油缸缸底自动焊装设计 毕业设计论文.doc

重庆科技学院毕业设计（论文） 题 目 油缸缸底自动焊装设计 学 院 机械与动力工程学院 专业班级 机电09-01 学生姓名 学号 2009441165 指导教师 职称 副教授 评阅教师 职称 2013年6月3日学生毕业设计（论文）原创性声明本人以信誉声明：所呈交的毕业设计（论文）是在导师的指导下进行的设计（研究）工作及取得的成果，设计（论文）中引用他（她）人的文献、数据、图件、资料均已明确标注出，论文中的结论和结果为本人独立完成，不包含他人成果及为获得重庆科技学院或其它教育机构的学位或证书而使用其材料。与我一同工作的同志对本设计（研究）所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。毕业设计（论文）作者（签字）： 年 月 日重庆科技学院本科生毕业设计 摘要摘要随着社会的发展，生产水平不断的提高，机械手在通用机械、汽车行业、金属结构、航天工业及造船业都得到了应用。本次设计题目为油缸缸底自动焊装设计，机械手是三自由度悬挂一个焊枪进行作业。在机械结构方面，每一个方向都是由步进电机带动滚珠丝杆旋转，再有滚珠丝杆带动平台运动，从而实现焊枪直线上的运动。控制方面，plc控制系统简单且准确有效，本次设计采用plc控制实现全自动焊接工艺，包括自动起弧、灭弧，检测起弧成功、起弧失败后自动重新起弧，匀速送丝，缸体转台速度控制等。步进电机是一种把电脉信号转换成相应的直线位移或角位移的机电执行元件，脉冲一个一个的输入，转子就一步一步地转动。关键字：焊接机械手 plc 步进电机 起弧重庆科技学院本科生毕业设计 abstractabstractwith the development of the society，the production level is the constantly improving. manipulator in general machinery, automobile industry, metal structure in the shipbuilding industry, aerospace industry and has been applied. this design topic for the oil cylinder bottom automatic welding design, three degrees of freedom manipulator is hanging a welding torch for homework. in terms of the mechanical structure, each one direction is by stepping motor drives the ball screw rotation, another ball screw driven platform movement, so as to realize the movement of welding torch on line. control, plc control system is simple and accurate and effective, this design uses the plc control to realize automatic welding technology, including automatic arc starting and arc extinguishing, detection after striking success, arcing failure automatic arc starting afresh, uniform wire, block turntable speed control, etc. stepper motor is an electrical pulse signal into the corresponding linear displacement or angular displacement of the mechanical and electrical actuators, pulse input one by one, the rotor is step by step.key words: welding manipulator；plc；stepper motor重庆科技学院本科生毕业设计 目录目录摘要 abstract1 绪 论 11.1 国外发展的基本状况21.2 国内发展状况21.3 焊接机械手的意义31.4 co2气体保护焊介绍 32 设计方案 102.1 总体方案 102.2 机械结构 102.3 电气控制 102.4 焊机的起弧和灭弧 113 计算说明 133.1 x轴传动机构的计算与校核（左右）133.2 y轴传动机构的计算与校核（前后）193.3 x轴传动机构的计算与校核（上下）244 电气控制（plc控制）314.1控制要求 314.2控制方案 314.3限位开关的选择 314.4驱动器的选择与接线 314.5 plc的i/o端口分配324.6 plc梯形图335 结论 366 参考文献 377 致谢 38重庆科技学院本科生毕业设计 1 绪论1 绪 论焊接技术在现代工业中占据着十分重要的地位，许多行业都离不开焊接，然而焊接生产的工作环境却十分恶劣，焊接过程中产生的红外线（ifr）、氧化物和烟尘等长期危害着工人的身体健康，其次工人的劳动强度也很大。焊接机械手的出现，它改变了现代工业，实现了生产自动化，提高了生产效率和产品的质量。焊接工艺由于加工工艺十分复杂，特别是焊机的起弧、灭弧比较困难，它直接关系到焊接的质量，所以长期以来焊接都是由具有丰富经验的工人来完成的，所以实现全自动焊接工艺是具有一定困难的。焊接机械手的运用使工人避免了高强度的体力劳动，工人的工作环境也得到了较大的改善，焊接质量也有了明显的提高，采用机械手焊接时它的参数（如焊接电流、电压、焊接速度和干伸长量等）对焊接质量起决定性作用，而我们焊接时，焊接每条焊缝的焊接参数基本一致，人为影响不大，对操作工人的技术要求也不高，因此焊接质量比较稳定，而人工手工焊接时，焊接速度、干伸长量等都会随人时刻变化，焊接质量也各不相同，焊接机械手的工作效率也十分的高，若有需要，机械手可以24 小时不间断工作，无需休息，而手工焊接，工人因高强度劳动每焊接一段时间就需要休息。随着焊接技术的不断发展，采用机器人焊接，效率将提高得更加的明显。焊接机械手的运用，产品质量和生产效率都得到了较大的提升, 并且因为机械手是一种能适应产品迅速更新换代的柔性自动化设备, 所以, 它的应用大大缩短了新产品的换产周期, 从而提高了产品在市场上的竞争力。在当代工业技术革命中, 工业生产日趋向柔性自动化方向发展, 工业机器人技术已成为现代工业技术革命中的一个组成部分，许多国家都已将机器人技术列入高技术发展计划。焊接机器人正逐渐成为焊接过程自动化的一个重要部分，是提高关键结构的焊接质量的重要的手段。焊接机器人的应用不仅提高了焊接质量和生产率，而且降低了工人的劳动强度，作业环境也得到改善。因此,设计一种自动化的机器人能够,加快工作效率,节约成本使企业更具竞争力。机器人在如今十分受发达国家重视，在许多领域都得到了广泛的应用。机器人的发展情况，在一定程度上显示了一个国家自动化水平的高低。机器人不仅仅可以代替人类做一些简单的工作，它在一定程度上还具有人不具有的优点的电子机械产品，现在的机器人具有快速的反应能力和适应能力，又有机器可长时间持续工作、精确度高、抗恶劣环境的能力，所以从某种意义上说它也是机器的进化过程产物，它是工业以及非产业界的重要生产和服务性设备，也是先进制造技术领域不可缺少的自动化设备。随着社会的不断发展工业制造趋向于机器人的自动化代替人力的枯燥,危险的工作,板-管的人工焊接是相当乏味的,要在一块圆形平板中焊接数十个板管,单一反复的操作会降低工作效率,因此,就有必要设计改造,将其自动化。11.1 国外发展的基本状况机器人技术的发展，可以说是一个科学技术发展的综合性结果。自从世界上第一台工业机器人 unimate 于 1959 年在美国诞生以来，机器人从只会简单的动作，向智能化方向发展，不但具有感知功能，而且具有独自判断、动作、记忆、安全保护等新功能，能适应外部不同工作对象和环境协调地工作，能完成更加复杂、高难度动作。国外机器人领域发展近几年有如下几个趋势：(1)工业机器人的科技技术不断提高，不断向高性能发展如高速度、高精度、高可靠性、便于操作和维修，但是它的价格却不断的下降；(2）机器人的机械不断趋于模块化、重构性强；(3)工业机器人用plc作为控制系统，逐渐有统一的标准，并网络化；集成度越来越高，并且模块化，大大提高了系统的可靠性、准确性、并且容易操作和容易维护；(4)传感器在机器人中有越来越多的应用，如今传感器技术越来越发达，其作用也显得越来越重要。21.2 国内发展状况我国有组织有计划地发展机器人技术，从80年代“七五”科技攻关开始起步，在国家的支持下，通过“七五”、“八五”科技攻关，目前已基本掌握了机器人操作机的设计制造技术、控制系统硬件和软件设计技术、运动学和轨迹规划技术，生产了部分机器人关键性元器件，开发出喷漆、弧焊、点焊、装配、搬运等机器人。其中有130多台套喷漆机器人在二十余家企业的近30条自动喷漆生产上获得了规模应用，弧焊机械手已应用于在汽车制造厂的焊装生产线上。但总的看来，我国的工业机器人技术及其工程应用的技术和国外比还有一定的距离，我国机器人应用起步较晚，可靠性、准确性低于国外产品，应用领域较窄，生产线系统技术与国外比有差距。而我国的机器人生产都是应用户的要求，一对一设计，品种规格多、批量小、零部件通用化程度低、供货周期长、成本较高，且质量、可靠性不稳定。因此迫切需要解决产业化前期的关键技术，对产品进行全面规划，搞好系列化、通用化、模块化设计，积极推进产业化进程。目前，焊接机械手在我国的应用效果并不是很好，焊接机械手生产线不能实现全部设计功能，只能做单机使用；有的焊接机没实现全自动控制；焊坯的制造精度低等问题。31.3 焊接机械手的意义焊接应形成机电一体化作为我国焊接产业的规模增长很快，若干焊接器材的性能也有长足进步。但是不少焊接设备与一些焊接材料，仍与国外知名焊接企业产品有一定的差距。焊接设备不能单枪匹马使用。欧美等国家把焊接及其相关的焊材、辅机作为一个整体来看待。焊接设备完全融入机电一体化、融入自动化、融入工业化，焊接与国民经济的各个行业紧紧连在一起，不应是为焊接而焊接。在我国焊接设备、焊接材料、焊接工艺、焊接辅机具等，本应紧密相连的部分分成了几个框框，各自都在强调自己的重要性，相互之间的配合较少，未能很好地协调统一发展。从宏观上讲，焊接设备未能融入机电一体化设备的大环境中。3本次设计来源于实际生产，目前液压缸焊接状况还处于人工焊阶段，设计使其具有完全自动焊接的功能，以此来提高产品的质量和生产效率。1.4 co2气体保护焊介绍气体保护焊的定义：用外加气体作为电弧介质并保护电弧和焊接区的电弧焊称为气体保护电弧焊，简称气体保护焊。常用的保护气体：二氧化碳（co2）、氩气（ar）、氦气（he）、以及他们的混合气体：co2+ a r 、 co2+ a r + he . 。1.4.1 co2气体保护电弧焊的工作原理c02气体保护电弧焊是使用焊丝来代替焊条,经送丝轮通过送丝软管送到焊枪,经导电嘴导电,在co2气氛中,与母材之间产生电弧,靠电弧热量进行焊接。co2气体在工作时通过焊枪喷嘴，沿焊丝周围喷射出来，在电弧周围造成局部的气体保护层使溶滴、溶池与空气机械地隔离开来，从而保护焊接过程稳定持续地进行，并获得优质的焊缝。图1.1 co2气体保护焊原理图1.4.2 c02气体保护电弧焊的优点 焊接速度快，单位时间内熔化焊丝比手工电弧焊快一倍 焊接范围广，可适用低碳钢高强度钢普通铸钢全方位焊 焊接质量好，对铁锈不敏感，焊缝含氢量低，抗裂性能好，受热变形小 引弧性能好，能量集中，引弧容易，连续送丝电弧不中断 溶深大，熔深是手弧焊的三倍,坡口加工小 溶敷效率高，手弧焊焊条熔敷效率是60%，co2焊焊丝熔敷是90% 缺点：与手工焊比：抗风能力差，设备较复杂1.4.3 co2焊主要规范参数焊接电流:根据焊接条件（板厚、焊接位置、焊接速度、材质等参数）选定相应的焊接电流。co2焊机调电流实际上是在调整送丝速度。因此co2焊机的焊接电流必须与焊接电压相匹配，一定要保证送丝速度与焊接电压对焊丝的熔化能力一致，以保证电弧长度的稳定。图1.2 焊丝融化速度与焊接电流的关系图1.3 焊接电流对溶深的影响焊接电压既电弧电压: 提供焊接能量。电弧电压越高，焊接能量越大，焊丝熔化速度就越快，焊接电流也就越大。电弧电压等于焊机输出电压减去焊接回路的损耗电压，可用下列公式表示： u电弧 = u输出 u损电压偏高时：弧长变长,飞溅颗粒变大,易产生气孔。焊道变宽,熔深和余高变小；电压偏低时:焊丝插向母材,飞溅增加,焊道变窄，熔深和余高大；根据焊接条件选定相应板厚的焊接电流，然后根据下列公式计算焊接电压:300a时: 焊接电压 = ( 0.04倍焊接电流 + 20 2) 伏图1.4 电弧电压与焊缝成形的关系图1.5电弧电压与气孔的关系焊接速度：在焊接电压和焊接电流一定的情况下，焊接速度的选择应保证单位时间内给焊缝足够的热量.焊接热量三要素：热量= i 2 r t i 2：焊接电流的平方r: 电弧及干伸长度的等效电阻t: 焊接速度半自动：焊接速度为30-60cm/min。 图1.6 焊接速度对焊缝成形的影响自动焊：焊接速度可高达250cm/min以上。焊接速度过快时:焊道变窄,熔深和余高变小。干伸出量:焊丝从导电嘴到工件的距离：焊丝干伸长较大时，由于电阻导热使焊丝融化过快，将引起电弧不稳定，飞溅增加，产生气泡和焊缝外观不好看等。表1-1焊接电流/a导电嘴焊件距离/mm25015-2539焊接过程中，保持焊丝干伸长度不变是保 ，证焊接过程稳定性的重要因素之一，过长时：气体保护效果不好，易产生气孔，引弧性能差,电弧不稳,飞溅加大, 熔深变浅，成形变坏。过短时：看不清电弧,喷嘴易被飞溅物堵塞,飞溅大，熔深变深，焊丝易与导电嘴粘连。4 焊接电流一定时，干伸长度的增加，会使焊丝熔化速度增加，但电弧电压下降，电流降低，电弧热量减少。图1.7 导电嘴 焊件间距与焊接电流，溶深的关系焊丝：co2焊丝分为实芯焊丝和药芯焊丝两种，因co2是一种氧化性气体，在电弧高温区分解为一氧化碳和氧气，具有强烈的氧化作用，使合金元素烧损，所以co2焊时为了防止气孔，减少飞溅和保证焊缝较高的机械性能，必须采用含有si、m n等脱氧元素的焊丝。co2焊使用的焊丝既是填充金属又是电极，所以焊丝既要保证一定的化学性能和机械性能，又要保证具有良好的导电性能和工艺性能。极性，反极性：电弧稳定，焊接过程平稳，飞溅小。正极性：熔深较浅，余高较大，飞溅很大，成形不好，焊丝熔化速度快（约为反极性的1.6倍），只在堆焊时才采用。co2焊、mag焊和脉冲mag焊一般采用直流反极性。41.4.4 co2气体保护焊关于起弧问题半自动焊时，喷嘴母材之间的距离不好控制，这个距离过大，则气体保护效果恶化。对于手工焊工来说，极易出现这样的情况，也就是当焊丝以一定速度冲向母材时，往往把焊枪顶起，结果使焊枪远离母材，从而破坏了正常保护。所以，焊工应该注意保持焊枪到工件之间的距离。 起弧时切忌在焊丝和工件接触时按下焊枪按钮。在这种情况下起弧，往往造成很大的飞溅，并可使导电嘴堵塞，结果使焊丝和导电嘴端头粘在一起，还可能出现返烧，甚至烧毁导电嘴。所以，起弧之前应该在焊丝端头与工件表面之间保持一定距离的情况下按焊枪按钮。11一般情况下，焊接结束时在焊丝端头常常残留一个较大的熔滴，并在其下表面附着一层渣，它将使电弧难以引燃。为此，起弧之前应该剪断焊丝端头，显然这是相当麻烦的工作。近年出现的一些高档焊机中，装有焊丝端头处理电路。这样，每当焊接结束时，都能自动去掉焊丝端头的熔滴。从而为下次起弧创造了良好的条件。这种作用称为剪断效应。半自动焊时习惯的起弧方式是焊丝端头与焊接处划擦的过程中按焊枪按钮，通常称为“划擦起弧”。这种起弧成功率较高。起弧后，必须迅速调整焊枪对准位置、焊枪角度和导电嘴母材之间的距离。图1.8 几种起弧方式起弧处由于工件的温度较低，所以，焊深比较浅。另外，由于过程不稳定，容易产生缺陷。为防止这种缺陷的影响，可以采取如图40所示的方法。显然图1.8a是把起弧处留在工艺板上。但在一般情况下往往不采用这种方法，而是直接在工件上起弧。由于起弧处熔深浅，特别是在短路过渡时容易引起未焊透。为此可以采用图1.8b所示的倒退起弧法，起弧后快速返回母材端头，再沿焊接线移动，在焊道重合部分进行摆动，熔深浅处用余高来补偿。图40c适合于环缝自动焊情况，起弧后快速移动，得到较窄的焊道，为随后焊道接头创造条件。半自动焊时的焊道接头处通常采用图1.8b所示的倒退焊法，使焊道充分熔合，达到完全消除前一焊道弧坑的目的。4重庆科技学院本科生毕业设计 2 设计方案2 设计方案2.1 总体方案 本设计有2个搬运机械手（上料机械手、下料机械手）和一个焊机机械手以及工作台组成。先由上料机械手夹取液压缸搬运至工作台再由焊接机械手焊接，焊接完毕后由下料机械手夹取下料再有传送带运走。我主要负责焊接机械手部分。2.2 机械结构焊接机械手为3个自由度，能在xyz三方向直线运动，分别用3个步进电机带动3个滚珠丝杆实现直线运动。运动范围 x轴(左右)方向运动范围:1500mm（左右） y轴(前后)方向运动范围:300mm （前后） z轴(上下)方向运动范围:800mm （上下）定位精度要求 x轴方向:0.02mm y轴方向:0.02mm z轴方向:0.02mm运动速度要求 x轴方向运动速度:0.02m/s y轴方向运动速度:0.05m/s z轴方向运动速度:0.02m/s2.3 电气控制采用plc控制实现全自动焊接，操作方式设计为手动，回零，自动。x,y,z向动作，进,退可由手动或自动程序控制，自动起弧、灭弧，用光电传感器检测起弧是否成功。驱动步进电机脉冲信号由编程产生，采用计时与计数器命令来进行控制。plc对步进电机具有良好的控制，步进电机是一种将电脉冲信号转换成相应角位移或直线位移的机电执行元件。每当输出一个电脉冲时，转子就转动一个固定的角度。脉冲一个接一个地输出，转子就一步一步的转动，故步进电机的角位移量与输入的电脉冲个数成正比，旋转速度与输入点脉冲的频率成正比，即控制输入电脉冲的个数、频率和定子绕组的通电方式，就可以控制步进电机转子的角位移量、旋转速度和旋转方向。步进电机具有快速启动停止、高精度、能够直接接受数字信号和不需要位移传感器就可以达到较精确定位的特点，因而在许多场合都得到了应用。2.4 焊机的起弧和灭弧2.4.1二氧化碳气体保护焊焊机操作过程焊接规范电压规范电流提前送气24s引弧高电压慢送丝开始按下焊枪开关停止焊接松开焊接开关滞后送气24s 结束焊枪离开溶池2.4.2焊接时起弧的办法起弧之前应该在焊丝端头与工件表面之间保持一定距离下按焊枪按纽起弧之前剪断焊丝端头的熔滴，为下次起弧创造良好的条件引弧方式采用“划擦起弧”，起弧后必须调整焊枪对准位置、焊枪角度和导电嘴-母材之间的距离焊接接头处通常采用倒退焊法(图2.1)，使焊道充分熔合，达到完全消除前一道弧坑的目的对于环焊缝焊接时，起弧后快速移动(图2.2)，得到较窄的焊道，为随后焊道接头创造条件图2.1 倒退起弧 图2.2起弧快速移动2.4.3 收弧的办法将收弧转换开关置于“有收弧”处，先后两次将焊接开关按下、松开进行焊接，焊接结束时，焊枪在电弧停止4秒后离开。2.4.4 焊接接头部分的要求焊接接头部分的重叠尺寸在：10-20mm；焊接结尾处与前次焊接开始处的接头重叠，焊接结束端部重叠在前次焊缝的开始端部，焊接开始端部与前次焊接的开始端部重叠，容易产生缺陷。焊接接头在拐角、应力集中处焊接接头部位,不在拐角、应力集中处息弧，避免焊接接头在此处的产生，应力集中易发生断裂。4重庆科技学院本科生毕业设计 电气控制（plc）控制重庆科技学院本科生毕业设计 3 计算说明3 计算说明3.1 x轴传动机构的计算与校核（左右）3.1.1 电机脉冲当量的选择根据实际设计要求，具体分析，x轴方向的脉冲当量为x=0.02mm/脉冲。3.1.2 x轴滚珠丝杆的计算工作载荷fm的计算工作载荷fm是指滚珠丝杆在驱动工作台时的最大轴向力的=，已知移动部件的质量g=1000nfq最大动载荷的计算根据设计要求x轴的移动速度为0.1m/s，故先选丝杆导程为ph=6mm，所以丝杆转速n=1000v/ph=278r/min。取滚珠丝杆的使用寿命为t=1500h（机电设备使用寿命t一般去1000-1500h），l0=60nt/106 n为丝杆每分钟的转速 l0=250（106r）查表3-30，取载荷系数fw=1.1,硬度系数fh=1.0故代入公式： （3-1）最大动载荷fq=6929.57n。 初选丝杆型号 查表3-33，根据最大动载荷，选用40006-3型滚珠丝杆，公称直径d=40mm，基本导程ph=6mm，双螺母滚珠总全圈数为32=6圈，精度等级为4级，额定动载荷为13200n，满足设计要求传动效率的计算 公称直径 d0=40mm，ph=6mm， （3-2）得到丝杆螺旋升角d=2.72,取摩擦角=0.1， 故=96.52%。 刚度校核1）左、右底座中心距离约为2000mm，刚的弹性模量e=2.1105mp；查表3-33，得滚珠直径dw=3.9669mm，算得丝杠底径d2=公称直径-滚珠直径=36.1265mm，则丝杠截面积， s=d24/4 （3-3）计算出 s=1018.66mm2丝杠的拉伸或压缩变形量1 （3-4）i为丝杠底径的截面，惯性矩i=d24/64（其中“+”号表示拉伸，“-”表示压缩）由于转矩m一般较小，式中第二项在计算可忽略不计，所以： （3-5）综上所诉，计算得出丝杠在工作载荷fm作用下产生的拉/压变形量1=0.01336mm 。 2）根据公式无预紧时 （3-6）有预紧时 （3-7） 滚珠直径，单位为mm； 单圈滚珠数，（外圈环），（内圈环）；滚珠总数量， =z圈数列数；预紧力，单位n。当滚珠丝杠副有预紧力，且预紧力达到轴向工作载荷的1/3时，2值预计减小一半左右，单圈滚珠数目z=29；该型号丝杠为双螺母，滚珠总圈数为32=6圈，总滚珠总数量 =296=174 ；滚珠丝杠预紧时，取轴向预紧力433.33n 。则2=0.00086mm。因为丝杠存在预紧力，且为轴向负载的三分之一，所以实际变形量可减小一半，取2=0.00043mm。3）将以上算出的1、2代入=1+2 （3-8）得变形总量=13.79um。由表3-27形成偏差和变动量可知，4级精度滚珠丝杠在2000mm-2500mm轴向行程内行程的变动量允许在57um内，而对于阔度为2000 的滚珠丝杠，总的变形量只有13.85um ，故丝杠刚度满足设计要求。压杆稳定性校核由于滚珠丝杠比较细长，如果轴向负载过大，则可能产生失稳现象；失稳时的临界载荷fk应满足： （3-9） fk临界载荷，单位n；fk丝杠支承系数；k压杆稳定安全系数，一般取2.5-4，垂直安装时取小值；a滚珠丝杠两端支承间的距离，单位mm ；查表3-34由单推，可知丝杠支承系数fk =1，有丝杠底径d2=36.0312mm ，求得界面惯性矩i=d24/6482734.15mm4；丝杆稳定安全系数取k=3，滚动螺母至轴向固定处的距离取最大值2000mm ，代入3-9式，得临界载荷fk =1808.66n，远大于工作载荷fm=1000n，故丝杠不会出现失稳现象。综上所述，初选的滚珠丝杠螺母副满足设计要求。5图3.1 x轴滚珠丝杆3.1.3减速机构设计初选电动机型号130byg3502 ，三相混合式，最大静转矩为37n.m，十拍驱动时步距角为0.6。传动比i的计算由以上可知，电动机的步距角=0.6,脉冲当量=0.02mm/脉冲，脉冲当量要小于定位精度。则根据式： （3-10） 计算得出i=0.5。所以机构不需要减速机构。63.1.4 步进电动机的计算（x左右方向）计算步进电动机转轴上的总转动惯量jeq已知：滚珠丝杠的公称直径d0=40mm，总长（带接杆）=2000mm，导程ph=6mm，材料密度=，x向移动部件总重量g=1000n。由表4-1，可以计算出各个零部件的转动惯量如下：滚珠丝杠的转动惯量=45.4；折算到丝杠上的转动惯量jw=1.31。初选的纵向步进电动机型号为130byg3502，查表4-5可知该型号电动机转子的转动惯量jm=48。则加在步进电动机转轴上能够的总转动惯量为： =jm+（jw+ js） （3-11） 得91.26计算步进电动机转轴上等效负载转矩分为空载运动和最大工作负载两种情况进行计算。1）快速空载启动时电动机转轴所承受的负载转矩teq由式=+可知，包括三部分：快速空载启动时电动机转轴上的最大加速转矩、电动机转轴上的摩擦转矩、附加摩擦转矩；因为滚珠丝杠副传动效率很高，根据式可知，相对于和很小，可以忽略不计。则有=+ （3-12）根据式 =，考虑纵向链的总效率，计算快速空载启动时电动机转轴上的最大加速转矩：= （3-13）nm对应纵向空载最快移动速度的步进电动机最高转速。ta步进电动机有静止到加速至nm转速所需要的时间。其中： （3-14）x方向空载最快移动速度，为0.2m/s； x方向步进电动的步矩角，=0.6； x方向的脉冲当量，=0.02mm/脉冲。将以上各式带入式，计算出=200。假设步进电机转速由0到所花费的时间=0.4s，纵向传动链总效率=0.96；则由式=求得=5.05由式可知，移动部件运动时，折算到电动机转轴上的摩擦转矩为： （3-15） 导轨的摩擦因数，滚动导轨的摩擦因数一般情况下取0.004垂直方向的工作负载，空载时一般取0；纵向传动总效率，一般取0.7则由式得：=0.005nm最后由式计算出快速空载启动时电动机转轴所承受的负载转矩为：=+=5.055nm2）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，根据来选择步进电动机的最大静转矩时，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：4=20.22nm条件由于130byg3502型步进电动机，可知，其最大静转矩=37nm20.22，可见满足式4的要求，故满足设计需求。步进电动机的性能校核1）电机以最大的工进速度运行时电动机输出转矩校核x向最大的工进速度=0.2m/s，脉冲当量=0.02mm/脉冲，由式求出电动机对应的运行频率=600/（60*0.02）hz=2000hz。由130byg3502的运行矩频特性可以看出，在2000频率运行下，电动机的输出转矩=26.80nm，远大于最大工作负载转矩=5.055nm，故满足设计要求。2）当电机以最大空载运行时电动机运行频率验算最大空载移动速度=0.2m/s，对应的电动机运行频率=2000hz。130byg3502的极限运行频率为15000hz，可见没有超出范围。3）启动频率的计算已以上计算结果得知电动机转轴上的总惯量=91.26kg，电动机转子自身的转动惯量=48kg，查表4-5可知电动机转轴最高空载启动频率=1500hz。则由式可以求出步进电动机克服惯性负载的启动频率为： （3-16） 得886.42hz。上式结果说明，要想保证步进电动机启动时不会失步，任何时候的启动频率必须小于886.42hz，实际上，在采用软件升降时，启动频率选得很低，通常只有100hz（即100脉冲/s）故基本不会出现失步现象.7综上所述，系统选用130byg3502步进电动机，可以满足设计的基本要求。3.2 y轴传动机构的计算与校核（前后）3.2.1 电机脉冲当量的选择 根据实际设计要求，具体分析，y轴方向的脉冲当量为y=0.01mm/脉冲.3.2.2 y轴滚珠丝杆的计算工作载荷fm的计算工作载荷fm是指滚珠丝杆在驱动工作台时的最大轴向力，已知移动部件的质量g=400n。fq最大动载荷的计算根据设计要求x轴的移动速度为0.5m/s，故先选丝杆导程为ph=4mm，所以丝杆转速n=1000v/ph=278r/min。取滚珠丝杆的使用寿命为t=1500h（机电设备使用寿命t一般去1000-1500h），l0=60nt/106 n为丝杆每分钟的转速 l0=208（106r）查表3-30，取载荷系数fw=1.1,硬度系数fh=1.0故代入公式： （3-17）计算出最大动载荷fq=2606.99n 初选丝杆型号 查表3-33，根据最大动载荷，选用fl2004型滚珠丝杆，公称直径d0=20mm，基本导程ph=4mm，双螺母滚珠总全圈数为32=6圈，精度等级为4级，额定动载荷为4900n，满足设计要求传动效率的计算 公称直径 d0=20mm，ph=4mm， （3-18）得到丝杆螺旋升角d=2.82,取摩擦角=0.1， 故=97.82%。 刚度校核中心距离约为300mm，刚的弹性模量e=2.1105mp；查表3-33，得滚珠直径dw=2.3569mm，算得丝杠底径d2=公称直径-滚珠直径=17.6564mm，则丝杠截面积s=d24/4，计算出 s=242.35mm2丝杠的拉伸或压缩变形量1 （3-19）i为丝杠底径的截面，惯性矩i=d24/64（其中“+”号表示拉伸，“-”表示压缩）由于转矩m一般较小，式中第二项在计算可忽略不计，所以， （3-20）综上所诉，计算得出丝杠在工作载荷fm作用下产生的拉/压变形量1=0.0042mm 。 2）根据公式无预紧时： （3-21）有预紧时： （3-22） 滚珠直径，单位为mm； 单圈滚珠数（外圈环）（内圈环）滚珠总数量， =z圈数列数；预紧力，单位n。当滚珠丝杠副有预紧力，且预紧力达到轴向工作载荷的1/3时，2值预计减小一半左右，单圈滚珠数目z=29；该型号丝杠为双螺母，滚珠总圈数为32=6圈，总滚珠总数量 =296=174 ；滚珠丝杠预紧时，取轴向预紧力166.67n 。则2=0.0006mm。因为丝杠存在预紧力，且为轴向负载的三分之一，所以实际变形量可减小一半，取2=0.0003mm。3）将以上算出的1、2代入=1+2 （3-23）得变形总量=4.5um。由表3-27形成偏差和变动量可知，4级精度滚珠丝杠在2000mm-2500mm轴向行程内行程的变动量允许在20um内，而对于阔度为300 的滚珠丝杠，总的变形量只有4.5um ，故丝杠刚度满足设计要求。丝杆稳定性校核由于滚珠丝杠比较细长，如果轴向负载过大，则可能产生失稳现象；失稳时的临界载荷fk应满足： （3-24） fk临界载荷，单位n；fk丝杠支承系数；k压杆稳定安全系数，一般取2.5-4，垂直安装时取小值；a滚珠丝杠两端支承间的距离，单位mm ；查表3-34由单推，可知丝杠支承系数fk =1，有丝杠底径d2=17.12mm ，求得界面惯性矩i=d24/644186.24mm4；丝杆稳定安全系数取k=3，滚动螺母至轴向固定处的距离取最大值300mm ，代入3-9式，得临界载荷fk =1312.86n，远大于工作载荷fm=400n，故丝杠不会出现失稳现象。综上所述，初选的滚珠丝杠螺母副满足设计要求。图3.2 y轴滚珠丝杆3.2.3 减速机构设计初选电动机型号110byg3502 ，三相混合式，最大静转矩为16nm，六拍驱动时步距角为0.6。传动比i的计算由以上可知，电动机的步距角=0.6,脉冲当量y=0.01mm/脉冲，脉冲当量要小于定位精度。则根据式 （3-25） 计算得出i=0.67。所以机构不需要减速机构。3.2.4 步进电动机的计算（y左右方向）计算步进电动机转轴上的总转动惯量jeq已知：滚珠丝杠的公称直径d0=20mm，总长（带接杆）=300mm，导程ph=4mm，材料密度=，x向移动部件总重量g=400n。查表4-1，可以计算出各个零部件的转动惯量如下：滚珠丝杠的转动惯量=0.579；折算到丝杠上的转动惯量jw=1.31。初选的纵向步进电动机型号为130byg3502，查表4-5可知该型号电动机转子的转动惯量jm=15。则加在步进电动机转轴上能够的总转动惯量为： =jm+（jw+ js） （3-26） 得jeq=15.86计算步进电动机转轴上等效负载转矩分为空载运动和最大工作负载两种情况进行计算。1）快速空载启动时电动机转轴所承受的负载转矩teq由式=+可知，包括三部分：快速空载启动时电动机转轴上的最大加速转矩、电动机转轴上的摩擦转矩、附加摩擦转矩；因为滚珠丝杠副传动效率很高，根据式可知，相对于和很小，可以忽略不计。则有=+ （3-27）根据式 =，考虑纵向链的总效率，计算快速空载启动时电动机转轴上的最大加速转矩：= （3-28）nm对应纵向空载最快移动速度的步进电动机最高转速。ta步进电动机有静止到加速至nm转速所需要的时间。其中： （3-29） y方向空载时最大的移动速度，为0.5m/s y方向步进电机的步矩角，=0.6 y方向的脉冲当量，=0.01mm/脉冲。将以上各式带入式，计算出=200。 假设步进电机转速由0到所花费的时间=0.4s，纵向传动链总效率=0.96；则由式=求得=0.0845由式可知，移动部件运动时，折算到电动机转轴上的摩擦转矩为： （3-30） 导轨的摩擦因数，滚动导轨取0.004垂直方向的工作负载，空载时取0；纵向传动总效率，取0.7则由式得：=1.326nm最后由式计算出快速空载启动时电动机转轴所承受的负载转矩为：=+=1.4105nm2）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，根据来选择步进电动机的最大静转矩时，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：4=5.642nm条件由于110byg3502型步进电动机，可知，其最大静转矩=15nm5.642，可见满足式4的要求，故满足设计需求。步进电动机的性能校