1、 編號 課 程 設 計（論文）題目 單軸直線伺服移動機構系統設計（2組） 學院 專 業 機械設計制造及其自動化 班 級 學生姓名 學號 指導教師 職稱 時 間 目錄1設計任務1.1 設計任務介紹及意義1.2 設計任務明細1.3 設計的基本要求2總體方案設計 2.1 設計的基本依據2.2 總體方案的確定3機械傳動系統設計3.1機械傳動裝置的組成及原理3.2主要部件的結構設計計算4 結束語5參考文獻1.設計任務1.1設計任務介紹及意義u 課程設計題目單軸直線伺服移動機構系統設計u 主要設計內容(1)機械傳動結構設計 (2)電氣控制系統u 課程設計意義：培養學生綜合運用所學的基礎理論和專業知識，獨立

2、進行機電控制系統(產品)的初步設計工作。 培養學生搜集、閱讀和綜合分析參考資料，運用各種標準和工具書籍以及編寫技術文件的能力，提高計算、繪圖等基本技能。培養學生掌握機電產品設計的一般程序和方法，進行工程師基本素質的訓練。樹立正確的設計思想及嚴肅認真的工作作風。1.2設計任務明細：機電傳動單向數控平臺設計：1.21 電機驅動方式：步進電機、直流伺服電機、交流伺服電機；1.22 機械傳動方式：螺旋絲桿、滾珠絲桿、同步皮帶、鏈傳動等；1.23 電氣控制方式：單片微機控制、PLC控制；1.24 功能控制要求：速度控制、位置控制；1.25 主要設計參數：單向工作行程500mm；移動負載質量3000N；負

3、載移動阻力1500N；空載最快移動速度2000mm/min；進給速度400mm/min；脈沖當量0.01mm加減速時間2s要求壽命22000h絲桿直徑16mm絲桿支撐方式兩端固定2總體方案設計2.1設計基本依據（1）步進電機是將電脈沖信號轉變為角位移或線位移的開環控制元件。在非超載的情況下，電機的轉速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數，而不受負載變化的影響，當步進驅動器接收到一個脈沖信號，它就驅動步進電機按設定的方向轉動一個固定的角度，稱為步距角，它的旋轉是以固定的角度一步一步運行的。步進電機電動機具有以下特點：1、步距值不受各種干擾因素的影響。如電壓的大小，電流的數值、波形、溫度的變

4、化等。2、誤差不長期積累。步進電機每走一步所轉過的角度與理論步距之間總有一定的誤差，從某一步到任何一步，也總有一定的累積誤差，但是，每轉一圈的累積誤差為零，所以步距的累積誤差不是長期的累積下去。3、控制性能好，啟動、停車、翻轉都是在少數脈沖內完成，在一定的頻率范圍內運行時，任何運動方式都不會丟失一步。所以，步進電機被廣泛應用于數控機床上。（2）滾珠絲杠是將回轉運動轉化為直線運動，或將直線運動轉化為回轉運動的理想的產品。滾珠絲杠由螺桿、螺母和滾珠組成。它的功能是將旋轉運動轉化成直線運動，這是滾珠螺絲的進一步延伸和發展，這項發展的重要意義就是將軸承從滾動動作變成滑動動作。由于具有很小的摩擦阻力，滾

5、珠絲杠被廣泛應用于各種工業設備和精密儀器。滾珠絲杠是工具機和精密機械上最常使用的傳動元件，其主要功能是將旋轉運動轉換成線性運動，或將扭矩轉換成軸向反覆作用力，同時兼具高精度、可逆性和高效率的特點：1、與滑動絲杠副相比驅動力矩為1/3 由于滾珠絲杠副的絲杠軸與絲杠螺母之間有很多滾珠在做滾動運動,所以能得到較高的運動效率。與過去的滑動絲杠副相比驅動力矩達到1/3以下,即達到同樣運動結果所需的動力為使用滾動絲杠副的1/3。在省電方面很有幫助。 2、高精度的保證 滾珠絲杠副是用日本制造的世界最高水平的機械設備連貫生產出來的，特別是在研削、組裝、檢查各工序的工廠環境方面,對溫度、濕度進行了嚴格的控制，由

6、于完善的品質管理體制使精度得以充分保證。 3、微進給可能 滾珠絲杠副由于是利用滾珠運動,所以啟動力矩極小,不會出現滑動運動那樣的爬行現象,能保證實現精確的微進給。 4、無側隙、剛性高 滾珠絲杠副可以加予壓,由于予壓力可使軸向間隙達到負值,進而得到較高的剛性(滾珠絲杠內通過給滾珠加予壓力,在實際用于機械裝置等時,由于滾珠的斥力可使絲母部的剛性增強)。 5、高速進給可能 滾珠絲杠由于運動效率高、發熱小、所以可實現高速進給(運動)。 （3） PLC的優點 PLC是面向用戶的專用工業控制計算機，具有許多明顯的特點。1.可靠性高，抗干擾能力強 為了限制故障的發生或者在發生故障時，能很快查出故障發生點，并

7、將故障限制在局部，各PC的生產廠商在硬件和軟件方面采取了多種措施，使PC除了本身具有較強的自診斷能力，能及時給出出錯信息，停止運行等待修復外，還使PC具有了很強的抗干擾能力。2.通用性強，控制程序可變，使用方便 PLC品種齊全的各種硬件裝置，可以組成能滿足各種要求的控制系統，用戶不必自己再設計和制作硬件裝置。用戶在硬件確定以后，在生產工藝流程改變或生產設備更新的情況下，不必改變PLC的硬設備，只需改編程序就可以滿足要求。因此，PLC除應用于單機控制外，在工廠自動化中也被大量采用。3.功能強，適應面廣 現代PLC不僅有邏輯運算、計時、計數、順序控制等功能，還具有數字和模擬量的輸入輸出、功率驅動、

8、通信、人機對話、自檢、記錄顯示等功能。既可控制一臺生產機械、一條生產線，又可控制一個生產過程。4.編程簡單，容易掌握 目前，大多數PLC仍采用繼電控制形式的“梯形圖編程方式”。既繼承了傳統控制線路的清晰直觀，又考慮到大多數工廠企業電氣技術人員的讀圖習慣及編程水平，所以非常容易接受和掌握。PLC在執行梯形圖程序時，用解釋程序將它翻譯成匯編語言然后執行（PLC內部增加了解釋程序）。與直接執行匯編語言編寫的用戶程序相比，執行梯形圖程序的時間要長一些，但對于大多數機電控制設備來說，是微不足道的，完全可以滿足控制要求。5.減少了控制系統的設計及施工的工作量 由于PLC采用了軟件來取代繼電器控制系統中大量

9、的中間繼電器、時間繼電器、計數器等器件，控制柜的設計安裝接線工作量大為減少。同時，PLC的用戶程序可以在實驗室模擬調試，更減少了現場的調試工作量。并且，由于PLC的低故障率及很強的監視功能，模塊化等.6.體積小、重量輕、功耗低、維護方便 PLC是將微電子技術應用于工業設備的產品，其結構緊湊，堅固，體積小，重量輕，功耗低。并且由于PLC的強抗干擾能力，易于裝入設備內部，是實現機電一體化的理想控制設備。等，使維修也極為方便。2.2總體方案的確定參數初設如下： （1）電機驅動方式：反應式步進電機機械傳動方式：滾珠絲杠電氣控制方式：PLC控制功能控制要求：位置控制主要設計參數：單向工作行程500mm；

10、移動負載質量3000N；負載移動阻力1500N；空載最快移動速度2000mm/min；進給速度400mm/min；脈沖當量0.01mm加減速時間2s要求壽命22000h選用滾動直線導軌，工作臺滑動摩擦系數 =0.15； 絲杠材料初選鋼材為40Cr，其HRC為4550。絲杠兩端固定，每個支座安裝一個深溝球軸承。3.機械傳動系統設計及核算計算及說明計算結果3.1導軌的選擇3.1.1已知條件 本設計選擇滾珠絲桿，已知： 單向工作行程500mm 移動速度2m/min 負載質量 ：3000N采用2根導軌、2個滑座數，工作平臺和滑塊的質量假設為20kg. 壽命要求 ：22000h 3.1.2動載荷的計算

11、作用在滑座上的力 則單個滑座受力 導軌壽命Th=22000h 行程長度壽命： 其中n為每分鐘運行的次數 設計平臺上共有滑塊2個，每根導軌1個滑塊。 有 K 壽命系數 取K=50 硬度系數 取=1 溫度系數 取=1 接觸系數 取=0.81 負荷系數 取=1.5 則動載荷有： 已知動載荷 Ca=1341N查機電一體化設計手冊 導軌選擇 型號：JSA-LG15滾動導軌 基本額定載荷為7900N 每個滑塊的質量為0.2kgls=500mmv=1m/minm1=300kgm2=20kgF=1568NTh=22000hn=2K=50=1=1=0.81=1.5 Ca=1642N型號JSA-LG153.2 滾

12、珠絲桿的選擇及校核3.2.1根據機器的工作條件及完成的功能，滾珠螺母的循環方式和預緊方式滾珠螺母的循環方式為內循環預緊方式為雙螺母墊片預緊導軌的摩擦力為： 移動負載的質量 取=300kg= m2 工作臺的質量 m2=20kg 導軌的摩擦系數 取=0.153.2.2 初選絲桿導程 根據公稱直徑范圍選擇Ph=3mm3.2.3 計算滾珠絲桿的動載荷 動載荷公式為：式中壽命系數=3.52工作壽命 ,Lh=22000h載荷系數 動載荷硬度影響系數短行程系數1轉速系數, Fm 滾珠絲桿等效軸向載荷 K=1.15 Fx負載移動阻力，Fx=1500N 計算得3.2.4初選滾珠絲杠副的型號和有關參數 根據上面所

13、計算的數據，選取的滾珠絲桿的基本額定動載荷要大于計算出來的動載荷。 初步選擇GDM系列1604-3型滾珠絲杠副，為內循環固定反向器雙螺母墊片預緊式滾珠絲杠副，其公稱直徑為16mm，導程為3mm，循環滾珠為3圈2系列，精度等級取5級，螺母安裝尺寸L=37mm。 其主要參數：額定動載荷為=4.62KN額定靜載荷為KN 公稱直徑 導程Ph=4mm 預緊力計算 m1=300kgm2=20kg =0.15 =480N Ph=3mm Kh=3.52KF=1.2KH=1.0Kl=1.0Kn=0.36 Fm=705NCa=8272N=4.62KNPh=3mmF0=462N 絲桿螺紋部分長度lu=工作臺最大行程

14、+螺母長度+兩端余程 =500+37+20=557mm 軸承的支撐距離應大于螺紋部分的長度 取支撐距離 =600mm3.2.5絲桿穩定性驗算 根據工作環境選擇兩端采用角接觸軸承固定的工作方式，則絲桿不發生失穩的最大工作載荷為： 式中： 材料的拉壓彈性模量 鋼取 ； 絲桿軸最小截面慣性矩 ； 為滾珠絲桿的公稱直徑 絲杠小徑 實際承受載荷的能力； 壓桿穩定的支撐系數（雙推雙推時為4，單推單推時為1，雙推簡支時為2，雙推自由式時為0、25），此時取； K 壓桿穩定安全系數（一般去2.54），垂直安裝時取小值，此時取。 符合壓桿穩定性要求。3.2.6臨界轉速校核 不發生共振最高轉速成為臨界轉速，表示

15、絲桿的臨界轉速系數 取 l 臨界轉速計算距離 =600mm 長度系數 轉動轉速： 能夠達到不共振要求。 此外滾珠絲桿還應滿足發熱條件 綜上，滾珠絲桿滿足壓縮失穩、共振、發熱的條件 3.2.7 滾珠絲桿副的系統剛度 (1)軸向載荷F產生的軸向變形量，絲杠采用兩端固定的方式 式中： 絲杠兩支撐間的距離（mm）； 絲杠的計算長度，指和作用處到固定支承端 的距離； 絲杠材料的彈性模量，鋼材的MP； 絲杠的計算截面面積: (2)轉矩T產生的軸向變形量: 絲杠的螺紋導程； 絲杠計算截面的極慣性矩： 絲杠材料的切變模量，鋼材的MPa； 螺旋傳動的轉矩； 螺旋的倒程角 滾珠絲杠副的當量摩擦系數：，當量摩擦角；

16、取(3) 軸向載荷F使鋼球與螺旋滾道間產生的軸向變形量 基本額定載荷系數：當，時，； ，。由于有預緊，所以； 式中 工作螺母中的鋼球總數j 每列工作圈數 j=1K每個螺母循環列數 k=3m每圈中鋼球個數 預緊力，一般取 載荷分布不均勻系數，一般取軸向總變形量： 絲杠的軸向剛度： 絲杠允許的軸向剛度3.2.8 效率驗算 滾珠絲杠副的傳動效率為 要求在90%95%之間，所以該絲杠副合格。 經過上述計算驗證，所選型號規格滾珠絲杠各項性能均符合題目要求，可選用。3.3電動機的選擇步進電機是將電脈沖信號轉變為角位移或線位移的開環控制元件。在非超載的情況下，電機的轉速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈

17、沖數，而不受負載變化的影響，當步進驅動器接收到一個脈沖信號，它就驅動步進電機按設定的方向轉動一個固定的角度，稱為步距角，它的旋轉是以固定的角度一步一步運行的。可以通過控制脈沖個數來控制角位移量，從而達到準確定位的目的;同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉動的速度和加速度，從而達到調速的目的。3.3.1等效負載轉矩計算 選擇傳動比為i=1負載轉矩 假設傳動效率為90% 負載總的合力，3.3.2初選電動機型號 已知負載轉矩 初選電動機型號為70BF003，其最大靜轉矩為 該電機參數如下：轉速：電壓：24V3.4 聯軸器的選用 根據步進電動機輸出軸的直徑和滾珠絲杠的直徑，選用YLD05式凸緣聯軸器。

18、 其公稱轉矩 T=3NM許用轉速 軸孔直徑d1=8mmd2=8mm 軸孔長度L=25mm（Y型） 螺栓數量3個，采用M6螺栓 Y型 轉動慣量 3.4.1等效轉動慣量（1） 滾珠絲杠轉動慣量 鋼材密度取（2）工作臺等效到電機輸出軸上 （3）聯軸器的轉動慣量 根據滾珠螺桿和電動機輸出軸的直徑，選擇YLD1聯軸器，其轉動慣量為 因此，換算到電動機軸上的轉動慣量3.5 滾動軸承的選用與校核 初選軸承型號6200-N采用正裝方式，軸承受力情況如下圖所示： 徑向載荷： 軸向載荷：軸承支反力： 軸承派生軸向力：由于，則左邊壓緊，右邊放松，所以: 計算當量動載荷： 查表X=0.41、Y=0.8查表X=1、Y=

19、0工作在中等沖擊：載荷系數計算當量動載荷： 計算軸承壽命由于 故按P1進行校核假設軸承工作溫度小于120，取溫度系數查表知球軸承壽命系數=3每天開機8h，一年按300個工作日，壽命5年以上故=16000h基本額定動載荷： 故計算壽命滿足條件 6200-N深溝球軸承基本尺寸 內圈直徑 d=10mm 外圈直徑 D=26mm 軸承寬度 B=8mm 極限轉速 n=3700r/min 靜載荷 動載荷 3.7 潤滑與密封裝置由已知條件選擇脂潤滑，密封裝置為毛氈圈。lu=557mm=600mm s=557mm符合要求=666.7r/min符合要求 絲桿滿足使用要求=600mm=557mmMP Ph=3mmMPa Z=60滿足剛度條件 合