止到nm转速所需的时间。又 nm Vmax a /360 Sta 0.4s, n 0.7,所以，Tamax 2n X 57.55X 10-4X 1200/( 60 X 0.4 X 0.7)N.m 2.58 N.mTf卩(Fc+G) Ph/ (2n n i)其中，卩一一导轨的摩擦系数，滑动导轨取0.16。Fc工作负载。n 传动链总效率，取0.7。所以，Tf 0.16X( 0+1300)X 0.006/ (2n X 0.7X 1.2)N.m
13、0.24 N.m所以，T eq1 T amax+ T f 2.82 N.mT eq2= Tt+ TfTt=FfPh/( 2n n i) 935.69X 0.006/(2 n X 0.7X 1.2) N.m 1.06 N.mTf卩(Fc+G) Ph/ (2n n i) 0.16X( 2673.4+1300)X 0.006/ (2nX 0.7 X 1.2)N.m 0.72 N.m所以，Teq2= Tt+ T尸 1.78 N.m经过上述计算后，Teq= max Teqi, Teq2)= 2.82 N.m(3) 步进电动机最大静转矩的选定步进电动机最大静转矩 Tjmax4 Teq= 4X 2.82 N
14、.m= 11.28 N.m, 可见对于预选的步进电动机完全满足工作要求。(4) 步进电动机的性能校核1) 最快工进速度时电动机输出转矩校核最快工进速度vmaxf= 800mm/min，脉冲当量S = 0.01mm/脉冲，可以求出fmaxf= 1333Hz，由此可知，在此频率下，电动机的输 出转矩TmaxfQ仃N.m，满足工作要求。2) 最快空载移动时电动机输出转矩校核最快空载移动速度Vmax 6000mm/min，可以求出fmax 10000Hz，由此可知，在此频率下，电动机的输出转矩Tmax，满足工作要求。3) 最快空载移动时电动机运行频率校核最快空载移动速度 vmax=6000mm/min
15、，对应的电动机运行频率 fmax=10000Hz。查表可知，运行频率没有超过上限。4) 起动频率的计算已知电动机转轴上的总转动惯量 Jeq2,电动机转子自 身的转动惯量 Jm=33 kg.cm2，查表可知，最高空载起动频率 fq=1800Hz。可以求出步进电动机克服惯性负载的起动频率为：1/2fL=fq/ ( 1+Jeq/Jm)=1087Hz由此可知，进给系统选用的步进电动机可以满足设计要求。6、同步带传递功率的计算 分两种情况分别进行校核：(1) 快速空载起动电动机从静止到nm=1200r/min，由式(6-5)可知，同步带传递 的负载转矩Teq1，传递的功率为 P=nm Teq”9.55=
16、1200X 2.82/9.55W 354.3W(2) 最大工作负载，最快工进速度由式(6-7)可知，带需要传递的最大工作负载转矩 Teq2, 任务书给定最快工进速度vmaxf=800mm/min，对应电动机转速nmaxf= ( Vmaxf/ S z) a /360=160r/min。传递 的功 率为 P=nmaxfTeq2/9.55=160X 1.78/9.55W 29.8W。由计算可知：两种情况下，同步带传递的负载功率均小于带的额 定功率0.697kW。因此，选择的同步带功率合格。二、绘制进给传动机构的装配图完成滚珠丝杠螺母副、减速箱和步进电动机的计算、选型后，就 可以绘制进给传动机构的装配
17、图了。但要注意以下问题：(1) 了解原车床的详细机构；(2) 根据载荷特点和支承方式，确定丝杠两端轴承的型号、轴承座的结构，以及轴承的预紧和调节方式；(3) 考虑各部件之间的定位、联接和调整方法；(4) 考虑密封、防护、润滑以及安全结构问题等；(5) 在进行各零部件设计时，应注意装配的工艺性，考虑装配的顺序，保证安装、调试和拆卸的方便等；(6) 注意绘制装配图时的一些基本要求。三、控制系统硬件电路设计根据任务书的要求，设计控制系统的硬件电路主要考虑以下功能：(1) 接收键盘数据，控制LED显示；(2) 接收操作面板的开关与按钮信号；(3) 接收车床限位开关信号；(4) 接收螺纹编码器信号；(5
18、) 接收电动卡盘夹紧信号与电动刀架刀位信号。(6) 控制步进电动机的驱动器；(7) 控制主轴的正转、反转与停止；(8) 控制多速电动机，实现主轴有级变速；(9) 控制交流变频器，实现主轴无级变速；(10) 控制切削液泵启动/停止；(11) 控制电动卡盘的夹紧与松开；(12) 控制电动刀架的自动选刀；(13) 与PC机的串行通信。四、步进电动机驱动电源的选用电动机为五相混合式，五线输出，电动机供电电压DC120310V，电流 5A。五、控制系统的部分软件设计1、存储器与I/O芯片地址分配2、控制系统的监控管理程序系统设有7档功能可以相互切换，分别是编辑、空刀、自动、手 动1、手动2、手动3、和回
19、零，选中某一功能时，对应的指示 灯点亮，进入相应的功能处理。控制系统的监控管理程序流程图 如下所示：3、8255芯片初始化子程序B255:MOV DPTR,#3FFFHMOVA,#10001001BMOVXDPTR,AMOVDPTR,#3FFCHMOVA,#0FFHMOVXDPTR,AMOVDPTR,#3FFDHMOVA,#0FFHMOVXDPTR,ARET4、8279芯片初始化子程序B279: MOV DPTR,#5FFFHMOV A,#0CFHMOVX DPTR,AWAIT:MOVX A,DPTRJB ACC.7,WAITMOV A,#08HMOVX DPTR,AMOV A,#34HMOV
20、X DPTR,ARET5、8279控制LED显示子程序设显示缓冲区的首地址为 6BH，系统在指定的工作状态下，需要显示的字符段码的编码，事先存储在CPU内部RAM的6BH73H这九个字节中。已知 8279的控制口地址为 5FFFH, 数据口地址为5FFEH,则显示程序如下：DIR:MOV DPTR,#5FFFHMOVA,#90HMOVX DPTR,AMOVR0,#6BHMOVR7,#09HMOVDPTR,#5FFEHDIR0:MOVA,R0ADDA,#05HMOVCA,A+PCMOVX DPTR,AINCR0DJNZR7,DIR0RETDTAB:DB 6FHDB 0DAHDB 0BEHDB 0
21、E7HDB0A3HDB0CBHDB0D1HDB0D3HDB0DCHDB0CEHDB0DFHDB21HDB7BHDB91HDB19HDB4BHDB0DHDB05HDB69HDB01HDB09HDB20HDB7AHDB90HDB18HDB4AHDB0CHDB04HDB68HDB00HDB 08H当需要显示一组字符时，首先给显示缓冲区的6BH73H这九个字节赋值，然后调用DIR子程序即可，程序如下：MOV 6BH,#02HMOV 6CH,#03HMOV6DH,#0AHMOV6EH,#0CHMOV6FH,#0DHMOV70H,#0EHMOV71H,#19HMOV72H,#10HMOV73H,#11HC
22、ALLDIR6、8279管理键盘子程序当矩阵键盘有键按下时，8279即向CPU的INT1申请中断，CPU随即执行中断服务程序，从 8279的FIFO中读取键值，程序如下：CLREX1MOVDPTR,#5FFFHMOVA,#01000000BMOVXDPTR,AMOVDPTR,#5FFEHMOVXA,DPTRCJNEA,#KEY0,NEXT0JMP_KEY0NEXT0:CJNEA,#KEY1,NEXT1JMP_KEY1NEXT1:CJNEA,#KEY2,NEXT2JMPKEY2NEXT2:7、 D/A电路输出模拟电压程序当CPU执行写指令时，只要选中 7FFFH这个地址，DAC0832 与741
23、组成的D/A转换电路即可输出直流电压。程序如下：MOV DPTR,#7FFFHMOV A,#DATAMOVX DPTR,A8、主轴、卡盘与切削液泵的控制程序主轴的正转由8255的PA0来控制，当用低电平信号来控制 主轴正转时，程序如下：MOV DPTR,#3FFCHMOVX A,DPTRCLR ACC.0MOVX DPTR,A六、课程设计心得体会时间过得真快，转眼间机电一体化课程设计马上就要结束了，通过 这二十来天的实习，让我看到了自己的许多不足，也使我学到了许 多东西。以前我认为自己理论知识学得很认真，应该很扎实，但通过 这些天的实习我才发现，自己不但理论知识与实践结合不到一起， 而且最基本的理论知识都没有记住多少。所以这次课程设计我遇 到的问题很多，我都是通过查阅课外资料解决的。所以在大学的 最后日子里，我一定要好好复习一下以前学过的知识，为自己以 后的工作、学习打下良好的基础。总体来说，这次课程设计更多的是让我学到了不少东西，包括学习方面，也包括生活方面。学习上的是，它让我把以前的一 些知识复习了一下。生活上的是，它锻炼了我的意志，为我以后 刻苦努力地工作打下了基础。七、参考文献机电一体化课程设计指导书