機電控制課程設(shè)計方案書

1、機電控制課程設(shè)計說明書題 目 機械手移動平臺電動伺服系統(tǒng)設(shè)計 學(xué) 號姓 名 指 導(dǎo) 教 師目 錄目錄1一、設(shè)計課題簡介2二、系統(tǒng)靜態(tài)設(shè)計3（一）、設(shè)計步驟3（二）、確定滾珠絲杠副的導(dǎo)程Ph3（三）、確定當(dāng)量轉(zhuǎn)速nm與當(dāng)量載荷Fm4（四）、預(yù)期額定動載荷4（五）、按精度要求確定允許的滾珠絲杠的最小螺紋底徑d2m6（六）、確定滾珠絲杠副的規(guī)格代號6（七）、確定滾珠絲杠副預(yù)緊力Fp8（八）、計算行程補償值C與預(yù)拉伸力Ft8（九）、確定滾珠絲杠副支承用的軸承規(guī)格代號9（十）、滾珠絲杠副工作圖設(shè)計11（十一）、電機的選擇11（十二）、傳動系統(tǒng)剛度計算14（十三）、傳動系統(tǒng)剛度驗算及滾珠絲杠副的精度選擇1

2、7（十四）、滾珠絲杠副臨界壓縮載荷Fc的校驗18（十五）、滾珠絲杠副的極限轉(zhuǎn)速nc的校驗19（十六）、Dn值校驗20（十七）、滾珠絲杠副形位公差的標(biāo)注20（十八）、電機控制器選型21（十九）、導(dǎo)軌選擇22（二十）、傳感器選擇22三、系統(tǒng)動態(tài)設(shè)計23（一）、設(shè)計任務(wù)23（二）、設(shè)計過程24四、參考文獻31五、設(shè)計圖紙32一、設(shè)計課題簡介（一）、題目：機械手移動平臺電動伺服系統(tǒng)設(shè)計（二）、設(shè)計目標(biāo)：設(shè)計為任務(wù)A機械手水平移動所使用的電動伺服平臺位置控制系統(tǒng)，由直流無刷伺服電機及滾珠絲桿傳動系統(tǒng)驅(qū)動，平臺能在任意位置準(zhǔn)確定位。系統(tǒng)每天開機6小時，每年工作300天，要求工作8年以上，14400小時。（

3、三）、設(shè)計要求：1、平臺有效行程： 01.5 m2、平臺尺寸： 800×800 mm (L×W) 3、最大負載重量： 300 Kg4、定位精度： +0.1 mm5、最大位移速度： 0.15 m/s6、最大線加速度： 0.6 m/s27、最低平穩(wěn)速度： 0.5 mm/s8、系統(tǒng)通頻帶： 1.5 Hz A/A10%, Ø10°二、系統(tǒng)靜態(tài)設(shè)計（一）、設(shè)計步驟（二）、確定滾珠絲杠副的導(dǎo)程Ph因電機與絲杠直聯(lián)，i=1Vmax=0.15m/snmax=1500r/min帶入得Ph=6mm/r圓整為Ph=5mm/r（三）、確定當(dāng)量轉(zhuǎn)速nm與當(dāng)量載荷Fm最大轉(zhuǎn)速nma

4、x=1500r/min最小轉(zhuǎn)速nmin=6r/min當(dāng)量轉(zhuǎn)速nm=753r/min最大載荷出現(xiàn)在最大負載以及以最大加速度加速時，故最大載荷Fmax=0.1最小載荷出現(xiàn)在無負載以及以最大加速度減速時，故最小載荷Fmin=當(dāng)量載荷Fm=（四）、預(yù)期額定動載荷1、按滾珠絲杠副的預(yù)期工作時間Lh估算：當(dāng)量轉(zhuǎn)速，753r/minFm：當(dāng)量載荷，434N：預(yù)期工作時間，測試機床選擇6×300×8=14400h：負荷系數(shù)，平穩(wěn)無沖擊選擇1：精度系數(shù)，2級精度選擇1：可靠性系數(shù)，一般選擇1代入得Cam=3760.62（N）2、按滾珠絲杠副的預(yù)期運行距離Ls計算：預(yù)期運行距離，一般取250k

5、m代入得Cam=1598.87（N）3、按滾珠絲杠副的預(yù)加最大軸向負載計算：預(yù)加負荷系數(shù)，輕預(yù)載時，選擇 =6.7代入得Cam=2907.8（N）綜上所述，Cam=3760.62（N）。（五）、按精度要求確定允許的滾珠絲杠的最小螺紋底徑d2m（1）估算滾珠絲杠的最大允許軸向變形量m（1/41/5）×定位精度: 最大軸向變形量，µm定位精度：100µm代入得=20µm(2）估算最小螺紋底徑d2m絲杠要求預(yù)拉伸，取兩端固定的支承形式 (1.11.2)行程+（1014）已知：行程為1500mm,W1=4000N，0=0.1代入得L=1785mmF0=400Nd

6、2m=7.4mm（六）、確定滾珠絲杠副的規(guī)格代號選擇湯姆森公司的軋制滾珠絲杠軸，具體參數(shù)如下公稱直徑導(dǎo)程螺紋數(shù)滾珠直徑右旋螺紋軸的最高公差等級左旋螺紋軸的最高公差等級外徑螺紋內(nèi)徑最大長度單位長度絲杠軸質(zhì)量絲杠軸橫截面積最小軸慣性矩極慣性矩d0PhDWd1d2ImaxmaiIpmmmmmmmmmmmmkg/mmm2mm4mm416513.500P3T715.55h1112.8860001.381.75E+022.22E+034.93E+03選擇湯姆森公司的用于軋制滾珠絲杠螺母公稱直徑導(dǎo)程絲杠頭數(shù)滾珠直徑FK型單螺母d0PhDwD1D4D5D6LLmL1L3L7g6h13h13mmmmmmmmmm

7、mmmmmmmmmmmmmm16513.50028385.54848.533105.510螺母形狀安裝孔位置類型循環(huán)系統(tǒng)公稱軸向間隙承載滾珠圈數(shù)動態(tài)額定載荷靜態(tài)額定載荷L8DBLBL10CamCa0mh13mmmmmmmmmmkNkN40M6×158S1End cap0.0412.810.817.5故滾珠絲杠副的型號如下絲杠型號為7832776-PS，螺母型號為7832777。d2=12.88mmd2mCam=10.8KN3760.62N符合要求（七）、確定滾珠絲杠副預(yù)緊力FpFmax=632N代入得Fp=211N（八）、計算行程補償值C與預(yù)拉伸力Ft1、計算行程補償值C對于兩端固定

8、支承，需要預(yù)拉伸的滾珠絲杠副應(yīng)規(guī)定目標(biāo)行程補償值C,并計算預(yù)拉伸力。C：行程補償值（m）t：溫度變化值25, 取2.5：絲杠的線膨脹系數(shù)11.8×10-6/度Lu：滾珠絲杠副的有效行程(mm)Lu工作臺行程+螺母長度+兩個安全行程行程+（814）Ph=1940mm代入得C=45.8725m2、計算預(yù)拉伸力FtFt：預(yù)拉伸力（N）d2：滾珠螺紋底徑為12.88mmt：滾珠絲杠的溫升25，取2.5代入得Ft=808.7352N（九）、確定滾珠絲杠副支承用的軸承規(guī)格代號1、軸承所承受的最大軸向載荷FBmax已知：Ft=808.7352N，F(xiàn)max=632N代入得FBmax=1440.735

9、2N2、軸承類型兩端固定的支承形式，選背對背25°角接觸推力球軸承。3、軸承內(nèi)徑dd略小于d2，d2=12.88mm取d=10mm4、軸承預(yù)緊力FBP=FBmaxFBmax=1440.7352N代入得FBP=480.25N故預(yù)加負荷FBP5、按樣本選軸承型號規(guī)格當(dāng)d=10mm，預(yù)加負荷FBP時，選擇軸承型號為7200AC/DF，d=10mm。（十）、滾珠絲杠副工作圖設(shè)計1、絲杠螺紋長度LsLs=Lu+2LeLe=20mmLu=行程+螺母長度=1533mm代入得Ls=1573mm2、兩固定支承距離L1按樣本查出螺母安裝聯(lián)接尺寸絲杠全長L=17853、行程起點離固定支承距離L0由工作圖得

10、Ls=1573mmL1=1613mmL=1785L0=20mm（十一）、電機的選擇1、作用在滾珠絲杠副上各種轉(zhuǎn)矩計算外加載荷產(chǎn)生的摩擦力矩TF(Nm)F=632NPh=5mm=0.9代入得TF=0.56 Nm滾珠絲杠副預(yù)加載荷TP產(chǎn)生的預(yù)緊力矩（Nm）FP=211N代入得TP=0.04 Nm式中Ph：滾珠絲杠副導(dǎo)程 ：未預(yù)緊的滾珠絲杠副效率（1、2、3級精度的絲杠=0.9，4級精度以下的絲杠=0.85） F：作用在滾珠絲杠副上的外加軸向載荷，不同情況下取值不一樣。若計算電機啟動轉(zhuǎn)矩時，機械是空載起動，F(xiàn)是導(dǎo)軌摩擦力（垂向動動F還包括機構(gòu)重量）若計算電機工作轉(zhuǎn)矩時，F(xiàn)還包括導(dǎo)軌摩擦力和工作載荷（

11、垂向運動F還包括機構(gòu)重量）。2、負荷轉(zhuǎn)動慣量JL(kgm2)及傳動系統(tǒng)轉(zhuǎn)動慣量J(kgm2)的計算式中Ji、ni：各旋轉(zhuǎn)件的轉(zhuǎn)動慣量(kgm2)和轉(zhuǎn)速(r/min)mj、vj：各直線運動件的質(zhì)量(kg)和速度(m/min)Jm、nm：電機的轉(zhuǎn)動慣量(kgm2)和轉(zhuǎn)速(r/min)3、加速轉(zhuǎn)矩Ta和最大加速轉(zhuǎn)矩Tam當(dāng)電機轉(zhuǎn)速由n1升至n2時當(dāng)電機從靜止升至N：電機轉(zhuǎn)速(r/min)nmax：電機最高轉(zhuǎn)速(r/min)：加速時間，由0加速至0.15m/s，加速度為0.6m/s2，則=0.25s4、電機最大啟動轉(zhuǎn)矩Tr(Nm) 式中I：電機到滾珠絲杠副的傳動比。直聯(lián)i=1。Tb、Tf分別為滾珠絲杠

12、副兩端支承產(chǎn)生的力矩Te：不在滾珠絲杠副上的其它傳動組件的摩擦力矩折算到電機上的值。5、電機連續(xù)工作的最大轉(zhuǎn)矩機械在最大工作載荷下連續(xù)均勻運轉(zhuǎn)時的電機轉(zhuǎn)矩(Nm)6、按照樣本選用電機時要注意以下三方面a.慣量匹配按所選電機的說明書。b.驗算電機的最大轉(zhuǎn)矩8.3。c.驗算電機的額定轉(zhuǎn)矩2.5且在電機的連續(xù)工作區(qū)間。選擇電機為MOOG公司的直流無刷伺服電機，型號為（十二）、傳動系統(tǒng)剛度計算1、傳動系統(tǒng)的剛度K計算：滾珠絲杠副的拉壓剛度，計算見下頁說明。：滾珠絲杠支承軸承的軸向剛度，可查軸承樣本及有關(guān)數(shù)據(jù)。：滾珠絲杠副滾珠與滾道的接觸剛剛度可查樣本。：折合到滾珠絲杠副上伺服剛度，一般情況可忽略不計，

13、精確計算按，其中有關(guān)數(shù)據(jù)可查伺服電機樣本。：滾珠絲杠中螺母體剛度，一般可忽略不計，精確計算按估算。：折合到滾珠絲杠的聯(lián)軸節(jié)剛度,一般可忽略不計,精確計算按其中是樣本中介紹的聯(lián)軸節(jié)剛度。：螺母座、軸承座剛座。一般情況下可忽視不計，精確計算可用有限元計算。：滾珠絲杠的副的扭轉(zhuǎn)剛度?？珊雎圆挥嫛Ｒ话阈：藭r：2、計算滾珠絲杠副的拉壓剛度是滾珠螺母至絲杠軸向固定處距離a(mm)的函數(shù)，見下圖。曲線1曲線2剛度比行程比 n=L/L1曲線1：一端固定，另一端自由或游動曲線2：兩端固定或支承。拉壓剛度與行程關(guān)系，支承形式為兩端固定當(dāng)a=L1/2(螺母處在兩支承的中點時)剛度最小，見下圖。當(dāng)a=L0時（螺母處在

14、行程兩端處）剛度最大3、計算滾珠絲杠副支承的剛度Kb一端固定一端自由二端支承預(yù)緊未預(yù)緊一端固定一端游動固定端預(yù)緊二端固定固定端預(yù)緊由表可知Kb=2KB0dQ：滾動體直徑，為5mmZ：滾動體個數(shù)，為11Famax：最大軸向工作載荷，為632N：軸承接觸角，為25deg代入得KB0=110.9N/m故Kb=191.29 N/m4、Kc計算對預(yù)緊的滾珠絲杠副：查樣本上的剛度2128：額定動載荷9500N：軸向預(yù)緊載荷，為480.25N代入得Kc=1695 N/m（十三）、傳動系統(tǒng)剛度驗算及滾珠絲杠副的精度選擇1、得Kmin=48.66 N/m得Kmax=151.91 N/m2、傳動系統(tǒng)剛度驗算/反向

15、差值。48.66/反向差值3、滾珠絲杠副的精度驗算故精度驗算成立（十四）、滾珠絲杠副臨界壓縮載荷Fc的校驗式中:滾珠絲杠螺紋底徑，取樣本數(shù)據(jù)（mm），為12.88mm:滾珠絲杠副的最大受壓長度（mm）(見下表)：滾珠絲杠副承受最大軸向壓縮載荷（N）。若滾珠絲杠承受最大載荷不是壓縮載荷時，就不等于，視工作情況進行計算。：安全系數(shù)。絲杠垂直安裝=1/2，絲杠水平安裝=1/3：支承系數(shù)。與支承方式有關(guān)（見下表），取4支承方式簡圖f一端固定一端自由0.251.8753.4一端固定一端游動23.92715.1二端支承13.1429.7二端固定44.73021.9代入得（十五）、滾珠絲杠副的極限轉(zhuǎn)速nc的

16、校驗滾珠絲杠副的極限轉(zhuǎn)速nc的校驗（避免高速運轉(zhuǎn)時產(chǎn)生共振）式中：極限轉(zhuǎn)速(r/min)：臨界轉(zhuǎn)速計算長度(mm)見下表，為1573mmE：楊氏彈性模量：材料密度為7.8g/cm3I：絲杠的最小慣性矩A：絲杠的最小橫截面積：安全系數(shù)，一般取0.8f,：與支承形式有關(guān)的系數(shù)（見下表），f取21.9支承方式簡圖f一端固定一端自由0.251.8753.4一端固定一端游動23.92715.1二端支承13.1429.7二端固定44.73021.9代入得故極限轉(zhuǎn)速nc的校驗成立。（十六）、Dn值校驗Dn值校驗式中：滾珠絲杠副的節(jié)圓直徑(mm)：滾珠絲杠副的最高轉(zhuǎn)速，為1500r/min代入得成立（十七）、

17、滾珠絲杠副形位公差的標(biāo)注滾珠絲杠形位公差的標(biāo)注，見下圖某些傳動類（T類）滾珠絲杠副，對精度要求低，但傳遞的載荷大，這時可不進行有關(guān)傳動精度及傳動系統(tǒng)剛度的計算，但需進行以下兩項計算：1、基本軸向額定靜載荷驗算式中：滾珠絲杠副的基本軸向額定靜載荷（N）。可在樣本上查到。：靜態(tài)安全系數(shù)。一般載荷=12，有沖擊或振動的載荷=23 最大軸向負荷(N)2×17.5kN<155.8kN成立2、強度驗算：許用應(yīng)力（）：滾珠絲杠螺紋底徑（mm）（十八）、電機控制器選型根據(jù)電機的相關(guān)特性與控制器的相關(guān)特性選取CZ1000XX作為控制器。（十九）、導(dǎo)軌選擇（二十）、傳感器選擇選擇MTS 公司生產(chǎn)的

18、RPS 2500M D70 1 S1B1100 99110型號位移傳感器，有效行程2500mm，分辨率0.005mm，6位二進制輸出三、系統(tǒng)動態(tài)設(shè)計（一）、設(shè)計任務(wù)直流電機的數(shù)學(xué)模型計算是直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計的重要環(huán)節(jié)，這里利用傳統(tǒng)方法求解電機的數(shù)學(xué)模型，根據(jù)直流電機的電氣和機械特性方程可以求得直流電機的數(shù)學(xué)模型。1、直流電機的電氣特性方程： （1） （2）2、直流電機的機械特性方程： （3） （4） （5）其中ua電樞輸入電壓(V)；uq感應(yīng)電動勢(V)；ia電樞電流(A)；Ra電樞電阻(Q)；La電樞電感(H)；電機輸出角速度(rad/s)；Tg電機電磁轉(zhuǎn)矩(N·m)； J轉(zhuǎn)動慣量(

19、kg·m )；c一粘性阻尼系數(shù)(N·m·s)；對以上各式整理后進行拉普拉斯變換可得到直流電機轉(zhuǎn)速相對于輸入電壓的傳遞函數(shù)：對此傳遞函數(shù)增加一個積分環(huán)節(jié)，就可以得到轉(zhuǎn)角相對于輸入電壓的傳遞函數(shù)：G2（s）乘上導(dǎo)程再除以2，就是平臺位移上對于輸入電壓的傳遞函數(shù)：要求：根據(jù)PID控制原理，建立系統(tǒng)仿真模型PID控制參數(shù)對電機控制性能的影響（二）、設(shè)計過程1、求解數(shù)學(xué)模型參數(shù)通過查詢電機技術(shù)參數(shù)以及根據(jù)靜態(tài)設(shè)計所得到的相關(guān)參數(shù)，確定傳遞函數(shù)中各參數(shù)值。Ra=6.7La=12mH=0.012HJm=kg·m2J=Ke=0.5 Kt=0.5 c=3.51×10-6N·m·s代入得在simulink中建模得到原系統(tǒng)開環(huán)單位階躍響應(yīng)為可知不滿足設(shè)計要求原系統(tǒng)開環(huán)波特圖為可知原系