机电一体化（专科）课程设计(2)

造、使用均较复杂。气浮导轨无磨损，无静摩擦，无低速爬行现象，无需回气导管，不产生污染，但刚度小，阻尼系数小，容易引起振荡。

由于滚动导轨的特点，本次设计的回转体数控测量装置决定采用滚动导轨。由于采用了齿轮减速结构，从而可以克服滚动导轨滚动阻尼系数小，容易产生振荡的缺点。

3.5轴承及支承方式

本次设计的回转体数控测量装置决定采用滚动轴承作为轴的支承。对于旋转运动单元，只有齿轮减速箱用到滚动轴承，由于没有轴向载荷，因此选用深沟球轴承作为齿轮的径向支承。对于旋转—直线运动单元，其齿轮减速箱和滚珠丝杠都要采用滚动轴承支承，齿轮减速箱中的齿轮采用深沟球轴承来支承，滚珠丝杠则由于有轴向载荷，因此要对丝杠的径向和轴向都进行支承。支承方式选择两端固定的支承方式，每一端选择一个深沟球轴承和一个推力球轴承组合进行支承。

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第四章 回转体数控测量装置机械部分设计计算

4.1机械传动系统设计计算

回转体数控测量装置共有两个运动单元，一个是旋转运动单元，一个是旋转—直线运动单元，组成这个两个单元的传动机构不尽相同，因此计算的思路和步骤也不尽相同。下面就每一个运动单元分别进行设计计算。

4.1.1旋转运动单元传动系统设计计算 旋转运动单元传动系统由步进电动机、齿轮减速箱和夹具组成，夹具采用三角自定心卡盘。旋转运动单元传动系统计算步骤大体可分为以下几步：

1）根据给定的旋转精度，初步确定步进电动机的步距角；

2）根据旋转精度和步距角，确定齿轮减速机构的传动比以及齿轮的参数； 3）计算负载转矩，选定步进电动机型号。 1、初选步进电动机步距角?b

对步进电动机施加一个脉冲信号，步进电动机就转动一个固定的角度，这个角度就叫步距角。电动机的转动的角度与输入脉冲个数成正比，转动的速度与脉冲频率成正比。

步进电动机步距角越小，它所能达到的位置精度越高。此次要求的旋转精度是0.1度，为不使传动比过大，齿轮级数过多，因此决定初步选则步进电动机的步距角为0.36°。如果选择的步距角不合适，则重新再选择。

2、计算传动比i

旋转精度?p为0.1°，步距角?b为0.36°，则旋转运动传动系统的传动比i

i??b0.36??3.6?p0.1

确定传动比i后，接下来确定齿轮传动的级数及各齿轮的参数。

一般，随着齿轮传动的级数的增加，齿轮传动的总惯量减少，但传动效率要降低，齿隙和摩擦的来源也会有随之增加。因此应在传动级数和传动比的分配上综合权衡。一般，当传动比1≤i＜2时，选用一级传动；2≤i<4时选用二级传动，此次的传动比为3.6，因此决定选用两级传动。设第一级传动比为i1=Z2/Z1，第二级传动比为i2=Z4/Z3，根据齿轮系最佳速比分配近似条件

i12i2?2

计算得

i1?i2?Z2?1.72Z1Z4?2.09Z3

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由于齿轮直径不能太大，故齿数不能完全根据最佳传动比来选择。为便于选择齿轮齿数，将各级传动比稍作修改为

i1?i2?Z2?1.8Z1Z4?2.0Z3

选择Z1=20，根据i1=Z2/Z1可计算出Z2=36；取整得Z3=20，则Z4=40。由于传递的功率不大，取齿轮的模数m=2。采用双层齿轮法消除齿轮间隙。齿轮有关参数参照表4-1。

表4-1传动齿轮几何参数 齿 数 分度圆 齿顶圆 齿根圆 齿 宽 中心距 Z 20 40 44 35 20 56 36 72 76 67 20 20 40 44 35 20 60 40 80 84 75 20 d?mz da?d?2m df?d?2?1.25m(6~10)m A?(d1?d2)/2

3、步进电动机型号选择 （1）转动惯量计算

根据被检测工件最大尺寸（材料为钢）为φ50mm3350mm，确定三角自定心卡盘的最大外径为100mm，其厚度为40mm，过渡件的外径也为100mm，厚度为10mm，其材质均为钢。

对于钢质圆柱体，其转动惯量

J?0.78?10?3?D4L

其中，D——圆柱体直径（cm）；

L——圆柱体长度（cm）。 负载各部分的转动惯量如下:

J工??0.78?10?3?54?35?kg?cm2=17.0625kg?cm2J夹??0.78?10?3?104?5?kg?cm2=39kg?cm2J1??0.78?10?3?44?2?kg?cm2?0.399kg?cm2J2??0.78?10?3?7.24?2?kg?cm2?4.192kg?cm2J3??0.78?10?3?44?2?kg?cm2?0.399kg?cm2J4??0.78?10?3?84?2?kg?cm2?6.39kg?cm2其中，J1、J2、J3——齿轮Z1、Z2、Z3及其轴的转动惯量（kg2cm）；

J4——齿轮Z4的转动惯量（kg2cm2）；

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J工——工件的转动惯量（kg2cm）； J夹——夹具的转动惯量（kg2cm2）。

负载折算到电机轴上的总的转动惯量J?（kg2cm2）为

2

8

22???Z3??(J2?J3)????J4?J工+J夹?????Z4????Z?J?J1??1??Z2?22??????20???20?=?0.399+???(4.192+0.399)????6.39?17.0625?39???kg?cm2?36???40????????=6.635kg?cm2

(2)估算步进电动机起动转矩

在此次回转体数控测量装置的旋转运动单元传动系统中，负载的加速度转矩占起动转矩的比例较大，因此根据负载的加速度转矩乘以一定的安全系数来估算步进电动机的起动转矩，然后初步选定步进电动机型号。

设电机起动加速到最大转速的起动加速时间ta=0.03s，则最大负载加速度转矩Tlmax

（N2cm）

Tlmax?J??Jnmaxni2?nlmaxi?10?2?Jlmax?10?2?J?10?2606060?ta?ta?ta2?2?2??130?3.6?6.635??10?2N?cm60?0.03?108.39N?cm2

式中， J——负载折算到电机轴上的总等效转动惯量（kg2cm）；

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ε——电机最大角加速度（rad/s)； nmax——电机最大转速（r/min）； nlmax——工件最大转速（r/min）； i——传动比。

进电动机起动转矩Tq（N2cm）由式子

Tq?kTlmax

进行估算。其中k为安全系数，由于在计算起动转矩时没有加入电动机转子惯量，因此根据惯量匹配，选取k=1.3~1.5，这是比较合理的。

代入数据得

Tq?kTlmax?1.5?108.39N?cm?162.585N?cm

（3）计算最大静转矩Tjmax

最大静转矩Tjmax表示步进电动机所能承受的最大静态负载转矩，与启动转矩的关系见表4-2。最大静转矩与步进电动机的通电方式有关，可根据它在步进电动机技术手册中初选步进电动机。

表4-2步进电机启动转矩与最大静转矩的关系

相数 拍数 ??Tq/Tjmax 三相 3 0.5 6 0.866 4 四相 8 0.707 5 0.707 五相 10 0.951 6 0.809 六项 12 0.866 0.866 取步进电动机的通电方式为五相10拍，则最大静转矩Tjmax

Tjmax?Tq??162.585?170.962N?cm0.951

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（4）计算最高起动频率fk

fk=360nlmax360?130??7800Hz60?p60?0.1

式中， nlmax——工件最大转速（r/min）；

?p——旋转精度（°/步）。

（5）初选步进电动机型号

根据估算出的最大静转矩Tjmax步进电动机技术手册中查出90BF006的最大静转矩为215.6N2cm大于五相10拍时的最大静转矩 Tjmax=170.962N2cm，因此决定选用90BF006步进电动机。但从表中看出，90BF006步进电动机的最高空载起动频率为2400Hz,，不能满足fk（7800Hz）的要求，此项指标可暂不考虑，可以采用软件升降速程序来解决。

（6）校核转矩

90BF006的转子转动惯量JM=1.8N2cm，因此传动系统折算到电机轴上的总的转动惯量J?（kg2cm2）为

J??JM+J=(1.8+6.635)N?cm?8.435N?cm

步进电动机起动转矩Tq（N2cm）

T?J???J?nmaxni2?nlmaxi?10?2?J?lmax?10?2?J??10?2606060?ta?ta?ta2?2?2??130?3.6?8.435??10?2N?cm60?0.03?137.796N?cm

Tq137.796?144.896N?cm0.951

最大静转矩Tjmax

Tjmax???它小于步进电动机90BF006的最大静转矩为215.6N2cm，且有较大的的余量，因此该步进

电动机是合适的。

4.1.2旋转—直线运动单元传动系统设计计算 1、移动部件尺寸及重量估算

根据采用的光幕传感器LS-7070的外形尺寸，确定承载光幕传感器的连接台的尺寸（长3宽3高）为3003108387，材

G1?(300?108?87?10?3?7.8?10?2)N?220

光幕传感器LS-7070的重量约为20N，因此移动部件的总重量G=(220+20)N=240N。 2、滚动导轨的确定 （1）滚动导轨形式

滚动导轨形式选择双V型滚珠钢制淬火导轨。 （2）导轨长度

根据350mm的行程范围及连接台的尺寸，确定：

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