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买文档就送您 纸全套, Q 号交流 401339828 或 11970985 摘 要 随着工业自动化的普及和发展,控制器的需求量逐年增大,搬运机械手 在工业上 的应用也逐渐普及,主要在汽车 、 电子 、 机械加工、食品、医药等领域的生产流水线或货物装卸调运 , 可以更好地节约能源和提高运输设备或产品的效率,以降低其他搬运方式的限制和不足,满足现代经济发展的要求。 本 直进回转式搬运机械手 的机械结构主要包括 水平移动、机身回转运动和手臂摆动,末端执行器为抓取物料的机械爪,完成三个自由度的动作。 由 一个 电磁阀控制的 气压 缸, 来实现机械手的 伸缩杆移动 及 机械抓 夹紧工件的动作, 三 个 步进 电机 带水平导轨移动、机身旋转和 手臂摆, 从而实现 搬运工作。 其动作转换靠设置在各个不同部位的行程开关 、接近开关 (生的通断信号传输到 制器,通过 部程序输出不同的信号,从而驱动外部线圈来控制 步进 电机 的正反转,实现导轨的水平移动、机身回转和手臂摆动, 或电磁阀产生不同的 工作位 , 实现气缸上下伸出、缩进, 可实现机械手的精确定位 , 来满足生产中的操作要求。 关键词 : 搬运机械手,可编程控制器( 气 压, 步进电机, 电磁阀 买文档就送您 纸全套, Q 号交流 401339828 或 11970985 of by in in of or we be to or to on of to of of of By a in to of is so as to by in of to LC LC to to he of a to of 买文档就送您 纸全套, Q 号交流 401339828 或 11970985 目 录 1 绪论 . 1 业机械手应用简况及意 义 . 1 动机械手的简介 . 1 2 直进回转式机械手的整体设计 . 4 计内容及要求 . 4 机械手的设计思 路及方案 . 4 气设计思路及方案 . 5 3 设计各机构、零件及校核计算 . 6 缸的选型与计算 . 6 的选 择及校核计算 . 8 蜗杆蜗轮减速器 . 10 进电机的选取和校核 . 12 珠丝杠螺母副的计算和选型 . 22 承的选择及校核 . 25 轮的设计及校核 . 27 纹连接件的校核 . 31 4 机械手控制部分的设计、选型及程序内容 . 33 述 . 33 体方案的设计 . 33 械手控制系统硬件组成 . 33 气控制系统分析 . 36 结 . 38 5 结论 . 39 参考文献 . 40 致 谢 . 41 附 录 买文档就送您 纸全套, Q 号交流 401339828 或 11970985 1 绪论 业机械手应用简况及意义 在工业上,工业机器人有着广泛的应用,机械手而是相较新的机械电子设备,它正开始改变现代和未来化工业的面貌。通过自动化的机械手能提高工作效率,加强产品质量, 改善劳动条件和 劳动强度 起着十分重要的作用 。 大量 运用在 装卸、搬运、装配等作业,有待于进一步实现机械化。 在现代生产 加工 过程中,机械手被广泛运用于自动生产线中,虽然机械手目前还不如人手那样灵活 ,但它具有不断重复工作和劳动,不知疲 惫 ,不怕危险,抓举重物的力量比人手力大的特点,因此,机械手已受到 更 多部门的重视, 并越来越广泛地得到了应用 , 机械手的意义如下: ( 1) 可以提高生产过程的自动化程度 应用机械手,有利于提高材料的传送、工件的装卸、刀具的更换以及机器的装配等的自动化程度,从而可以提高劳动生产率,降低生产成本,加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。 ( 2) 可以改善劳动条件 避免人身事故在高温、高压、低温、低压、有灰尘、噪声、臭味、有放射性或有其它毒性污染以及工作空间狭窄等场合中,用人直接操作 是有危险或根本不可能的 情况 。而应用机械手即可部分或全部代替人安全地完成作业,大大地改善了工人的劳动条件。 ( 3) 可以减少人力,便于有节奏地生产 应用机械手代替人手工作,这是直接减少人力的一个侧面,同时由于应用机械手可以连续地工作,这是减少人力的另一个侧面。因此,在自动化机床和综合加工自动生产线上,目前几乎都设有机械手,以减少人力和更准确地控制生产的节拍,便于有节奏地进行生产。 综上所述,机械手 在工业上的应用 是发展机械工业的必然趋势。 动机械手的简介 这次课题的机械手选用气动传动,这里介绍一下气动机 械手的发展、现状和未来。随着工业机械化和自动化的发展,以及气动技术本身的一些优点和特点,气动机械手已经被广泛应用在自动化生产的各个行业。 动技术及气动机械手的发展过程 气动技术是以空气压缩机为动力源,以压缩空气为工作介质,进行能量传递或信号传递的工程技术,是实现各种生产控制、自动控制的重要手段之一。 买文档就送您 纸全套, Q 号交流 401339828 或 11970985 大约开始于 1776 年, 个大气压左右压力的空气压缩机。 1880年,人们第一次利用气缸做成气动刹车装置,将它成功地用到火车的制动上。 20世纪 30年代初,气动 技术成功地应用于自动门的开闭及各种机械的辅助动作上。至 50年代初,大多数气压元件从液压元件改造或演变过来,体积很大。 60年代,开始构成产业控制系统,自成体系,不再与风动技术相提并论。在 70年代,由于气动技术与电子技术的结合应用,在自动化控制领域得到广泛的推广。 80年代进进气动集成化、微型化的时代。 90年代至今,气动技术突破了传统的死区,经历着奔腾性的发展,人们克服了阀的物理尺寸局限,真空技术日趋完美,高精度模块化气动机械手问世,智能气动这一概念产生,气动伺服定位技术负气缸高速下实现任意点自动定位,智能阀岛十 分理想地解决了整个自动生产线的分散与集中控制题目 3。 动机械手的应用现状 由于气压传动系统使用安全、可靠,可以在高温、震动、易燃、易爆、多尘埃、强磁、辐射等恶劣环境下工作。而气动机械手作为机械手的一种,它具有结构简单、重量轻、动作迅速、平稳、可靠、节能和不污染环境、轻易实现无级调速、易实现过载保护、易实现复杂的动作等优点。所以,气动机械手被广泛应用于汽车制造业、半导体及家电行业、化肥和化工,食品和药品的包装、精密仪器和军事产业等。 展远景及方向 ( 1)重复高精度 精度是指机器人、机械手到达指定点的精确程度,它与驱动器的分辨率以及反馈装置有关。重复精度是指假如动作重复多次,机械手到达同样位置的精确程度。随着微电子技术和现代控制技术的发展,以及气动伺服技术走出实验室和气动伺服定位系统的成套化。气动机械手的重复精度将越来越高,它的应用领域也将更广阔,如核产业和军事产业等。 ( 2)模块化 模块化拼装的气动机械手比组合导向驱动装置更具灵活的安装体系。它集成电接口和带电缆及气管的导向系统装置,使机械手运动自如。由于模块化气动机械手的驱动部件采用了特殊设计的滚珠轴承, 使它具有高刚性、高强度及精确的导向精度。优良的定位精度也是新一代气动机械手的一个重要特点。模块化气动机械手使同一机械手可能由于应用不同的模块而具有不同的功能,扩大了机械手的应用范围,是气动机械手的一个重要的发展方向。 ( 3)无给油化 为了适应食品、医药、生物工程、电子、纺织、精密仪器等行业的无污染要求,不加润滑脂的不供油润滑元件已经问世。随着材料技术的进步,新型材料(如买文档就送您 纸全套, Q 号交流 401339828 或 11970985 烧结金属石墨材料)的出现,构造特殊、用自润滑材料制造的无润滑元件,不仅节省润滑油、不污染环境,而且系统简单、摩擦性能稳定、本钱低、寿 命长。 ( 4)机电气一体化 由“可编程序控制器 气动元件”组成的典型的控制系统仍然是自动化技术的重要方面;发展与电子技术相结合的自适应控制气动元件,负气动技术从“开关控制”进进到高精度的“反馈控制”;省配线的复合集成系统,不仅减少配线、配管和元件,而且拆装简单,大大进步了系统的可靠性。 而今,电磁阀的线圈功率越来越小,而 输出功率在增大,由 动机械手、气动控制越来越离不开 阀岛技术的发展,又使 气动机械手、气动控制中变得更加得心应手 4。 买文档就送您 纸全套, Q 号交流 401339828 或 11970985 2 直进回转式机械手的整体设计 计内容及要求 本课题内容要求是:码垛距离为 5m,物料重量 50求机械手抓住物料提升一定高度后,本机械手设计的是手臂向上摆动,摆角为 45。手臂旋转要求 180,机械手抓住物料前进 5降一定距离,本机械手设计完成向下摆动 45,到达水平位置放开物料。 机械手的设计思路及方案 根据任务书的要求,该机械手设计为圆柱坐标机械手。其基本的设计内容:搬运物体设计机械手抓设计控制机械手抓的气压缸设计手臂计算并设计摆动的电机设计水平回转部件 和电机选型设计导轨、滚珠丝杠选型和导轨部件的校核完成。 整体设计思路及传动方案为: 水平直进部分:水平直进移动部分,水平移动因为承重最重,又要有一定的定位精度,并且要传动灵活。所以选择滚珠丝杠螺母副传动,因为承重较大,所以选择滑动导轨来承受主要的负重和机身重量,这样可以减轻滚珠丝杠的受力,降低丝杠的疲劳,有利于提高丝杠的寿命。 竖直旋转部分:竖直旋转部分是整个机械手最重要的部分,它是机械手的主体部分,它的设计要求可以灵活回转任意角度,是整个机械手的定位精度主要由机身的旋转角度来控制。所以在竖直机身大的设 计上采用步进电机驱动,其定位精度较高,通过一级圆柱齿轮减速器传递动力,带动竖轴完成整个竖直回转,完成整个机身回转运动。 机械手肩部摆动部分:肩部摆动部分主要完成手臂的摆动,设计这个自由度的主要考虑是机械手的回转空间不大的情况下,将物料提升一定高度,可以缩小回转半径,使机械手的搬运能力和运用范围更加广泛。肩部驱动仍旧采用步进电机驱动,因为步进电机有较好的控制精度。因为手臂摆动角度相对不是很大,故需要传动比比较大的减速器,又因为肩部设计尺寸不能太大,所以选择一级蜗轮蜗杆减速器,因为其能一级减速就能达到很大的传动 比,相对于两级减速器的尺寸比较小,故采用蜗杆涡轮减速器。涡轮轴与手臂键连接带动手臂旋转。 机械手部分:机械手抓取物料,选择机械手的形式为夹钳式,由气缸驱动,因为夹钳式机械手是杠杆原理,伸缩距离比较小,获得较大的行程,所以气缸的输出力比较大,故选择气缸的内径较大。手的抓取动作是由气缸活塞杆带动水平拉杆,水平拉杆再带动竖直拉杆,竖直拉杆带动手指绕销轴旋转,实现手的张开和闭合。 买文档就送您 纸全套, Q 号交流 401339828 或 11970985 气设计思路及方案 电气部分设计的总体思路是采用 用三菱 列的为 三菱 高速度,高性能和所有方面都是相当 输入出 16 25 点的独立用途外,还可以适用于多个基本组件间的连接,模拟控制,定位控制等特殊用途,是一套可以满足多样化广泛需要的 特点 系统配置即固定又灵活; 有可 自由选择 ,丰富的品种;令人放心的高性能;高速运算;使用于多种特殊用途;外部机器通讯简单化;共同的外部设备。 其控制设计内容: 动电路 气缸 传动部分末端执行器接近开关、限位开关反馈信号 。 设计思路: 动器控制电机,电机运转经传动装置带动执行器,当执行器到达指定位置时,通过传感器(限位开关或接近开关)检测,将反馈信号传递给 出下一步指令。 买文档就送您 纸全套, Q 号交流 401339828 或 11970985 3 设计各机构、零件及校核计算 物料为边长 20立方体,重 50持手指为直角型,手指由 1 指的转轴在距手指末端 18指 立体合拢后如图: 图 3爪外形图 当手臂向上摆起时,物料重量完全由手指的夹紧力于物料的摩擦力,取摩擦系数为 ,工作压力为 p= 计算得 N=2000N。 买文档就送您 纸全套, Q 号交流 401339828 或 11970985 图 3爪受力分析 受力分析并由手指的几何关系得 3 6 0s 每对手指受力 2F =1680N 有气缸拉杆与手抓的几何关系得: 500112 1002 000N。 气缸选型 由机械设计手册(第五版)计算公式选型,由双作用气缸公式: 3 0 0 044 ( 3 故选取双作用气缸缸径为 90般气缸筒壁厚于内径比101D气缸缸筒承受压缩空气的压力,其壁厚可按薄壁筒计算公式计算 2 式中 缸筒壁厚, m 试验 耐压力, 缸筒材料许用应力, 计算公式为 式中 b 缸筒材料抗拉强度, Pa n 安全系数,一般取 n=68 按公式计算出的壁 厚为 较薄,加工比较困难,实际设计过程中一般都需要按照加工工艺要求,适当增加壁厚,由机械设计手册查得实际壁厚可选 8塞杆直径选取,由机械设计手册查得可初选为 30 手爪销轴的强度校核 手爪的设计销轴比较细,承受力很大,需要强度校核。最危险处是手臂摆物料后,重物的重量都靠四只手指上产生的摩擦力,由图 3轴受力为: o 买文档就送您 纸全套, Q 号交流 401339828 或 11970985 1 4s i 4 2422 水平竖轴则每只手指上销轴受力轴F 。有机械设计轴的剪切校核为: 24 ( 3 M P 1 2 ( 3 其中查机械手册有 11 。 的选择及校核计算 手爪共重 5缸及安装法兰盘共重 料为 50臂采用 1 根 45钢棒料构成,设计长度为 60算棒料直径如下: 12 00 355200600612 由第三强度理论有: 12 ( 3 32 ( 3 将公式( 3入公式( 3: 323 其中 弯曲许用应力,查机械手册得 取 d=40 则轴重 从新校核该轴 总转矩为 4 4 5 0 8 01 7 7 63 5 5 2 0 0轴总再由第三理论校核 买文档就送您 纸全套, Q 号交流 401339828 或 11970985 总 = M P 5 0 8 01 ( 3 故选取轴的尺寸满足工作要求 6。 的设计计算 竖轴:竖轴是主要承重的轴,主要承受肩部及手臂饿全部重量,受轴向力比较大,其中竖轴的最大角速度为 ,所以角加速度t ,加速时间 t=以角加速度为 20 57.1 dt 。 根据理论力学计算公式: ( 3 所以 1 0 9 8 5 9 8 6 其中 是折算到竖轴的转动惯量 根据公式 ( 3 16 ( 3 其中:查机械手册得 11,把公式( 3入公式( 3 得: 32 . 3m 0985616 16 33T 选取竖轴两级减速传动,第一级传动比 5i 。 所以轴的受到的扭矩为 3( 3: 9 7 116 63T 轴 买文档就送您 纸全套, Q 号交流 401339828 或 11970985 轮接触疲劳 强度: 3 2( ( 3 21160 20 212 3 5 5 2 0 06 0 05 9 21 8 9 8 8 03 0 92 4 4 5 0 8 08 9 8 8 03 5 5 2 0 0212 则由公式( 3: 20 23 H )( 其中 由机械设计查表得 1 K ,所以 由机械设计查表得: Z 20 得 查机械设计得:取 25 15.3m 61 11Z q 622 Z a 取 0 6 1 取 81 蜗杆的导程为 : z 算蜗轮蜗杆的效率 闭式蜗杆传动的功率损耗 ,蜗 杆蜗轮传动的效率一般包括三部分,即啮合摩擦买文档就送您 纸全套, Q 号交流 401339828 或 11970985 损耗、轴承摩擦损耗及浸油中搅油时的溅油损耗 7。因此总效率为: 321 式中, 1 、 2 、3分别为单独考虑啮合摩擦损耗、轴承摩擦损耗及溅油损耗时的效 率。而蜗杆传动的总效率,主要取决于啮合摩擦损耗 1 。当蜗杆主动时,则 v 3 式中: 普通圆柱蜗杆分度圆柱上的导程角; v 当量摩擦角, 其值可根据滑动速度1 11取,滑动速度位为 )为: 1 ( 3 式中: 1 蜗杆分度圆的圆周速度, s; 1d 蜗杆分度园直径, 1n 蜗杆的转速, 经计算 074.04V, 则 由于轴承摩擦及溅油这两项功率损耗不大,一般取 总效率 轮轴设计 由于蜗轮轴主要承受扭转,故安扭转来设计涡轮轴,蜗轮承受的扭矩为 8: 4 4 5 0 8 08 9 8 8 03 5 5 2 0 0212 由公式( 3( 3: 得 : 1 5 由传动比为 1:62,所以蜗杆承受的转矩为 78624 4 50 8 01 再由公式 ( 3( 3: 买文档就送您 纸全套, Q 号交流 401339828 或 11970985 得 1 5 部电机计算 先初选电动机型号反应式步进电机 130最大静转矩为 37 ,单拍驱动时步距角为 。 ( 1)计算加在步进电动机转轴上的总转动惯量 3臂其中 m= l=60 得 2 6 9 9 2 臂蜗轮的转动惯量为: 82轮其中 m=D= 轮 82轴其中 m=D= 得 209.7 轴蜗杆的转动惯量为: 82杆其中 m=D= 得 2367.0 杆由此得折算到电机轴上的转动惯量为: 2轮轴杆 计算得: 1)快速空载启动时电动机转轴所承受的负载转矩a x 可知,速空载启动时折算到电动机转轴上的最大加速转矩动部件折算时折算到电动机转轴上的摩擦转矩文档就送您 纸全套, Q 号交流 401339828 或 11970985 滚珠丝杠预紧后折算到电动机转轴上的附加摩擦转矩0T。因为手臂摆动没有移动部件,故摩擦转矩因此传动没有滚珠丝杠,故附加摩擦转矩0 。则有 T 根据式 t 02m a x 考虑蜗杆涡轮的总效率,计算快速空载启动时折算到电动机转轴上的最大加速转矩: 160J2 a x a ma ( 3 对应空载最快移动速度的步进电动机最高转速。 步进电动机有静止到加速至 360( 3 其中: W 空载最快转动速度,为 s; 步进电动机步矩角,为 脉冲当量, /脉冲。 将以上各式带入式 360 算得 。 设步进电动机由静止到加速至轮蜗杆效率 =由式( 3 求得 2)最大工作负载状态下电动机转轴所承受的负载转矩可知,部分是折算到电动机转轴上的最大工作负载转矩部分是移动部件折算时折算到电动机转轴上的摩擦转矩文档就送您 纸全套, Q 号交流 401339828 或 11970985 还有一部分是滚珠丝杠预紧后折算到电动机转轴上的附加摩擦转矩0T。因为摩擦转矩及只需计算最大工作负载转矩此计算: 2t 臂( 3 其中: 所以计算得: 2故最大工作负载状态下电动机转轴所承受的负载转矩 经过上述计算,得到加载步进电动机转轴上的最大等效负载转矩应为: 6m ,1 ( 2)步进电动机最大静转矩的选定 10 考虑到步进电动机采用的是开环控制,当电网电压减低时,其输出转矩会下降,可能造成丢步,甚至堵转。因此,根据大静转矩时,需要考虑到安全系数。这里取安全系数 K=4,则步进电动机的最大静转矩应满足: 244m a x 对于前面预选的行步进电动机 130表可知,其最大静转矩 37可见完全满足式 T 4 的要求。 ( 3)步进电动机的性能校核 1)最快工进速度时电动机输出转矩校 核 竖直向最快工进速度 a x ,脉冲当量 脉冲,由式60( 3 求出电动机对应的运行频率 6 8 0)1 5 0 0 0m a x 。从 130此频率下,电动机的输出转矩 m a x,大于 最大工作负载转矩 6,满足要求。 2)最快空载移动时电动机运行频率校核 最 快 空 载 移 动 速 度 a x , 对 应 的 电 动 机 运 行 频 率买文档就送您 纸全套, Q 号交流 401339828 或 11970985 0000m 。查表的 130极限运行频率为 15000见没有超出范围。 3)启动频率的计算 已知电动机转轴上的总惯量 ,电动机转子自身的转动惯量248 m ,查表 4知电动机转轴不带任何负载时的最高空载启动频率500 。则由式 1( 3 可以求出步进电动机克服惯性负载的启动频率为:得 1000 上式说明,要想保证步进电动机启动时不失步,任何时候的启动频率都必须小于 1000际上,在采用软件摆动时,启动频率选得很低,通常只有 500 500 脉冲 /s)。 综上所述,这里纵向进给系统选用 130进电动机,可以满足设计要求。 身旋转步进电机的选择及校核计算 4 先初选电动机型号反应式步进电机 110最大静转矩为 20 ,单拍驱动时步距角为 动惯量为 15 2。 ( 1) 计算加在步进电动机转轴上的总转动惯量折算为 222 69972283578181 其中 m=327 D=20的转动惯量折算 4 轴轴 其中 轴 轴轴的转动惯量折算 买文档就送您 纸全套, Q 号交流 401339828 或 11970985 222222 8 轴轴 其中 轴 轴由此得折算到电机轴上的转 动惯量为: 21 计算得: 1)快速空载启动时电动机转轴所承受的负载转矩a x 可知,快速空载启动时折算到电动机转轴上的最大加速转矩动部件折算时折算到电动机转轴上的摩擦转矩珠丝杠预紧后折算到电动机转轴上的附加摩擦转矩0T。因为手臂摆动没有移动部件,故摩擦转矩,又因此传动没有滚珠丝杠,故附加摩擦转矩0。则有 T 根据式 t 02m a x 考虑蜗杆涡轮的总效率,计算快速空载启动时折算到电动机转轴上的最大加速转矩: 160J2 a x a ma ( 3 对应空载最快移动速度的步进电动机最高转速。 步进电动机有静止到加速至的时间。 360( 3 其中: W 空载最快旋转速度,为 s; 步进电动机步矩角,为 脉冲当量, =冲。 买文档就送您 纸全套, Q 号交流 401339828 或 11970985 将以上各式带入式360,算得 。 设步进电动机由静止到加速至轮减速器效率 = 求得 3 312)最大工作负载状态下电动机转轴所承受的负载转矩可知,部分是折算到电动机转轴上的最大工作负载转矩 部分是移动部件折算时折算到电动机转轴上的摩擦转矩有一部分是滚珠丝杠预紧后折算到电动机转轴上的附加摩擦转矩0T。因为摩擦转矩只需计算最大工作负载转矩大工作负载转矩F= 其中 m 为竖轴及所承受的重量 m=257 为角加速度, 20 57.1 dt 257 转矩为 3 JT t 28 . 4 212 经过上述计算,得到加载步进电动机转轴上的最大等效负载转矩应为: ,1 ( 2)步进电动机最大静转矩的选定 考虑到步进电动机采用的是开环控制,当电网电压减低时,其输出转矩会下降,可能造成丢步,甚至堵转。因此,根据要考虑到安全系数。这里取安全系数 K=3,则步进电动机的最大静转矩应满足: a x ( 3)步进电机的校核 1)最快工进速度时电动机输出转矩校 核 买文档就送您 纸全套, Q 号交流 401339828 或 11970985 向最快工进速度 a x f ,脉冲当量 =冲,由式60求出电动机对应的运行频率 1 0 0 0 H 2 5 )1 5 0 0 0 0 / ( 6 0m a x f。从110运行矩频特性可以看出,在此频率下,电动机的输出转矩f 远远大于最大 工作负载转矩 满足要求。 2)最快空载移动时电动机运行频率校核 最快空载移动速度 ,对应的电动机运行频率 6000m 。查表的 110极限运行频率为 20000见没有超出范围。 3)启动频率的计算 已知电动机转轴上的总惯量 ,电动机转子自身的转动惯量215 m ,查表 4知电动机转轴不带任何负载时的最高空载启动频率p 1800 则由式 1可以求出步进电动机克服惯性负载的启动频率为:得 632 上式说明,要想保证步进电动机启动时不失步,任何时候的启动频率 都必须小于 632际上,在采用软件摆动时,启动频率选得很低,通常只有 500 500 脉冲 /s)。 综上所述,这里纵向进给系统选用 110进电动机,可以满足设计要求。 平电机的计算与选型 先初选电动机型号反应式步进电机 130最大静转矩为 40 ,单拍驱动时步距角为 动惯量为 48 2。 (1)计算加在步进电动机转轴上的总转动惯量 . 6 5k g=4 9 . 3 48181 2 杠 已知机身前进的脉冲当量 =冲,滚珠丝杠的导程选择步进电机的步距角 =根据公式计算得: 151=0 0 . 2 5)( 1 . 2 5 ) / ( 36360 由公 式 买文档就送您 纸全套, Q 号交流 401339828 或 11970985 21

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