機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)-步進(jìn)電機(jī)直接驅(qū)動單軸直線伺服移動機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) (修復(fù)的)

1、機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)-步進(jìn)電機(jī)直接驅(qū)動單軸直線伺服移動機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) (修復(fù)的) 目 錄一 課程設(shè)計(jì)的目的 - 3二 設(shè)計(jì) - 3三 課程設(shè)計(jì)要求 - 4 四機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)1.確定滾珠絲桿副的導(dǎo)程 - 42.滾珠絲桿副的載荷及轉(zhuǎn)速計(jì)算- 43.滾珠絲杠的校核 - 44. 滾珠絲桿副的極限轉(zhuǎn)速nc的校核-5. Dn值的驗(yàn)證- 66根本軸向額定靜在和Cu的驗(yàn)算- 6 7軸承選擇- 68電機(jī)的選擇- 69. 導(dǎo)軌副的選擇- 8 10套筒的設(shè)計(jì)- 811機(jī)械系統(tǒng)建模及仿真-12.機(jī)械控制系統(tǒng)原理及電路設(shè)計(jì)- 9五 密封和潤滑- 17六 結(jié)論- 18 七心得體會-八 參考文獻(xiàn)- 21 5 9 1四 機(jī)電一體

2、化系統(tǒng)設(shè)計(jì)步進(jìn)電機(jī)直接驅(qū)動單軸直線伺服移動機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)滾珠絲桿副的參數(shù)選擇與計(jì)算1確定滾珠絲桿副的導(dǎo)程Ph：根據(jù)傳動關(guān)系圖及傳動條件選擇滾珠絲桿副的導(dǎo)程PhPh=10mm2滾珠絲桿副的載荷及轉(zhuǎn)速計(jì)算：1托板尺寸：長´寬´高=300mm 300mm 30mm2托板重量：W=300*300*30-37.8*10-2N=211N3導(dǎo)軌副與托板連接局部重量估算為：100N雙導(dǎo)軌4夾具及工件重量約為：400N5工作臺運(yùn)動局部總重：G=211+100+400=711N6最小載荷Fmin選機(jī)器空載時(shí)滾珠絲桿副的傳動力。由滾動導(dǎo)軌副的摩擦系數(shù)f=0.005得 Fmin=fG=711N´

3、;0.005=4N7)最大載荷Fmax采用矩形滾動導(dǎo)軌工作載荷等效公式：Fm=KFx+m(Fz+Fy+G) 其中：K=1.1 m=0.005Fmax=KF1+(F2+G)f=5000*1.1+(2500+711)´0.005=5516N8)滾珠絲桿副的當(dāng)量轉(zhuǎn)速nm及當(dāng)量載荷Fm:按工進(jìn)時(shí)間占總時(shí)間的90%，快進(jìn)時(shí)間占總時(shí)間的10%計(jì)算：3確定當(dāng)量載荷：F=3Fm1n1t1+F3m2nm2t2n=1167N1t1+n2t2確定當(dāng)量轉(zhuǎn)速：nm=n1t1+n2t2=28r/min預(yù)期額定動載荷按預(yù)期工作時(shí)間計(jì)算：使用壽命Lh=24000h滾珠絲杠副壽命L0=60n6mLh/10106r2最

4、大動載荷：FQ=wfHFm查?機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書?以下簡稱?指導(dǎo)書?表3-30取載荷系數(shù)fw=1.2，硬度系數(shù)fH=1.0³58HRC代入上式得FQ=9091N 擬采用預(yù)緊滾珠絲杠副，按最大負(fù)載Fmax計(jì)算查?機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)踐?表3-25以下簡稱?實(shí)踐?重載荷取fe=3.4 Fmax=F1=5000N得FQf=Fmaxfe=17000N取以上結(jié)果最大值Cm=17000N確定允許的最小螺紋小徑估算絲杠允許的最大軸向變形量：重復(fù)定位精度10mm，定位精度20mmdm=1/4:1/3)重復(fù)定位精度=3mmdm=1/5:1/4)定位精度=6mm取最小值dm=3mm估算最

5、小螺紋底徑絲桿要求預(yù)拉伸，采用兩端固定的支承形式，行程為700mm，W=2500+711=3211N 靜摩擦系數(shù)m0=0.09d2m=查?實(shí)踐?表3-26 a=0.039 L=1.1*行程+10:14Ph=900mmd2m=確定滾珠絲杠副的規(guī)格代號選內(nèi)循環(huán)浮動式法蘭，直筒雙螺母型墊片預(yù)緊形式。由Ph、Cm、d2m選擇相應(yīng)規(guī)格的滾珠絲杠副FFZD3210-33d2=26.5mm Ca=20600N Coa=43800N 確定預(yù)緊力：Fe=1Fmax=1667N353 53 15 90 15 71 9 15 9 70 M6 44 146 FFZD3210-3D1(g6) D2( ) L2 D3 B

6、 D4 D5 D6 h D7 M D8 L13.滾珠絲桿的校核在選擇滾珠絲桿時(shí)，可根據(jù)原絲桿直徑的大小，按類比法選擇其名義直徑，因此，就需要對其負(fù)載能力進(jìn)行必要的校核，如果是根據(jù)承載能力選出的那么應(yīng)對壓桿穩(wěn)定及其剛度進(jìn)行必要的校核。下面進(jìn)行滾珠絲桿副臨界壓縮載荷Fc的核算即驗(yàn)算壓桿穩(wěn)定性Fc=k1k2d242Lc1´105³fmax 其中：k1=1 f=21.9 k2=4 l=4.730 3127.34FC=´4´´105=1.157´105N>Fmax=F總+F摩=5516N 23800所以驗(yàn)證穩(wěn)定性合格.4.滾珠絲桿副的極限

7、轉(zhuǎn)速nc的校核(防止高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生共振)60l2nc=k×2pL2c2=21.9´dEI=f22´103 rALc227.373´10=10.03´10r/min>nmax 2800 4驗(yàn)算合格.5.Dn值的驗(yàn)證Dpw.nmax=34.7´200=6940<70000合格.6.根本軸向額定靜在和Cu的驗(yàn)算fs.Famax£Coa2´5516=11032N<Coa=26200N(fs取2)7、軸承選擇按照滾珠絲杠副相關(guān)要求初步選定滾動角接觸球軸承B型背對背安裝，受力如下列圖：Fd2F1 Fr1 Fr

8、2徑向力：Fr1=Fr2=F2/2=2500/2=1250NN 派生軸向力：Fd1=Fd2=1.41F2/2=1763Fa1=F1+Fd2=6763N Fa2=Fd2=1763N取載荷系數(shù)fp=1.2Fa1/Fr1=5.41&gt;1.14徑向當(dāng)量動載荷：P1=f=4893N p0.35Fr1+0.57Fa1Fr2/Fd2=1.43徑向當(dāng)量動載荷：P1=4893N求軸承具有的根本額定動載荷：C=P160nmLh106=16778N5根據(jù)所選滾珠絲杠副及軸承壽命要求選擇 滾動軸承7305 B GB/T292 Cr=26200N>16778N所選軸承滿足設(shè)計(jì)要求。8電機(jī)的選擇：1作用

9、在滾珠絲桿副上各種轉(zhuǎn)矩計(jì)算外加載荷產(chǎn)生的摩擦力矩TFN.m空載時(shí):TF0=FPh4´0.01=N.m=0.0071N.m 2ph2´3.14´0.9外加徑向載荷時(shí)的摩擦力矩:TFL=FLPh5516´0.01=N.m=9.75N.m 2ph2´3.14´0.9滾珠絲桿副預(yù)加載荷Fb產(chǎn)生的預(yù)緊力矩:FbPh1-h21667´0.011-0.92T0=.2=.N.m=0.62Nm 22p2´3.14h0.92負(fù)荷轉(zhuǎn)動慣量JLKg.m2及傳動系統(tǒng)轉(zhuǎn)動慣量JKg.m的計(jì)算：滾動絲桿的轉(zhuǎn)動慣量：Js=p´7.8&#

10、180;103´0.0334´0.7225=6.5´10-4kg.m2 移動平臺轉(zhuǎn)換的轉(zhuǎn)動慣量；Jb=(Ph/2)2m=0.63*10-4kg.m-33空載時(shí)最大加速轉(zhuǎn)矩Tam根據(jù)負(fù)載情況初選南京南數(shù)數(shù)控設(shè)備步進(jìn)電機(jī)130BYG3503為三相混合式，采用單-雙6拍驅(qū)動時(shí)步距角為0.60，查其參數(shù)得轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量: J=30kg 2。 g加到電機(jī)轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動慣量為：Jeq=JM+JL+Jb=10.7´10-3kg.m-3+30*10-3kg.m-3=37.13*10-3kg.m-3 nm=vmax/360d=1000*0.6/360*0.01=167r/

11、minTam1=Jeq=2Jeqnm/60ta=0.394N.m 。64)快速空載啟動時(shí)電動機(jī)轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩Teq1Teq1= Tam1+Tf0+T0=1.021N.m5) 快速負(fù)載啟動時(shí)電動機(jī)轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩Teq1Teq2=TfL+Tf0+T0=10.377N.m由上可知，加在步進(jìn)電機(jī)上的最大負(fù)載轉(zhuǎn)矩為：Teq=max Teq1 ,Teq2=10.377N.m6電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩的選定考慮到步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動電源受電網(wǎng)電壓影響較大，當(dāng)輸入電壓降低時(shí)，其輸出轉(zhuǎn)矩會下降，可能造成失步，甚至堵轉(zhuǎn)。并采用開環(huán)控制，需考慮平安系數(shù)。取K=3.5，那么步進(jìn)電機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩應(yīng)滿足：Tjmax>3

12、Teq=31.13N.m查初選電機(jī)130BYG3503的最大靜轉(zhuǎn)矩為36N.m。所選電機(jī)滿足要求。9.導(dǎo)軌副的選擇L´103查?指導(dǎo)書?公式3-35小時(shí)額定壽命：Lh= 2nS´60距離額定壽命L=2nS60Lh103=2*4*0.7*60*2400=8046Km 310公式3-33滾動體為球時(shí)：L=50fhftfcfRCa3) fwFFfwLCa=27241N 50fhfTfCfR其中F按所給力參數(shù)折算到四滑塊上中的最大值。查表3-42選擇JSA-LG35型直線滾動導(dǎo)軌副Ca=32500&gt;27241N所選導(dǎo)軌滿足要求。10、套筒的設(shè)計(jì)傳動軸上的公稱轉(zhuǎn)矩2pT

13、eqP3T=9550*2*p*9.7517/60*10=9.31N.m 3n60*10取工作情況系數(shù)KA=1.57計(jì)算轉(zhuǎn)矩Tca=KAT=1.5*10.39N.m=15.585N.m 11機(jī)械系統(tǒng)建模及仿真1轉(zhuǎn)動慣量的折算由前述可知等效到電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動慣量Jeq=JM+JL+Jb=7.13´10-3kg.m-3+30*10-3kg.m-3=37.13*10-3kg.m-32粘性阻尼系數(shù)折算Cf=(Lh/2p)2C=1.6243總扭轉(zhuǎn)剛度折算 電機(jī)：KpdmG3.14*0.0194*8.1*1010m=32l=m32*0.2=5182N.m/rad 絲桿：K3.14*0.0324*8.

14、1*1010m=pdmG32l=m32*1.26949N.m/rad工作臺的壓縮剛度：K2e=Epd/4l=2.1*10113.14*0.0322/4*1.2=6949N.m/rad 附加扭轉(zhuǎn)剛度：Kf=354.6N.m/rad 折算后的總扭轉(zhuǎn)剛度：KS=1=316.76N m/rad K+K+msK¢4系統(tǒng)建模根據(jù)動平衡原理有：Jd2qdq2pSdt2+Cdt+KSq=KSXi式中q=LXo h動力平衡關(guān)系：Jd2XodXoSdt2+Cdt+KSXo=Lh2pKSXi系統(tǒng)傳遞函數(shù)為：LG(s)=Xs)hKSL2o(hwnX)=J=22 i(sSs2+C¢s+KS2ps+2

15、xwns+wn8式中：wn=x=C¢/( Xo(s)504.14129140.6=Xi(s)0.0039s2+1.624s+316.76s2+514.42s+81220.5 G(s)=代入數(shù)據(jù)得：5仿真程序：g=tf(504.14,0.0039 1.624 316.76)y t=step(g)y=2*pi*yplot(t,y)grid on仿真結(jié)果：從圖中分析出在步進(jìn)電機(jī)為2p的階躍輸入條件下，工作臺直線位移10mm，且僅有不大于10%的超調(diào)量，顫抖很小，調(diào)整時(shí)間約為0.025s，響應(yīng)速度很快。阻尼比為0.73，系統(tǒng)在周期信號鼓勵(lì)下沒有諧振，且阻尼比在理想?yún)?shù)0.707附近，說明靜態(tài)

16、設(shè)計(jì)是有效的、準(zhǔn)確的。12.機(jī)械控制系統(tǒng)原理及電路設(shè)計(jì).(1)對工作臺的控制要求如下：1、步進(jìn)電機(jī)選用三相六拍，其脈沖當(dāng)量為0.001mm/step；2、能用鍵盤輸入命令，控制工作臺的直線運(yùn)動及實(shí)現(xiàn)其它功能，其運(yùn)動范圍為0:700mm；3、能顯示工作臺的當(dāng)前運(yùn)動位置；4、具有越程指示報(bào)警及停止功能；5、采用硬件進(jìn)行環(huán)形分配，字符發(fā)生及鍵盤掃描由軟件實(shí)現(xiàn)。(2)單片機(jī)控制系統(tǒng)的硬件構(gòu)成：考慮到8031單片機(jī)芯片性價(jià)比擬高故采用其作為主芯片。他有P0、P1、P2、P3四個(gè)八位口，P0口可以驅(qū)動8個(gè)TTL門電路，16根地址總線由它經(jīng)地址鎖存器74LS373提供8位A0:A7，而高8位數(shù)據(jù)總線由P0口

17、直接提供。控制總線由P3口的第二A8:A13由P2口直接提供。功能狀態(tài)和4根獨(dú)立的控制線RESET、EA、ALE、PSEN組成。僅剩P1口可供控制外設(shè)。不能滿足所需控制要求，因8031無ROM，128字節(jié)的RAM也不夠用，所以需要進(jìn)行擴(kuò)展。采用8155和2764、6264芯片作為I/O口和存儲器擴(kuò)展芯片。顯示器采用LED數(shù)碼顯示，從控制要求需5位數(shù)碼顯示，整數(shù)位三位、 9小數(shù)位二位，把符號及前帶字母考慮進(jìn)去也便于擴(kuò)展采用8位顯示。其它輔助電路有復(fù)位電路、時(shí)鐘電路、越位報(bào)警指示電路。延時(shí)可用8155的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器的引腳TMRIN和TMROUT。(3)工作原理圖詳見“控制系統(tǒng)工作原理圖。(4)地

18、址分配如下：(5)2764：0000H1FFFH(6)6264：2000H3FFFH(7)8155I/O端口)：(8)命令口：4000H(9)A口：4001H(10)(11)(12)(13) B口：4002H C口：4003H 定時(shí)器低八位：4004H 定時(shí)器高八位：4005H五.密封和潤滑為了阻止灰塵，水，酸氣和其雜物進(jìn)入軸承并阻止?jié)櫥瑒┝魇?。再本設(shè)計(jì)中加如了軸承的密封裝置。因?yàn)闈L珠絲杠的轉(zhuǎn)速不高，所以采用接觸式密封。在透蓋與軸承中間參加了唇形密封圈，目的是防止?jié)櫥偷牧鞒?。在軸承的左側(cè)參加軸承端蓋，目的是阻止灰塵，水，酸氣和其雜物進(jìn)入軸承。為了降低摩擦阻力，散熱，吸收振動，防止銹蝕等，在整

19、個(gè)系統(tǒng)中參加了潤滑裝置，在此系統(tǒng)中滾珠絲杠和軸承都采用脂潤滑。為了減少絲杠的受熱變形，可以將絲杠制成空心，在支承法蘭處通入恒溫油進(jìn)行強(qiáng)迫冷卻循環(huán)。滾珠絲杠必須采用潤滑油或鋰基油脂進(jìn)行潤滑，同時(shí)要采用防塵密封裝置。如用接觸式或非接觸密封圈，螺旋式彈簧鋼帶，或折疊式塑性人造革防護(hù)罩等。 這種方式具有其結(jié)構(gòu)緊湊，定位可靠，剛性好，且不易磨損，返回滾道短，不易發(fā)生滾珠堵塞，摩擦損失也小。六結(jié)論在系統(tǒng)的控制方面，本設(shè)計(jì)采用的是開環(huán)控制系統(tǒng)，其具有結(jié)構(gòu)簡單、工作穩(wěn)定、10調(diào)試方便、維修簡單、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，但是其精度較低。在步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動和控制方面，設(shè)計(jì)中采用的是專用的與步進(jìn)電機(jī)相匹配的驅(qū)動控制器。完全可以實(shí)現(xiàn)控制的要求。綜上所述，雖然設(shè)計(jì)中存在一些缺點(diǎn)，但是這些都不會影響控制的精度，并且都可以到達(dá)設(shè)計(jì)