（机械设计及理论专业论文）自动配液机及控制系统设计.pdf

天泮i 业人学硕十学位论文 摘要 我围是著名的纺织大幽，纺织业依然足我凼的支柱产业，其中印染业又足整 个环节中十分重要的组成部分。在印染企业工序流程中，化验室工序足一个非常 关键的坏 i 了，它关系到产品的质量、企业的竞争力。配液是化验室工序流程中一 项需不断重复的工作，人工配液不但劳动强度大，而且误差大。目前国内进口的 相关的自动化系统完全依靠国外技术、设备，成本高。因此急需研制适合于中国 情况的自动化配液系统。 本文探讨了自动配液系统的研究与丌发，设计了一套具有开放性和适应性的 实验室自动配液系统。 1 以机电一体化的设计思路设计了一台能够处理1 0 0 种母液的自动配液机， 该设备机械主体部分为龙门式三维机器人结构和夹持器，其传动装置采用的是传 动丝杠副、滚珠丝杠副和同步带，导向装置为直线导轨： 2 控制部分的核心为美国d e l t at a ud a t as y s t e m 公司生产的p m a c 卡，出 p m a c 卡控制4 台交流伺服系统完成配液工作； 3 系统上位机控制软件采用软件工程学观点和模块化思想进行设计，运用 了先进的数据处理方法，编程语言采用v c + + 6 0 ，数据库为a c c e s s 2 0 0 0 。 本自动配色系统是同生产单位共同研发的，适合我国印染企业的需求，其应 用能够降低化验宅工作人员的劳动强度，提高工作效率，提高提高企业的快速反 应能力，具有良好的经济效益和社会效益。 关键词：p m a c 运动控制器；配液系统；运动控制；模块化；开放式数控系统； i l l 天沣t + 业人学硕十学位论文 a b s t r a c t c h i n ai sf a m o u sf o rt e x t i l e ，t h et e x t i l ei n d u s t r yi ss t i l lt h em a i ni n d u s t r yi no u r c o u n t r y , a n da m o n gt h e mt h ep r i n t i n ga n dd y e i n gi n d u s t r yi sv e r yi m p o r t a n t t h e w o r kp r o c e s si nt h el a b o r a t o r yi sak e yl i n k i nt h ew o r kp r o c e s so ft h ep r i n t i n ga n d d y e i n gm i l l i tc o n c e r n st h eq u a l i t yo ft h ep r o d u c t sa n dt h ec o m p e t i t i v ep o w e ro ft h e e n t e r p r i s e l i q u i dm i x i n gi s aw o r kw h i c hn e e d sb ed o n er e p e a t e d l yi nt h ew o r k p r o c e s so ft h el a b o r a t o r y i ti sn o to n l yl a b o u ri n t e n s i t yi sg r e a t ，b u ta l s oi h ee r r o ri s l a r g ew h e nm i x e dl i q u i db yh a n d a tp r e s e n t ，t h ei n t e r r e l a t e da u t o m a t i o ns y s t e m i m p o r t e di st o t a l l yd e p e n d e do nt h ef o r e i g nt e c h n o l o g y , e q u i p m e n t ，w h i c hi n c r e a s e s t h ec o s to fg o o d s s oi ti su r g e n t l yt od e s i g nas e to fa u t o m a t i o ns y s t e mw h i c h m a t c h e st h es i t u a t i o no fc h i n a t h ep a p e rd i s c u s s e st h ei n v e s t i g a t i o na n dd e v e l o p m e n to ft h ea u t ol i q u i dm i x i n g s y s t e m ，a n dd e s i g n sa na u t ol i q u i dm i x i n gs y s t e mw h i c hh a st h ec h a r a c t e r i s t i co f o p e n i n ga n da d a p t a b i l i t y 1 w ed e s i g n e da na u t ol i q u i dm i x i n gm a c h i n ew h i c hc a nd e a lw i t h1 0 0k i n d so f m o t h e rl i q u o rw i t ht h ei n t e g r a t e dm e n t a l i t yo fd e s i g n i n go ft h ee l e c t r o m e c h a n i c s t h e m a i n l ym e c h a n i c a lp a r to fm a c h i n ei st h et h r e e d i m e n s i o n a lr o b o ts t r u c t u r ea n dt h e m a n i p u l a t o r i tt r a n s m i t sp o w e rb yg u i d es c r e w , b a l ls c r e wa n ds y n c h r o n o u sb e l t ，a n d i sg u i d e db yl i n e a rm o t i o ng u i d e 2 p m a cc a r dt h a tp r o d u c e db yd e l t at a ud a t as y s t e mo fu s a i st h ec o n t r o l c o r e f o u ra cs e r v os y s t e m sa l ec o n t r o l l e db yp m a cc a r d 3 t h ev i e w p o i n to fs o f t w a r ee n g i n e e r i n ga n dt h ec o n c e p to fm o d u l a r i z a t i o n ，a s w e l la st h ea d v a n c e dm e t h o do fd a t a a c q u i s i t i o n ，h a v eb e e n u s e dt od e s i g nt h e c o n t r o l l i n gs o f t w a r e t h ep r o g r a ml a n g u a g e i sv c + + 6 0a n dt h ed a t a b a s ei s a c c e s s 2 0 0 0 t h ea u t o l i q u i dm i x i n gs y s t e mw a sd e s i g n e dw i t ht h ee n t e r p r i s e ，w h i c hc a n m a t c ht h en e e do fo u r p r i n t i n ga n dd y e i n gi n d u s t r y i t sa p p l i c a t i o nc a nn o to n l yd r o p t h el a b o ri n t e n s i t yo ft h el a b o r a t o r yw o r k e rb u ta l s oi m p r o v ew o r k i n g e f f i c i e n c ya n d t h ea b i l i t yo fr a p i dr e a c t i o no ft h ee n t e r p r i s e a n di th a st h eg o o de c o n o m i cb e n e f i t s a n ds o c i a lb e n e f i t s k e yw o r d s ：p m a cm o t i o nc o n t r o l l e r ；t h el i q u i dm i x i n gs y s t e m ：m o v e m e n t c o n t r o l l i n g ：m o d u l a r i z a t i o n ：o p e nn cs y s t e m ： 天泮1 业大学硕士学位论文 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导f 进行的研究工作和墩得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得丞洼王些盍堂或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本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。 学位论文作者签名：石嬲 签字日期：多彤够影日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解丞洼王些盍堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权丞望王些太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行 检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学 校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：石聪 签字目期：力刀缪月歹日 导师签名 签字日期 天津f ：业人学硕 ：学位论文 学位论文主要创新点 运用智能控：制理论，在p m a c 卡中嵌入号家控制器，使p i d 参数能够随着 误差的变化而改化，从而使系统能够既响应快又不超调。 第一帝0 i 吉 1 1 印染行业的发展状况 第一章引言 纺织业是我围国民经济的支柱产业之一。长期以来，在满足国内衣着消费、 增加出口创汇、积累建设资会及为相关产业配套等方面发挥了重要作用。而染整 业在纺织工业中具有特殊的位置，在纺织与服装等最终产品中起詹桥梁作用。近 年来，国内的业内人士称染整业为制约纺织行业发展的瓶颈行业，而国外有些专 业人士曾做了一个非常形象的比喻，把染整业视为纺织品的“造型化妆大师”、 “纺织业化妆师”，认为染整业若差，未来纺织业前景是黑白的，染整业若做好， 则前景是彩色的u 。 染整足纺织品的后加工工序，对丌发花色品种、改善产品质量、提高纺织品 的附加值起关键性作用，高品质的纺织品决定着成衣的商档次与高价位。随着经 济区域化、全球化和贸易自由化趋势的加刷，世界纺织工业的格局f 在发生深刻 变化，发达国家逐步将传统的劳动密集型产业向发展中固家转移，而集中发展化 纤、印染等资会、技术密集型产业。大多数发达国家和地区对纺织品印染加工进 行了高科技改造，并把加大高品质纺织品的出口作为其纺织产业调整的方向。近 年来，随着人们生活水平的提高和服装高档化、时装化的需要，加之亚洲会融危 机的影响和国外贸易保护主义抬头，我国纺织品出口增速f 1 趋缓慢。纺织品出口 增幅趋缓尽管有很多的外部原因，但其主要原因还是在纺织业本身。目前我国的 印染产品仍以中、低档和大路产品为主，部分设备落后，能耗高、性能差、自动 化程度低，新产品开发能力差，很难适应市场小批量、多品种、高质量、快交货 的要求。随着全球纺织品配额制的取消，我国纺织品有了更大的市场空闻；同时， 国际竞争也将更趋激烈。 因此，要提高我国纺织产品的国际竞争力，要重视和支持纺织业的发展，提 高纺织工业的生产工艺和技术装备水平，重视和支持染整行业的技术改造和产品 创新。推动印染整理技术和装备的应用和发展，提高产品质量与档次，增加深加 工、精加工、高附加值产品的产量。推动纺织业由劳动密集型向资本技术密集型 转变。 印染工艺是整个染整工艺的前期环节，织物的印染质量也直接影响到后期整 理加工的效果，以及织物的成品质量。目前我困的印染企业参差不齐，平均规模 偏小，技术装备参差不一，有些还是几十年前的设备和工艺，连续化、自动化程 第一帝t j l 占 度低，产品质量不高，市场竞争力不强，也制约了整个纺织工业的发展。从印染 厂如图卜l 所示的： 作流程来看，化验室不仅仪是新技术研究、新产品j r 发和f 1 图1 1 化验室基本i ：作流氍 常生产的指挥中心，而且也是企业经营活动中客商首先接触的部门，如图卜l 所 示的基本工作流程可知，配液是化验室工作流程中需要重复进行的环节。 1 2 自动配液系统的发展状况 随着全球纺织品服装配额制的取消，纺织行业的全球竞争将更加激烈，纺织 企业要想在竞争中站稳脚跟必须提高产品质量和生产效率，对市场变化快速响 应。 就印染行业中的化验室配色而占，由图1 1 化验室工作流程可以看出配液过 程在完成一次配色任务中是需要不断重复的。而在传统的实验室配色工艺中配液 过程的取液、滴定过程郜是由工作人员手工操作。这种手工操作不但劳动强度大、 效率低，而且人为误差大、产品质量不稳定，严重影响企业的生产效率，削弱企 业的竞争力。为了解决这一问题，近年来，国内外企业丹始了对实验室自动配液 系统的研究。实验宅自动配液系统主要是利用机电一体化思想，将取液滴定等简 单重复劳动采用电脑控制由系统自动完成，以减少工艺流程时间、提高效率、提 高产品质量。目前国外的技术发展比较成熟，一些公司研制了具有高性功能的自 动配液系统。在固内市场上，国外品牌占据主要地位，如美国d a t ac o l o r 、 h u n t e r l a b 、美敦、意大利o r i n t e x 等，中国台湾瑞比也比较知名。 目前，自动配液系统可分为有管路和无管路两类。有管路系统中母液通过滴 液管a 接滴入样品杯中，配液的速度较快，但是滴液管中容易产生沉底需要定时 清洗，而且若产生漏夜将影响配色的准确度。无管路系统通常采用注射器从母液 中取液滴入样品杯中，需要较长的时日j 进行配方滴液，但是它们需要极少维修， 而且更准确和i 靠。 1 3 课题的主要内容 面对当前印染企业的现状，我们与天津一家印染企业合作研制一套具有开放 笫一章i 奇 性的实验室自动配液系统。首先采取机电一体化的设计思路研：钊了一台能够处理 1 0 0 种母液的自动配液机，以该配液机为依托丌发了简单易崩的l 二位机操作软件。 论文的t 要工作包括： 1 自动配液机机械本体设计； 2 自动配液机控制系统的设计： 3 上位机数控操作软件的设计。 1 4 课题的意义 我国是著名的纺织大国，纺织业依然足我国的支柱产业，其中印染业又是整 个环节中十分重要的组成部分。在印染企业的工作流程中，化验室工作是整个流 程中：| 常关键的环节，其工作的好坏和效率关系到产品的质量、企业的效率，进 而影响企业的竞争力。虽然在我国有些单位已经应用了相关的自动化系统，但基 本上都是从外国引进的，需要购买外国的技术、设备和原料，增加了产品成本。为 了解决这一问题，我们同生产单位共同研发的一套自动配液系统，根据用户需求 进行设计，并且开发了一套界面友好的数控系统，适合我国大多数印染企业的需 求。其应用能够降低化验室工作人员的劳动强度，提高工作效率，提高提高企业 的快速反应能力，具有良好的经济效益和社会效益。 3 笫幸自动雕液h l 的总体改汁 第二章自动配液机的总体设计 2 1 机电一体化介绍。“” 2 1 1 机电一体化的涵义 机电一体化足随着生产和技术的发展，在以机械、电子技术等为主的多门技 术学科十l j 互渗透、相互结合过程中逐渐形成和发展起束的- - i 新兴边缘技术学 科。 f 1 本在1 9 7 1 年首次提出机电一体化( m e c h a t r o n i c s ) 一词，这个词的| ；j f 半部 分“m e c h a ”表示m e c h a n i c ( 机械学) ，后半部分“t r o n i c s ”表示e l e c t r o n i c s ( 电 子学) 。因此，字面上表示机械学与电子学两个学科的综合，我国通常称为机电 一体化或机碱电子学。 机电一体化经过三十多年的实践与发展，其涵义己发生了深刻的变化，并不 断地被赋予新的内容。因此，机电一体化这一术语至今还没有统一的定义，不过 其基本概念和涵义可以概括为：机电一体化是从系统的观点出发，将机械技术、 微电子技术、计算机信息技术、自动控制技术等在系统工程的基础上有机地加以 综合，实现整个机械系统最优化而建立起来的- - i 1 新的科学技术，最简洁的解释 是“机械与电子的有机结合”1 1 “。 机电一体化的核心是计算机控制伺服系统，它概括了精密机械技术、伺服驱 动技术、传感枪测技术、信息处理技术、自动控制技术和系统总体技术六大关键 技术，有跨学科的思维能力进行综合集成，强凋系统各个环节之i h j 的协调与匹配， 以便达到系统整体最 e 的t - i 标。其主要特征足：整体结构最优化、系统控制智能 化、操作性能柔性化。 本课题的自动配液机是一种典型的机电一体化设备。因而在设计过程中以机 电一体化没汁方法为指导。 2 1 2 机电一体化系统的组成 尽管机f 乜一体化系统( 产，”1 1 ，) 主功能不同，结构繁简各异，但一般uj 机碱本 体部分、传感部分、控制与信息处理部分、驱动部分、执行部分和接口部分组成。 具有智能功能的机电一体化系统( 产品) 的一个显著特征是，它的内部j 力能陶成 4 第一帝自动配液机的总体改计 与组成要素，像一个人的功能结构和组成要素那样完美。如图2 1 机电一体化系 统与人体要素的对照示意图所示。 图2 - 1 为机电一体化系统与人体要素的对照示意图 1 机械装置( 结构功能) 机电一体化对机械系统的基本要求是：高精度、快速响应、良好的稳定性。 为了实现机电系统整体最佳的目标，从系统动力学方面束考虑，传动链越短越好。 另外，由于计算机的强大功能，使传统的作为动力源的电机转换为具有动力、变 速、与执行等多功能的伺服电机。伺服电机的伺服变速功能，在很大程度上代替 了机械传动中对传动比有严格要求的“内联系”传动链中调整速比的“换置 机构”，缩短了每条传动链和取代了几个执行件之白j 的传动联系，大大减少了传 动件的数量，简化了机构，使动力件、传动件与执行件朗着合为一体的最小系统 进行。 2 执行器( 驱动功能，能量转换功能) 执行器包括以电、气压和油压等作为动力源的各种元器件。如普通直流电动 机、三相交流异步电动机、气动马达和气缸、液压马达和液压缸等等。 选择执行器时要考虑其与机械装置之间的协调与匹配，如在需要低速、大推 力或大扭矩的场合下，可考虑选用液压缸或液压马达。 近年来，出现了许多新型执行器，如压电执行器、超声波执行器等等。特别 是一些微型执行器的出现，如直径为0 1 毫米的静电执行器，促进了微电予机械 的发展。 3 传感器( 检测功能) 传感器是从被测对象中提取信息的器件。其发展趋势是复合化、数字化、集 成化和智能化。机电一体化系统对检测系统在性能方面的基本要求是：精度、灵 讹章自r 力配淑帆的总体啦汁 敏度和分辨率高，线性、稳定性和重复性好，抗卜扰能力镁，静、动态特性好。 处此之外，还有一些特殊要求，如体积小、重量轻、价格便宜、便于安装与维修、 耐环境性能好等。这些要求也足住进行机电一体化系统设汁时选_ f f j 传感器并设计 年| i 应的信号检测系统所应遵：】：的磨本原则。 4 讨算机( 控制助能) 目前，几乎所有的控制器部足由具有微处理器的计算机、输入输出接臼、通 讯l 以及周边装置等组成。机电一体化系统中，计算机担负着信息处理，指挥整 个系统运行等任务。信息处理足否i f 确、及时，直接影响到系统工作的质匿和效 率，因此计算机技术已成为机电一体化技术发展和变革最活跃的因素之一。 2 1 3 机电一体化系统设计方法 如图2 - 1 所示，机电一体化系统好比人的躯体，给机械的骨骼和肌肉加上发 达的神经系统，其系统的复杂性决定了其设计方法必须遵从由浅入深和化整为零 两条途径入手，相应的方法是纵向分层法和横向分块法。 1 纵向分层法 纵向分层法是从系统工程出发，按照系统的纵向结构设计和功能，将机电一 体化系统结构层次设计与相关的企业组织架构相对应，根据任务的重要性，由相 关的部门来完成，也就是说，将宏观的系统设计与微观的具体结构设计相结合的 科学方法。 2 横向分块法 将系统设计分成若干功能模块，分别进行专门设计，最后将各模块连成有机 整体，实施系统功能，这种化整为零的方法比较直规并易于实施。通常有3 种思 考方法： 1 1 替代法从设计要求出发，通常使用电子功能部件替代机械功能部件来 更好地实现其相应的功能，如使用变频凋速系统代替传统的齿轮箱变速系统，不 仅可使调速范围增大，还可简化机床结构，减少设计工作量，缩短设计和制造周 期。随着电子技术的进步和成本的降低，电子部件代替机械功能部件的情况和场 合将会越来越多，因而，替代法将是机电体化系统设计和改造工作中较为常用 的思维方法。 2 1 融合法充分地将机械技术与电子技术或其他光电技术的备组成要素 有机融合， 暧计出全新的功能部件或系列产品，如将电机、变频器与主轴单元作 为一个整体朱设计，彤成可调速的电主轴单元，或做成独立的功能部件或系列产 品，用于机床设计或改造，可极大地简化机床系统设计工作，使结构更为紧凑、 可靠。 6 第章白动配液f 【的总体改汁 3 1 组合法顾名思义，将小同的功能部件进行有效的搭配组合而形成的机 电一体化广：品，如将手机与摄像头功能的结合形成具有摄像功能的手机。f f i 足这 种结合并： e 鄙足其功能上的简单叠加，而是在考虑多个组合功能的基础扛进行创 新故汁和改造。 2 2 自动配液机的总体方案设计 2 2 1 系统总体方案设计 自动配液机主要用于纺织印染行业的实验室配液系统中。通常实验室配色工 艺需要以下几个过程： 1 将染料按一定比例配制成染液，一般把这类染液称为母液； 2 实验员依据自己的配色经验将多种母液按一定的比例滴定到样品杯中： 3 用滴定的样品染料打小样： 4 如果小样合格，将以该配比投入生产中；若不合格则要重复以上2 、3 步， 直至满足客户的小样需求。 自动配液机通过利用机电一体化的设计思想，将人工配液的过程转化为机器 自动化的生产过程。其主要系统组成如图2 2 所示。系统主要由机械部分、检测 部分、控制部分和驱动部分构成。 图2 2 自动陀液机系统组成框图 机械装置：自动配液机的机械部分主要足由一个龙门式三维运动机台、一套 滴液注射器央持系统及其它些相关部件组成。其立体示意图如图2 3 所示。机 架的中问是放置母液瓶和样杯的平台其示意图如图2 - 4 所示。每个母液瓶都与一 个取液用注射器拥配套。三维运动机台主要用来实现定位。注射器央持系统用于 完成注射器的央紧、释放以及抽取母液和滴液的功能。 执行器：对于x 方向、y 方向、z 方向及注射器央持系统的取液、滴液运动 采用交流伺服电机驱动。由于注射器的央紧和释放运动只有两个工作位置，所以 采用气压驱动，能快速达到工作位置，提高效率。 传感器：传感器采用2 5 0 0 p r 增量式旋转编码器 控制系统：主要是由美国d e l t at a ud a t as y s t e m 公司的可编程多轴控制器 ( p r o g r a m m a b l e m u l t ia x i sc o n t r o l l e r ) 和上位p c 机组成。 旃：章白功配浊帆的总体娃【f ， l 厂一 。一j 蔓栅i， ，里” 圈2 - 3 白动眦液机的立体示意幽 图2 - 4 母液瓶及样品杯平台示意蚓 2 2 2 自动配液机工作过程 桂量坯。 7 托盘 自动配液机中注射器央持系统安装在z 轴上，所以x y z 轴的运动实现央持 器在母液容器与样- 昆杯之问的运动。央持器通过2c 缸实现抓紧和释放注射器的运 动过程。当注射器下爪抓紧注射器时，伺服电机拖动活塞向上吸液和向下滴液。 以上是配液机基本运动情况，下面假设某配方需要l o 号、6 6 号、8 0 号三种母液， 8 第一争自动配浊机的总体波 f 同时要求4 个样品滴样，配方表如表2 - 1 所示。 表2 - 1 配方挺 母液譬 1 0 号6 6 号8 0 号 样杯雩 l 号1 5 m 1 0 m l2 0 m l 2 号 2 0 m l2 0 m l2 0 m l 3 号 ：；o m l2 0 m l1 5 m 1 4 号 2 0 m l1 5 m l 2 0 m 自动配液机工作过程可分为以下几个步骤： 1 操作人员利用上位机控制软件输入如表2 - 1 所示的配方表； 2 上位机控制软件根据配方自动计算出所使用的母液和样品杯的位置，并 保存到一结构体数组中； 3 控制软件将母液信息和样杯信息保存到d p r a m 中，并通过设置定时器 对数据进行更新； 4 可编程多轴控制器丌始执行运动程序，首先配液机由仞始位置丌始执行x 和y 两坐标下直线插补运算，当运行到1 0 号母液容器上方时停止；其次，z 轴 电机运转剑低限位后停止，夹持器气动系统动作自动央持注射器，注射器活塞电 机开始进行吸液动作，考虑到针管中可能存在气泡，吸取的容量稍大于配方中样 品容量的总和( 8 5 m 1 ) ，此时完成了第一次定量吸取母液过程； 5 z 轴电机运转到高限位后停止： 6 再次进行直线插补运动，直至运行到1 号样品杯上方； 7 z 轴电机运转到低限位后停止，注射器活塞向下运行，直至滴定到2 0 m l 停止，此时完成了第一次定量滴定过程； 8 重复第6 和7 步，完成2 号、3 号和4 号样品的滴定过程。 9 将1 0 号母液容器的注射器放回原处，并将活塞推至底部。再进行下一母 液即6 6 号母液定量吸取动作，丌始第二母液的滴定。 1 0 重复第4 至9 步，直至滴定完成配方中的所有母液。 1 1 配液机复位，并发出声音提示信号。 笫t 帝e i 曲刚淑h l hl 诫系统改i 十 第三章自动配液机机械系统设计 自动配液机采用的是如图3 - i 龙门式三维结构，x 方向行程为2 0 0 0 m m ，y 方向行程为1 0 0 0 m m ，z 方向行程为5 0 0 m m 。其中兴持注射器的机械手安装在z 轴上。 图3 - 1 自动滴液机龙rj 式二维结构图 3 1 龙门式三维机台传动装置的设计与计算 3 1 1 传动装置的方案确定 1 结构分析【1 7 1 i s l 1 1 自由度计算 三维机台的结构简图如图3 - 2 ( a ) 所示。 图3 2 机构简图 3 由图可知，此机构是一个开环的3 p ( 三个移动副) 机构，其自山度，；三，i = 3 ( 移动副的自由度，t 1 ) 。所以，要确定其位置必须要有三个原动件。 1 0 笫三章自z 力毗液 l 机f 吱系统站汁 2 1 位胃分析 在各个构件上建立坐标系，并将坐标系分别吲定于a 、b 、c 、d 点，并且 使它们具有相同的方位，如图3 - 2 ( b ) 所示。现在以坦标系c 和d 为例进行分析， 如图3 3 所示。 z d 。，y d 历- 战 面e c e z 4 cy c 三蟊 图3 - 3 坐标变换 由图可知： c el c d + d e 设从d 坐标系到c 坐标系的平移变换矩阵为： 肘d c t r a n s ( a ，b ，c ) = 10 0l o o 0o 0口 0 6 1c 01 ( 3 1 ) ( 3 2 ) 则： c e 一肼d c z ) e( 3 3 ) 设e 点在d 坐标系和c 坐标系中的齐次坐标分别为 。，y 。，z d e ，1 ) 7 和 o “，y c e ，z c e ，1 ) 7 ，d 点在c 坐标系中的坐标为一d c = x c o i + y c d j + z c 。k ，则山 ( 3 一1 ) 、( 3 2 ) 、( 3 - 3 ) 有： 工d c y d c z d c l x c d + x d e y c d4 - y o e z c d + z d e 1 10 0 口、r x o1o 68y 0 0 1 。瞻 0001j i ( 3 4 ) 本系统中，由于相邻两构件的运动方向是相互垂直的，由图可知：y 。= 0 ， 工c d y c o = 0 ，代入( 3 4 ) 可得：a ；o , b = o , c z c d 。所以从d 坐标系到c 坐标 系的平移变换矩阵肼d c = t r a n s ( o ，0 ，z c d ) 。 同理可得从c 坐标系到b 坐标系和从b 坐标系到a 坐标系的平移变换矩阵 分别为m c b ；t r a n s ( o ，y a c ，z b c ) 和m m = t r a n s ( x a a ，0 ，z a b ) 。所以从d 坐标系到a 第二三章自曲配液机扫l 触系统砹i f 坐标系的平移变换矩阵为 m d a = m b a m c b 肘d c = lo o1 o 0 00 ( 3 5 ) 式中z a b ，z b c 为定值，且e 点在d 坐杯系中的位置是 州定的，所以只要给 定x a b ，y 。，z c d 的值就能使机构达到确定的位置。 2 传动装置的方案确定 根据以上分析，对于x 和y 方向，由于要求定位精度比较高，考虑采用同 步带或则滚珠丝杆传动，这两种传动机构的转动效率高、精度高、传动平稳、响 应快、使用可靠和维修方便。考虑到这两个方向的运动范围比较大，所以最终决 定采用同步带传动。对于z 方向，由于对精度要求不高，所以z 方向采用滑动 丝杠传送机构。 3 1 2 同步带传动设计【9 1 1 1 2 i 1 同步带介绍 同步带传动用来传递平行轴问的运动或将回转运动转换成直线运动。同步带 传动机构利用同步带的齿形与带轮的轮齿依次相啮合传递运动和动力。同步带兼 有带传动、齿轮传动及链传动的优点，能方便地实现较远中心距的传动，传动过 程无相对滑动，平均传动比较准确，传动精度高，且同步带的强度高，厚度小， 重量轻，故可以用于低速及高速传动；同时带无需特别张紧，作用在轴和轴承处 的载荷小，传动效率高，因此在数控机床、工业机器人等伺服传动中得到广泛应 用。 所以鉴于同步带传动的特点，系统x 和y 方向的传动采用了同步带朱进行， 一步带的设计参数如下所述。 2 同步带的设计参数 x 方向根据机械设计师手册计算，取传递的功率p ；o 2 k w ，带轮转 速n = 1 4 0 r r a i n ，初定中心距a 。t 2 0 0 0 m m ，选择带型为h 型，其节距 p b ；1 2 7 r a m 。根据z z l 面= 1 4 选取z = 1 7 。最终传动选用的同步带的型号为： 1 7 0 0 h 1 0 0 。 y 方向 与x 方向设计相似，初定中心距= 1 0 0 0 m m ，选择带型为h 型， 选取z 一1 7 。故根据机械设计师手册最终传动选用的同步带的型号为：8 0 0h 1 0 0 。 带和带轮的结构和全部尺寸如表3 一l 所示。 1 2 d c z+ 触 虻 阱 工，z+ ba z o o 1 0 笫二章自动雕液帆口【械系统改t 表3 - 1 带和带轮的结构年i i 尺寸 计算项目符号单化x 方向y 方向 殴计功率 只 k w0 3 3o _ 3 3 雀距 m 肌 1 2 7 0j 2 7 0 p b 传动比 lll 带速 v ，l s 0 5 0o 5 0 标准带k p 肼，打 4 3 1 8 瑚2 2 8 6 0 0 带齿数 3 4 01 8 0 z d 实际轴间距 nm m 2 0 5 1 0 5 1 0 3 5 0 5 许用一i ：作拉力 l n2 1 0 0 0 02 1 0 0 0 0 单位长度的质精 m 姆m o 4 50 4 5 基本额定功率 r 伽1 0 61 0 6 带的基准宽度 也。 m 历 7 6 2 07 6 2 0 带宽 6 j m m 2 5 4 02 5 4 0 带轮齿数 z1 71 7 带轮市蚓直径d m m 6 8 7 26 8 7 2 m m 2 6 7 02 6 7 0 带轮最小宽度 b f 3 1 3 滚动导轨的选用嘲“2 2 1 导轨简介 导轨起支撑作用和导向作用。即起支撑运动部件以及保证运动部件在驱动力 和负载的作用下，能准确的沿一定的方向运动。按照导轨接触面的摩擦情况而言， 目前常用的导轨可分为：滑动导轨、滚动导轨及静压导轨等三大类型。对于数控 机床而占，最近几年来用的最广泛的是滚动导轨。 滚动导轨的优点是摩擦系数小，一般在o 0 0 3 0 0 0 4 ，动、静摩擦系数很接近， 低速运动不易产生爬行现象，可以使用油脂润滑。滚动导轨的两导轨面之问为滚 动摩擦，磨损小，寿命长，定位精度高，灵敏度离，但是结构复杂，几何精度要 笫三章自功刚淑帆机随系统改计 求高，抗震性较差，防护要求高，制造困难，成本高。它适用于工作部件要求移 动均匀、动作灵敏以及定位精度商的场合 直线滚动导轨是近年出现的一种滚动导轨，其突出的优点足无| h j 隙，并且能 够施加预紧力。它：、e 要由导轨体、滑块、钢球、保持器、反向器、密上寸端盖等组 成。导轨体【占1 定在不运动部件上，滑块固定在运动部件上，通过钢球的运动把导 轨体和滑块之问的移动变成滚动。 2 导轨的选用属1 核算 本课题中的三位运动机台要求运动速度快，过渡时i j 短( 小于l o o m s ) ，定位 精度高( 位置误差小于0 5 m m ) ，所以综合考虑以上的技术要求，选用了汉江机床 有限公司生产的滚动直线导轨，根据安装位置的结构尺寸，x 方向选用 h j g d a l 5 a b 2 h 1 2 x 2 0 0 0 ，y 方向选用h j g d a l 5 a b 2 h 1 2 x 1 0 0 0 ，z 方向j 盘用 h j g d a l 5 a b 2 h 1 1 x 5 0 0 ，x y 方向每根导轨上使用两个滑块。 查产品手册，可知，该导轨额定动载荷为6 8 0 k g f ，额定静载荷为1 2 1 0 k g f 。 此数据远大于实际载荷，所以选择的导轨能够满足课题的实际需要。 3 1 4 螺旋传动丝杆的设计1 9 11 1 2 1 1 螺旋传动介绍 螺旋传动山螺杆和螺母构成。它能将旋转运动转变为直线运动，当螺旋升角 大于摩擦角时，也可将直线运动转变为旋转运动，若小于则不能，即具有自锁功 能；能用较小的转矩获得很大的推力；可获得很大的传动比；有较高的运动精度， 且传动平稳。 螺旋传动是一种应用较为广泛的传动机构，特别是将旋转运动变为直线运 动。在各中机构中，它最为简单而又可靠。 按螺枰和螺母之间的摩擦状态，螺旋传动可分为：滑动螺旋、滚动螺旋、滚 滑螺旋和液压螺旋。 滑动螺旋滑动螺旋摩擦系数比其他三种大，传动效率低，低速时有爬行现 象，但抗冲击性较强。采用单螺母时，因螺纹有侧隙，反转有宅行程，定位精度 较低，采用双螺母预紧可消除f 日j 隙，但摩擦阻力较大。滑动螺旋的结构简单，加 工及安装精度要求低，成本低。 滚动螺旋滚动螺旋的摩擦系数低，传动效二蕾蛊达9 0 ，低速时无爬行，传 动平稳，但高速时有噪音，抗冲击性差。采用顶紧办法可提高定位精度。滚动螺 旋的结构复杂，制造工艺较复杂，需要山等业厂加工制造，成本高。 滚滑螺旋滚滑螺旋的螺母由三个无螺旋升角的环形滚枉组成，摩擦状态既 有滑动摩擦又有滚动摩擦。滚滑螺旋的摩擦系数介于滑动摩擦和滚动摩擦之| 日j ， 1 4 第二章自动配液t t t t l l 髭系统i 5 2 汁 低速时无爬行，传动平稳，但抗冲击性较差。结构较复杂，加i ：及安装精度要求 较高，成本较低。 液压螺旋液压螺旋的螺杆与螺母之间允满了液体，处于液体摩擦状态。液 压螺旋摩擦系数很低，传动灵敏，效率高达9 9 ，能实现微传餐移动，能实现反 证转无间隙，定位精度及轴向刚度高。结构复杂，牙形角较小，加工困难，加工 及安装精度要求高，成本高。 2 螺旋传动丝杆计算 由于z 轴要求的位置精度不高，根据以上分析，采用滑动螺旋，既能满足系 统的性能要求，又能降低成本。滑动螺旋的螺纹又可分为：3 0 。梯形螺纹、矩形 螺纹和3 。, 3 0 。锯齿形螺纹。它们的各自的特点如表3 2 所示。 表3 2 三种螺纹的特点 3 0 。梯形螺纹矩形螺纹3 0 、3 0 0 锯齿形螺纹 传动效率低；传动效率高；传动效率较高； 自锁性能好；螺牙可白锁性能较差：螺牙可臼锁性能较好；螺牙单 舣向受力；取向受力；向受力； 螺牙强度高；螺纹径螺牙强度较低：螺纹径螺牙强度较高：螺纹径 跳对运动精度的影响较跳对运动精度无影响；跳对运动精度的影响比 大。梯彤小； 加一i i 精度不高 加j i 。精度高；加i ：精度高 综合考虑效率、自锁性能、螺牙强度和加工精度，且由于z 轴方向为单向受 力，所以选用3 。j 矿锯齿形螺纹。 根据机械设计师手册，取载荷f 一5 0 0 n 、，l ；3 0 0 0 r m i n 、工作长度 l 一5 0 0 r a m 、采用两端固定，求得的螺纹副尺寸参数如表3 3 所示。 表3 3 螺纹副尺寸参数 名称代号单位数值关系式 外螺纹大径 dm m1 4 0 0 内螺纹人径 d m m 1 4 0 0 螺距 p 册，以 3 0 0 原始二角形高 h 肌历 4 7 6 h = i 5 8 7 8 p 牙顶间隙 m m 0 3 5 a c = 0 1 1 7 7 7 p 牙型宽度w m m 0 7 9 w = 0 2 6 3 8 4 p 基本爿二刑高度 h 1m m2 2 5 h i = 0 7 5 p 第章自动配液机机械系统改汁 山螺纹牙：顶宽 em m2 0 8e = 、“a 轴向问隙 ，栉，” o 1 7 0 1 s p n ( p ) 外螺纹牙高h 3 m ，订 2 6 0h 3 = h 1 + r c 内螺纹小径d l 聊，行 9 5 0d l = d 2 h 1 外螺纹小径d 3m m8 7 9 d 3 = d 一1 7 3 5 5 4 p 外螺纹中径 d 2 ，以，” 儿7 5 d 2 = d - o 7 5 p 内螺纹中径 d 2m m 1 1 7 5 d 2 = d - o 7 5 p 牙底圆角 ro 3 7 r = 0 1 2 4 2 7 p 3 1 5 负载计算与电机校核1 9 l 1 1 2 1 系统选用的电机为松下m s m a 系列电机，其主要参数如表3 4 所示： 表3 - 4 电机主要参数 额定功率额定转矩最大转矩电机惯量 型号 ( k w )( n m ) ( n m )( k g - m 2 ) xm s m a 0 8 l a l h 0 7 52 47 11 3 1 1 0 - 4 ym s m a 0 4 l a l ho 41 33 80 3 6 1 0 - * zm s m a 0 2 l a l io 20 6 41 9 1o j 7 1 0 4 wm s m a o l1 a 1 h o 10 3 2o 9 50 0 6 2 1 0 4 1 x ，y 方向 以x 方向为例，如图3 1 所示，x 方向有两根同步带传动，都由同一电机带 动，图3 - 4 足x 方向的一边的传动示意图，l 为交流伺服电机，2 是同步带轮，3 是同步带，4 是x 方向拖动负钱。其速度曲线如图3 5 所示，系统设计最高速度 为0 5 m s ，行程为2 m 。 一3 2 产 旃 1 6 0 幽3 - 5 x 方向速度曲线幽 第三章自动配波u l u l 艟系统改计 1 ) 等效负载转矩的计算 拖动负载的质量小s1 0 0 船( 设为l o o k g ) ，因为是均分在西根带上，所以每 根带的拖动负钱的质量为所。= 埘= 5 0 k g ，负载山滚动导轨支承，其摩擦系数设 为：u = 0 0 0 4 ，则摩擦力为( 取g l o m s 2 ) ： ，c = a n g = 0 0 0 4 x 1 0 0 1 0 = 4 n( 3 6 ) 设齿形带的传动效率为玎。0 9 6 ，则等效摩擦转矩为： f c 兰 4 一1 6 8 7 2 1 0 一3 正。二土：三；0 1 4 3 2n m 玎0 9 6 ( 3 7 ) 式中d 。为带轮节径。 2 1 等效转动惯量 ( 1 ) 根据转动惯量换算的动能相等原则，负载换算到电机轴上的等效转动惯 量，。为： 小坍。饼枷( 半) 2 鲴枷2 ( 2 ) 尺形带的转动惯壁： 带的总长为： ，d = 4 3 1 8 0 0 m m 查手册的同步带的单位长度质量为： m dt 0 1 5k g m 所以尺形带的质量为： 肌；m d lx l d ；0 1 5 x 4 3 1 8 = 0 6 4 7 7 k g 所以同步带转换到电机轴上的等效转动惯量，为： 小蜥。观( 竿) 2 一嘶枷2 ( 3 ) 带轮( 主动轮和从动轮两个) 的转动惯量，为： j3 22 - 专i d 呻4 b l d 。p = 去x 3 1 4 0 0 6 8 7 2 4x 0 0 2 6 7 7