二維步進(jìn)單片機(jī)控制工作臺(tái)機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)
二維步進(jìn)單片機(jī)控制工作臺(tái)機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì),二維,步進(jìn),單片機(jī),控制,節(jié)制,工作臺(tái),機(jī)械,系統(tǒng),設(shè)計(jì)
徐州工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)
摘要
本系統(tǒng)采用一級(jí)齒輪減速，帶動(dòng)絲杠傳動(dòng)，通過螺母的直線移動(dòng)帶動(dòng)工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)。根據(jù)脈沖當(dāng)量、步矩角、絲杠導(dǎo)程來確定齒輪的傳動(dòng)比，根據(jù)負(fù)載轉(zhuǎn)矩的大小來校核絲杠傳動(dòng)的強(qiáng)度。 單片機(jī)控制二維工作臺(tái)是眾多控制機(jī)械傳動(dòng)方法的一種，它利用單片機(jī)發(fā)出指令控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)速，進(jìn)而控制X-Y工作臺(tái)兩方向的移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)畫線，移動(dòng)物體等功能，常用于試驗(yàn)教學(xué)。
單片機(jī)控制二維工作臺(tái)主要由三部分組成：工作臺(tái)及傳動(dòng)支撐部分，減速裝置，控制部分及電機(jī)組成。
單片機(jī)控制的X-Y工作臺(tái)系統(tǒng)可以設(shè)計(jì)為開環(huán)，半閉環(huán)和閉環(huán)伺服系統(tǒng)三種。本設(shè)計(jì)采用開環(huán)伺服系統(tǒng)，通過單片機(jī)控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)，經(jīng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)動(dòng)帶動(dòng)工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)。系統(tǒng)沒有檢測裝置。機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)首先根據(jù)工作臺(tái)的最大載荷，選取導(dǎo)軌副，設(shè)計(jì)工作臺(tái)，然后進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，受力分析，轉(zhuǎn)矩計(jì)算，畫出工作臺(tái)的裝配草圖，再選擇步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的型號(hào)，進(jìn)而設(shè)計(jì)選擇滾珠絲杠，最后設(shè)計(jì)出X-Y工作臺(tái)，畫出其裝配圖。
關(guān)鍵詞 工作臺(tái)；步進(jìn)電機(jī)；脈沖當(dāng)量；步距角
Abstract
SCM control of the XY table system can be designed for the open-loop, semi-closed-loop system and closed-loop servo three. I design is open-loop servo systems using the stepper motor driven by the stepper motor control microcontroller-driven, driven by the transmission mechanism dynamic table of the campaign. System is not detecting device. Mechanical structural design of the first table under the maximum load, select the rails of the design table, and then the structural design, mechanical analysis, torque, the assembly table to draw the draft, then select the type stepper motor, thereby Design choices ball screw, the final design XY table, draw their assembly.
The system uses a gear to reduce speed transmission driven screw, nut straight through mobile workstation driven campaign. According to pulse equivalent, step moment Kok, screw lead to determine the gear transmission ratio, according to the size of load torque than the strength of the screw drive. SCM control of two-dimensional table of the many methods of control of a mechanical transmission, it issued a directive by SCM stepper motor control and the speed of rotation, thereby control the direction of the two XY table movement, and drawing a line, moving objects , And other functions, commonly used in the trial of teaching.
SCM control of two-dimensional table mainly consists of three parts: transmission and support of the table, deceleration devices, motor control parts and components.
Keywords table stepper motor control microcontroller-driven pulse equivalent step moment kok
III
目錄
1緒論 1
1.1課題研究的背景 1
1.2工作臺(tái)的分類 1
1.3本設(shè)計(jì)工作臺(tái)的作用和特點(diǎn) 3
1.4步進(jìn)電機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀 3
1.5單片機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀 5
2方案原理的設(shè)計(jì) 6
2.1總體方案的選擇和說明 6
2.2總體方案實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)組成框圖 7
3各零件的設(shè)計(jì) 8
3.1步進(jìn)電機(jī)的設(shè)計(jì) 8
3.1.1步進(jìn)電機(jī)的組成及工作原理 8
3.1.2步進(jìn)電機(jī)的選擇 9
3.1.3 步進(jìn)電機(jī)的校核 9
3.2減速器設(shè)計(jì) 10
3.2.1主動(dòng)齒輪的選擇與計(jì)算 10
3.2.2從動(dòng)齒輪的選擇與校核 13
3.2.3軸的設(shè)計(jì) 13
3.3軸承的設(shè)計(jì) 16
3.3.1小軸兩端軸承的選擇和計(jì)算 17
3.3.2大軸兩端軸承的選擇和計(jì)算 18
3.4聯(lián)軸器的設(shè)計(jì) 19
3.4.1步進(jìn)電機(jī)輸出軸與小軸之間聯(lián)軸器的選擇與計(jì)算 19
3.4.2大軸和滾珠絲杠間聯(lián)軸器的選擇和計(jì)算 20
3.5鍵的設(shè)計(jì) 21
3.6絲杠的設(shè)計(jì) 22
3.6.1絲杠的特點(diǎn) 22
3.6.2絲杠的選擇 23
3.6.3絲杠的校核計(jì)算 23
3.7 導(dǎo)軌的設(shè)計(jì) 25
3.7.1直線滾動(dòng)導(dǎo)軌的選型 26
3.7.2直線滾動(dòng)導(dǎo)軌的校核計(jì)算 27
3.8支座的特點(diǎn)及材料組成 29
結(jié)論 32
致謝 33
參考文獻(xiàn) 34
附錄 35
II
1緒論
1.1課題研究的背景
本設(shè)計(jì)結(jié)合機(jī)電一體化課程教學(xué)環(huán)節(jié)需要，設(shè)計(jì)用單片機(jī)作為控制系統(tǒng)的X-Y工作臺(tái)。通過論述X-Y工作臺(tái)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)和控制電路接口設(shè)計(jì),闡述了機(jī)電一體化設(shè)計(jì)中的共性和關(guān)鍵技術(shù)。微型計(jì)算機(jī)控制機(jī)械傳動(dòng)畢業(yè)設(shè)計(jì)是機(jī)電一體化專業(yè)的學(xué)生必須要經(jīng)歷的一個(gè)重要的實(shí)踐環(huán)節(jié)。通過本環(huán)節(jié)的鍛煉力爭能把以前所學(xué)的知識(shí)融會(huì)貫通，從而達(dá)到溫故而知新的目的，提高解決實(shí)際工程課題的能力。根據(jù)教學(xué)要求，結(jié)合自己的資料掌握狀況，選擇基于單片機(jī)控制二維工作臺(tái)機(jī)械部分的設(shè)計(jì)作為畢業(yè)設(shè)計(jì)課題。單片機(jī)控制二維工作臺(tái)是眾多控制機(jī)械傳動(dòng)方法的一種，它利用單片機(jī)發(fā)出指令控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)速，進(jìn)而控制X-Y工作臺(tái)兩方向的移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)畫線，移動(dòng)物體等功能，常用于試驗(yàn)教學(xué)。單片機(jī)控制二維工作臺(tái)主要由三部分組成：工作臺(tái)及傳動(dòng)支撐部分，減速裝置，控制部分及電機(jī)組成。加工工件固定在XY工作臺(tái)上。X、Y兩方向的運(yùn)動(dòng)各由一臺(tái)步進(jìn)電機(jī)控制?？刂葡到y(tǒng)每發(fā)出一個(gè)信號(hào)，步進(jìn)電機(jī)就走一步，并通過中間傳動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)兩方向的絲杠旋轉(zhuǎn)，分別使得X、Y工作臺(tái)進(jìn)給。數(shù)控系統(tǒng)由單片機(jī)、鍵盤、變頻檢測系統(tǒng)構(gòu)成，具有間隙補(bǔ)償、直線插補(bǔ)、圓弧插補(bǔ)、斷絲自動(dòng)處理等主要功能。
1.2工作臺(tái)的分類
（1）納米級(jí)微動(dòng)工作臺(tái)的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢
納米級(jí)微動(dòng)工作臺(tái)為從事納米科學(xué)技術(shù)研究提供一維、二維或三維的納米級(jí)微運(yùn)動(dòng)，是納米科學(xué)技術(shù)研究應(yīng)必備的關(guān)鍵儀器設(shè)備。現(xiàn)代納米科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展對(duì)微動(dòng)工作臺(tái)提出了迫切的更高要求，即在提供大范圍運(yùn)動(dòng)的前提下，還應(yīng)具有納米級(jí)的運(yùn)動(dòng)精度。在為納米科學(xué)技術(shù)研究提供小范圍納米級(jí)精度的微運(yùn)動(dòng)時(shí)，最常見的是以壓電陶瓷PZT作為驅(qū)動(dòng)部件的柔性鉸鏈機(jī)構(gòu)微動(dòng)工作臺(tái)，要為納米科學(xué)技術(shù)研究提供大范圍納米級(jí)精度的微運(yùn)動(dòng)時(shí)，柔性鉸鏈機(jī)構(gòu)、壓電堆、絲桿滑動(dòng)機(jī)構(gòu)和氣浮微動(dòng)工作臺(tái)等卻都不能滿足要求，它們不能同時(shí)實(shí)現(xiàn)納米級(jí)運(yùn)動(dòng)精度和大運(yùn)動(dòng)范圍。磁懸浮微動(dòng)工作臺(tái)由于運(yùn)動(dòng)平臺(tái)和驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)采用非接觸的磁懸浮驅(qū)動(dòng)技術(shù)，因此，易于實(shí)現(xiàn)大范圍納米級(jí)微運(yùn)動(dòng)，并且消除了摩擦、磨損對(duì)運(yùn)動(dòng)精度造成的影響。
（2） 納米級(jí)微動(dòng)工作臺(tái)的研究現(xiàn)狀：
①柔性鉸鏈?zhǔn)轿?dòng)工作臺(tái)
柔性鉸鏈微動(dòng)機(jī)構(gòu)是近年來發(fā)展起來的一種新型的微位移機(jī)構(gòu)。它的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊、體積很小,可以做到無機(jī)械摩擦、無間隙，具有較高的位移分辨率,可達(dá)1 nm。使用壓電或電致伸縮器件驅(qū)動(dòng),可以實(shí)現(xiàn)亞微米甚至是納米級(jí)的精度,同時(shí)不產(chǎn)生噪音和發(fā)熱,可適于各種介質(zhì)環(huán)境工作,是精密機(jī)械中理想的微位移機(jī)構(gòu)。已在航空、宇航、微電子工業(yè)部門、精密測量和生物工程領(lǐng)域獲得重要的應(yīng)用。由于它的出現(xiàn),開創(chuàng)了精度進(jìn)入納米的新時(shí)代。
②滾動(dòng)導(dǎo)軌式微動(dòng)工作臺(tái)
滾動(dòng)導(dǎo)軌也是微動(dòng)工作臺(tái)中一種常見的導(dǎo)軌形式，它具有行程大，運(yùn)動(dòng)靈活、結(jié)構(gòu)簡單、工藝性好、容易實(shí)現(xiàn)較高的定位精度的優(yōu)點(diǎn)，采用滾珠導(dǎo)軌作為微動(dòng)工作臺(tái)的支承和導(dǎo)向元件，直流伺服電機(jī)傳動(dòng)、實(shí)現(xiàn)了對(duì)自動(dòng)分步重復(fù)光刻機(jī)的微定位控制。
磁懸浮式微動(dòng)工作臺(tái)
磁懸浮式微動(dòng)工作臺(tái)由于運(yùn)動(dòng)平臺(tái)和驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)采用非接觸式的磁懸浮驅(qū)動(dòng)技術(shù),因此沒有摩擦力和機(jī)械部件的磨損,易于實(shí)現(xiàn)高精度、大范圍的要求。
② 納米級(jí)微動(dòng)工作臺(tái)發(fā)展趨勢及需要解決的問題
大范圍、高精度是納米科技對(duì)微動(dòng)工作臺(tái)提出的新要求，然而大行程和高精度是微動(dòng)技術(shù)中的一對(duì)矛盾。因此微動(dòng)工作臺(tái)的未來研究方向應(yīng)圍繞如何解決這一對(duì)矛盾展開。
多種微運(yùn)動(dòng)相結(jié)合技術(shù):結(jié)合多種微動(dòng)方法以彌補(bǔ)各自的不足仍然是解決以上問題的主要辦法,比如在現(xiàn)有研究已經(jīng)成熟的各種微動(dòng)工作臺(tái)基礎(chǔ)上，妥善解決好其中兩種或者多種微動(dòng)工作臺(tái)間的兼容性，解決好機(jī)械結(jié)構(gòu)間的裝配誤差、多種平臺(tái)間的定位誤差，采用粗動(dòng)和微動(dòng)相結(jié)合的方法，粗動(dòng)臺(tái)用以完成快速大范圍，微動(dòng)工作臺(tái)實(shí)現(xiàn)高精度，也就是說通過微動(dòng)工作臺(tái)對(duì)粗動(dòng)工作臺(tái)由于運(yùn)動(dòng)所帶來的誤差進(jìn)行精度補(bǔ)償，以此實(shí)現(xiàn)大范圍、高精度的要求。
新型納米級(jí)微動(dòng)工作臺(tái)的研究:運(yùn)動(dòng)方向間的交叉耦合嚴(yán)重影響納米微動(dòng)工作臺(tái)的定位精度，因此需進(jìn)一步研究運(yùn)動(dòng)導(dǎo)向結(jié)構(gòu),從運(yùn)動(dòng)原理上有效地消除運(yùn)動(dòng)方向間的交叉耦合產(chǎn)生的定位誤差，提高納米級(jí)微動(dòng)工作臺(tái)的定位精度。
改進(jìn)控制策略，如采用建立遲滯和蠕變數(shù)學(xué)模型進(jìn)行開環(huán)控制來避免因反饋而可能引起的不穩(wěn)定問題，采用自適應(yīng)控制消除建模的誤差和參數(shù)的不確定性及系統(tǒng)環(huán)境的變化等因數(shù)對(duì)系統(tǒng)精度的影響，提高系統(tǒng)的魯棒性。采用模糊控制、神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)控制等方法改善系統(tǒng)的非線性和不確定性。
磁懸浮微動(dòng)工作臺(tái)性能的進(jìn)一步提高:在現(xiàn)有磁懸浮微動(dòng)工作臺(tái)基礎(chǔ)上，充分考慮磁滯非線性、磁飽和以及高次諧波對(duì)系統(tǒng)精度的影響，解決運(yùn)動(dòng)控制和定位技術(shù),從而實(shí)現(xiàn)納米級(jí)精度的大范圍運(yùn)動(dòng)。
隨著微米、納米科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，納米級(jí)微動(dòng)工作臺(tái)的研究正日益受到國內(nèi)外的重視。但因受到機(jī)械加工精度、控制精度和機(jī)構(gòu)復(fù)雜性等技術(shù)水平的制約，其精度和運(yùn)動(dòng)范圍還受到一定影響，隨著對(duì)微動(dòng)工作臺(tái)的深入研究,結(jié)構(gòu)合理、高精度和高分辨率的微動(dòng)工作臺(tái)必將不斷問世。
旋轉(zhuǎn)升降式工作臺(tái)的發(fā)展趨勢
多種多樣的升降工作臺(tái)有著廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。許多工業(yè)企業(yè)除了在生產(chǎn)線上或生產(chǎn)線外使用升降工作臺(tái)以外, 往往還利用升降工作臺(tái)來運(yùn)送較大的工件。例如在物資入庫的時(shí)候,人們可以利用升降工作臺(tái)首先將成批的鋼材運(yùn)送到指定的貨架處, 然后再存放到貨架的不同規(guī)格格層中或者在室外, 將工作臺(tái)升降到合適的工作高度或者將單臂吊之類的起重設(shè)備運(yùn)送到室外讓它在室外工作等等。
在2002年的漢諾威博覽會(huì)上, Bolzoni Auramo有限責(zé)任公司推出他們開發(fā)生產(chǎn)的移動(dòng)式升降工作臺(tái)。該公司的設(shè)計(jì)師們?cè)O(shè)計(jì)的升降工作臺(tái)帶有運(yùn)動(dòng)裝置使升降的物體重通過運(yùn)動(dòng)設(shè)備的輪子傳遞到地面, 從而可以使升降工作臺(tái)在任何器要它的地點(diǎn)發(fā)揮作用。這種移動(dòng)式的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也可 “ 移植” 到超薄型升降工作臺(tái)的設(shè)計(jì)中。尤其是在汽車制造業(yè)中使用更為頻繁。這種升降工作臺(tái)不需要液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng), 幾乎不需要維護(hù)保養(yǎng)。早在20年前, Flexlift公司就研制開發(fā)出了機(jī)械式升降工作臺(tái)。但是在今天機(jī)電一體化驅(qū)動(dòng)技術(shù)取得了重大進(jìn)步之后, 才使機(jī)械式升降工作臺(tái)也有了較大的發(fā)展 [1]。
1.3本設(shè)計(jì)工作臺(tái)的作用和特點(diǎn)
本課題研究的是X-Y工作臺(tái)的機(jī)械部分，主要的任務(wù)就是通過電機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)工作臺(tái)X-Y兩方向移動(dòng)的控制，包括速度等的控制。采用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)方式。通過單片機(jī)控制實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，運(yùn)行出錯(cuò)時(shí)候可以急停鍵停止，還有其他的一些操作等都可以通過鍵盤實(shí)現(xiàn)。步進(jìn)電機(jī)通過減速機(jī)構(gòu)帶動(dòng)工作臺(tái)，在工作臺(tái)運(yùn)行超過極限位置時(shí)候，安裝在工作臺(tái)兩端的行程開關(guān)會(huì)被按下，產(chǎn)生電流信號(hào)，通過光電轉(zhuǎn)換裝置，向單片機(jī)發(fā)出信號(hào)，經(jīng)單片機(jī)發(fā)出信號(hào)，蜂鳴器報(bào)警，報(bào)警的同時(shí)，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。
通過本課題的學(xué)習(xí)與研究，使我了解工作臺(tái)的工作原理，知道了步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)方式與減速機(jī)構(gòu)的功能及對(duì)由于減速機(jī)構(gòu)所帶來的系統(tǒng)不穩(wěn)定的消除，對(duì)步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)，工作原理有了更進(jìn)一步的理解。使我認(rèn)識(shí)了很多的電子元件，懂得了許多的機(jī)械方面的知識(shí)。
1.4步進(jìn)電機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀
步進(jìn)電機(jī)最早是在二十世紀(jì)二十年代由英國人所開發(fā)。二十世紀(jì)五十年代后期晶體管的發(fā)明也逐漸應(yīng)用在步進(jìn)電機(jī)上，對(duì)于數(shù)字化的控制變得更為容易。往后經(jīng)過不斷改良，使得今日步進(jìn)電機(jī)已廣泛運(yùn)用在需要高定位精度、高分解能、高響應(yīng)性、信賴性等靈活控制性高的機(jī)械系統(tǒng)中。在生產(chǎn)過程中要求自動(dòng)化、省人力、效率高的機(jī)器中，我們很容易發(fā)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的蹤跡，尤其以重視速度、位置控制、需要精確操作各項(xiàng)指令動(dòng)作的靈活控制性場合步進(jìn)電機(jī)用得最多?！?
（1）步進(jìn)電機(jī)的分類
步進(jìn)電機(jī)依其構(gòu)造上的差異可分為三大類：
① 可變磁阻式（VR型）：
轉(zhuǎn)子以軟鐵加工成齒狀，當(dāng)定子線圈不加激磁電壓時(shí)，保持轉(zhuǎn)矩為零，故其轉(zhuǎn)子慣性小、響應(yīng)性佳，但其容許負(fù)荷慣性并不大。其步進(jìn)角通常為15°。
② 永久磁鐵式（PM型）：
轉(zhuǎn)子由永久磁鐵構(gòu)成，其磁化方向?yàn)檩椣虼呕?，無激磁時(shí)有保持轉(zhuǎn)矩。依轉(zhuǎn)子材質(zhì)區(qū)分，其步進(jìn)角有45°、90°及7.5°、11.25°、15°、18°等幾種。
③ 混和式（HB型）：
轉(zhuǎn)子由軸向磁化的磁鐵制成，磁極做成復(fù)極的形式，其乃兼采可變磁阻式步進(jìn)電機(jī)及永久磁鐵式步進(jìn)電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，精確度高、轉(zhuǎn)矩大、步進(jìn)角度小。
（2）步進(jìn)電機(jī)的歷史
步進(jìn)電機(jī)在我國已有幾十年的生產(chǎn)史，近幾年，大規(guī)模集成電路及計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，進(jìn)一步推動(dòng)了步進(jìn)電機(jī)的技術(shù)進(jìn)步和廣泛應(yīng)用，據(jù)統(tǒng)計(jì)，全世界步進(jìn)電機(jī)的年產(chǎn)量已達(dá)一億多臺(tái)，市場銷售量占世界微電機(jī)銷售總量的５～８%左右。
步進(jìn)電機(jī)的發(fā)展依賴計(jì)算機(jī)外設(shè)和辦公自動(dòng)化機(jī)械的發(fā)展。我國計(jì)算機(jī)工業(yè)雖然起步晚，但經(jīng)過三十年的努力，已經(jīng)初具規(guī)模。我國早在六十年代中期開始致力于步進(jìn)電機(jī)的研究和開發(fā)，直到20 世紀(jì)80 年代，一直是磁阻式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)占統(tǒng)治地位，混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是8 0 年代后期才開始發(fā)展，至今仍然是二種結(jié)構(gòu)類型同時(shí)并存。盡管新的混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)完全可能替代磁阻式電動(dòng)機(jī)，但磁阻式電動(dòng)機(jī)的整機(jī)獲得了長期應(yīng)用，對(duì)于它的技術(shù)也較為熟悉，特別是典型的混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角（0 . 9 °/1.8°）與典型的磁阻式電動(dòng)機(jī)的步距角（0.75°/1.5°）不一樣，用戶改變這種產(chǎn)品結(jié)構(gòu)不是很容易的，這就使得兩種機(jī)型并存的局面難以在較短時(shí)間內(nèi)改變。這種現(xiàn)狀對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的發(fā)展是不利的 。
（3）步進(jìn)電機(jī)的發(fā)展趨勢：
① 小型化、高精度
計(jì)算機(jī)外部設(shè)備趨向小型，也就要求永磁式和混合式步進(jìn)電機(jī)向小機(jī)座號(hào)發(fā)展，目前直徑為39、42的步進(jìn)電機(jī)使用就較多。
② 電機(jī)與線路一體化
機(jī)電一體化的步進(jìn)電機(jī)更受到用戶的歡迎，雖然控制線路的成本比較高，但與電機(jī)組成一體化產(chǎn)品后更便于整機(jī)使用。
③ 多功能
新一代的磁盤與光盤需要具有兩個(gè)自由度的圓柱式步進(jìn)電機(jī)，直接完成橫向運(yùn)動(dòng)和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)兩個(gè)功能，這種產(chǎn)品在日本電話電信公司已有產(chǎn)品。另外，美國已推出帶電傳感器的步進(jìn)電機(jī)，能自檢位置和轉(zhuǎn)速。
④ 直線小步距、高分辨率
據(jù)日本和歐美國家報(bào)道，此類步進(jìn)電機(jī)已制成步距為0.1微米，在40英寸/秒的線速度下產(chǎn)生50磅推力，分辨率達(dá)12500步/英寸，定位精度為0.001英寸。
⑤ 新結(jié)構(gòu)、新材料、新技術(shù)
步進(jìn)電機(jī)總的發(fā)展趨向是增大出力、提高精度、改善動(dòng)態(tài)特性，為此已出現(xiàn)一種盤式、軸向氣隙的新結(jié)構(gòu)步進(jìn)電機(jī)。同時(shí)，還在研究采用如高磁能積的鐵氧體、稀土、壓電等新材料。[2]
1.5單片機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀
隨著目前微電子技術(shù)的發(fā)展，技術(shù)工藝的不斷提高，單片機(jī)技術(shù)也有了長足的進(jìn)步。
單片機(jī)在最近幾年中得到了極大的發(fā)展，目前世界范圍內(nèi)單片機(jī)發(fā)展的主要領(lǐng)域有4個(gè)：一是歐美，最新開發(fā)產(chǎn)品及主要廠商有：National semicundutor 的cop8系列單片機(jī)，美國的Scenix 的八位單片機(jī)，荷蘭PHILLIPS的51系列單片機(jī)，美國AMD公司186系列16位嵌入式微機(jī)控制器，MOTOROLA的各個(gè)系列單片機(jī)；二是日本，TOSHIBA公司開發(fā)了從4位到64位多系列單片機(jī)，日立公司也有從4位到32位多系列單片機(jī)，NEC公司的75X、78X系列微機(jī)；三是臺(tái)灣地區(qū)， 主要有WINBOND的W741/W516,W78/W77等系列產(chǎn)品微控制器；四是韓國，主要有HYUNDAI microelectrionics的GMS800、GMS30系列微控制器。另外還有LG公司也生產(chǎn)單片機(jī)，可見單片機(jī)發(fā)展到今天可以說種類繁多、性能各異。但目前我國的許多單片機(jī)應(yīng)用單位仍停留在采用片內(nèi)無ROM等低檔單片機(jī)狀態(tài)。
當(dāng)國內(nèi)從80 年代起開始了單片機(jī)的熱潮,二十多年過去了,單片機(jī)從研究所走出來,成為日常生活中的一個(gè)不可缺少的部件。硬件方面日趨多樣化,4 位、8 位、16 位、32 位等型號(hào)共同并存,在不同的領(lǐng)域存在,如家電、玩具、工業(yè)設(shè)備、儀器、通訊等。軟件方面發(fā)展主要為匯編語言、C 語言、嵌入式操作系統(tǒng)。速度、穩(wěn)定性特別要求的場合較多采用匯編語言和C 語言。單片機(jī)作為微型計(jì)算機(jī)的一個(gè)重要分支,應(yīng)用面很廣, 發(fā)展很快。自單片機(jī)誕生至今,已發(fā)展為上百種系列的近千個(gè)機(jī)種。目前,單片機(jī)正朝著高性能和多品種方向發(fā)展趨勢將是進(jìn)一步向著C M O S 化、低功耗、小體積、大容量、高性能、低價(jià)格和外圍電路內(nèi)裝化等幾個(gè)方面發(fā)展。
2方案原理的設(shè)計(jì)
2.1總體方案的選擇和說明
設(shè)計(jì)一臺(tái)微機(jī)控制X-Y 兩坐標(biāo)工作臺(tái)，采用MCS-51單片機(jī)控制，控制方式采用步進(jìn)電機(jī)開環(huán)控制，其他參數(shù)如下：
表2.1 設(shè)計(jì)參數(shù)
脈沖當(dāng)量mm/step
定位精度mm
最大移動(dòng)速度m/min
工作臺(tái)尺寸mm
進(jìn)給抗力N
工作臺(tái)行程mm
臺(tái)面上最大物重質(zhì)量kg
X
Y
0.005
0.04
1
100*150
500
320
225
60
負(fù)載質(zhì)量m=60Kg；臺(tái)面尺寸C×B×H＝150mm×100mm×15mm；工作臺(tái)最大快移速度為1m/min。
（1）人機(jī)接口
① 采用鍵盤或BCD碼盤作為輸入。
② 采用LED作為電源等指示標(biāo)志。
③ 采用蜂鳴器或揚(yáng)聲器作為報(bào)警裝置。
④ 采用數(shù)碼管作為顯示器。
（2）機(jī)電接口
采用光電偶合器作為微型機(jī)和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的接口，實(shí)現(xiàn)電氣隔離。
（3） 伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)
本次設(shè)計(jì)的系統(tǒng)精度要求不高，載荷不大，因此采用開環(huán)控制。
（4） 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)：
微型機(jī)----微型機(jī)----功放----執(zhí)行元件----機(jī)械傳動(dòng)----執(zhí)行機(jī)構(gòu)
控制部分方案的選擇：
控制方案不外乎三種：開環(huán)控制，半閉環(huán)控制，閉環(huán)控制。
上面位最簡單的“開環(huán)控制”，若在“機(jī)械傳動(dòng)”機(jī)構(gòu)中引出反饋給控制部分，再經(jīng)過比較放大的則為“半閉環(huán)控制”。若是在“機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)中引出反饋則為閉環(huán)控制”。
采用步進(jìn)電機(jī)來實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)，一般情況下多采用開環(huán)控制。因?yàn)椴竭M(jìn)電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)角與控制器提供的脈沖頻率成正比。因此通常在精度要求不是很高時(shí)，采用步進(jìn)電機(jī)是比較合理的。當(dāng)然由于步進(jìn)電機(jī)具有高頻易失步，負(fù)載能力不強(qiáng)的缺點(diǎn)。
（1）系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方式與伺服系統(tǒng)
由于工件在移動(dòng)的過程中沒有進(jìn)行切削，故應(yīng)用點(diǎn)位控制系統(tǒng)。定位方式采用增量坐標(biāo)控制?？紤]到定位精度要求不高，為了簡化結(jié)構(gòu)，降低成本，采用步進(jìn)電機(jī)開環(huán)伺服系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)X-Y工作臺(tái)。
（2）計(jì)算機(jī)系統(tǒng)
本設(shè)計(jì)采用了與MCS-51系列兼容的AT89S51單片機(jī)控制系統(tǒng)。它的主要特點(diǎn)是集成度高，可靠性好，功能強(qiáng)，速度快，有較高的性價(jià)比。
控制系統(tǒng)由微機(jī)部分、鍵盤、LED、I/O接口、光電偶合電路、步進(jìn)電機(jī)、電磁鐵功率放大器電路等組成。系統(tǒng)的加工程序和控制命令通過鍵盤操作實(shí)現(xiàn)。LED顯示數(shù)控工作臺(tái)的狀態(tài)。
（3）X-Y工作臺(tái)的傳動(dòng)方式
為保證一定的傳動(dòng)精度和平穩(wěn)性，又要求結(jié)構(gòu)緊湊，所以選用絲杠螺母傳動(dòng)副。為提高傳動(dòng)剛度和消除間隙，采用預(yù)加負(fù)荷的結(jié)構(gòu)。
由于工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)載荷不大，因此采用有預(yù)加載荷的雙V形滾珠導(dǎo)軌。采用滾珠導(dǎo)軌可減少兩個(gè)相對(duì)運(yùn)動(dòng)面的動(dòng)、靜摩擦系數(shù)之差，從而提高運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性，減小振動(dòng)。
考慮電機(jī)步距角和絲桿導(dǎo)程只能按標(biāo)準(zhǔn)選取，為達(dá)到分辨率的要求，需采用齒輪降速傳動(dòng)。
2.2總體方案實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)組成框圖
圖2-1 總體方案設(shè)計(jì)
3零件設(shè)計(jì)
3.1步進(jìn)電機(jī)的設(shè)計(jì)
3.1.1步進(jìn)電機(jī)的組成及工作原理
步進(jìn)電機(jī)又稱脈沖電動(dòng)機(jī)，它是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成機(jī)械角位移的執(zhí)行元件。其特點(diǎn)是輸入一個(gè)電脈沖就轉(zhuǎn)動(dòng)一步。即每當(dāng)電動(dòng)機(jī)繞組接受一個(gè)電脈沖，轉(zhuǎn)子就轉(zhuǎn)過一個(gè)相應(yīng)的步矩角。轉(zhuǎn)子角位移的大小及轉(zhuǎn)速分別與輸入的電脈沖及其頻率成正比，并在時(shí)間上與輸入脈沖同步，只要控制輸入電脈沖的數(shù)量，頻率以及電動(dòng)機(jī)繞組通電相序即可獲得所需的轉(zhuǎn)角，轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)向。
步進(jìn)電動(dòng)機(jī)具有以下特點(diǎn)：
（1）步進(jìn)電動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)不易受各種干擾因素。
（2）步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步矩角有誤差，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一定步數(shù)后也會(huì)出現(xiàn)累積誤差，但轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一轉(zhuǎn)后，其累積誤差為0，不會(huì)長期積累。
（3）控制性能好，在啟動(dòng)，停止，反轉(zhuǎn)時(shí)不易丟步。
步進(jìn)電機(jī)的工作原理：
步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件。在非超載的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，即給電機(jī)加一個(gè)脈沖信號(hào)，電機(jī)則轉(zhuǎn)過一個(gè)步距角。這一線性關(guān)系的存在，加上步進(jìn)電機(jī)只有周期性的誤差而無累積誤差等特點(diǎn)。使得在速度、位置等控制領(lǐng)域用步進(jìn)電機(jī)來控制變的非常的簡單。
雖然步進(jìn)電機(jī)已被廣泛地應(yīng)用，但步進(jìn)電機(jī)并不能象普通的直流電機(jī)，交流電機(jī)在常規(guī)下使用。它必須由雙環(huán)形脈沖信號(hào)、功率驅(qū)動(dòng)電路等組成控制系統(tǒng)方可使用。因此用好步進(jìn)電機(jī)卻非易事，它涉及到機(jī)械、電機(jī)、電子及計(jì)算機(jī)等許多專業(yè)知識(shí)。
目前,生產(chǎn)步進(jìn)電機(jī)的廠家的確不少，但具有專業(yè)技術(shù)人員，能夠自行開發(fā)，研制的廠家卻非常少，大部分的廠家只一、二十人，連最基本的設(shè)備都沒有。僅僅處于一種盲目的仿制階段。這就給用戶在產(chǎn)品選型、使用中造成許多麻煩。簽于上述情況，我們決定以廣泛的感應(yīng)子式步進(jìn)電機(jī)為例。敘述其基本工作原理。望能對(duì)廣大用戶在選型、使用、及整機(jī)改進(jìn)時(shí)有所幫助。
感應(yīng)子式步進(jìn)電機(jī)工作原理
（1）反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)原理
由于反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)工作原理比較簡單。下面先敘述三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)原理。
①結(jié)構(gòu)：
電機(jī)轉(zhuǎn)子均勻分布著很多小齒，定子齒有三個(gè)勵(lì)磁繞阻，其幾何軸線依次分別與轉(zhuǎn)子齒軸線錯(cuò)開。
②旋轉(zhuǎn)：
步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)一步，就轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)步距角。由此可見：電機(jī)的位置和速度由導(dǎo)電次數(shù)（脈沖數(shù)）和頻率成一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。而方向由導(dǎo)電順序決定。
不過，出于對(duì)力矩、平穩(wěn)、噪音及減少角度等方面考慮。往往采用A-AB-B-BC－C-CA-A這種導(dǎo)電狀態(tài)。
由于X，Y方向的脈沖當(dāng)量分別為：
即脈沖當(dāng)量較小,這里選用反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī).其特點(diǎn)是:步矩角小,運(yùn)行頻率高,價(jià)格較低但功耗較大 [2] [3] 。
3.1.2步進(jìn)電機(jī)的選擇
初選電機(jī)型號(hào)為75BF003,其相關(guān)參數(shù)為:
表3-1 步進(jìn)電機(jī)
機(jī)座號(hào)
型號(hào)
相數(shù)
電壓/V
電流/A
步矩角
75
75BF003
3
30
4
1.5
外形尺寸
(軸徑)
空載運(yùn)行頻率
轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量10
重量/Kg
空載啟動(dòng)頻率Hz
最大靜轉(zhuǎn)矩
N.m
1.563
1.58
1250
0.882
[3]
3.1.3 步進(jìn)電機(jī)的校核
f=fx=fy=3333.3r/min
圖3-1 轉(zhuǎn)矩圖
Tx=Ty=2.8N.m
計(jì)算減速器的傳動(dòng)比:
減速器傳動(dòng)比
初取滾珠絲杠：
表3-2 絲杠
公稱直徑/d
導(dǎo)程/p
20
4
此時(shí)
由于減速器的傳動(dòng)比i=
所以初取 Z1=24 Z2=80
步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)力計(jì)算:
典型工況下,步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)力和分別為:
1172.267N>>500N
1172.267N>>500N
套筒聯(lián)軸器的傳動(dòng)效率,取0.98
滾動(dòng)軸承副的傳動(dòng)效率,取0.99
一級(jí)圓柱直齒輪的傳動(dòng)效率,取0.95
滾珠絲杠的傳動(dòng)效率,取0.9
滾動(dòng)導(dǎo)軌副的傳動(dòng)效率,取0.98
驅(qū)動(dòng)力遠(yuǎn)大于進(jìn)給抗力,所以所選步進(jìn)電機(jī)滿足要求
由于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的負(fù)載力矩Ml=
式中F：進(jìn)給方向的切削力（N）
m：工件和工作臺(tái)的總質(zhì)量（Kg）
u：導(dǎo)軌的摩擦系數(shù)，滾動(dòng)導(dǎo)軌取u=0.003
Z1：小齒輪齒數(shù)
Z2：大齒輪齒數(shù)
珠絲杠螺距（mm） h=4mm(螺距等于導(dǎo)程,單級(jí))
Ml==0.12N.m
步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩M==0.4 N.m
步進(jìn)電動(dòng)機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩Mst===0.47N.m
小于0.882N.m所選步進(jìn)電動(dòng)機(jī)滿足要求[3]。
3.2減速器設(shè)計(jì)
3.2.1主動(dòng)齒輪的選擇與計(jì)算
考慮電機(jī)步距角和絲桿導(dǎo)程只能按標(biāo)準(zhǔn)選取，為達(dá)到分辨率的要求，需采用齒輪降速傳動(dòng)。
齒輪的選擇及計(jì)算
（1）初步計(jì)算轉(zhuǎn)矩T=2.8N.m=2.8N.mm
齒寬系數(shù) 由表12.13,取
接觸疲勞極限由圖12.17C =710Mpa , =580Mpa
初步計(jì)算的許用接觸應(yīng)力=0.9=639Mpa
=0.9 =522Mpa
取Ad=110
計(jì)算小齒輪直徑 d1Ad110=33mm
取小齒輪直徑為90mm
初步齒寬 =45mm
（2）較核計(jì)算
圓周速度V==3.925m/s
精度等級(jí)選擇
選8級(jí)精度
齒數(shù)Z和模數(shù)m
由于齒數(shù)Z1=24，Z2=80
模數(shù)
使用系數(shù) 取=1.5
動(dòng)載系數(shù)， =1.1
齒間載荷分配系數(shù)
由表 先求：===62.22N
==2.07N.mm<100N.mm
=1.88-3.2(=1.71
由此得
齒向載荷分布系數(shù)，
載荷系數(shù)=
彈性系數(shù) 取=189.8Mpa
節(jié)點(diǎn)區(qū)域系數(shù)，
接觸最小安全系數(shù) =10.5
總工作時(shí)間
令兩方向的工況均為：每天開機(jī)六小時(shí)，每年三百個(gè)工作日，工作八年以
應(yīng)力循環(huán)次數(shù) 由表估計(jì) ，則指數(shù) m=7.08
=60
原估計(jì)應(yīng)力循環(huán)次數(shù)正確，
接觸壽命系數(shù) , =0.94
許用接觸應(yīng)力 ：
驗(yàn)算：
=94.07Mpa<
計(jì)算結(jié)果表明，接觸疲勞強(qiáng)度較為合適，齒輪尺寸無需調(diào)整。
中心矩 a=
齒根彎曲疲勞強(qiáng)度驗(yàn)算
重合度系數(shù)，
齒間載荷分配系數(shù)，
齒向載荷分布系數(shù)， 由于=5.33
由圖
載荷系數(shù) K==
齒形系數(shù)， ,
應(yīng)力修正系數(shù) ,=1.72
彎曲疲勞極限，
彎曲最小安全系數(shù)， =1.25
應(yīng)力循環(huán)次數(shù)
彎曲壽命系數(shù)
尺寸系數(shù) =1.0
許用彎曲應(yīng)力
驗(yàn)算：〈〈
傳動(dòng)無過載，故不作靜強(qiáng)度較核[4]。
3.2.2從動(dòng)齒輪的選擇與校核
由于大齒輪的轉(zhuǎn)矩
大齒輪直徑:
得大輪的圓周力和徑向力和小齒輪的相同.
同理,可得大齒輪滿足要求[4]。
3.2.3軸的設(shè)計(jì)
3.2.3.1小軸的選擇與計(jì)算
表3-3軸的材料類型
材料牌號(hào)
熱處理
毛坯直徑mm
硬度/HBS
抗拉強(qiáng)度極限
屈服強(qiáng)度極限
彎曲疲勞極限
剪切疲勞極限
許用彎曲應(yīng)力
備注
Mpa
Q235-A
熱扎或鍛后空冷
<100 >100～250
400～420
225
170
105
40
用于不重要及受載荷不大的軸
375～390
215
45
正火 回火
≤100
170～217
590
295
255
140
55
應(yīng)用最廣泛
>100～300
162～217
570
285
245
135
調(diào)質(zhì)
≤200
217～255
640
355
275
155
60
40Cr
調(diào)質(zhì)
≤100
241～286
735
540
355
200
70
用于載荷較大，而無很大沖擊的重要軸
>100～300
685
490
335
185
40CrNi
調(diào)質(zhì)
≤100
270～300
900
735
430
260
75
用于很重要 的軸
>100～300
240～270
785
570
370
210
38SiMnMo
調(diào)質(zhì)
≤100
229～286
735
590
365
210
70
用于重要的軸，性能近于40CrNi
>100～300
217～269
685
540
345
195
計(jì)算齒輪受力
小齒輪受力：小輪直徑
轉(zhuǎn)矩
圓周力：
徑向力 ：
畫小軸的受力圖：
圖3.2 小軸的受力圖
水平面反力：
畫水平面彎距圖
圖3.3 水平面彎距圖
垂直面反力：
得
畫垂直面受力圖
圖3.4 垂直面受力圖
畫垂直面彎矩圖：
圖3.5垂直面彎矩圖[4] [5] [6]
合成彎矩圖：
圖3.6合成彎矩圖
計(jì)算許用應(yīng)力：
許用應(yīng)力值：用插入法查得
應(yīng)力校正系數(shù)a=
當(dāng)量轉(zhuǎn)矩：
當(dāng)量彎矩： 在小齒輪中間截面處
較核軸徑：
齒根圓直徑：
軸徑：
3.3軸承的設(shè)計(jì)
滾動(dòng)軸承結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：
（1）精度
各種機(jī)電一體化機(jī)械的滾動(dòng)軸系的精度一般根據(jù)該機(jī)械的功能要求和檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)有所規(guī)定，如精密級(jí)加工中心主軸軸系的端部徑向跳動(dòng)和軸向竄動(dòng)，據(jù)此來選擇主軸和軸承的精度。
滾動(dòng)軸承的精度分B，C，D，E，G五級(jí)。B級(jí)最高，G級(jí)為普通級(jí)。選擇精度時(shí)主要根據(jù)載荷方向 。僅受徑向載荷的深溝球軸承，主要根據(jù)內(nèi)外圈的徑向跳動(dòng)然后考慮其他因素的影響。
（2）配合
滾動(dòng)軸承內(nèi)外圈往往是薄壁件，受相配的軸徑箱體孔的精度和配合性質(zhì)影響很大。配合性質(zhì)和配合面的精度合適，不致影響軸承精度；反之則旋轉(zhuǎn)精度下降，引起振動(dòng)和噪聲配合性質(zhì)和配合面的精度合適不致影響軸承精度；反之則旋轉(zhuǎn)精度下降，引起振動(dòng)和噪聲。配合性質(zhì)和配合面的精度還影響軸承的承載能力和預(yù)緊狀態(tài)。
滾動(dòng)軸承外圈和箱體孔的配合采用基軸制。內(nèi)圈孔與軸徑的配合采用基孔制，但作為基準(zhǔn)的軸承孔的公差帶位于以公稱直徑為零線的下方。這樣在采用相同配合的情況下，軸承孔與軸徑的配合更緊些。
滾動(dòng)軸承的配合的選擇參照GB-275-93，《滾動(dòng)軸承與軸和外殼的配合》國家標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于G，E級(jí)精度軸承配合的鋼，鑄鐵制軸的軸徑規(guī)定17種公差帶；對(duì)鋼，鑄鐵制箱體孔規(guī)定16種公差帶。
軸承配合性質(zhì)的選擇，要考慮下列工作條件：
①負(fù)荷類型：承受始終在軸承套圈滾道的某一局部，作用的局部負(fù)荷的套圈，配合應(yīng)相對(duì)松些。承受依次在軸承套圈的整個(gè)滾道上作用的循環(huán)負(fù)荷的套圈，配合應(yīng)相對(duì)緊些。負(fù)荷越大，配合的過盈量應(yīng)大寫些。承受沖擊振動(dòng)負(fù)荷比承受平穩(wěn)負(fù)荷的配合應(yīng)更緊些。
②轉(zhuǎn)速：一般轉(zhuǎn)速越高，發(fā)熱越大，軸承與運(yùn)動(dòng)件的配合應(yīng)緊些，與靜止件的配合可松些。
③軸承的游隙和預(yù)緊：軸承具有基本游隙，配合的過盈量應(yīng)適中。軸承預(yù)緊，配合的過盈量應(yīng)減小。
軸承的軸向限位分無軸向負(fù)荷，單軸向負(fù)荷，雙軸向負(fù)荷。深溝球軸承只要把軸承內(nèi)圈用軸用擋圈或軸肩螺母限位在軸上即可。雙向短圓柱滾子軸承的內(nèi)外圈雙向定位，內(nèi)圈小端單向定位[7]。
3.3.1小軸兩端軸承的選擇和計(jì)算
初選：采用深溝球軸承（單列）代號(hào)60000型
表3-4 深溝球軸承（單列）
d
D
B
17
354
10
19.4
32.6
0.3
22.9
29.1
0.3
6
3.25
小齒輪軸兩端軸承的計(jì)算校核
計(jì)算軸承動(dòng)負(fù)荷，
由于：
可用
3.3.2大軸兩端軸承的選擇和計(jì)算
初選：由于
初選深溝球軸承（單列） 代號(hào)60000型
大齒輪軸兩端軸承的計(jì)算校核
計(jì)算軸承動(dòng)負(fù)荷：
N
可用。
3.4聯(lián)軸器的設(shè)計(jì)
3.4.1步進(jìn)電機(jī)輸出軸與小齒輪軸之間聯(lián)軸器的選擇與計(jì)算
表3-5聯(lián)軸器的性能比較：
類別
聯(lián)軸器名稱
轉(zhuǎn)矩范圍N.mm
軸徑范圍mm
最高轉(zhuǎn)速r/min
特點(diǎn)及應(yīng)用說明
固定式剛性套筒聯(lián)軸器
套筒聯(lián)軸器（見圖）
圓錐銷0.3～4000)
4~100
一般小于等200~250
結(jié)構(gòu)簡單，制造容易，徑向尺寸小，成本低。但裝拆時(shí)需沿軸向移動(dòng)較大的 距離。而且只能連接兩軸直徑相同的圓柱形，軸伸一般用于工作平穩(wěn)的功率傳動(dòng)軸系。
平鍵71～5000
20~100
半圓鍵8～450
10~35
花鍵150～12500
25～102
凸緣聯(lián)軸器
10~20000
10~180
13000~2300
結(jié)構(gòu)簡單，制造容易，工作可靠，裝拆方便，剛性好，傳遞轉(zhuǎn)矩大，但不能吸收沖擊。當(dāng)兩軸對(duì)中精度較低時(shí)，將引起較大的附加載荷，適用于工作平穩(wěn)的一般傳動(dòng)，高速傳動(dòng)時(shí)需要有高的對(duì)中和制造精度。
夾殼聯(lián)軸器(HG5-213)1965
裝拆方便，不需沿軸向移動(dòng)兩軸，但平衡困難，而且兩軸徑必須是相同的圓柱形。僅適用于低速傳動(dòng)的水平或垂直軸系，以傳遞平穩(wěn)載荷為宜。
30~110
85~9000
900~380
緊箍夾殼聯(lián)軸器
其特點(diǎn)和使用性能與夾殼聯(lián)軸器相似，但外形簡單，平衡條件有所改善，夾緊力大，很適宜用于徑向夾緊力大的場合。
180~12500
30~110
900~380
圖3.7 聯(lián)軸器
一般聯(lián)軸器是根據(jù)載荷情況，計(jì)算轉(zhuǎn)矩，軸直徑和工作轉(zhuǎn)速來選擇。計(jì)算轉(zhuǎn)矩Tc=2.8N.m
由于工作臺(tái)最大移動(dòng)速度v=1m/min
滾珠絲杠螺距P=4mm=0.004m
所以滾珠絲杠最大轉(zhuǎn)速v
所以步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)聯(lián)軸器的轉(zhuǎn)速
n—工作轉(zhuǎn)速r/min，n=
因?yàn)?
n=250×10/3=
套筒聯(lián)軸器特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單、徑向尺寸小、容易制造。缺點(diǎn)是裝拆不方便。
選用圓錐銷套筒聯(lián)軸器 ，取d=12mm>8mm（步進(jìn)電動(dòng)機(jī)輸出軸直徑）
Tn=7.5N·m>Tc=2.8N.m
得套筒外徑D0=22mm，套筒長度L=40mm
兩軸間距C=2mm，銷至套筒邊距l(xiāng)=8mm ，圓錐銷：3×22
銷的抗剪強(qiáng)度計(jì)算：~100MPa
=N.mm=33N.mm
上式成立，銷材料為45號(hào)鋼。
圓錐銷直徑 d1=0.25d=3mm.
3.4.2大齒輪軸和滾珠絲杠間聯(lián)軸器的選擇和計(jì)算
3.4.2.1聯(lián)軸器的選擇
圖3.8 套筒聯(lián)軸器
初取d=16mm的圓錐銷套筒聯(lián)軸器
表3-6 圓錐銷套筒聯(lián)軸器（mm）
(mm) d
公稱轉(zhuǎn)矩（N.mm）
D
L
B
C
圓錐銷（2個(gè)）
16
28
28
45
10
0.5
5 X28
3.4.2.2聯(lián)軸器的校核計(jì)算
較核：
取 k=1.2
計(jì)算轉(zhuǎn)矩 ：
所選聯(lián)軸器合適。
銷的抗剪強(qiáng)度計(jì)算：
〈
成立，銷材料為45號(hào)鋼[8] 。
3.5鍵的設(shè)計(jì)
鍵的結(jié)構(gòu)選取為平鍵
取鍵寬 b=3mm 鍵與輪轂的接觸高度 K=
鍵的工作長度：l=12mm
較核計(jì)算：
鍵或鍵槽工作表面的抗壓和鍵的剪力分別為
所選鍵滿足要求[9]。
3.6絲杠的設(shè)計(jì)
3.6.1絲杠的特點(diǎn)
滾珠絲杠副的組成及特點(diǎn)
滾珠絲杠副是一種新型螺旋傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，其具有螺旋槽的絲杠與螺母之間裝有中間傳動(dòng)元件—滾珠。滾珠絲杠螺母機(jī)構(gòu)由絲杠，螺母，滾珠，和反向器等四部分組成。當(dāng)絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，帶動(dòng)滾珠沿螺紋滾道滾動(dòng)，為防止?jié)L珠從滾道端面掉出，在螺母的螺旋槽兩端設(shè)有滾珠回程引導(dǎo)裝置構(gòu)成滾珠的循環(huán)返回通道，從而形成滾珠流動(dòng)的閉合通路。
滾珠絲杠副與滑動(dòng)絲杠副相比，除上述優(yōu)點(diǎn)外，還具有軸向剛度高，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，傳動(dòng)精度高，不易磨損，使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)。但由于不能自鎖，具有傳動(dòng)的可逆性，在用做升降傳動(dòng)機(jī)構(gòu)時(shí)，需要采取制動(dòng)等措施。
滾珠絲杠副設(shè)計(jì)使用中應(yīng)注意的問題
（1）為提高滾珠絲杠副的使用壽命和精度，應(yīng)使作用在螺母上的合力通過絲杠軸心，以保證滾珠受力均勻，避免傾覆力。
（2）放逆轉(zhuǎn)：滾珠絲杠副傳動(dòng)逆效率高，應(yīng)考慮在電機(jī)停電后，因部件自重而產(chǎn)生螺旋副的逆?zhèn)鲃?dòng)（特別是在垂直方向上傳動(dòng)時(shí)），防止逆?zhèn)鲃?dòng)的方法可采用：停電自鎖的電機(jī)、蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)、離合器等方式。
（3）滾珠絲杠副在行程兩端應(yīng)有行程保護(hù)裝置，以防止越程后滾珠絲杠副受撞擊而影響精度、使用壽命甚至損壞。
（4）防止熱變形：熱變形對(duì)精密螺旋傳動(dòng)的定位精度有著重要的影響。其熱源不單是螺旋副的摩擦熱，還有其他機(jī)械部件工作時(shí)產(chǎn)生的熱，致使絲杠熱膨脹而伸長。為此必須分析熱源的各因素，采用措施控制熱源，還可以采用預(yù)拉伸、強(qiáng)制冷卻等減少熱變形對(duì)絲杠的伸長的影響。
（5）細(xì)長而又水平放置的絲杠，因自重使軸線產(chǎn)生彎曲變形，是影響導(dǎo)程累積誤差的因素之一，還會(huì)使螺母受載不均。設(shè)計(jì)細(xì)長絲杠時(shí)，應(yīng)考慮防止或減小自重彎曲變形的措施。
（6）防護(hù)與密封：塵埃和雜質(zhì)進(jìn)入滾道會(huì)妨礙滾動(dòng)體運(yùn)動(dòng)流暢，會(huì)加速滾動(dòng)體與滾道的磨損，使?jié)L動(dòng)螺旋副喪失精度。為此需要防塵措施。博特牌滾珠絲杠副在螺母兩端已安裝防塵圈（若不需要安裝請(qǐng)與我方聯(lián)系），為避免絲杠外露，用戶還需要為絲杠選擇防護(hù)裝置。
（7）合理潤滑是減小驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩、提高傳動(dòng)效率、延長螺旋副使用壽命的重要環(huán)節(jié)。接觸表面的油膜還有吸振、減小傳動(dòng)噪聲和沖洗絲杠上的粉塵等雜物的作用。因此要注入潤滑脂。在螺母上還有油孔，用戶可旋入油嘴，再采用其他合適的潤滑方式。
（8）正確選擇預(yù)緊力：我公司的滾珠絲杠副出廠時(shí)已經(jīng)按要求調(diào)節(jié)好您所需要的預(yù)緊力，如果使用過程中有超程或需要拆卸請(qǐng)及時(shí)與我公司聯(lián)系，以便從新調(diào)整安裝。嚴(yán)禁自行拆卸滾珠絲杠副的各個(gè)部件，以免影響其精度。嚴(yán)禁敲擊和拆卸導(dǎo)珠管，以免造成滾珠堵塞，運(yùn)轉(zhuǎn)不流暢。
（9）建議采用適應(yīng)于數(shù)控機(jī)床的大接觸軸承以提高傳動(dòng)剛度。
（10）用內(nèi)循環(huán)滾珠絲杠副，必須使絲杠螺紋兩端中至少有一端的滾珠螺紋是通牙，并該端所有外圓尺寸均小于絲杠螺紋底徑d2,否則無法裝配螺母。
（11）水平位置采用外循環(huán)滾珠絲杠副，最好是插管放置再絲杠軸線上面。
（12）為便于絲杠加工，絲杠上最大外圓處的直徑最好不要大于絲杠的外徑d1
為保證一定的傳動(dòng)精度和平穩(wěn)性，又要求結(jié)構(gòu)緊湊，所以選用絲杠螺母傳動(dòng)副。為提高傳動(dòng)剛度和消除間隙，采用預(yù)加負(fù)荷的結(jié)構(gòu)。
絲杠螺母機(jī)構(gòu)基本傳動(dòng)形式：
絲杠螺母機(jī)構(gòu)又稱螺旋傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。它主要用來將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變?yōu)橹本€運(yùn)動(dòng)或?qū)⒅本€運(yùn)動(dòng)變?yōu)樾D(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，有以傳遞能量為主的（如螺旋壓力機(jī)），也有以傳遞運(yùn)動(dòng)為主的（如工作臺(tái)的進(jìn)給絲杠）。
絲杠螺母機(jī)構(gòu)有滑動(dòng)摩擦和滾動(dòng)摩擦之分?；瑒?dòng)絲杠螺母機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單，加工方便，制造成本低，具有自鎖功能。但其摩擦阻力大，傳動(dòng)效率低（30%~40%）。滾動(dòng)絲杠螺母機(jī)構(gòu)雖然結(jié)構(gòu)復(fù)雜制造成本高。但其最大優(yōu)點(diǎn)是摩擦阻力小，傳動(dòng)效率高（92%~98%），因此選用滾動(dòng)絲杠螺母機(jī)構(gòu)。
根據(jù)工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)情況，應(yīng)選擇絲杠傳動(dòng)螺母移動(dòng)的形式，該傳動(dòng)形式需要限制螺母的轉(zhuǎn)動(dòng)，故需導(dǎo)向裝置。其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊，絲杠剛性較好，用于工作行程較大的場合[10]。
3.6.2絲杠的選擇
初取
表3-7滾珠絲杠
公稱直徑/mm
導(dǎo)程/mm
20
4
3.6.3絲杠的校核計(jì)算
滾珠絲杠的工作長度計(jì)算：
L=
X方向絲杠的的工作長度計(jì)算：
Y方向絲杠的工作長度：
X方向絲杠的工作載荷 ：
Y方向絲杠的工作載荷：
由于兩方向絲杠的公況為，每天開機(jī)六小時(shí)，每年
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