精密伺服直线电机平台设计及运动仿真.doc

摘摘 要要 直线电机在各行各业中发挥着越来越重要的作用 特别是在机床进给驱动系统中 直线电机平台由直线电机驱动 结构简单 无中间传动环节 运动速度高 精度高 无摩擦磨损 噪音低 寿命长 对环境无污染 采用精密光栅编码器或磁栅直接捡取 位置和速度信号并反馈给系统 控制回路简单可靠 平台结构形式多样 在本设计就 针对具体样机进行结构对比 通过 Pro E 仿真软件对设计进行验证 保证平台的动态 刚度和运行精度 本课题来源于广东省高新技术产业化攻关项目 本设计以直板型交流永磁同步直线 电机为研究对象 通过掌握精密伺服直线电机运动平台的设计原则对其进行造型设计 及运动仿真 本设计的平台重复定位精度 0 5 到 1um 加速度可达 1g 最高运动速度 可达 2m s 其运动行程可达 200mm 通过本课题的设计 从中了解直线电机的原理 相关技术及应用等知识 掌握查阅资料和设计方案选择的方法 同时培养机电硬件和 软件连接的设计思路 提高机电一体化设计水平 由于知识和能力的限制 本次课题只对直线电机做一些理论研究 关键词 永磁同步直线电机 Pro E 三维造型 运动仿真 广东海洋大学 2010 届本科生毕业论文 II Abstract Linear motors are playing a more and more important role in all kinds of trade especially in machine tool feed system Linear motor platform is driven by the linear motor its structure is simple no middle transmission link high speed high precision no friction low noise long service life no environmental pollution Using sophisticated grating encoder or magnetic bar directly to pick up the position and speed and feedback to signal system the control circuit is simple and reliable The structure of platform is in diverse forms this design is for concrete prototype by comparison of each structures we can make design verification by using Pro E simulation software and can ensure the dynamic stiffness and operation of the platform This topic is from guangdong hi tech industrialization research project the design of permanent magnetic synchronous alternating current linear motor as the research object by mastering the design principle of precision servo linear motor platform we make modelling design and motion simulation This design platform can reach repositioning precision of 0 5 to 1um the acceleration of 1g the highest speed of 2m s and its movement accessibility has 200mm Through this research design I understood the principle of linear motor the related technology and its applications grasped the methods of looking up information and choosing the design project simultaneously developed the design mentality of the connection of mechitronics hardware and software improved the mechatronics designing level As a result of the knowledge and ability limit this topic only does a fundamental research to the linear motor Key words permanent magnet synchronous linear motor PMSLM Pro E three dimensional modelling Motion simulation 广东海洋大学 2010 届本科生毕业论文 III 目 录 摘摘 要要 I Abstract II 第一章 绪 论 1 1 1研究背景和意义 1 1 2直线电机的运行原理及特点 2 1 2 1 直线电机的基本运行原理 2 1 2 2 直线电机进给系统优缺点分析 3 1 3 直线电机发展历史及现状 4 第二章 精密伺服直线电机平台的设计 6 2 1 设计要求 6 2 1 1 设计任务 6 2 1 2 设计参数的确定 6 2 2 方案的分析 比较 论证 6 2 2 1 精密伺服直线电机平台的总体方案设计应考虑的问题 6 2 2 2 直线电机结构形式的选择 7 2 2 3 不同直线电机布局的伺服进给平台结构类型的比较 8 2 3 初选伺服直线电机 8 2 3 1 工作台设计 9 2 3 2 预选定直线电机 10 2 3 3 参数验算 10 2 4 导轨的选型及计算 13 2 4 1 初选导轨型号及估算导轨长度 13 2 4 2 计算滚动导轨副的距离额定寿命L 14 2 5 光栅尺的选用 15 2 6 缓冲器的选用 15 2 7 拖链的选型 16 2 8 其余各非标零部件的设计 16 第三章 直线电机 Pro E 三维造型及运动仿真 17 3 1 主要零部件实体造型 17 3 2 整机虚拟装配 18 3 3 直线电机做直线运动的仿真动画 19 3 3 1 定义伺服直线电机 19 3 3 2 对所选伺服电机进行分析定义 20 3 3 3 回放动画 20 3 3 4 捕获动画 21 总结与展望 22 鸣 谢 23 参考文献 24 附 录 25 广东海洋大学 2010 届本科生毕业论文 1 第一章 绪 论 1 1研究背景和意义 高速化 精密化和模块化是现代制造技术的发展方向 进入 90 年代以来 高速加 工迅速发展 在高速加工中心中 高速电主轴和快速进给伺服系统是其中两项关键技 术 其中对进给伺服系统提出新的要求 1 进给系统必须与高速主轴相匹配 速度达 到 60m min 或更高 2 加速度要大 这样才能在最短的时间和行程内达到要求的高速 度 至少要 1 2 3 动态性能要好 能实现快速的伺服控制和误差补偿 具有较高 的定位精度和刚度 现代高速机床上实现高加速度直线运动有两种途径 一是采用滚珠丝杠传动 一 是采用直线电机传动 前者采用旋转伺服电机驱动滚珠丝杠 这种进给系统所能达到 的极限速度为 90 120m min 最大加速度也只有 1 5g 同时 由于电机到工作台之间 存在大量的中间环节 如联轴节 丝杠等 在高速运行或完成复杂运动时 这些机械 元件产生的弹性变形 摩擦 反向间隙等会产生进给运动的滞后和其它一些非线性误 差 使系统有较大的惯性质量 影响了对指令的快速响应 另外 丝杠是细长杆 在 力和热的作用下会产生较大变形 影响加工精度 为了克服传统进给系统的缺点 简 化机床结构 满足高速精密加工的要求 人们开始研究新型的进给系统 于是直线电 机平台开始作为进给系统出现在加工中心中 它取消了源动力和工作台部件之间的一 切中间传动环节 使得机床进给传动链的长度为零 即所谓的 直接驱动 或 零传 动 这种机械上的简化使得外界及自身的任何扰动都会毫无缓冲的作用在直线电机 上 因此对直线电机的伺服控制系统的性能好坏 又决定了直线电机的整体性能 目前国外对直线电机的研究已处于应用阶段 技术已经很成熟 但价格昂贵 为 了提高我国机床和制造业水平 国内已经开始了直线电机特别是机床进给系统用的直 线伺服电机的研究 但还处在探讨和试制阶段 为了掌握自己的知识产权 清华大学 制造所于 1996 年开始研究大推力 长行程交流永磁直线同步电机进给单元 2 之前 第一代样机已经制造出来 但控制性能有待改善 有必要进一步研究直线电机的交流 伺服控制单元 本课题是根据上述背景和实验室现有条件提出来 针对现有的样机进 行了直线电机机械系统的研究 本课题研究的目标是根据平台的设计原则 通过合理 计算 比较 选择最优设计方案 解决以往直线电机选型 平台结构设计不合理带来 的整体结构设计效果不佳的问题 并完成其虚拟装配和运动仿真 根据设计任务书要求确定直线电机系统平台的方案设计与比较 根据原始数据 采用闭环控制 定位精度 500nm 行程 200mm 加减速 1g 对直线电机平台系 统各部件进行选型计算 整体结构设计 完成虚拟装配与运动仿真 同时通过测试平 台运动的动力特性与运动特性来辅助验证平台设计的合理性 作为高速加工中心的关 广东海洋大学 2010 届本科生毕业论文 2 键功能部件之一 直线电机的核心技术和应用市场都被国外的大公司如 Anorad Siemens Kollmorgen Indramat Aerotech Park 等所拥有 因此自主开发一 套直线电机及其伺服控制系统对于提高我国制造业水平和高速加工设备国产率有着较 大的实际意义和经济价值 此外 直线电机还应用于军事 交通等领域 作为一种新 技术有着很高的推广价值 1 2直线电机的运行原理及特点 1 2 1 直线电机的基本运行原理 所谓直线电机就是利用电磁作用原理将电能直接转换直线运动动能的设备 直线 电机的结构可以看作是将一台旋转电机沿径向剖开 并将电机的圆周展开成直线而形 成的 其中定子相当于直线电机的初级 转子相当于直线电机的次级 图 1 2 在实 际应用中 为了保证在整个行程之内初级与次级之间的耦合保持不变 一般要将初级 与次级制造成不同的长度 直线电机与旋转电机类似 通入三相交流电流后 也会在 气隙中产生磁场 如果不考虑端部效应 磁场在直线方向呈正弦分布 只是这个磁场 是平移而不是旋转的 因此称为行波磁场 图 1 3 行波磁场与次级相互作用便产生 电磁推力 使初级和次级产生相对运动 这就是直线电机运行的基本原理 3 图 1 2 由旋转电机演变为直线电机图 行波磁场 导条速度 V磁场速度 Vs 广东海洋大学 2010 届本科生毕业论文 3 图 1 3 交流直线电机气隙中的行波磁场 1 2 2 直线电机进给系统优缺点分析 现代制造技术的高速加工系统中 直线电机系统已成为标志性元件 直线电机的 特点在于能直接产生直线运动 与间接产生直线运动的 旋转伺服电机 滚珠丝杠 相比具有以下优点 5 具体性能见表 1 1 1 没有机械接触 传动力是在气隙中产生的 因此没有金属和金属的接触 除 了直线导轨外没有其它摩擦 2 结构简单 体积小 以最少的零部件数量实现直线驱动 而且是只有一个运 动的部件 3 行程理论上不受限制 而且性能不会因为行程的改变而受到影响 4 可以提供很宽的速度范围 从每秒几微米到数米 特别是高速是直线电机一 个突出的优点 5 加速度很大 最大可达 10g 6 运动平稳 这是因为除了起支撑作用的直线导轨或气浮轴承外 没有其它机 械连接或转换装置的缘故 7 精度和重复精度高 因为消除了影响精度的中间环节 系统的精度取决于位 置检测元件 有合适的反馈装置可达亚微米级 8 维护简单 由于部件少 运动时无机械接触 从而大大降低了零部件的磨损 只需很少甚至无需维护 使用寿命更长 表 1 1 直线电机与 旋转伺服电机 滚珠丝杠 传动性能比较 性能旋转伺服电机 滚珠丝杠直线电机 精度 m 300mm 100 5 重复精度 m 50 1 最高速度 m min 20 3060 200 最大加速度 g 0 1 0 32 10 静态刚度 N m 90 18070 270 动态刚度 N m 90 180160 210 速度平稳性 101 调整时间 ms 100 10 20 寿命 h 6 000 10 000 50 000 任何事物都有两面性 直线电机也有自身的缺点 主要表现在以下几点 广东海洋大学 2010 届本科生毕业论文 4 1 存在纵向端部效应 首先 直线电机的结构特点导致绕组在电机中的几何位置不再具有对称性 对多 相电机来说这种不对称性会造成各相参数的不对称性 从而引起电机性能的波动 另 一方面 磁场在纵向端部断开并衰减 使行波磁场的基波减弱而谐波得到加强 导致 电机推力密度下降 损耗增加 而且存在较大的推力波动 直线电机中由于纵向端部 的存在而引起的各种效应称为纵向端部效应 End effect 直线电机的结构特点决定 了纵向端部效应是不可避免的 5 2 控制难度大 直线电机虽消除了机械传动链所带来的一些不良影响 但却增加了控制难度 因 为在电机的运行过程中负载 如工件重量 切削力等 的变化 系统参数摄动和各种 干扰 如摩擦力等 包括端部效应都直接作用到电机上 没有任何缓冲或削弱环节 如果控制系统的鲁棒性不强 会造成系统的失稳和性能的下降 4 在要求高精度微进 给的场合 要求考虑更多的摄动和扰动等不确定因素对进给运动的影响 3 效率低 由于结构上的限制 直线电机的气隙通常比旋转电机大 加上端部效应等造成的额外 损耗 效率和功率因数均比旋转电机要低 4 成本高 直线电机的设计 制造 材料 防护和控制系统等成本均较高 随着技术的成熟 和应用越来越广泛 直线电机的成本也将越来越低 1 3 直线电机发展历史及现状 在世界上第一台旋转电机 1831 年 诞生不久 就出现了直线电机的雏形 1845 年 Wheatstone 1890 年 美国匹兹堡市的市长首次发表了关于直线感应电机的专利 到 20 世纪 70 年代 直线电机在世界范围内得到迅速发展 其用途越来越广 品种越 来越多 直线电机的应用已包括许多领域 例如运输工业 工业自动化 办公自动化 医疗设备和家庭自动化等 而 20 世纪 80 年代中期 稀土永磁材料的问世更是大大地 促进了永磁直线同步电机的发展 目前 在世界上一些发达国家 许多人和不少著名 电气企业均在研究和开发直线电机产品 例如美国的 Westinghouse 公司 德国的 Siemens 公司 英国 法国 瑞典 特别是日本的一些公司和研究机构 其人员之多和 范围之广是世界首屈的 直线电机技术应用于超精密加工机床和高速切削技术还是近几年的事情 美国是 开展超精密加工技术研究最早的国家 也是迄今处于世界领先地位的国家 在直线的 超精密加工应用技术上也走在世界前列 AMETEK 集团旗下的 Precitech 公司是第一个 把直线电机作为工业标准的超精密加工设备厂商 其生产的超精密机床 Nanoform 200 250 Ultra 250 Ultragrind 700 Ultra 超精密自由曲面加工机床 Freeform 广东海洋大学 2010 届本科生毕业论文 5 700G Freeform 700A 等都采用了直线电机直接驱动技术 获得了非常高的加工精度 据有关资料介绍 Nanoform 250 Ultra 超精密机床加工的表面粗糙度能达到 1nm 面 形精度能达到 0 1 m Freeform 700A 超精密自由曲面机床的性能参数指标能达到 3nm 的表面粗糙度 0 15 m 的面型精度 在我国 直线电机的研究和应用是从 70 年代开始的 国内开展直线电机应用研究 的单位主要有中国科学院电工所 西安交大 浙大 上大 太原工大 焦作矿业学院 等 主要成果有直线电机驱动遥控窗帘机 直线电机驱动门 炒茶机 工厂桥式起重 机 电磁锤 冲压机 摩擦压力机 磁分选机 玻璃搅拌机 例子加速器 矿山运输 系统及计算机磁盘定位系统 自动绘图仪等 我国近年来在直线电机研制与生产方面 虽然取得一定成绩 但与欧美国家相比 其推广应用方面存在着较大的差距 在国内 直线电动机特别是机床进给系统中的直线伺服电机的研究还很不成熟 在超精密机床 上的应用技术研究更加处于起步阶段 而且缺乏参与研究的尖端技术人员 基金的投 入较为不足 因此进展比较慢 加强研究已是迫在眉睫 为了打破国外的技术垄断 必须走技术跟踪和自主开发相结合的道路 加强基础和关键技术的研究 为了推广其 应用研究 必须加大资金 技术的投资力度并努力把研究成果推广应用到社会当中 广东海洋大学 2010 届本科生毕业论文 6 第二章 精密伺服直线电机平台的设计 2 1 设计要求 2 1 1 设计任务 1 直线电机系统平台装配图 A0 1 张 主要部件装配图 A1 1 张 非标准零件图 若干要求重要剖面表达完整 向视表达完整 视图适合标准 2 直线电机平台运动仿真动画文件若干 能表达平台的运动情况 2 1 2 设计参数的确定 负载质量 ML 15kg 轴向切削力 Fc 100N 定位精度 i 500nm 加减速 a 1g 加速时间 Ta 0 1s 匀速运动时间 Tb 0 5s 减速时间 Tc 0 1s 周期时间 T 1s 工作台行程 s 200mm 最大运动速度 vm 1m s 加工材料 碳钢 2 2 方案的分析 比较 论证 2 2 1 精密伺服直线电机平台的总体方案设计应考虑的问题 1 直线电动机进给系统主要由直线电动机 工作台 滚动导轨 反馈测量系统 防护系统等五部分组成 进给单元应按要求的额定进给速度 额定推力和加速度来设 计或选用直线电动机 并根据其应用场合确定进给单元的结构形式 在设计过程中 还要考虑直线电动机的防磁 散热和防护等问题 2 直线电动机和工作台之间没有任何中间传动环节 因而这种进给系统只能采 用全闭环控制 此时工作台负荷的变化 直线电动机 端部效应 及其在运动中的变 化 对伺服系统来说都是一个外界干扰 这些干扰没有任何缓冲环节 就直接作用到 直线伺服电动机上 如果调节不好 就可能会降低系统的性能指标甚至造成振荡 因 此 要求其位置与速度检测装置具有很高的分辨率和动态响应能力 系统要有鲁棒性 很强的控制器 以消除内部参数摄动和外界干扰的影响 如图 2 1 所示 广东海洋大学 2010 届本科生毕业论文 7 3 由于直线进给单元运动速度高 机床工作时导轨将承受很大的动载荷和静载 荷 并受到多方面的颠覆力矩 导轨的摩擦系数还会影响进给系统的加速度和进给单 元的发热等 因而必须选用高精度 高刚度 承载能力强的导轨 4 直线电动机的工作台是高速进给单元的运动部件 如前所述 其质量和进给 单元的最大加速度成反比 要提高进给单元的加速度就必须减轻工作台的质量 为此 工作台可选用高强度的轻质材料 如铝钛合金 纤维增强塑料等 同时还可采用有限 元分析和最优化设计的方法 以获得所要求的动 静刚度条件下最轻的质量 CNC 本科生毕业设计 精密伺服直线电机平台设计及运动仿真 Design and motion simulation of precision servo linear motors platform 学生姓名 许育生 所在专业 机械设计制造及其自动化 所在班级 机制 1062 申请学位 工学学士 指导教师 谭光宇 职称 教授 副指导教师 职称 答辩时间 2010 年 6 月 12 日 位置调 节器 速度调 节器 电流调 节器 电流反馈 本科生毕业设计 精密伺服直线电机平台设计及运动仿真 Design and motion simulation of precision servo linear motors platform 学生姓名 许育生 所在专业 机械设计制造及其自动化 所在班级 机制 1062 申请学位 工学学士 指导教师 谭光宇 职称 教授 副指导教师 职称 答辩时间 2010 年 6 月 12 日 速度反馈 本科生毕业设计 精密伺服直线电机平台设计及运动仿真 Design and motion simulation of precision servo linear motors platform 学生姓名 许育生 所在专业 机械设计制造及其自动化 所在班级 机制 1062 申请学位 工学学士 指导教师 谭光宇 职称 教授 副指导教师 职称 答辩时间 2010 年 6 月 12 日 位置反馈 本科生毕业设计 精密伺服直线电机平台设计及运动仿真 Design and motion simulation of precision servo linear motors platform 学生姓名 许育生 所在专业 机械设计制造及其自动化 所在班级 机制 1062 申请学位 工学学士 指导教师 谭光宇 职称 教授 副指导教师 职称 答辩时间 2010 年 6 月 12 日 位置测量 本科生毕业设计 精密伺服直线电机平台设计及运动仿真 Design and motion simulation of precision servo linear motors platform 学生姓名 许育生 所在专业 机械设计制造及其自动化 所在班级 机制 1062 申请学位 工学学士 指导教师 谭光宇 职称 教授 副指导教师 职称 答辩时间 2010 年 6 月 12 日 机械执行部件 本科生毕业设计 精密伺服直线电机平台设计及运动仿真 Design and motion simulation of precision servo linear motors platform 学生姓名 许育生 所在专业 机械设计制造及其自动化 所在班级 机制 1062 申请学位 工学学士 指导教师 谭光宇 职称 教授 副指导教师 职称 答辩时间 2010 年 6 月 12 日 N C 本科生毕业设计 精密伺服直线电机平台设计及运动仿真 Design and motion simulation of precision servo linear motors platform 学生姓名 许育生 所在专业 机械设计制造及其自动化 所在班级 机制 1062 申请学位 工学学士 指导教师 谭光宇 职称 教授 副指导教师 职称 答辩时间 2010 年 6 月 12 日 N C 本科生毕业设计 精密伺服直线电机平台设计及运动仿真 Design and motion simulation of precision servo linear motors platform 学生姓名 许育生 所在专业 机械设计制造及其自动化 所在班级 机制 1062 申请学位 工学学士 指导教师 谭光宇 职称 教授 副指导教师 职称 答辩时间 2010 年 6 月 12 日 N C 本科生毕业设计 精密伺服直线电机平台设计及运动仿真 Design and motion simulation of precision servo linear motors platform 学生姓名 许育生 所在专业 机械设计制造及其自动化 所在班级 机制 1062 申请学位 工学学士 指导教师 谭光宇 职称 教授 副指导教师 职称 答辩时间 2010 年 6 月 12 日 指令信号 N C 本科生毕业设计 精密伺服直线电机平台设计及运动仿真 Design and motion simulation of precision servo linear motors platform 学生姓名 许育生 所在专业 机械设计制造及其自动化 所在班级 机制 1062 申请学位 工学学士 指导教师 谭光宇 职称 教授 副指导教师 职称 答辩时间 2010 年 6 月 12 日 图 2 1 直线电机进给系统的闭环控制结构图 2 2 2 直线电机结构形式的选择 直线电机大体上分直线直流电机 直线步进电机 直线磁阻电机 直线感应电机 和直线同步电机五种 但各种直线电机的发展并不均衡 直线伺服系统中的驱动电机 以永磁直线电机和直线感应电机为主 永磁直线电机和直线感应电机各有其优缺点 永磁直线电机的优势在于每单位尺寸更大的出力发热少 冷却要求低 长次级不需冷 却 存在的问题在于永磁体产生的强磁场使其安装和操作较困难永磁磁场吸引铁屑 实际加工时排屑困难 电机必须加密封以防止铁屑阻塞气隙或进人运动副中需通过位 置传感器对电机进行电流换向控制永磁铁有可能退磁 直线感应电机的优不使用昂贵 的永磁体 在长行程如传送装置的应用场合有降低成本的可能性 缺点在于采用电激 磁 因此效率低 发热大 次级也需要冷却气隙公差严格 通常只有 工艺性差 加 工成本高需要复杂的矢量变换技术 控制算法远比直线永磁电机的控制算法复杂 虽 然直线永磁电机和直线感应电机各有优缺点 但目前看来 永磁直线电机的优点更多 特别是随着钦铁硼等高磁能积 高矫顽力磁性材料的出现 直线永磁电机的优点所以 永磁直线电机更适合用于直线伺服单元驱动 为了抵消直线电动机吸力对工作台刚度的影响 可采用双电动机垂直布局的方式 这种布局具有推力大 工作台垂直变形小 工作载荷对电动机初级与次级间的间隙影 广东海洋大学 2010 届本科生毕业论文 8 响小 运动精度高等优点 适于载荷较大的高速运动场合 2 2 3 不同直线电机布局的伺服进给平台结构类型的比较 伺服进给平台中直线电机布局可分为单电动机驱动与双电动机驱动两种方式 单 电动机驱动布局结构简单 工作台两导轨间跨距较小 测量装置安装与维修方便 适 于推力要求不大的场合 双电动机驱动布局的合成推力大 但两导轨间的跨距较大 工作台受电磁吸力变形较大 对工作台的刚度要求较高 安装也比较困难 测量与控 制复杂 只适于特殊场合使用 而本设计立足题目要求选用单电动机驱动的方式设计 伺服进给平台系统的 两种类型的精密伺服直线电机平台如图 2 2 所示 图 2 2 单电动机驱动精密伺服直线电机平台 图 2 3 双电动机驱动精密伺服直线电机平台 2 3 初选伺服直线电机 广东海洋大学 2010 届本科生毕业论文 9 2 3 1 工作台设计 工作台的行程为 s 200mm 工作台尺寸一般为工作台行程的 1 2 至 1 5 倍 所以 L 200 1 4 280mm 选择工作台为螺纹孔来固定负载 参考 机械设计师手册 表 3 25 还有上网参考 直线电机工作台生产商新推出的工作台类型等 设计如图 2 4 所示的形状 所选该类 型工作台的参数 详见图纸 边长 280mm 螺纹孔mm M5 1 深8 大孔 72 在选定直线电机后 在保证足够的刚度前提下 尽量减小移动部件的质量 可以在 加工过程中获得较高的加速度 提高进给系统的快速响应能力 根据这个原理 在工 作台设计了两个大孔 大大减轻了工作台的质量 提高了加速及响应的性能 同72 时在如图位置布置大孔恰好又可以调节整个运动部件配重 使其重心落在进给方向的 中心轴线上 提高了进给的效率 由于工作台垂直方向除了切削负荷和自重以外 还 要承受一定的电磁吸力 而直线电机初级和次级之间的垂直间隙极小 故工作台的垂 直刚度就要有所保证了 设计时应注意保证有够大的厚度 其厚度是 13mm 图 2 4 工作台形状及边长尺寸 工作台质量 广东海洋大学 2010 届本科生毕业论文 10 b 7 8 10 3 282 1 3 3 14 3 62 1 3 2 7 124kg V 即纵向丝杠所承受的质量 因工作台与导轨滑块 光栅传感器基座 包括传感器 还有拖链上盖板 包括一部分拖链 连接 故取 b 10kg 2 3 2 预选定直线电机 选定动子 WXUW 50A300A 定子 WXUM 50A400A 规格 现按照以下步骤评估 是否满足应用要求 运动位移要求 时间要求 推力要求 根据要求画运动曲线如图 2 5 图 2 5 动子平台切削进给的运动曲线图 WXUW 50A300A 的参数为 动子质量 Mp 2 8kg 最大推力 417N 水冷型连续推力 192N 2 3 3 参数验算 1 运动位移要求 行程要求 200mm 定子行程为 480mm 动子长度为 274 有效行程为 480 274 206mm 有效行程 206 mm 200 mm 因此 运动位移满足要求 2 时间要求 稳定运行时推力计算 广东海洋大学 2010 届本科生毕业论文 11 724 103 18 9 8 21015 01 0 100 F MM F npLc N gMF bL 切削力 c F 摩擦系数 电缆拖链所耗推力 n F g 重力加速度 加速时间 启动到设定速的时间 116 0 724 103417 3 11 8 21015 F Kv MM m mpL s F M T L b a K 安全系数 1 3 要求加速时间 0 1s 约等于加速时间 0 116s 因目标速度可以在要求的 0 1 秒左右达到 因此时间要求满足 3 推力要求 加速推力计算 1 使用上面计算得到的 FL代入到公式计算加速时需要的推力 379 343 724 103 116 0 8 21015 1 M Mv pLm N F T M F L a b a 减速推力计算 2 931 135 724 103 116 0 8 21015 1 MM v pL N F T M F L a bm d 实际推力计算 3 广东海洋大学 2010 届本科生毕业论文 12 906 137 T 1 0931 1355 0724 1031 0379 343 T TTT 222 c 2 b 2 a 2 N FFF T dLa rms 连续推力 192N 实际推力 132 38N 选取安全系数为 1 25 则 38 13225 1 906 137 进过验算 电机连续推力大于实际推力的 125 因此该款电机满足应用要求 如果验算后选定电机不能满足要求 应重新进行步骤 2 3 2 2 3 3 直到满足 动 子 WXUW 50A300A 定子 WXUM 50A400A 规格及机械尺寸如图 2 6 所示 表 2 1 直线伺服电机型号 WXUW 50A 的规格表 广东海洋大学 2010 届本科生毕业论文 13 图 2 6 所选直线电机动定子机械尺寸 2 4 导轨的选型及计算 2 4 1 初选导轨型号及估算导轨长度 广东海洋大学 2010 届本科生毕业论文 14 导轨为直线滚动矩形导轨 本设计中共用 4 条导轨 每条导轨用 2 个滑块 根据 纵向最大静载荷 Fm ML Mp Mb g KFa f 0 005152 8 109 8 1 1 343 379379 079 N 和分别为考虑颠覆力矩影响的实验系数和导轨上的摩擦系数 对于矩形滚动K f 导轨取 1 1 0 005 K f 以及估算的导轨的长度为 L 520mm 工作台的长度和工作台的行程 通过查 www abba 初选常州爱彼彼爱机械有限公司的 4 对导轨滑块副的型 号都为 BRS 15B 2 L520 PZ1 ATE2 其参数如下 2 4 2 计算滚动导轨副的距离额定寿命L 滚动导轨副的距离额定寿命可用下列公式计算 滚动体为球时 3 50 W CTHa f fff F C L 见 机电综合设计指导 公式 2 20 P30 广东海洋大学 2010 届本科生毕业论文 15 式中 为滚动导轨副的距离额定寿命 km 为额定载荷 N 从参数图查得L a C N 为硬度系数导轨面的硬度为 58 64HRC 时 1 0 a C1650 9 816170 H f H f 为温度系数 当工作温度不超过 1000C 时 1 为接触系数 每根导轨条上 T f T f C f 装二个滑块时 0 81 为载荷 速度系数 无冲击振动或时 C f W fmin 60mv 1 1 5 取 1 5 W f W f 为每个滑块的工作载荷 N F 4379 079 494 77 m FF 当加工时 考虑到工作台要承受工件的重量和铣削力等载荷 而这些载荷都通过 工作台直接作用滑块上 故取 F 100N 所以 3 161701 0 1 0 81 5033287512 58m33287512 6km5000km 1001 5 L 大于滚动导轨的期望寿命 满足设计要求 初选的滚动导轨副可采用 L 2 5 光栅尺的选用 根据直线电机的位置精度 i 500nm 本设计选用江门市利德电子有限公司的 LT M 225 S 矩形位移传感器 检测精度可以满足要求 本设计只涉及选型 不做论述 特点 有效电器行程 225 标准形式 IP60 2 6 缓冲器的选用 本设计选用上海双旭电子有限公司生产的直线缓冲器 AD 2540 优点 能够长时间连续稳定的控制 回程采用弹簧复归 采用完全密封结构不漏 广东海洋大学 2010 届本科生毕业论文 16 油 并且有防尘效果 适合各种特殊环境使用 稳速功能特强 体积小 易安装 2 7 拖链的选型 本设计选用东莞鸿海拖链 如图 2 7 相关参数如表 2 7 图 2 7 拖链 表 2 7 相关参数 系列号内径 mm 内高 内宽 外径 mm 外高 外宽 弯曲半径 R WH2525 5732 73100 2 8 其余各非标零部件的设计 其余各非标零部件 例如 底座 光栅尺基座 缓冲器基座 拖链上下盖板等 详见图纸 广东海洋大学 2010 届本科生毕业论文 17 第三章 直线电机 Pro E 三维造型及运动仿真 3 1 主要零部件实体造型 主要零部件用 Pro E 实体造型 如图 3 1 图 3 4 所示 图 3 1 底座 图 3 2 动子 广东海洋大学 2010 届本科生毕业论文 18 图 3 3 工作台 图 3 4 拖链 3 2 整机虚拟装配 将各零部件在 Pro E 软件平台上装配到一起 如图 3 5 广东海洋大学 2010 届本科生毕业论文 19 图 3 5 精密伺服单轴直线电机平台总装配图 3 3 直线电机做直线运动的仿真动画 3 3 1 定义伺服直线电机 用几何类型定义伺服直线电机 servomotors1 如图 3 6 图 3 6 伺服直线电机定义对话框 广东海洋大学 2010 届本科生毕业论文 20 按应用键便完成伺服直线电动机的定义 3 3 2 对所选伺服电机进行分析定义 对所选伺服电机进行分析定义 如图 3 7 图 3 7 分析定义 按运行键观看运动分析的情况 3 3 3 回放动画 回放动画如图 3 8 所示 按播放键可以观看模型的运动 广东海洋大学 2010 届本科生毕业论文 21 图 3 8 回放动画 3 3 4 捕获动画 捕获动画 如图 3 9 图 3 9 捕获动画 按确定便完成直线电机仿真动画的制作 广东海洋大学 2010 届本科生毕业论文 22 总结与展望 1 总结 这次设计的题目是精密伺服直线电机平台的设计及运动仿真 在设计当中 我们 通过上网或者去图书馆等方式查阅了当前社会实际中运用的各种直线电机平台的外型 参数 结构等 结合自己设计中的参数和要求设计出了自己的设计作品 所以 从这 方面来说 我的设计已经基本达到了满足社会需求的要求 在直线电机工作原理方面 对于我们来说是最难的 因为在电磁学方面的知识比较薄弱 但为了完善自己的设计 我们并不气馁 大家都努力去看相关的书籍 把设计的内容都补了回来 使我们对这 方面的课外内容多少了解了一点 在设计过程中 虽然其结构比较简单 但是设计内 容相对来说比较新 而且业内人士在这方面技术攻关很受限制 找不到比较成熟的资料 所以使得这次设计质量还是难以提上去的 2 存在的不足 作为一个学了四年机械设计制造及其自动化知识的学生 在机电一体化设计方面 还是存在很多不足 例如在直线电机磁力分析方面还存在很大的知识欠缺 对结构的 刚性 最优化设计方面还存在很多理论上的不足 还有运用机械制图软件进行二维设 计还会忽略很多工程技术方面的细节 Pro E 三维造型时由于不熟练走了很多弯路 尝 试了很多失败 但是也可以收获到一些意外发现 面对如此新的省级技术攻关类设计 项目我从来不觉得烦恼 从来不会像应付任务一样去对待设计 相反增加了我做设计 的热情 所以整个过程都能尽自己的努力不辞劳苦的去寻求方法解决问题 直到设计 思路逐渐明朗 每个阶段的任务逐渐落定 直到本设计的最终完成 通过这次毕业设计 加强了自己对所掌握的知识的巩固和进一部的深刻理解 使 自己从感性认识上升到了理性认识 同时对自己设计能力进行了一次全面的检验和提 升 3 展望 下面谈谈做完本设计之后对精密伺服直线电机平台进给系统的一些展望吧 直线电动机作为数控机床进给系统的一种崭新的驱动方式 只有短短几年的历史 目前它在设计 制造和应用方面还存在一些问题 成本也较高 有待进一步加以研究 解决 然而它在高速数控机床上的应用 已呈现出一系列滚珠丝杠所无法比拟的优越 性 并已成为现代世界机床技术发展的新高峰 近年来 各国推出的许多新型高速加 工中心和其它数控机床 其进给系统已采用了直线电动机 直线电动机驱动有望成为 21世纪高速数控机床的基本传动方式 直线电机在机床上的应用有着广阔的天地 其种 类越来越多 除了电磁驱动这种常见的形式外 还有压电微驱动 热微驱动 直接光微 驱动 超导微驱动 高分子微驱动等等多种形式 随着伺服控制系统性能的不断改善 广东海洋大学 2010 届本科生毕业论文 23 直线电机必将在机床领域带来一场新的革命 鸣 谢 本设计是在谭老师的不断悉心指导下完成的 谭老师在指导我做毕业设计过程中 给予了很大的帮助 向我提出了很多宝贵的意见 是我这次毕业设计得以顺利完成的 一个重要因素 在此 首先向谭老师表示衷心的感谢 同时 我要感谢在设计过程中给予我帮助的研究生师兄师姐 感谢他们在百忙之 中抽空解答我在设计中遇到的问题 还要感谢在本次设计中和 我并肩作战 的搭档 刘鑫尚同学 感谢他在设计中给我的意见和帮助 随着最后一项任务的完成 我们的毕业设计也完成了 也就意味着我们校园生活 最后一次作业也完成了 很感谢培养我们的老师们 没有老师们的辛勤栽培 就不会 有我们的今天 感谢所有老师 我们一定不辜负老师们的辛勤汗水 到工作岗位上努 力工作 为我们的国家贡献自己的力量 祝老师们一生平 广东海洋大学 2010 届本科生毕业论文 24 参考文献 1 冯辛安 机械制造装备设计 第 2 版 M 北京 机械工业出版社 2005 12 114 116 2 叶云岳 直线电机手册 M 北京 机械工业出版社 2003 8 1 3 3 叶云岳 直线电机原理与应用 北京 机械工业出版社 2000 6 4 孙建忠 白凤仙 特种电机及其控制 M 北京 中国水利水电出版社 2005 182 183 5 徐昌语等 直线电机在超精密加工技术中的应用和发展 J 航空精密制造技术 2009 45 4 13 16 6 邢亮 沈豫鄂 proe 运动仿真中单向匀速电机实现往复运动的方式及分析 舰船电子 工程 2009 29 9 7 机械设计手册编写组 机械设计手册 1 5 册 机械工业出版社