機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例修改

1、 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例 6.1 6.1 臥式車(chē)床數(shù)控化改造設(shè)計(jì)臥式車(chē)床數(shù)控化改造設(shè)計(jì) 6.2 6.2 數(shù)控車(chē)床自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)數(shù)控車(chē)床自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì) 6.3 X-Y 6.3 X-Y數(shù)控工作臺(tái)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)數(shù)控工作臺(tái)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì) 6.4 6.4 波輪式全自動(dòng)洗衣機(jī)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)波輪式全自動(dòng)洗衣機(jī)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì) 第三節(jié) X-Y數(shù)控工作臺(tái)機(jī)電系 統(tǒng)設(shè)計(jì) X-Y數(shù)控工作臺(tái)是許多機(jī)電一體化設(shè)備的基本部件，如數(shù)控車(chē)床的縱-橫向進(jìn)刀機(jī)構(gòu)、數(shù)控銑床和數(shù)控鉆床的X-Y工作臺(tái)、激光加工設(shè)備的工作臺(tái)、電子元件表面貼裝設(shè)備等。因此，選擇X-Y數(shù)控工作臺(tái)作為機(jī)電綜合課程設(shè)計(jì)的內(nèi)容，對(duì)

2、于機(jī)電一體化專(zhuān)業(yè)的教學(xué)具有普遍意義。 模塊化的X-Y數(shù)控工作臺(tái)，通常由導(dǎo)軌座、移動(dòng)滑塊、工作平臺(tái)、滾珠絲杠螺母副以及伺服電動(dòng)機(jī)等部件構(gòu)成。其外觀形式如圖6-22所示。其中，伺服電動(dòng)機(jī)作為執(zhí)行元件用來(lái)驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠，滾珠絲杠的螺母帶動(dòng)滑塊和工作平臺(tái)在導(dǎo)軌上運(yùn)動(dòng)，完成工作臺(tái)在X、Y方向的直線(xiàn)移動(dòng)。導(dǎo)軌副、滾珠絲杠螺母副和伺服電動(dòng)機(jī)等均已標(biāo)準(zhǔn)化，由專(zhuān)門(mén)廠(chǎng)家生產(chǎn)，設(shè)計(jì)時(shí)只需根據(jù)工作載荷選取即可。控制系統(tǒng)根據(jù)需要，可以選用標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，也可以設(shè)計(jì)專(zhuān)用的微機(jī)控制系統(tǒng)。 圖6-22 X-Y數(shù)控工作臺(tái)外形 3. 直線(xiàn)滾動(dòng)導(dǎo)軌副的計(jì)算與選型 （ 1）滑塊承受工作載荷 的計(jì)算及導(dǎo)軌型號(hào)的選取 工作載荷是影響

3、直線(xiàn)滾動(dòng)導(dǎo)軌副使用壽命的重要因素。本例中的X-Y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)面的工作載荷全部由一個(gè)滑塊承擔(dān)，則單滑塊所受的最大垂向載荷為： = F （6-12）其中，移動(dòng)部件重量G800N，外加載荷F= Fz= 556N，代入（6-12）式得最大工作載荷PC=756N=0.756kN。 查表3-41，根據(jù)工作載荷PC=0.756kN，初選直線(xiàn)滾動(dòng)導(dǎo)軌副的型號(hào)為KL系列的JSA-LG15型，其額定動(dòng)載荷Ca=7.94 kN，額定靜載荷C0a=9.5 kN。 任務(wù)書(shū)規(guī)定工作臺(tái)面尺寸為230mm230mm，加工范圍為250mm250mm，考慮工作行程應(yīng)

4、留有一定余量，查表3-35，按標(biāo)準(zhǔn)系列，選取導(dǎo)軌的長(zhǎng)度為520mm。CP4G （2）距離額定壽命 的計(jì)算 上述選取的KL系列JSA-LG15型導(dǎo)軌副的滾道硬度為HRC60，工作溫度不超過(guò)100，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3-40，分別取硬度系數(shù) =1.0，溫度系數(shù) =1.00，接觸系數(shù) =0.81，精度系數(shù) =0.9， 載荷系數(shù) =1.5， 代入式（3-33），得距離壽命： 6649 km遠(yuǎn)大于期望值50km，故距離額定壽命滿(mǎn)足要求。HfTfCfRfWf3HTCRaWC50f f f fCLfP 4. 滾珠絲杠螺母副的計(jì)算與選型 （1）最大工作載

5、荷Fm的計(jì)算 如圖3-20所示，承受最大銑削力時(shí)，工作臺(tái)受到進(jìn)給方向的載荷（與絲杠軸線(xiàn)平行）Fx=1609N，受到橫向的載荷（與絲杠軸線(xiàn)垂直）Fy = 366N，受到垂向的載荷（與工作臺(tái)面垂直）Fz= 556N。已知移動(dòng)部件總重量G=800N，按矩形導(dǎo)軌進(jìn)行計(jì)算，查表3-29，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)=0.005。求得滾珠絲杠副的最大工作載荷 Fm = KFx + （Fz + Fy + G） = 1.11609 + 0.005 ( 556 + 366 + 800 ) N 1779 N（2）最大動(dòng)載荷FQ的計(jì)算 設(shè)工作臺(tái)在承受最大銑削力時(shí)的最快進(jìn)給速度 =400mm/m

6、in，初選絲杠導(dǎo)程 =5 mm，則此時(shí)絲杠轉(zhuǎn)速n=v/Ph = 80 r/min。 取滾珠絲杠的使用壽命T=15000 h，代入L0=60nT/106，得絲杠壽命系數(shù)L0=72（單位為：106 r）。查表3-30，取載荷系數(shù)fW =1.2，滾道硬度為HRC60時(shí)，取硬度系數(shù)fH=1.0，代入式（3-23），求得最大動(dòng)載荷： FQ 8881 NvhPmHWFffL30 （3）初選型號(hào) 根據(jù)計(jì)算出的最大動(dòng)載荷和初選的絲杠導(dǎo)程，查表3-32，選擇濟(jì)寧博特精密絲杠制造有限公司生產(chǎn)的G系列2005-3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20 mm，導(dǎo)程為5 mm，循環(huán)滾珠為3圈1列，精

7、度等級(jí)取4級(jí)，額定動(dòng)載荷為9309 N，大于FQ，滿(mǎn)足要求。 （4）傳動(dòng)效率的計(jì)算 將公稱(chēng)直徑d0=20mm，導(dǎo)程Ph=5mm， 代入= arctanPh/(d0)， 得絲杠螺旋升角=4 33。 將摩擦角=10， 代入=tan / tan(+), 得傳動(dòng)效率 =96.4%。（5）剛度的驗(yàn)算 1）X-Y工作臺(tái)上下兩層滾珠絲杠副的支承均采用“單推-單推”的方式，見(jiàn)書(shū)后圖6-23。絲杠的兩端各采用一對(duì)推力角接觸球軸承，面對(duì)面組配，左、右支承的中心距離約為a=500mm；鋼的彈性模量 2.1 Mpa；查表3-32，得滾珠直徑 =3.175mm，絲杠底徑 =16.2 mm，絲杠截面積 /4=206.12

8、mm2。忽略式（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1=Fma/（ES） =1779500/（2.1 206.12） mm 0.0205 mm。 2）根據(jù)公式 ( )-3,求得單圈滾珠數(shù) =20；該型號(hào)絲杠為單螺母，滾珠的圈數(shù)列數(shù)為31，代入公式： 圈數(shù)列數(shù)，得滾珠總數(shù)量 =60。絲杠預(yù)緊時(shí)，取軸向預(yù)緊力 = /3=593 N。則由（3-27）式，求得滾珠與螺紋滾道間的接觸變形量 0.0026 mm。 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 =0.0013mm。 3）將以上算出的 和 代入 ，求得絲杠總變形量（對(duì)應(yīng)跨度500mm）

9、 0.0218 mm=21.8m。 由表3-27知,5級(jí)精度滾珠絲杠有效行程在315400mm時(shí)，行程偏差允許達(dá)到25m，可見(jiàn)絲桿剛度足夠。ZwDd /0ZZZZYJFmF221221總總（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Fk。查表3-31，取支承系數(shù) =1；由絲杠底徑 =16.2 mm，求得截面慣性矩 3380.88 mm ；壓桿穩(wěn)定安全系數(shù) 取3（絲杠臥式水平安裝）；滾動(dòng)螺母至軸向固定處的距離 取最大值500mm。代入式（3-28），得臨界載荷 9343N，遠(yuǎn)大于工作載荷 =1779N，故絲杠不會(huì)失穩(wěn)。 綜上所述，初選的滾珠絲杠副滿(mǎn)足使用要求。kf2d64/42

10、dIKakFmF5. 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)減速箱的選用 為了滿(mǎn)足脈沖當(dāng)量的設(shè)計(jì)要求，增大步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩，同時(shí)也為了使?jié)L珠絲杠和工作臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上盡可能地小，今在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的輸出軸上安裝一套齒輪減速箱。采用一級(jí)減速，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的輸出軸與小齒輪聯(lián)接，滾珠絲杠的軸頭與大齒輪聯(lián)接。其中大齒輪設(shè)計(jì)成雙片結(jié)構(gòu)，采用圖3-8所示的彈簧錯(cuò)齒法消除側(cè)隙。 已知工作臺(tái)的脈沖當(dāng)量=0.005 mm/脈沖，滾珠絲杠的導(dǎo)程Ph=5 mm，初選步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角=0.75。根據(jù)（3-12）式，算得減速比： i=(Ph)/(360) =(0.755)/(3600.005)=25:12 本設(shè)計(jì)選用常州市新月電機(jī)有

11、限公司生產(chǎn)的JBF-3型齒輪減速箱。大小齒輪模數(shù)均為1mm，齒數(shù)比為75:36，材料為45號(hào)調(diào)質(zhì)鋼，齒表面淬硬后達(dá)HRC55。減速箱中心距為 (75+36)1/2 mm55.5 mm，小齒輪厚度為20mm，雙片大齒輪厚度均為10mm。 6. 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的計(jì)算與選型 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的計(jì)算與選型參見(jiàn)第四章第三節(jié)相關(guān)內(nèi)容。 （1）計(jì)算加在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 已知：滾珠絲杠的公稱(chēng)直徑 =20 mm，總長(zhǎng)l =500mm，導(dǎo)程 5mm，材料密度 ；移動(dòng)部件總重量G=800N;小齒輪寬度 20mm，直徑 =36 mm;大齒輪寬度 20mm，直徑 =75 mm；傳動(dòng)比i =25/12。 參照表4-1，

12、算得各個(gè)零部件的轉(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 =0.617 拖板折算到絲杠上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 =0.517 小齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 =0.259 大齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 =4.877 。eqJ0dhP33/1085. 7cmkg1b1d2b2dSJWJ1zJ2zJ2cmkg2cmkg2cmkg2cmkg 初選步進(jìn)電動(dòng)機(jī)型號(hào)為90BYG2602，為兩相混合式，由常州寶馬集團(tuán)公司生產(chǎn)，二相四拍驅(qū)動(dòng)時(shí)步距角為0.75，從表4-5查得該型號(hào)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 。則加在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為： = + +( + + )/ =30.35 eqJmJ1zJ2zJWJSJ2i2cmkg 2）計(jì)

13、算加在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩 分快速空載起動(dòng)和承受最大工作負(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 由式（4-8）可知， 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 ；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 ；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 。因?yàn)闈L珠絲杠副傳動(dòng)效率很高，根據(jù)（4-12）式可知， 相對(duì)于 和 很小，可以忽略不計(jì)。則有： = + （6-13）eqT1eqT1eqTmaxaTfT0T0TmaxaTfT1eqTmaxaTfT 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

14、到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大加速轉(zhuǎn)矩： （6-14）式中 nm 對(duì)應(yīng)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； 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)由靜止到加速至nm轉(zhuǎn)速所需的時(shí) 間，單位為s。 其中： （6-15）式中 空載最快移動(dòng)速度，任務(wù)書(shū)指定為3000mm/min； 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)步距角，預(yù)選電動(dòng)機(jī)為0.75； 脈沖當(dāng)量，本例=0.005mm/脈沖。將以上各值代入式（6-15），算得nm=1250r/min。1602maxameqatnJTat360maxvnmmaxv 設(shè)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)由靜止到加速至nm轉(zhuǎn)速所需時(shí)間 =0.4s，傳動(dòng)鏈總效率=0.7。則由式（6-14）求得： 1.42（Nm）由式（4-10）可

15、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： （6-16）則由式（6-16），得： 0.002（Nm）最后由式（6-13），求得快速空載起動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩： = + = 1.422 N （6-17）at7 . 04 . 06012501035.3024maxaTiPGFThzf2)(12/257 . 02005. 0)8000(005. 0fT1eqTmaxaTfT 2）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 由式（4-13）可知， 包括三部分：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Tt ；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Tf ；還有一部分是

16、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，T0相對(duì)于Tt和Tf很小，可以忽略不計(jì)。則有： = Tt + Tf （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Tt由（4-14）式計(jì)算。本例中在對(duì)滾珠絲杠進(jìn)行計(jì)算的時(shí)候，已知沿著絲杠軸線(xiàn)方向的最大進(jìn)給載荷Fx=1609N ，則有： 0.88（Nm）2eqT2eqT2eqT12/257 . 02005. 016092iPFThft 再由式（4-10）計(jì)算垂直方向承受最大工作負(fù)載（Fz=556N）情況下，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： = 0.004（Nm）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)

17、載轉(zhuǎn)矩為： = Tt + Tf = 0.884 Nm （6-19） 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： = max ， = 1.422 NmiPGFThzf2)(12/257 . 02005. 0)800556(005. 02eqTeqT1eqT2eqT （3） 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)最大靜轉(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) 來(lái)選擇步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的最大靜轉(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)的最大靜轉(zhuǎn)矩應(yīng)滿(mǎn)足： Tjmax 4 = 41.422 Nm =5.688

18、 Nm (6-20) 上述初選的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)型號(hào)為90BYG2602，由表4-5查得該型號(hào)電動(dòng)機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩Tjmax = 6 Nm ?？梢?jiàn)，滿(mǎn)足（6-20）式的要求。 （4）步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的性能校核 1）最快工進(jìn)速度時(shí)電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩校核 任務(wù)書(shū)給定工作臺(tái)最快工進(jìn)速度 =400mm/min，脈沖當(dāng)量=0.005mm/脈沖由（4-16）式求出電動(dòng)機(jī)對(duì)應(yīng)的運(yùn)行頻率 =400/(600.005)Hz 1333Hz。從90BYG2602電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行矩頻特性曲線(xiàn)圖6-24可以看出，在此頻率下，電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩 5.6Nm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于最大工作負(fù)載轉(zhuǎn)矩 =0.884Nm，滿(mǎn)足要求。 2）最快空載移動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩校核