课程设计：一维伺服移动工作台设计说明书

电子精密机械设计课程设计一 维 伺 服 移 动 工 作 台 设 计 说 明 书学 校 名 称 ： 上海大学学 院 专 业 ： 机 自 学 院 精 密 机 械 系设 计 队 员 ：指 导 老 师 ： 二一一年十二月课程设计1目录课程设计概述 .2课程设计任务 .31.设计任务介绍： .32.设计参数 .33.设计内容简介 .4课程设计 .41 一维工作台整体结构 .42.各部分选型 .51) 电机的选型 .52) 滚珠丝杆的选型 .73) 支撑单元选择 .174) 联轴器选择 .185) 转矩探讨 .186) 电机的校核 .217) 联轴器校核 .218) 导轨的选型 .229) 轴承的校核 .2310) 系统精度计算 .2611) 系统谐振频率计算 .2812) 光栅的选型 .28附录 .29课程设计2课程设计概述本次专业课程设计要求我们掌握电子精密机械设计方面的基础知识，并能独立运营电子精密机械设计的基本理论、基本方法、进行有关电子精密机械方面的设计。通过本次专业课程设计使我们熟悉机械系统的方案论证过程，包括取得方式比较、传动形式的确定等；学会采用 AUTOCAD 进行机械设计，达到较熟悉程度；利用学过的基础理论，在设计实践中进行载荷的分析计算、电机的选择、传感器的选择、传动链的分析计算、传动系统的精度、谐振分析；综合运用有关课程如机械制图、公差与技术测量、热处理、机械设计、机械原理传感器技术等所学的知识来解决工程实际问题。从而培养我们的自学能力、独立工作能力、协作精神和创新精神，为以后的毕业设计打好基础。课程设计任务1.设计任务介绍：图 1-1 一维伺服移动工作台整体结构课程设计3为完成一维伺服移动工作台的设计，需设计的机械系统包括：伺服电机、减速器、联轴器、滚珠丝杠副、直线导轨、光栅传感器等。2.设计参数工作台的承重载荷 ；03GN工作台的轴向载荷 ；6F工作台的最大移动速度 ；max.2/Vs工作台的有效行程 ；S0加减速时间常数 ；.15ts2a1.3m/s加 速 度重力加速度 g 取 9.8N/kg3.设计内容简介一维工作台整体结构电机的选型滚珠丝杆的选型支撑单元选择联轴器选择转矩探讨电机的校核联轴器校核导轨的选型轴承的校核系统精度计算系统谐振频率计算光栅的选型课程设计4课程设计1一维工作台整体结构图 1-1 一维工作台整体结构考虑到工件重量（300N）,工作台轴向载荷（60N）J 均很小，初选不考虑减速器。1.本系统的工作台尺寸为：长 宽 高=400mm 200mm 20mm；综合加工性和价格因素，选定工作台材料为铸铁：密度 。37.810/kgm工作台质量 9.42102.48tmVkg台按照一般经验，暂定导向形式为双导轨-4 滑块根据 MISUMI 导轨副手册归纳，取每个滑块质量为 0.5kg2.各部分选型1) 电机的选型（1 ） 假定电机与工作台之间无滑动将工件，工作台，4 个滑块视为整体来 【 1】计 算因此，整体质量 （ -工件质量）Mm工 滑台 m滑课程设计5309.8+1240.5=9Mkg受力分析：a 摩擦力 fF【 2】滚动导轨摩擦系数 = 【 0.3,.5】 取 0.5=45.9821fMgNb 惯性力 F惯 0.6.15v惯滚珠丝杆需提供的最大轴向力 max=2.1+60.12.3faFFN惯滚珠丝杆需提供的最大功率 xv347PW效率：取 0.98轴 承 0.98联 轴 器 .9【 3】丝 杆安全系数 2取电机所需功率 max224.7=56.20980.98P联轴 滚选择电机 MSMDO12G1 (AC200V 用)图 2-1 电机型号及参数电机参数： max10.320.9PwTNT额 额 max50nrp课程设计630nrpm额转子转动惯量 （有制动器）420.51Jkgm推荐负载转动惯量比：30 倍以下图 2-2 电机 MSMD012G1 参数课程设计72) 滚珠丝杆的选型工作条件运动方向：水平运送质量： 30.69.8Imkg工作台导向方法：滚动导向面摩擦系数： 0.005 取 =0.005.导向面摩擦阻力： 21fFN轴向外部载荷： 60a希望寿命（转数）： 10Lrev【 4】行程长度： slm操作速度： ax0.2/vs加减速时间： 135t等速时间： 21.6.2.850t s加速度： 2max1.5.3/vmt加速距离： 0.20.15l等速距离： 57减速距离： 31lm每分钟往返次数： 123609.5()tt次 /min导程精度-任务未规定定位精度，导程精度按【一般机械】选择高精度 C3， 【 5】属 精 密 滚 珠 丝 杠课程设计8图 2-3 不同用途的精度等级选择暂定轴长-假定螺母全长 100mm, 丝杠轴末端长度 100mm, 行程 600mm丝杠轴长假定为 800mm导程（无减速器 i=1）max460hUPin额丝杠导程应大于或等于 4mm考虑到负载不大，为了使最终精度较高，选取 4hPm课程设计9图 2-4 丝杠轴外径与导程的标准组合与导程 4mm 组合的标准丝杠外轴有 ： 库存品： 、【 6】有 104半标准品： 、 、 、62532C3 精度下，各外轴对应最大制造长度为：1054870621251803250之前假定丝杠轴长 800mm,由此排除外径课程设计10图 2-5 滚珠丝杠的最大制造长度许用轴向负载分析 由于丝杠较长（800mm）,中速（0.2m/s ）,传动精度高所以选用固定支撑安装方式（机电一体化设计系统P35）为提高刚度，选予压型丝杠 在 、 、 、 、 这些外径中， 最小，以 计算轴向载荷，146205321414若能承受，则其他也能承受。搓曲载荷的丝杠，沟槽谷径 （螺径小径）14hdP1.8dm图 2-7 丝杠的有关参数课程设计11图 2-6 丝杠轴的搓曲载荷计算故：44112 max21.8003956.12.37adPNFNl其中： 22:=固 定 支 撑 时 ，al安 装 距 离 （ 估 m）许用拉压负载图 2-8 丝杠轴的容许拉伸压缩负载2221 max6.8165.4PdF由以上计算知： 、 、 、 、 的丝杠轴均满足轴向负载要求4023课程设计12许用转速危险速度图 2-9 容许转速若 能满足，其它也能满足。以 计算1414丝杠最高转速 max30Nrp77112 max2.8536.-=1.bdrpNl其 中 ， ： 固 定 支 撑 ，:bl安 装 间 距 （ 估 70）DN 值决定的许用转速各外轴对应钢球中心直径为：、 、 、 、14.516.520.52.532.5课程设计13图 2-10 丝杠轴的有关参数由 （D 为钢球中心直径）270()ND精 密 滚 珠 丝 杠 得 ：141620253224827.59 4242.42 3414.63 2745.10 2153.85排除 、 外径53型号选择有 、 、 的型号及参数14620图 2-11 丝杠轴的有关参数容许轴向负载课程设计14图 2-12 静态安全系数0maxsCFf任务书未规定工作情况，保险起见，认为负载条件有震动，冲击按一般工业机械，取 2.5sf前面所列型号中最小 01CakN最小 max.4.325F所以以上型号均满足要求工作寿命探讨加速 1=12.3afFN惯 15l等速 26f 270去程减速 3.09af惯 3l回程 加速 4=fFN惯 415课程设计15等速 5=7.9afFN570l减速 61f惯 61轴向平均载荷：正向：333331256142.95mFllFllFlN 负向：343212560.lNl3awCfF额 定 寿 命 :L=()其中， 取a12mx,6.95微速， 取 1.2 （表 19）wf图 2-13 负载系数前面型号中 最小为 3kN,以此计算：aC36101001.21.295revrevL=()前面的型号均能满足一般机械的寿命要求为确保定位精度，需要丝杠有较好的刚度，外轴选 20查THKB-650 在标准公称型号中，选择刚度较好，且螺母质量较小的 DIK2004-6 型丝杠课程设计16图 2-14 丝杠轴的选型下面就 DIK2004-6 进行讨论3) 支撑单元选择图 2-15 丝杠轴的有关参数适合 的支撑单元有 EK15，FK15，BK15，BK1720EF15，FF15，BF15，BF17查THKB-750769,根据 THK 的推荐，同时为了减小安装尺寸，选固定轴为 BK15，支撑端 BF15课程设计174) 联轴器选择图 2-16 联轴器的选型丝杠轴键槽端轴段长 20，轴径为 ，键槽 4，深 2.5，长 1612根据Panasonic MINAS A5P69 ， 电机 MSMD011G,2 轴段长 22，轴径 ，键槽宽 3，长 14（由以上两组尺寸初选联轴器）8SCXW/SCXWK 型联轴器适合高 ，高定径精度的伺服马达驱动的工况【 7】转 速由上面两组尺寸，考虑只有 SCXWKNo.34 适合相关参数：容许扭矩：4.0Nm, 最高转速：10000rpm, 转动惯量 -521.0Jkgm联5) 转矩探讨转矩由三部分计算:负载转矩 ,滚珠丝杠预压引起转矩 ，惯性转矩1T2T3 负载转矩 1课程设计1812nFPTi 62.1afFN16.43.0591m,滚珠丝杠预压引起转矩 2T0.52.(tan)aohFPT-预压载荷，适当的预压载荷为最大轴向载荷的 ，但应小于基本额定动载荷 的 10%aoF 13aCmax12.340.780%520523ao aNC导程角，tn=.导 程 钢 球 中 心 直 径 0.5247840.5().212Tm 7=3螺 顶 部 长 度螺 攻 部 长 度图 2-17 扭矩变动率的容许范围取变动范围 45%2.1=Tm（ ） .2134N取最大值 2max7 惯性转矩 3课程设计19图 2-18 加速时所需的扭矩26210hsPJMJii-丝杠转动惯量，查THK B-650651 ，s得 34521.20809.1sJ kgm2654245.91.70角加速度 2max130=29./0.wradst n 4453()(71.510.)2094.7.TJ Nm联其中， 为电机转子惯量，m 2.kgm为联轴器转动惯量，J联 50加速时： 123=4.+729.4=30NkT10.5ts等速时： 56t m 28减速时： 123.0-.8.g3.ts课程设计206) 电机的校核最高使用转速：3000rpm马达额定转速：3000rpm所需最大转矩 max30kTNm电机瞬时最大转矩 95p有效转矩： 2222221m330.15.685(.)0.159.8ktgrgTTt Nm 电机额定转矩 0ermgN（根据 Panasonic MSMDO1G 的要求，负载惯量应小于转子惯量的 30 倍） -4-5-42=1.7+.01=.280J kgm联负 载 惯 量 205mkg电 机 转 子 惯 量=23.7J电机 Panasonic MSMD011G1 满足要求7) 联轴器校核由表 14-1 选caATk 1.3Ak【 8】T 取 mx30NSCXWK No.34 容许扭矩 40caTNmT容许最高转速 ax13nrpnrp联轴器 SCXWK No.34 合格课程设计218) 导轨的选型（1 ）预期额定动载荷、静载荷计算 0102.489=.3C().5(3012.).186.7.fscGNaGNP动 载 荷静 载 荷为静态安全系数，取sf 5sf为每个滑块承受重量，0P0312.05.84N由于两滑块装在一个导轨上， =0.81cffc：接触系数，见下表，因为每根导轨上安装两个滑座，取 fc=0.81。图 2-29 fc(2) 导轨长度计算导轨长 有效行程+工作台长度+ 余量=600+200+50mm=850mmL（3 ）选择导轨型号根据以上求得的预期额定动负载计算、预期额定静负载计算和导轨长查 Misumi 官方资料，选定导轨为型号为 SSV2RL-850,H=24，L=850。课程设计229) 轴承的校核图 2-30 轴承受力分析图选型 7002HTDF（左）GMP6 6004zz(右)课程设计23图 2-21 轴承的有关参数基本额定动载荷 基本额定静载荷7007HTDF5.8Kn 3.15Kn6004ZZ 9.4kN 5.05kN轴承预期寿命：15000h(机械设计 P318)其中，m 为螺母质量（THK253）()(45.093).845.2MmNax12FNm330T左极限： 12212max121222()45.903(6314.5)047.83(90)(6154.)0.7834.08.9ttt ttABFMgNFTFNFFN 3对于 6004ZZ,径向载荷 8.2BF轴向载荷 13aN3.20.4aBF（初步） 式 13-8a()paPfXY按表 13-6， 1.按表 13-5，X=0.56课程设计24031.92.0.75.,.afFCoeY取 1(6821.9.3)291.PN轴承应有的基本额定动载荷： 36 60050. 4.69.11nLCk 右极限： 12212max1 212()4.9063(54.)05.743(9061)(354.)0.3ttt ttFMgNFTFNF 对于 6004ZZ,径向载荷 421.5BFN轴向载荷 3a0.29aBeFX 取 0.56，Y 取 1.991.(5641.2.3)57.PN 36 6001027. .9.4nLCk 6004ZZ 作为支撑端轴承合适对于 7002HTDFGMP5左极限： 12.30.6849aF课程设计250.9248.1092.3520.7aPFN取 1.57.pfN603.4.81nLCPk右极限： 2.0.671.489.5a aFPFN1.8.PN605.7.8nLCk7002HTDF 作为固定端轴承合适GMP510) 系统精度计算轴向刚性对精度的影响：滚珠丝杠的拉压刚度：24skdEl其中，5minmax17.8,.0616sdll25axmin3.4(.).83.9/06.1.78.17.6kk Nm1 13 32.0.80.87.6/. 5aoNFk NmC螺 母 轴 向 刚 性课程设计26图 2-22 刚性值001230 391.45sin.=8.95i1si20632.1/aaaaoa FDFNZmkN。 。 支 撑 轴 承 的 轴 向 刚 性 k其 中 ， 支 撑 轴 承 的 接 触 角刚 球 数支 撑 轴 承 的 球 径0mini 20.46/kNa0maxax0minax