機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程設(shè)

1、個(gè)人收集整理僅供參考學(xué)習(xí)機(jī)電一體化系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)刖百本說(shuō)明書(shū)是我對(duì)學(xué)校所學(xué)知識(shí)的全面總結(jié)和綜合應(yīng)用，又為今后走向社會(huì)的 實(shí)際操作應(yīng)用鑄就了一個(gè)良好實(shí)踐，課程設(shè)計(jì)是我對(duì)所學(xué)知識(shí)理論檢驗(yàn)與總結(jié)， 能夠培養(yǎng)和提高設(shè)計(jì)者獨(dú)立分析和解決問(wèn)題的能力。資料個(gè)人收集整理，勿做商業(yè)用途本說(shuō)明書(shū)融合了機(jī)械設(shè)計(jì)、機(jī)電一體化、機(jī)械制圖等學(xué)科知識(shí)。對(duì)X-Y軸數(shù) 控工作臺(tái)進(jìn)給系統(tǒng)分析，包括機(jī)械傳動(dòng)部分、電氣控制部分以及程序的設(shè)計(jì)。讓 我們做到理論聯(lián)系實(shí)際，培養(yǎng)我們分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的的能力。 資料個(gè)人收集整理， 勿做商業(yè)用途原理框圖設(shè)計(jì)計(jì)算與說(shuō)明設(shè)計(jì)任務(wù):題目：專(zhuān)用電焊機(jī)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)任務(wù)：設(shè)計(jì)一種專(zhuān)用電焊機(jī)，主要

2、參數(shù)如下：1）用步進(jìn)電機(jī)定位，工作臺(tái)等距離進(jìn)給 9次；2）工件質(zhì)量 m=50kg,工作臺(tái)質(zhì)量m2=150kg;3）每次進(jìn)給距離L=50mm絲杠直徑10-50mm4）絲杠導(dǎo)程 Ph=10mm5）進(jìn)給時(shí)間T=4s；6）每次停留時(shí)間T1=1s；7）手動(dòng)回位；9）工作臺(tái)空載最快移動(dòng)速度 v = 1200mm/min ；一、總體方案的確定1機(jī)械傳動(dòng)部件的選擇1.1 導(dǎo)軌副的選用 要設(shè)計(jì)系統(tǒng)是用來(lái)配套輕型的電焊機(jī)的，需要承受的載荷 不大，但脈沖當(dāng)量小、定位精度高，因此，決定選用直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副，它具有摩擦 系數(shù)小、不易爬行、傳動(dòng)效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、安裝預(yù)緊方便等優(yōu)點(diǎn)。1.2 絲桿螺母副的選用 滾珠絲桿副的傳動(dòng)

3、精度高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、 壽命長(zhǎng)、效率高，預(yù)緊后可消除反向間隙。1.3 伺服電動(dòng)機(jī)的選用 任務(wù)書(shū)規(guī)定的脈沖當(dāng)量尚未達(dá)到 0.001mm定位精度也 未達(dá)到微米級(jí)，空載最快速度也只有1200mm/min因此，本設(shè)計(jì)不必采用高檔次 的伺服電動(dòng)機(jī)，如交流伺服電動(dòng)機(jī)或直流伺服電動(dòng)機(jī)等， 可以選用性能好一些的步 進(jìn)電動(dòng)機(jī)，如混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，以降低成本，提高性?xún)r(jià)比。1.4 檢測(cè)裝置的選用 選用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)作為伺服電動(dòng)機(jī)后，可選開(kāi)環(huán)控制，也 可選閉環(huán)控制。電焊機(jī)的精度不是很高，故可以采用開(kāi)環(huán)控制2.控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)1）對(duì)于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的開(kāi)環(huán)控制，采用運(yùn)動(dòng)控制卡控制2）要設(shè)計(jì)一臺(tái)完整的控制系統(tǒng)，在選擇 CPU

4、：后，還需要擴(kuò)展程序儲(chǔ)存器、數(shù) 據(jù)存儲(chǔ)器、鍵盤(pán)與顯示電路、I/O接口電路、D/A轉(zhuǎn)換電路、串行接口電路等。3）選擇合適的驅(qū)動(dòng)電源，與步進(jìn)電動(dòng)機(jī)配套使用。三、機(jī)械傳動(dòng)部件的計(jì)算與選型1 .導(dǎo)軌上移動(dòng)部件的重量估算按照下導(dǎo)軌上面移動(dòng)部件的重量來(lái)進(jìn)行估算。包括工件、夾具、工作平臺(tái)、上層電動(dòng)機(jī)、減速箱、滾珠絲杠副、直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副、導(dǎo)軌座等，估計(jì)重量約為2000N設(shè)計(jì)計(jì)算與說(shuō)明2 .直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副的計(jì)算與選型（1）滑塊承受工作載荷Fmax的計(jì)算及導(dǎo)軌型號(hào)的選取工作載荷是影響直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副使用壽命的重要因素。本設(shè)計(jì)中的工作臺(tái)為水平布置，采用雙導(dǎo)軌、四 滑塊的支承形式?？紤]最不利的情況，即垂直于臺(tái)面的工作載

5、荷全部由一個(gè)滑塊承 擔(dān)，則單滑塊所受的最大垂直方向載荷為：F = G - F max 4其中，移動(dòng)部件重量G=2000N外加載荷F = 0,代入式（2）得最大工作載荷Fmax =500N =0.5kN 0查附錄表，根據(jù)工作載荷Fmax =500N =0.5kN ,初選直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副的型號(hào)為DB-LBB25RIE,其額定動(dòng)載荷 Ga =17.9kN ,額定靜載荷 G°a =30.44kN。（2）距離額定壽命L的計(jì)算上述選取的DB-LBB25RE0導(dǎo)軌副的滾道硬度為 60HRC工作溫度不超過(guò)100攝氏度，每根導(dǎo)軌上配有兩只滑塊，精度為 4級(jí)，工 作速度較低，載荷不大。查表3-36表3-4

6、0,分別取硬度系數(shù)3=1.0、溫度系數(shù)1 =1.00、接觸系數(shù)fC=0.81、精度系數(shù)fR=0.9、載荷系數(shù)f w = 1 .，代入式（3-33）,的距離壽命：遠(yuǎn)大于期望值50km,故距離額定壽命滿(mǎn)足要求。4.滾珠絲杠螺母副的計(jì)算與選型(1)最大工作載荷Fm的計(jì)算，工作臺(tái)受到進(jìn)給方向的載荷(與絲杠軸線平行)Fx =50N。已知移動(dòng)部件總重量G=2000N按矩形導(dǎo)軌進(jìn)行計(jì)算，查表得，取顛覆力矩影 響系數(shù)K=1.1,滾動(dòng)導(dǎo)軌上的摩擦因數(shù) 以=0.005。求得滾珠絲杠副的最大工作載 荷：設(shè)計(jì)計(jì)算與說(shuō)明(2)最大動(dòng)載荷Fq的計(jì)算設(shè)工作臺(tái)在承受最大銃削力時(shí)的最快進(jìn)給速度v=750mm/min,初選絲杠導(dǎo)

7、程Ph = 10mm ,則此時(shí)絲杠轉(zhuǎn)速n =v/Ph =75r/min 。6取滾珠絲杠的使用壽命T=15000h,代入L0 =60nT/10 ,得絲杠壽命系數(shù)6L0 =67.5 (單包為 10 r)。查表3-30,取載荷系數(shù)fW =1.0,滾道硬度為60HRCM,取硬度系數(shù)fH =1.0 , 代入式(3-23),求得最大載荷：(3)初選型號(hào) 根據(jù)計(jì)算出的最大載荷和初選的絲杠導(dǎo)程，選擇深圳威遠(yuǎn)絲杠制造有限公司生產(chǎn)的LL1610N-1型滾珠絲杠副，為內(nèi)循環(huán)固定反向器單螺母式，其公 稱(chēng)直徑為16mm導(dǎo)程為10mm循環(huán)滾珠為4圈X 1歹1，精度等級(jí)取5級(jí)，額定動(dòng) 載荷為Ca=7.65N=大于FQ ,滿(mǎn)

8、足要求。(4)傳動(dòng)效率”的計(jì)算將公稱(chēng)直徑，導(dǎo)程Ph =10mm ,代入九=arctanPh/("d0上 得絲杠螺旋開(kāi)角九=7.26:將摩+«角*=10'代入"二匕也匕”兒+力，得傳動(dòng)效率 n =97.7%。(5)剛度的驗(yàn)算1)電焊機(jī)工作臺(tái)滾珠絲杠副的支承均采用“單推一單推”的方式。絲杠的兩端 各采用一對(duì)推理角接觸球軸承，面對(duì)面組配，左、右支承的中心距離約為a=500mm；5鋼的彈性模量E =2.1父10 MPa ；查表3-31 ,得滾珠直徑Dw = 3.00mm ,絲杠底徑 d2=12.9mm,絲杠截面面積 S = nd；/4 = 130.6mm2。忽略式

9、(3-25)中的第二項(xiàng)，算得絲杠在工作載荷Fm作用下產(chǎn)生的拉/壓變形量設(shè)計(jì)計(jì)算與說(shuō)明2 ）根據(jù)公式_ _ _ _ 5_ _、i = Fma/(ES) =65 500/(2.1 105 130.6)mm = 0.0012mmz=（m0/Dw）3,求得單圈滾珠數(shù)z=14；該型號(hào)絲杠為單螺母，滾珠的圈數(shù)x列 數(shù)為4X1,代入公式Z£ = ZM圈數(shù)父列數(shù)，得滾珠總數(shù)量Zz = 68。絲杠預(yù)緊時(shí)， 取軸向預(yù)緊力Fyj =Fm/3=21.7N。則由式（3-27）,求得滾珠與螺紋滾道間的接觸變形量62之0.00005mm 0因?yàn)榻z杠加有預(yù)緊力，且為軸向負(fù)載的1/3,所以實(shí)際變形量可減小一半，取62

10、 % 0.000025mm。3）將以上算出的 a和基代入O總=樂(lè)+5,求得絲杠總變形量（對(duì)應(yīng)跨度500mm 6總=0.00123mm = 1.23Nm。本例中，絲杠的有效行程為450mm由表3-27知，5級(jí)精度滾珠絲杠有效行程 在400550mnW,行程偏差允許達(dá)到27仙m,可見(jiàn)絲杠剛度足夠。（6）壓桿穩(wěn)定性校核 根據(jù)公式（3-28）計(jì)算失穩(wěn)時(shí)的臨界載荷 屋。查表3-34, 取支承系數(shù)fk =1 ;由絲杠底徑d2 =12.9mm求得截面慣性矩I =叼：/64之1358.65mm4 ;壓桿穩(wěn)定安全系數(shù) K取3 （絲杠臥式水平安裝）；滾動(dòng)螺母至軸向固定處的距離a取最大值 500mm代入式（3-28

11、）,得臨界載荷f. - 2EIFk =f2=3750N , M大于工作載何 Fm=500N ,故絲杠不會(huì)失穩(wěn)。Ka綜上所述，初選的滾珠絲杠副滿(mǎn)足使用要求6步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的計(jì)算與選型（1）計(jì)算加在步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 Jeq已知：滾珠絲杠的公稱(chēng)直徑33Do =16mm,總長(zhǎng) l =500mm,導(dǎo)程 Ph =10mm ,材料密度 P = 7.85 10 kg/cm ;移動(dòng)部件總重力G =2000 N，傳動(dòng)比i=1 ；如表4-1所示，算得各個(gè)零件部件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量如下（具體計(jì)算過(guò)程從略）：滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Js = 0.25kg.cm2 ;拖板折算到絲杠上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣2Js = 5.0 kg .cm設(shè)計(jì)計(jì)

12、算與說(shuō)明其兩相混合式，步距角,最大靜轉(zhuǎn)矩問(wèn)為分快速空載起動(dòng)和承初選電機(jī)型號(hào)為DM5676即由樂(lè)創(chuàng)自動(dòng)化有限公司生產(chǎn)的,為1.8工 查得該型號(hào)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jm =0.46kg.cm2則加在步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為:(2)計(jì)算加子在步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)軸上的等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩Teq受最大工作負(fù)載兩種情況進(jìn)行計(jì)算。1)快速空載起動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩Teq1由式(4-8)可知，Teq1包括三部分：一部分是快速空載起動(dòng)時(shí)折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大加速轉(zhuǎn)矩Tamax ;部分是移動(dòng)部件運(yùn)動(dòng)時(shí)折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩Tf;還有一部分是滾珠絲杠預(yù)緊后折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的附加摩擦轉(zhuǎn)矩T0 o因?yàn)闈L珠絲杠副

13、傳動(dòng)效率很高，根據(jù)式(4-12)可知，T0相對(duì)于Tamax和Tf很小，可以忽略不計(jì)。則有:Teq1 =TamaxTf(6-13)根據(jù)式(4-9),考慮傳動(dòng)鏈的總效率",計(jì)算快速空載起動(dòng)時(shí)折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)9 / 7軸的最大加速轉(zhuǎn)矩:Ta max2 Jeq A60ta(6-14)式中nm對(duì)空載最快移動(dòng)速度的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)最高轉(zhuǎn)速，單位為 r/min ；ta 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)由靜止到加速到n轉(zhuǎn)速所需的時(shí)間，單位為s0 其中：nmv max、360：.(6-15)設(shè)計(jì)計(jì)算與說(shuō)明式中vmax空載最快移動(dòng)速度，設(shè)計(jì)題目指定為 1200mm/min&步進(jìn)電動(dòng)機(jī)步距角，預(yù)選電動(dòng)機(jī)為1.8 ;'&

14、#39;脈沖當(dāng)量，本例 二=0.05mm/脈沖。將以上各值代入式(6-15),算得nm =1200r/min設(shè)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)由靜止到加速至n轉(zhuǎn)速所需時(shí)間t=0.4s ,傳動(dòng)鏈總效率=0.7 .則由式(6-14)求得：Tamax =2' /5.71父10 乂1200 n m 電0.022N m 由式(4-10)可知，移動(dòng)部件 60 0.4 0.7運(yùn)動(dòng)時(shí)，折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩為：(Fz G)PhT f 二2n i(6-16)式中一一導(dǎo)軌的摩擦因數(shù)，滾動(dòng)導(dǎo)軌取0.005;Fz 一一垂直方向的焊接力，空載時(shí)取0;”傳動(dòng)鏈總效率，取0.8。則由式(6-16),得：最后由式(6-13)求得快速

15、空載起動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩：Teq1 = Tamax Tf =0.0422N.m2)最大工作負(fù)載狀態(tài)下電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩T由式(4-13)可知，T包括三部：一部分是折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大工作負(fù)載轉(zhuǎn)矩T; 一部分是移動(dòng)部件運(yùn)動(dòng)時(shí)折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩T;還有一部分是滾珠絲杠預(yù)緊后折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的附加摩擦轉(zhuǎn)矩 T, T相對(duì)于T和T很小，可以忽略不計(jì)。則有：Teq2 =TtTf(6-18)其中，折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大工作負(fù)載轉(zhuǎn)矩 T由式(4-14)計(jì)算。本例中在 對(duì)滾珠絲杠進(jìn)行計(jì)算的時(shí)候，已知沿著絲設(shè)計(jì)計(jì)算與說(shuō)明杠軸線方向的最大進(jìn)給載荷F=3601N.m則有：再由式(4-10)可知，移動(dòng)部件運(yùn)動(dòng)時(shí)，折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩為：最后由式(6-18),求得最大工作負(fù)載狀態(tài)下電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩為：經(jīng)過(guò)上述計(jì)算后，得到加在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩應(yīng)為：(3)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)最大保持轉(zhuǎn)矩的選定考慮到步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)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(huì)下降，可能造成丟步，甚至堵轉(zhuǎn)。 因此，根據(jù)T來(lái)選擇步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的最大保持轉(zhuǎn)矩時(shí)，需要考慮安全系數(shù)。本例中取 安全系數(shù)K=4,則步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的最大保持轉(zhuǎn)矩應(yīng)滿(mǎn)足：Timax >4Tea = 4x0.15N.m =0.6N.m(6-20)j