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文檔簡介
重慶理工大學(xué)機(jī)電一體化課程設(shè)計(jì)X-Y水平十字滑臺(tái)
說明書班級(jí):學(xué)號(hào):機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè):姓名:機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化教師:時(shí)間:2015年6月22日-7月10日機(jī)電一體化課程設(shè)計(jì)目錄TOC\o"1-5"\h\z一、設(shè)計(jì)目的 1二、設(shè)計(jì)任務(wù) 2三、總體方案的確定 31、機(jī)械傳動(dòng)部件的選擇 32、控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 4四、機(jī)械傳動(dòng)部件的計(jì)算與選型 41、導(dǎo)軌上移動(dòng)部件的重量估算 42、銃削力的計(jì)算 43、直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副的計(jì)算與選型 74、滾珠絲杠螺母副的計(jì)算與選型 95、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)減速箱的選用 136、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的計(jì)算與選型 137、增量式旋轉(zhuǎn)編碼器的選用 198、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的選擇 199、聯(lián)軸器的選擇 21五、工作臺(tái)機(jī)械裝配圖的繪制 22六、工作臺(tái)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 22七、十字滑臺(tái)運(yùn)動(dòng)控制程序的編制 22八、結(jié)語 25參考文獻(xiàn) 26機(jī)電一體化課程設(shè)計(jì)一、設(shè)計(jì)目的課程設(shè)計(jì)是一個(gè)重要的時(shí)間性教學(xué)環(huán)節(jié),要求學(xué)生綜合的運(yùn)用所學(xué)的理論知識(shí),獨(dú)立進(jìn)行設(shè)計(jì)訓(xùn)練,主要目的:1、通過設(shè)計(jì),使學(xué)生全面地、系統(tǒng)地了解和掌握數(shù)控機(jī)床的基本組成及其思想知識(shí),學(xué)習(xí)總體的方案擬定,分析與比較的方法。2、通過對(duì)機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì),掌握幾種典型傳動(dòng)元件與導(dǎo)向元件的工作原理、設(shè)計(jì)計(jì)算及選用的方式3、培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立分析問題和解決問題的能力,學(xué)習(xí)并樹立“系統(tǒng)設(shè)計(jì)”的思想4、鍛煉提高學(xué)生應(yīng)用手冊(cè)和標(biāo)準(zhǔn)、查閱文獻(xiàn)資料及撰寫科技論文的能力二、設(shè)計(jì)任務(wù)1、設(shè)計(jì)題目X-Y數(shù)控工作臺(tái)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)2、任務(wù)設(shè)計(jì)一種供立式數(shù)控銃床使用的X-Y數(shù)控工作臺(tái)。要求可以設(shè)定工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)速度,實(shí)現(xiàn)正向/反向點(diǎn)動(dòng)、正向/反向連續(xù)運(yùn)動(dòng)、啟動(dòng)、停止、急停、軟硬限位等功能。3、主要設(shè)計(jì)參數(shù)1.立銃刀最大直徑d=16mm2.立銃刀齒數(shù)Z=33.最大銃削寬度ac=10mm4.最大銃削深度ap=8mm5.加工材料為碳素鋼6.X,Y方向的脈沖當(dāng)量都為0.01mm/脈沖7.X,Y方向的定位精度都為±0.02mm8.工作臺(tái)面尺寸為350mmX350mm,加工范圍為450mmX450mm9.X,Y方向工作臺(tái)空載最快移動(dòng)速度都為2500mm/min10.X,丫方向工作臺(tái)進(jìn)給速度都為400mm/minJK1I■rr -E*fFII-j—i:7L1L5
機(jī)電一體化課程設(shè)計(jì)三、總體方案的確定1、機(jī)械傳動(dòng)部件的選擇⑴導(dǎo)軌副的選用 W狩疹要設(shè)計(jì)的X-Y工作臺(tái)是用來配套輕型的立式數(shù)控銃床,需要承鷹|蓼蒙"載的載荷不大,但脈沖當(dāng)量?。?尸二°-01mm/勺,定位港!經(jīng)1精度高(、12二400mm/min),因此,決定選用直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副,它具有摩擦系數(shù)小、不易爬行、傳動(dòng)效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、安裝預(yù)緊方便等優(yōu)點(diǎn)。選直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副(2)絲杠螺母副的選用伺服電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)需要通過絲杠螺母副轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動(dòng), 行鯊涔聲要滿足0.01mm的脈沖當(dāng)量和±0.01mm的定位精度,滑動(dòng)絲杠副 暴康汽W無能為力,只有選用滾珠絲杠副才能達(dá)到。滾珠絲杠副的傳動(dòng)孽a必聲精度高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、壽命長、效率高、預(yù)緊后可 J消除反向間隙,而且滾珠絲杠已經(jīng)系列化,選用非常方便,有利于提高開發(fā)效率。選滾動(dòng)絲杠螺母副(3)減速裝置的選用選擇了步進(jìn)電動(dòng)機(jī)和滾珠絲杠副以后,為了圓整脈沖當(dāng)量,放大電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩,降低運(yùn)動(dòng)部件折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,可能需要減速裝置,且應(yīng)有消除間隙機(jī)構(gòu)。擬采用減速器(4)伺服電動(dòng)機(jī)的選用 |任務(wù)書規(guī)定的脈沖當(dāng)量尚未達(dá)到0.001mm,定位精度也未達(dá)到微米級(jí),空載最快移動(dòng)速度也只有2500mm/min。因此,本設(shè)計(jì)不必采用高檔次的伺服電動(dòng)機(jī),如交流伺服電動(dòng)機(jī)或直流伺服電動(dòng)機(jī)等,可以選用性能好一些的步進(jìn)電動(dòng)機(jī),如混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī),以降低成本,提高性價(jià)比。伺服電機(jī)選步進(jìn)電機(jī)(5)檢測裝置的選用選用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)作為伺服電動(dòng)機(jī)后,可選開環(huán)控制,也可選閉環(huán)控制。任務(wù)書所給精度對(duì)于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)來說還是偏高的,為了確保電動(dòng)機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中不受切削負(fù)載和電網(wǎng)的影響而失步,決定采用半閉環(huán)控制,并在電動(dòng)機(jī)的尾部轉(zhuǎn)軸上安裝增量式旋轉(zhuǎn)編碼器,用以檢測電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)角與轉(zhuǎn)速。增量式旋轉(zhuǎn)編碼器的分辨率應(yīng)與步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角相匹配。檢測裝置的選用:增量式旋轉(zhuǎn)編碼器
機(jī)電一體化課程設(shè)計(jì)考慮到X、丫兩個(gè)方向的加工范圍相同,承受的工作載荷相差不大,為了減少設(shè)計(jì)工作量,X、丫兩個(gè)坐標(biāo)的導(dǎo)軌副、絲杠螺母副、減速裝置、伺服電動(dòng)機(jī),以及檢測裝置擬采用相同的型號(hào)與規(guī)格。2、控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)(1)設(shè)計(jì)的X-Y工作臺(tái)準(zhǔn)備用在數(shù)控銃床上,其控制系統(tǒng)應(yīng)該具有單坐標(biāo)定位、兩坐標(biāo)直線插補(bǔ)與圓弧插補(bǔ)的基本功能,所以控制系統(tǒng)應(yīng)該設(shè)計(jì)成連續(xù)控制型。連續(xù)控制型(2)對(duì)于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的半閉環(huán)控制,選用MPC2810運(yùn)動(dòng)控制卡,應(yīng)該能夠滿足任務(wù)書給定的相關(guān)指標(biāo)。控制器選:MPC2810運(yùn)動(dòng)控制卡(3)要設(shè)計(jì)一臺(tái)完整的控制系統(tǒng),在選擇運(yùn)動(dòng)控制卡之后,還需要轉(zhuǎn)接板作為與其他電器元件連接的樞紐。需要轉(zhuǎn)接板(4)選擇合適的驅(qū)動(dòng)電源,與步進(jìn)電動(dòng)機(jī)配套使用,我們將自行設(shè)計(jì)。自行設(shè)計(jì)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電源計(jì)mH機(jī)MPC2810運(yùn)動(dòng)七六用1*整體方國軸電機(jī)軀動(dòng)器案設(shè)計(jì)區(qū)軸步進(jìn)電機(jī)區(qū)軸滋珠絲杠■1—lr臺(tái)系統(tǒng)總體方案圖卡—k空軸電機(jī)驅(qū)動(dòng)器1T丫軸步進(jìn)電機(jī)1丫軸滾珠絲杠|-1編鼬由四、機(jī)械傳動(dòng)部件的計(jì)算與選型1、導(dǎo)軌上移動(dòng)部件的重量估算按照下導(dǎo)軌上面移動(dòng)部件的重量來進(jìn)行估算。包括工件、夾具、工作平臺(tái)、上層電動(dòng)機(jī)、減速箱、滾珠絲杠副、直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副、導(dǎo)軌座等,估計(jì)重量約為900N。G=900N2、銃削力的計(jì)算設(shè)零件的加工方式為立式銃削,采角質(zhì)合金立銃刀,工件的材料為碳鋼。則由表2-1查得立銃時(shí)的銃削力計(jì)算公式為:硬質(zhì)合金銃刀銃削力的計(jì)算公式(單位N)[3]16銃刀類型工件材料銃削力公式機(jī)電一體化課程設(shè)計(jì)面銃刀碳鋼F=11278a1.06f0.88d-1.3a0.90n-0.18Zc e z p灰鑄鐵F=539a1.0f0.74d-1.0a0.90Zc ez p可鍛鑄鐵F=4825a1.1f0.75d-1.3a1.0n-0.20Zc ez p圓柱銃刀碳鋼F=1000a0.88f0.75d-0.87a1.0Zc e z p灰鑄鐵F=596a0.9f0.80d-0.90a1.0Zc ez p三面刃銃刀碳鋼F=2560a0.9f0.80d-1.1a1.1n-0.1Zc ez p兩面刃銃刀F=2746a0.8f0.70d-1.1a0.85Zc ez p立銃刀F=118a0.85f0.75d-0.73a1.0n-0.13Zc e z p期中:ap為背吃刀量mm;ae為側(cè)吃刀量mm;fz為每齒進(jìn)給量mm/Z;vf進(jìn)給速度mm/min;Z銃刀齒數(shù);d銃刀直徑mm;n銃刀轉(zhuǎn)速r/min,見圖2-1。F=118。0.85f0.75d-0.73a1.0n-0.13Z (2-1)c ez pC立規(guī)b)牌柱斷削心)端跣圖2-1銃削用量說明若銃刀直徑d=16mm,齒數(shù)2=3,為了計(jì)算最大銃削力,在不對(duì)稱銃削情況下,取最大銃削寬度ae=10mm,背吃刀量ap=8,每齒進(jìn)給量fz=0.1mm/Z;銃刀轉(zhuǎn)速n=300r/min。則由公式2-1求得最大銃削力: P ZF=118x100.85x0.10.75x16-0.73x81.0x3000.13x3h989Nc采用立銃刀進(jìn)行圓柱銃削時(shí),各銃削力之間的比值可由表2-2。表2-2各銃削力之間比值
機(jī)電一體化課程設(shè)計(jì)銃削條件比值對(duì)稱銃削不對(duì)稱銃削逆銃順銃端銃削ae=(0.4~0.8)d/mmfz=(0.1?0.2)/(mm.z-1))Ff/Fc0.3?0.40.6?0.90.15?0.3f cFe/Fc0.85?0.950.45?0.700.9?1.0仁/ Fc0.50?0.550.50?0.550.5?0.55圓柱銃削ae=0.05d/mmfz=(0.1?0.2)/(mm.z-1))Ff / Fc1.0?1.20.8?0.9仁/ Fc0.2?0.30.75?0.8Fe/Fc0.35?0.40.325?0.4圖2-3順銃與逆銃用回柱形械刀詵削力b)囪銃力銃削力圖2-2銃削力分析由表2-2,圖2-2和圖2-3,考慮逆銃情況,可估算出三個(gè)方向的銃削力分別為:F=1.1F氏1088NF=0.38F氏376NF=376NzFx=1088NF=0.25F氏F=376NzFx=1088N圖2-3a為臥銃情況,現(xiàn)考慮立銃,則工作臺(tái)受到垂直方向的銃削力Fz=Fe=376N,受到水平
機(jī)電一體化課程設(shè)計(jì)方向的銃削力分別為耳和Ffn。今將水平方向較大的銃削力分配給工作臺(tái)的縱向(絲杠軸線方向),則縱向銃削力Fx=Ff=1088N,徑向銃削力Fy=Ffn=247N。Fy=247N3、直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副的計(jì)算與選型(1)滑塊承受工作載荷Fmax的計(jì)算及導(dǎo)軌型號(hào)的選取工作載荷是影響直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副使用壽命的重要因素。X-Y工作臺(tái)采用水平布置,利用雙導(dǎo)軌、四滑塊的支承形式。考慮最不利的情況,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直方向載荷為:F=G+Fmax4 (2-2)其中,移動(dòng)部件重量G=900N,外加載荷尸=尸2=376犯代入式2-2得最大工作載荷F=G+F=900+376=601N=0.601kNmax4 4查表3-41【3】48,根據(jù)工作載荷Fmax=0.609kN,初選直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副的型號(hào)為ZL系列的JSA-LG15型,其額定動(dòng)載荷Ca=7.94kN,額定靜載荷C0a=9.5kN。任務(wù)書規(guī)定工作臺(tái)面尺寸為350mmX350mm,加工范圍為450mmX450mm,考慮工作行程應(yīng)留有一定余量,查表3-35[3]45,按標(biāo)準(zhǔn)系列,選取導(dǎo)軌長度為820mm.表3-35JSA型導(dǎo)軌長度系列導(dǎo)軌副的型號(hào):ZL系列的JSA-LG15型導(dǎo)軌長度為820mm導(dǎo)軌型號(hào)導(dǎo)軌長度系JSA-LG15280340400460520580640700760820940JSA-LG20340400520580640760820940100011201240JSA-LG2546064080010001240136014801600184019603000JSA-LG3552060084010001080124014801720220024403000JSA-LG4555065750850950125014501850205025503000JSA-LG5566078090010201260138015001980222027003000JSA-LG65820970112012701420157017202020232027703000
機(jī)電一體化課程設(shè)計(jì)(2)距離額定壽命L的計(jì)算上述選取的ZL系列JSA-LG15型導(dǎo)軌副的滾道硬度為60HRC,工作溫度不超過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。查表表2-4硬度系數(shù)距離壽命為180km遠(yuǎn)大于期望值50km,故距離額定壽命滿足要求滾道硬度(HRC)505558~64fH0.530.81.0表2-5溫度系數(shù)工作溫度/℃<100100~150150~200200~250fT1.000.900.730.60表2-6接觸系數(shù)每根導(dǎo)軌上滑塊數(shù)12345fC1.000.810.720.660.61表2-7精度系數(shù)精度等級(jí)2345fR1.1.00.90.9表2-8載荷系數(shù)工況無外部沖擊或震動(dòng)的低速場合,速度小于15m/min無明顯沖擊或振動(dòng)的中速場合,速度為15?60m/min有外部沖擊或振動(dòng)的高速場合,速度大于60m/minfW1~1.51.5~22?3.5分別取硬度系數(shù)fH=1.0、溫度系數(shù)fT=1.00、接觸系數(shù)fC=0.81、精度系數(shù)fR=0.9、載荷系數(shù)fW=1.5,代入式2-3【3】46,得所選絲杠的距離壽命為180km。?。╢’ffj.C丫L=HTCR——LX50f fW max (2-3)機(jī)電一體化課程設(shè)計(jì)r(1.0X1.00X0.81X0.9X7.94丫L= x50您12658km>>50km即I1.5x0.601 )結(jié)論:所選導(dǎo)軌的距離壽命遠(yuǎn)大于期望值50km,故距離額定壽命滿足要求。4、滾珠絲杠螺母副的計(jì)算與選型(1)最大工作載荷Fm的計(jì)算在立銃時(shí),工作臺(tái)受到進(jìn)給方向的載荷(與絲杠軸線平行)Fx=2082N,受到橫向的載荷(與絲杠軸線垂直)Fy=473N,受到垂直方向的載荷(與工作臺(tái)面垂直)Fz=719N。已知移動(dòng)部件總重量G=900N,按矩形導(dǎo)軌進(jìn)行計(jì)算,查表2-913】38,表2-9最大工作載荷Fm實(shí)驗(yàn)計(jì)算公式及參考系數(shù)導(dǎo)軌類型實(shí)驗(yàn)公式Kp矩形導(dǎo)軌F=KF+^(F+F+G)1.10.15燕尾導(dǎo)軌F=KF+n(F+2F+G)1.40.2三角形或綜合導(dǎo)軌F=KF+^(F+G)1.150.15?0.8最大工作載荷:注:表中摩擦因數(shù)D均為滑動(dòng)導(dǎo)軌。對(duì)于貼塑導(dǎo)軌D=0.03?0.05,滾動(dòng)導(dǎo)軌D=0.003?0.005。表中,F(xiàn)x為進(jìn)給方向載荷,F(xiàn)y為橫向載荷,F(xiàn)z為垂直載荷,單位均為N;G為移動(dòng)部件總Fm=1204N重力,單位為N;K為顛覆力矩影響系數(shù);D為導(dǎo)軌的摩擦系數(shù)。取移動(dòng)部件總重量G=900N,按矩形導(dǎo)軌進(jìn)行計(jì)算,查表2-9,取顛覆力矩影響系數(shù)K=1.1,滾動(dòng)導(dǎo)軌上的摩擦因素^=0.005。求得滾珠絲杠副的最大工作載荷:、F=KF+r(F+F+G)=1.1x1088+0.005x(247十376+900”1204N(2)最大動(dòng)載荷FQ的計(jì)算設(shè)工作臺(tái)在承受最大銃削力時(shí)的最快進(jìn)給速度v=400mm/min,初選絲杠導(dǎo)程Ph=4mm,則此時(shí)絲杠轉(zhuǎn)速n=v/Ph=100r/min。取滾珠絲杠的使用壽命T=15000h,代入L0=60nT/106,得絲杠壽命系數(shù)L0=90(單位為:106r)。
機(jī)電一體化課程設(shè)計(jì)查表2-10【3】39,取載荷系數(shù)fW=1.2,滾道硬度為60HRC時(shí),取硬度系數(shù)出=1.0,代入式2-413】38FQ二NLfwfJm (2-4)即FQ=頓x1.2x1.0X1204x6475N式中:L0——滾珠絲杠副的壽命,單位(106r)。L0=60nT/106,(其中T為使用壽命,普通機(jī)械取T=5000?10000h,數(shù)控機(jī)床及一般機(jī)電設(shè)備取T=15000h;n為絲杠每分鐘轉(zhuǎn)速);最大動(dòng)載荷fW 載荷系數(shù),由表2-10查得。FQ=6475NfH——硬度系數(shù)(三58HRC時(shí),取1.0;等于55HRC時(shí),取1.11;等于52.5HRC時(shí),取1.35;等于50HRC時(shí),取1.56;等于45HRC時(shí),取2.40);Fm 滾珠上杠田的取人工作載荷,單位為n。表2-10滾珠絲杠載荷系數(shù)運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)載荷系數(shù)fW平穩(wěn)或輕度沖擊1.0?1.2中等沖擊1.2?1.5較大沖擊或振動(dòng)1.5?2.5(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,查附件3表3-31【3】39,選擇濟(jì)寧博特精密絲杠制造有限公司生產(chǎn)的GD系列2504-4型滾珠絲杠副,為內(nèi)循環(huán)固定反向器單螺母式,其公稱直徑為25mm,導(dǎo)程為4mm,循環(huán)滾珠為3圈X2歹U,精度等級(jí)取5級(jí),額定動(dòng)載荷為7674N,大于FQ,滿足要求。GD系列2504-4型滾珠絲杠副(4)傳動(dòng)效率n的計(jì)算九將公稱直徑d0=25mm,導(dǎo)程Ph=4mm,代入'=胡戊河P4兀d0)],得絲杠螺旋升角=2°54' 將 摩 擦 角 ①"10' 代 入n=94.8%>90%,合格。n=tan九/tan(九+。)=tan2.91/tan(2.91+10/60)=94.8%得傳動(dòng)效率n=94.8%效率要求大于90%,該絲杠副合格。
機(jī)電一體化課程設(shè)計(jì)(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。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=550mm;鋼的彈性模量E=2.1X105MPa;查附件3,得滾珠直徑DW=2.381mm,絲杠底徑d2=22.1mm,絲杠截面積S=幾d2/4=383.6mm2。絲杠的拉伸或壓縮變形量31在總變形量中的比重較大,可按下式計(jì)算:c FatMa2 一"二土E土2兀IE (2-5)[3]41式中:Fm——絲杠的最大工作載荷,單位為Na——絲杠兩端支承間的距離,單位為mmE 絲杠材料的彈性模量,鋼的E-2.1X105MPaS——絲杠按底徑d2確定的截面積,單位為mm2M 轉(zhuǎn)矩,單位為N,mmI——絲杠按底徑d2確定的截面積慣性矩(I-兀d4/64),單位為mm4滾珠與螺紋滾道間的接粗變形量32 ,11尢預(yù)緊時(shí) 82—0.0038^1元有預(yù)緊時(shí)。20,0013101式中DW 滾珠直徑,mmZE—-滾珠總數(shù)量,ZE-ZX圈Z——單圈滾珠數(shù),Z=兀d0/DFyj——預(yù)緊力,單位N忽略式2-5中的第二項(xiàng),算得絲巾Fa 1204x550 …即。=m= 六0.011ES 2.1x105x383.6(F丫元T (2-6)[3]411Fm (2-7)[3]41DFYJZ|/10數(shù)X列數(shù)攻(外循環(huán)),Z=4d0/DW)-3(內(nèi)循環(huán))「在工作載荷Fm作用下產(chǎn)生的拉/壓變形量-0.0124mm13mm10
機(jī)電一體化課程設(shè)計(jì)2)根據(jù)公式Z=QdJDW)-3,求得單圈滾珠數(shù)2=30;該型號(hào)絲杠為單螺母,滾珠的圈數(shù)*列數(shù)為3*2,代入公式:Z廣ZX圈數(shù)X列數(shù),得滾珠總數(shù)量Z\=180。絲杠預(yù)緊時(shí),取軸向預(yù)緊力FYJ=Fm/3=1204/3。401N。則由式2-7,滾珠與螺紋滾道間的接觸變形量32 F 1204 10aFZ2/10 10V2.381X401x1802/10WwYJE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,2=0.00055mm。3)將以上算出的3和32代入8="+52=0.0113+0.00055=11.90從m。絲杠的有效行程為528mm,由表3-27⑶35知,5級(jí)精度滾珠絲杠有效行程在500?630mm時(shí),行程偏差允許達(dá)到32um,可見絲杠剛度足夠。絲杠剛度足夠(6)壓桿穩(wěn)定性校核滾珠絲杠是屬于受軸向力的細(xì)長桿,如果軸向負(fù)載過大,則可能產(chǎn)生失穩(wěn)現(xiàn)象。失穩(wěn)時(shí)的臨界載荷Fk應(yīng)滿足:廠f兀2EI 廠F=t >F (2-8)⑶42k Ka2 m式中Fk——臨界載荷,單位Nfk——絲杠支承系數(shù),如表所示K——壓桿穩(wěn)定安全系數(shù),一般取2.5?4,垂直安裝時(shí)取小值;A——滾珠絲杠兩端支承間的距離,單位為mm。表2-11絲杠支承系數(shù)【3】42絲杠不會(huì)失穩(wěn)方式雙推-自由雙推-簡支雙推-雙推單推-單推fk0.25241查表2-11,取fk=1;由絲杠底徑d2=16.2mm,求得截面慣性矩:I=兀d4/64氏11709.52mm4;壓桿穩(wěn)定系數(shù)K取3(絲杠臥式水平安裝);滾動(dòng)螺母11
機(jī)電一體化課程設(shè)計(jì)至軸向固定處的距離a取最大值780mm。代入式2-8,得臨界載荷Fk^13297N,4于工作載荷Fm=1204N,故絲杠不會(huì)失穩(wěn)。綜上所述,初選的滾珠絲杠副滿足使用要求。綜上所述,初選的滾珠絲杠副滿足使用要求5、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)減速箱的選用已知工作臺(tái)脈沖當(dāng)量3=0.01mm/脈沖,滾珠絲杠導(dǎo)程Ph=4mm,初選步進(jìn)電機(jī)步距角,aP 0.9x4 ?1= h-= =1a=0.9°,由公式 360哈360x0.01 ,傳動(dòng)比為1時(shí)達(dá)不到減速的效果,故本次設(shè)計(jì)不需要減速器。6、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的計(jì)算與選型(1)初選步進(jìn)電機(jī)的型號(hào)1)空載狀態(tài)下電機(jī)轉(zhuǎn)軸所受負(fù)載包括三部分,一部分是電動(dòng)機(jī)空載啟動(dòng)時(shí)折算到轉(zhuǎn)軸上最大加速度轉(zhuǎn)矩Tmax,一部分是移動(dòng)部件運(yùn)動(dòng)時(shí)折算到計(jì)算機(jī)轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩丁上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T0,T0相對(duì)于Tt和Tf很小,可以忽略不計(jì)。則有:T.=Tamax+T1 2兀/n1T=J8—= eqm—…八3amaxeqn 60/n由公式 a'式中:Jeq——步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,kg.m2—12
機(jī)電一體化課程設(shè)計(jì)£——電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸的角加速度,rad/s2nm 電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速,r/minta——電動(dòng)機(jī)加速所用時(shí)間,s,一般在0.3?1s之間選取。(這里取0.4s)n 總效率,取n=0.7va2500x0.9n=max= =625r/minm360b360x0.01式中vmax 空載最快移動(dòng)速度,任務(wù)書指定為2500mm/min;a——步進(jìn)電機(jī)步距角,預(yù)選電動(dòng)機(jī)為0.9°5——脈沖當(dāng)量,任務(wù)書指定為0.01mm/P由式得TTamax2冗x11.12x10-4x62560x0.4x0.7
N?m氏0.2599N?m氏氏0.0058NmfFPMF+G)PT=-n~~h= j hf2兀叩i 2兀叩i
0.005x(376+900)x0.0042kx0.7x1電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速=625r/min(2-11)F=RF=R(F+G)(2-12)快速空載啟動(dòng)時(shí)折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大加速轉(zhuǎn)矩=0.2599Nm式中F摩——導(dǎo)軌的摩擦力,NPh——滾珠絲杠導(dǎo)程,mn——總傳動(dòng)效率,取n=0.7i 總的傳動(dòng)比,i=nm/ns,其中nm為電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速,ns為絲杠的轉(zhuǎn)速。U——導(dǎo)軌摩擦因數(shù)(滑動(dòng)導(dǎo)軌取0.15?0.18),滾動(dòng)導(dǎo)軌取0.003?0.005);這里取0.005Fz——垂直方向的工作載荷,空載時(shí)Fz=0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=0.0058NmFP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=0.0058NmFPYJh2兀叩式中: u——導(dǎo)軌摩擦因數(shù)(滑動(dòng)導(dǎo)軌取0.15?0.18),滾動(dòng)導(dǎo)軌取0.003?0.005);Fc——垂直方向的工作載荷,車削時(shí)為Fc,立銃時(shí)為Fz單位為N,空載時(shí)Fc=0;G——運(yùn)動(dòng)部件的總總量,單位為N(2-13)式中FYJ——滾珠絲杠的預(yù)緊力,一般取滾珠絲杠工作載荷Fm的1/3,單位為N;n0——滾珠絲杠未預(yù)緊時(shí)的傳動(dòng)效率,一般取n0三0.913
機(jī)電一體化課程設(shè)計(jì)由于滾珠絲杠副的傳動(dòng)效率很高,所以T0值一般很小,與Tamax和Tf比起來,通??梢院雎圆挥?jì)。由式2-9得快速空載啟動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩:T1=T+T+T0XT +Tf=0.2599+0.0058=0.266N?m考慮到不用減速箱,取減速比i=1算步距角360i360id 360義1x0.01=0.9。NOVAC7.5/1工加 5硫4.5/R15/102訊2NOVAC7.5/1工加 5硫4.5/R15/102訊211OBYG25OA110BYG250AMnnv4c0,9”12.3H12配11U4lft/6工耨6/104/121IDBYG25OBI10BYG250BM110VAC”加15/213/411/6SJ/87/104.5712IlftBYGlW:IIOBYG-iSnCMI10V4C0.9u1H//1Idft14/412/fiIM即山刖2H0BYG250D11OBYG25CDM110VACo.g”18//11磁14/412/6m隊(duì)口 覺U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=0(即忽略)快速空載啟動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩=0.266Nm主要拳敷步距角QW1J0機(jī)身長1171mm靜力矩125KE.an弓四教5電流6A電阻0.1電感121aH轉(zhuǎn)動(dòng)慣里S4Wg.c定位力矩O.5kg.cm重里9Jkg14機(jī)電一體化課程設(shè)計(jì)產(chǎn)品摘逑L25.9I—:E? :H1T--:LT :dl? 1—:D1:h110MG250k:113:16:39:85:3:15:84:172 :110MG250B:11Z:16:39:85:3:15:84:220 :110MG250C:115:16:39:85:3:15:84:250 :L1D25.95.9查表得該型號(hào)電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jm=8.4kg*cm2兀pd41_nx7.85x10-3x2.54x783232=2.35kg?cm2(式中長度單位均為cm)托板折算到轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量12m2900x =0.37kg?cm29.8則步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J=J+Js+J=11.12kg.cm2eqm2)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Teq2Tqq2-Tt+Tf+T0 (2-14)式中:Tf和T0分別按式2-11和2-13計(jì)算。15機(jī)電一體化課程設(shè)計(jì)Tt——折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大工作負(fù)載轉(zhuǎn)矩T二FP二1088乂0.004.0.99N?mt2兀Hi 2兀義0.7義1(2-15)式中Ff——進(jìn)給方向最大工作載荷,單位N。本設(shè)計(jì)對(duì)滾珠絲杠進(jìn)行計(jì)算的時(shí)候,已知沿著絲杠軸線方向的最大進(jìn)給載荷Fx=2802N。由式2-11得:垂直方向承受最大工作負(fù)載(Fz=719N)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:T二工二竺±竺二。?!?式376+900.0.004.0.007雙.mf2兀Hi 2兀Hi 2兀義0.7義1則由式2-14得:T=T+T+TXT+T=0.997Ngm綜上計(jì)算,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:T=max&jTJ=0.997Ngm折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大工作負(fù)載轉(zhuǎn)矩=0.99Nm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=0.007Nm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Teq=0-997Nm綜上計(jì)算,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:0.997Nm(3)步進(jìn)電機(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)Teq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)。這里取安全系數(shù)K=4,則步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩應(yīng)滿足:T >4T=4x0.997=3.988Ngm上述初選的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)型號(hào)為110BYG250A,由附件4表4-5查得該型號(hào)電動(dòng)機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩Tmax=12.5Ngm??梢?,滿足要求。步進(jìn)電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩滿足要求。(4)步進(jìn)電機(jī)性能校核1)最快工作速度時(shí)電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩校核16任務(wù)書給定工作臺(tái)最快加工進(jìn)給速度"maxf400mm/min,脈沖當(dāng)量5-0.01mm/P,貝U電動(dòng)機(jī)對(duì)應(yīng)的運(yùn)行頻率為:f-vmaxf- 400氏666.67Hzmaxf 605 60x0.01矩頻特性曲線圖最快工作速度時(shí)電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩滿足要求。(30VDC.1電莊口半將恒流折牯夔訃)18E12 ~jIIIIIIIIIIJ100 300 5匚IQ 8UU 100U1300-5001SOD 2UUUfCHz)圖2-2110BYG2502步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行距頻特性曲線從圖2-2查得,在此頻率卜,電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩Tmaxf=17Nm,大于最大工作負(fù)載轉(zhuǎn)矩Teq2=0.997Nm,滿足要求。2)最快空載移動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩校核4〃人占十斤八日后』毋工夕-、擊…v -2500mm/min口441T+附、一/一止當(dāng)生力任務(wù)書給定工作臺(tái)最快空載移動(dòng)速度max ,則電動(dòng)機(jī)對(duì)應(yīng)的運(yùn)仃頻率為:,v 2500f-max- -4167Hzmax605 60X0.01從圖2-2查得,在此頻率卜,電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩Tmax=9Nm,大于快速空載啟動(dòng)時(shí)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩Teq1=0.266Nm,滿足要求。最快空載移動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩校核滿足要求3)最快空載移動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行頻率校核與最快空載移動(dòng)速度vmax2500mm/min對(duì)應(yīng)的電動(dòng)機(jī)運(yùn)行頻率可達(dá)4167Hz。查附件4表4-5可知110BYG250A電動(dòng)機(jī)的空載運(yùn)行頻率超過20000Hz,可見沒有超出上限。最快空載移動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行頻率校核滿足要求機(jī)電一體化課程設(shè)計(jì)17機(jī)電一體化課程設(shè)計(jì)4)起動(dòng)頻率計(jì)算已知電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jeq=11.12kg'cm2,電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J8.4kg.cm\電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸不帶任何負(fù)載時(shí)的空載啟動(dòng)頻率f6000Hz(查附件4表4-5)。則可以求出步進(jìn)電動(dòng)機(jī)克服慣性負(fù)載的啟動(dòng)頻率:f=,f =3936HzLJ+JJm因此,要保證步進(jìn)電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)不失步,任何時(shí)候的啟動(dòng)頻率都必須小于3936Hz。實(shí)際上,在采用軟件升降頻時(shí),啟動(dòng)頻率選的更低,通常只有100Hz。綜上所述,工作臺(tái)選用110BYG250A電動(dòng)機(jī)完全滿足設(shè)計(jì)要求。110BYG250A電動(dòng)機(jī)完全滿足設(shè)計(jì)要求7、增量式旋轉(zhuǎn)編碼器的選用本設(shè)t■進(jìn)電機(jī)采用半閉環(huán)控制,在電機(jī)尾座軸上安裝增量式旋轉(zhuǎn)編碼器,用于檢測步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)角與轉(zhuǎn)速,電動(dòng)機(jī)步距角。二°.9°,可知電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一轉(zhuǎn)時(shí)系統(tǒng)發(fā)出360/0.9=400個(gè)步進(jìn)脈沖,電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)過一個(gè)步距角,編碼器對(duì)應(yīng)輸出一個(gè)脈沖信號(hào)。本例選擇編碼器型號(hào)為ZLK-A-400-05VO-16H:盤狀空心型,孔徑16mm,與電動(dòng)機(jī)尾部出軸相匹配,電源電壓+5V,每轉(zhuǎn)輸出400個(gè)A/B脈沖,,信號(hào)為電壓輸出,生產(chǎn)廠家為長春光機(jī)數(shù)顯有限公司。編碼器型號(hào)為ZLK-A-400-05VO-16H:盤狀空心型8、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的選擇本設(shè)計(jì)選擇的步進(jìn)電機(jī)為110BYG250A型,生產(chǎn)廠家為杭州日升電氣設(shè)備有限公司,根據(jù)廠家推薦其,配套型號(hào)的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器為HB206S兩相混合式步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器,其主要參數(shù)及接線圖如下所示:步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器選擇HB206S兩相混合式步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器18
機(jī)電一體化課程設(shè)計(jì)兩相混合式步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器軀動(dòng)器型號(hào)輸出相電流供電電源運(yùn)行拍歙〔步/齒)*注外型尺寸(mm)適配電機(jī)備注點(diǎn)擊查看HB202AC2ADC12---36V4/8132*75*3535、42■,57E的系列兩相混含式步進(jìn)包機(jī)簟HB202M<2ADC12---4LIV256/20VI60/128/100/80/B4/50/40/32725/20/16/10/8/4132*75*3535x42.57MG系列兩相混含式步進(jìn)且機(jī)細(xì)分HB203S<3AAC20---50V或DC24~70V256/20V160/128/100/80/64/50/40/32/25/20/16/10/8/4183*1^12*3542%57、86ETG系列兩相混含式步進(jìn)電機(jī)正弦疲電流細(xì)分MHB204A<4AAC24-40V4/8/16168*1<2*35RAx口n、1mBIG系列兩,目混合式步進(jìn)耳機(jī)aHB205S<6AAC24--5DV或DC36~7DY25C/20V1C0/1ZC/100/80/B4/50/40/32725/20/16/10/8/4183*1^12*35BG、 、110ETG系列兩相混含式步進(jìn)電機(jī)正弦波電流細(xì)分簟HB206S<6AAC£4-50V或DC36~7DY256/200/160/13S/100/80/B4/50/40/32725/20/16/10/8/4158*55*87比、如11UETG系列兩相混含式步進(jìn)電機(jī)正弦波電流細(xì)分簟HB206SH高壓型<6AAC24-U0V5KDC36---15UV256/203/144/128/100/72/B4/40/36/32724/20/16/10/8/4158*55*87EB、9cli110ETG系列兩相混含式步進(jìn)電機(jī)正弦波電流細(xì)分查看HB206A<6AAC40-U0V4/8245+153+7886■.90x110ETG系列兩相混含式步進(jìn)電機(jī)登HB208A<8AAC110---22LIV4/8276*100*86110.130.150ETG系列兩相混含苴步講曰.機(jī)aHB208SN<8AAJC110-220V(40-^110VpJ定制)256/20VI60/128/100/80/64/50/40/32/25/20/16/10/8/4245*153*78110.130.150ETG系列兩相混合式步進(jìn)電機(jī)正弦波電流細(xì)分查看二■適配電機(jī)86.90x11口EYG系列兩相混合式步進(jìn)電機(jī)三、輸入輸出端子端子標(biāo)記功能說明CP+步進(jìn)脈洱口信號(hào)正輸入立而光耦開通沿有效,最小脈宛如區(qū)CP-步進(jìn)1mn信號(hào)負(fù)輸入端DIR+力問;[工市■1信號(hào)正輸入端光耦關(guān)斷時(shí)為正轉(zhuǎn),開通時(shí)為反轉(zhuǎn)DIR-h:F二卜工市i信號(hào)負(fù)輸入端FREE+脫機(jī);卜工市i信號(hào)正輸入端光耦開通時(shí)輸出電流為①電機(jī)無鎖定轉(zhuǎn)矩FREE-脫機(jī)::F二[工幣j信號(hào)負(fù)輸入端P01VER電源:■F-.—F日小電源正常時(shí)發(fā)光管亮(紅色)TIMING相原點(diǎn)指示相原點(diǎn)時(shí)發(fā)光管亮(綠色)ERROR故障才辱驅(qū)動(dòng)器故障時(shí)發(fā)光管亮(紅色)A屋目頭輸出/A疝目尾輸L_J11B于目頭輸k_J-L-I/B于目尾輸L_j-UAC40V電源輸入額定電壓M4g(AC24-50V^DC36V-70V),3A19機(jī)電一體化課程設(shè)計(jì)七、硬件連接聯(lián)軸器選擇聯(lián)軸器選擇LK4十字滑塊聯(lián)軸器。9、聯(lián)軸器的選擇由于十字滑臺(tái)的工作轉(zhuǎn)速比較低,沖擊低,為了提高精度穩(wěn)定性選用可以補(bǔ)償微小平行位移和角位移的十字滑塊聯(lián)軸器,這里選用廣州菱科自動(dòng)化設(shè)備有限公司生產(chǎn)的LK4十字滑塊聯(lián)軸器。LK4十字滑塊聯(lián)軸器20機(jī)電一體化課程設(shè)計(jì)五、工作臺(tái)機(jī)械裝配圖的繪制在完成直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副、滾珠絲杠螺母副、步進(jìn)電機(jī)以及旋轉(zhuǎn)編碼器的計(jì)算與選型后,就可以著手繪制工作臺(tái)的裝配圖了,繪制后的X-Y工作臺(tái)機(jī)械裝配圖見附頁裝配圖。六、工作臺(tái)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)X-Y工作臺(tái)的控制系統(tǒng),按照教師要求,統(tǒng)一選用MPC2810運(yùn)動(dòng)控制卡作為控制系統(tǒng),MPC2810控制卡作為開發(fā)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的平臺(tái),其結(jié)構(gòu)是開放式的。該卡插在PC機(jī)PCI擴(kuò)展槽內(nèi)使用,通過轉(zhuǎn)接板與步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、編碼器、限位開關(guān)等元器件連接,實(shí)現(xiàn)對(duì)十字滑臺(tái)有效的運(yùn)動(dòng)控制。其電氣接線圖見附頁。MPC2810運(yùn)動(dòng)控制卡作為控制系統(tǒng)七、十字滑臺(tái)運(yùn)動(dòng)控制程序的編制本次設(shè)計(jì)采用VB編程,結(jié)合運(yùn)動(dòng)控制卡的編程指導(dǎo)書,其程序框圖及程序編制如下:?選擇控制模式工軸運(yùn)動(dòng)速度最大速度 加速度 運(yùn)動(dòng)距離1軸
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