机电控制课程设计方案书.doc

此文档收集于网络，如有侵权，请联系网站删除机电控制课程设计说明书题 目 机械手移动平台电动伺服系统设计 学 号 姓 名 指 导 教 师 精品文档目 录目 录1一、设计课题简介2二、系统静态设计3（一）、设计步骤3（二）、确定滚珠丝杠副的导程Ph3（三）、确定当量转速nm与当量载荷Fm4（四）、预期额定动载荷4（五）、按精度要求确定允许的滚珠丝杠的最小螺纹底径d2m6（六）、确定滚珠丝杠副的规格代号6（七）、确定滚珠丝杠副预紧力Fp8（八）、计算行程补偿值C与预拉伸力Ft8（九）、确定滚珠丝杠副支承用的轴承规格代号9（十）、滚珠丝杠副工作图设计11（十一）、电机的选择11（十二）、传动系统刚度计算14（十三）、传动系统刚度验算及滚珠丝杠副的精度选择17（十四）、滚珠丝杠副临界压缩载荷Fc的校验18（十五）、滚珠丝杠副的极限转速nc的校验19（十六）、Dn值校验20（十七）、滚珠丝杠副形位公差的标注20（十八）、电机控制器选型21（十九）、导轨选择22（二十）、传感器选择22三、系统动态设计23（一）、设计任务23（二）、设计过程24四、参考文献31五、设计图纸32一、设计课题简介（一）、题目：机械手移动平台电动伺服系统设计（二）、设计目标：设计为任务A机械手水平移动所使用的电动伺服平台位置控制系统，由直流无刷伺服电机及滚珠丝杆传动系统驱动，平台能在任意位置准确定位。系统每天开机6小时，每年工作300天，要求工作8年以上，14400小时。（三）、设计要求：1、平台有效行程： 01.5 m2、平台尺寸： 800800 mm (LW) 3、最大负载重量： 300 Kg4、定位精度： +0.1 mm5、最大位移速度： 0.15 m/s6、最大线加速度： 0.6 m/s27、最低平稳速度： 0.5 mm/s8、系统通频带： 1.5 Hz A/A10%, 10二、系统静态设计（一）、设计步骤（二）、确定滚珠丝杠副的导程Ph因电机与丝杠直联，i=1Vmax=0.15m/snmax=1500r/min带入得Ph=6mm/r圆整为Ph=5mm/r（三）、确定当量转速nm与当量载荷Fm最大转速nmax=1500r/min最小转速nmin=6r/min当量转速nm=753r/min最大载荷出现在最大负载以及以最大加速度加速时，故最大载荷Fmax=0.1最小载荷出现在无负载以及以最大加速度减速时，故最小载荷Fmin=当量载荷Fm=（四）、预期额定动载荷1、按滚珠丝杠副的预期工作时间Lh估算：当量转速，753r/minFm：当量载荷，434N：预期工作时间，测试机床选择63008=14400h：负荷系数，平稳无冲击选择1：精度系数，2级精度选择1：可靠性系数，一般选择1代入得Cam=3760.62（N）2、按滚珠丝杠副的预期运行距离Ls计算：预期运行距离，一般取250km代入得Cam=1598.87（N）3、按滚珠丝杠副的预加最大轴向负载计算：预加负荷系数，轻预载时，选择 =6.7代入得Cam=2907.8（N）综上所述，Cam=3760.62（N）。（五）、按精度要求确定允许的滚珠丝杠的最小螺纹底径d2m（1）估算滚珠丝杠的最大允许轴向变形量m （1/41/5）定位精度: 最大轴向变形量，m定位精度：100m代入得=20m(2）估算最小螺纹底径d2m丝杠要求预拉伸，取两端固定的支承形式 (1.11.2)行程+（1014）已知：行程为1500mm,W1=4000N，0=0.1 代入得L=1785mmF0=400Nd2m=7.4mm（六）、确定滚珠丝杠副的规格代号选择汤姆森公司的轧制滚珠丝杠轴，具体参数如下公称直径导程螺纹数滚珠直径右旋螺纹轴的最高公差等级左旋螺纹轴的最高公差等级外径螺纹内径最大长度单位长度丝杠轴质量丝杠轴横截面积最小轴惯性矩极惯性矩d0PhDWd1d2ImaxmaiIpmmmmmmmmmmmmkg/mmm2mm4mm416513.500P3T715.55h1112.8860001.381.75E+022.22E+034.93E+03选择汤姆森公司的用于轧制滚珠丝杠螺母公称直径导程丝杠头数滚珠直径FK型单螺母d0PhDwD1D4D5D6LLmL1L3L7g6h13h13mmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmm16513.50028385.54848.533105.510螺母形状安装孔位置类型循环系统公称轴向间隙承载滚珠圈数动态额定载荷静态额定载荷L8DBLBL10CamCa0mh13mmmmmmmmmmkNkN40M6158S1End cap0.0412.810.817.5故滚珠丝杠副的型号如下丝杠型号为7832776-PS，螺母型号为7832777。d2=12.88mmd2mCam=10.8KN3760.62N符合要求（七）、确定滚珠丝杠副预紧力FpFmax=632N代入得Fp=211N（八）、计算行程补偿值C与预拉伸力Ft1、计算行程补偿值C对于两端固定支承，需要预拉伸的滚珠丝杠副应规定目标行程补偿值C,并计算预拉伸力。C：行程补偿值（m）t：温度变化值25, 取2.5：丝杠的线膨胀系数11.810-6/度Lu：滚珠丝杠副的有效行程(mm)Lu工作台行程+螺母长度+两个安全行程行程+（814）Ph=1940mm代入得C=45.8725m2、计算预拉伸力FtFt：预拉伸力（N）d2：滚珠螺纹底径为12.88mmt：滚珠丝杠的温升25，取2.5代入得Ft=808.7352N（九）、确定滚珠丝杠副支承用的轴承规格代号1、轴承所承受的最大轴向载荷FBmax已知：Ft=808.7352N，Fmax=632N代入得FBmax=1440.7352N2、轴承类型两端固定的支承形式，选背对背25角接触推力球轴承。3、轴承内径dd略小于d2，d2=12.88mm取d=10mm4、轴承预紧力FBP=FBmaxFBmax=1440.7352N代入得FBP=480.25N故预加负荷FBP5、按样本选轴承型号规格当d=10mm，预加负荷FBP时，选择轴承型号为7200AC/DF，d=10mm。 （十）、滚珠丝杠副工作图设计1、丝杠螺纹长度LsLs=Lu+2LeLe=20mmLu=行程+螺母长度=1533mm代入得Ls=1573mm2、两固定支承距离L1按样本查出螺母安装联接尺寸丝杠全长L=17853、行程起点离固定支承距离L0由工作图得Ls=1573mmL1=1613mmL=1785L0=20mm（十一）、电机的选择1、作用在滚珠丝杠副上各种转矩计算外加载荷产生的摩擦力矩TF(Nm)F=632NPh=5mm=0.9代入得TF=0.56 Nm滚珠丝杠副预加载荷TP产生的预紧力矩（Nm）FP=211N代入得TP=0.04 Nm式中Ph：滚珠丝杠副导程 ：未预紧的滚珠丝杠副效率（1、2、3级精度的丝杠=0.9，4级精度以下的丝杠=0.85） F：作用在滚珠丝杠副上的外加轴向载荷，不同情况下取值不一样。若计算电机启动转矩时，机械是空载起动，F是导轨摩擦力（垂向动动F还包括机构重量）若计算电机工作转矩时，F还包括导轨摩擦力和工作载荷（垂向运动F还包括机构重量）。2、负荷转动惯量JL(kgm2)及传动系统转动惯量J(kgm2)的计算式中Ji、ni：各旋转件的转动惯量(kgm2)和转速(r/min)mj、vj：各直线运动件的质量(kg)和速度(m/min)Jm、nm：电机的转动惯量(kgm2)和转速(r/min)3、加速转矩Ta和最大加速转矩Tam当电机转速由n1升至n2时当电机从静止升至N：电机转速(r/min)nmax：电机最高转速(r/min)：加速时间，由0加速至0.15m/s，加速度为0.6m/s2，则=0.25s4、电机最大启动转矩Tr(Nm) 式中I：电机到滚珠丝杠副的传动比。直联i=1。Tb、Tf分别为滚珠丝杠副两端支承产生的力矩Te：不在滚珠丝杠副上的其它传动组件的摩擦力矩折算到电机上的值。5、电机连续工作的最大转矩机械在最大工作载荷下连续均匀运转时的电机转矩(Nm)6、按照样本选用电机时要注意以下三方面a.惯量匹配按所选电机的说明书。b.验算电机的最大转矩8.3。c.验算电机的额定转矩2.5且在电机的连续工作区间。选择电机为MOOG公司的直流无刷伺服电机，型号为（十二）、传动系统刚度计算1、传动系统的刚度K计算：滚珠丝杠副的拉压刚度，计算见下页说明。：滚珠丝杠支承轴承的轴向刚度，可查轴承样本及有关数据。：滚珠丝杠副滚珠与滚道的接触刚刚度可查样本。：折合到滚珠丝杠副上伺服刚度，一般情况可忽略不计，精确计算按，其中有关数据可查伺服电机样本。：滚珠丝杠中螺母体刚度，一般可忽略不计，精确计算按估算。：折合到滚珠丝杠的联轴节刚度,一般可忽略不计,精确计算按其中是样本中介绍的联轴节刚度。：螺母座、轴承座刚座。一般情况下可忽视不计，精确计算可用有限元计算。：滚珠丝杠的副的扭转刚度。可忽略不计。一般校核时：2、计算滚珠丝杠副的拉压刚度是滚珠螺母至丝杠轴向固定处距离a(mm)的函数，见下图。曲线1曲线2刚度比行程比 n=L/L1曲线1：一端固定，另一端自由或游动曲线2：两端固定或支承。拉压刚度与行程关系，支承形式为两端固定当a=L1/2(螺母处在两支承的中点时)刚度最小，见下图。当a=L0时（螺母处在行程两端处）刚度最大3、计算滚珠丝杠副支承的刚度Kb一端固定一端自由二端支承预紧未预紧一端固定一端游动固定端预紧二端固定固定端预紧由表可知Kb=2KB0dQ：滚动体直径，为5mmZ：滚动体个数，为11Famax：最大轴向工作载荷，为632N：轴承接触角，为25deg代入得KB0=110.9N/m故Kb=191.29 N/m4、Kc计算对预紧的滚珠丝杠副：查样本上的刚度2128：额定动载荷9500N：轴向预紧载荷，为480.25N代入得Kc=1695 N/m（十三）、传动系统刚度验算及滚珠丝杠副的精度选择1、得Kmin=48.66 N/m得Kmax=151.91 N/m2、传动系统刚度验算/反向差值。48.66/反向差值3、滚珠丝杠副的精度验算故精度验算成立（十四）、滚珠丝杠副临界压缩载荷Fc的校验式中:滚珠丝杠螺纹底径，取样本数据（mm），为12.88mm:滚珠丝杠副的最大受压长度（mm）(见下表)：滚珠丝杠副承受最大轴向压缩载荷（N）。若滚珠丝杠承受最大载荷不是压缩载荷时，就不等于，视工作情况进行计算。：安全系数。丝杠垂直安装=1/2，丝杠水平安装=1/3：支承系数。与支承方式有关（见下表），取4支承方式简图f一端固定一端自由0.251.8753.4一端固定一端游动23.92715.1二端支承13.1429.7二端固定44.73021.9代入得（十五）、滚珠丝杠副的极限转速nc的校验滚珠丝杠副的极限转速nc的校验（避免高速运转时产生共振）式中：极限转速(r/min)：临界转速计算长度(mm)见下表，为1573mmE：杨氏弹性模量 ：材料密度为7.8g/cm3 I：丝杠的最小惯性矩 A：丝杠的最小横截面积：安全系数，一般取0.8f,：与支承形式有关的系数（见下表），f取21.9支承方式简图f一端固定一端自由0.251.8753.4一端固定一端游动23.92715.1二端支承13.1429.7二端固定44.73021.9代入得故极限转速nc的校验成立。（十六）、Dn值校验Dn值校验式中：滚珠丝杠副的节圆直径(mm) ：滚珠丝杠副的最高转速，为1500r/min代入得成立（十七）、滚珠丝杠副形位公差的标注滚珠丝杠形位公差的标注，见下图某些传动类（T类）滚珠丝杠副，对精度要求低，但传递的载荷大，这时可不进行有关传动精度及传动系统刚度的计算，但需进行以下两项计算：1、基本轴向额定静载荷验算式中 ：滚珠丝杠副的基本轴向额定静载荷（N）。可在样本上查到。：静态安全系数。一般载荷=12，有冲击或振动的载荷=23 最大轴向负荷(N)217.5kN155.8kN成立2、强度验算：许用应力（）：滚珠丝杠螺纹底径（mm）（十八）、电机控制器选型根据电机的相关特性 与控制器的相关特性选取CZ1000XX作为控制器。（十九）、导轨选择（二十）、传感器选择选择MTS 公司生产的RPS 2500M D70 1 S1B1100 99110型号位移传感器，有效行程2500mm，分辨率0.005mm，6位二进制输出三、系统动态设计（一）、设计任务直流电机的数学模型计算是直流调速系统设计的重要环节，这里利用传统方法求解电机的数学模型，根据直流电机的电气和机械特性方程可以求得直流电机的数学模型。1、直流电机的电气特性方程： （1） （2）2、直流电机的机械特性方程： （3） （4） （5）其中ua电枢输入电压(V)；uq感应电动势(V)；ia电枢电流(A)；Ra电枢电阻(Q)；La电枢电感(H)；电机输出角速度(rad/s)；Tg电机电磁转矩(Nm)； J转动惯量(kgm )；c一粘性阻尼系数(Nms)；对以上各式整理后进行拉普拉斯变换可得到直流电机转速相对于输入电压的传递函数：对此传递函数增加一个积分环节，就可以得到转角相对于输入电压的传递函数：G2（s）乘上导程再除以2，就是平台位移上对于输入电压的传递函数：要求：根据PID控制原理，建立系统仿真模型PID控制参数对电机控制性能的影响（二）、设计过程1、求解数学模型参数通过查询电机技术参数以及根据静态设计所得到的相关参数，确定传递函数中各参数值。Ra=6.7La=12mH=0.012HJm=kgm2J=Ke=0.5 Kt=0.5 c=3.5110-6Nms代入得在simulink中建模得到原系统开环单位阶跃响应为可知不满足设计要求原系统开环波特图为可知原系统不稳定2、PID控制PID控制器是将设定值r（t）与输出反馈值C（t）的偏差e（t）=r（t）-C（t），按比例、积分、微分运算后，并通过线性组合构成控制量u（t），对控制对象进行控制，如下图所示 ，简称P（比例）、I（积分）、D（微分）控制器。图2.2-1 PID仿真