三維軌道定位裝置結(jié)構(gòu)及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、XX學(xué)院 XX UNIVERSITY本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)設(shè) 計(jì) 題 目： 三維軌道定位裝置結(jié)構(gòu)及控 制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 系部： 機(jī) 電 工 程 系 專 業(yè)： 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 學(xué) 生 姓 名： XX 班 級(jí)： 三班 學(xué)號(hào) 2011011308 指導(dǎo)教師姓名： 職稱 教授 職稱 工程師 XX學(xué)院教務(wù)處 二一三年六月制（20 15 屆）本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書三維軌道定位裝置結(jié)構(gòu)及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)系部： 機(jī) 電 工 程 系 專 業(yè)： 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 學(xué) 生 姓 名： 班 級(jí)： 三班 學(xué)號(hào) 2011011308 指導(dǎo)教師姓名： 職稱 教授 職稱 工程師 最終評(píng)定成績 2015年6月 北京科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 摘

2、 要三維軌道定位裝置結(jié)構(gòu)及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)是一種空間三維移動(dòng)高精度定位的裝置，他在倉儲(chǔ)、工地、工廠等作業(yè)地都有廣泛的應(yīng)用。本課題主要針對(duì)倉儲(chǔ)作業(yè)地進(jìn)行設(shè)計(jì)，我國傳統(tǒng)的倉儲(chǔ)形式是運(yùn)用天車來實(shí)現(xiàn)的，進(jìn)行空間三維的移動(dòng)，但天車實(shí)現(xiàn)了空間三維的移動(dòng)，并不進(jìn)行精度的要求，位移的檢測，而三維軌道定位裝置不僅完成了空間三維的移動(dòng)，而且具有高精度的位置檢測，可以實(shí)現(xiàn)空間三維高精度任一點(diǎn)的移動(dòng)，配合上控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)智能化管理、自動(dòng)化運(yùn)輸，減少了勞力，提高了操作性。本課題主要從三維軌道定位裝置結(jié)構(gòu)的三個(gè)方向移動(dòng)來進(jìn)行設(shè)計(jì)，針對(duì)三個(gè)方向的定位裝置進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析、結(jié)構(gòu)布局、電機(jī)選擇、傳動(dòng)方式、控制系統(tǒng)等進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過仿真軟

3、件仿真校核。關(guān)鍵詞：三維軌道，定位裝置，電控系統(tǒng)，檢測裝置ABSTRACTThe structure and control system design of 3D orbit positioning device is a device of spatial 3D moving high precision positioning. He has extensive application in storage, construction, factory and so on.This topic mainly for warehousing homework design, Chinese

4、 traditional form of storage is by using the crane to achieve and space 3D mobile, but crane realized three-dimensional mobile, not accuracy requirements, displacement detection, and 3D orbit positioning device not only completed the three-dimensional space of the mobile, but also has high precision

5、 position detection, mobile 3D high accuracy at any point can be achieved, with control system, to realize the intelligent management and transportation automation, reduce labor, improve the interoperability.This paper mainly from the 3D orbit positioning device structure of three direction to carry

6、 on the design, for three direction positioning device for structure analysis, structure layout, motor selection, transmission, control system design, through the simulation software simulation and verification.Keywords:3 d orbital, positioning device, electric control system，Detection device目 錄摘 要I

7、ABSTRACTII第1章 緒論11.1 三維軌道定位裝置的簡介11.2三維軌道定位裝置的發(fā)展趨勢11.3三維軌道定位裝置的研究狀況11.3.1三維精密位移系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及工作原理11.4三維軌道定位裝置的研究意義21.5課題研究的內(nèi)容及意義21.6課題設(shè)計(jì)的主要參數(shù)21.7本章小結(jié)3第2章 三維軌道定位裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及校核42.1 Z方向移動(dòng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)42.1.1 方案一42.1.2方案二42.1.3方案對(duì)比52.1.4 Z方向行程4m的滾珠絲杠的選型52.1.5伺服電機(jī)的選型112.1.6聯(lián)軸器的設(shè)計(jì)122.1.7主從動(dòng)齒輪的設(shè)計(jì)122.1.8齒輪軸的設(shè)計(jì)152.1.9 Z方向行程5m的滾珠絲

8、杠的選型152.1.10 Z方向5m伺服電機(jī)的選型182.1.11聯(lián)軸器的選擇182.1.12 Z方向5m主從動(dòng)齒輪的設(shè)計(jì)182.1.13 Z方向5m齒輪軸的設(shè)計(jì)202.2 X方向的移動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)212.2.1方案一212.2.2方案二212.2.3方案對(duì)比222.2.4三相異步電機(jī)選擇222.2.5主動(dòng)齒輪的設(shè)計(jì)222.2.6齒輪軸的設(shè)計(jì)242.2.7聯(lián)軸器的選擇242.2.8齒條的設(shè)計(jì)242.3 Y方向的移動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)252.3.1方案一252.3.2方案二252.3.3方案對(duì)比262.3.4三相異步電機(jī)的選擇262.3.5主動(dòng)齒輪的設(shè)計(jì)262.3.6齒輪軸的設(shè)計(jì)282.3.7聯(lián)軸器的選擇28

9、2.4本章小結(jié)28第3章 PLC電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)293.1 電控系統(tǒng)概述293.2 PLC的選型293.3 PLC的I/O端子分配293.4 PLC外部接線303.5 PLC軟件設(shè)計(jì)323.5.1 功能流程323.5.2順序功能圖323.5.3梯形圖的設(shè)計(jì)343.5.4控制面板的設(shè)計(jì)343.6本章小結(jié)35第4章 電控系統(tǒng)的調(diào)試及仿真364.1仿真方案364.2仿真調(diào)試364.3本章小結(jié)39結(jié) 論41參考文獻(xiàn)42附 錄43致 謝52III 長沙學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第1章 緒論1.1 三維軌道定位裝置的簡介三維軌道定位裝置是運(yùn)用于傳統(tǒng)倉庫上的自動(dòng)抓取物料的設(shè)備，它將先進(jìn)控制技術(shù)與傳統(tǒng)的行車合理的結(jié)合起來

10、，運(yùn)用自動(dòng)化控制技術(shù)控制對(duì)應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)作，讓立體化倉存自動(dòng)化、操作更加簡便、高層更為合理，大大降低的存放難度和工人的勞動(dòng)強(qiáng)度且使用簡便，擁有光明的應(yīng)用前景。1.2三維軌道定位裝置的發(fā)展趨勢目前我國的傳統(tǒng)倉儲(chǔ)業(yè)核心競爭力以實(shí)現(xiàn)倉儲(chǔ)業(yè)功能升級(jí)與業(yè)務(wù)模式轉(zhuǎn)換。這實(shí)質(zhì)上是一項(xiàng)需要長時(shí)間轉(zhuǎn)變的革命，在此過程中，國內(nèi)傳統(tǒng)倉儲(chǔ)業(yè)面臨的難題主要是怎樣從一個(gè)粗放型、擴(kuò)張型的初級(jí)倉儲(chǔ)系統(tǒng)過渡到一個(gè)實(shí)施精細(xì)化操作，滿足客戶需求以及達(dá)到反應(yīng)靈敏，高效，與客戶價(jià)值進(jìn)行高度耦合的高級(jí)倉儲(chǔ)系統(tǒng)。1.3三維軌道定位裝置的研究狀況傳統(tǒng)的倉儲(chǔ)是以提高存儲(chǔ)效率為核心存儲(chǔ)型倉儲(chǔ)管理模式，且操作難度高，提高了成本。國內(nèi)現(xiàn)在用的三維軌

11、道定位機(jī)械類似的的結(jié)構(gòu)是橋式起重機(jī)，是一種架設(shè)在高架軌道上可以移動(dòng)的橋式起重機(jī)中的一類，利用架橋下面的有效空間來運(yùn)送物料，不受地面障礙物的影響。1.3.1三維精密位移系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及工作原理 圖1.1 三維精密裝置原理圖工作原理：如圖1.1，交流伺服電機(jī)通過聯(lián)軸節(jié)驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠帶動(dòng)執(zhí)行部件運(yùn)作，把伺服電機(jī)的旋轉(zhuǎn)換成執(zhí)行部件的直線運(yùn)動(dòng)，當(dāng)某一方向的直線運(yùn)動(dòng)到達(dá)某一點(diǎn)時(shí)，當(dāng)伺服電機(jī)旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度跟著發(fā)出對(duì)應(yīng)數(shù)量脈沖，和PLC發(fā)出的脈沖相對(duì)應(yīng)，形成閉環(huán)，以此來保證他所運(yùn)動(dòng)的精度，同時(shí)位移的檢測也可通過壓電陶瓷位位移器先將微位移信號(hào)轉(zhuǎn)變成電信號(hào)，電信號(hào)頻率的一個(gè)周期等于一個(gè)莫爾條紋，及對(duì)應(yīng)光柵移動(dòng)的一個(gè)柵距，

12、這樣計(jì)算電信號(hào)的周期數(shù)就可用得到微位移的數(shù)據(jù)，達(dá)到更高精度的定位。1.4三維軌道定位裝置的研究意義三維軌道定位裝置使倉儲(chǔ)自動(dòng)化，物料搬運(yùn)更合理，為企業(yè)后續(xù)發(fā)展節(jié)約資金，騰出了額外的資本，高精度、快捷的反應(yīng)速度特點(diǎn)也為企業(yè)在生產(chǎn)中縮短了時(shí)間，降低了成本、廢品率。高效的配運(yùn)、倉儲(chǔ)，加快了企業(yè)的運(yùn)營速度，稅收的提高也為社會(huì)福利做出了一份貢獻(xiàn)。1.5三維軌道定位裝置研究的內(nèi)容及意義研究內(nèi)容主要集中在這幾個(gè)方面：三維軌道定位裝置的X-Y-Z移動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、定位裝置設(shè)計(jì)、電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，電氣系統(tǒng)的仿真。X-Y-Z移動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)：實(shí)現(xiàn)X-Y-Z三個(gè)方向的移動(dòng)，同時(shí)三個(gè)方向的移動(dòng)互不干涉。定位裝置的設(shè)計(jì)：選用

13、合理的驅(qū)動(dòng)元件，運(yùn)用合理的定位方式，使X-Y-Z方向的移動(dòng)精度不大于±1cm，驅(qū)動(dòng)元件的最小承受能力不小于20kg。電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)：運(yùn)用工業(yè)生產(chǎn)中廣泛用到的PLC，進(jìn)行編程控制，抗干擾能力強(qiáng)、通用性和適用性強(qiáng)、系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)試工作量少的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)X-Y-Z方向移動(dòng)的控制。電氣系統(tǒng)的仿真：通過GX軟件和PLC進(jìn)行仿真看是否能達(dá)到設(shè)計(jì)要求，直到達(dá)到效果，否則繼續(xù)進(jìn)行修改。1.6課題設(shè)計(jì)的主要參數(shù)Y方向長度27m，行程19m，勻速行駛16m。X方向長度17m，行程12.5m，勻速行駛9m。Z方向長度13m，行程9m，勻速行駛6m。三方向允許誤差1cm。最高速度0.1m/s，最低速度0

14、.01m/s。1.7本章小結(jié)通過中國知識(shí)網(wǎng)找尋大量相關(guān)資料，對(duì)本課題進(jìn)行初步認(rèn)識(shí)，并針對(duì)相關(guān)結(jié)構(gòu)擬定初步方案。第2章 三維軌道定位裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及校核2.1 Z方向移動(dòng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)2.1.1 方案一運(yùn)用車床的傳動(dòng)方式，來設(shè)計(jì)Z方向的運(yùn)動(dòng)方式，伺服電機(jī)通過聯(lián)軸器帶動(dòng)滾珠絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)，經(jīng)滾珠螺母固定與螺母座，在與工作臺(tái)連接，將電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變?yōu)楣ぷ髋_(tái)的上下運(yùn)動(dòng)，創(chuàng)建絲桿長度10m的移動(dòng)結(jié)構(gòu)，如圖2.1所示。圖2.1 Z方向的運(yùn)動(dòng)方式圖2.1.2方案二運(yùn)用車床的傳動(dòng)方式，來設(shè)計(jì)Z方向的運(yùn)動(dòng)方式，伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)聯(lián)軸器帶動(dòng)滾珠絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)，通過滾珠螺母與螺母座連接，在與工作臺(tái)連接，將電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變?yōu)楣ぷ髋_(tái)的上下運(yùn)

15、動(dòng)，在設(shè)計(jì)過程中，Z方向總高度13m，移動(dòng)距離得有9m，因此把Z方向移動(dòng)分成2次移動(dòng)，第一次最大行程4m，第二次最大行程5m。如圖2.2所示。圖2.2 Z方向的運(yùn)動(dòng)方式圖2.1.3方案對(duì)比方案一中，絲桿長度太長，精度配置要求更高，且運(yùn)行時(shí)誤差增長變化大，成本也高，在運(yùn)動(dòng)時(shí)。留出的垂直空間小，導(dǎo)致可行性低。方案二中，將Z方向的移動(dòng)分解成2段，縮短了絲桿長度，同時(shí)運(yùn)行時(shí)誤差增長相對(duì)小，且留出的空間大，可行性高。經(jīng)過對(duì)比，方案二明顯比方案一更具有可行性，選用方案二。2.1.4 Z方向行程4m的滾珠絲杠的選型（1）使用條件載荷 工作臺(tái)選用材料40CR，密度0.782cm³，長度260mm,寬

16、度260mm，厚度40mm。吊鉤選用材料40CR，密度0.872cm³，長度230mm，圓度24mm。工件重量m3=30Kg。工作臺(tái)重量： （2.1） （2.2）鐵鉤重量由公式2.1、2.2： 載荷： 工作行程運(yùn)行速度精度（2）精度等級(jí)的選定精度等級(jí)從地方不同等級(jí)精度劃分不同，按國家標(biāo)準(zhǔn)GBT 17587.3-1998，滾珠絲杠副的精度等級(jí)分為7個(gè)等級(jí)，1、2、3、4、5、7、10等7個(gè)等級(jí)，分別與代號(hào)P1、P2、P3、P4、P5、P7、P10對(duì)應(yīng)。不同國家等級(jí)精度代號(hào)不同。精度等級(jí)選定方法根據(jù)滾珠絲杠的場合所需精度要求按照長度，有日本THK公司滾珠絲桿機(jī)構(gòu)精度等級(jí)-導(dǎo)成誤差表計(jì)算導(dǎo)

17、成累積誤差，選擇軋制滾珠絲桿或磨制滾珠絲杠，選用最實(shí)用的精度。有公式得： （2.3）：滾珠絲杠誤差；L：滾珠絲杠工作行程；：換算每300mm后的誤差。數(shù)據(jù)帶入公式得：因此選用軋制滾珠絲杠、精度等級(jí)C8，導(dǎo)成誤差±0.1mm/300mm。因?yàn)楣ぷ餍谐虨?000mm，誤差為±10mm，換算為每300mm所需要的誤差：（3）導(dǎo)程計(jì)算與選定導(dǎo)成方向采用滾珠絲桿標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)成方向，選用右旋。導(dǎo)程的計(jì)算與選定方法根據(jù)導(dǎo)成定義有公式： （2.4）Nm：電機(jī)轉(zhuǎn)速r/min；Vma×：最大移動(dòng)速度m/s；PB：滾珠絲桿導(dǎo)成mm；i：傳動(dòng)比。由數(shù)據(jù)：所以得：因此選用絲桿導(dǎo)成2.4mm的絲桿

18、。（4）滾珠絲桿支撐方式選定由Vmax=100mm/s，工作行程為4000mm，精度較高。所以選一端固定、一端支撐的方式。（5）絲桿外徑選定與校核初選絲桿外徑選用絲桿PB=12mm絲桿外徑為40mm。計(jì)算最大軸向載荷根據(jù)力學(xué)原理，可知各種工況下的軸向載荷為：加速前進(jìn)： （2.5）等速前進(jìn)： （2.6）減速前進(jìn)： （2.7）加速返回： （2.8）等速返回： （2.9）減速返回： （2.10）F1-F6：各運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的軸向載荷，N；m：工作總質(zhì)量，kg；a：滑塊運(yùn)動(dòng)的加速度，m/s2；u：直線導(dǎo)輪副的摩擦系數(shù)；f：導(dǎo)輪無載荷時(shí)的運(yùn)行阻力。最大載荷：u取0.02,加速行程0.5m，最大速度0.1m。

19、由公式 （2.11）那么a=0.01m/s 所以軸向允許載荷計(jì)算及校核由公式： （2.12） P1：最大軸向載荷，N；E：楊氏彈性模量（E=2.06×105N/mm4）L：絲桿安裝間距，mm；dr：絲桿溝槽最小直徑，mm；J：絲桿斷面與轉(zhuǎn)動(dòng)慣量參數(shù)，J=/64×dr4，mm；n1、n2：安裝方式的有關(guān)參數(shù)，見表2.1。 表2.1 絲桿安裝方式系數(shù)n1、n2絲桿安裝方式n1n2絲桿安裝方式n1n2固定-固定420支撐-支撐15固定-支撐210固定-自由0.251.2因安裝方式一端固定、一端支撐：得：絲桿安裝間距：絲桿溝槽直徑：所以：FP1合格。（6）絲桿在不發(fā)生屈服現(xiàn)象時(shí)最大

20、允許軸向載荷計(jì)算由公式： （2.13）P2：最大軸向允許載荷，N；dr：絲桿溝槽最小直徑，mm；：絲桿材料允許拉伸壓縮應(yīng)力（=147N/mm2）。所以：FP2合格。（7）絲桿允許轉(zhuǎn)速計(jì)算機(jī)校核絲桿臨界轉(zhuǎn)速由公式： （2.14） n1：臨界轉(zhuǎn)速，r/min；E：楊氏彈性模量（E=2.06×105N/mm2）；L：絲桿安裝間距，mm；J：絲桿斷面和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量相關(guān)參數(shù)，J=dr4/64，mm4；dr：絲桿溝槽最小直徑，mm；P：絲桿材料密度（7.8×10-6Kg/mm3）；A：絲桿溝槽最小直徑截面面積，A=dr4，mm；f、：見表2.2。表2.2 不同固定方式下f、的值絲桿安裝方式

21、f絲桿安裝方式f固定-固定21.94.73支撐-支撐9.7固定-支撐15.13.927固定-自由3.41.875 絲桿最高轉(zhuǎn)速：絲桿最高轉(zhuǎn)速： （2.15） NmaxN1 合格。（8）壽命計(jì)算及校核有公式： （2.16） （2.17）Lr：總轉(zhuǎn)速表示的額定疲勞強(qiáng)度，r；Lh：運(yùn)行時(shí)間表示的疲勞壽命，h；Ca：螺母額定動(dòng)載荷，N；Fa ：軸向載荷，N；N：絲桿轉(zhuǎn)速，r/min；Pb：絲桿導(dǎo)成，mm；n：工作臺(tái)每分鐘來回次數(shù)，次/min；ls ：工作臺(tái)行程，mm；fw：負(fù)荷系數(shù)，見表2.3。表2.3 負(fù)荷系數(shù)fw振動(dòng)、沖擊運(yùn)行速度fw振動(dòng)、沖擊運(yùn)行速度fw微小微速（v0.25）1-1.2中等中等（

22、1v2）1.5-2低速（0.25v1）1.2-1.5大高速（v2）2-3.5因此fw取1.2。（9）剛度計(jì)算及驗(yàn)證由公式： (2.18)E：楊氏彈性模量（E=2.06×105N/mm2)；A：絲桿溝槽最小直徑所在截面面積，A=dr2/4；L：絲桿安裝間距，mm；Dr：絲桿溝槽最小直徑，mm。所以：型號(hào)FFZZD33210-3絲桿剛度Kc=772N/mmKcKs 合格。2.1.5伺服電機(jī)的選型轉(zhuǎn)速的計(jì)算電機(jī)轉(zhuǎn)速必須大于負(fù)載最高轉(zhuǎn)速，有公式： (2.19)所以電機(jī)扭矩要求伺服電機(jī)最大輸出扭矩必須大于4.73N.m；電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的要求伺服電機(jī)最大轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大于3.39×10-4

23、Kg.m2。查看130系列伺服電機(jī)選擇EDSMT-2T130-150B,額定功率3.8KW，額定轉(zhuǎn)速2500r/min,額定力矩15N.m,轉(zhuǎn)子慣量0.88×10-3Kg.m2,（帶制動(dòng)器）。2.1.6聯(lián)軸器的設(shè)計(jì)由公式： （2.20）得：由機(jī)械設(shè)計(jì)表（14-1）查的KA的=1.3，故轉(zhuǎn)矩為選用GB/T 5843-2003 中選擇型號(hào)GY6，許用轉(zhuǎn)矩900N.m的凸緣聯(lián)軸器。2.1.7主從動(dòng)齒輪的設(shè)計(jì)(1)主齒輪參數(shù)選擇模數(shù)M=2.5，齒數(shù)Z=14,螺旋角=0°。(2)主齒輪幾何尺寸的確定齒頂高（mm）由公式： （2.21）齒根高（mm）由公式： （2.22）齒頂圓直徑（m

24、m）由公式： （2.23）齒根圓直徑（mm）由公式： （2.24）分度圓直徑（mm）由公式： （2.25）(3)主從齒輪齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算接觸疲勞強(qiáng)度應(yīng)力計(jì)算由機(jī)械原理圖（10.25d）得：由公式： （2.26）得： 由機(jī)械原理（圖10-23）查的KHN1=0.9、KHN2=0.95。由公式： (2.27)得：取=520MPa。實(shí)際載荷系數(shù)確定由公式： (2.28)：載荷系數(shù)；：使用系數(shù)；：動(dòng)載系數(shù)；：齒間載荷分配系數(shù)；：齒向載荷分布系數(shù)；由機(jī)械原理上表10-2、10-3、10-4，圖10-8得。(4)主從動(dòng)輪齒面接觸疲勞強(qiáng)度校核由公式： （2.29）由公式： （2.30）所以有：那么：Pa

25、合格。（5）從動(dòng)輪的幾何尺寸傳動(dòng)比為4，因此從動(dòng)輪模數(shù)m=2.5，齒數(shù)z=56，壓力角=20°。螺旋角=0°。齒頂圓直徑（mm）:齒根圓直徑（mm）:分度圓直徑（mm）:2.1.8齒輪軸的設(shè)計(jì)因基園直徑db很小，齒輪采用20MnCr5材料并滲碳淬火。得：=1100MPa=850Mpa=525MPa=300MPa由公式： (2.31)彎曲疲勞強(qiáng)度校核由公式： (2.32)那么：由公式： (2.33)那么：因此選擇齒輪軸直徑D=50mm。2.1.9 Z方向行程5m的滾珠絲杠的選型（1）使用條件載荷 工作臺(tái)選用材料40CR，密度0.782cm³，長度260mm,寬度26

26、0mm，厚度40mm。吊鉤選用材料40CR，密度0.872cm³，長度230mm，圓度24mm。工件重量M3=30Kg。機(jī)座選用材料40CR密度0.782cm³，長度5000mm,寬度250mm，厚度60mm。工作臺(tái)重量由公式2.1、2.2得：鐵鉤重量由公式2.2、2.2得： 機(jī)座重量：載荷： 工作行程運(yùn)行速度精度（2）精度等級(jí)的選定由表2.1、公式2.3得：因?yàn)?。因此選用軋制滾珠絲杠、精度等級(jí)C8，導(dǎo)成誤差±0.1mm/300mm。（3）導(dǎo)程計(jì)算與選定導(dǎo)成方向選用右旋，由公式（2.4）得：因此選用絲桿導(dǎo)成2mm的絲桿。（4）滾珠絲桿支撐方式選定由Vmax=100

27、mm/s，工作行程為5000mm，精度較高。所以選一端固定、一端支撐。（5）絲桿外徑選定與校核初選絲桿外徑由日本TNT軋制滾珠絲桿外徑與導(dǎo)成標(biāo)準(zhǔn)組合表中。選用絲桿PB=12mm絲桿外徑為40mm。計(jì)算最大軸向載荷由公式（2.5）已知由公式（2.11）得所以（6）軸向允許載荷計(jì)算及校核由公式（2.12）、表2.2得：FP1合格。絲桿在不發(fā)生屈服現(xiàn)象時(shí)最大允許軸向載荷計(jì)算由公式（2.13）得：FP2合格。（7）絲桿允許轉(zhuǎn)速計(jì)算機(jī)校核絲桿臨界轉(zhuǎn)速由公式（2.14）、表2.3得：絲桿臨界轉(zhuǎn)速：絲桿最高轉(zhuǎn)速由公式（2.15）得： NmaxN1 合格。（8）壽命計(jì)算及校核由公式（2.16）、（2.17）、

28、表2.4得：（9）剛度計(jì)算及驗(yàn)證由公式（2.18）得：型號(hào)FFZZD33210-3絲桿剛度Kc=772N/mmKcKs 合格。2.1.10 Z方向5m伺服電機(jī)的選型轉(zhuǎn)速的計(jì)算由公式（2.19）得：電機(jī)扭矩要求伺服電機(jī)最大輸出扭矩一定大于5N.m。電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的要求伺服電機(jī)最大轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大于1×10-3Kg.m2。查看130系列伺服電機(jī)選擇EDSMT-2T130-150B,額定功率3.8KW，額定轉(zhuǎn)速2500r/min,額定力矩15N.m,轉(zhuǎn)子慣量0.88×10-3Kg.m2,（帶制動(dòng)器）。2.1.11聯(lián)軸器選擇由公式（2.20）得所以選擇凸輪聯(lián)軸器（GB/T 5843-2

29、003)中的GYS2型聯(lián)軸器，額定轉(zhuǎn)矩63N.m。2.1.12 Z方向5m主從動(dòng)齒輪的設(shè)計(jì)(1)主齒輪參數(shù)選擇模數(shù)m=2.5，齒數(shù)Z=11,螺旋角=0°。(2)主齒輪幾何尺寸的確定齒頂高（mm）由公式(2.21)：齒根高（mm）由公式(2.22)：齒頂圓直徑（mm）由公式(2.23)：齒根圓直徑（mm）由公式(2.24)：分度圓直徑（mm）由公式(2.25)：（3)主從齒輪齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算接觸疲勞強(qiáng)度需用應(yīng)力計(jì)算由機(jī)械原理圖（10.25d）得：由公式(2.26)：得： 由機(jī)械原理（圖10.23）查的KHN1=0.9、KHN2=0.95。由公式（2.27）：得：取=320MPa。實(shí)

30、際載荷系數(shù)的確定由公式公式（2.28）：由機(jī)械原理上表10.2、10.3、10.4，圖10.8得。(4)主從動(dòng)輪齒面接觸疲勞強(qiáng)度的校核由公式（2.29）：由公式（2.30）：所以因此=60.64MPa合格。（5）從動(dòng)輪的幾何尺寸傳動(dòng)比為5，因此從動(dòng)輪模數(shù)m=2.5，齒數(shù)z=56，壓力角=20°。螺旋角=0°。齒頂圓直徑(mm):齒根圓直徑(mm):分度圓直徑(mm):2.1.13 Z方向5m齒輪軸的設(shè)計(jì)因基園直徑db很小，齒輪采用20MnCr5材料并滲碳淬火。查表得：由公式： (2.31)彎曲疲勞強(qiáng)度校核由公式： （2.32）那么 （2.33）那么因此選擇齒輪軸直徑D=50

31、mm。2.2 X方向的移動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)2.2.1方案一用伺服電機(jī)帶動(dòng)絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)，通過滾珠螺母、滾珠螺母座將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)改為工作臺(tái)橫向運(yùn)動(dòng)。如圖2.3：圖2.3 將旋轉(zhuǎn)改為橫向位移的結(jié)構(gòu)2.2.2方案二用三相異步電機(jī)通過齒輪與齒輪、齒輪與齒條傳動(dòng)將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變?yōu)檐囕喌臐L動(dòng)。如圖2-4： 1-螺栓 2-軸 3-螺釘 4-軸承蓋 5-密封圈6-軸承 7-車輪 8-工字鋼 9-齒條10-異步電機(jī) 11-齒輪 12-聯(lián)軸器圖2.4 車輪滾動(dòng)橫移方式2.2.3方案對(duì)比方案一結(jié)構(gòu)簡單，且能滿足精度要求，方案二結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，因齒輪嚙合精度會(huì)隨磨損變化，精度不好控制，但方案一絲桿長度沒有13米的，得弄成2斷，中間用聯(lián)軸器連接

32、，控制不好控制，因此結(jié)合實(shí)際，還是方案二可行。選用方案二。2.2.4三相異步電機(jī)選擇選用型號(hào)YZR132M1-6的三相異步電機(jī)，YZR系列，機(jī)座中心高132mm，中機(jī)座，級(jí)數(shù)等級(jí)6，轉(zhuǎn)速1000r/min。2.2.5主動(dòng)齒輪的設(shè)計(jì)（1）主齒輪參數(shù)選擇模數(shù)m=2.5，齒數(shù)Z=56,螺旋角=0°。（2）主齒輪幾何尺寸的確定齒頂高（mm）由公式(2.19)：齒根高（mm）由公式(2.20)：齒頂圓直徑（mm）由公式(2.21)：齒根圓直徑（mm）由公式(2.22)：分度圓直徑（mm）由公式(2.23)：（3）主齒輪齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算接觸疲勞強(qiáng)度需用應(yīng)力計(jì)算由機(jī)械原理圖（10.25d）得：

33、由公式(2.26)：得： 由機(jī)械原理（圖10.23）查的KHN1=0.9。由公式（2.27）：得：（4）實(shí)際載荷系數(shù)的確定由公式公式（2.28）：由機(jī)械原理上表10.2、10.3、10.4，圖10.8得：（5）主從動(dòng)輪齒面接觸疲勞強(qiáng)度的校核由公式（2.29）：由公式（2.30）：所以：因此：=80MPa合格。2.2.6齒輪軸的設(shè)計(jì)因基園直徑db很小，齒輪選用20MnCr5材料并滲碳淬火。查表得：由公式2.31得：彎曲疲勞強(qiáng)度校核由公式2.32得：由公式2.33得：因此選擇齒輪軸直徑D=50mm。2.2.7聯(lián)軸器的選擇由公式（2.20）得：所以選用凸輪聯(lián)軸器（GB/T 5843-2003)中的G

34、YS2型聯(lián)軸器，額定轉(zhuǎn)矩63N.m。2.2.8齒條的設(shè)計(jì)因?yàn)楦X輪嚙合，所以模數(shù)m=2.5，傳動(dòng)比L=1。主要尺寸如下：斷面壓力角：法面齒距：齒頂高（mm）由公式(2.21)：齒根高（mm）由公式(2.22)：齒頂高系數(shù)：法面頂隙系數(shù)：2.3 Y方向的移動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)2.3.1方案一用伺服電機(jī)帶動(dòng)絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)，將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變?yōu)闄M向運(yùn)動(dòng)，同過滾珠螺母與螺母座、工作臺(tái)三者之間的連接實(shí)現(xiàn),如圖2.5。 圖2.5 伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)Y方向絲桿傳動(dòng)方案2.3.2方案二用三相異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過減速箱減速,經(jīng)聯(lián)軸器帶動(dòng)車輪軸轉(zhuǎn)動(dòng)使車輪轉(zhuǎn)動(dòng)。如圖2.6。1-連接板 2-聯(lián)軸器 3-鍵 4-工字鋼 5-軸承蓋6-螺釘 7-軸承

35、 8-密封圈 9-軸 10-車輪11-螺栓 12-減速器 13-異步電機(jī)圖2.6 ZER驅(qū)動(dòng)Y方向傳動(dòng)方案2.3.3方案對(duì)比與X方向傳動(dòng)優(yōu)缺點(diǎn)一樣，選用方案二。2.3.4三相異步電機(jī)選擇選型號(hào)YZR132M1-6的三相異步電機(jī)，YZR系列，機(jī)座中心高132mm，中機(jī)座，級(jí)數(shù)6。2.3.5主動(dòng)齒輪的設(shè)計(jì)（1）主齒輪參數(shù)選擇模數(shù)m=2.5，齒數(shù)Z=56,螺旋角=0°。（2）主齒輪幾何尺寸的確定齒頂高（mm）由公式(2.19)：齒根高（mm）由公式(2.20)：齒頂圓直徑（mm）由公式(2.21)：齒根圓直徑（mm）由公式(2.22)：分度圓直徑（mm）由公式(2.23)：(3)主齒輪齒面

36、接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算接觸疲勞強(qiáng)度需用應(yīng)力計(jì)算由機(jī)械原理圖（10.25d）得：由公式(2.26)：得： 由機(jī)械原理（圖10.23）查的KHN1=0.9。由公式（2.27）：得：（4）實(shí)際載荷系數(shù)的確定由公式（2.28）：由機(jī)械原理上表10.2、10.3、10.4，圖10.8得。（5）主動(dòng)輪齒面接觸疲勞強(qiáng)度校核由公式（2.29）：由公式（2.30）：所以因此：=80MPa合格。2.3.6齒輪軸的設(shè)計(jì)與X方向選擇方式一樣，選擇齒輪軸直徑D=36mm。2.3.7聯(lián)軸器的選擇由公式（2.20）得所以選擇凸輪聯(lián)軸器（GB/T 5843-2003)中的GY2型聯(lián)軸器，額定轉(zhuǎn)矩63N.m。2.4本章小結(jié)本章對(duì)三維

37、軌道定位裝置進(jìn)行了三個(gè)方向的分解設(shè)計(jì)，逐一對(duì)每個(gè)方向進(jìn)行方案對(duì)比，選取方案，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，校核。設(shè)計(jì)合理三方向的結(jié)構(gòu)圖。第3章 PLC電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.1 電控系統(tǒng)概述設(shè)計(jì)要求物料可以移動(dòng)到X方向任意位置，精度為10mm。設(shè)定PLC輸入一個(gè)指令脈沖，工作臺(tái)位移1mm，因?yàn)榫?0mm，要到達(dá)任意位置，因此設(shè)定4個(gè)按鍵，分別控制1mm、10mm、100mm、1000mm的位移量，達(dá)到精度1mm的位移即可。3.2 PLC的選型控制方式共需要24個(gè)輸入端口，8個(gè)輸出端口，因此選用64位PLC，如圖3.1。圖3.1 FX2N-64MR外形圖3.3 PLC的I/O口分配點(diǎn)控按鈕16個(gè)，位置開關(guān)8個(gè)。

38、理清所需控制功能，將每部功能對(duì)應(yīng)成代號(hào)，一個(gè)代號(hào)對(duì)應(yīng)一個(gè)功能，接入一個(gè)輸入口，根據(jù)功能需要控制輸出接口的導(dǎo)通，再根據(jù)這樣來控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，通過這樣的功能控制來控制物料的三維移動(dòng)，用電控的方式來控制他的所需精度。I/O分配見表3.1。表3.1 I/O分配表輸 入輸 出代號(hào)功能輸入口代號(hào)功能輸出口SB1左位移1mmX01YAZ1正傳Y0SB2左位移10mmX12YAZ1反轉(zhuǎn)Y1SB3左位移100mmX23YAz2正傳Y2SB4左位移1mX34YAz2反轉(zhuǎn)Y3SB5右位移1mmX45YAx正傳Y4SB6右位移10mmX56YAx反轉(zhuǎn)Y5SB7右位移100mmX67YAy正轉(zhuǎn)Y6SB8右位移1mX7

39、8YAy反轉(zhuǎn)Y7SB9停止X10SQ1z1行程左極限X11SQ2z1行程右極限X12SQ3z1初始位置X13SQ4z2行程左極限X14SQ5z2行程右極限X15SQ6z2初始位置X16SQ7x行程左極限X17SQ8x行程右極限X20SQ9x初始位置X21SQ10y行程左極限X22SQ11y行程右極限X23SQ12y初始位置X24SB10z1行程復(fù)位X25SB11z2行程復(fù)位X26SB12x行程復(fù)位X27SB13y行程復(fù)位X30SB14z位置控制輸入X31SB15x位置控制輸入X32SB16y位置控制輸入X33SB17z1位置控制輸入X34SB18z2位置控制輸入X353.4 PLC外部接線PL

40、C的I/O口接線如圖3.2所示。通過控制輸入按鍵控制輸出的五個(gè)電機(jī)正反轉(zhuǎn)所轉(zhuǎn)角度，來控制他的位移量，本設(shè)計(jì)主要控制1mm，10mm，100,1000mm四個(gè)位移量，按對(duì)應(yīng)的鍵控制對(duì)應(yīng)的位移量。圖3.2 PLC外部接線圖3.5 PLC軟件設(shè)計(jì)3.5.1 功能流程三維軌道定位裝置程序流程圖如圖3.3：圖3.3 程序流程圖3.5.2順序功能圖PLC通電后，用繼電器M8002初始化系統(tǒng)。通過按不同的鍵進(jìn)行不同的操作，如圖3.4、圖3.5、圖3.6所示：通過按鍵對(duì)應(yīng)進(jìn)行下一狀態(tài)的STL程序來完成控制，寫好順序功能圖后，根據(jù)它來編寫程序就更簡便了，在功能圖里必須實(shí)現(xiàn)所由控制要求，不然會(huì)讓控制出錯(cuò)。 圖3.

41、4 Z方向控制的順序功能圖圖3.5 X方向控制的順序功能圖圖3.6 Y方向控制的順序功能圖3.5.3梯形圖的設(shè)計(jì)根據(jù)流程圖與功能圖寫出梯形圖，見附錄。3.5.4控制面板的設(shè)計(jì)根據(jù)I/O端口分配，需要按鍵的數(shù)量，畫出控制面板圖，如圖3.7。圖3.7 控制面板圖3.6本章小結(jié)本章主要完成電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)，用PLC進(jìn)行控制，將I/O口分配，根據(jù)流程圖、功能圖寫出程序，接線圖。第4章 電控系統(tǒng)的調(diào)試及仿真4.1仿真方案用GX軟件編寫程序，并進(jìn)行仿真。4.2仿真調(diào)試動(dòng)作預(yù)期如下表4.1。表4.1 輸入輸出效果圖輸入輸出預(yù)期效果仿真圖X31、X34、X0Y0Z1正轉(zhuǎn)圖4.1X31、X34、X4Y1Z1反轉(zhuǎn)圖4

42、.2X31、X35、X0Y2Z2正轉(zhuǎn)圖4.3X31、X35、X4Y3Z2反轉(zhuǎn)圖4.4X32、X0Y4X正轉(zhuǎn)圖4.5X32、X4Y5X反轉(zhuǎn)圖4.6X33、X0Y6Y正轉(zhuǎn)圖4.7X33、X4Y7Y反轉(zhuǎn)圖4.8X31、X25Y0Z1正轉(zhuǎn)圖4.9X31、X26Y1Z2正轉(zhuǎn)圖4.10X32、X27Y4X正轉(zhuǎn)圖4.11X33、X30Y6Y正轉(zhuǎn)圖4.12仿真結(jié)果如圖：圖4.1 Z1正轉(zhuǎn)的時(shí)序圖與按鍵圖圖4.2 Z2反轉(zhuǎn)按鍵圖與時(shí)序圖圖4.3 Z2正轉(zhuǎn)按鍵圖與時(shí)序圖圖4.4 Z2反轉(zhuǎn)按鍵圖與時(shí)序圖圖4.5 X正轉(zhuǎn)按鍵圖與時(shí)序圖圖4.6 X反轉(zhuǎn)按鍵圖與時(shí)序圖圖4.7 Y正轉(zhuǎn)按鍵圖與時(shí)序圖圖4.8 Y反轉(zhuǎn)按鍵圖與

43、時(shí)序圖圖4.9 Z1復(fù)位圖4.10 Z2復(fù)位圖4.11 X復(fù)位圖4.12 Y復(fù)位仿真結(jié)果跟預(yù)計(jì)的一樣，因此程序正確，可以運(yùn)用。4.3本章小結(jié)通過GX軟件將程序編入，通過GX里的調(diào)試仿真功能進(jìn)行調(diào)試仿真并修改，直到無誤為此，畫出輸入、輸出預(yù)計(jì)結(jié)果表，與仿真進(jìn)行對(duì)比，看是否一樣，并修改到一樣。仿真完成，與預(yù)計(jì)一樣，說明本系統(tǒng)可用。結(jié) 論三維軌道定位裝置主要從三個(gè)方向的移動(dòng)與定位精度來設(shè)計(jì)，通過PLC脈沖輸入來控制三個(gè)方向的位移，在倉儲(chǔ)的應(yīng)用上，提高了效率、精度的同時(shí)也降低了勞動(dòng)力，增強(qiáng)了可操作性。Z方向的移動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，分為了2段來完成，第一段位移5000mm，第二段位移4000mm，來完成X方向最大行程9000mm，在設(shè)計(jì)中經(jīng)多方比較，最終采用了伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)滾珠絲桿的方式來進(jìn)行位置定位移動(dòng)。X方向的移動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，考慮功率、轉(zhuǎn)速、經(jīng)濟(jì)等因素，最終選擇了由三相異步電機(jī)帶動(dòng)齒輪嚙合的方式，來驅(qū)動(dòng)車輪達(dá)到位移效果，對(duì)嚙合精度的高質(zhì)量要求，來保證精度要求。Y方向的移動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，考慮移動(dòng)平穩(wěn)性，因此選用2個(gè)電機(jī)同時(shí)驅(qū)動(dòng)，與X方向一樣，選擇三相異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)。電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，通過PLC的控