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文檔簡(jiǎn)介

1、電子精密機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)一維伺服移動(dòng)工作臺(tái)設(shè)計(jì)說明書(僅供參考)目 錄課程設(shè)計(jì)任務(wù)2設(shè)計(jì)任務(wù)介紹2設(shè)計(jì)內(nèi)容2一、分析工作條件和設(shè)計(jì)要求3二、電機(jī)選型3三、滾珠絲杠的選型4四、聯(lián)軸器的選型9五、轉(zhuǎn)矩討論10六、電機(jī)的校核12七、聯(lián)軸器校核13八、導(dǎo)軌選型13九、軸承的校核14十、軸承的校核18十一、系統(tǒng)諧振頻率計(jì)算18十二、光柵的選型19附錄20課程設(shè)計(jì)任務(wù)一、 設(shè)計(jì)任務(wù)介紹:一維伺服移動(dòng)工作臺(tái)整體結(jié)構(gòu)為完成一維伺服移動(dòng)工作臺(tái)的設(shè)計(jì),需設(shè)計(jì)的機(jī)械系統(tǒng)包括:伺服電機(jī)、減速器、聯(lián)軸器、滾珠絲杠、直線導(dǎo)軌、光柵傳感器等。設(shè)計(jì)內(nèi)容一維工作臺(tái)整體結(jié)構(gòu):一維工作臺(tái)整體結(jié)構(gòu)由于工件重量(100N),工作臺(tái)軸向

2、載荷(300N)均很小,初選不考慮減速器。 一、分析工作條件和設(shè)計(jì)要求給定參數(shù):工作臺(tái)承重載荷:G0=100N,工作臺(tái)軸向載荷:Fa=300N,工作臺(tái)最大移動(dòng)速度:vmax=0.5m/s,有效行程:S=900 mm,加速時(shí)間常數(shù):t=0.1s, 加速度:a=Vmaxt=0.50.1=5m/s2,重力加速度 g=9.8N/kg.1. 工作臺(tái)設(shè)計(jì)尺寸為:400×200×20mm,選用2A11,根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),工作臺(tái)質(zhì)量:m臺(tái)=5.816kg,載荷 G總=G0+m臺(tái)g=100+56.99=156.99N,根據(jù)經(jīng)驗(yàn),暫定采用雙導(dǎo)軌4滑塊,滑塊質(zhì)量為0.4kg.二、電機(jī)選型整體質(zhì)量M=

3、m工+m臺(tái)+m螺=100÷9.8+5.816+1.113=17.13kg,a. 摩擦力 Ff2,滾動(dòng)導(dǎo)軌摩擦系數(shù)0.003,0.005,取=0.005;Ff=Mg=17.13×9.8×0.005=0.84N,b. 慣性力 F慣=Mvt=17.13×0.50.1=85.665N,最大軸向力 Fmax=Ff+F慣+Fa=0.84+85.665+300=386.505N,最大功率 Pmax=Fmaxvmax=386.505N×0.5=193.25W,查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)P579:取軸承=0.98,聯(lián)軸器=0.903,絲杠=0.95,取安全系數(shù)為2電機(jī)所需功

4、率 Pm=Pmax×軸2滾聯(lián)=193.25×20.982×0.993×0.9=450.30W,選擇電機(jī),見松下電機(jī)手冊(cè)P57:P額=750WAC200 V用,額定轉(zhuǎn)速 3000r/4500rmax額定轉(zhuǎn)矩為2.4Nm轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J轉(zhuǎn)=0.97×10-4kgm2,慣量比為20倍以下三、滾珠絲杠的選型:運(yùn)動(dòng)方向:水平,運(yùn)送質(zhì)量:mt=1009.8=10.20kg,導(dǎo)向摩擦系數(shù):0.0030.005,取=0.005,導(dǎo)向面摩擦阻力:Ff=0.84N,軸向外部載荷:Fa=300N,希望壽命(轉(zhuǎn)數(shù)):L=60nT=1.8×109rev,行程長(zhǎng)度

5、:ls=900mm,操作速度:vmax=0.5m/s, 加速度時(shí)間:t1=t3=0.1s,等速時(shí)間:t2=0.9×0.1×0.5×0.5×20.5=1.7s,加速度:a=vmaxt=0.50.1=5m/s2,加速距離:l1=0.1×0.5×0.5=0.025m=25mm,等速距離:l2=850mm,減速距離:l3=25mm,每分鐘往返次數(shù):602(t1+t2+t3)=15.79次/min導(dǎo)程精度:按一般機(jī)械選擇高精度C3,導(dǎo)程:Ph=Umaxn額÷60×i=0.5×1000×603000=10m

6、m,絲杠導(dǎo)程應(yīng)大于或等于10mm,選取Ph=10mm,根據(jù)THK滾珠絲杠手冊(cè)A-692,選擇18或20,再根據(jù)機(jī)電一體化設(shè)計(jì)P36,選擇支承方式為:固定-支撐。1. 計(jì)算軸向載荷,以18,20中,18最小,即若18滿足,則其他滿足,d×Ph=18×10的絲杠,溝槽谷徑d1=15.5mm,d×Ph=20×10的絲杠,溝槽谷徑d1=16.4mm,見THK滾珠絲杠手冊(cè)B-648撓性載荷:P1=2×d14la2×104=10×15.5410002×104=5772.0>Fmax=414.610N,其中固定支撐的2=1

7、0,la為安裝距離(估為1000mm),絲杠軸的容許拉伸壓縮載荷P2=116×15.52=27869>Fmax,由以上計(jì)算可選取18, 20, 25, 28, 32等。2. 容許轉(zhuǎn)速:絲杠最高轉(zhuǎn)速:Nmax=3000rpm, Nmax=vmax×60×103Ph=0.5×60×10310=3000rpmN1=2d1lb2107=15.1×2110002×107=3171rpm>Nmax=3000rpm見THK滾珠絲杠手冊(cè)A-698DN值認(rèn)定的許用轉(zhuǎn)速根據(jù)THK手冊(cè),B-650B-657,選取型號(hào) BIF 2510

8、-A,L1=100mm, dc=21.4mm, dp=26.3mm,取25時(shí),N2=13000026.3=4942.97 rpm > Nmax,靜態(tài)安全系數(shù):Fmax=C0afs其中 C0a=33kN,取fs=2.5,F(xiàn)max=332.5=13.2kN>Fa max3. 壽命計(jì)算a) 去程加速運(yùn)行時(shí)F1=Fa+Ff+F慣=0.84+85.61+300=386.51N,l1=25,等速運(yùn)行時(shí)F2=Fa+Ff=0.84+300=300.84N,l2=850,減速運(yùn)行時(shí)F3=Fa+Ff-F慣=0.84+300-85.66=215.18N,l3=25,b) 回程加速運(yùn)行時(shí)F4=Fa-Ff-

9、F慣=300-0.84-85.67=213.49N,l4=25,等速運(yùn)行時(shí)F5=Fa-Ff=300-0.84=299.16N,l5=850,減速運(yùn)行時(shí)F6=Fa-Ff+F慣=300-0.84+85.67=384.83N,l6=25,正 Fm1=3F13×l1+F23×l2+F33×l3+F43×l4+F53×l5+F63×l6l1+l2+l3+l4+l5+l6=301.36N,負(fù) Fm2=0,F(xiàn)a=Fm1=301.36N,L=(CafwFa)3×106=(71001.5×301.36)3×106=3.87

10、×109 rev >1.8×109 rev,Lh=L×Ph2×60×n×ls=3.87×109×102×60×15.79×900=22721.58 h >10000 h,絲杠壽命符合要求。為確定定位精度,需較好剛度,取25,即 BIF 2510A-5,l1=100 mm,以此討論支撐單元,見THK滾珠絲杠手冊(cè)A-804:減小安裝尺寸 取BK17 BF17。四、聯(lián)軸器的選型:絲杠軸段長(zhǎng)23mm,軸徑為15,電機(jī)MSNID 750W軸段長(zhǎng)32mm,軸徑為19,根據(jù)MISUMI聯(lián)

11、軸器手冊(cè),選擇聯(lián)軸器型號(hào)為MISUMI SCXW46,相關(guān)參數(shù):容許扭矩:101Nm, 最高轉(zhuǎn)速:Nmax=10000 rpm, 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J聯(lián)=4.7×10-5kgm2.五、轉(zhuǎn)矩討論轉(zhuǎn)矩由三部分計(jì)算:負(fù)載轉(zhuǎn)矩T1,滾珠絲杠預(yù)壓引起轉(zhuǎn)矩T2,慣性轉(zhuǎn)矩T3,1. 負(fù)載轉(zhuǎn)矩T1T1=FPn2i, F=Fa+Ff=300+0.84=300.84N,T1=300.84×102×0.95×1=504.06 Nmm,2. 預(yù)壓轉(zhuǎn)矩T2T2=0.05(tan)-12Fa0Ph2預(yù)壓載荷:根據(jù)THK滾珠絲杠手冊(cè) A-758,預(yù)壓載荷取0.05Ca,Ca=15.8KN,F(xiàn)a

12、0=0.05Ca=0.05×15.8×103=790N,tan=Pn×dp=10×26.3,T2=0.05×(10×26.3)-0.5×790×102=180.70 Nmm,螺紋長(zhǎng)度螺紋外徑=101025=40,C3精度,見THK滾珠絲杠手冊(cè) A-689:扭矩變動(dòng)率為±45%T2=180.70×1±45%=180.70±81.32 Nm,所以T2=Tmax=262.02 Nmm.3. 慣性轉(zhuǎn)矩T3查表得絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Js=3.01×10-3 kgm2,J=m(Pn2)

13、2×1i2×10-6+Js×1i2=17.13×(102)2×10-6+3.01×10-3×10-4×1119=3.802×10-4 kgm2,角加速度 =2×nmax60×t1=2×300060×0.1=3141.59 rad/s2,T3=J+Jm+J聯(lián)' =(3.802×10-4+0.97×10-4+4.70×10-5)×3141.59=1646.82 Nmm,其中,Jm為電機(jī)轉(zhuǎn)子慣量,為0.97×10-

14、4 kgm2, J聯(lián)為聯(lián)軸器轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,為4.70×10-5 kgm2,t1=0.1s 加速時(shí):Tk=T1+T2+T3=504.06+262.02+1646.82=2412.9 Nmmt2=1.7s 勻速時(shí):Tt=T1+T2=504.45+262.02=766.08 Nmmt3=0.1s 減速時(shí):Tg=T1+T2-T3=504.06+262.02-1646.82=-880.74 Nmm六、電機(jī)的校核最高使用轉(zhuǎn)速:nn=300 rpm,馬達(dá)額定轉(zhuǎn)速:nmax=3000 rpm,所需最大轉(zhuǎn)矩:Tmax=Tk=1675.57 Nmm,電機(jī)瞬時(shí)最大轉(zhuǎn)矩:Tpmax=7100 Nmm,有效轉(zhuǎn)矩:

15、Trmg=Tk2t1+Tt2t2+Tg2t3t1+t2+t3=1675.5720.1+766.0821.7+143.4120.10.1+1.7+0.1=820.94Nmm < Tn ,電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩 Te=2400 Nmm > Trmg,負(fù)載慣量 J=J+J聯(lián)=1.455×10-4+4.70×10-5=1.925×10-4 kgm2,電機(jī)轉(zhuǎn)子慣量Jm=0.97×10-4 kgm2,J=1.98Jm, 1.98<20 滿足要求(下圖見松下電機(jī)手冊(cè)P60)七、聯(lián)軸器校核Tca=kAT, 由機(jī)械設(shè)計(jì)與制造簡(jiǎn)明手冊(cè)表13-2,KA1.5,2.0,

16、由于選取剛性聯(lián)軸器,所以取較大KA值,取KA=2.0,T取Tmax=1675.57 Nm,TCa=KA×T=2.0×1824.56=3.65 Nm <10Nm,Nmax <10000 rpm,聯(lián)軸器合格。八、導(dǎo)軌選型1. 預(yù)期額定動(dòng)載荷、靜載荷計(jì)算G1=17.13×9.8=167.90 N,動(dòng)載荷:Ca=fG0+G1=0.005100+167.90=1.34N,靜載荷:C0=fs×P0fc, P0=100+167.904=66.98 N,C0a=2.5×66.980.81=206.72 N,導(dǎo)軌長(zhǎng)度:L900+200+50=1150

17、 mm,靜態(tài)安全系數(shù)fs(1.0, 4.0),由THK導(dǎo)軌手冊(cè)B1-75,接觸系數(shù)fC取0.81,普通負(fù)荷撓度小,所以根據(jù)THK導(dǎo)軌手冊(cè)A1-188選定導(dǎo)軌型號(hào)為THK HSR 20B九、軸承的校核根據(jù)THK手冊(cè)B-752B-753,B-760B-761 (BK型,BF型支撐單元),選取固定端為一對(duì)角接觸球軸承7203,支撐端為一個(gè)深溝球軸承6203.安裝方式如下:基本額定載荷:7203:Cr=10800 N, Cor=6000 N,6203:Cr=9600 N, Cor=4600 N,假設(shè)軸承壽命為6個(gè)月,Lh=6×30×24=4320 h,m=1.86 kg, M=17

18、.13 kg, m1=15 kgM+m+m1=17.13+1.86+1.5×9.8=200.83 kg假定安裝合理,絲杠軸應(yīng)不受垂直徑向載荷,即Fr=0,Famax=386.505 N, Tmax=1675.57 N·mm,Tmaxr=1675.5712.5=134.05 N,左極限:Ft1+Ft2=Tmaxr=134.05 NFt1+Ft2×91=Ft1×1052Ft1=11.60 N Ft2=122.45 NFA=Ft1=11.60 N,FB= Ft2=122.45 N,對(duì)于6203, 徑向載荷FB=122.45 N, 軸向載荷Fa=0,當(dāng)量動(dòng)載荷P

19、=Fr=FB=122.45 NLn=10660nm(CP)=10660×3000(9.55×103122.45)3=2.63×106 h,對(duì)于7203, 徑向載荷Fa=386.5052=193.2525 N,軸向載荷FA=11.6 N,FaFA=16.66>0.68,P=0.41×11.6+0.87×386.5052×1.1=191.90 N,Ln=10660nm(CP)=10660×3000(10800191.9)3=990316 h右極限:Ft1+Ft2=Tmaxr=134.05 NFt1+Ft2×61=

20、Ft1×1052Ft1=7.77 N Ft2=126.28 NFA=Ft1=7.770 N,FB= Ft2=126.28 N,對(duì)于6203, 徑向載荷FB=126.28 N, 軸向載荷Fa=0,FaFB=0當(dāng)量動(dòng)載荷P=Fr=FB=126.28 NLn=10660nm(CP)=10660×3000(9.55×103126.28)3=2.40×106 h,對(duì)于7203, 徑向載荷Fa=386.5052=193.2525 N,軸向載荷FA=7.77 N,FaFA=24.87>0.68,P=0.41×7.77+0.87×386.505

21、2×1.1=190.16 N,Ln=10660nm(CP)=10660×3000(10800190.16)3=1017750 h,綜上,軸承的壽命為990316h,符合要求。十、軸承的校核1.軸向剛度對(duì)精度的影響滾珠絲杠的拉壓剛度:kk=ds2E4l,ks=A-E1000l, 其中,l為安裝間距,ksmin=4×21.42×2.06×1051000×991=74.77 N/m,ksmax=4×21.42×2.06×1051000×61=1214.66 N/m,螺母的拉壓剛度:kN=kFa00.1

22、Ca13×0.8=5000.05Ca0.1Ca13×0.8=317.48 N/m,其中,F(xiàn)a0=0.05Ca, k=500 N/m,支撐軸承: 由THK A-866, BK17 7203, k=125 N/m,kmax=11ksmax+1kN+1ks=111214.66+1317.48+1125=83.52 N/m,kmin=11ksmin+1kN+1ks=1174.77+1317.48+1125=40.78 N/m,k=Fa×1kmin-1kmax=3.79 m,2.軸向間隙,單向不考慮。3.導(dǎo)程精度:由THK A-678表1,螺紋 1000 mm, C3精度為21±15m,軸向變動(dòng) 由表2: C3精度為8m/300mm,即8×10003000=26.67 m,4. 溫度影響:加冷卻,不考慮。故, 精度=3.79+21±15+26.67=51.46±15 m,取=66.46 m.十一、系統(tǒng)諧振頻率計(jì)算1. 電機(jī): n=3000 rpm, p=750 W, Jm=0.97×10-4 kg·m2,2. 滾珠絲杠: d=25 mm, ds=21.4 mm,l=900 mm,導(dǎo)程l

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