《機電一體化機械系統(tǒng)設(shè)計》課程設(shè)計計算說明書目 錄第一章：直線移動機構(gòu)模塊的設(shè)計 錯誤!未定義書簽1．工作臺的選擇 錯誤!未定義書簽2．滾動導(dǎo)軌副的選擇計算和校核 錯誤!未定義書簽3．滾珠絲杠副的設(shè)計計算和校驗 錯誤!未定義書簽4．軸承的選擇計算 錯誤!未定義書簽第二章：步進電機的選擇 錯誤!未定義書簽1.脈沖當(dāng)量的選擇 錯誤!未定義書簽2.等效轉(zhuǎn)矩的計算 錯誤!未定義書簽3．系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動慣量的折算 錯誤!未定義書簽4．步進電動機的選擇 錯誤!未定義書簽5.一級齒輪的設(shè)計計算 錯誤!未定義書簽第三章：控制系統(tǒng)的設(shè)計 錯誤!未定義書簽1.控制器選型及存儲器擴展分析 錯誤!未定義書簽2.系統(tǒng)功能選擇實現(xiàn) 錯誤!未定義書簽3.系統(tǒng)狀態(tài)顯示 錯誤!未定義書簽4.系統(tǒng)端口分配方式 錯誤!未定義書簽5.軟件編程算法實現(xiàn) 錯誤!未定義書簽第四章：程序執(zhí)行流程 錯誤!未定義書簽第五章：控制流程圖 錯誤!未定義書簽第六章：機械進給系統(tǒng)的建模與仿真 錯誤!未定義書簽心得體會 錯誤!未定義書簽參考文獻 錯誤!未定義書簽第一章：直線移動機構(gòu)模塊的設(shè)計1．工作臺的選擇根據(jù)設(shè)計要求初選工作臺為，密度7.81，質(zhì)量約為14Kg。

2．滾動導(dǎo)軌副的選擇計算和校核滾動直線導(dǎo)軌副是在滑塊與導(dǎo)軌之間放入適當(dāng)?shù)匿撉?，使滑塊與導(dǎo)軌之間的滑動摩擦變?yōu)闈L動摩擦，大大降低二者之間的運動摩擦阻力，從而獲得動、靜摩擦力之差很小，隨動性極好，即驅(qū)動信號與機械動作滯后的時間間隔極短，有益于提高數(shù)控系統(tǒng)的響應(yīng)速度和靈敏度 驅(qū)動功率大幅度下降，只相當(dāng)于普通機械的十分之一 與V型十字交叉滾子導(dǎo)軌相比，摩擦阻力可下降約40倍 適應(yīng)高速直線運動，其瞬時速度比滑動導(dǎo)軌提高約10倍 能實現(xiàn)高定位精度和重復(fù)定位精度 能實現(xiàn)無間隙運動，提高機械系統(tǒng)的運動剛度成對使用導(dǎo)軌副時，具有“誤差均化效應(yīng)”，從而降低基礎(chǔ)件（導(dǎo)軌安裝面）的加工精度要求，降低基礎(chǔ)件的機械制造成本與難度導(dǎo)軌副滾道截面采用合理比值的圓弧溝槽，接觸應(yīng)力小，承接能力及剛度比平面與鋼球點接觸時大大提高，滾動摩擦力比雙圓弧滾道有明顯降低導(dǎo)軌采用表面硬化處理，使導(dǎo)軌具有良好的可校性；心部保持良好的機械性能 簡化了機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計和制造滑塊可選用基本尺寸為，導(dǎo)軌副材料的選擇為灰鑄鐵HT200，因為它的耐磨性和減震性好，熱穩(wěn)定性好，容易鑄造和切削加工，成本較低因設(shè)計任務(wù)要求，選用四塊這樣的滑塊組成雙排導(dǎo)軌，則總質(zhì)量約為：。

2．1滾動體的尺寸和數(shù)目 滾動體的直徑越大，滾動摩擦系數(shù)就越小，摩擦阻力也就越?。粷L動體的直徑過小，不但摩擦阻力會加大，而且會產(chǎn)生滑動的現(xiàn)象因此在不受限制的情況下滾動體的直徑越大越好，本次選擇滾珠直徑8mm，查文獻[3]式5-6有：其中，Z 為滾珠數(shù)目；G運動部件的重力，單位N；D為滾珠直徑，單位mm則：，所以選每一導(dǎo)軌滑塊上滾珠的數(shù)目為72．2滾動導(dǎo)軌副的強度計算強度的判斷條件是判別受力最大的那個滾動體上的載荷是否超過了許用載荷如果一條導(dǎo)軌上承受一個作用在導(dǎo)軌面上的力和力矩，則受力最大的滾動體就是位于最外側(cè)的查文獻[3]式6-5可得在一個滾動體上的許用載荷： 其中，對于淬火鋼珠鑄鐵導(dǎo)軌=125N/；對HT200導(dǎo)軌，導(dǎo)軌材料的硬度系數(shù)；則： 由此可知強度滿足2.3校核導(dǎo)軌副的壽命由文獻[1]式3-22得：其中，為工作時間壽命，單位h； 為工作的有效行程長度，單位m； 為每分鐘往復(fù)的次數(shù)，單位：次/min代入數(shù)據(jù)得： 因有四個滑塊，所以每一導(dǎo)軌上使用兩個滑塊，則：由文獻[4]表3-14和3-17確定以下系數(shù)：其中，K為壽命系數(shù)，一般取50km；F滑塊的工作載荷，單位N；為硬度系數(shù)，=；為溫度系數(shù)，=1；為接觸系數(shù)，=；為負荷系數(shù)，=1.5。

而且；所以：；即 17500N，選用漢江機床廠HJG-D25有線導(dǎo)軌，查文獻1表3-14至3-17得HJG-25型導(dǎo)軌的，，所用的導(dǎo)軌能滿足壽命要求3．滾珠絲杠副的設(shè)計計算和校驗：3.1初選滾珠絲杠 根據(jù)設(shè)計任務(wù)，滾珠絲杠直徑初定為25mm，導(dǎo)程Ph=8mm ，制造精度為3級3.2絲桿的轉(zhuǎn)速=，其中：為機械傳動速度，單位是mm/min則：=；r/min3.3行程補償值滾珠絲桿的熱變形將導(dǎo)致長度，定位精度的變化，可由下面的方法進行補償：其中：為溫度上升值，一般為??； 為有效行程，單位是；則： 3.4兩端固定支撐方式的預(yù)拉伸補償熱變形在采用兩端固定安裝方式時，還要采用絲桿預(yù)拉伸的方法來進一步補償熱變形，預(yù)拉伸為：式中： E為彈性模量，； d為絲桿公稱直徑，mm；故：N 3.5滾珠絲桿副軸向載荷的計算（參考文獻[5]的P.101--P.103]）式中：為滾珠絲桿副的摩擦系數(shù)，一般取0.0025—0.005;m為工作臺和滑塊的總質(zhì)量;f為導(dǎo)軌與底面的摩擦力；為滾珠絲桿的徑向受力；為滾珠絲桿的軸向受力； 為最大加速度， 則： 所以:當(dāng)量載荷設(shè)空轉(zhuǎn)和常用切削分配的時間分別為10%和90%，則當(dāng)量轉(zhuǎn)速3.6額定靜載荷及額定動載荷的下限值：（1）額定靜載荷式中，為安全系數(shù)，一般取2-3，這里取3；是外加在滾珠絲桿副上的最大軸向載荷故有： （2）額定動載荷在當(dāng)量條件下達到預(yù)期壽命時，絲桿所受的最大額定動載荷為其中為載荷系數(shù)，??；為精度系數(shù)，取。

3．7選定滾珠絲桿的型號當(dāng)滾珠絲桿副在較高轉(zhuǎn)速下工作時，應(yīng)按壽命計算選擇其尺寸規(guī)格，并校核其載荷是否超過額定動載荷；當(dāng)滾珠絲桿副低速工作時，應(yīng)按計算額定靜載荷的方法確定滾珠絲桿副的規(guī)格尺寸，并校核壽命在本設(shè)計中，最高轉(zhuǎn)速不足300r/min，屬于低速運轉(zhuǎn)的情況，所以在這里按額定靜載荷的大小選擇：根據(jù)文獻[5]，選擇系列代號為2508-5的滾珠絲桿副其額定動載荷，額定靜載荷，剛度1485，外徑，內(nèi)徑鋼球直徑mm，螺旋角，滾道半徑，循環(huán)圈數(shù)（圈）查參考文獻[5]的P.107得：螺紋全長： 720mm余留長度：參考文獻6表4-2取32mm，安全行程：取16mm，行程 ，螺母長度，螺紋左端到軸承和螺紋右端到軸承的距離左右兩端軸承的間距：3.8驗算Dn值 3.9預(yù)緊力的確定當(dāng)采用兩端固定的支撐方式時，預(yù)緊力可以計算如下： 而且：，即滿足運轉(zhuǎn)要求3.10穩(wěn)定性的校驗 （1）由于滾珠絲桿副在工作時很可能會發(fā)生失穩(wěn)，所以要求設(shè)計計算所達到的安全系數(shù)S，其值應(yīng)該大于絲桿傳動結(jié)構(gòu)所允許的安全系數(shù)[S] 絲桿不會發(fā)生失穩(wěn)的最大載荷稱為臨界載荷，并按文獻[1]中式計算：式中：E為絲桿材料的彈性模量，對于鋼，；L為絲桿的有效工作長度（m）；為絲桿的危險截面的軸慣性矩（）；為長度系數(shù)，查文獻[1]表3-6取=1而則：，安全系數(shù)22.7，查文獻[1]表3-6，絲桿不會失穩(wěn)。

2）絲桿工作時可能發(fā)生共振，因此需要驗算其不會發(fā)生共振的最高轉(zhuǎn)速—稱之為臨界轉(zhuǎn)速，要求絲桿的最大轉(zhuǎn)臨界轉(zhuǎn)速（）可按下式計算：式中： 為臨界轉(zhuǎn)速系數(shù)，查文獻[1]表3-6，本設(shè)計中，則：所以絲桿工作時不會發(fā)生共振3.11剛度的驗算 (1) 估算絲杠軸向最大變形量 重復(fù)定位精度 定位精度 所以 取 mm絲杠在工作載荷(N)和轉(zhuǎn)矩T（）作用下引起每個導(dǎo)程的變形量為：式中：E為絲杠切變模量，對于鋼E=210；M為扭 矩， ；為摩擦升角，；I為絲杠的極慣性矩， ；S為絲杠截面積，；絲杠在300mm內(nèi)的彈性變形所引起的導(dǎo)程誤差為：所以該絲杠的剛度滿足要求3.13效率的校核本設(shè)計取摩擦系數(shù)為0.003，即：，則；滾珠絲桿副的傳動效率K為：K的要求在90%以上，所以該絲桿副合格經(jīng)過上述校核驗證，所選型號規(guī)格的滾珠絲桿副的各項性能均能滿足設(shè)計要求3.14滾珠絲桿副的潤滑滾珠絲桿副一般需要用潤滑劑來提高耐磨性和傳動效率，潤滑的方法有脂潤滑和油潤滑兩種通常，螺母在很長的絲桿上運行，而且是進行回轉(zhuǎn)運動的，保持潤滑油是十分困難的；另外可能因為密封不好，有硬質(zhì)的灰塵回切屑等臟物落入螺紋滾道會防礙滾珠的運轉(zhuǎn)和磨損的，因此本設(shè)計采用脂潤滑，潤滑劑為鋰基油脂。

4.軸承的選擇計算根據(jù)設(shè)計要求滾珠絲桿副采用兩端固定支撐的安裝方式，而且要同時承受徑向載荷和軸向載荷，故根據(jù)文獻[8]選用角接觸球軸承7305B，采用反裝形式1)求兩軸承受到的徑向載荷和 設(shè)左邊的軸承為軸承1= =/2=2000/2=1000N(2)求兩軸承的計算軸向力和查文獻[2]表13-5得，判斷系數(shù)e=0.68故， 因為外加軸向力的存在，必須滿足平衡，則必有所以： (3)求軸承的當(dāng)量動載荷因為 ， 由文獻[2]表13-5分別進行查表得徑向載荷系數(shù)和軸向載荷系數(shù)為，對軸承1 0.35，0.57 對軸承2 1，因軸承運轉(zhuǎn)中可能會產(chǎn)生沖擊載荷，按文獻[2]表13-6查得，本設(shè)計中取則：(4)驗算軸承的壽命因為>，所以按軸承1的受力情況進行校驗其中當(dāng)軸承為球軸承時=3，則有：故所選用的軸承滿足壽命要求第二章：步進電機的選擇1.脈沖當(dāng)量的選擇 初選三相步進電動機的步距角為；當(dāng)三相三拍運行時，步距角為，其每轉(zhuǎn)脈沖數(shù): 初選脈沖當(dāng)量（每輸入一個指令脈沖，步進電動機驅(qū)動工作臺的移動距離，單位）由于重復(fù)定位誤差為0.01mm，故選電機的脈沖當(dāng)量為，由此可得中間齒輪的傳動比為 選小齒輪的齒數(shù)，，模數(shù)2．等效轉(zhuǎn)矩的計算(1）空載時等效負載轉(zhuǎn)矩:(2）車削加工時的負載轉(zhuǎn)矩3．系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動慣量的折算(1）滾珠絲桿的轉(zhuǎn)動慣量：其中，為公稱直徑，單位m； L絲桿的全長，單位m； 為材料密度，約為(2）工作臺及滑塊的轉(zhuǎn)動慣量換算到電機軸上的轉(zhuǎn)動慣量:其中，W為工作臺和滑塊的總重量，單位N； 為絲桿的基本導(dǎo)程，單位m； i為齒輪副的傳動比； (3） 大齒輪的轉(zhuǎn)動慣量其中， 為大齒輪的分度圓直徑，單位是m； 為大齒輪的齒寬，單位是m；(4）小齒輪的轉(zhuǎn)動慣量其中， 為小齒輪的分度圓直徑，單位是m；為大齒輪的齒寬，單位是m；(5）因此折算到電機軸上的總轉(zhuǎn)動慣量是：4.步進電動機的選擇（1）縱向進給運動的負載分析1）現(xiàn)預(yù)選電機為130BY001，其轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量為，于是有：式中采用最不利于機床啟動時的速度，這里選用快速進給速度（全部直線運動部件總質(zhì)量）；r/min則有： 2)絲桿摩擦阻力矩（）的計算 由于滾珠絲桿的傳動效率很高，其摩擦阻力矩相對于其他負載力矩小得多，故一般不考慮。

3）等效負載轉(zhuǎn)矩 由文獻[4]式（6-8）得4）啟動慣性阻力矩（）的計算 加（減）速時間為t=4s由于電機轉(zhuǎn)速為，取加速曲線為等加速梯形曲線，故角加速度為：則 5）電機輸出軸上的總負載轉(zhuǎn)矩的計算 （2）步。