滚珠丝杠课程设计

本科生专业课程设计

（届）

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目录

专业课程设计计算说明书 (3)

原始数据 (3)

一、系统总体方案设计 (3)

二、机械系统的设计计算 (4)

三、控制系统设计 (19)

专业课程设计计算说明书

原始数据

设计一台微机控制XY两坐标工作台，采用MCS-51单片机控制, 控制方式采用步进电机开环控制。其他参数如下：

一、系统总体方案设计

由设计任务书知，本次设计可采用如下方案：

（一）机械系统

1、传动机构采用滚珠丝杠副与齿轮或带减速。

2、导向机构采用滚动直线导轨。

3、执行机构采用步进电机。

（二）接口设计

1、人机接口

（1）采用键盘或BCD 码盘作为输入。 （2）采用LED 作为电源等指示标志。 （3）采用蜂鸣器或扬声器作为警报装置。 （4）采用数码管作为显示器。 2、机电接口

采用光电偶合器作为微型机与步进电动机驱动电路的接口，实现电气隔离。 （三）伺服系统设计

本次设计的系统精度要求不高，载荷不大，因此采用开环控制。 （四）控制系统设计

1、控制部分方案选择

控制方案不外乎三种：开环控制、半闭环控制、闭环控制。 上图为最简单的“开环控制”，若在“机械传动”机构中引出反馈控制部分，再经过比较放大的则为“半闭环控制”。如若是在“机械执行机构中引出反馈则为闭环控制。

采用步进电机来实现驱动，一般情况下多采用开环控制。因为步进电机的输出

转角与控制器提供的脉冲数有着正比关

系，电机转速与控制器提供的脉冲频率成正比。因此通常在精确度要求不是很高时，

采用步进电机是合理的。当然，由于步进电机具有高频易失步，负载能力不强的缺点。

二、机械系统的设计计算

（本次设计若未作特殊说明，其中的表与图均来自：由郑堤主编的《机电一体化设计基础》） （一）初选步进电动机

根据已知条件：X 、Y 方向的脉冲当量y x δδ、分别为：

开环控制流程图

开环控制原理图

step mm y x

/005.0==δδ

即脉冲当量较小，因此这里选用反应式步进电动机。其特点是：步距角小，运行频率高，价格较低，但功耗较大。

结论：初选步进电机型号为：，其相关参数如下： 机座号 型号 相数 电压V 电流A 步距角°

90 5 60/12

5

步距角误差’ 空载运行频

率 转子转动惯

量

重量kg 空载启动频率Hz 最大静转矩

10

约12000

2500

并采用单双相通电方式，因此步距角︒=8.0α。 1、步进电动机的脉冲频率计算

典型工况下，步进电动机的脉冲频率y x f f 和分别为：

s

p f s p v f s p f s p v f y y

y y x x x x /12000/3.333310005

.0601

1060/12000/3.333310005.0601

1060max 33max 33=<=⨯⨯=

⨯=

=<=⨯⨯=⨯=δδ

2、步进电动机的驱动转矩计算

典型工况下，步进电动机的驱动转矩y x T T 和分别为：

按图5-7查得：m N T T y x ⋅==8.2

3、步进电动机的驱动力计算

典型工况下，步进电动机的驱动力y x F F 和分别为：

N F N Z S Z T F x x x x x 500648018

004.032

)83.0(8.22212=>=⨯⨯⨯⨯==

进给抗力πηπ

N F N Z S Z T F y y y y y 500648018

004.032

)83.0(8.2221

2

=>=⨯⨯⨯⨯=

=

进给抗力πηπ

驱动力远大于进给抗力，所以所选步进电动机满足使用要求。 （二）计算减速器传动比

减速器传动比：

p

p

i δα360=

()

()

()

mm mm p p 工作台运动的脉冲当量丝杠导程步进电机步距角--︒-δα

初取滚珠丝杠：

此时：

78.19

16

005.036048.0360≈=⨯⨯==

p p i δα

按图5-33，选一级齿轮传动。 （三）齿轮机构设计

传动链效率工作台移动速度工作台进给抗力传递功率/⨯=

机械传动效率概略值（供参考）

类型 V 带传动

联轴器传动

圆柱齿轮传动

一对滚动轴承

丝杠螺母副

符号 ηv

ηc

ηg

ηb

ηs

效率

~

~

~

~

~

初选效率为。

w 4.108.0/60

1

500=⨯

=传递功率 可见，系统传递的功率很小，在要求不高时，以后各步的计算可省略。并采用经验法来设计各元部件。但为练习计算过程，本次设计采用分析计算来设计。 1、齿轮传动机构的基本参数

传递功率(w)

小齿轮转速n 1 (r/min) 传动比

一天运转时间(h) 工作寿命（年）

传动效率 转向 工况

444

16/9 8 5 不变 平稳

其中小齿轮转速：