机电一体化系统设计-步进电机直接驱动单轴直线伺服移动机构设计 (修复的)

1、机电一体化系统设计-步进电机直接驱动单轴直线伺服移动机构设计 (修复的) 目 录一 课程设计的目的 - 3二 设计 - 3三 课程设计要求 - 4 四机电一体化系统设计1.确定滚珠丝杆副的导程 - 42.滚珠丝杆副的载荷及转速计算- 43.滚珠丝杠的校核 - 44. 滚珠丝杆副的极限转速nc的校核-5. Dn值的验证- 66根本轴向额定静在和Cu的验算- 6 7轴承选择- 68电机的选择- 69. 导轨副的选择- 8 10套筒的设计- 811机械系统建模及仿真-12.机械控制系统原理及电路设计- 9五 密封和润滑- 17六 结论- 18 七心得体会-八 参考文献- 21 5 9 1四 机电一体

2、化系统设计步进电机直接驱动单轴直线伺服移动机构设计滚珠丝杆副的参数选择与计算1确定滚珠丝杆副的导程Ph：根据传动关系图及传动条件选择滚珠丝杆副的导程PhPh=10mm2滚珠丝杆副的载荷及转速计算：1托板尺寸：长´宽´高=300mm 300mm 30mm2托板重量：W=300*300*30-37.8*10-2N=211N3导轨副与托板连接局部重量估算为：100N双导轨4夹具及工件重量约为：400N5工作台运动局部总重：G=211+100+400=711N6最小载荷Fmin选机器空载时滚珠丝杆副的传动力。由滚动导轨副的摩擦系数f=0.005得 Fmin=fG=711N´

3、;0.005=4N7)最大载荷Fmax采用矩形滚动导轨工作载荷等效公式：Fm=KFx+m(Fz+Fy+G) 其中：K=1.1 m=0.005Fmax=KF1+(F2+G)f=5000*1.1+(2500+711)´0.005=5516N8)滚珠丝杆副的当量转速nm及当量载荷Fm:按工进时间占总时间的90%，快进时间占总时间的10%计算：3确定当量载荷：F=3Fm1n1t1+F3m2nm2t2n=1167N1t1+n2t2确定当量转速：nm=n1t1+n2t2=28r/min预期额定动载荷按预期工作时间计算：使用寿命Lh=24000h滚珠丝杠副寿命L0=60n6mLh/10106r2最

4、大动载荷：FQ=wfHFm查?机电一体化系统设计课程设计指导书?以下简称?指导书?表3-30取载荷系数fw=1.2，硬度系数fH=1.0³58HRC代入上式得FQ=9091N 拟采用预紧滚珠丝杠副，按最大负载Fmax计算查?机电一体化系统设计及实践?表3-25以下简称?实践?重载荷取fe=3.4 Fmax=F1=5000N得FQf=Fmaxfe=17000N取以上结果最大值Cm=17000N确定允许的最小螺纹小径估算丝杠允许的最大轴向变形量：重复定位精度10mm，定位精度20mmdm=1/4:1/3)重复定位精度=3mmdm=1/5:1/4)定位精度=6mm取最小值dm=3mm估算最

5、小螺纹底径丝杆要求预拉伸，采用两端固定的支承形式，行程为700mm，W=2500+711=3211N 静摩擦系数m0=0.09d2m=查?实践?表3-26 a=0.039 L=1.1*行程+10:14Ph=900mmd2m=确定滚珠丝杠副的规格代号选内循环浮动式法兰，直筒双螺母型垫片预紧形式。由Ph、Cm、d2m选择相应规格的滚珠丝杠副FFZD3210-33d2=26.5mm Ca=20600N Coa=43800N 确定预紧力：Fe=1Fmax=1667N353 53 15 90 15 71 9 15 9 70 M6 44 146 FFZD3210-3D1(g6) D2( ) L2 D3 B

6、 D4 D5 D6 h D7 M D8 L13.滚珠丝杆的校核在选择滚珠丝杆时，可根据原丝杆直径的大小，按类比法选择其名义直径，因此，就需要对其负载能力进行必要的校核，如果是根据承载能力选出的那么应对压杆稳定及其刚度进行必要的校核。下面进行滚珠丝杆副临界压缩载荷Fc的核算即验算压杆稳定性Fc=k1k2d242Lc1´105³fmax 其中：k1=1 f=21.9 k2=4 l=4.730 3127.34FC=´4´´105=1.157´105N>Fmax=F总+F摩=5516N 23800所以验证稳定性合格.4.滚珠丝杆副的极限

7、转速nc的校核(防止高速运转时产生共振)60l2nc=k×2pL2c2=21.9´dEI=f22´103 rALc227.373´10=10.03´10r/min>nmax 2800 4验算合格.5.Dn值的验证Dpw.nmax=34.7´200=6940<70000合格.6.根本轴向额定静在和Cu的验算fs.Famax£Coa2´5516=11032N<Coa=26200N(fs取2)7、轴承选择按照滚珠丝杠副相关要求初步选定滚动角接触球轴承B型背对背安装，受力如下列图：Fd2F1 Fr1 Fr

8、2径向力：Fr1=Fr2=F2/2=2500/2=1250NN 派生轴向力：Fd1=Fd2=1.41F2/2=1763Fa1=F1+Fd2=6763N Fa2=Fd2=1763N取载荷系数fp=1.2Fa1/Fr1=5.41&gt;1.14径向当量动载荷：P1=f=4893N p0.35Fr1+0.57Fa1Fr2/Fd2=1.43径向当量动载荷：P1=4893N求轴承具有的根本额定动载荷：C=P160nmLh106=16778N5根据所选滚珠丝杠副及轴承寿命要求选择 滚动轴承7305 B GB/T292 Cr=26200N>16778N所选轴承满足设计要求。8电机的选择：1作用

9、在滚珠丝杆副上各种转矩计算外加载荷产生的摩擦力矩TFN.m空载时:TF0=FPh4´0.01=N.m=0.0071N.m 2ph2´3.14´0.9外加径向载荷时的摩擦力矩:TFL=FLPh5516´0.01=N.m=9.75N.m 2ph2´3.14´0.9滚珠丝杆副预加载荷Fb产生的预紧力矩:FbPh1-h21667´0.011-0.92T0=.2=.N.m=0.62Nm 22p2´3.14h0.92负荷转动惯量JLKg.m2及传动系统转动惯量JKg.m的计算：滚动丝杆的转动惯量：Js=p´7.8&#

10、180;103´0.0334´0.7225=6.5´10-4kg.m2 移动平台转换的转动惯量；Jb=(Ph/2)2m=0.63*10-4kg.m-33空载时最大加速转矩Tam根据负载情况初选南京南数数控设备步进电机130BYG3503为三相混合式，采用单-双6拍驱动时步距角为0.60，查其参数得转子的转动惯量: J=30kg 2。 g加到电机转轴上的总转动惯量为：Jeq=JM+JL+Jb=10.7´10-3kg.m-3+30*10-3kg.m-3=37.13*10-3kg.m-3 nm=vmax/360d=1000*0.6/360*0.01=167r/

11、minTam1=Jeq=2Jeqnm/60ta=0.394N.m 。64)快速空载启动时电动机转轴所承受的负载转矩Teq1Teq1= Tam1+Tf0+T0=1.021N.m5) 快速负载启动时电动机转轴所承受的负载转矩Teq1Teq2=TfL+Tf0+T0=10.377N.m由上可知，加在步进电机上的最大负载转矩为：Teq=max Teq1 ,Teq2=10.377N.m6电机最大静转矩的选定考虑到步进电机的驱动电源受电网电压影响较大，当输入电压降低时，其输出转矩会下降，可能造成失步，甚至堵转。并采用开环控制，需考虑平安系数。取K=3.5，那么步进电机的最大静转矩应满足：Tjmax>3

12、Teq=31.13N.m查初选电机130BYG3503的最大静转矩为36N.m。所选电机满足要求。9.导轨副的选择L´103查?指导书?公式3-35小时额定寿命：Lh= 2nS´60距离额定寿命L=2nS60Lh103=2*4*0.7*60*2400=8046Km 310公式3-33滚动体为球时：L=50fhftfcfRCa3) fwFFfwLCa=27241N 50fhfTfCfR其中F按所给力参数折算到四滑块上中的最大值。查表3-42选择JSA-LG35型直线滚动导轨副Ca=32500&gt;27241N所选导轨满足要求。10、套筒的设计传动轴上的公称转矩2pT

13、eqP3T=9550*2*p*9.7517/60*10=9.31N.m 3n60*10取工作情况系数KA=1.57计算转矩Tca=KAT=1.5*10.39N.m=15.585N.m 11机械系统建模及仿真1转动惯量的折算由前述可知等效到电机轴上的转动惯量Jeq=JM+JL+Jb=7.13´10-3kg.m-3+30*10-3kg.m-3=37.13*10-3kg.m-32粘性阻尼系数折算Cf=(Lh/2p)2C=1.6243总扭转刚度折算 电机：KpdmG3.14*0.0194*8.1*1010m=32l=m32*0.2=5182N.m/rad 丝杆：K3.14*0.0324*8.

14、1*1010m=pdmG32l=m32*1.26949N.m/rad工作台的压缩刚度：K2e=Epd/4l=2.1*10113.14*0.0322/4*1.2=6949N.m/rad 附加扭转刚度：Kf=354.6N.m/rad 折算后的总扭转刚度：KS=1=316.76N m/rad K+K+msK¢4系统建模根据动平衡原理有：Jd2qdq2pSdt2+Cdt+KSq=KSXi式中q=LXo h动力平衡关系：Jd2XodXoSdt2+Cdt+KSXo=Lh2pKSXi系统传递函数为：LG(s)=Xs)hKSL2o(hwnX)=J=22 i(sSs2+C¢s+KS2ps+2

15、xwns+wn8式中：wn=x=C¢/( Xo(s)504.14129140.6=Xi(s)0.0039s2+1.624s+316.76s2+514.42s+81220.5 G(s)=代入数据得：5仿真程序：g=tf(504.14,0.0039 1.624 316.76)y t=step(g)y=2*pi*yplot(t,y)grid on仿真结果：从图中分析出在步进电机为2p的阶跃输入条件下，工作台直线位移10mm，且仅有不大于10%的超调量，颤抖很小，调整时间约为0.025s，响应速度很快。阻尼比为0.73，系统在周期信号鼓励下没有谐振，且阻尼比在理想参数0.707附近，说明静态

16、设计是有效的、准确的。12.机械控制系统原理及电路设计.(1)对工作台的控制要求如下：1、步进电机选用三相六拍，其脉冲当量为0.001mm/step；2、能用键盘输入命令，控制工作台的直线运动及实现其它功能，其运动范围为0:700mm；3、能显示工作台的当前运动位置；4、具有越程指示报警及停止功能；5、采用硬件进行环形分配，字符发生及键盘扫描由软件实现。(2)单片机控制系统的硬件构成：考虑到8031单片机芯片性价比拟高故采用其作为主芯片。他有P0、P1、P2、P3四个八位口，P0口可以驱动8个TTL门电路，16根地址总线由它经地址锁存器74LS373提供8位A0:A7，而高8位数据总线由P0口

17、直接提供。控制总线由P3口的第二A8:A13由P2口直接提供。功能状态和4根独立的控制线RESET、EA、ALE、PSEN组成。仅剩P1口可供控制外设。不能满足所需控制要求，因8031无ROM，128字节的RAM也不够用，所以需要进行扩展。采用8155和2764、6264芯片作为I/O口和存储器扩展芯片。显示器采用LED数码显示，从控制要求需5位数码显示，整数位三位、 9小数位二位，把符号及前带字母考虑进去也便于扩展采用8位显示。其它辅助电路有复位电路、时钟电路、越位报警指示电路。延时可用8155的定时器/计数器的引脚TMRIN和TMROUT。(3)工作原理图详见“控制系统工作原理图。(4)地

18、址分配如下：(5)2764：0000H1FFFH(6)6264：2000H3FFFH(7)8155I/O端口)：(8)命令口：4000H(9)A口：4001H(10)(11)(12)(13) B口：4002H C口：4003H 定时器低八位：4004H 定时器高八位：4005H五.密封和润滑为了阻止灰尘，水，酸气和其杂物进入轴承并阻止润滑剂流失。再本设计中加如了轴承的密封装置。因为滚珠丝杠的转速不高，所以采用接触式密封。在透盖与轴承中间参加了唇形密封圈，目的是防止润滑油的流出。在轴承的左侧参加轴承端盖，目的是阻止灰尘，水，酸气和其杂物进入轴承。为了降低摩擦阻力，散热，吸收振动，防止锈蚀等，在整

19、个系统中参加了润滑装置，在此系统中滚珠丝杠和轴承都采用脂润滑。为了减少丝杠的受热变形，可以将丝杠制成空心，在支承法兰处通入恒温油进行强迫冷却循环。滚珠丝杠必须采用润滑油或锂基油脂进行润滑，同时要采用防尘密封装置。如用接触式或非接触密封圈，螺旋式弹簧钢带，或折叠式塑性人造革防护罩等。 这种方式具有其结构紧凑，定位可靠，刚性好，且不易磨损，返回滚道短，不易发生滚珠堵塞，摩擦损失也小。六结论在系统的控制方面，本设计采用的是开环控制系统，其具有结构简单、工作稳定、10调试方便、维修简单、价格低廉等优点，但是其精度较低。在步进电机驱动和控制方面，设计中采用的是专用的与步进电机相匹配的驱动控制器。完全可以实现控制的要求。综上所述，虽然设计中存在一些缺点，但是这些都不会影响控制的精度，并且都可以到达设计