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（6）压杆稳定性校核 滚珠丝杠是属于受轴向力的细长杆，如果轴向负载过大，则可能产生失稳现象。失稳时的临界载荷Fk应满足： fk?2EI?Fm （2-8）【3】42 Fk?2Ka 式中： Kk——临界载荷，单位N fk——丝杠支承系数，如表所示 K——压杆稳定安全系数，一般取2.5～4，垂直安装时取小值； A——滚珠丝杠两端支承间的距离，单位为mm。 表2-11 丝杠支承系数方式 双推-自由 0.25 双推-简支 2 【3】42 单推-单推 1 双推-双推 4 丝杠不会失稳 综上所述，初选的滚珠丝杠副满足使用要求 fk 查表2-11，取fk=1；由丝杠底径d2=21.2mm，求得截面惯性矩： I??d2/64???21.24/64?9915.47mm 压杆稳定系数K取3（丝杠卧式水平安装）；滚动螺母至轴向固定处的距离a取最大值500mm。代入式2-8，得临界载荷： 4fk?2EI1??2?2.1?105?9915.47Fk???27401.29N Ka23?5002远大于工作载荷Fm=2348.87N，故丝杠不会失稳。 15
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综上所述，初选的滚珠丝杠副满足使用要求。 本次课程设计工作台空载的最快移动速度为5000mm/min，此时丝杆的转速为： v5000 n???1000r/min p5 选择的驱动器为变频器，选择的电机为交流伺服电动机。初选电动机的额定转速为3000r/min。 根据丝杆转动的转速与电动机转动的转速确定由电机到丝杆的传动比为： 5、交流伺服电动机减速机构的计算与选择 i?n13000??3 （5-1） n21000 由计算结果可以得出，从电机到丝杆的传动比为3，一般的减速机构传动就满足条件，所以选择的减速机构为常州新月电机有限公司生产的JBF-3型的齿轮减速箱。大小齿轮模式均为1mm，齿数比为90:30，材料为45调质钢，齿表面淬硬后达到55HRC，减速箱中心距为57.5mm，小齿轮厚度为20mm，双片大齿轮厚度均为10mm。 6、交流伺服电动机的计算与选型 （1）初选交流伺服电动机的的型号 初选交流伺服电动机的额定转速为3000r/min，减速机构的传动比为3，丝杠移动的最大速度为5000r/min。W=400/0.98=40.8kg，δS=1.67。 1.计算惯量 Jlo?W[ 式中： W——重量，单位 kg; ?S——电机每转一圈丝杠移动的距离，单位 mm； 滚珠丝杠的转动惯量Js=1.505 kg cm2 交流伺服电动机的额定转速为3000r/min ?S21.672]?20?[]?0.026（kg.cm2） （6-1） 20?20π16
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经丝杠减速后的惯量为 1.505×0.52=0.3762 kg cm2 负载惯量为 0.3762+1.505=1.881 kg cm2 如果按大于1/10负载惯量选用电机，则电机惯量为0.42kg cm2，最大转矩为1.91 N m，额定转矩为0.64N m。 2.计算负载转矩 设运动轴方向上的力Fc=Fx= 2128.25N 运动部分向桌面的挤压力Fo=Fz=677.17 摩擦系数μ=0.1 驱动部分效率取0.8 则直线运动轴方向的力为 F?Fc??（W?g?Fo）?2235.96N 负载转矩为 TL?（F??S）（/2?103?π??）?0.759Nm 3.计算加速转矩 负载惯量为J 电机惯量为Jm 电机转速为No，加速时间为t，加速转矩为 Ta?[(J?Jm)?No]/(9.55?104?0.2)?0.0949 、 4.与选用电机比较 加速转矩Ta+负载转矩T<最大转矩 1.9 Nm，因此选用电机符合加速要求。 5.计算连续瞬时转矩 加速时间t=0.2s，匀速时间t1=1s，减速时间t2=0.2s，停止时间t3=2s，运行周期t5=0.2+1+0.2+2=3.4s 加速转矩Ta=0.0949Nm，负载转矩T=0.759Nm，减速转矩Td=0.949，保持Th=0，连续瞬时转矩 TRMTa2?t?T2?t1?Td2?t2?Th2?t3??0.412Nm t56.选用结果 因为任务书中要求有正向/反向的快速/慢速点动功能，但只有较高性能的三菱变频器FR-A700系列变频器才有点动功能，而且驱动的电机最低功率为0.4kw。顾选用伺服电机MQMA-4 。0.412Nm<额定转矩0.64Nm，因此选用的电机规格符合额定转矩要求。 17
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7、轴承的选择与计算 1.支承方式及轴承的选择 根据丝杆尺寸和有关数据，经过查阅轴承选取的相关资料，并结合本设计具体情况选择“单推－单推”的支承方式。 通过查相关手册，轴承选择如下： 表2-13 轴承参数 轴承名称 轴承型号 结构尺寸 标记 额定载荷 数量 16.5KN 4 角接触球轴承7205C d=25mm,B=15mm,D=52mm 滚动轴承7205CGB/T276—94 2.轴承的寿命校核根据丝杠的设计尺寸，我们初选用轴承型号为7205C的轴承，其相关参数如下额定静载荷杠的螺纹升角，额定动载荷。已知，最大工作载荷Fm=2348.87N，丝：，螺旋副之间的接触合面所受合力沿径向的分力Fr=Fmtan3.64=149.42N （2-15）根据受力分析可知，丝杆能够所受的轴向载荷即Fa=2348.87N，18
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则有Fa2348.87Fa2348.87??0.2237，查得e=0.2237,又由于??15.71>e，查《机械设Cov10500Fr149.42，其值在计》表13-5径向动载荷系数X和轴向动载荷系数Y得X=044，由于0.17-0.29之间，则所对应的Y的取值范围为1.02-1.12之间，用插值法求取轴向动载荷系数Y：。又查表13-6载荷系数当量动载荷P：，则轴承的 （2-16）即当量动载荷承寿命：。已知，，，，则轴 （2-17）即 五、工作台机械装配图的绘制 在完成直线滚动导轨副、滚珠丝杠螺母副、步进电机以及旋转编码器的计算与选型后，就可以着手绘制工作台的装配图了，绘制后的X-Y工作台机械装配图见附页装配图。 六、工作台控制系统的设计 本系统采用MCS-51系列8031单片机为主控制器。扩展存储器电路为1片2764EPROM和1片6264RAM。程序存储器扩展为4K，数据存储器扩展为8K.2764的片选控制端复位后，CPU从0000H开始执行监控程序，6264的片选的直接接地，系统 ，所以经验算轴承寿命符合要求。 由3-8译码器的Y2输出提供，所以6264的空间地址为4000H～5FFFH，系统的扩展接口I/O电路选用通用的可编程并行输入/输出接口芯片8155.8155的片选端接至3-8译码器（74LS138）的Y4输出端，故8155控制命令寄存器及PA口、PB口、PC口的地址信号分别为8000H、8001H、8003H。8155RAM区的地址为8000H～80FFH。8155接口的A口为控制工作台X、Y向电机的接口。本系统X、Y方向的伺服电机都选用A4系列伺服电动机MQMA-04。驱动器为三菱变频器FR-A740-0.4K-CHT。单片机通过P1口控制变频器。变频器的U、V、W与伺服电机相连。键盘与显示控制电路设计在一起，8155的19