机电控制课程设计方案书

机电控制课程设计说明书题目机械手移动平台电动伺服系统设计学号姓名指导教师目录目录1一、设计课题简介2二、系统静态设计3（一）、设计步骤3（二）、确定滚珠丝杠副的导程PH3（三）、确定当量转速NM与当量载荷FM4（四）、预期额定动载荷4（五）、按精度要求确定允许的滚珠丝杠的最小螺纹底径D2M6（六）、确定滚珠丝杠副的规格代号6（七）、确定滚珠丝杠副预紧力FP8（八）、计算行程补偿值C与预拉伸力FT8（九）、确定滚珠丝杠副支承用的轴承规格代号9（十）、滚珠丝杠副工作图设计11（十一）、电机的选择11（十二）、传动系统刚度计算14（十三）、传动系统刚度验算及滚珠丝杠副的精度选择17（十四）、滚珠丝杠副临界压缩载荷FC的校验18（十五）、滚珠丝杠副的极限转速NC的校验19（十六）、DN值校验20（十七）、滚珠丝杠副形位公差的标注20（十八）、电机控制器选型21（十九）、导轨选择22（二十）、传感器选择22三、系统动态设计23（一）、设计任务23（二）、设计过程24四、参考文献31五、设计图纸32一、设计课题简介（一）、题目机械手移动平台电动伺服系统设计（二）、设计目标设计为任务A机械手水平移动所使用的电动伺服平台位置控制系统，由直流无刷伺服电机及滚珠丝杆传动系统驱动，平台能在任意位置准确定位。系统每天开机6小时，每年工作300天，要求工作8年以上，14400小时。（三）、设计要求1、平台有效行程015M2、平台尺寸800800MMLW3、最大负载重量300KG4、定位精度01MM5、最大位移速度015M/S6、最大线加速度06M/S27、最低平稳速度05MM/S8、系统通频带15HZA/A10,10二、系统静态设计（一）、设计步骤（二）、确定滚珠丝杠副的导程PH因电机与丝杠直联，I1VMAX015M/SNMAX1500R/MIN带入得PH6MM/R圆整为PH5MM/R（三）、确定当量转速NM与当量载荷FM最大转速NMAX1500R/MIN最小转速NMIN6R/MIN当量转速NM753R/MIN最大载荷出现在最大负载以及以最大加速度加速时，故最大载荷FMAX01最小载荷出现在无负载以及以最大加速度减速时，故最小载荷FMIN当量载荷FM（四）、预期额定动载荷1、按滚珠丝杠副的预期工作时间LH估算当量转速，753R/MINMNFM当量载荷，434N预期工作时间，测试机床选择6300814400HHLWF负荷系数，平稳无冲击选择1精度系数，2级精度选择1AF可靠性系数，一般选择1C代入得CAM376062（N）2、按滚珠丝杠副的预期运行距离LS计算SMWAMHACLFFCP预期运行距离，一般取250KMS代入得CAM159887（N）3、按滚珠丝杠副的预加最大轴向负载计算MAXAECFF预加负荷系数，轻预载时，选择67E代入得CAM29078（N）综上所述，CAM376062（N）。（五）、按精度要求确定允许的滚珠丝杠的最小螺纹底径D2M（1）估算滚珠丝杠的最大允许轴向变形量M（1/41/5）定位精度最大轴向变形量，M定位精度100M代入得20M2）估算最小螺纹底径D2M丝杠要求预拉伸，取两端固定的支承形式1112行程（1014）已知行程为1500MM,W14000N，001代入得L1785MMF0400ND2M74MM（六）、确定滚珠丝杠副的规格代号选择汤姆森公司的轧制滚珠丝杠轴，具体参数如下公称直径导程螺纹数滚珠直径右旋螺纹轴的最高公差等级左旋螺纹轴的最高公差等级外径螺纹内径最大长度单位长度丝杠轴质量丝杠轴横截面积最小轴惯性矩极惯性矩D0PHDWD1D2IMAXMAIIPMMMMMMMMMMMMKG/MMM2MM4MM416513500P3T71555H1112886000138175E02222E03493E03选择汤姆森公司的用于轧制滚珠丝杠螺母公称直径导程丝杠头数滚珠直径FK型单螺母D0PHDWD1D4D5D6LLML1L3L7G6H13H13MMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMM165135002838554848533105510螺母形状安装孔位置类型循环系统公称轴向间隙承载滚珠圈数动态额定载荷静态额定载荷L8DBLBL10CAMCA0MH13MMMMMMMMMMKNKN40M6158S1ENDCAP004128108175故滚珠丝杠副的型号如下丝杠型号为7832776PS，螺母型号为7832777。D21288MMD2MCAM108KN376062N符合要求（七）、确定滚珠丝杠副预紧力FPFMAX632N代入得FP211N（八）、计算行程补偿值C与预拉伸力FT1、计算行程补偿值C对于两端固定支承，需要预拉伸的滚珠丝杠副应规定目标行程补偿值C,并计算预拉伸力。C行程补偿值（M）T温度变化值25,取25丝杠的线膨胀系数118106/度LU滚珠丝杠副的有效行程MMLU工作台行程螺母长度两个安全行程行程（814）PH1940MM代入得C458725M2、计算预拉伸力FTFT预拉伸力（N）D2滚珠螺纹底径为1288MMT滚珠丝杠的温升25，取25代入得FT8087352N（九）、确定滚珠丝杠副支承用的轴承规格代号1、轴承所承受的最大轴向载荷FBMAX已知FT8087352N，FMAX632N代入得FBMAX14407352N2、轴承类型两端固定的支承形式，选背对背25角接触推力球轴承。3、轴承内径DD略小于D2，D21288MM取D10MM4、轴承预紧力FBPFBMAXFBMAX14407352N代入得FBP48025N故预加负荷FBP5、按样本选轴承型号规格当D10MM，预加负荷FBP时，选择轴承型号为7200AC/DF，D10MM。（十）、滚珠丝杠副工作图设计1、丝杠螺纹长度LSLSLU2LELE20MMLU行程螺母长度1533MM代入得LS1573MM2、两固定支承距离L1按样本查出螺母安装联接尺寸丝杠全长L17853、行程起点离固定支承距离L0由工作图得LS1573MML11613MML1785L020MM（十一）、电机的选择1、作用在滚珠丝杠副上各种转矩计算外加载荷产生的摩擦力矩TFNM3102HFPTF632NPH5MM09代入得TF056NM滚珠丝杠副预加载荷TP产生的预紧力矩（NM）3210HPFP211N代入得TP004NM式中PH滚珠丝杠副导程未预紧的滚珠丝杠副效率（1、2、3级精度的丝杠09，4级精度以下的丝杠085）F作用在滚珠丝杠副上的外加轴向载荷，不同情况下取值不一样。若计算电机启动转矩时，机械是空载起动，F是导轨摩擦力（垂向动动F还包括机构重量）若计算电机工作转矩时，F还包括导轨摩擦力和工作载荷（垂向运动F还包括机构重量）。2、负荷转动惯量JLKGM2及传动系统转动惯量JKGM2的计算25242901417050JILJMVNJKGN442107LKG式中JI、NI各旋转件的转动惯量KGM2和转速R/MINMJ、VJ各直线运动件的质量KG和速度M/MINJM、NM电机的转动惯量KGM2和转速R/MIN3、加速转矩TA和最大加速转矩TAM当电机转速由N1升至N2时AATJT6022当电机从静止升至MAXN4AX221507803606AMTJNMTN电机转速R/MINNMAX电机最高转速R/MIN加速时间，由0加速至015M/S，加速度为06M/S2，则025SATAT4、电机最大启动转矩TRNM03156820NMRMFPBFETI式中I电机到滚珠丝杠副的传动比。直联I1。TB、TF分别为滚珠丝杠副两端支承产生的力矩TE不在滚珠丝杠副上的其它传动组件的摩擦力矩折算到电机上的值。5、电机连续工作的最大转矩机械在最大工作载荷下连续均匀运转时的电机转矩NMMT156802176MFPBFETTINM6、按照样本选用电机时要注意以下三方面A惯量匹配按所选电机的说明书。B验算电机的最大转矩83。RTC验算电机的额定转矩25且在电机的连续工作区间。M选择电机为MOOG公司的直流无刷伺服电机，型号为（十二）、传动系统刚度计算1、传动系统的刚度K计算11SBRDTHKCK滚珠丝杠副的拉压刚度，计算见下页说明。滚珠丝杠支承轴承的轴向刚度，可查轴承样本及有关数据。B滚珠丝杠副滚珠与滚道的接触刚刚度可查样本。CK折合到滚珠丝杠副上伺服刚度，一般情况可忽略不计，精确计算按R，其中有关数据可查伺服电机样本。2HPMVTSRK10滚珠丝杠中螺母体刚度，一般可忽略不计，精确计算按估DKCDK4算。折合到滚珠丝杠的联轴节刚度,一般可忽略不计,精确计算按T其中是样本中介绍的联轴节刚度。2HTTPKT螺母座、轴承座刚座。一般情况下可忽视不计，精确计算可用有限H元计算。滚珠丝杠的副的扭转刚度。可忽略不计。K一般校核时11SBCK2、计算/MNS滚珠丝杠副的拉压刚度是滚珠螺母至丝杠轴向固定处距离AMM的函SK数，见下图。013507924678910行程比NL/L1曲线1一端固定，另一端自由或游动曲线2两端固定或支承。拉压刚度与行程关系，支承形式为两端固定214SDELKA当AL1/2螺母处在两支承的中点时刚度最小，见下图。刚度比1LKN曲线2曲线122MIN1860610678/3SDKNML当AL0时（螺母处在行程两端处）刚度最大22221MAX01863661085/440SDNML3、计算/NKB滚珠丝杠副支承的刚度KB一端固定一端自由0B二端支承预紧B未预紧一端固定一端游动固定端预紧0BBK二端固定固定端预紧2由表可知KB2KB02530MAX24SINBQDZFDQ滚动体直径，为5MMZ滚动体个数，为11FAMAX最大轴向工作载荷，为632N轴承接触角，为25DEG代入得KB01109N/M故KB19129N/M4、KC计算对预紧的滚珠丝杠副130PCAFKC查样本上的刚度2128/MN额定动载荷9500NA轴向预紧载荷，为48025NPF代入得KC1695N/M（十三）、传动系统刚度验算及滚珠丝杠副的精度选择1、得KMIN4866N/M得KMAX15191N/M2、传动系统刚度验算/反向差值。0MIN61FK4866/反向差值3、滚珠丝杠副的精度验算MAXMIN/634/50127FKM30PV127定位精度故精度验算成立（十四）、滚珠丝杠副临界压缩载荷FC的校验MAX52140FLDKFCC式中滚珠丝杠螺纹底径，取样本数据（MM），为1288MM2D滚珠丝杠副的最大受压长度（MM）见下表1CL滚珠丝杠副承受最大轴向压缩载荷（N）。若滚珠丝杠承受最大载MAXF荷不是压缩载荷时，就不等于，视工作情况进行计算。MAXFMAXF安全系数。丝杠垂直安装1/2，丝杠水平安装1/31K1K1K支承系数。与支承方式有关（见下表），取42支承方式简图2KF一端固定一端自由C025187534一端固定一端游动L23927151二端支承11314297二端固定C44730219代入得445521MAX2180108363237CCDFKNFL（十五）、滚珠丝杠副的极限转速NC的校验滚珠丝杠副的极限转速NC的校验（避免高速运转时产生共振）72211060CCCLDFPAEIKN式中极限转速R/MINCN临界转速计算长度MM见下表，为1573MM2LE杨氏弹性模量/10225MN材料密度为78G/CM3I丝杠的最小惯性矩6442DIA丝杠的最小横截面积12M安全系数，一般取081KF,与支承形式有关的系数（见下表），F取219支承方式简图2KF一端固定一端自由LC025187534一端固定一端游动23927151二端支承11314297二端固定C44730219代入得27721260180901/MIN53CCCDEINKFRLPACMAX08F483N故极限转速NC的校验成立。（十六）、DN值校验DN值校验10MAXPW式中滚珠丝杠副的节圆直径MMP滚珠丝杠副的最高转速，为1500R/MINMAXN代入得成立（十七）、滚珠丝杠副形位公差的标注滚珠丝杠形位公差的标注，见下图某些传动类（T类）滚珠丝杠副，对精度要求低，但传递的载荷大，这时可不进行有关传动精度及传动系统刚度的计算，但需进行以下两项计算1、基本轴向额定静载荷验算OACOAASCFFMX式中滚珠丝杠副的基本轴向额定静载荷（N）。可在样本上查到。OA静态安全系数。一般载荷12，有冲击或振动的载荷23SFSFSF最大轴向负荷NMAXF2175KN1558KN成立2、强度验算MAX241FD2许用应力（）2/N滚珠丝杠螺纹底径（MM）2D（十八）、电机控制器选型根据电机的相关特性与控制器的相关特性选取CZ1000XX作为控制器。（十九）、导轨选择（二十）、传感器选择选择MTS公司生产的RPS2500MD701S1B110099110型号位移传感器，有效行程2500MM，分辨率0005MM，6位二进制输出三、系统动态设计（一）、设计任务直流电机的数学模型计算是直流调速系统设计的重要环节，这里利用传统方法求解电机的数学模型，根据直流电机的电气和机械特性方程可以求得直流电机的数学模型。1、直流电机的电气特性方程（1）AAQDIUILRTEQUK（2）2、直流电机的机械特性方程GLDJTT（3）GTAIK（4）LCT（5）其中UA电枢输入电压V；UQ感应电动势V；IA电枢电流A；RA电枢电阻Q；LA电枢电感H；电机输出角速度RAD/S；TG电机电磁转矩NM；J转动惯量KGM；C一粘性阻尼系数NMS；对以上各式整理后进行拉普拉斯变换可得到直流电机转速相对于输入电压的传递函数1TAATEKWSGUJCLSR对此传递函数增加一个积分环节，就可以得到转角相对于输入电压的传递函数2TAATEKASGUJCLSRG2（S）乘上导程再除以2，就是平台位移上对于输入电压的传递函数2TAATEPKLSUJSCLR要求根据PID控制原理，建立系统仿真模型PID控制参数对电机控制性能的影响（二）、设计过程1、求解数学模型参数通过查询电机技术参数以及根据静态设计所得到的相关参数，确定传递函数中各参数值。RA67LA12MH0012HJMKGM201J457KGKE05/VSRADKT05NAC351106NMS代入得322052051731267054TAATEPKLSGUJSCLRSSS在SIMULINK中建模得到原系统开环单位阶跃响应为可知不满足设计要求原系统开环波特图为可知原系统不稳定2、PID控制PID控制器是将设定值R（T）与输出反馈值C（T）的偏差E（T）R（T）C（T），按比例、积分、微分运算后，并通过线性组