钻孔用X-Y工作台及其运动控制系统的课程设计【10张CAD图纸+毕业论文+任务书】

钻孔用X-Y工作台及其运动控制系统的设计37页 16000字数+论文说明书+任务书+10张CAD图纸【详情如下】X-Y工作台装配图.dwgY向底座.dwg任务书.doc工作台零件.dwg滚动导轨副.dwg滚珠丝杠副.dwg电路图.dwg系统框图.dwg螺母支座.dwg轴承支座.dwg轴承端盖.dwg钻孔用X-Y工作台及其运动控制系统的设计说明书.doc摘要X-Y数控工作台是是指能分别沿着X 向和Y向移动的工作台，是许多机电一体化设备的基本部件，如数控车床的纵横向进刀机构、数控铣床和数控钻床的X-Y工作台、激光加工设备的工作台、电子元件表面贴装设备等。模块化的X-Y数控工作台，通常由导轨座、移动滑块、工作、滚珠丝杠螺母副，以及伺服电动机等部件构成。其中伺服电动机做执行元件用来驱动滚珠丝杠，滚珠丝杠螺母带动滑块和工作平台在导轨上运动，完成工作台在X、Y方向的直线移动。导轨副、滚珠丝杠螺母副和伺服电动机等均以标准化，由专门厂家生产，设计时只需根据工作载荷选取即可。控制系统根据需要，可以选取用标准的工作控制计算机，也可以设计专用的微机控制系统。关键词 X-Y数控工作台；伺服电动机；数控车床AbstractCNC XY table are mean to each along X and Y to move to the table, electromechanical integration equipment, many basic components, such as vertical CNC lathe - lateral feed body,CNC milling and CNC drilling machine XY work Taiwan, laser processing equipment, workstations, electronic components surface mount equipment. Modular CNC XY table, usually by rail seat, move the slider, work, ball screw pair, and the servo motor and other component parts. One servo motor to drive the ball screw actuator to do, the ball screw drive and work platform slide rail movement, complete table in the X, Y direction of the straight line movement. Guideways, ball screw pair and servo motors etc., shall be standardized by the specialized manufacturers, design can be selected only according to work load. Control system as needed, you can select a computer using a standard job control, you can design a dedicated computer control system.Keywords  XY table  servo system  CNC machine tools目录1绪论11.1课题的选择背景11.2设计目的及意义11.3总体方案的设计22交流伺服电动机的选型32.1交流伺服电动机的选型.3  2.1.1电机的选择依据.42.1.2电机的负载力矩和惯量的计算.53丝杠的选型73.1丝杠的介绍73.1.1丝杠螺母机构基本传动形式73.1.2滚珠丝杠副的组成及特点73.1.3滚珠丝杠副的典型结构形式83.1.4滚珠丝杠副轴向间隙的调整和预紧93.1.5滚珠丝杠副的密封与润滑93.2丝杠螺母副的选择103.3丝杠的校核113.4滚珠丝杠支承的选择123.4.1支承方式的选择123.4.2轴承的选择133.5设计滚珠丝杠应注意的问题154联轴器的选型174.1联轴器的介绍174.2选择联轴器的类型174.2.1初选联轴器的类型174.2.2初选联轴器184.3联轴器的校核194.3.1转矩的校核204.3.2销的抗剪强度的校核205导轨的选型及计算215.1 导轨的组成种类及其应满足的要求215.2导轨材料的选择及热处理215.2.1导轨材料的选择215.2.3导轨的热处理225.3导轨的选型及长度估算225.4导轨副的额定寿命计算235.5滚动导轨副的技术要求255.6导轨防护罩的设计255.6.1导轨防护罩的介绍256.6.2导轨防护罩的选择255.7导轨的注意事项266数控系统软硬件电路设计27结论29致谢30参考文献311绪论1.1课题的选择背景X Y数控工作台是指能分别沿着X 向和Y向移动的工作台。数控机床的加工系统、立体仓库中堆垛机的平面移动系统、平面绘图仪的绘图系统等，尽管结构和功能各不相同，但基本原理相同。机电一体化系统是将机械系统与微电子系统结合而形成的一个有机整体。在中小形企业中，由于产品更新换代频繁，且大都是一些适应市场的单件，小批零件，若由数控机床来解决这些零件的加工精度和自动化问题，因成本高，而不现实。为此，数控工作台，作为工装与通用机床（立铣，立镗，钻等）陪用，以解决单件，小批。小尺寸复杂零件的孔，槽及凸轮等精度加工问题，具有一定的灵活性，通用性和经济性。X - Y工作台的机电一体化系统可以设计为开环、半和伺服系统三种。开环的伺服系统采用步进电机驱动，系统中不设置传感与检测设备，半的伺服系统中一般采用交流或直流伺服电机驱动，并在电机输出轴端设置传感与检测设备；的伺服系统中也是采用交流或直流伺服电机驱动，但检测与传感设备设置在工作台末端。数控交流伺服X-Y工作台系统是由控制计算机部分、伺服驱动部分、机械传动部分及检测部分组成，采用控制方式。1.2设计目的及意义机电一体化系统设计课程设计是培养学生设计能力的重要实践性教学环节之一，是综合运用所学过的机械、电子、自动控制、计算机等知识进行的基本设计训练。其目的是：1）能够正确运用机电一体化系统设计课程的基本理论和相关知识，掌握机电一体化系统（产品）的功能构成、特点和设计思想、设计方法，了解设计方案的拟定、比较、分析和计算，培养学生分析问题和解决问题的能力，使学生具有机电一体化系统设计的初步能力2）通过机械部分设计，掌握机电一体化系统典型机械零部件和执行元件的计算、选型和结构设计方法和步骤；3）通过测试及控制系统方案设计，掌握机电一体化系统控制系统的硬件组成、工作原理，和软件编程思想；4）通过课程设计提高学生应用手册、标准及编写技术说明书的能力，促进学生在科学态度、创新精神、专业技能等方面综合素质的提高1.3总体方案的设计设计一台钻孔用X-Y工作台及其运动控制系统设计，采取PLC控制，控制方式采用交流伺服、运动控制器和PC机。X-Y工作台的机械主体部分直线导轨和滚珠丝杠，联轴器，工作台面。电气部分的关联性及传动装置的保护性，X轴及Y轴两端配有高质量的缓冲器，同时可选配在工作台的两端配有限位检测开关，部分工作台的配有原点检测开光，并提供光电编码装置以适于控制，原点开关的位置可以打距离的调节。其具体参数如下：         X方向行程:100mm        Y方向行程:100mm         工作台面的参考尺寸:150 150mm         工作台和工件最大物重质量3KG         纵向脉冲当量0.0125mm         横向脉冲当量0.0125mm         滚珠丝杠直径D 25mm         滚珠丝杠节距P 6mm（一）机械系统设计1）传动机构为保证一定的传动精度和平稳性以及结构的紧凑，采用滚珠丝杠螺母传动副。丝杠的转速为中转速，精度要求为高精度。为提高传动刚度和消除间隙，采用有预加载荷的结构。采用滚珠丝杠副，滚珠丝杠直接与联轴器连接。2）导向机构采用滚动直线导轨。滚动直线导轨副动静摩擦力之差很小，摩擦阻力小，随动性极好。导轨的导向精度要求高。3）执行机构采用交流伺服电动机。6.2系统控制软件的设计（一）系统控制软件的主要内容数控系统是按照事先编好的控制程序来实现各种控制功能。按照功能可将数控系统的控制软件分为以下几个部分：（1）系统管理程序：它是控制系统软件中实现系统协调工作的主体软件。其功能主要是接受操作者的命令，执行命令，从命令处理程序到管理程序接收命令的环节，使系统处于新的等待操作状态。（2）零件加工源程序的输入处理程序。该程序完成从外部I/O设备输入零件加工源程序的任务。（3）插补程序。根据零件加工源程序进行插补，分配进给脉冲。（4）伺服控制程序。根据插补运算的结果或操作者的命令控制伺服电机的速度，转角以及方向。（5）诊断程序。包括移动不见移动超界处理，紧急停机处理，系统故障诊断，查错等功能。（6）机床的自动加工及手动加工控制程序。（7）键盘操作和显示处理程序。包括监视键盘操作，显示加工程序、机床工作状态、操作命令等信息。（二）系统控制功能分析数控X-Y工作台的控制功能包括：（1）、系统初始化。如对I/O接口8155，8255A进行必要的初始化工作，预置接口工作方式控制字。（2）、工作台复位。开机后工作台应该自动复位，亦可手动复位。（3）、输入和显示加工程序。（4）、监视按键，键盘及开关。如监视紧急停机键及行程开关，键盘扫描等功能。（5）、工作台超程显示与处理。工作台位移超过规定值时应该立即停止工作台的运动，并显示相应的指示字符。（6）、工作台的自动控制。（7）、工作台的手动控制。（8）、工作台的联动控制。（三）系统管理程序控制管理称许是系统的主程序，开机后即进入管理程序。其主要功能是接受和执行操作者的命令。在设计管理程序时，应确定接收命令的形式，系统的各种操作功能等。数控X-Y工作台的基本操作功能有：输入加工程序，自动加工，刀位控制，工作台位置控制，手动操作，紧急停机等。（四）自动加工程序设计（1）机床在自动加工时的动作顺序：工作台移动到位刀具快速进给加工退刀工作台运动到下一位置；（2）计算机在加工过程中的操作：读取刀具轨迹，控制机床完成加工；致谢经过艰苦的努力，在老师的辛勤指导下，终于顺利地完成本次设计。通过本次设计，一方面在课题中通过对X-Y工作台的设计学到不少的东西，另一方面也深刻感到了自己的不足。本次设计，是对我们大学学习的检验，是走上工作岗位的第一步，初步使我们将理论同实际结合起来。这是大学一个好的结尾，也是走上工作岗位的一个好的开端。本次设计通过老师精心指导，我从方案的拟定到结构设计，到零件的设计计算，到零件的强度校核，到零件图装配图的绘制，内容涉及面广。这是对大学学习成果的一次极好的检验、重温和深化。这次设计使我体会到时间的紧迫、工作的辛苦及一个合格工程技术人员的责任感，学到了许多书本上学不到的东西，增加了实践、设计体验，提高了查阅资料、工具手册和编写技术文件的能力，并认识了自己的不足。最后，向所有支持和关心过我的老师、同学、朋友表示真诚的谢意！参考文献1 机械设计手册编委会机械设计手册S北京：机械工业出版社，20052 冯辛安机械制造装备设计. 北京：机械工业出版社 ，2003.3 丁连红.机电一体化技术发展趋势和现状分析J 北京：中国科技信息，20074 邱宣怀主编机械设计（第四版）北京：高等教育出版社，19975 张建民，唐水源机电一体化系统设计北京：高等教育出版社，20056 刘助柏知识创新思维方法论北京：机械工业出版社，1999.7 朱龙根主编简明机械设计手册M.北京：机械工业出版社，19978 赵丁选机电一体化使用手册北京：化学工业出版社社，20039 周开勤. 机械零件手册第五版. 北京：高等教育出版社 ,200110 张训文机电一体化系统设计与应用北京：北京理工大学出版社，200611 刘助柏知识创新思维方法论北京：机械工业出版社，199912 陈婵娟数控机床设计北京：化学工业出版社，200613 王宝敏. 谈机电一体化技术的发展趋势J. 大众科技, 2006 一 题目：钻孔用 作台及其运动控制系统的设计 设计完成一个采用步进电机控制的双座标开环数控控制的工作台 二 原始数据：见附表 三 ，设计具体内容与要求 1. 总体设计方案的论证 （ 1） 叙述机电一体化的基本特征和机床数控化的重要意义及特点； （ 2） 数字控制型 作台的基本组成和它的优点。 2. 机械传动部件的设计与计算，并画出它的总装配图，以 纸绘制； (1) 如确定传动方式的类型和联轴器的形式等； (2) 对受控对象的特征进行计算，如：传动轴的扭转角，丝杠的变形量和极惯性矩的计算 (3) 叙述齿轮传动副，滚珠丝杠螺母副的作用和计算； (4) 叙述导轨的类型，作 用和各自的优缺点与设计中的选用 3. 步进电机和驱动电路的选用与设计计算； 4. 系统控制的设计计算，并画出相应的电器控制原理图，以 纸绘制 （ 1） 中心控制器可选用 8031 单片机或 8086 （ 2） 叙述 各自作用和容量的选用； （ 3） 论述接口电路及相关芯片（如 8155 和 8255 等）的基本功能及其作用； （ 4） 控制系统中应有必要的显示，键盘接口电路和安全保护及越位报警等电路，并对它们的特征和作用应加以必要叙述与论证； （ 5） 本控制系统可采用全地址译码或线地址译码，并对译码器和地址锁存器等的作用加以论述 5. 编写控制软件：对所附的零 件图编制加以回程单 6. 绘制本系统的框图用 纸 7. 列提对本课程设计的意见和建议 附表： 工作台尺寸（长 *宽） 15050作台行程（纵向 *横向） 10000作台（包括夹具等）重量 W 3作台最大移动速度 进电机与系统杠间有无齿轮传动 无 滚珠丝杠直径 D 25珠丝杠节距 P 6珠丝杠分辨率 L 6 10珠丝杠的重量 珠丝杠的摩擦转矩 10珠丝杠摩擦系数 珠丝杠传动传递效率 轮减速比 自己计算求得 主动齿轮的重量 自己定 从动齿轮的重量 自己定 齿轮模数 自己定 步进电机工作方式 五相十拍 步距角 步 纵向脉冲量 米步 横向脉冲量 米步 加速启动的脉冲频率 500速时间 最大位移速度的脉冲速度率 1600轨面的摩擦系数 设计 (说明书 ) 钻孔用 作台及其运动控制系统设计 学生姓名 学院名称 专业名称 指导教师 2011 年 08 月 29 日 要 控工作台是 是指能分别沿着 X 向和 Y 向移动的工作台，是 许多机电一体化设备的基本部件，如数控车床的纵 横向进刀机构、数控铣床和数控钻床的 作台、激光加工设备的工作台、电子元件表面贴装设备等。模块化的控工作台，通常由导轨座、移动滑块、工作、滚珠丝杠螺母副，以及伺服电动机等部件构成。其中伺服电 动机做执行元件用来驱动滚珠丝杠，滚珠丝杠螺母带动滑块和工作平台在导轨上运动，完成工作台在 X、 Y 方向的直线移动。导轨副、滚珠丝杠螺母副和伺服电动机等均以标准化，由专门厂家生产，设计时只需根据工作载荷选取即可。控制系统根据需要，可以选取用标准的工作控制计算机，也可以设计专用的微机控制系统。 关键词 控工作台 ；伺服电动机；数控车床 Y to to to as NC NC NC Y Y by to to in , Y of be by be to as a a a XY I 目 录 1 绪论 . 1 题的选择背景 . 1 计目的及意义 . 1 体方案的设计 . 2 2 交流伺服电动机的选型 . 4 流伺服电动机的选型 . 电机的选择依据 . 电机的负载力矩和惯量的计算 . 丝杠的选型 . 6 杠的介绍 . 6 杠螺母机构基本传动形式 . 6 珠丝杠副的组成及特点 . 6 珠丝杠副的典型结构形式 . 7 珠丝杠副轴向间隙的调整和预紧 . 8 珠丝杠 副的密封与润滑 . 8 杠螺母副的选择 . 9 杠的校核 . 9 珠丝杠支承的选择 . 11 承方式 的选择 . 11 承的选择 . 11 计滚珠丝杠应注意的问题 . 14 4 联轴器的选型 . 15 轴器的介绍 . 15 择联轴器的类型 . 15 选联轴器的类型 . 15 选联轴器 . 16 轴器的校核 . 17 矩的校核 . 18 的抗剪强度的校核 . 18 5 导轨的选型及计算 . 19 轨的组成种类及其应满足 的要求 . 19 轨材料的选择及热处理 . 19 轨材料的选择 . 19 轨的热处理 . 20 轨的选 型及长度估算 . 20 轨副的额定寿命计算 . 21 动导轨副的技术要求 . 23 轨防护罩的设计 . 23 轨 防护罩的介绍 . 23 轨防护罩的选择 . 23 轨的注意事项 . 24 6 数控系统软硬件电路设计 . 19 结论 . 错误 !未定义书签。 致谢 . 31 参考文献 . 32 1 1 绪论 题的选择背景 X Y 数控工作台是指能分别沿着 X 向和 Y 向移动的工作台。数控机床的加工系统、立体仓库中堆垛机的平面移动系统、平面绘图仪的绘图系统等，尽管结构和功能各不相同，但基本原理相同。机电一体化系统是将机械系统与微电 子系统结合而形成的一个有机整体。在中小形企业中，由于产品更新换代频繁，且大都是一些适应市场的单件，小批零件，若由数控机床来解决这些零件的加工精度和自动化问题，因成本高，而不现实。为此，数控工作台，作为工装与通用机床（立铣，立镗，钻等）陪用，以解决单件，小批。小尺寸复杂零件的孔，槽及凸轮等精度加工问题，具有一定的灵活性，通用性和经济性。 X - Y 工作台的机电一体化系统可以设计为开环、半和伺服系统三种。开环的伺服系统采用步进电机驱动，系统中不设置传感与检测设备，半的伺服系统中一般采用交流或直流伺服电机驱动，并在 电机输出轴端设置传感与检测设备；的伺服系统中也是采用交流或直流伺服电机驱动，但检测与传感设备设置在工作台末端 。 数控交流伺服作台系统是由控制计算机部分、伺服驱动部分、机械传动部分及检测部分组成 ， 采用控制方式。 计目的及意义 机电一体化系统设计课程设计是培养学生设计能力的重要实践性教学环节之一，是综合运用所学过的机械、电子、自动控制、计算机等知识进行的基本设计训练。其目的是： 1）能够正确运用机电一体化系统设计课程的基本理论和相关知识，掌握机电一体化系统（产品）的功能构成、特点和设计思想 、设计方法，了解设计方案的拟定、比较、分析和计算，培养学生分析问题和解决问题的能力，使学生具有机电一体化系统设计的初步能力； 2）通过机械部分设计，掌握机电一体化系统典型机械零部件和执行元件的计算、选型和结构设计方法和步骤； 3）通过测试及控制系统方案设计，掌握机电一体化系统控制系统的硬件组成、工作原理，和软件编程思想； 4）通过课程设计提高学生应用手册、标准及编写技术说明书的能力，促进学生在科学态度、创新精神、专业技能等方面综合素质的提高。 2 体方案的设计 设计一台钻孔用 作台及其运动控制系统 设计，采取 制，控制方式采用交流伺服、运动控制器和 。 作台的机械主体部分直线导轨和滚珠丝杠，联轴器，工作台面。电气部分的关联性及传动装置的保护性， X 轴及 Y 轴两端配有高质量的缓冲器，同时可选配在工作台的两端配有限位检测开关，部分工作台的配有原点检测开光，并提供光电编码装置以适于控制，原点开关的位置可以打距离的调节。其具体参数如下： X 方向行程 :100 Y 方向行程 :100作台面的参考尺寸 :150 150作台和工件最大物重质量 3向脉冲当量 向脉冲当量 珠丝杠直径 D 25珠丝杠节距 P 6一）机械系统设计 1）传动机构为保证一定的传动精度和平稳性以及结构的紧凑，采用滚珠丝杠螺母传动副。丝杠的转速为中转速，精度要求为高精度。为提高传动刚度和消除间隙，采用有预加载荷的结构。采用滚珠丝杠副，滚珠丝杠直接与 联轴器连接。 2）导向机构采用滚动直线导轨。 滚动直线导轨副动静摩擦力之差很小，摩擦阻力小，随动性极好。导轨的导向精度要求高。 3） 执行机构采用交流伺服电动机。 3 （二） 工作台外形尺寸及重量初步估算 工作台草图如下图 1 图 1作台流程图 根据给定的有效行程，画出工作台简图，估算 X 向和 Y 向工作台承载重量Y。 图 1作台简图 4 2 交流伺服电动机的选型 流伺服 电动机的选型 机的选择依据 一般电机要承受两种形式的力矩：恒定的负载力矩和切削力矩（包括摩擦力矩）；加 /减速力矩。下面是选择电机时应满足的条件。 1）机床无负载时，加在电动机上的力矩应小于电动机的连续额定力矩的 50%一下。否则，在切削或加速 /减速时电动机就可能过热。 2）加 /减速时间要短，须在电动机的允许范围内。通常，负载力矩帮助电动机的减速，因此如果加速在允许时间内完成的话，减速也可在相同时间内完成。这样我们只需计算加速力矩，并在允许时间内核算力矩在电动机的机械特性的断续区内。 3）频繁地定位 和加 /减速会使电动机发热，此时需要计算出电动机承受的力矩的均方根值 其小于电动机的额定力矩 4）电动机以最大切削力矩运行的时间应在允许范围内。 5）负载的惯量要小于电动机本身惯量的 3 倍。 这里我们依据负载来选择电动机。 机的负载力矩和惯量的计算 加到电机轴上的负载力矩通常由下式算出： 式（ 式 中： 加到电机轴上的负载力矩（ F 沿坐标轴移动一个部件所需的力（ L 电机转一转机床的移动距离 = 21 / 滚珠丝杠螺母或轴承加到电机轴上的摩擦力矩 5 无论是否在切削，是垂直轴还是水平轴， F 值取决于 工作台的重量，摩擦系数， F 值还与平衡锤有关。对于水平工作台， F 值可按下式计算 : W 工作台与工件重量 =3 滑动表面摩擦系数 = 驱动系统的效率 =g 镶条锁紧力 =5F 反切削力 =50 由切削力矩引起的滑动表面上工作台上收到的力 =30设 2m） 不切削时： ） 式（ 060(F （ T 1 切削时： ）（ 式（ )305060(F 2) ）（ N 为满足运行条件，应根据数据选择电动机，m，最高转速应小于 2000r 1 6 3 丝杠的选型 杠的介绍 杠螺母机构基本传动形式 丝杠螺母机构又称 螺旋传动机构。它主要用来将旋转运动变为直线运动或将直线运动变为旋转运动，有以传递能量为主的（如螺旋压力机），也有以传递运动为主的（如工作台的进给丝杠）。 丝杠螺母机构有滑动摩擦和滚动摩擦之分。滑动丝杠螺母机构结构简单，加工方便，制造成本低，具有自锁功能。但其摩擦阻力大，传动效率低（ 30%40%）。滚动丝杠螺母机构虽然结构复杂制造成本高。但其最大优点是摩擦阻力小，传动效率高（ 92%98%），因此选用滚动丝杠螺母机构。 根据丝杠和螺母相对运动的组合情况，其基本传动形式一共可分为四种类型，其类型如下： 1）螺 母固定、丝杆传动并移动。该传动形式因螺母本身起着支承作用，消除了丝杆轴承可能产生的附加轴向窜动，结构比较简单，可获得较高的传动精度。但其轴向尺寸不已太长，刚性较差。因此只适合用于行程较小的场合。 2）丝杆传动、螺母移动。该传动形式需要限制螺母的传动，故需导向装置。其特点是结构紧凑、丝杆刚性较好。适用于工作行程较大的场合。 3）螺母传动、丝杆移动。该传动形式需要限制螺母移动和丝杆的传动，由于结构较复杂且占用轴向空间较大，故应用较少。 4）丝杆固定、螺母传动并移动。该传动方式结构简单、紧凑，但在多数情况下，使用 极不方便，故很少应用。 根据工作台运动情况，应选择丝杠传动螺母移动的形式，该传动形式需要限制螺母的转动，故需导向装置。其特点是结构紧凑，丝杠刚性较好，适用于工作行程较大的场合。 珠丝杠副的组成及特点 滚珠丝杠副是一种新型螺旋传动机构，其具有螺旋槽的丝杠与螺母之间装有中间传动元件 滚珠。滚珠丝杠螺母机构由丝杠，螺母，滚珠，和反向器等四部分组成。当丝杠转动时，带动滚珠沿螺纹滚道滚动，为防止滚珠从滚道端面掉出，在螺母的螺旋槽两端设有滚珠回程引导装置构成滚珠的循环返回通道，从而形成 7 滚珠流动的闭合通路。 滚珠丝杠副与滑动丝杠副相比，除上述优点外，还具有轴向刚度高，运动平稳，传动精度高，不易磨损，使用寿命长等优点。但由于不能自锁，具有传动的可逆性，在用做升降传动机构时，需要采取制动等措施。 珠丝杠副的典型结构形式 滚珠丝杆副的结构类型可以从螺纹滚道的截面形状、滚珠的循环方式和消除轴向的调整方法进行区别。 我国生产的滚珠丝杠副的螺纹滚道有单圆弧形和双圆弧形。滚道形面和滚珠接触点之法线与丝杆轴向之垂线的夹角被称为接触角，一般为 45 度。单圆弧形的螺纹滚道的接触角随轴向载荷大小的变化而变化，主要由轴向载荷 所引起的接触变形的大小而定。接触角增大时，传动效率、轴向刚度以及承载能力也随之增大。由于单圆弧形滚道加工用砂轮加工成型比较简单，故容易得到较高的加工精度。单圆弧形面的滚道圆弧半径 R 稍大于滚珠半径。 双圆弧形的螺纹滚道的接触角在工作中基本保持不变。两圆弧相交处有一小空隙，可使滚道底部与滚珠不接触，并能储存一定的润滑油以减少摩擦磨损。由于加工其型面的砂轮修整和加工、检验均比较困难，故加工成本较高。 滚珠丝杠副中的滚珠循环方式有内循环和外循环两种，区别见表 3 表 3珠的循环方式 类别 形式 特点 内循 环 优点 :返回通道短 ,一个循环只有一圈钢球 ,流畅性好 ,摩擦损失小 ,效率高 ,径向尺寸小 ,刚性好 缺点 :返向器钢球返回通道的曲面加工复杂 外循环 端盖式 优点 :结构紧凑 ,工艺性好 缺点 :循环回路长 ,流畅性差 ,钢球通过短槽时易卡住 螺旋槽式 优点 :结构简单 ,制造方便 ,承载能力大 缺点 :钢球流畅性较差 ,挡珠器较易磨损 插管式 优点 :结构简单 ,工艺性好 ,钢球的流畅性好 ,应用较广 缺点 :凸出式的插管凸出于螺母外部 ,径向尺寸较大 8 珠丝杠副轴向间隙的调整和预紧 滚珠丝杠副在负载时，其滚珠与滚道 面接触点处将产生弹性变形。换向时，其轴向间隙会引起空回。这种空回是非连续的，既影响传动精度，又影响系统的稳定性。单螺母丝杆螺母副的间隙消除相当困难。实际应用中，常采用以下几种调整预紧方法见表 3 表 3用的调整预紧方法 调整预紧方式 特点 双螺母螺纹预紧调整式 结构简单、刚性好、预紧可调，使用中调整方便，但不能精确定量地进行调整。 双螺母齿差预紧调整式 可实现定量调整即可进行精密微调，使用中调整方便。 双螺母垫片调整预紧式 结构简单刚度高、预紧可靠，但使用中调整不方便。 弹簧式自动调整预紧式 能消除使用过程中因磨损或弹性变形产生的间隙，但其结构复杂、轴向刚度低，适合用于轻载场合。 单螺母变位倒程自顶预紧式和单螺母滚珠过赢预紧式 结构简单紧凑，但在使用中不能调整，且制造困难 。 根据防尘防护条件以及对调隙及预紧的要求，可选择适当的结构形式。例如，当允许有间隙存在时可选用具有单圆弧形螺纹滚道的单螺母滚珠丝杠副；当必需有预紧或在使用过程中因磨损而需要定期调整时，应采用双螺母螺纹预紧或齿差预紧式结构；当具备良好的防尘条件，且只需要在装配时调整间隙及预紧力时，可采用结构简单的双螺母垫片调整预紧式结构。 考虑到设计的所设计的工作台有良好的防尘条件且只需要在装配时调整间隙及预紧力，故采用结构简单的双螺母垫片调整预紧式。 珠丝杠副的密封与润滑 滚珠丝杠副可用防尘密封圈或防护套来防止灰尘及杂质进入滚珠丝杠副，使用润滑剂来提高其耐磨性及传动效率，从而维持其传动精度、延长其使用寿命。密封圈有接触式和非接触式两种，将其装在滚珠螺母两端即可。非接触式密封圈通常由聚氯乙烯等塑料制成，其内孔螺纹表面与丝杠螺纹之间略有间隙，故又称迷宫式密封圈。接触式密封圈用具有弹性的耐油橡胶或尼龙等材料制成，因此有接触压力并产生 一定的摩擦力矩，但其防尘效果好。常用的润滑剂有润滑油和润滑脂两类。润滑脂一般在装配是放进滚珠螺母滚道内定期润滑，而使用润滑油时应注意经常通过注油孔注油。防护套的形式有折叠式密封套、伸缩套管和伸缩挡板。其材料有耐油塑料、人造革等。 9 杠螺母副的选择 初选滚珠丝杠副数据见下表： 公称直径 /程 /量 /距 /5 5 20 8 根据丝杠的工作行程初选丝杠的工作长度： 初选 X 方向丝杠的工作长度为 410选 Y 方向丝杠的工作长度为 460珠丝杠的工作载荷计算公式为： 式（ 由条件，查机电一体化系统设计取 = = 取 D 精度，取 = X 方向丝杠工作载荷： 600=864N Y 方向丝杠工作载荷： 600=864N 额定动载荷值 计算： 导程初选为 5 m i n/000n m m in/ 0 05/1 0 0 0 0n m a x = 3 4067.1 L=864 5011N 根据 值选择滚珠丝杠副 ， 假设选用按滚珠丝杠副的额定动载荷 于或稍大于 的原则，查表选以下型号规格： 011N 公称直径 D=25导程 P=5螺旋角 833 。 滚珠直径 计算可得： 滚道半 径 R= 5 7( ) 丝杠内径10 2 2 e R 杠的校核 10 1）由于一端轴向固定的长丝杠在工作时可能会发生失稳 ,所以在设计时应验算其安全系数 S，其值应大于丝杠副传动结构允许安全系数。 丝杠不会发生失稳的最大载荷称为临界载荷22()其中 E=206=4 841 064 64a 取23 则2 9 852206 10 0 02( 0 0 查表可得 S= SS 丝杠是安全的 ,不会失稳 2） 速长丝杠工 作时可能发生共振，因此需验算其不会发生共振的最高转速 临界转速 要求丝杠的最大转速 m i n/ 9 3 5 2 8 2 1 1 1 1 所以3） 此外滚珠丝杠副还受 的限制，通常要求： 107 mm/n=25 mi n/n/ 0 3 4)滚珠丝杠在工作负载 F(N)和转矩 T(Nm)共同作用下引起每个导程的变形量为： 20 2 p J 式（ 式中， A 为丝杠截面积， A ；221 ；441 为丝杠切变模量，对钢 G=a;T(N m)为转矩，0 )2m 式中 为摩擦角，其正切 函数值为摩擦系数； 平均工作载荷 1 系数为 ,则得84 a - 。 按最不利的情况取 (F= E - 2 通常要求丝杠的导程误差小于其传动精度的 1/2,即 11 022 mm m 该丝杠的 满足上式，所以其刚度可满足要求 。 5)效率验算： 8 ) 38 8 40 ) 要求在 90%间，所以该丝杠副合格 . 经上述计算验证， 项性能均符合题目要求，可选。 珠丝杠支承的选择 承方式的选择 滚珠丝杠的主要载荷是轴向载荷，径向载荷来自于丝杠的自重。因此，滚珠丝杠的轴向刚度和位移精度要求很高。滚珠丝杠的支承方式有以下几种： 1） 固定 固定，适用于高转速、高精度的丝杠； 2） 固定 游动，适用于中转速、高精度的丝杠； 3） 固定 自由适用于低转速、中精度、短轴向的丝杠。 考虑到设计要求中转速、高精度，这里我们选择固定 游动的支承方式。固定断采用轴承连接。 承的选择 承的分类 轴承可以分为标准滚动轴承、非标滚动轴承、静压轴承和磁悬浮轴承。滚珠丝杠一般配用标准滚动轴承。 12 滚动轴承已标准化系列化，有向心轴承、向心推力轴承和推力轴承，共十种类型。滚动轴承一般 由内圈、外圈、滚动体和保持架（俗称四大件）组成。 在轴承设计中应根据承载的大小、旋转精度、刚度、转速等要求选用合适的轴承类型。举例如下： 1） 深沟球轴承。轴系 用球轴承有单列向心球轴承和角接触轴承。前者一般不能承受轴向力，且间隙不能调整，常用于旋转精度和刚度要求不够的场合。后者既能承受径向载荷也能承受轴向载荷；并可以通过内外围之间的相对位移来调整其大小。因此在轻载时应用广泛。 2） 双列向心短圆柱滚子轴承。此类轴承一般分为两种一种是滚道开在内圈上，一种是滚道开在外圈上。这两种轴承的圆柱滚子数目多、密度大，分两列交叉排列，旋转时支承刚度变化小，内圈上均有 1:12 的锥孔与带锥度 的轴颈配合，内圈相对于轴颈作轴向移动时，内圈被涨大，从而可调整轴承的径向间隙或实现预紧；因此，其 承载能力大、支承刚度高，但只能承受径向载荷，与其他推力轴承组合使用，可用于较大载荷、较高转速场合。 3） 圆锥滚子轴承。圆锥滚子轴承由内圈、外圈、格圈和圆锥滚子组成。该轴承能承受较大载荷，用其代替短圆柱滚子轴承和推力轴承，则刚度提高，虽极限转速有所降低，但仍能达到高精度的要求。 4） 推力轴承。推力轴承一般轴向承载能力很强，支承刚度很大，但极限转速较低，运动造势较大。 承的选择 考虑到轻载初选 。60 接触角推力角接触轴承 代号 7202数据见下表： 表 3接触轴承的数据 d(D(B(2d (2D (15 32 9 轴承是与滚珠丝杠专配的轴承其主要特点是：既能承受轴向载荷又能承受径向载荷，接触角大、钢球多、刚度高。 承的校核 基本额定动载荷： 9 8 06 2 5 022 取滚动轴承当量动载荷 X 的值： X=1， Y=当量动载荷为： 257) 13 轴承寿命的计算： 2579980(25016670)(16670 310 轴承的预期寿命取 25000h 额定动载荷的计算： 8 9 6 01 6 6 7 0 2502 5 0 0 01 2 8 71 6 6 7 0n 33 9980N 所以选择的的轴承可以满足寿命和强度的的要求。 承的润滑与配合 滚动轴承的润滑目的是减少轴承内部摩擦及摩损，防止烧粘、其润滑效用如下 ： 1） 减少摩擦及摩损。 在构成轴承的套圈、滚动体及保持器的相互接触部分，防止金属接触，减少摩擦、磨损。 2） 延长疲劳寿命。 轴承的滚动疲劳寿命，在旋转中，滚动接触面润滑良好，则延长。相反地，油粘度低，润滑油膜厚度不好，则缩短。 3） 排出摩擦热、冷却。 循环给油法等可以用油排出由摩擦发生的热，或由外部传来的热，冷却。防止轴承过热，防止润滑油自身老化。 4） 其他 也有防止异物侵入轴承内部，或防止生锈、腐蚀之效果。 轴承的润滑方法，分为脂润滑和油润滑。为了使轴承很好地发挥机能，首先，要选择适合使用条件、使用目的的润滑方法。若只考虑润滑，油润滑的润滑性占优势。但是，脂润滑有可以简化轴承周围结构的特 长，将脂润滑和油润滑的利弊比较。 滚动轴承的套圈与轴和座孔之间应选择适当的配合，以保证轴的旋转精度和 轴承的周向固定。滚动轴承是标准零件，因此，轴承内圈与轴颈的配合采用基孔 制，轴承外圈与座孔的配合采用基轴制。为了防止轴颈与内圈在旋转时有相对运 动，轴承内圈与轴颈一般选用 较紧的配合。轴承外圈 与座孔一般选用 较松的配合。配合选择取决于载荷大小、方向和性质；轴承类型、尺寸和精度；轴承游隙以及其他因素。具体选用可参考机械设计手册。 14 承使用注意事项 与一般的机械零件相比，滚动轴承的精度较高，因此使用时也相应地应小心谨慎。 1）保持轴承及其周边的清洁 2）使用时仔细认真 3）若使用时粗心大意给轴承以强烈冲击，会使轴承出现伤痕，压痕，断裂等损伤。 4）注意轴承的防锈 5）避免在潮湿的场所使用，而且为不使汗水沾上，应戴厚套。 计滚珠丝杠应注意的问题 1）为提高滚珠丝杠副的使用寿命和精度，应使作用在螺母上的合力通过丝杠轴心，以保证滚珠受力均匀，避免倾覆力。 2）放逆转：滚珠丝杠副传动逆效率高，应考虑在电机停电后，因部件 自重而产生螺旋副的逆传动（特别是在垂直方向上传动时），防止逆传动的方法可采用：停电自锁的电机、蜗轮蜗杆机构、离合器等方式。 3）滚珠丝杠副在行程两端应有行程保护装置，以防止越程后滚珠丝杠副受撞击而影响精度、使用寿命甚至损坏。 4）防止热变形：热变形对精密螺旋传动的定位精度有着重要的影响。其热源不单是螺旋副的摩擦热，还有其他机械部件工作时产生的热，致使丝杠热膨胀而伸长。为此必须分析热源的各因素，采用措施控制热源，还可以采用预拉伸、强制冷却等减少热变形对丝杠的伸长的影响。 5）细长而又水 平放置的丝杠，因自重使轴线产生弯曲变形，是影响导程累积误差的因素之一，还会使螺母受载不均。设计细长丝杠时，应考虑防止或减小自重弯曲变形的措施。 6）防护与密封：尘埃和杂质进入滚道会妨碍滚动体运动流畅，会加速滚动体与滚道的磨损，使滚动螺旋副丧失精度。为此需要防尘措施。滚珠丝杠副在螺母两端已安装防尘圈，为避免丝杠外露，用户还需要为丝杠选择防护装置。 7）合理润滑是减小驱动转矩、提高传动效率、延长螺旋副使用寿命的重要环节。接触表面的油膜还有吸振、减小传动噪声和冲洗丝杠上的粉尘等杂物的作用。因此要注 入润滑脂。在螺母上还有油孔，用户可旋入油嘴，再采用其他合适的润滑方式。 8）用内循环滚珠丝杠副，必须使丝杠螺纹两端中至少有一端的滚珠螺纹是通牙，并该端所有外圆尺寸均小于丝杠螺纹底径 则无法装配螺母。 15 4 联轴器的选型 轴器的介绍 联轴器是用来联接不同机构中的两根轴（主动轴和从动轴）使之共同旋转以传递扭矩的机械传动件。 其一般可分为 8 种，具体分类如下： 1） 联轴器可分为刚性联轴器、挠性联轴器、安全联轴器三种： 2） 刚性联轴器：刚性联轴器不具有补偿被联两轴轴线相对偏移的能力，也不具有缓冲减震 性能；但结构简单，价格便宜。只有在载荷平稳，转速稳定，能保证被联两轴轴线相对偏移极小的情况下，才可选用刚性联轴器。 3） 挠性联轴器：具有一定的补偿被联两轴轴线相对偏移的能力，最大量随型号不同而异。 4） 无弹性元件的挠性联轴器：承载能力大，但也不具有缓冲减震性能，在高速或转速不稳定或经常正、反转时，有冲击噪声。适用于低速、重载、转速平稳的场合。 5） 非金属弹性元件的挠性联轴器 在转速不平稳时有很好的缓冲减震性能；但由于非金属（橡胶、尼龙等）弹性元件强度低、寿命短、承载能力小、不耐高温和 低温，故适用于高速、轻载和常温的场合 6） 金属弹性元件的挠性联轴器：除了具有较好的缓冲减震性能外，承载能力较大，适用于速度和载荷变化较大及高温或低温场合。 7） 安全联轴器 ：在结构上的特点是，存在一个保险环节（如销钉可动联接等），其只能承受限定载荷。当实际载荷超过事前限定的载荷时，保险环节就发生变化，截断运动和动力的传递，从而保护机器的其余部分不致损坏，即起安全保护作用。 8） 起动安全联轴器：除了具有过载保护作用外，还有将机器电动机的带载起动转变为近似空载起动的作用。 择联轴 器的类型 选联轴器的类型 根据传递载荷的大小，轴转速的高低，被联接两部件的安装精度等，参考各类联轴器特性，选择一种合用的联轴器类型。具体选择时可考虑以下几点： 1） 所需传递的转矩大小和性质以及对缓冲减振功能的要求。例如，对大功率的重载传动，可选用齿式联轴器；对严重冲击载荷或要求消除轴系扭转振动的 16 传动，可选用轮胎式联轴器等具有高弹性的联轴器。 2） 联轴器的工作转速高低和引起的离心力大小。对于高速传动轴，应选用平衡精度高的联轴器，例如膜片联轴器等，而不宜选用存在偏心的滑块联轴器等。 3） 两轴相对位移 的大小和方向。当安装调整后，难以保持两轴严格精确对中，或工作过程中两轴将产生较大的附加相对位移时，应选用挠性联轴器。例如当径向位移较大时，可选滑块联轴器，角位移较大或相交两轴的联接可选用万向联轴器等。 4） 联轴器的可靠性和工作环境。通常由金属元件制成的不需润滑的联轴器此较可靠；需要润滑的联轴器，其性能易受润滑完善程度的影响，且可能污染环境。含有橡胶等非金属元件的联轴器对温度、腐蚀性介质及强光等比较敏感，而且容易老化。 5） 联轴器的制造、安装、维护和成本。在满足便用性能的前提下，应选用装拆方便、维护简单、成本 低的联轴器。例如刚性联轴器不但结构简单，而且装拆方便，可用于低速、刚性大的传动轴。一般的非金属弹性元件联轴器 (例如弹性套柱销联轴器、弹性柱销联轴器、梅花形弹性联轴器等 )，由于具有良好的综合能力，广泛适用于一般的中、小功率传动。 选联轴器 依据滚珠丝杠的轴径和下表 4列的联轴器性能初选圆锥销套筒联轴器。 表 4轴器性能 类别 联轴器名称 径范围 高转速r/点及应用说明 固定式 套筒联轴器 圆锥销 34000 平键 715000 半圆键 8450 花键 15012500 4100 20100 1035 25102 一般小于等200250 结构简单，制造容易，径向尺寸小，成本低。但装拆时需沿轴向移动较大的 距离。而且只能连接两轴直径相同的圆柱形，轴伸一般用于工作平稳的功率传动轴系。 续表 417 类别 联轴器名称 径范围 高转速r/点及应用说明 刚性 凸缘联轴器（ 5843 2003） 1020000 10180 130002300 结构简单，制造容易，工作可靠，装拆方便，刚性好，传递转矩大，但不能吸收冲击。当两轴对中精度较低时，将引起较大的附加载荷，适用于工作平稳的一般传动，高速传动时需要有高的对中和制造精度。 套筒 夹壳联轴器 （ 213 1965） 859000 30110 900380 装拆方便，不需沿轴向移动两轴，但平衡困难，而且两轴径必须是相同的圆柱形。仅适用于低速传动的水平或垂直轴系，以 传递平稳载荷为宜。 联轴器 紧箍夹壳联轴器 18012500 30110 900380 其特点和使用性能与夹壳联轴器相似，但外形简单，平衡条件有所改善，夹紧力大，很适宜用于径向夹紧力大的场合。 初选 d=12 圆锥销套筒联轴器，其具体数据如下表 4 表 4-2 d=12圆锥销套筒联轴器数据 d 公称转矩（ Nm） D L l C 圆锥销 （ 2个） 12 2 40 8 24 轴器的校核 18 矩的校核 联轴器转矩的计算公式如下： 0 式（ 式中： K 工作情况系数 P 输出功率（ T 理论转矩 T 计算转矩 工作转速 r/mi n 则联轴器的转矩为 (考虑动载荷及过载 ,取联轴器工作情况系数 K= 0 = 计算可以确定选则的联轴器合适。 的抗剪强度的校核 销的抗剪强度的计算公式如下： DT式（ 则销的抗剪强度为： 32 经计算销的抗剪强度合适，材料为 45 号钢。 19 5 导轨的选型及计算 轨的组成种类及其应满足的要求 导轨副主要由承导件和运动件两大部分组成。运动方向为直线的被称为直线运动导轨副、为回转的被称为回转运动导轨副。常用的导轨副的种类很多，按其接触面的摩擦性 质可分为滑动导轨副、滚动导轨副、流体介质摩擦导轨等。按其结构特点可分为开式导轨和闭式导轨。机电一体化系统对导轨的基本要求是导向精度高、刚性高、运动轻便平稳、耐磨性好、温度变化影响小以及结构工艺性好。对精度要求高的直线运动导轨还要求导轨的承载面与导向面严格分开；当运动件较重时，必须设有卸荷装置，运动件的支承必须符合三点定位原理 。 轨材料的选择及热处理 轨材料的选择 导轨常用的材料有铸铁、钢、有色金属和塑料等。常使用铸铁 铸铁、铸铁 刚的导轨。 1）铸铁。铸铁具有耐磨性和减震性好，热稳定性 高，易于铸造和切削加工，成本低等特点，因此在滑动导轨中被广泛应用。常用的铸铁有： 灰铸铁，常用的是 级铸铁），硬度以 180200为适合。适当增加铸铁中含碳量和含磷量，减少含硅量，可以提高导轨的耐磨性。 高磷铸铁，他是指含磷量为 灰口铸铁，其硬度为 180220磨性比灰铸铁 高一倍。 低合金铸铁，这类铸铁具有较好的耐磨性，且铸造性能优于高磷系铸铁。 稀土铸铁，它具有强度高、韧性好的特点，耐磨性与高磷铸铁相近。但铸造性能和减震性较差，成本也较高。 2）钢 。为了提高导轨的耐磨性，可以采用淬硬的钢导轨。淬火的钢导轨都是镶装或焊接上去的。淬硬的钢导轨的耐磨性比不淬硬的铸铁导轨高 510 倍。常用的钢有 45 钢、 40。 3）有色金属。常用的有色金属有黄铜 青铜 硬铝铝 ，其中以铝青铜较好。 4）塑料。镶装塑料导轨具有较好的耐磨性，抗震性能好，工作适应范围广，抗撕伤能力强，动、静摩擦系数低、差别小，可降低低速运动的临界速度，加工性和化学稳定性好，工艺简单，成本低等等特点。 综上所诉，本次 设计中我们选用灰铸铁 20 轨的热处理 导轨热处理 :一般重要的导轨，铸件粗加工后进行一次时效处理，高精度导轨铸件半精加工后还需进行第二次时效处理。 常用导轨淬火方法有 : 1)中频淬火，淬硬层深度 (1 2)度 (45 50) 2)接触加热自冷表面淬火，淬硬深度 (微硬度 600H 一 题目：钻孔用 作台及其运动控制系统的设计 设计完成一个采用步进电机控制的双座标开环数控控制的工作台 二 原始数据：见附表 三 ，设计具体内容与要求 1. 总体设计方案的论证 （ 1） 叙述机电一体化的基本特征和机床数控化的重要意义及特点； （ 2） 数字控制型 作台的基本组成和它的优点。 2. 机械传动部件的设计与计算，并画出它的总装配图，以 纸绘制； (1) 如确定传动方式的类型和联轴器的形式等； (2) 对受控对象的特征进行计算，如：传动轴的扭转角，丝杠的变形量和极惯性矩的计算 (3) 叙述齿轮传动副，滚珠丝杠螺母副的作用和计算； (4) 叙述导轨的类型，作 用和各自的优缺点与设计中的选用 3. 步进电机和驱动电路的选用与设计计算； 4. 系统控制的设计计算，并画出相应的电器控制原理图，以 纸绘制 （ 1） 中心控制器可选用 8031 单片机或 8086 （ 2） 叙述 各自作用和容量的选用； （ 3） 论述接口电路及相关芯片（如 8155 和 8255 等）的基本功能及其作用； （ 4） 控制系统中应有必要的显示，键盘接口电路和安全保护及越位报警等电路，并对它们的特征和作用应加以必要叙述与论证； （ 5） 本控制系统可采用全地址译码或线地址译码，并对译码器和地址锁存器等的作用加以论述 5. 编写控制软件：对所附的零 件图编制加以回程单 6. 绘制本系统的框图用 纸 7. 列提对本课程设计的意见和建议 附表： 工作台尺寸（长 *宽） 15050作台行程（纵向 *横向） 10000作台（包括夹具等）重量 W 3作台最大移动速度 进电机与系统杠间有无齿轮传动 无 滚珠丝杠直径 D 25珠丝杠节距 P 6珠丝杠分辨率 L 6 10珠丝杠的重量 珠丝杠的摩擦转矩 10珠丝杠摩擦系数 珠丝杠传动传递效率 轮减速比 自己计算求得 主动齿轮的重量 自己定 从动齿轮的重量 自己定 齿轮模数 自己定 步进电机工作方式 五相十拍 步距角 步 纵向脉冲量 米步 横向脉冲量 米步 加速启动的脉冲频率 500速时间 最大位移速度的脉冲速度率 1600轨面的摩擦系数 设计 (说明书 ) 钻孔用 作台及其运动控制系统设计 学生姓名 学院名称 专业名称 指导教师 2011 年 08 月 29 日 要 控工作台是 是指能分别沿着 X 向和 Y 向移动的工作台，是 许多机电一体化设备的基本部件，如数控车床的纵 横向进刀机构、数控铣床和数控钻床的 作台、激光加工设备的工作台、电子元件表面贴装设备等。模块化的控工作台，通常由导轨座、移动滑块、工作、滚珠丝杠螺母副，以及伺服电动机等部件构成。其中伺服电 动机做执行元件用来驱动滚珠丝杠，滚珠丝杠螺母带动滑块和工作平台在导轨上运动，完成工作台在 X、 Y 方向的直线移动。导轨副、滚珠丝杠螺母副和伺服电动机等均以标准化，由专门厂家生产，设计时只需根据工作载荷选取即可。控制系统根据需要，可以选取用标准的工作控制计算机，也可以设计专用的微机控制系统。 关键词 控工作台 ；伺服电动机；数控车床 Y to to to as NC NC NC Y Y by to to in , Y of be by be to as a a a XY I 目 录 1 绪论 . 1 题的选择背景 . 1 计目的及意义 . 1 体方案的设计 . 2 2 交流伺服电动机的选型 . 4 流伺服电动机的选型 . 电机的选择依据 . 电机的负载力矩和惯量的计算 . 丝杠的选型 . 6 杠的介绍 . 6 杠螺母机构基本传动形式 . 6 珠丝杠副的组成及特点 . 6 珠丝杠副的典型结构形式 . 7 珠丝杠副轴向间隙的调整和预紧 . 8 珠丝杠 副的密封与润滑 . 8 杠螺母副的选择 . 9 杠的校核 . 9 珠丝杠支承的选择 . 11 承方式 的选择 . 11 承的选择 . 11 计滚珠丝杠应注意的问题 . 14 4 联轴器的选型 . 15 轴器的介绍 . 15 择联轴器的类型 . 15 选联轴器的类型 . 15 选联轴器 . 16 轴器的校核 . 17 矩的校核 . 18 的抗剪强度的校核 . 18 5 导轨的选型及计算 . 19 轨的组成种类及其应满足 的要求 . 19 轨材料的选择及热处理 . 19 轨材料的选择 . 19 轨的热处理 . 20 轨的选 型及长度估算 . 20 轨副的额定寿命计算 . 21 动导轨副的技术要求 . 23 轨防护罩的设计 . 23 轨 防护罩的介绍 . 23 轨防护罩的选择 . 23 轨的注意事项 . 24 6 数控系统软硬件电路设计 . 19 结论 . 错误 !未定义书签。 致谢 . 31 参考文献 . 32 1 1 绪论 题的选择背景 X Y 数控工作台是指能分别沿着 X 向和 Y 向移动的工作台。数控机床的加工系统、立体仓库中堆垛机的平面移动系统、平面绘图仪的绘图系统等，尽管结构和功能各不相同，但基本原理相同。机电一体化系统是将机械系统与微电 子系统结合而形成的一个有机整体。在中小形企业中，由于产品更新换代频繁，且大都是一些适应市场的单件，小批零件，若由数控机床来解决这些零件的加工精度和自动化问题，因成本高，而不现实。为此，数控工作台，作为工装与通用机床（立铣，立镗，钻等）陪用，以解决单件，小批。小尺寸复杂零件的孔，槽及凸轮等精度加工问题，具有一定的灵活性，通用性和经济性。 X - Y 工作台的机电一体化系统可以设计为开环、半和伺服系统三种。开环的伺服系统采用步进电机驱动，系统中不设置传感与检测设备，半的伺服系统中一般采用交流或直流伺服电机驱动，并在 电机输出轴端设置传感与检测设备；的伺服系统中也是采用交流或直流伺服电机驱动，但检测与传感设备设置在工作台末端 。 数控交流伺服作台系统是由控制计算机部分、伺服驱动部分、机械传动部分及检测部分组成 ， 采用控制方式。 计目的及意义 机电一体化系统设计课程设计是培养学生设计能力的重要实践性教学环节之一，是综合运用所学过的机械、电子、自动控制、计算机等知识进行的基本设计训练。其目的是： 1）能够正确运用机电一体化系统设计课程的基本理论和相关知识，掌握机电一体化系统（产品）的功能构成、特点和设计思想 、设计方法，了解设计方案的拟定、比较、分析和计算，培养学生分析问题和解决问题的能力，使学生具有机电一体化系统设计的初步能力； 2）通过机械部分设计，掌握机电一体化系统典型机械零部件和执行元件的计算、选型和结构设计方法和步骤； 3）通过测试及控制系统方案设计，掌握机电一体化系统控制系统的硬件组成、工作原理，和软件编程思想； 4）通过课程设计提高学生应用手册、标准及编写技术说明书的能力，促进学生在科学态度、创新精神、专业技能等方面综合素质的提高。 2 体方案的设计 设计一台钻孔用 作台及其运动控制系统 设计，采取 制，控制方式采用交流伺服、运动控制器和 。 作台的机械主体部分直线导轨和滚珠丝杠，联轴器，工作台面。电气部分的关联性及传动装置的保护性， X 轴及 Y 轴两端配有高质量的缓冲器，同时可选配在工作台的两端配有限位检测开关，部分工作台的配有原点检测开光，并提供光电编码装置以适于控制，原点开关的位置可以打距离的调节。其具体参数如下： X 方向行程 :100 Y 方向行程 :100作台面的参考尺寸 :150 150作台和工件最大物重质量 3向脉冲当量 向脉冲当量 珠丝杠直径 D 25珠丝杠节距 P 6一）机械系统设计 1）传动机构为保证一定的传动精度和平稳性以及结构的紧凑，采用滚珠丝杠螺母传动副。丝杠的转速为中转速，精度要求为高精度。为提高传动刚度和消除间隙，采用有预加载荷的结构。采用滚珠丝杠副，滚珠丝杠直接与 联轴器连接。 2）导向机构采用滚动直线导轨。 滚动直线导轨副动静摩擦力之差很小，摩擦阻力小，随动性极好。导轨的导向精度要求高。 3） 执行机构采用交流伺服电动机。 3 （二） 工作台外形尺寸及重量初步估算 工作台草图如下图 1 图 1作台流程图 根据给定的有效行程，画出工作台简图，估算 X 向和 Y 向工作台承载重量Y。 图 1作台简图 4 2 交流伺服电动机的选型 流伺服 电动机的选型 机的选择依据 一般电机要承受两种形式的力矩：恒定的负载力矩和切削力矩（包括摩擦力矩）；加 /减速力矩。下面是选择电机时应满足的条件。 1）机床无负载时，加在电动机上的力矩应小于电动机的连续额定力矩的 50%一下。否则，在切削或加速 /减速时电动机就可能过热。 2）加 /减速时间要短，须在电动机的允许范围内。通常，负载力矩帮助电动机的减速，因此如果加速在允许时间内完成的话，减速也可在相同时间内完成。这样我们只需计算加速力矩，并在允许时间内核算力矩在电动机的机械特性的断续区内。 3）频繁地定位 和加 /减速会使电动机发热，此时需要计算出电动机承受的力矩的均方根值 其小于电动机的额定力矩 4）电动机以最大切削力矩运行的时间应在允许范围内。 5）负载的惯量要小于电动机本身惯量的 3 倍。 这里我们依据负载来选择电动机。 机的负载力矩和惯量的计算 加到电机轴上的负载力矩通常由下式算出： 式（ 式 中： 加到电机轴上的负载力矩（ F 沿坐标轴移动一个部件所需的力（ L 电机转一转机床的移动距离 = 21 / 滚珠丝杠螺母或轴承加到电机轴上的摩擦力矩 5 无论是否在切削，是垂直轴还是水平轴， F 值取决于 工作台的重量，摩擦系数， F 值还与平衡锤有关。对于水平工作台， F 值可按下式计算 : W 工作台与工件重量 =3 滑动表面摩擦系数 = 驱动系统的效率 =g 镶条锁紧力 =5F 反切削力 =50 由切削力矩引起的滑动表面上工作台上收到的力 =30设 2m） 不切削时： ） 式（ 060(F （ T 1 切削时： ）（ 式（ )305060(F 2) ）（ N 为满足运行条件，应根据数据选择电动机，m，最高转速应小于 2000r 1 6 3 丝杠的选型 杠的介绍 杠螺母机构基本传动形式 丝杠螺母机构又称 螺旋传动机构。它主要用来将旋转运动变为直线运动或将直线运动变为旋转运动，有以传递能量为主的（如螺旋压力机），也有以传递运动为主的（如工作台的进给丝杠）。 丝杠螺母机构有滑动摩擦和滚动摩擦之分。滑动丝杠螺母机构结构简单，加工方便，制造成本低，具有自锁功能。但其摩擦阻力大，传动效率低（ 30%40%）。滚动丝杠螺母机构虽然结构复杂制造成本高。但其最大优点是摩擦阻力小，传动效率高（ 92%98%），因此选用滚动丝杠螺母机构。 根据丝杠和螺母相对运动的组合情况，其基本传动形式一共可分为四种类型，其类型如下： 1）螺 母固定、丝杆传动并移动。该传动形式因螺母本身起着支承作用，消除了丝杆轴承可能产生的附加轴向窜动，结构比较简单，可获得较高的传动精度。但其轴向尺寸不已太长，刚性较差。因此只适合用于行程较小的场合。 2）丝杆传动、螺母移动。该传动形式需要限制螺母的传动，故需导向装置。其特点是结构紧凑、丝杆刚性较好。适用于工作行程较大的场合。 3）螺母传动、丝杆移动。该传动形式需要限制螺母移动和丝杆的传动，由于结构较复杂且占用轴向空间较大，故应用较少。 4）丝杆固定、螺母传动并移动。该传动方式结构简单、紧凑，但在多数情况下，使用 极不方便，故很少应用。 根据工作台运动情况，应选择丝杠传动螺母移动的形式，该传动形式需要限制螺母的转动，故需导向装置。其特点是结构紧凑，丝杠刚性较好，适用于工作行程较大的场合。 珠丝杠副的组成及特点 滚珠丝杠副是一种新型螺旋传动机构，其具有螺旋槽的丝杠与螺母之间装有中间传动元件 滚珠。滚珠丝杠螺母机构由丝杠，螺母，滚珠，和反向器等四部分组成。当丝杠转动时，带动滚珠沿螺纹滚道滚动，为防止滚珠从滚道端面掉出，在螺母的螺旋槽两端设有滚珠回程引导装置构成滚珠的循环返回通道，从而形成 7 滚珠流动的闭合通路。 滚珠丝杠副与滑动丝杠副相比，除上述优点外，还具有轴向刚度高，运动平稳，传动精度高，不易磨损，使用寿命长等优点。但由于不能自锁，具有传动的可逆性，在用做升降传动机构时，需要采取制动等措施。 珠丝杠副的典型结构形式 滚珠丝杆副的结构类型可以从螺纹滚道的截面形状、滚珠的循环方式和消除轴向的调整方法进行区别。 我国生产的滚珠丝杠副的螺纹滚道有单圆弧形和双圆弧形。滚道形面和滚珠接触点之法线与丝杆轴向之垂线的夹角被称为接触角，一般为 45 度。单圆弧形的螺纹滚道的接触角随轴向载荷大小的变化而变化，主要由轴向载荷 所引起的接触变形的大小而定。接触角增大时，传动效率、轴向刚度以及承载能力也随之增大。由于单圆弧形滚道加工用砂轮加工成型比较简单，故容易得到较高的加工精度。单圆弧形面的滚道圆弧半径 R 稍大于滚珠半径。 双圆弧形的螺纹滚道的接触角在工作中基本保持不变。两圆弧相交处有一小空隙，可使滚道底部与滚珠不接触，并能储存一定的润滑油以减少摩擦磨损。由于加工其型面的砂轮修整和加工、检验均比较困难，故加工成本较高。 滚珠丝杠副中的滚珠循环方式有内循环和外循环两种，区别见表 3 表 3珠的循环方式 类别 形式 特点 内循 环 优点 :返回通道短 ,一个循环只有一圈钢球 ,流畅性好 ,摩擦损失小 ,效率高 ,径向尺寸小 ,刚性好 缺点 :返向器钢球返回通道的曲面加工复杂 外循环 端盖式 优点 :结构紧凑 ,工艺性好 缺点 :循环回路长 ,流畅性差 ,钢球通过短槽时易卡住 螺旋槽式 优点 :结构简单 ,制造方便 ,承载能力大 缺点 :钢球流畅性较差 ,挡珠器较易磨损 插管式 优点 :结构简单 ,工艺性好 ,钢球的流畅性好 ,应用较广 缺点 :凸出式的插管凸出于螺母外部 ,径向尺寸较大 8 珠丝杠副轴向间隙的调整和预紧 滚珠丝杠副在负载时，其滚珠与滚道 面接触点处将产生弹性变形。换向时，其轴向间隙会引起空回。这种空回是非连续的，既影响传动精度，又影响系统的稳定性。单螺母丝杆螺母副的间隙消除相当困难。实际应用中，常采用以下几种调整预紧方法见表 3 表 3用的调整预紧方法 调整预紧方式 特点 双螺母螺纹预紧调整式 结构简单、刚性好、预紧可调，使用中调整方便，但不能精确定量地进行调整。 双螺母齿差预紧调整式 可实现定量调整即可进行精密微调，使用中调整方便。 双螺母垫片调整预紧式 结构简单刚度高、预紧可靠，但使用中调整不方便。 弹簧式自动调整预紧式 能消除使用过程中因磨损或弹性变形产生的间隙，但其结构复杂、轴向刚度低，适合用于轻载场合。 单螺母变位倒程自顶预紧式和单螺母滚珠过赢预紧式 结构简单紧凑，但在使用中不能调整，且制造困难 。 根据防尘防护条件以及对调隙及预紧的要求，可选择适当的结构形式。例如，当允许有间隙存在时可选用具有单圆弧形螺纹滚道的单螺母滚珠丝杠副；当必需有预紧或在使用过程中因磨损而需要定期调整时，应采用双螺母螺纹预紧或齿差预紧式结构；当具备良好的防尘条件，且只需要在装配时调整间隙及预紧力时，可采用结构简单的双螺母垫片调整预紧式结构。 考虑到设计的所设计的工作台有良好的防尘条件且只需要在装配时调整间隙及预紧力，故采用结构简单的双螺母垫片调整预紧式。 珠丝杠副的密封与润滑 滚珠丝杠副可用防尘密封圈或防护套来防止灰尘及杂质进入滚珠丝杠副，使用润滑剂来提高其耐磨性及传动效率，从而维持其传动精度、延长其使用寿命。密封圈有接触式和非接触式两种，将其装在滚珠螺母两端即可。非接触式密封圈通常由聚氯乙烯等塑料制成，其内孔螺纹表面与丝杠螺纹之间略有间隙，故又称迷宫式密封圈。接触式密封圈用具有弹性的耐油橡胶或尼龙等材料制成，因此有接触压力并产生 一定的摩擦力矩，但其防尘效果好。常用的润滑剂有润滑油和润滑脂两类。润滑脂一般在装配是放进滚珠螺母滚道内定期润滑，而使用润滑油时应注意经常通过注油孔注油。防护套的形式有折叠式密封套、伸缩套管和伸缩挡板。其材料有耐油塑料、人造革等。 9 杠螺母副的选择 初选滚珠丝杠副数据见下表： 公称直径 /程 /量 /距 /5 5 20 8 根据丝杠的工作行程初选丝杠的工作长度： 初选 X 方向丝杠的工作长度为 410选 Y 方向丝杠的工作长度为 460珠丝杠的工作载荷计算公式为： 式（ 由条件，查机电一体化系统设计取 = = 取 D 精度，取 = X 方向丝杠工作载荷： 600=864N Y 方向丝杠工作载荷： 600=864N 额定动载荷值 计算： 导程初选为 5 m i n/000n m m in/ 0 05/1 0 0 0 0n m a x = 3 4067.1 L=864 5011N 根据 值选择滚珠丝杠副 ， 假设选用按滚珠丝杠副的额定动载荷 于或稍大于 的原则，查表选以下型号规格： 011N 公称直径 D=25导程 P=5螺旋角 833 。 滚珠直径 计算可得： 滚道半 径 R= 5 7( ) 丝杠内径10 2 2 e R 杠的校核 10 1）由于一端轴向固定的长丝杠在工作时可能会发生失稳 ,所以在设计时应验算其安全系数 S，其值应大于丝杠副传动结构允许安全系数。 丝杠不会发生失稳的最大载荷称为临界载荷22()其中 E=206=4 841 064 64a 取23 则2 9 852206 10 0 02( 0 0 查表可得 S= SS 丝杠是安全的 ,不会失稳 2） 速长丝杠工 作时可能发生共振，因此需验算其不会发生共振的最高转速 临界转速 要求丝杠的最大转速 m i n/ 9 3 5 2 8 2 1 1 1 1 所以3） 此外滚珠丝杠副还受 的限制，通常要求： 107 mm/n=25 mi n/n/ 0 3 4)滚珠丝杠在工作负载 F(N)和转矩 T(Nm)共同作用下引起每个导程的变形量为： 20 2 p J 式（ 式中， A 为丝杠截面积， A ；221 ；441 为丝杠切变模量，对钢 G=a;T(N m)为转矩，0 )2m 式中 为摩擦角，其正切 函数值为摩擦系数； 平均工作载荷 1 系数为 ,则得84 a - 。 按最不利的情况取 (F= E - 2 通常要求丝杠的导程误差小于其传动精度的 1/2,即 11 022 mm m 该丝杠的 满足上式，所以其刚度可满足要求 。 5)效率验算： 8 ) 38 8 40 ) 要求在 90%间，所以该丝杠副合格 . 经上述计算验证， 项性能均符合题目要求，可选。 珠丝杠支承的选择 承方式的选择 滚珠丝杠的主要载荷是轴向载荷，径向载荷来自于丝杠的自重。因此，滚珠丝杠的轴向刚度和位移精度要求很高。滚珠丝杠的支承方式有以下几种： 1） 固定 固定，适用于高转速、高精度的丝杠； 2） 固定 游动，适用于中转速、高精度的丝杠； 3） 固定 自由适用于低转速、中精度、短轴向的丝杠。 考虑到设计要求中转速、高精度，这里我们选择固定 游动的支承方式。固定断采用轴承连接。 承的选择 承的分类 轴承可以分为标准滚动轴承、非标滚动轴承、静压轴承和磁悬浮轴承。滚珠丝杠一般配用标准滚动轴承。 12 滚动轴承已标准化系列化，有向心轴承、向心推力轴承和推力轴承，共十种类型。滚动轴承一般 由内圈、外圈、滚动体和保持架（俗称四大件）组成。 在轴承设计中应根据承载的大小、旋转精度、刚度、转速等要求选用合适的轴承类型。举例如下： 1） 深沟球轴承。轴系 用球轴承有单列向心球轴承和角接触轴承。前者一般不能承受轴向力，且间隙不能调整，常用于旋转精度和刚度要求不够的场合。后者既能承受径向载荷也能承受轴向载荷；并可以通过内外围之间的相对位移来调整其大小。因此在轻载时应用广泛。 2） 双列向心短圆柱滚子轴承。此类轴承一般分为两种一种是滚道开在内圈上，一种是滚道开在外圈上。这两种轴承的圆柱滚子数目多、密度大，分两列交叉排列，旋转时支承刚度变化小，内圈上均有 1:12 的锥孔与带锥度 的轴颈配合，内圈相对于轴颈作轴向移动时，内圈被涨大，从而可调整轴承的径向间隙或实现预紧；因此，其 承载能力大、支承刚度高，但只能承受径向载荷，与其他推力轴承组合使用，可用于较大载荷、较高转速场合。 3） 圆锥滚子轴承。圆锥滚子轴承由内圈、外圈、格圈和圆锥滚子组成。该轴承能承受较大载荷，用其代替短圆柱滚子轴承和推力轴承，则刚度提高，虽极限转速有所降低，但仍能达到高精度的要求。 4） 推力轴承。推力轴承一般轴向承载能力很强，支承刚度很大，但极限转速较低，运动造势较大。 承的选择 考虑到轻载初选 。60 接触角推力角接触轴承 代号 7202数据见下表： 表 3接触轴承的数据 d(D(B(2d (2D (15 32 9 轴承是与滚珠丝杠专配的轴承其主要特点是：既能承受轴向载荷又能承受径向载荷，接触角大、钢球多、刚度高。 承的校核 基本额定动载荷： 9 8 06 2 5 022 取滚动轴承当量动载荷 X 的值： X=1， Y=当量动载荷为： 257) 13 轴承寿命的计算： 2579980(25016670)(16670 310 轴承的预期寿命取 25000h 额定动载荷的计算： 8 9 6 01 6 6 7 0 2502 5 0 0 01 2 8 71 6 6 7 0n 33 9980N 所以选择的的轴承可以满足寿命和强度的的要求。 承的润滑与配合 滚动轴承的润滑目的是减少轴承内部摩擦及摩损，防止烧粘、其润滑效用如下 ： 1） 减少摩擦及摩损。 在构成轴承的套圈、滚动体及保持器的相互接触部分，防止金属接触，减少摩擦、磨损。 2） 延长疲劳寿命。 轴承的滚动疲劳寿命，在旋转中，滚动接触面润滑良好，则延长。相反地，油粘度低，润滑油膜厚度不好，则缩短。 3） 排出摩擦热、冷却。 循环给油法等可以用油排出由摩擦发生的热，或由外部传来的热，冷却。防止轴承过热，防止润滑油自身老化。 4） 其他 也有防止异物侵入轴承内部，或防止生锈、腐蚀之效果。 轴承的润滑方法，分为脂润滑和油润滑。为了使轴承很好地发挥机能，首先，要选择适合使用条件、使用目的的润滑方法。若只考虑润滑，油润滑的润滑性占优势。但是，脂润滑有可以简化轴承周围结构的特 长，将脂润滑和油润滑的利弊比较。 滚动轴承的套圈与轴和座孔之间应选择适当的配合，以保证轴的旋转精度和 轴承的周向固定。滚动轴承是标准零件，因此，轴承内圈与轴颈的配合采用基孔 制，轴承外圈与座孔的配合采用基轴制。为了防止轴颈与内圈在旋转时有相对运 动，轴承内圈与轴颈一般选用 较紧的配合。轴承外圈 与座孔一般选用 较松的配合。配合选择取决于载荷大小、方向和性质；轴承类型、尺寸和精度；轴承游隙以及其他因素。具体选用可参考机械设计手册。 14 承使用注意事项 与一般的机械零件相比，滚动轴承的精度较高，因此使用时也相应地应小心谨慎。 1）保持轴承及其周边的清洁 2）使用时仔细认真 3）若使用时粗心大意给轴承以强烈冲击，会使轴承出现伤痕，压痕，断裂等损伤。 4）注意轴承的防锈 5）避免在潮湿的场所使用，而且为不使汗水沾上，应戴厚套。 计滚珠丝杠应注意的问题 1）为提高滚珠丝杠副的使用寿命和精度，应使作用在螺母上的合力通过丝杠轴心，以保证滚珠受力均匀，避免倾覆力。 2）放逆转：滚珠丝杠副传动逆效率高，应考虑在电机停电后，因部件 自重而产生螺旋副的逆传动（特别是在垂直方向上传动时），防止逆传动的方法可采用：停电自锁的电机、蜗轮蜗杆机构、离合器等方式。 3）滚珠丝杠副在行程两端应有行程保护装置，以防止越程后滚珠丝杠副受撞击而影响精度、使用寿命甚至损坏。 4）防止热变形：热变形对精密螺旋传动的定位精度有着重要的影响。其热源不单是螺旋副的摩擦热，还有其他机械部件工作时产生的热，致使丝杠热膨胀而伸长。为此必须分析热源的各因素，采用措施控制热源，还可以采用预拉伸、强制冷却等减少热变形对丝杠的伸长的影响。 5）细长而又水 平放置的丝杠，因自重使轴线产生弯曲变形，是影响导程累积误差的因素之一，还会使螺母受载不均。设计细长丝杠时，应考虑防止或减小自重弯曲变形的措施。 6）防护与密封：尘埃和杂质进入滚道会妨碍滚动体运动流畅，会加速滚动体与滚道的磨损，使滚动螺旋副丧失精度。为此需要防尘措施。滚珠丝杠副在螺母两端已安装防尘圈，为避免丝杠外露，用户还需要为丝杠选择防护装置。 7）合理润滑是减小驱动转矩、提高传动效率、延长螺旋副使用寿命的重要环节。接触表面的油膜还有吸振、减小传动噪声和冲洗丝杠上的粉尘等杂物的作用。因此要注 入润滑脂。在螺母上还有油孔，用户可旋入油嘴，再采用其他合适的润滑方式。 8）用内循环滚珠丝杠副，必须使丝杠螺纹两端中至少有一端的滚珠螺纹是通牙，并该端所有外圆尺寸均小于丝杠螺纹底径 则无法装配螺母。 15 4 联轴器的选型 轴器的介绍 联轴器是用来联接不同机构中的两根轴（主动轴和从动轴）使之共同旋转以传递扭矩的机械传动件。 其一般可分为 8 种，具体分类如下： 1） 联轴器可分为刚性联轴器、挠性联轴器、安全联轴器三种： 2） 刚性联轴器：刚性联轴器不具有补偿被联两轴轴线相对偏移的能力，也不具有缓冲减震 性能；但结构简单，价格便宜。只有在载荷平稳，转速稳定，能保证被联两轴轴线相对偏移极小的情况下，才可选用刚性联轴器。 3） 挠性联轴器：具有一定的补偿被联两轴轴线相对偏移的能力，最大量随型号不同而异。 4） 无弹性元件的挠性联轴器：承载能力大，但也不具有缓冲减震性能，在高速或转速不稳定或经常正、反转时，有冲击噪声。适用于低速、重载、转速平稳的场合。 5） 非金属弹性元件的挠性联轴器 在转速不平稳时有很好的缓冲减震性能；但由于非金属（橡胶、尼龙等）弹性元件强度低、寿命短、承载能力小、不耐高温和 低温，故适用于高速、轻载和常温的场合 6） 金属弹性元件的挠性联轴器：除了具有较好的缓冲减震性能外，承载能力较大，适用于速度和载荷变化较大及高温或低温场合。 7） 安全联轴器 ：在结构上的特点是，存在一个保险环节（如销钉可动联接等），其只能承受限定载荷。当实际载荷超过事前限定的载荷时，保险环节就发生变化，截断运动和动力的传递，从而保护机器的其余部分不致损坏，即起安全保护作用。 8） 起动安全联轴器：除了具有过载保护作用外，还有将机器电动机的带载起动转变为近似空载起动的作用。 择联轴 器的类型 选联轴器的类型 根据传递载荷的大小，轴转速的高低，被联接两部件的安装精度等，参考各类联轴器特性，选择一种合用的联轴器类型。具体选择时可考虑以下几点： 1） 所需传递的转矩大小和性质以及对缓冲减振功能的要求。例如，对大功率的重载传动，可选用齿式联轴器；对严重冲击载荷或要求消除轴系扭转振动的 16 传动，可选用轮胎式联轴器等具有高弹性的联轴器。 2） 联轴器的工作转速高低和引起的离心力大小。对于高速传动轴，应选用平衡精度高的联轴器，例如膜片联轴器等，而不宜选用存在偏心的滑块联轴器等。 3） 两轴相对位移 的大小和方向。当安装调整后，难以保持两轴严格精确对中，或工作过程中两轴将产生较大的附加相对位移时，应选用挠性联轴器。例如当径向位移较大时，可选滑块联轴器，角位移较大或相交两轴的联接可选用万向联轴器等。 4） 联轴器的可靠性和工作环境。通常由金属元件制成的不需润滑的联轴器此较可靠；需要润滑的联轴器，其性能易受润滑完善程度的影响，且可能污染环境。含有橡胶等非金属元件的联轴器对温度、腐蚀性介质及强光等比较敏感，而且容易老化。 5） 联轴器的制造、安装、维护和成本。在满足便用性能的前提下，应选用装拆方便、维护简单、成本 低的联轴器。例如刚性联轴器不但结构简单，而且装拆方便，可用于低速、刚性大的传动轴。一般的非金属弹性元件联轴器 (例如弹性套柱销联轴器、弹性柱销联轴器、梅花形弹性联轴器等 )，由于具有良好的综合能力，广泛适用于一般的中、小功率传动。 选联轴器 依据滚珠丝杠的轴径和下表 4列的联轴器性能初选圆锥销套筒联轴器。 表 4轴器性能 类别 联轴器名称 径范围 高转速r/点及应用说明 固定式 套筒联轴器 圆锥销 34000 平键 715000 半圆键 8450 花键 15012500 4100 20100 1035 25102 一般小于等200250 结构简单，制造容易，径向尺寸小，成本低。但装拆时需沿轴向移动较大的 距离。而且只能连接两轴直径相同的圆柱形，轴伸一般用于工作平稳的功率传动轴系。 续表 417 类别 联轴器名称 径范围 高转速r/点及应用说明 刚性 凸缘联轴器（ 5843 2003） 1020000 10180 130002300 结构简单，制造容易，工作可靠，装拆方便，刚性好，传递转矩大，但不能吸收冲击。当两轴对中精度较低时，将引起较大的附加载荷，适用于工作平稳的一般传动，高速传动时需要有高的对中和制造精度。 套筒 夹壳联轴器 （ 213 1965） 859000 30110 900380 装拆方便，不需沿轴向移动两轴，但平衡困难，而且两轴径必须是相同的圆柱形。仅适用于低速传动的水平或垂直轴系，以 传递平稳载荷为宜。 联轴器 紧箍夹壳联轴器 18012500 30110 900380 其特点和使用性能与夹壳联轴器相似，但外形简单，平衡条件有所改善，夹紧力大，很适宜用于径向夹紧力大的场合。 初选 d=12 圆锥销套筒联轴器，其具体数据如下表 4 表 4-2 d=12圆锥销套筒联轴器数据 d 公称转矩（ Nm） D L l C 圆锥销 （ 2个） 12 2 40 8 24 轴器的校核 18 矩的校核 联轴器转矩的计算公式如下： 0 式（ 式中： K 工作情况系数 P 输出功率（ T 理论转矩 T 计算转矩 工作转速 r/mi n 则联轴器的转矩为 (考虑动载荷及过载 ,取联轴器工作情况系数 K= 0 = 计算可以确定选则的联轴器合适。 的抗剪强度的校核 销的抗剪强度的计算公式如下： DT式（ 则销的抗剪强度为： 32 经计算销的抗剪强度合适，材料为 45 号钢。 19 5 导轨的选型及计算 轨的组成种类及其应满足的要求 导轨副主要由承导件和运动件两大部分组成。运动方向为直线的被称为直线运动导轨副、为回转的被称为回转运动导轨副。常用的导轨副的种类很多，按其接触面的摩擦性 质可分为滑动导轨副、滚动导轨副、流体介质摩擦导轨等。按其结构特点可分为开式导轨和闭式导轨。机电一体化系统对导轨的基本要求是导向精度高、刚性高、运动轻便平稳、耐磨性好、温度变化影响小以及结构工艺性好。对精度要求高的直线运动导轨还要求导轨的承载面与导向面严格分开；当运动件较重时，必须设有卸荷装置，运动件的支承必须符合三点定位原理 。 轨材料的选择及热处理 轨材料的选择 导轨常用的材料有铸铁、钢、有色金属和塑料等。常使用铸铁 铸铁、铸铁 刚的导轨。 1）铸铁。铸铁具有耐磨性和减震性好，热稳定性 高，易于铸造和切削加工，成本低等特点，因此在滑动导轨中被广泛应用。常用的铸铁有： 灰铸铁，常用的是 级铸铁），硬度以 180200为适合。适当增加铸铁中含碳量和含磷量，减少含硅量，可以提高导轨的耐磨性。 高磷铸铁，他是指含磷量为 灰口铸铁，其硬度为 180220磨性比灰铸铁 高一倍。 低合金铸铁，这类铸铁具有较好的耐磨性，且铸造性能优于高磷系铸铁。 稀土铸铁，它具有强度高、韧性好的特点，耐磨性与高磷铸铁相近。但铸造性能和减震性较差，成本也较高。 2）钢 。为了提高导轨的耐磨性，可以采用淬硬的钢导轨。淬火的钢导轨都是镶装或焊接上去的。淬硬的钢导轨的耐磨性比不淬硬的铸铁导轨高 510 倍。常用的钢有 45 钢、 40。 3）有色金属。常用的有色金属有黄铜 青铜 硬铝铝 ，其中以铝青铜较好。 4）塑料。镶装塑料导轨具有较好的耐磨性，抗震性能好，工作适应范围广，抗撕伤能力强，动、静摩擦系数低、差别小，可降低低速运动的临界速度，加工性和化学稳定性好，工艺简单，成本低等等特点。 综上所诉，本次 设计中我们选用灰铸铁 20 轨的热处理 导轨热处理 :一般重要的导轨，铸件粗加工后进行一次时效处理，高精度导轨铸件半精加工后还需进行第二次时效处理。 常用导轨淬火方法有 : 1)中频淬火，淬硬层深度 (1 2)度 (45 50) 2)接触加热自冷表面淬火，淬硬深度 (微硬度 600H