單軸直線伺服移動機構系統(tǒng)設計-2V1

1、 編號 課 程 設 計（論文）題目 單軸直線伺服移動機構系統(tǒng)設計（2組） 學院 專 業(yè) 機械設計制造及其自動化 班 級 學生姓名 學號 指導教師 職稱 時 間 目錄1設計任務1.1 設計任務介紹及意義1.2 設計任務明細1.3 設計的基本要求2總體方案設計 2.1 設計的基本依據(jù)2.2 總體方案的確定3機械傳動系統(tǒng)設計3.1機械傳動裝置的組成及原理3.2主要部件的結構設計計算4 結束語5參考文獻1.設計任務1.1設計任務介紹及意義u 課程設計題目單軸直線伺服移動機構系統(tǒng)設計u 主要設計內(nèi)容(1)機械傳動結構設計 (2)電氣控制系統(tǒng)u 課程設計意義：培養(yǎng)學生綜合運用所學的基礎理論和專業(yè)知識，獨立

2、進行機電控制系統(tǒng)(產(chǎn)品)的初步設計工作。 培養(yǎng)學生搜集、閱讀和綜合分析參考資料，運用各種標準和工具書籍以及編寫技術文件的能力，提高計算、繪圖等基本技能。培養(yǎng)學生掌握機電產(chǎn)品設計的一般程序和方法，進行工程師基本素質(zhì)的訓練。樹立正確的設計思想及嚴肅認真的工作作風。1.2設計任務明細：機電傳動單向數(shù)控平臺設計：1.21 電機驅(qū)動方式：步進電機、直流伺服電機、交流伺服電機；1.22 機械傳動方式：螺旋絲桿、滾珠絲桿、同步皮帶、鏈傳動等；1.23 電氣控制方式：單片微機控制、PLC控制；1.24 功能控制要求：速度控制、位置控制；1.25 主要設計參數(shù)：單向工作行程500mm；移動負載質(zhì)量3000N；負

3、載移動阻力1500N；空載最快移動速度2000mm/min；進給速度400mm/min；脈沖當量0.01mm加減速時間2s要求壽命22000h絲桿直徑16mm絲桿支撐方式兩端固定2總體方案設計2.1設計基本依據(jù)（1）步進電機是將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件。在非超載的情況下，電機的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負載變化的影響，當步進驅(qū)動器接收到一個脈沖信號，它就驅(qū)動步進電機按設定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度，稱為步距角，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運行的。步進電機電動機具有以下特點：1、步距值不受各種干擾因素的影響。如電壓的大小，電流的數(shù)值、波形、溫度的變

4、化等。2、誤差不長期積累。步進電機每走一步所轉(zhuǎn)過的角度與理論步距之間總有一定的誤差，從某一步到任何一步，也總有一定的累積誤差，但是，每轉(zhuǎn)一圈的累積誤差為零，所以步距的累積誤差不是長期的累積下去。3、控制性能好，啟動、停車、翻轉(zhuǎn)都是在少數(shù)脈沖內(nèi)完成，在一定的頻率范圍內(nèi)運行時，任何運動方式都不會丟失一步。所以，步進電機被廣泛應用于數(shù)控機床上。（2）滾珠絲杠是將回轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為直線運動，或?qū)⒅本€運動轉(zhuǎn)化為回轉(zhuǎn)運動的理想的產(chǎn)品。滾珠絲杠由螺桿、螺母和滾珠組成。它的功能是將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化成直線運動，這是滾珠螺絲的進一步延伸和發(fā)展，這項發(fā)展的重要意義就是將軸承從滾動動作變成滑動動作。由于具有很小的摩擦阻力，滾

5、珠絲杠被廣泛應用于各種工業(yè)設備和精密儀器。滾珠絲杠是工具機和精密機械上最常使用的傳動元件，其主要功能是將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換成線性運動，或?qū)⑴ぞ剞D(zhuǎn)換成軸向反覆作用力，同時兼具高精度、可逆性和高效率的特點：1、與滑動絲杠副相比驅(qū)動力矩為1/3 由于滾珠絲杠副的絲杠軸與絲杠螺母之間有很多滾珠在做滾動運動,所以能得到較高的運動效率。與過去的滑動絲杠副相比驅(qū)動力矩達到1/3以下,即達到同樣運動結果所需的動力為使用滾動絲杠副的1/3。在省電方面很有幫助。 2、高精度的保證 滾珠絲杠副是用日本制造的世界最高水平的機械設備連貫生產(chǎn)出來的，特別是在研削、組裝、檢查各工序的工廠環(huán)境方面,對溫度、濕度進行了嚴格的控制，由

6、于完善的品質(zhì)管理體制使精度得以充分保證。 3、微進給可能 滾珠絲杠副由于是利用滾珠運動,所以啟動力矩極小,不會出現(xiàn)滑動運動那樣的爬行現(xiàn)象,能保證實現(xiàn)精確的微進給。 4、無側隙、剛性高 滾珠絲杠副可以加予壓,由于予壓力可使軸向間隙達到負值,進而得到較高的剛性(滾珠絲杠內(nèi)通過給滾珠加予壓力,在實際用于機械裝置等時,由于滾珠的斥力可使絲母部的剛性增強)。 5、高速進給可能 滾珠絲杠由于運動效率高、發(fā)熱小、所以可實現(xiàn)高速進給(運動)。 （3） PLC的優(yōu)點 PLC是面向用戶的專用工業(yè)控制計算機，具有許多明顯的特點。1.可靠性高，抗干擾能力強 為了限制故障的發(fā)生或者在發(fā)生故障時，能很快查出故障發(fā)生點，并

7、將故障限制在局部，各PC的生產(chǎn)廠商在硬件和軟件方面采取了多種措施，使PC除了本身具有較強的自診斷能力，能及時給出出錯信息，停止運行等待修復外，還使PC具有了很強的抗干擾能力。2.通用性強，控制程序可變，使用方便 PLC品種齊全的各種硬件裝置，可以組成能滿足各種要求的控制系統(tǒng)，用戶不必自己再設計和制作硬件裝置。用戶在硬件確定以后，在生產(chǎn)工藝流程改變或生產(chǎn)設備更新的情況下，不必改變PLC的硬設備，只需改編程序就可以滿足要求。因此，PLC除應用于單機控制外，在工廠自動化中也被大量采用。3.功能強，適應面廣 現(xiàn)代PLC不僅有邏輯運算、計時、計數(shù)、順序控制等功能，還具有數(shù)字和模擬量的輸入輸出、功率驅(qū)動、

8、通信、人機對話、自檢、記錄顯示等功能。既可控制一臺生產(chǎn)機械、一條生產(chǎn)線，又可控制一個生產(chǎn)過程。4.編程簡單，容易掌握 目前，大多數(shù)PLC仍采用繼電控制形式的“梯形圖編程方式”。既繼承了傳統(tǒng)控制線路的清晰直觀，又考慮到大多數(shù)工廠企業(yè)電氣技術人員的讀圖習慣及編程水平，所以非常容易接受和掌握。PLC在執(zhí)行梯形圖程序時，用解釋程序?qū)⑺g成匯編語言然后執(zhí)行（PLC內(nèi)部增加了解釋程序）。與直接執(zhí)行匯編語言編寫的用戶程序相比，執(zhí)行梯形圖程序的時間要長一些，但對于大多數(shù)機電控制設備來說，是微不足道的，完全可以滿足控制要求。5.減少了控制系統(tǒng)的設計及施工的工作量 由于PLC采用了軟件來取代繼電器控制系統(tǒng)中大量

9、的中間繼電器、時間繼電器、計數(shù)器等器件，控制柜的設計安裝接線工作量大為減少。同時，PLC的用戶程序可以在實驗室模擬調(diào)試，更減少了現(xiàn)場的調(diào)試工作量。并且，由于PLC的低故障率及很強的監(jiān)視功能，模塊化等.6.體積小、重量輕、功耗低、維護方便 PLC是將微電子技術應用于工業(yè)設備的產(chǎn)品，其結構緊湊，堅固，體積小，重量輕，功耗低。并且由于PLC的強抗干擾能力，易于裝入設備內(nèi)部，是實現(xiàn)機電一體化的理想控制設備。等，使維修也極為方便。2.2總體方案的確定參數(shù)初設如下： （1）電機驅(qū)動方式：反應式步進電機機械傳動方式：滾珠絲杠電氣控制方式：PLC控制功能控制要求：位置控制主要設計參數(shù)：單向工作行程500mm；

10、移動負載質(zhì)量3000N；負載移動阻力1500N；空載最快移動速度2000mm/min；進給速度400mm/min；脈沖當量0.01mm加減速時間2s要求壽命22000h選用滾動直線導軌，工作臺滑動摩擦系數(shù) =0.15； 絲杠材料初選鋼材為40Cr，其HRC為4550。絲杠兩端固定，每個支座安裝一個深溝球軸承。3.機械傳動系統(tǒng)設計及核算計算及說明計算結果3.1導軌的選擇3.1.1已知條件 本設計選擇滾珠絲桿，已知： 單向工作行程500mm 移動速度2m/min 負載質(zhì)量 ：3000N采用2根導軌、2個滑座數(shù)，工作平臺和滑塊的質(zhì)量假設為20kg. 壽命要求 ：22000h 3.1.2動載荷的計算

11、作用在滑座上的力 則單個滑座受力 導軌壽命Th=22000h 行程長度壽命： 其中n為每分鐘運行的次數(shù) 設計平臺上共有滑塊2個，每根導軌1個滑塊。 有 K 壽命系數(shù) 取K=50 硬度系數(shù) 取=1 溫度系數(shù) 取=1 接觸系數(shù) 取=0.81 負荷系數(shù) 取=1.5 則動載荷有： 已知動載荷 Ca=1341N查機電一體化設計手冊 導軌選擇 型號：JSA-LG15滾動導軌 基本額定載荷為7900N 每個滑塊的質(zhì)量為0.2kgls=500mmv=1m/minm1=300kgm2=20kgF=1568NTh=22000hn=2K=50=1=1=0.81=1.5 Ca=1642N型號JSA-LG153.2 滾

12、珠絲桿的選擇及校核3.2.1根據(jù)機器的工作條件及完成的功能，滾珠螺母的循環(huán)方式和預緊方式滾珠螺母的循環(huán)方式為內(nèi)循環(huán)預緊方式為雙螺母墊片預緊導軌的摩擦力為： 移動負載的質(zhì)量 取=300kg= m2 工作臺的質(zhì)量 m2=20kg 導軌的摩擦系數(shù) 取=0.153.2.2 初選絲桿導程 根據(jù)公稱直徑范圍選擇Ph=3mm3.2.3 計算滾珠絲桿的動載荷 動載荷公式為：式中壽命系數(shù)=3.52工作壽命 ,Lh=22000h載荷系數(shù) 動載荷硬度影響系數(shù)短行程系數(shù)1轉(zhuǎn)速系數(shù), Fm 滾珠絲桿等效軸向載荷 K=1.15 Fx負載移動阻力，F(xiàn)x=1500N 計算得3.2.4初選滾珠絲杠副的型號和有關參數(shù) 根據(jù)上面所

13、計算的數(shù)據(jù)，選取的滾珠絲桿的基本額定動載荷要大于計算出來的動載荷。 初步選擇GDM系列1604-3型滾珠絲杠副，為內(nèi)循環(huán)固定反向器雙螺母墊片預緊式滾珠絲杠副，其公稱直徑為16mm，導程為3mm，循環(huán)滾珠為3圈2系列，精度等級取5級，螺母安裝尺寸L=37mm。 其主要參數(shù)：額定動載荷為=4.62KN額定靜載荷為KN 公稱直徑 導程Ph=4mm 預緊力計算 m1=300kgm2=20kg =0.15 =480N Ph=3mm Kh=3.52KF=1.2KH=1.0Kl=1.0Kn=0.36 Fm=705NCa=8272N=4.62KNPh=3mmF0=462N 絲桿螺紋部分長度lu=工作臺最大行程

14、+螺母長度+兩端余程 =500+37+20=557mm 軸承的支撐距離應大于螺紋部分的長度 取支撐距離 =600mm3.2.5絲桿穩(wěn)定性驗算 根據(jù)工作環(huán)境選擇兩端采用角接觸軸承固定的工作方式，則絲桿不發(fā)生失穩(wěn)的最大工作載荷為： 式中： 材料的拉壓彈性模量 鋼取 ； 絲桿軸最小截面慣性矩 ； 為滾珠絲桿的公稱直徑 絲杠小徑 實際承受載荷的能力； 壓桿穩(wěn)定的支撐系數(shù)（雙推雙推時為4，單推單推時為1，雙推簡支時為2，雙推自由式時為0、25），此時??； K 壓桿穩(wěn)定安全系數(shù)（一般去2.54），垂直安裝時取小值，此時取。 符合壓桿穩(wěn)定性要求。3.2.6臨界轉(zhuǎn)速校核 不發(fā)生共振最高轉(zhuǎn)速成為臨界轉(zhuǎn)速，表示

15、絲桿的臨界轉(zhuǎn)速系數(shù) 取 l 臨界轉(zhuǎn)速計算距離 =600mm 長度系數(shù) 轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)速： 能夠達到不共振要求。 此外滾珠絲桿還應滿足發(fā)熱條件 綜上，滾珠絲桿滿足壓縮失穩(wěn)、共振、發(fā)熱的條件 3.2.7 滾珠絲桿副的系統(tǒng)剛度 (1)軸向載荷F產(chǎn)生的軸向變形量，絲杠采用兩端固定的方式 式中： 絲杠兩支撐間的距離（mm）； 絲杠的計算長度，指和作用處到固定支承端 的距離； 絲杠材料的彈性模量，鋼材的MP； 絲杠的計算截面面積: (2)轉(zhuǎn)矩T產(chǎn)生的軸向變形量: 絲杠的螺紋導程； 絲杠計算截面的極慣性矩： 絲杠材料的切變模量，鋼材的MPa； 螺旋傳動的轉(zhuǎn)矩； 螺旋的倒程角 滾珠絲杠副的當量摩擦系數(shù)：，當量摩擦角；

16、取(3) 軸向載荷F使鋼球與螺旋滾道間產(chǎn)生的軸向變形量 基本額定載荷系數(shù)：當，時，； ，。由于有預緊，所以； 式中 工作螺母中的鋼球總數(shù)j 每列工作圈數(shù) j=1K每個螺母循環(huán)列數(shù) k=3m每圈中鋼球個數(shù) 預緊力，一般取 載荷分布不均勻系數(shù)，一般取軸向總變形量： 絲杠的軸向剛度： 絲杠允許的軸向剛度3.2.8 效率驗算 滾珠絲杠副的傳動效率為 要求在90%95%之間，所以該絲杠副合格。 經(jīng)過上述計算驗證，所選型號規(guī)格滾珠絲杠各項性能均符合題目要求，可選用。3.3電動機的選擇步進電機是將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件。在非超載的情況下，電機的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈

17、沖數(shù)，而不受負載變化的影響，當步進驅(qū)動器接收到一個脈沖信號，它就驅(qū)動步進電機按設定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度，稱為步距角，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運行的?？梢酝ㄟ^控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達到準確定位的目的;同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而達到調(diào)速的目的。3.3.1等效負載轉(zhuǎn)矩計算 選擇傳動比為i=1負載轉(zhuǎn)矩 假設傳動效率為90% 負載總的合力，3.3.2初選電動機型號 已知負載轉(zhuǎn)矩 初選電動機型號為70BF003，其最大靜轉(zhuǎn)矩為 該電機參數(shù)如下：轉(zhuǎn)速：電壓：24V3.4 聯(lián)軸器的選用 根據(jù)步進電動機輸出軸的直徑和滾珠絲杠的直徑，選用YLD05式凸緣聯(lián)軸器。

18、 其公稱轉(zhuǎn)矩 T=3NM許用轉(zhuǎn)速 軸孔直徑d1=8mmd2=8mm 軸孔長度L=25mm（Y型） 螺栓數(shù)量3個，采用M6螺栓 Y型 轉(zhuǎn)動慣量 3.4.1等效轉(zhuǎn)動慣量（1） 滾珠絲杠轉(zhuǎn)動慣量 鋼材密度取（2）工作臺等效到電機輸出軸上 （3）聯(lián)軸器的轉(zhuǎn)動慣量 根據(jù)滾珠螺桿和電動機輸出軸的直徑，選擇YLD1聯(lián)軸器，其轉(zhuǎn)動慣量為 因此，換算到電動機軸上的轉(zhuǎn)動慣量3.5 滾動軸承的選用與校核 初選軸承型號6200-N采用正裝方式，軸承受力情況如下圖所示： 徑向載荷： 軸向載荷：軸承支反力： 軸承派生軸向力：由于，則左邊壓緊，右邊放松，所以: 計算當量動載荷： 查表X=0.41、Y=0.8查表X=1、Y=

19、0工作在中等沖擊：載荷系數(shù)計算當量動載荷： 計算軸承壽命由于 故按P1進行校核假設軸承工作溫度小于120，取溫度系數(shù)查表知球軸承壽命系數(shù)=3每天開機8h，一年按300個工作日，壽命5年以上故=16000h基本額定動載荷： 故計算壽命滿足條件 6200-N深溝球軸承基本尺寸 內(nèi)圈直徑 d=10mm 外圈直徑 D=26mm 軸承寬度 B=8mm 極限轉(zhuǎn)速 n=3700r/min 靜載荷 動載荷 3.7 潤滑與密封裝置由已知條件選擇脂潤滑，密封裝置為毛氈圈。lu=557mm=600mm s=557mm符合要求=666.7r/min符合要求 絲桿滿足使用要求=600mm=557mmMP Ph=3mmMPa Z=60滿足剛度條件 合