滚珠丝杠螺母副的计算和选型.docx
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滚珠丝杠螺母副的计算和选型
Δ3
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δx=0.005mm/脉冲,Z方向为δz=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,σb=650Mpa;选用刀具材料为硬质合金YT15;刀具几何参数为:
主偏角κr=60°,前角γo=10°,刃倾角λs=-5°;切削用量为:
背吃刀量ap=3mm,进给量f=0.6mm/r,切削速度vc=105m/min。
查表得:
CFc=2795,xFc=1.0,yFc=0.75,nFc=-0.15。
查表得:
主偏角κr的修正系数kκrFc=0.94;刃倾角、前角和刀尖圆弧半径的修正系数均为1.0。
由经验公式(3—2),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的对应关系,可得:
Fz=2673.4N,Fy=1069.36N,Fx=935.69N。
选用矩形—三角形组合滑动导轨,查表,取K=1.15,μ=0.16,代入Fm=KFx+μ(Fz+G),得工作载荷Fm=1712N。
(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/Ph=133r/min。
取滚珠丝杠的使用寿命T=15000h,代入L0=60nT/106,得丝杠系数L0=119.7×106r。
查表,取载荷系数fW=1.15,再取硬度系数fH=1,代入式(3—23),求得最大动载荷FQ=
0fWfHFm=9703N。
(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3×2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η的计算
将公称直径d0=40mm,基本导程Ph=6mm,代入λ=arctan[Ph/(πd0)],得丝杠螺旋升角λ=2°44′。
将摩擦角φ=10′,代入η=tanλ/tan(λ+φ),得传动效率η=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=2.1×105MPa;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=πd22/4=1019.64mm2。
2)根据公式Z=(πd0/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3×2=6,则滚珠总数量Z∑=29×6=174。
滚珠丝杠预紧时,取轴向预紧力FYJ=Fm/3≈571N。
则由式(3—27),求得滚珠与螺纹滚道间的接触变形量δ2≈0.00117mm。
因为丝杠加有预紧力,且为轴向负载的1/3,所以实际变形量可减小一半,取δ2=0.000585mm。
3)将以上算出的δ1和δ2代入δ总=δ1+δ2,求得丝杠总变形量δ总=0.012555mm=12.555μm。
查表,4级精度滚珠丝杠任意300mm轴向行程内的变动量允许16μm,而对于跨度为1497mm的滚珠丝杠,总的变形量δ总只有12.555mm,可见丝杠强度足够。
4)压杆稳定性校核
根据式(3—28)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=πd24/64≈82734.15mm4;压杆稳定安全系数K取3;滚动螺母至轴向固定处的距离a取最大值1497mm。
代入式(3-28),得临界载荷Fk≈51012N,远大于工作载荷Fm(1712N),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α=0.72°,脉冲当量δz=0.01mm/脉冲,滚珠丝杠导程Ph=6mm。
根据式(3—12)算得传动比i=1.2。
(2)主动轮最高转速n1
由纵向床鞍的最快移动速度vzmax=6000mm/min,可以算出主动轮最高转速n1=(vzmax/δz)×α/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=1200×360/(60×α)=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=pbz1/π=45.85mm。
当n1达到最高转速1200r/min时同步带的速度为v=πd1n1/(60×1000)=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=ipb=18,节圆直径d2=id1=54.57mm。
(7)初选中心距a0、带的节线长度L0p、带的齿数zb
初选中心距a0=1.1(d1+d2)=110.06mm,圆整后取a0=110mm。
则带的节线长度L0p≈2a0+π/2(d1+d2)+(d2-d1)2/4a0=377.33mm。
查表,选取接近的标准节线长度L0p=381mm,相应齿数zb=40。
(8)计算实际中心距a
实际中心距a≈a0+(Lp-L0p)/2=111.835mm。
(9)校验带与小带轮的啮合齿数zm
zm=ent[z1/2—pbz1/2π2a(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P0
P0=(Ta—mv2)v/1000
其中,Ta——带宽为bs0时的许用工作拉力。
m——带宽为bs0时的单位长度的质量。
v——同步带的带速。
算得P0=0.697kW。
(11)确定实际所需同步带宽度bs
bs≥bs0(Pd/KzP0)1/1.14
其中,bs0——选定型号的基准宽度。
Kz——小带轮啮合齿数系数。
由上式求得bs≥21.42mm,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/bs0mv2)v×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
Jeq=Jm+Jz1+(Jz2+Jw+Js)/i2=57.55kg.cm2
其中,Jm=33kg.cm2
Jz1=0.95kg.cm2
Jz2=1.99kg.cm2
Jw=1.21kg.cm2
Js=30.78kg.cm2
(2)计算加在步进电动机转轴上的等效负载转矩Teq
Teq1=Tamax+Tf
Tamax=2πJeqnm/60ta×1/η
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=vmaxα/360°δ
ta=0.4s,η=0.7,
所以,Tamax=2π×57.55×10-4×1200/(60×0.4×0.7)N.m≈2.58N.m
Tf=μ(Fc+G)Ph/(2πηi)
其中,μ——导轨的摩擦系数,滑动导轨取0.16。
Fc——工作负载。
η——传动链总效率,取0.7。
所以,Tf=0.16×(0+1300)×0.006/(2π×0.7×1.2)N.m≈0.24N.m
所以,Teq1=Tamax+Tf=2.82N.m
Teq2=Tt+Tf
Tt=FfPh/(2πηi)=935.69×0.006/(2π×0.7×1.2)N.m≈1.06N.m
Tf=μ(Fc+G)Ph/(2πηi)=0.16×(2673.4+1300)×0.006/(2π×0.7×1.2)N.m≈0.72N.m
所以,Teq2=Tt+Tf=1.78N.m
经过上述计算后,Teq=max{Teq1,Teq2}=2.82N.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Tjmax≥4Teq=4×2.82N.m=11.28N.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δ=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Tmaxf≈17N.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≈3.8N.m,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,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Jeq=57.55kg.cm2,电动机转子自身的转动惯量Jm=33kg.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:
fL=fq/(1+Jeq/Jm)1/2=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=2.82N.m,传递的功率为P=nmTeq1/9.55=1200×2.82/9.55W≈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=1.78N.m,任务书给定最快工进速度vmaxf=800mm/min,对应电动机转速nmaxf=(vmaxf/δz)α/360=160r/min。
传递的功率为P=nmaxfTeq2/9.55=160×1.78/9.55W≈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)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DC120︿310V,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:
MOVDPTR,#3FFFH
MOVA,#10001001B
MOVX@DPTR,A
MOVDPTR,#3FFCH
MOVA,#0FFH
MOVX@DPTR,A
MOVDPTR,#3FFDH
MOVA,#0FFH
MOVX@DPTR,A
RET
4、8279芯片初始化子程序
B279:
MOVDPTR,#5FFFH
MOVA,#0CFH
MOVX@DPTR,A
WAIT:
MOVXA,@DPTR
JBACC.7,WAIT
MOVA,#08H
MOVX@DPTR,A
MOVA,#34H
MOVX@DPTR,A
RET
5、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6BH~73H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:
MOVDPTR,#5FFFH
MOVA,#90H
MOVX@DPTR,A
MOVR0,#6BH
MOVR7,#09H
MOVDPTR,#5FFEH
DIR0:
MOVA,@R0
ADDA,#05H
MOVCA,@A+PC
MOVX@DPTR,A
INCR0
DJNZR7,DIR0
RET
DTAB:
DB6FH
DB0DAH
DB0BEH
DB0E7H
DB0A3H
DB0CBH
DB0D1H
DB0D3H
DB0DCH
DB0CEH
DB0DFH
DB21H
DB7BH
DB91H
DB19H
DB4BH
DB0DH
XX文库-让每个人平等地提升自我DB05H
DB69H
DB01H
DB09H
DB20H
DB7AH
DB90H
DB18H
DB4AH
DB0CH
DB04H
DB68H
DB00H
DB08H
……
当需要显示一组字符时,首先给显示缓冲区的6BH~73H这九个字节赋值,然后调用DIR子程序即可,程序如下:
MOV6BH,#02H
MOV6CH,#03H
MOV6DH,#0AH
MOV6EH,#0CH
MOV6FH,#0DH
MOV70H,#0EH
MOV71H,#19H
MOV72H,#10H
MOV73H,#11H
CALLDIR
6、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:
CLREX1
MOVDPTR,#5FFFH
MOVA,#01000000B
MOVX@DPTR,A
MOVDPTR,#5FFEH
MOVXA,@DPTR
CJNEA,#KEY0,NEXT0
JMP_KEY0
NEXT0:
CJNEA,#KEY1,NEXT1
JMP_KEY1
NEXT1:
CJNEA,#KEY2,NEXT2
JMP_KEY2
NEXT2:
……
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组成的D/A转换电路即可输出直流电压。
程序如下:
MOVDPTR,#7FFFH
MOVA,#DATA
MOVX@DPTR,A
8、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:
MOVDPTR,#3FFCH
MOVXA,@DPTR
CLRACC.0
MOVX@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
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 滚珠 螺母 计算 选型