一维工作台设计说明书

电子精密机械设计课程设计一维伺服移动工作台设计说明书（仅供参考）目 录课程设计任务2设计任务介绍2设计内容2一、分析工作条件和设计要求3二、电机选型3三、滚珠丝杠的选型4四、联轴器的选型9五、转矩讨论10六、电机的校核12七、联轴器校核13八、导轨选型13九、轴承的校核14十、轴承的校核18十一、系统谐振频率计算18十二、光栅的选型19附录20课程设计任务一、 设计任务介绍：一维伺服移动工作台整体结构为完成一维伺服移动工作台的设计，需设计的机械系统包括：伺服电机、减速器、联轴器、滚珠丝杠、直线导轨、光栅传感器等。设计内容一维工作台整体结构：一维工作台整体结构由于工件重量(100N)，工作台轴向载荷(300N)均很小，初选不考虑减速器。 一、分析工作条件和设计要求给定参数：工作台承重载荷：G0=100N，工作台轴向载荷：Fa=300N，工作台最大移动速度：vmax=0.5m/s，有效行程：S=900 mm，加速时间常数：t=0.1s， 加速度：a=Vmaxt=0.50.1=5m/s2，重力加速度 g=9.8N/kg.1. 工作台设计尺寸为：40020020mm，选用2A11,根据结构设计，工作台质量：m台=5.816kg，载荷 G总=G0+m台g=100+56.99=156.99N，根据经验，暂定采用双导轨4滑块，滑块质量为0.4kg.二、电机选型整体质量M=m工+m台+m螺=1009.8+5.816+1.113=17.13kg,a. 摩擦力 Ff2，滚动导轨摩擦系数0.003,0.005，取=0.005;Ff=Mg=17.139.80.005=0.84N,b. 惯性力 F惯=Mvt=17.130.50.1=85.665N,最大轴向力 Fmax=Ff+F惯+Fa=0.84+85.665+300=386.505N,最大功率 Pmax=Fmaxvmax=386.505N0.5=193.25W,查机械设计手册P579：取轴承=0.98，联轴器=0.903，丝杠=0.95,取安全系数为2电机所需功率 Pm=Pmax轴2滚联=193.2520.9820.9930.9=450.30W,选择电机，见松下电机手册P57：P额=750WAC200 V用，额定转速 3000r/4500rmax额定转矩为2.4Nm转子转动惯量J转=0.9710-4kgm2,惯量比为20倍以下三、滚珠丝杠的选型：运动方向：水平，运送质量：mt=1009.8=10.20kg,导向摩擦系数：0.0030.005，取=0.005，导向面摩擦阻力：Ff=0.84N，轴向外部载荷：Fa=300N，希望寿命（转数）：L=60nT=1.8109rev,行程长度：ls=900mm，操作速度：vmax=0.5m/s， 加速度时间：t1=t3=0.1s,等速时间：t2=0.90.10.50.520.5=1.7s,加速度：a=vmaxt=0.50.1=5m/s2,加速距离：l1=0.10.50.5=0.025m=25mm,等速距离：l2=850mm，减速距离：l3=25mm，每分钟往返次数：602(t1+t2+t3)=15.79次/min导程精度：按一般机械选择高精度C3，导程：Ph=Umaxn额60i=0.51000603000=10mm，丝杠导程应大于或等于10mm，选取Ph=10mm，根据THK滚珠丝杠手册A-692，选择18或20，再根据机电一体化设计P36，选择支承方式为：固定-支撑。1. 计算轴向载荷，以18，20中，18最小，即若18满足，则其他满足，dPh=1810的丝杠，沟槽谷径d1=15.5mm,dPh=2010的丝杠，沟槽谷径d1=16.4mm,见THK滚珠丝杠手册B-648挠性载荷：P1=2d14la2104=1015.5410002104=5772.0Fmax=414.610N,其中固定支撑的2=10，la为安装距离（估为1000mm），丝杠轴的容许拉伸压缩载荷P2=11615.52=27869Fmax,由以上计算可选取18, 20, 25, 28, 32等。2. 容许转速：丝杠最高转速：Nmax=3000rpm, Nmax=vmax60103Ph=0.56010310=3000rpmN1=2d1lb2107=15.12110002107=3171rpmNmax=3000rpm见THK滚珠丝杠手册A-698DN值认定的许用转速根据THK手册，B-650B-657，选取型号 BIF 2510-A，L1=100mm, dc=21.4mm, dp=26.3mm,取25时，N2=13000026.3=4942.97 rpm Nmax,静态安全系数：Fmax=C0afs其中 C0a=33kN，取fs=2.5，Fmax=332.5=13.2kNFa max3. 寿命计算a) 去程加速运行时F1=Fa+Ff+F惯=0.84+85.61+300=386.51N，l1=25,等速运行时F2=Fa+Ff=0.84+300=300.84N，l2=850,减速运行时F3=Fa+Ff-F惯=0.84+300-85.66=215.18N，l3=25,b) 回程加速运行时F4=Fa-Ff-F惯=300-0.84-85.67=213.49N，l4=25,等速运行时F5=Fa-Ff=300-0.84=299.16N，l5=850,减速运行时F6=Fa-Ff+F惯=300-0.84+85.67=384.83N，l6=25,正 Fm1=3F13l1+F23l2+F33l3+F43l4+F53l5+F63l6l1+l2+l3+l4+l5+l6=301.36N,负 Fm2=0，Fa=Fm1=301.36N,L=(CafwFa)3106=(71001.5301.36)3106=3.87109 rev 1.8109 rev,Lh=LPh260nls=3.871091026015.79900=22721.58 h 10000 h,丝杠寿命符合要求。为确定定位精度，需较好刚度，取25，即 BIF 2510A-5，l1=100 mm,以此讨论支撑单元，见THK滚珠丝杠手册A-804:减小安装尺寸 取BK17 BF17。四、联轴器的选型：丝杠轴段长23mm，轴径为15，电机MSNID 750W轴段长32mm，轴径为19,根据MISUMI联轴器手册，选择联轴器型号为MISUMI SCXW46，相关参数：容许扭矩：101Nm, 最高转速：Nmax=10000 rpm, 转动惯量J联=4.710-5kgm2.五、转矩讨论转矩由三部分计算：负载转矩T1，滚珠丝杠预压引起转矩T2，惯性转矩T3，1. 负载转矩T1T1=FPn2i, F=Fa+Ff=300+0.84=300.84N,T1=300.841020.951=504.06 Nmm,2. 预压转矩T2T2=0.05(tan)-12Fa0Ph2预压载荷：根据THK滚珠丝杠手册 A-758，预压载荷取0.05Ca，Ca=15.8KN，Fa0=0.05Ca=0.0515.8103=790N，tan=Pndp=1026.3,T2=0.05(1026.3)-0.5790102=180.70 Nmm,螺纹长度螺纹外径=101025=40，C3精度，见THK滚珠丝杠手册 A-689:扭矩变动率为45%T2=180.70145%=180.7081.32 Nm,所以T2=Tmax=262.02 Nmm.3. 惯性转矩T3查表得丝杠转动惯量Js=3.0110-3 kgm2,J=m(Pn2)21i210-6+Js1i2=17.13(102)210-6+3.0110-310-41119=3.80210-4 kgm2,角加速度 =2nmax60t1=23000600.1=3141.59 rad/s2,T3=J+Jm+J联 =(3.80210-4+0.9710-4+4.7010-5)3141.59=1646.82 Nmm,其中，Jm为电机转子惯量，为0.9710-4 kgm2, J联为联轴器转动惯量，为4.7010-5 kgm2,t1=0.1s 加速时：Tk=T1+T2+T3=504.06+262.02+1646.82=2412.9 Nmmt2=1.7s 匀速时：Tt=T1+T2=504.45+262.02=766.08 Nmmt3=0.1s 减速时：Tg=T1+T2-T3=504.06+262.02-1646.82=-880.74 Nmm六、电机的校核最高使用转速：nn=300 rpm,马达额定转速：nmax=3000 rpm,所需最大转矩：Tmax=Tk=1675.57 Nmm,电机瞬时最大转矩：Tpmax=7100 Nmm,有效转矩：Trmg=Tk2t1+Tt2t2+Tg2t3t1+t2+t3=1675.5720.1+766.0821.7+143.4120.10.1+1.7+0.1=820.94Nmm Trmg,负载惯量 J=J+J联=1.45510-4+4.7010-5=1.92510-4 kgm2,电机转子惯量Jm=0.9710-4 kgm2,J=1.98Jm, 1.9820 满足要求(下图见松下电机手册P60)七、联轴器校核Tca=kAT, 由机械设计与制造简明手册表13-2，KA1.5,2.0,由于选取刚性联轴器，所以取较大KA值，取KA=2.0，T取Tmax=1675.57 Nm,TCa=KAT=2.01824.56=3.65 Nm 10Nm,Nmax 0.68,P=0.4111.6+0.87386.50521.1=191.90 N,Ln=10660nm(CP)=106603000(10800191.9)3=990316 h右极限：Ft1+Ft2=Tmaxr=134.05 NFt1+Ft261=Ft11052Ft1=7.77 N Ft2=126.28 NFA=Ft1=7.770 N,FB= Ft2=126.28 N,对于6203, 径向载荷FB=126.28 N, 轴向载荷Fa=0,FaFB=0当量动载荷P=Fr=FB=126.28 NLn=10660nm(CP)=106603000(9.55103126.28)3=2.40106 h,对于7203, 径向载荷Fa=386.5052=193.2525 N,轴向载荷FA=7.77 N,FaFA=24.870.68,P=0.417.77+0.87386.50521.1=190.16 N,Ln=10660nm(CP)=106603000(10800190.16)3=1017750 h,综上，轴承的寿命为990316h，符合要求。十、轴承的校核1.轴向刚度对精度的影响滚珠丝杠的拉压刚度：kk=ds2E4l,ks=A-E1000l, 其中，l为安装间距,ksmin=421.422.061051000991=74.77 N/m,ksmax=421.422.06105100061=1214.66 N/m,螺母的拉压刚度：kN=kFa00.1Ca130.8=5000.05Ca0.1Ca130.8=317.48 N/m,其中，Fa0=0.05Ca, k=500 N/m,支撑轴承: 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=Fa1kmin-1kmax=3.79 m,2.轴向间隙，单向不考虑。3.导程精度：由THK A-678表1,螺纹 1000 mm, C3精度为2115m,轴向变动 由表2: C3精度为8m/300mm,即810003000=26.67 m,4. 温度影响：加冷却，不考虑。故, 精度=3.79+2115+26.67=51.4615 m,取=66.46 m.十一、系统谐振频率计算1. 电机: n=3000 rpm, p=750 W, Jm=0.9710-4 kgm2,2. 滚珠丝杠: d=25 mm, ds=21.4 mm,l=900 mm,导程l0=10 mm,转速n=3000 rpm,传动比i=1 (无减速箱),3. 工作台: w=G0+G1=N+(4.384+0.3652+0.3512+1.113)9.8 =17.1339.8=167.9034 N,最大进给速度v=30 mpm,导轨摩擦系数=0.003,J1=Jm=0.9710-4 kgm2,Jeq=Jsi2+(l02)2wi210-6=3.0210-3 kgm2 k1=km=d14G32lmin=3.140.01948.11010320.032=32368.99 Nm/rad,k2=ks=d24G32lmin=3.140.021448.11010321.119=1489.67 Nm/rad,ke=kmkskm+ks=1424.13 Nm/rad,wn=ke(J1+J