單軸直線伺服移動(dòng)機(jī)構(gòu)系統(tǒng)設(shè)計(jì)-2V1

1、 編號(hào) 課 程 設(shè) 計(jì)（論文）題目 單軸直線伺服移動(dòng)機(jī)構(gòu)系統(tǒng)設(shè)計(jì)（2組） 學(xué)院 專 業(yè) 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 班 級(jí) 學(xué)生姓名 學(xué)號(hào) 指導(dǎo)教師 職稱 時(shí) 間 目錄1設(shè)計(jì)任務(wù)1.1 設(shè)計(jì)任務(wù)介紹及意義1.2 設(shè)計(jì)任務(wù)明細(xì)1.3 設(shè)計(jì)的基本要求2總體方案設(shè)計(jì) 2.1 設(shè)計(jì)的基本依據(jù)2.2 總體方案的確定3機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.1機(jī)械傳動(dòng)裝置的組成及原理3.2主要部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算4 結(jié)束語(yǔ)5參考文獻(xiàn)1.設(shè)計(jì)任務(wù)1.1設(shè)計(jì)任務(wù)介紹及意義u 課程設(shè)計(jì)題目單軸直線伺服移動(dòng)機(jī)構(gòu)系統(tǒng)設(shè)計(jì)u 主要設(shè)計(jì)內(nèi)容(1)機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) (2)電氣控制系統(tǒng)u 課程設(shè)計(jì)意義：培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)的基礎(chǔ)理論和專業(yè)知識(shí)，獨(dú)立

2、進(jìn)行機(jī)電控制系統(tǒng)(產(chǎn)品)的初步設(shè)計(jì)工作。 培養(yǎng)學(xué)生搜集、閱讀和綜合分析參考資料，運(yùn)用各種標(biāo)準(zhǔn)和工具書籍以及編寫技術(shù)文件的能力，提高計(jì)算、繪圖等基本技能。培養(yǎng)學(xué)生掌握機(jī)電產(chǎn)品設(shè)計(jì)的一般程序和方法，進(jìn)行工程師基本素質(zhì)的訓(xùn)練。樹立正確的設(shè)計(jì)思想及嚴(yán)肅認(rèn)真的工作作風(fēng)。1.2設(shè)計(jì)任務(wù)明細(xì)：機(jī)電傳動(dòng)單向數(shù)控平臺(tái)設(shè)計(jì)：1.21 電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式：步進(jìn)電機(jī)、直流伺服電機(jī)、交流伺服電機(jī)；1.22 機(jī)械傳動(dòng)方式：螺旋絲桿、滾珠絲桿、同步皮帶、鏈傳動(dòng)等；1.23 電氣控制方式：?jiǎn)纹C(jī)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(shè)計(jì)參數(shù)：?jiǎn)蜗蚬ぷ餍谐?00mm；移動(dòng)負(fù)載質(zhì)量3000N；負(fù)

3、載移動(dòng)阻力1500N；空載最快移動(dòng)速度2000mm/min；進(jìn)給速度400mm/min；脈沖當(dāng)量0.01mm加減速時(shí)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(shè)計(jì)2.1設(shè)計(jì)基本依據(jù)（1）步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)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(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)，它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)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(yùn)行的。步進(jìn)電機(jī)電動(dòng)機(jī)具有以下特點(diǎn)：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(zhǎng)期積累。步進(jìn)電機(jī)每走一步所轉(zhuǎn)過(guò)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(zhǎng)期的累積下去。3、控制性能好，啟動(dòng)、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(yùn)行時(shí)，任何運(yùn)動(dòng)方式都不會(huì)丟失一步。所以，步進(jìn)電機(jī)被廣泛應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床上。（2）滾珠絲杠是將回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動(dòng)，或?qū)⒅本€運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化成直線運(yùn)動(dòng)，這是滾珠螺絲的進(jìn)一步延伸和發(fā)展，這項(xiàng)發(fā)展的重要意義就是將軸承從滾動(dòng)動(dòng)作變成滑動(dòng)動(dòng)作。由于具有很小的摩擦阻力，滾

5、珠絲杠被廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)設(shè)備和精密儀器。滾珠絲杠是工具機(jī)和精密機(jī)械上最常使用的傳動(dòng)元件，其主要功能是將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成線性運(yùn)動(dòng)，或?qū)⑴ぞ剞D(zhuǎn)換成軸向反覆作用力，同時(shí)兼具高精度、可逆性和高效率的特點(diǎn)：1、與滑動(dòng)絲杠副相比驅(qū)動(dòng)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(dòng)運(yùn)動(dòng),所以能得到較高的運(yùn)動(dòng)效率。與過(guò)去的滑動(dòng)絲杠副相比驅(qū)動(dòng)力矩達(dá)到1/3以下,即達(dá)到同樣運(yùn)動(dòng)結(jié)果所需的動(dòng)力為使用滾動(dòng)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(jī)械設(shè)備連貫生產(chǎn)出來(lái)的，特別是在研削、組裝、檢查各工序的工廠環(huán)境方面,對(duì)溫度、濕度進(jìn)行了嚴(yán)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(jìn)給可能 滾珠絲杠副由于是利用滾珠運(yùn)動(dòng),所以啟動(dòng)力矩極小,不會(huì)出現(xiàn)滑動(dòng)運(yùn)動(dòng)那樣的爬行現(xiàn)象,能保證實(shí)現(xiàn)精確的微進(jìn)給。 4、無(wú)側(cè)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(dá)到負(fù)值,進(jìn)而得到較高的剛性(滾珠絲杠內(nèi)通過(guò)給滾珠加予壓力,在實(shí)際用于機(jī)械裝置等時(shí),由于滾珠的斥力可使絲母部的剛性增強(qiáng))。 5、高速進(jìn)給可能 滾珠絲杠由于運(yùn)動(dòng)效率高、發(fā)熱小、所以可實(shí)現(xiàn)高速進(jìn)給(運(yùn)動(dòng))。 （3） PLC的優(yōu)點(diǎn) PLC是面向用戶的專用工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，具有許多明顯的特點(diǎn)。1.可靠性高，抗干擾能力強(qiáng) 為了限制故障的發(fā)生或者在發(fā)生故障時(shí)，能很快查出故障發(fā)生點(diǎn)，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(qiáng)的自診斷能力，能及時(shí)給出出錯(cuò)信息，停止運(yùn)行等待修復(fù)外，還使PC具有了很強(qiáng)的抗干擾能力。2.通用性強(qiáng)，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(shè)計(jì)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(shè)備更新的情況下，不必改變PLC的硬設(shè)備，只需改編程序就可以滿足要求。因此，PLC除應(yīng)用于單機(jī)控制外，在工廠自動(dòng)化中也被大量采用。3.功能強(qiáng)，適應(yīng)面廣 現(xiàn)代PLC不僅有邏輯運(yùn)算、計(jì)時(shí)、計(jì)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(dòng)、

8、通信、人機(jī)對(duì)話、自檢、記錄顯示等功能。既可控制一臺(tái)生產(chǎn)機(jī)械、一條生產(chǎn)線，又可控制一個(gè)生產(chǎn)過(guò)程。4.編程簡(jiǎn)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(shù)人員的讀圖習(xí)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(shí)，用解釋程序?qū)⑺g成匯編語(yǔ)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(yǔ)言編寫的用戶程序相比，執(zhí)行梯形圖程序的時(shí)間要長(zhǎng)一些，但對(duì)于大多數(shù)機(jī)電控制設(shè)備來(lái)說(shuō)，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(shè)計(jì)及施工的工作量 由于PLC采用了軟件來(lái)取代繼電器控制系統(tǒng)中大量

9、的中間繼電器、時(shí)間繼電器、計(jì)數(shù)器等器件，控制柜的設(shè)計(jì)安裝接線工作量大為減少。同時(shí)，PLC的用戶程序可以在實(shí)驗(yàn)室模擬調(diào)試，更減少了現(xiàn)場(chǎng)的調(diào)試工作量。并且，由于PLC的低故障率及很強(qiáng)的監(jiān)視功能，模塊化等.6.體積小、重量輕、功耗低、維護(hù)方便 PLC是將微電子技術(shù)應(yīng)用于工業(yè)設(shè)備的產(chǎn)品，其結(jié)構(gòu)緊湊，堅(jiān)固，體積小，重量輕，功耗低。并且由于PLC的強(qiáng)抗干擾能力，易于裝入設(shè)備內(nèi)部，是實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化的理想控制設(shè)備。等，使維修也極為方便。2.2總體方案的確定參數(shù)初設(shè)如下： （1）電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式：反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)機(jī)械傳動(dòng)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(shè)計(jì)參數(shù)：?jiǎn)蜗蚬ぷ餍谐?00mm；

10、移動(dòng)負(fù)載質(zhì)量3000N；負(fù)載移動(dòng)阻力1500N；空載最快移動(dòng)速度2000mm/min；進(jìn)給速度400mm/min；脈沖當(dāng)量0.01mm加減速時(shí)間2s要求壽命22000h選用滾動(dòng)直線導(dǎo)軌，工作臺(tái)滑動(dòng)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(gè)支座安裝一個(gè)深溝球軸承。3.機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及核算計(jì)算及說(shuō)明計(jì)算結(jié)果3.1導(dǎo)軌的選擇3.1.1已知條件 本設(shè)計(jì)選擇滾珠絲桿，已知： 單向工作行程500mm 移動(dòng)速度2m/min 負(fù)載質(zhì)量 ：3000N采用2根導(dǎo)軌、2個(gè)滑座數(shù)，工作平臺(tái)和滑塊的質(zhì)量假設(shè)為20kg. 壽命要求 ：22000h 3.1.2動(dòng)載荷的計(jì)算

11、作用在滑座上的力 則單個(gè)滑座受力 導(dǎo)軌壽命Th=22000h 行程長(zhǎng)度壽命： 其中n為每分鐘運(yùn)行的次數(shù) 設(shè)計(jì)平臺(tái)上共有滑塊2個(gè)，每根導(dǎo)軌1個(gè)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(fù)荷系數(shù) 取=1.5 則動(dòng)載荷有： 已知?jiǎng)虞d荷 Ca=1341N查機(jī)電一體化設(shè)計(jì)手冊(cè) 導(dǎo)軌選擇 型號(hào)：JSA-LG15滾動(dòng)導(dǎo)軌 基本額定載荷為7900N 每個(gè)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(hào)JSA-LG153.2 滾

12、珠絲桿的選擇及校核3.2.1根據(jù)機(jī)器的工作條件及完成的功能，滾珠螺母的循環(huán)方式和預(yù)緊方式滾珠螺母的循環(huán)方式為內(nèi)循環(huán)預(yù)緊方式為雙螺母墊片預(yù)緊導(dǎo)軌的摩擦力為： 移動(dòng)負(fù)載的質(zhì)量 取=300kg= m2 工作臺(tái)的質(zhì)量 m2=20kg 導(dǎo)軌的摩擦系數(shù) 取=0.153.2.2 初選絲桿導(dǎo)程 根據(jù)公稱直徑范圍選擇Ph=3mm3.2.3 計(jì)算滾珠絲桿的動(dòng)載荷 動(dòng)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(dòng)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(fù)載移動(dòng)阻力，F(xiàn)x=1500N 計(jì)算得3.2.4初選滾珠絲杠副的型號(hào)和有關(guān)參數(shù) 根據(jù)上面所

13、計(jì)算的數(shù)據(jù)，選取的滾珠絲桿的基本額定動(dòng)載荷要大于計(jì)算出來(lái)的動(dòng)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(yù)緊式滾珠絲杠副，其公稱直徑為16mm，導(dǎo)程為3mm，循環(huán)滾珠為3圈2系列，精度等級(jí)取5級(jí)，螺母安裝尺寸L=37mm。 其主要參數(shù)：額定動(dòng)載荷為=4.62KN額定靜載荷為KN 公稱直徑 導(dǎo)程Ph=4mm 預(yù)緊力計(jì)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(zhǎng)度lu=工作臺(tái)最大行程

14、+螺母長(zhǎng)度+兩端余程 =500+37+20=557mm 軸承的支撐距離應(yīng)大于螺紋部分的長(zhǎng)度 取支撐距離 =600mm3.2.5絲桿穩(wěn)定性驗(yàn)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(shí)際承受載荷的能力； 壓桿穩(wěn)定的支撐系數(shù)（雙推雙推時(shí)為4，單推單推時(shí)為1，雙推簡(jiǎn)支時(shí)為2，雙推自由式時(shí)為0、25），此時(shí)??； K 壓桿穩(wěn)定安全系數(shù)（一般去2.54），垂直安裝時(shí)取小值，此時(shí)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(jì)算距離 =600mm 長(zhǎng)度系數(shù) 轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)速： 能夠達(dá)到不共振要求。 此外滾珠絲桿還應(yīng)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(jì)算長(zhǎng)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(jì)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(dǎo)程； 絲杠計(jì)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(dòng)的轉(zhuǎn)矩； 螺旋的倒程角 滾珠絲杠副的當(dāng)量摩擦系數(shù)：，當(dāng)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(dāng)，時(shí)，； ，。由于有預(yù)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(gè)螺母循環(huán)列數(shù) k=3m每圈中鋼球個(gè)數(shù) 預(yù)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(yàn)算 滾珠絲杠副的傳動(dòng)效率為 要求在90%95%之間，所以該絲杠副合格。 經(jīng)過(guò)上述計(jì)算驗(yàn)證，所選型號(hào)規(guī)格滾珠絲杠各項(xiàng)性能均符合題目要求，可選用。3.3電動(dòng)機(jī)的選擇步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)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(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號(hào)的頻率和脈

17、沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)，它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)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(yùn)行的?？梢酝ㄟ^(guò)控制脈沖個(gè)數(shù)來(lái)控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的;同時(shí)可以通過(guò)控制脈沖頻率來(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。3.3.1等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩計(jì)算 選擇傳動(dòng)比為i=1負(fù)載轉(zhuǎn)矩 假設(shè)傳動(dòng)效率為90% 負(fù)載總的合力，3.3.2初選電動(dòng)機(jī)型號(hào) 已知負(fù)載轉(zhuǎn)矩 初選電動(dòng)機(jī)型號(hào)為70BF003，其最大靜轉(zhuǎn)矩為 該電機(jī)參數(shù)如下：轉(zhuǎn)速：電壓：24V3.4 聯(lián)軸器的選用 根據(jù)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)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(zhǎng)度L=25mm（Y型） 螺栓數(shù)量3個(gè)，采用M6螺栓 Y型 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 3.4.1等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（1） 滾珠絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 鋼材密度?。?）工作臺(tái)等效到電機(jī)輸出軸上 （3）聯(lián)軸器的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 根據(jù)滾珠螺桿和電動(dòng)機(jī)輸出軸的直徑，選擇YLD1聯(lián)軸器，其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為 因此，換算到電動(dòng)機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量3.5 滾動(dòng)軸承的選用與校核 初選軸承型號(hào)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(jì)算當(dāng)量動(dòng)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(jì)算當(dāng)量動(dòng)載荷： 計(jì)算軸承壽命由于 故按P1進(jìn)行校核假設(shè)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(jī)8h，一年按300個(gè)工作日，壽命5年以上故=16000h基本額定動(dòng)載荷： 故計(jì)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(dòng)載荷 3.7 潤(rùn)滑與密封裝置由已知條件選擇脂潤(rùn)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