步进电机通过一级齿轮减速驱动单轴直线伺服移动机构系统设计

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1、机械电子工程05-3张昆峰《机电一体化机械系统设计》课程设计计算说明书第一章：直线移动机构模块的设计1．工作台的选择根据设计要求初选工作台为，密度7.81，质量约为14Kg。2．滚动导轨副的选择计算和校核滚动直线导轨副是在滑块与导轨之间放入适当的钢球，使滑块与导轨之间的滑动摩擦变为滚动摩擦，大大降低二者之间的运动摩擦阻力，从而获得动、静摩擦力之差很小，随动性极好，即驱动信号与机械动作滞后的时间间隔极短，有益于提高数控系统的响应速度和灵敏度。驱动功率大幅度下降，只相当于普通机械的十分之一。与V型十字交叉滚子导轨相

2、比，摩擦阻力可下降约40倍。适应高速直线运动，其瞬时速度比滑动导轨提高约10倍。能实现高定位精度和重复定位精度。能实现无间隙运动，提高机械系统的运动刚度。成对使用导轨副时，具有“误差均化效应”，从而降低基础件（导轨安装面）的加工精度要求，降低基础件的机械制造成本与难度。导轨副滚道截面采用合理比值的圆弧沟槽，接触应力小，承接能力及刚度比平面与钢球点接触时大大提高，滚动摩擦力比双圆弧滚道有明显降低。导轨采用表面硬化处理，使导轨具有良好的可校性；心部保持良好的机械性能。简化了机械结构的设计和制造。滑块可选用基本尺寸为

3、，-26-机械电子工程05-3张昆峰《机电一体化机械系统设计》课程设计计算说明书导轨副材料的选择为灰铸铁HT200，因为它的耐磨性和减震性好，热稳定性好，容易铸造和切削加工，成本较低。因设计任务要求，选用四块这样的滑块组成双排导轨，则总质量约为：。2．1滚动体的尺寸和数目滚动体的直径越大，滚动摩擦系数就越小，摩擦阻力也就越小；滚动体的直径过小，不但摩擦阻力会加大，而且会产生滑动的现象。因此在不受限制的情况下滚动体的直径越大越好，本次选择滚珠直径8mm，查文献[3]式5-6有：其中，Z为滚珠数目；G运动部件的重力

4、，单位N；D为滚珠直径，单位mm则：，所以选每一导轨滑块上滚珠的数目为7。2．2滚动导轨副的强度计算强度的判断条件是判别受力最大的那个滚动体上的载荷是否超过了许用载荷。如果一条导轨上承受一个作用在导轨面上的力和力矩，则受力最大的滚动体就是位于最外侧的。查文献[3]式6-5可得在一个滚动体上的许用载荷：其中，对于淬火钢珠铸铁导轨=125N/；对HT200导轨，导轨材料的硬度系数；-26-机械电子工程05-3张昆峰《机电一体化机械系统设计》课程设计计算说明书则：由此可知强度满足。2.3校核导轨副的寿命由文献[1]式

5、3-22得：其中，为工作时间寿命，单位h；为工作的有效行程长度，单位m；为每分钟往复的次数，单位：次/min代入数据得：因有四个滑块，所以每一导轨上使用两个滑块，则：由文献[4]表3-14和3-17确定以下系数：其中，K为寿命系数，一般取50km；F滑块的工作载荷，单位N；为硬度系数，=；为温度系数，=1；为接触系数，=；为负荷系数，=1.5。而且；-26-机械电子工程05-3张昆峰《机电一体化机械系统设计》课程设计计算说明书所以：；即17500N，选用汉江机床厂HJG-D25有线导轨，查文献1表3-14至3-

6、17得HJG-25型导轨的，，所用的导轨能满足寿命要求。3．滚珠丝杠副的设计计算和校验：3.1初选滚珠丝杠根据设计任务，滚珠丝杠直径初定为25mm，导程Ph=8mm，制造精度为3级。3.2丝杆的转速=，其中：为机械传动速度，单位是mm/min。则：=；r/min3.3行程补偿值滚珠丝杆的热变形将导致长度，定位精度的变化，可由下面的方法进行补偿：其中：为温度上升值，一般为取；为有效行程，单位是；则：3.4两端固定支撑方式的预拉伸补偿热变形-26-机械电子工程05-3张昆峰《机电一体化机械系统设计》课程设计计算说明

7、书在采用两端固定安装方式时，还要采用丝杆预拉伸的方法来进一步补偿热变形，预拉伸为：式中：E为弹性模量，；d为丝杆公称直径，mm；故：N3.5滚珠丝杆副轴向载荷的计算（参考文献[5]的P.101--P.103]）式中：为滚珠丝杆副的摩擦系数，一般取0.0025—0.005;m为工作台和滑块的总质量;f为导轨与底面的摩擦力；为滚珠丝杆的径向受力；为滚珠丝杆的轴向受力；为最大加速度，则：所以:当量载荷-26-机械电子工程05-3张昆峰《机电一体化机械系统设计》课程设计计算说明书设空转和常用切削分配的时间分别为10%和

8、90%，则当量转速3.6额定静载荷及额定动载荷的下限值：（1）额定静载荷式中，为安全系数，一般取2-3，这里取3；是外加在滚珠丝杆副上的最大轴向载荷故有：（2）额定动载荷在当量条件下达到预期寿命时，丝杆所受的最大额定动载荷为其中为载荷系数，取；为精度系数，取。3．7选定滚珠丝杆的型号当滚珠丝杆副在较高转速下工作时，应按寿命计算选择其尺寸规格，并校核其载荷是否超过额定动载荷；当滚珠丝杆副