此次任务给定的参数如下：
行程范围Z向350mmC向可正反转连续回转
运动分辨率Z向由于0.01mmC向优于0.1°
Z向最大移动速度2200mm/min
C向最大选择速度130r/min
被检测工件最大尺寸<材料为钢）φ50mm×350mm
外形尺寸<参考）700mm×400mm×320mm
2.1回转体数控测量装置总体方案确定
回转体数控测量装置总体方案的确定包括系统运动方式的确定、伺服系统的选择、执行机构及传动方式的确定、计算机系统的选择等。
1、系统运动方式的确定
数控系统按运动方式可分为点位控制方式、点位/直线系统和连续控制系统。
回转体数控测量装置要求快速定位，保证定位精度，因此选择点位控制系统。
2、伺服系统的选择
伺服系统可分为开环控制系统、半闭环控制系统和闭环控制系统。
开环控制系统结构简单、成本低廉、容易掌握、调试和维修比较方便，因此在精度和速度要求不高、驱动力矩不大的场合得到广泛应用。
开环伺服系统主要由步进电动机驱动。
半闭环系统系统和闭环系统造价高、结构和调试较复杂，适用于精度要求较高的场合。
回转体数控测量装置由于速度不高，为了简化结构、降低成本，采用步进电动机开环控制系统。
3、执行机构的结构及传动方式的确定
任务给定Z向分辨率为0.01mm/脉冲，为实现所要求的分辨率，决定采用步进电动机经齿轮减速机构再传动丝杠带动检测光幕传感器在Z向移动。
为保证一定的传动精度和平稳性，尽量减小摩擦力，选用滚珠丝杠螺母副。
C向分辨率为0.1°，为实现所要求的分辨率，同样决定采用步进电动机经齿轮减速机构带动卡盘旋转，从而带动工件旋转。
为提高传动刚度和消除间隙，采用有预加负荷的结构。
齿轮传动也要采用消除齿侧间隙的结构。
4、计算机的选择
根据任务要求，决定采用8位微机。
由于MCS—51系列单片机具有集成度高，可靠性好、功能强、速度快、抗干扰能力强、性价比高等特点，决定采用MCS—51系列的8031单片机扩展系统。
控制系统由微机部分、键盘及显示器、I/O接口及光隔离电路、步进电动机功率放大电路等组成。
系统控制命令通过键盘操作实现，显示器采用数码管显示加工数据及机床状态等信息。
2.2总体方案框图
第三章回转体数控测量装置机械系统设计方案说明
分析回转体数控测量装置的功能可知，它应该具有两个运动单元，即
1）旋转运动单元，即电机驱动减速器带动工件作旋转运动的单元；
2）旋转—直线运动单元，即电机驱动减速器再通过旋转—直线运动变换装置带动测量光幕传感器的做直线运动的单元。
每个运动单元都由不同的传动机构组成，旋转运动单元由电机和减速机构构成，旋转—直线运动单元由电机、减速机构和旋转—直线运动变换装置构成。
围绕这两个运动单元，对机械系统结构方案进行初步确定，然后在进行细化计算。
3.1电动机
在第一章总体方案设计中已经选择了步进电机作为驱动装置。
下面就选择步进电机作为驱动做一些必要的说明。
电动机可分为直流电动机、交流电动机、步进电动机和无刷电动机等几大类，每一大类又可以分许多不同的小类，其具体分类见表3-1。
表3-1电动机分类
电
动
机
直流电动机
一般直流电动机
直流伺服电动机
直流力矩电动机
交流电动机
三相异步电动机
鼠笼式
绕线式
单相异步电动机
交流伺服电动机
永磁同步电动机
步进电动机
反应式
单段式
多段式
轴向磁路式
径向磁路式
永磁式
永磁反应式
无刷电动机
选用电动机作为驱动部件的突出的特点是精度高，易于在闭环系统中获得很高的连续路径驱动。
不同类型的电机有不同的应用场合，一般要从控制性、功率大小、转速、精度以及性价比等方面选择。
一般，对于要求不高的开环固定转速场合应选用结构简单、廉价的交流异步电动机。
对于需要连续控制且精度要求较高的场合，目前较成熟的选用直流电动机。
直流电机具有扭矩惯量比大的特点，可直接带动负载，简化传动机构，避免了传动间隙，提高传动精度等优点。
对于调速系统，交流电动机的变频调速成为了一种理想的选择。
对于要求寿命长，严禁火花，同时控制精度要求高的特殊场合，通常考虑无刷电动机。
对于数字控制、精度增量控制且振动要求不高的场合，常采用步进电机。
步进电机在开环数控机床、绘图机、轧钢机等控制系统中得到了广泛的应用。
本次设计的回转体数控测量装置由于速度、精度等要求都不是很高，因而采用步进电动机作为驱动装置。
3.2减速机构
齿轮系及蜗杆副是一种发展历史悠久、现在仍然广泛使用的一种机械传动机构。
它工作可靠、传动比恒定、结构成熟，但制造复杂。
齿轮系及蜗杆副可按表3-2分类。
表3-2齿轮系及蜗杆副分类
传动轴平行
传动轴相交
传动轴交错
传动轴同轴线
圆柱直齿轮
直齿锥齿轮
交错轴斜齿轮
摆线针轮
圆柱斜齿轮
斜齿锥齿轮
双曲线锥齿轮
谐波齿轮
人字齿轮
弧齿锥齿轮
圆柱蜗杆
圆弧点啮合圆周齿轮
零度弧齿锥齿轮
环面蜗杆
行星齿轮
圆弧点啮合锥齿轮
齿轮齿条
根据传动轴的特点，可选用不同的齿轮系及蜗杆副做减速机构。
用于平行轴之间的传递运动的正齿轮易于设计制造、成本低，使用最为广泛。
斜齿轮可用于高速、重载、要求噪声低的场合，但斜齿轮存在较大的轴向推力；人字齿轮则由于左右推力平衡而不产生轴向推力，其中一个齿轮的安装应有一定的轴向间隙以便安装。
相交轴传动中直齿锥齿轮为线接触，传动效率较高。
交错轴斜齿轮有滑动作用，传动效率低，同时为点接触，只能承受较轻负载。
行星齿轮尺寸小，重量轻、效率高且能传递较大的功率，但结构复杂。
蜗杆副为线接触，可传递较大的功率、传动比大、传动平稳、噪声小、可自锁，但传动效率低。
谐波齿轮具有传动比大、速比范围宽、传动效率高、重叠系数大、啮合好、传动平稳、噪声小、结构紧凑，质量轻、精度高、承载能力大、功率范围宽、间隙易于消除，可通过密封壁传动等优点，在高技术领域获得广泛的应用。
对比上述各种齿轮系及蜗杆副的传动特点，本次设计的回转体数控测量装置选用圆柱直齿轮传动作为减速机构。
3.3旋转—直线运动装置
能够实现旋转运动到直线运动的传动机构有螺旋传动机构、齿轮齿条传动机构等。
螺旋传动结构分为普通螺旋传动机构和滚珠丝杠螺母副等。
普通螺旋传动广泛的用于将旋转运动变换为直线运动，但由于螺母和螺杆之间的摩擦为滑动摩擦，在磨损和精度等方面不能满足一些高精度机电一体化系统的要求，滚珠丝杠螺母副则是为了克服普通螺旋传动的缺点发展起来的一种传动机构。
它用滚动摩擦螺旋取代了滑动摩擦螺旋，具有磨损小、传动效率高、传动平稳、寿命长、精度高、温升低等优点。
它具有的运动摩擦小、便于消除传动间隙等优点，对于机电一体化系统性能的改善。
本次设计的回转体数控测量装置主要以传递运动为主，要求有较高的传动精度并结构紧凑，因此选用滚珠丝杠螺母副来将旋转运动转变为直线运动。
3.4导轨
导轨用于引导运动部件的走向。
它对机电一体化系统的影响通常是由摩擦特性决定的，主要影响定位精度和低速均匀性。
导轨主要分为滑动导轨、滚动导轨、液体静压导轨和气浮导轨。
滑动导轨结构简单，阻尼系数大，刚度大；但易产生低速爬行现象，易磨损。
滚动导轨的摩擦系数不大于滑动导轨的1/10，因此不存在低速爬行现象，可采用较小功率的电动机，但刚度小，阻尼系数小，可能引起振荡。
液体静压导轨无磨损，无静摩擦，无低速爬行现象，阻尼系数大，但设计、制造、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。
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qb
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qp为0.1°，步距角qb为0.36°，则旋转运动传动系统的传动比i
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
计算得
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
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
Z
20
36
20
40
分度圆
40
72
40
80
齿顶圆
44
76
44
84
齿根圆
35
67
35
75
齿宽
（6~10>m
20
20
20
20
中心距
56
60
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φ50mm×350mm，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
其中，D——圆柱体直径L——圆柱体长度负载各部分的转动惯量如下:
其中，J1、J2、J3——齿轮Z1、Z2、Z3及其轴的转动惯量J4——齿轮Z4的转动惯量J工——工件的转动惯量J夹——夹具的转动惯量负载折算到电机轴上的总的转动惯量JS（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式中，J——负载折算到电机轴上的总等效转动惯量ε——电机最大角加速度；
nmax——电机最大转速nlmax——工件最大转速i——传动比。
进电动机起动转矩Tq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
<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
三相
四相
五相
六项
拍数
3
6
4
8
5
10
6
12
0.5
0.866
0.707
0.707
0.809
0.951
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
<4）计算最高起动频率fk
式中，nlmax——工件最大转速qp——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215.6N·cm大于五相10拍时的最大静转矩Tjmax=170.962N·cm，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=1.8N·cm，因此传动系统折算到电机轴上的总的转动惯量JS步进电动机起动转矩Tq最大静转矩Tjmax
它小于步进电动机90BF006的最大静转矩为215.6N·cm，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
4）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×宽×高）为300×108×87
，材质为钢，计算其重量为
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。
5）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：
动导轨长度lB=100mm
动导轨行程l=350mm
支承导轨长度L=lB＋l=450mm
保持架长度lG=lB＋l/2=275mm
（3）滚动体尺寸与参数的确定
滚珠直径取d=6mm，滚珠数目
式中，G为导轨所支承的重量；d为滚珠直径动导轨的长度为lB=100mm，取Z=11，两滚珠之间的距离t=9mm。
（4）许用负荷验算
平均每个滚珠上的最大负载Pmax式中，PH为导轨的预加负荷，按最大负荷的1/2计算。
代入数据得
对于滚珠导轨，滚珠上的许用负载[P]式中，d——滚珠直径K——作用在滚动体横截面上的假定应力ζ——考虑到导轨硬度的修正系数，参加表4-4。
表4-3滚动体横截面上的假定应力K
导轨形式
K氮化导轨
钢制高频淬火导轨
钢制淬火导轨60~62HRC
铸铁导轨
200HBC
滚珠导轨
40
50
60
2
短滚柱导轨b/d=1
1500
1800
2000
200
长滚柱导轨b/d≥3
1000
1300
1500
150
表4-4导轨硬度的修正系数
铸铁导轨
HBS
160
180
200
220
ζ
0.6
0.8
1
1.7
钢制淬火导轨
HRC
50
55
57
60
ζ
0.52
0.70
0.80
1
由于选用的是滚珠钢制淬火导轨，因此选择K=60因为Pmax=15.427＜[P]，故导轨可用。
3、滚珠丝杠的设计计算
<1）计算丝杠轴向力Fm
回转体数控测量装置是点位控制系统，对系统的动态性能要求较高，要求能快速移动，因此作用在滚珠丝杠的轴向的力应该以移动部件的惯性力为主，同时包括移动部件的重量作用在滚动导轨上的摩擦力。
设系统要求移动部件能在10ms内从正向最大移动速度加速到反向最大移动速度，其产生的惯性力F惯
式中，m——移动部件的质量vlmax——移动部件最大移动速度G——移动部件的重量g——重力加速度。
ta——加速时间移动部件的重量作用在滚动导轨上的摩擦力F摩
f为滚动导轨的摩擦系数，f=0.0025~0.005，此处取0.005。
丝杠轴向力Fm
<2）最大动负载C
选用滚珠丝杠螺母副的直径d0时，必须保证在一定的轴向负载作用下，丝杠在回转100万转后，在它的滚到上不产生点蚀现象。
这个轴向负载的最大值称为该滚珠丝杠能承受的最大动负载C，可用下面的公式计算：
式中，L——寿命，以106转为一单位；
n——丝杠转速vs——为最大切削力条件下的进给速度Lo——丝杠导程T——使用寿命fw——运转系数，无冲击运转情况取1.0~1.2，取1.2。
具体计算如下：
表4-5滚珠丝杠螺母副的公称直径d0和基本导程L0
公称直径d0
导程L0
1
2
2.5
3
4
5
6
8
10
12
16
20
25
32
40
6
8
10
12
16
20
25
32
40
50
63
80
100
125
180
200
===
=
=
○
○
=
=
=
=
=
=
=
=
=
○
○
○
○
=
=
=
=
=
=
=
=
=
=
=
○
○
=
=
=
=
=
=
=
=
=
=
=
=
=
=
=
=
=
=
=
注：
应优先采用有=的组合，优先组合不够用时，推荐选用○的组合；只有优先组合和推荐组合都不够用时，才选用黑框内的普通组合。
<3）选择滚珠丝杠螺母副
根据最大动负载，查滚珠丝杠螺母副标准，可知W1D20052.5圈l列外循环垫片调整预紧的双螺母滚母丝杠副，额定动荷为8800N，可满足要求，选定精度为3级。
表4-6为W1D20052.5圈l列外循环垫片调整预紧的双螺母滚母的几何参数。
<4）丝杠副传动效率计算
滚珠丝杠螺母副的传动效率为
式中，γ——丝杠螺旋升角；
j——摩擦角，滚珠丝杠螺母副的滚动摩擦系数f=0.003~0.004，其摩擦角约等于10'。
W12004滚珠丝杠螺母副的螺旋升角为3°39'，代入传动效率公式得
表4-6W1D2005滚珠丝杠几何参数
参数名称
符号
关系式
W1D2005
螺纹滚道
公称直径
d0
20
导程
L0
5
接触角
β
3°39′
钢球直径
dq
3.175
滚到法面半径
R
R=0.52dq
1.651
偏心距
e
0.045
螺纹升角
γ
3°39′
螺杆
外径
d
19.4
内径
d1
16.788
接触直径
dz
16.835
螺母
螺纹直径
D
23.212
内径
D1
20.653
<5）刚度验算和稳定性核算
由于杠轴向力Fm小，且丝杆的长度较短，因此只要对丝杠螺母及支承丝杠的轴承进行预紧，刚度和稳定性是满足系统要求的。
4、滚动轴承的选择
<1）深沟球轴承的选择和验算
根据丝杠的公称直径d0=20mm可知，丝杠轴颈必定要小于20mm，因此初步选定61802型深沟球轴承，其公称内径d=15mm，公称外径D=24mm，内、外圈公称宽度B=5mm，其他尺寸查看表4-7。
图4-1深沟球轴承的结构图
表4-7常用深沟球轴承的基本尺寸与数据<部分）
基本尺寸/mm
安装尺寸/mm
其他尺寸/mm
基本额定载荷/kN
极限转速/r·min-1
重量/kg
轴承代号
d
D
B
da
min
Da
max
ra
max
d2
≈
D2
≈
r
min
径向基本额定动载荷
Cr
径向基本额定静载荷
Cor
脂
油
W
≈
6000型
15
24
5
17
22
0.3
17.6
21.4
0.3
2.10
1.30
2
升级会员 