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1、目录前言 滚珠丝杠螺母副的设计 轴承选择 电机选择 设计总结 参考文献 前言机电一体化是以机械技术和电子技术为主题，多门技术学科相互渗透、相互结合 的产物，是正在发展和逐渐完善的一门新兴的边缘学科。机电一体化使机械工业的技 术结构、产品结构、功能与构成、生产方式及管理体系发生了巨大变化，使工业生产 由“机械电气化”迈入了以“机电一体化”为特征的发展阶段。随着社会生产和科学技术的迅速发展，机械产品的性能和质量不断提高。产品的 更新换代也不断加快。因此对机床不仅要求具有较高的精度和生产率，而且应能迅速 地适应产品零件的变换，生产的需要促使了数控机床的产生。数控机床是指机床的操作命令以数值数字的形式
2、描述工作过程按规定的程序自动 进行的机床。随着微电子技术，特别是计算机技术的发展，数控机床迅速地发展起来。装备工业的技术水平和现代化程度决定着整个国民经济的水平和现代化程度，数 控技术及装备是发展新兴高新技术产业和尖端工业（如信息技术及其产业、生物技术 及其产业、航空、航天等国防工业产业）的使能技术和最基本的装备。马克思曾经说 过“各种经济时代的区别， 不在于生产什么， 而在于怎样生产，有什么劳动资料生产” 制造技术和装备就是人类生产活动的最基本的生产资料，而数控技术又是当今先进制 造技术和装备最核心的技术。当今世界各国制造业广泛采用的数控技术，以提高制造 能力和水平，提高对动态多变市场的适应
3、能力和竞争能力。此外世界上各工业发达国 家还将数控技术及数控装备列为国家的战略物资，不仅采取重大措施来发展自己的数 控技术及其产业，而且在“高精尖”数控关键技术和装备方面对我国实行封锁和限制 政策。总之，大力发展以数控技术为核心的先进制造技术已成为世界各发达国家加速 经济发展、提高综合国力和国家地位的重要途径。此次 “机电一体化课程设计”主要简单设计出数控机床系统，其实离实际真正工 业用数控机床还有很大的距离。由于时间仓促和自己知识水平有限，在设计中难免会 有些许瑕疵，恳请老师指正。1 滚珠丝杠螺母副的设计1.1 确定滚珠丝杠副的导程Vmax10000Ph= =8.3mmin max 1120
4、0取 Ph=10mmPh：滚珠丝杠副的导程 mmVmax：工作台最高移动速度 nmax：电机最高转速i ：传动比 因电机与丝杠直联， i=1Vmax=10m/min ， n max= 1200r/min 代入得， P h=8.3mm 查表，取 Ph=10mm1.2 确定当量转速与当量载荷1.2.1 各种切削方式下，丝杠转速Vmax 3500nmax= = =350r/minPh10Phnmin1=10 =0.1r/min1.2.2 各种切削方式下，丝杠轴向载荷Fmax=4500+0.01833=4583.3NFmin=0.01 833=83.3N1.2.3 当量转速nmax+nmin 350+
5、0.1nm= 2 = 2 =175.05mm/min1.2.4 当量载荷2Fmax+FminFm=3=2 1583.3+83.3=3=3083.3N1.3 预期额定动载荷1.3.1 按预期工作时间估算Cam= 60nmLhFmf w100f af cCam：预期额定动载荷 N按表查得：轻微冲击取 f w=1.3 f a=1 可靠性 90%取 f c=1 已知： Lh=15000小时代入得 C am=28362.6N1.3.2 拟采用预紧滚珠丝杠副，按最大负载 Fmax计算：Cam=FeFmax按表查得： 中预载取 f e=4.5代入得 Cam=20624.85N取以上两种结果的最大值 C am
6、=28362.6N1.4 确定允许的最小螺纹底径1.4.1 估算丝杠允许的最大轴向变形量11m（ 3 4 ）重复定位精度11m（ 4 5 ）定位精度m : 最大轴向变形量 m 已知：重复定位精度 6m, 定位精度 12mm=2 m=3 m =3取两种结果的小值 m=2m1.4.2 估算最小螺纹底径 丝杠要求预拉伸，取两端固定的支承形式d2m=110F0L10F0mLE =0.039F0L md2m：最小螺纹底径 mmL （1.1 1.2） 行程 +（1014）Ph=1.1350+1010=485mm静摩擦力 F0=mg=0.01859.8=8.3N2 8.3 485代入得 d2m=0.0392
7、 =1.7mm1.5 确定滚珠丝杠副的规格代号FFZD4010-31.5.1 选内循环浮动式法兰，直筒双螺母型垫片预形式1.5.2 由计算出的 Ph,Cam,d 2m在样本中取相应规格的滚珠丝杠副Ph=10mm , C a=30000Cam=28362N, d 2=39.5mmd2m=1.7mm1.6 确定滚珠丝杠副预紧力1Fp=13 Fmax 34583.3=1527.8N1.7 行程补偿值与与拉伸力1.7.1 行程补偿值-6C=11.8tL u10-6式中：Lu =350+148+230=558mmt 取 2.5 C代入得 C=17 m1.7.2 预拉伸力22Ft =1.95 td 22=
8、1.95 2.5 34.3 2=5735.4N1.8 确定滚珠丝杠副支承用的轴承代号、规格1.8.1 轴承所承受的最大轴向载荷FBmax=Ft+Fmax=5735+4583.310320N1.8.2 轴承类型两端固定的支承形式，选背对背 60角接触推力球轴承1.8.3 轴承内径d 略小于 d2=34.3mm1FBP=3 F Bmax=3279N取 d=30mm1.8.4 轴承预紧力预加负荷 3300NFBP=1527.8N1.8.5 按样本选轴承型号规格选 760206TNI 轴承d=30mm1.9 滚珠丝杠副工作图设计1.9.1 丝杠螺纹长度 Ls：由表查得余程 Le=40Ls=Lu+2Le
9、=560+240=640mm1.9.2 两固定支承距离 L1L1=640+135=775mm丝杠全长 LL=775+85+85=945mm1.9.3 行程起点离固定支承距离 L0L0=L2+B=15+15=30mm2 电机选择2.1 参数计算2.1.1 功率450012P=Fv= =900W602.1.2 负载转动惯量 JL（kgm2）及传动系统转动惯量 J（ kgm2）的计算JL= Jini2n )2+mj( nmvj2nm式中 JL，ni 为各旋转件的转动惯量（ kgm2）和转速（ r/min ）mj,v j 为各直线运动件的质量（ kg）和速度（ m/min）Jm,n m为电机的转动惯量
10、（ kgm2）和转速（ r/min ）JL=20kg cm22.1.3力矩计算空载启动时，折算到电机轴上的加速力矩 TamaxJ LnmaxTamax=amax 9.6t210-31500291.0621500 =0.125NM折算到电动机上的摩擦力矩 TtF0PhTt =2F0Ph i-3 8.3 10 -310 =23.14 0.8 1 10 =0.0165Nm由于丝杠预紧力引起和折算到电动机轴上的附加摩擦力矩T0Famax Ph(1-T0=Famax2Ph(1-i0 )10-3=870010(1-0.9 2)= 23.140.8 110-3=3.29Nm总力矩 Tm= T amax+ T
11、t+ T 0=3.43Nm2.2 型号选择根据转动惯量和力矩选择电机型号为 120MB150B-0010002.3 联轴器选择根据电动机轴径，力矩等因素选择联轴器 LK11-126K-22223 传动系统刚度3.1 丝杠抗压刚度3.1.1 丝杠最小抗压刚度d222Ksmin=6.6 10L1Ksmin ：最小抗压刚度 N/ md2：丝杠底径L1：固定支承距离代入得Ksmin=6.6 34.327752 102=1001.9N/ m3.1.2 丝杠最大抗压刚度d22L1 x=6.6 4L0(L 1-L0)102=6731.3N/m3.2 支承轴承组合刚度3.2.1 一对预紧轴承的组合刚度K BO
12、=22.34 dQZ Famaxsin KBO：一对预紧轴承的组合刚度N/ md Q：滚珠直径 mmZ：滚珠数Famax ：最大轴向工作载荷 N ：轴承接触角 d Q=7.938,Z=19, =60 代入得 KB0=1076 N/ m3.2.2 支承轴承组合刚度 由两端固定支承 Kb=2KBO=21076=3152 N/ m3.2.3 滚珠丝杠副滚珠和滚道的接触刚度KC ：滚珠和滚道的接触刚度 N/mKc：查样本上的刚度 N/ mFP：滚珠丝杠副预紧力 NCa：额定动载荷 N由样本查得： Kc=973 N/ m；Ca=30000N；F P=1528N代入得 KC=777N/m3.3 刚度验算及
13、精度选择3.3.1 验算传动系统刚度11KminKsmin1 1 1+ + =Kb Kc 101.91+2152+7177 =2.7 10-3N/Kmin=370K1max =Ks1max +K1b +K1c =1.910-3N/mKmax Ksmax KbKcKmax=526F0= w1=0.01 859.8=8.3N1.6F0Kmin反向差值已知反向差值或重复定位精度为 101.6 8.3Kmin=1.328min 103.3.2 传动系统刚度变化引起的定位误差1 1 -3 k=F0（ -）=6.6 10 mKmin Kmax3.3.3 确定精度V300p：任意 300mm内的行程变动量对
14、半闭环系统言V300P0.8 定位精度 - k所以，丝杠精度选取 3 级3.3.4 确定滚珠丝杠副的规格代号已确定的型号 FFZD公称直径 40mm 导程 10mm 螺纹长度 640mm 丝杠全长 945mm P类 3级精度 即 FFZD3210-3-P3/945 6403.4 验算临界压缩载荷 丝杠所受最大轴向载荷小于丝杠预拉伸力 Ft 不用验算3.5 验算滚珠丝杠副的临界转速 nc（ r/min ）d27nc=f 2 107Lc2f: 与支承形式有关的系数d2：丝杠底径 mmLc2：临界转速计算长度 mm由表得 f=21.9d2=34.3mmLc2=L1-L 0=775-30=745mm代
15、入得 n c=21.9 34.32 107=13534nmax=1200r/min7453.6 验算 DnDpw=d2+Dw=34.3+7.144=34.444mmDn=Dpwnmax=34.4441200=41332.870000Dpw: 滚珠丝杠副的节圆直径 mmnmax: 滚珠丝杠副最高转速 r/min3.7 基本轴向额定静载荷 Coa 验算f sFamax Coaf s 一般为 1.5Coa=50.2kN=66300NFamax=870N/m1.5 8700=13050663003.8 强度计算 d22Famaxd2 许用应力（ N/mm2）取 =726N/mm2248700d23.1
16、4 726 =3.91mm验算合格控制系统的设计4.1 控制系统 PLC与变频器，编码器，交流电机连线图的设计4.1.1 硬件的选择3G3MZ 系列变频器乃针对各种变频调速应用而开发： 人性化的设计和先进的制造管 理技术以及欧姆龙一贯的造型简约、功能丰富的风格，结合最新的用户的技术需求，使其具备了高贵的血统和最贴近市场的元素。涵盖了风机泵类专用功能，开环矢量功能，内置噪声滤波器以及多种网络总线功能，3G3MZ将是最节约而最完美的选择图 4.1 变频器多速开关控制接线图交流电机选型要根据功率、转速、电压等级、应用场合、放水标准等条件选择， 交流电机控制非常简单，运用变频器，软启动器或直接启动都可
17、以控制，直流电机控 制现在也不是很复杂，只是直流电机不能做到交流电机的免维护，故障率稍高，如果 工作条件差还是建议使用交流电机。一般直流电机比交流电机造价高，但直流电机机 械特性要稍好于交流电机。不过现在采用矢量变频控制技术的交流电机已经和直流电 机特性已经非常接近。单相 300VAC和 3 相 400VAC机种内置有噪音滤波器，因此无需 外部配线。图 4.2 交流电机接线示意图图 4.3 控制回路端子连接示意图交流电机是用于实现机械能和交流电能相互转换的机械。由于交流电力系统的巨 大发展，交流电机已成为最常用的电机。交流电机与直流电机相比，由于没有换向器 因此结构简单，制造方便，比较牢固，容
18、易做成高转速、高电压、大电流、大容量的 电机。交流电机功率的覆盖范围很大 . 交流电机按其功能通常分为交流发电机、交流 电动机和同步调相机几大类。由于电机工作状态的可逆性，同一台电机既可作发电机 又可作电动机。把电机分为发电机与电动机并不很确切，只是有些电机主要作发电机 运行，有些电机主要作电动机运行。4.1.2 系统硬件接线图图 4.4 系统硬件接线图4.2 PLC 控制梯形图设计4.2.1 软件流程图课程设计的要求是加速 -匀速 1-减速-匀速 2-减速停的速度曲线，并可以正反转 得软件流程图。图 4.5 软件流程图4.2.2 PLC 程序计算假设电机 5段的脉冲总数为 4000，启动和停
19、止时的脉冲频率为 2kHZ,最大脉冲频率 为10kHZ即起始和停止时的周期为 500 s ，最高频率的周期为 100 s ，第一段加速脉冲 400个，第二段匀速脉冲 2000个，第三段减速脉冲 200个，第四段匀速脉冲 1200个，第 五段减速脉冲 200个。图 4.6 步进电机的频率曲线期增量由公式： 周期增量 ECT ICT / Q ,第一段的周期增 1 100 500 1 s，第1 400 二段的周期增量为 2 0 ，假设第四段的开始周期为 300 s则第三段的周期增量为3 300 100 1 s ，第四段周期增量为 4 0，第五段周期增量为 5 500 300 1 s3 200 5 2
20、00 根据步进电机的频率曲线绘制多段 PTO包络表 2.2.1 如下：V 存储器地址数据VB5005(段）VW501500（初始周期）VW503-1（第一段周期增量）VD505400（第一段脉冲数 ）VW509100(第二段初始周期）VW5110（第二段周期增量 ）VD5132000(第二段脉冲数）VW517100（第三段初始周期）VW5191(第三段周期增量）VD521200（第三段脉冲数）VW525300（第四段初始周期）VW5270（第四段周期增量）VD5291200（第四段脉冲数）VW533300（第五段初始周期）VW5351（第五段周期增量）VW537200（第五段脉冲数）表 4.1
21、 多段 PTO包络表4.2.3 PLC 控制梯形图 主程序：子程序：中断子程序：设计总结通过这次的课程设计，让我受益匪浅。在课程设计期间通过与同学们之间的交流 和老师的指导，使自己学到了不少知识。除了学会了西门子 S7200 的基本知识，并 掌握了 S7200 的工作原理和一些指令的功能以外，还掌握了变频器的使用方法，并 且深化了我对 PLC控制技术的理解。在这次课程设计中我觉得最重要的就是要有自学能力，因为这次实训中有部分知 识我们之前还没有接触过，所以自己必须学会查找相关的资料。另外就是在遇到实际 问题的时候，要认真思考，运用所学的知识，一步一步的去探索，是完全可以解决遇 到的一般问题的。
22、而在这次设计程序的过程中，我一开始时走了很多弯路，这也是自 己的知识不够扎实的原因。不过经过自己几天的努力，最后还是做了出来，而且还做 得挺不错的。虽然我们设计的东西并不难，但是在设计的过程中我学到了书本上所没有学到的 东西。只有理论，没有结合实际是很难做出东西的。比如在调试的过程中，遇到问题 往往是书本上的知识不能直接的解决的，只要在扎实的专业知识的前提下，我们才能 把东西做好。经过这次的课程设计，让我深深的感受到理论联系实践的重要性，平时在学习中 不能够透彻理解的知识，通过动手，会有更好的认知。本次课程设计虽然不长，但是 它给我们带来了很多收获。它使我意识到自己的操作能力的不足，在理论上还
23、存在很 多缺陷。所以在以后的学习生活中，我会更加努力地加强理论联系实践的学习，在努 力学好专业知识的同时努力加强自己的专业技能方面的能力，使自己的知识在实践中 不断增长，在实践中锻炼自己，培养自己各方面的能力，不断提高自己的能力。参考文献1. 陈铁鸣主编机械设计第 4 版哈尔滨 ,哈尔滨工业大学出版社 ,20062. 王连明, 宋宝玉主编机械设计课程设计第 2 版. 哈尔滨, 哈尔滨工业大学出版 社,20053. 王知行，刘廷荣主编 . 机械原理 . 北京：高等教育出版社， 20054. 宋宝玉主编机械设计手册（第二版）北京：机械工业出版社， 20045. 陈铁鸣主编新编机械设计课程设计图册北京：高等教育出版社， 20066. 张志军. 课程设计手册 .沈阳理工大学出版， 2009
