定位磨齿专用工作台设计【毕业论文+CAD图纸全套】

买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 单位代码 0 2 学 号 080105638 分 类 号 密 级 秘密 毕业设计 说明书 定位磨齿专用工作台 设计 院（系）名 称 工学院机械系 专 业 名 称 机械设计制造及其自动化 学 生 姓 名 指 导 教 师 2012 年 5 月 15 日买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 定位磨齿专用 工作 台 设计 摘 要 定位磨齿专用 工作台机电系统设计是一个开环控制系统 ,其结构简单，实现方便而且能够保证一定的精度，降低成本 ,是微机控制技术的最简单的应用。开环控制能充分的利用微机的软件、硬件功能以实现对机床的控制，使机床的加工范围扩大 , 进一步提高机床的精度和可靠性。 本文机械部分采用步进电动机通过 同步齿形带 带动滚珠丝杠拖动工作台在直线滚动导轨副上运动，其中，步进电动机选用 90号。工作台控制部分以 核心，作为主控器； 选择 步进电机配套驱动器 动步进电动机实现加、 减速、急停等操作，从而实现对工作台的控制。 关键词 ： 步进电动机 ， 工作台 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 is an is a of is of of of of of of by on of 0 7LC as as 文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 目录 1 绪论 . 1 前言 . 1 机电一体化系统综述 . 1 电一体化系统的基本构成 . 1 机电一体化系统的核心技术 . 3 电一体化的发展趋势 . 3 2 总体方案设计 . 5 定主要参数 . 5 作台的外形尺寸 . 6 械传动部件的选择 . 7 轨副的选用 . 7 杠螺母副的选用 . 7 服电动机的选用 . 7 制系统的选用 . 7 制系统的设计 . 7 统总 体框图 . 8 3 机械设计部分 . 9 作台重量初步估算 . 9 削力的计算 . 9 动导轨的选用 . 10 轨工作负载计算 . 10 承受工作载荷 计算 . 11 离额定寿命 L 的计算 . 11 珠丝杠的计算和选择 . 11 大工作载荷 计算 . 12 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 大动工作载荷 . 12 号的选择与校核 . 12 格型号的初选 . 12 动效率的计算 . 13 度的验算 . 13 杆稳定性校核 . 14 进电动机的计算与选型 . 14 算加在步进电动机转轴上的总转动惯量 . 14 算加在步进电动机转轴上的等效负载转矩 . 15 进电动机最大静转矩的选定 . 17 进电动机的性能校核 . 17 进电机同步齿形带的设计 . 19 出传动要求及原始数据 . 19 择带的节距 . 19 定带轮直径及带的节线长 . 19 定带宽 . 20 4 控制系统硬件设计 . 22 件设计 . 22 控制器 选择 . 22 统结构 . 22 件配置 . 22 输入信号与输出信号 . 23 统软件设计 . 23 始化 . 24 置和取消参考点 . 24 位控制 . 25 止电机 . 25 5 程序和注释 . 26 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 6 系统误差分析 . 31 差的来源 . 31 制系统误差 . 31 进电机失步原因和解决办法 . 31 进电机越步原因和解决办法 . 32 设计中采用的方法 . 32 给系统的误差 . 32 设计总结 . 34 致 谢 . 35 参考 文献 . 36 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 1 绪论 前言 机电一体化技术是指建立在机械、电子、传感器、接口技术、信息、计算机、自动控制等技术基础上的一种综合性技术，通过对机械、电子与信息技术的有机结合，来实现工业产品和生产过程最优化。 在机械领域，由于微电子技术和 微 机技术的迅速发展 ，发展形成的 机电一体化 技术 ，使机械工业的技术结构、产品 机构、功能与构成、生产方式及管理体系发生了巨大变化，使工业生产由 “机械电气化 ”迈入了 “机电一体化 ”为特征的发展阶段。 在传统的机械设备通常需要采用比较复杂的机械传动系统来连接各个相关的执行构件，以保证各执行构件动作的同步性和协调性。机械传动部件之间的机械磨损、间隙配合等所引起的运动误差和传动链较长等常常影响设备传动精度和效率。而且，由于人机的直接接触，事故发生率较高，后果较严重。采用机电一体化技术后，可以用电子器件、微型计算机来控制和实现各执行构件的动作及功能关系协调，实现机械产品操作的全部自动化 。通过微机控制系统可以精确地按照预先给定量，同时可使相应的机械动作、各种干扰因素造成的误差，进行执行校正、补偿，从而可以达到单纯机械方法所实现不了的加工工艺精度。 本文重点是二维工作台的机电系统控制的设计，即通过对小型机械设备的机械和机电控制相结合来加深自己对机电一体化系统的基本原理和简单设计过程的了解。 机电一体化系统综述 电一体化系统的基本构成 1、 机电一体化系统的基本构成要素 一个机电一体化系统一般包括一下几个基本要素：机械本体、动力与驱动部分、执行机构、传感与检测部分、信息处理 与控制单元 各要素和环节之间相联系接口 。具体系统中，要素的构成不太一样，例如，开环控制系统当中，不需要检买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 测元件。 机电一体化系统 组成如图 1 图 1 1机电一体化系统 的组成 从机电一体化系统的功能来看， 与人体有着完美的相似性，如表 1示。 表 电一体化系统构成要素与人体构成要素的对应关系 机电一体化系统要素 功能 人体构成要素 控制器（计算机等） 控制（信息存储、处理、传送） 头脑 传感器 检测（信息收集与变换） 感官 执行部件 驱动（操作） 四肢 动力源 提供动力（能量） 内脏 机械本体 支撑与连接 躯干 2、 机电一体化系统的构成要素的连接 机电一体化系统的基本要素内部及各要素之间，通过接口耦合、运动传递、物质流动、信息控制、能量转换，有机的融合，集成一个完整系统。各要素之间必须遵循接口耦合、物质流动、信息控制、能量转换的四大原则，完成以下内容： 变换。两个需要进行信息交换和传输的要素之间，由于信息的模式不同（数字量与模拟量、串行码与并行码、连续脉冲与序列脉冲等），无法直接实现信息或能量的交流，必须通过接口完成信息或能量的统一。涉及的接口包括 传感器接口、计算机接口。 放大。在两个信息强度相差悬殊的要素之间，经接口放大，达到能量的匹配。 耦合。变换和放大后的信号在要素之间能可靠、快速、准确地交换，不需符合时序要求、信号格式和逻辑规范。接口应该具有信息逻辑控制的功能，使信息按规定模式传递。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 能量转换。能量转换包括执行器、驱动器，各要素之间的不同类型能量的转换，应该满足最优转换方法与原理。 信息控制。智能组成要素的系统控制单 元，在软硬件的保证下，要完成数据采集、分析、判断、决策，已达到信息控制的目的。对于智能化程度高的系统，还包含了知识的获取、推理机制及知识学习等以知识驱动为主的信息控制。 运动传递。运动传递是指各组成要素之间不同类型运动的变换与传输以及以运动控制为目的的优化 。 机电一体化系统的核心技术 （ 1） 机械技术 。 在 当代的 机电一体化系统制造过程中，经典的机械理论与工艺应借助于计算机辅助技术，同时采用人工智能与专家系统等，形成新一代的机械制造技术。 （ 2） 计算机与信息技术 。 其中信息交换、存取、运算、判断与决策、人工智能技术、专家系统技术、神经网络技术均属于计算机信息处理技术。 （ 3） 系统 总体 技术 。 系统 总体 技术即以整体的概念组织应用各种相关技术，从全局角度和系统目标出发，将总体分解成相互关联的若干功能单元，实现系统各部分有机连接的保证。 （ 4） 自动控制技术 。 其范围很广，在控制理论指导下，进行系统设计，设计后的系统仿真，现场调试，控制技术包括如高精度定位控制、速度控制、自适应控制、自诊断校正、补偿、再现、检索等。 （ 5） 传感检测技术 。 传感检测技术是系统的感受器官，是 实现自动控制、自动调节的关键环节。其功能越强，系统的自动化程序就越高。现代工程要求传感器能快速、精确地获取信息并能经受严酷环境的考验，它是机电一体化系统达到高水平的保证。 （ 6） 伺服传动技术 。 包括电动、气动、液压等各种类型的传动装置，伺服系统是实现电信号到机械动作的转换装置与部件、对系统的动态性能、控制质量和功能有决定性的影响。 电一体化的发展趋势 机电一体化系统是具有机电一体化技术的新型机电系统。其发展依赖于 机买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 械、电子、传感器、接口技术、信息、计算机、自动控制等技术，它的发展主要体现在以下 几个方面： 模块化。 融合机械、电子和软件三大部分的机电一体化模块代表了未来产品的发展方向，具有高度自主性、良好的协调性和自组织性的特点。 微型化 。 微机电一体化产品体积小、耗能少、运动灵活 , 可进入一般机械无法进入的空间，并易于进行精细操作，在生物医疗、军事、信息等方面具有不可比拟的优势。目前，利用半导体器件制造过程中的蚀刻技术，在实验室中已制造出亚微米级的机械元件。 绿色化 。 21世纪，机电一体化 技术的使命是要能提供一种高性能、高原料利用率、低能耗、低污染、环境舒适和可回收的智能化机械产品，即提供一种能满足可持续性发展的绿色产品。 智能化 。 目前 , 专家系统、模糊系统、神经网络以及遗传算法 , 是机电一体化产品 (系统 ) 实现智能化的 4 种主要技术，随着制造自动化程度的不断提高 , 将会出现智能制造系统控制器来模拟人类专家的智能制造活动 , 并会对制造中出现的问题进行分析、判断、推理、构思和决策。 网络化 。 现场总线和局域网技术 使 家用电器网络化已 成大势 , 利用家庭网络 (将各种家用电器连接成以计算机为中心的计算机集成家电系统(,因此机电一体化产品无疑朝着网络化方向发展。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 2 总体方案设计 确定主要参数 由于本文 要求 设计一种小型的 定位磨齿专用 工作台， 这种工作台可以用在 磨床上 ， 计算取值偏大 ，所以在参考了众多资料书籍以后，决定选取以下设计参数： (1)X 向行程 250 ； (2)Y 向行程 100 ； (3)快速定位速度 1000 /给速度 50100 / (4)加速度 (5)切削力约 100N； (6)工件夹具约 25 ； 加工材料为碳钢 工作台台面尺寸 23030、 Y 方向定位精度 向的脉冲当量均为 冲 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 作台的外形尺寸 根据工作台面尺寸和加工范围。 磨齿 工作台外观图 大致 如下 ： 图 2 1 磨齿工作台外观图 X 方向工作台尺寸的确定： X 向托板（上托板）的尺 寸：长宽高 上导轨（ X 向） 取动导轨长度 动导轨行程 支承导轨长度 + 4 8 0BL l l m mY 方向工作台尺寸的确定： Y 向托板（下托板）的尺寸：长宽高 60023030 导轨（ Y 向） 取动导轨长度 250BL mm02303050买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 动导轨行程 100l 支承导轨长度 350bL l l m m 械传动部件的选择 轨副的选用 要设计数控工作台，需要承受的载荷不大，而且脉冲当量小，定位精度高，因此选用直线滚动导轨副，它具有摩擦系数小，不易爬行，传动效率高，结构紧，安装预紧方便等优点。 杠螺母副的选用 伺服电动机的旋转运动需要通过丝杠螺母副转换成直线运动，当量和 定位精度，只有选用滚珠丝杆副才能达到要求，滚珠丝杆副的传动精度高、动态响应快、运转平稳、寿命长、效率高、预紧后可消除反向间隙。 服电动机的选用 任务书规定的脉冲当量尚未达到 位精度也未达到微米级，空载最快移动速度也只有因此 1000mm/本设计不必采用高档次的 伺服 电动机，因此可以选用混合式步进电动机。以降低成本，提高性价比。 制系统 的选用 选用步进电动机作为伺服电动机后，可选开环控制，也可选闭环控制。 设计参数 所给的精度对于步进电动机来说 尚可以达到 ，决定采用 开 环控制， 以降低成本。 考虑到 X、 Y 两个方向的加工范围不是很大 ，承受的工作载荷相差 也 不大，为了减少设计工作量， X、 Y 两个坐标的导轨副、丝杠螺母副、减速装置、伺服电动机拟采用相同的型号与规格。 制系统的设计 1）设计的 作台准备用在 磨床上，其控制系统应该具有单坐标定位 ，所以控制系统设计成连续控制型。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 2）对于步进电动机的 开 环控制，选用 为控制系统的 够满足 相关指标 。 3）要设计一台完整的控制系统，在选择 后，还要扩展程序存储器，便于存储编写程序 。 4）选择合适的驱 动电源，与步进电动机配套使用。 统总体框图 图 2 2 系统总体框图 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 3 机械设计部分 作台重量初步估算 重量估计： W 下 = 夹具及工件重量： 作台运动部分重量： 削力的计算 根据已知的数据可知，磨床使用碗形砂轮 D=200速为 1400r/床的额定功率为 3传动的机械效率 =计算砂轮的磨削力。 砂轮转速 n=1400 152 r/据公式 可知，代入数值 V= 由 P=知 计算工作时砂轮对于工作台的纵向力 ，和横向力 由 图 3知 3 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 图 3 1 受力分析图 动导轨的选用 导轨长度： 在工作台外形尺寸初步估算中我们得到 X 方向导轨长度为480Y 方向导轨长度为 350虑到工作行 程应该留有一定余量，选取导轨的长度均为 600时工作台的重量如下： 轨工作负载计算 导轨基本额定动负载的计算 ： 根 据以上数据，选择 由济宁博特公司生产 导轨副，其参数如下 ： 表 3 1导轨副参数 型号 滑块尺寸 额定载荷 /定静力矩 /(2 2 a A C 8 65 0 6 5 55 88 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 承受工作载荷 计算 工作载荷是影响直线滚动导轨副使用寿命的重要因素。本例中的 作台为水平布置，采用双导轨、四滑块的支承形式。考虑最不利的情况，即垂直于台面的工作载荷全部由一个滑块承担，则单滑块所受的最大垂直方向载荷为 ： （ 3中，移动部件重量 加载荷 ，代上式，得最大工作载荷 离额定寿命 L 的计算 上述所取的 列 列导轨副的滚道硬度为 60作温度不超过 100 C，每根导轨上配有两只滑块，精度为 4 级，工作速度较低，载荷不大。分别取硬度系数 度系数 触系数 度系数荷系数 入式（ 3得距离寿命： L=(H T C f f 50 48965 于期望值 50故距离额定 寿命满足要求。 珠丝杠的计算和选择 滚珠丝杠的负荷包括 钻削力和 铣削力及运动部件的重量所引起的进给抗力。应按铣削时的情况计算 。 型号 装配后 组合尺寸 导轨尺寸 滑块尺寸 H W B F dD1 K T 4 6 15 20 60 1500 7 11 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 大工作载荷 计算 在立铣时，工作台受到进给方向的载荷（与丝杠轴线平行）到横向载荷（与丝杠轴线垂直）到垂直方向的载荷（与工作台面垂直）已知移动部件总 重量 G=644N，按矩形导轨进行计算，取颠覆力矩影响系数K=动导轨上的摩擦系数 =得滚珠丝杠副的最大工作载荷 : 大动工作载荷 计算 设工作台在承受最大铣削力时的最快进给速度 v=1000mm/选丝杠导程 此时丝杠转速 n=v/00r/ 取滚珠丝杠的使用寿命 T=15000h,代入公式 0 66010 （ 3 得丝杠寿命系数 80（单位为： 106r）。 取载荷系数道硬度为 60，取硬度系数入 下 式，求得最大动载荷： 30 W H mL f f F 号的选择与校核 格型号的初选 根据计算出的最大动载荷和初选的丝杠导程，查网上生产该型号的生产厂家的资料，选择济宁博特精密丝杠制造有限公司生产的 列 2005滚珠丝杠副，为内循环固定反向器双螺母垫片预紧式滚珠丝杠副，其公称直径为 20程为 5环滚珠为 3 圈 2 系列，精度等级取 5 级，额定动载荷为 9309N，大于最大计算动载荷最大动工作载荷 足要求。 工作台在钻削加工时受载，滚珠接触面产生变形，即应该考虑滚珠丝杠的额买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 定静载荷 大工作载荷 般使 m=2 3。所选丝杠的额定静 载荷为 21569远大于 1779， 杠满足要求。 表 3 2 滚珠丝杠螺母副几何参数 （单位 名 称 符 号 计算公式和结果 丝杠滚道 公称直径 0距 P 5 接触角 45 钢球直径 纹滚道法面半径 R 0 . 5 2 1 . 6 5 1偏心距 e 螺纹升角 a r c 4 3 3 d 丝杆 丝杠外径 杠底径 螺杆接触直径 o s 1 7 . 7 5z w bd d d 丝杠螺母 螺母螺纹外径 D 0 2 2 2 3 . 2 1 2D d e R 螺母内径（内循环） 动效率的计算 将公称直径 0程 入 0a rc ta n （ 3 得丝杠螺旋升角 =4 33。 将摩擦角 =10，代入 ta n ( ) （ 3 得传动效率 =。 度的验算 作台上下两层滚珠丝杠副的支承均采用“单推 方式，丝杠的 一端 采用 ，面对面组配， 另一端采用深沟球轴承，固游式配合， 左、右支承的中心距约为 a=500的弹性模量 E=珠买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 直径 杠底径 杠截面积 222 4 2 0 6 . 1 2S d m m。算得丝杠在工作载荷 用下产生的拉 /压变形量 如下： 根据公式 0 3WZ d D，求得单圈滚珠数 Z=20；该型号丝杠为单螺母，滚珠的圈数 列数为 3 1，代入公式 Z Z 圈数 列数，得滚珠总数量 Z =60。丝杠预紧时，取轴向预紧力 YJ 。 求得滚珠与螺纹滚 间的接触变形量 2 0 2 6 m m 。 因为丝杠有预紧力，且为轴向负载的 1/3，所以实际变形量可 以减少一半，取 2 =以上算出的 1 和 2 代入 12 总 ，求得丝杠总变形量（对应跨度500 总 =m。 本例中，丝杠的有效行程为 330表 3， 5 级精度滚珠丝杠有效行程在 315400，行程偏差允许达到 25见丝 杠刚度足够。 杆稳定性校核 计算失稳时的临界载荷 取支承系数；由丝杠底径 得截面惯性矩 42 / 6 4 压杆稳定安全系数 K 取 3（丝杠卧式水平安装）；滚动螺母至轴向固定处的距离 a 取最大值 500 入式 22f E I k a 得临界载荷 等于 9343N，远大于工作载荷 丝杠不会失稳。 综上所述，初选的滚珠丝杠副满足使用要求。 进电动机的计算与选型 算加在步进电动机转轴上的总转动惯量 已知：滚珠丝杠的公称直径 0长 l=554程 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 料密度 =102移动部件总重力 G=动比 i=1。 机械系统各部件的转动惯量可以根据相关 公式计算，对于某些传动件（齿轮、丝杠）不容易精确计算 ， 可以用圆柱体公式进行相似计算。 22 22S 22Z b 滚珠丝杠的转动惯量 板折算到丝杠上的转动惯量 初选 步进电动机的型号为 90两相混合式，由常州宝马 前杨电机有限 公司生产，二相八拍驱动时的步距角为 查得该型号的电动机 转子的转动惯量 步进电动机的驱动器选择的是常州伟通机电制造有限公司生产的 驱动器，满足设计需要。 则加在 步进电动机转轴上的总转动惯量为： 212( ) /e q m Z Z W J J J J i =算惯量匹配，电动机轴向惯量比值应控制在一定的范围内，既不应太大也不应太小，即伺服系统的动态特性取决于负载特性。为使该系统惯量达到较合理的配合，一般比值控制在 1/4 1 之间， 由此可见 :1 14 符合惯量匹配要求。 算加在步进电动机转轴上的等效负载转矩 分快速空载和承受最大负载两种情况进行计算。 快速空载起动时电动机转轴所承受的负载转矩1一部分是快速空载起动时折算到电动机转轴上的最大加速转矩部分是移动部件运动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。因为滚珠丝杠副传动效率很高， 0以忽略不计。则有： 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 1 ，计算空载起动时折算到电动机转轴上最大加速转矩： 2 160eq （ 3 其中 ： = 式中空载最快移动速度， 本设计 为 1000mm/ 步进电动机步距角，预选电动机为 ； 脉冲当量，本例 =冲。 设步进电机由静止加速至传动链总效率 。 移动部件运动时，折算到电动机转轴上的摩擦转矩为： 式中 导轨的摩擦因素，滚动导轨取 垂直方向的 磨 削力，空载时取 0 传动链效率，取 后求得快速空载起动时电动机转轴所承受的负载转矩： 1m 最大工作负载状态下电动机转轴所承受的负载转矩2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运动时折算到 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