第二章 光栅栅距自动检测仪机械结构方案论证
光栅有两种：透射光栅和反射光栅。透射光栅的材料为玻璃，易碎，不方便在复杂环境中的使用。反射光栅的材料为不锈钢片，并在不锈钢片表面均匀地刻上100对/mm透光镂空和不透光条纹，其线膨胀系数和机床等工业材料基本一致，故本设计选用反射光栅。
光栅栅距自动检测仪机械结构设计有如下两种可行方案：
2.1 光栅栅距自动检测仪机械结构——方案一
方案一如图2-1，本方案采用光栅尺固定的方式，相机及传感器移动。
该方案由步进电机，丝杠，螺母滑块，光栅尺及导杆，基座组成，步进电机旋转，带动丝杠旋转，由丝杠带动螺母滑块左右移动。相机及光栅传感器安装在螺母滑块上，随螺母滑块移动，由相机拍下光栅莫尔条纹，然后输入到计算机系统处理计算出距离。
图2-1 光栅栅距检测仪传动方案一
2.2 光栅栅距自动检测仪机械结构——方案二
方案二如图2-2所示，本方案采用光栅尺移动的方式，相机及传感器固定。该方案由步进电机，丝杠，螺母滑块，光栅尺，基座等组成，步进电机旋转，带动丝杠旋转，由丝杠带动螺母滑块左右移动。光栅尺安装在螺母滑块上，光栅尺随螺母滑块左右移动，相机及光栅传感器安装在一支架上，光栅尺移动，由相机拍下光栅莫尔条纹，然后输入到计算机系统处理计算出光栅尺移动的距离。
图2-2 光栅栅距检测仪传动方案二
综上分析，方案一与方案二都是可行的方案，都能实现光栅栅距检测，方案一结构相对紧凑，方案二相对更稳定，综合考虑，本文所设计的光栅栅距检测仪要求以稳定为主，因此，选择方案二，采用光栅尺移动，相机及传感器不动的方式进行设计。
第三章 机械传动系统设计
3.1 步进电机的选择
3.1.1 步进电机选择原则
步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。通俗一点讲：当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度（及步进角）。您可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时您可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。步进电机是机电一体化产品中关键部件之一，通常被用作定位控制和定速控制。步进电机惯量低、定位精度高、无累积误差、控制简单等特点，广泛应用于机电一体化产品中，如：数控机床、包装机械、计算机外围设备、复印机、传真机等。
选择步进电机时，首先要保证步进电机的输出功率大于负载所需的功率。而在选用功率步进电机时，首先要计算机械系统的负载转矩，电机的矩频特性能满足机械负载并有一定的余量保证其运行可靠。在实际工作过程中，各种频率下的负载力矩必须在矩频特性曲线的范围内。一般地说最大静力矩Mjmax大的电机，负载力矩大。
选择步进电机时，应使步距角和机械系统匹配，这样可以得到机床所需的脉冲当量。在机械传动过程中为了使得有更小的脉冲当量，一是可以改变丝杆的导程，二是可以通过步进电机的细分驱动来完成。但细分只能改变其分辨率，不改变其精度。精度是由电机的固有特性所决定。
选择功率步进电机时，应当估算机械负载的负载惯量和机床要求的启动频率，使之与步进电机的惯性频率特性相匹配还有一定的余量，使之最高速连续工作频率能满足机床快速移动的需要。
选择步进电机需要进行以下计算：
（1）计算工作台，丝杆折算至电机轴上的惯量Jt。
Jt= Js+W/g（S/2π)2
式中Jt-折算至电机轴上的惯量(Kg.cm.s2)
Js -丝杆惯量(Kg.cm.s2)
W-工作台重量（N）
S-丝杆螺距（cm）
（2）计算电机输出的总力矩M
M=Ma+Mf+Mt
Ma=（Jm+Jt).n/T×1.02×10ˉ2
式中Ma -电机启动加速力矩（N.m) Jm、Jt-电机自身惯量与负载惯量(Kg.cm.s2) n-电机所需达到的转速（r/min）
T---电机升速时间（s）
Mf=(u.W.s)/(2πηi)×10ˉ2
Mf-导轨摩擦折算至电机的转矩（N.m)
u-摩擦系数
η-传递效率
3.1.2 选择步进电机
（1）计算工作台，丝杆折算至电机轴上的惯量Jt。
Jt= Js+W/g（S/2π)2
式中Jt-折算至电机轴上的惯量(Kg.cm.s2)
Js -丝杆惯量(Kg.cm.s2)
W-工作台重量（N） W=114.7N
S-丝杆螺距（cm）S=0.4cm
Js=
V-钢的密度 7.87×10-3 kg/cm3
D-丝杠直径（cm）D=2.8cm
L-丝杠长度 (cm) L=200cm
所以 Jt= Js+W/g（S/2π)2
= + W/g（S/2π)2
=
= 
Kg.cm.s2
（2）计算电机输出的总力矩M
M=Ma+Mf
Ma=（Jm+Jt).n/T
=(3.8+4.8) ×10-2 ×1200/1×1.02×10ˉ2
=1.37 N.m
式中 Ma -电机启动加速力矩（N.m)
Jm、Jt-电机自身惯量与负载惯量(Kg.cm.s2)
n-电机所需达到的转速（r/min）n=1200 r/min
T---电机升速时间（s）T=1s
Mf=(u.W.s)/(2πηi)×10ˉ2
=(0.15×114.7×0. 4)/(2×3.14×0.96×1)×10ˉ2
=1.14×10ˉ2 N.m
Mf-导轨摩擦折算至电机的转矩（N.m)
u-摩擦系数 u =0.15
η-传递效率 η=0.96
所以 总力矩
M=Ma+Mf=1.37+0.0114=1.3814 N.m
（3）电机的最高转速
电机选择首先依据推杆快速行程速度。快速行程的电机转速应严格控制在电机的额定转速之内。
式中，
为电机的额定转速（rpm）；n为移动时电机的转速（rpm）；
为直线运行速度（m/min）
；u为系统传动比，u=n电机/n丝杠=1；
丝杠导程（mm），
。
所以
所以，选用深圳众为兴步进电机56BYGH630。
3.2 滑动螺旋副的计算
1）螺旋传动的材料
丝杠螺杆要有足够的强度，较高的耐磨性和良好的工艺性，一般采用45或50刚，较重要的螺杆可采用40Cr等合金钢，本丝杠采用45钢。
滑块（螺母）应该具有较低的摩擦系数和较高的耐磨性，一般可选用铸造青铜，如ZCuSn10P1、ZCuSn5Pb5Zn5及ZCuAl10Fe3，要求较低时可采用耐磨铸铁，本螺母滑块采用球墨铸铁QT400-17。
2）耐磨性的计算
设螺母高为H，螺距为P，螺纹中径为
，螺纹工作高度为h，则螺纹承载圈数Z=H/P，
螺旋总轴向载荷为
，每一圈螺纹承受的轴向载荷为
,其成载面积
。因此。螺纹工作面上的压强为
,己耐磨性条件为：
表3-1 滑动螺旋副材料的许用压强[]
|
螺杆材料
|
螺母材料
|
滑动速度（m/s）
|
许用压强
|
|
钢
|
青铜
|
低速
|
18～25
|
|
钢
|
钢
|
7.5～13
|
|
钢
|
铸铁
|
＜0.04
|
13～18
|
|
钢
|
青铜
|
＜0.05
|
11～18
|
|
钢
|
铸铁
|
0.1～0.2
|
4～7
|
|
钢
|
耐磨铸铁
|
6～8
|
|
钢
|
青铜
|
7～10
|
设
，则 
，代入上式并整理后可得：
对于梯形螺纹，h=0.75P，由上表3-1，选取[]=6Mpa 则
考虑到螺旋导程不能太小,取导程P=4mm，考虑到螺杆有2000mm长，为保证螺杆刚度，选取螺杆中径
,大径D=28mm.
3）螺母螺纹牙的强度校核
在轴向载荷的作用下，螺纹牙可能在根部发生剪断或弯断，由于螺母滑块为铸铁，螺牙的强度低于螺杆，故只需要校核推杆（螺母）螺纹牙的强度。
|
材料
|
许用应力
|
|
[σ]
|
[ ]
|
[ ]
|
|
螺杆
|
钢
|
|
|
|
|
螺母
|
青铜
|
|
40～60
|
30～40
|
|
耐磨铸铁
|
|
50～60
|
40
|
|
铸铁
|
|
45～55
|
40
|
|
钢
|
|
|
0.6[σ]
|
|
注：
1、 为材料屈服极限；
2、载荷稳定时，许用应力取大值。
|
将一圈螺母的螺纹沿根部大径D处展开，在h/2处作用载荷，则螺纹牙危险平剖面a－a的剪切强度条件为
符合强度要求。
螺纹牙危险剖面ａ－ａ的弯曲强度条件为
符合强度要求。
4）螺杆的强度校核
螺杆工作地承受轴向压力（或拉力），又受螺纹力矩T的扭转作用。螺杆危险剖面上既有压缩（或拉伸）应力，又有扭转剪应力。因此，螺杆剖面上是正应力和剪应力的复合应力状态。按第四强度理论，其危险截面的强度条件为
强度符合要求。
图3-1 螺母滑块
图3-2 丝杠
附件下载
