单轴直线伺服移动机构系统设计-2V1

1、编号课程设计（论文）题目单轴直线伺服移动机构系统设计（2组）学院专业机械设计制造及其自动化班级学生姓名学号指导教师职称目录1 设计任务1.1 设计任务介绍及意义1.2 设计任务明细1.3 设计的基本要求2 总体方案设计2.1 设计的基本依据2.2 总体方案的确定3 机械传动系统设计3.1 机械传动装置的组成及原理3.2 主要部件的结构设计计算4 结束语5 参考文献241.设计任务1.1 设计任务介绍及意义课程设计题目单轴直线伺服移动机构系统设计主要设计内容(1) 机械传动结构设计(2) 电气控制系统课程设计意义： 培养学生综合运用所学的基础理论和专业知识，独立进行机电控制系统(产品 )的初步设

2、计工作。 培养学生搜集、 阅读和综合分析参考资料， 运用各种标准和工具书籍以及编写技术文件的能力，提高计算、绘图等基本技能。 培养学生掌握机电产品设计的一般程序和方法，进行工程师基本素质的训练。 树立正确的设计思想及严肃认真的工作作风。1.2 设计任务明细：机电传动单向数控平台设计：1.21 电机驱动方式：步进电机、直流伺服电机、交流伺服电机；1.22 机械传动方式：螺旋丝杆、滚珠丝杆、同步皮带、链传动等；1.23 电气控制方式：单片微机控制、PLC控制；1.24 功能控制要求：速度控制、位置控制；1.25 主要设计参数：单向工作行程500mm；移动负载质量3000N ；负载移动阻力1500N

3、 ；空载最快移动速度 2000mm/min ；进给速度400mm/min ；脉冲当量0.01mm加减速时间 2s要求寿命22000h丝杆直径16mm丝杆支撑方式两端固定2总体方案设计2.1 设计基本依据（ 1） 步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。 在非超载的情况下， 电机的转速、 停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数， 而不受负载变化的影响， 当步进驱动器接收到一个脉冲信号， 它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度，称为 " 步距角 " ，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。步进电机电动机具有以下特点：1、步距值不受各种干扰因素的影响。

4、如电压的大小，电流的数值、波形、温度的变化等。2、误差不长期积累。步进电机每走一步所转过的角度与理论步距之间总有一定的误差， 从某一步到任何一步， 也总有一定的累积误差， 但是， 每转一圈的累积误差为零，所以步距的累积误差不是长期的累积下去。3、控制性能好，启动、停车、翻转都是在少数脉冲内完成，在一定的频率范围内运行时，任何运动方式都不会丢失一步。所以，步进电机被广泛应用于数控机床上。（ 2）滚珠丝杠是将回转运动转化为直线运动，或将直线运动转化为回转运动的理想的产品。 滚珠丝杠由螺杆、 螺母和滚珠组成。 它的功能是将旋转运动转化成直线运动， 这是滚珠螺丝的进一步延伸和发展， 这项发展的重要意义

5、就是将轴承从滚动动作变成滑动动作。 由于具有很小的摩擦阻力， 滚珠丝杠被广泛应用于各种工业设备和精密仪器。 滚珠丝杠是工具机和精密机械上最常使用的传动元件， 其主要功能是将旋转运动转换成线性运动， 或将扭矩转换成轴向反覆作用力， 同时兼具高精度、 可逆性和高效率的特点：1、与滑动丝杠副相比驱动力矩为 1/3由于滚珠丝杠副的丝杠轴与丝杠螺母之间有很多滚珠在做滚动运动 , 所以能得到较高的运动效率。与过去的滑动丝杠副相比驱动力矩达到 1/3 以下 , 即达到 同样运动结果所需的动力为使用滚动丝杠副的 1/3 。在省电方面很有帮助。2、高精度的保证滚珠丝杠副是用日本制造的世界最高水平的机械设备连贯生

6、产出来的， 特别是在研削、 组装、 检查各工序的工厂环境方面, 对温度、 湿度进行了严格的控制，由于完善的品质管理体制使精度得以充分保证。3、微进给可能滚珠丝杠副由于是利用滚珠运动 , 所以启动力矩极小 , 不会出现滑动运动那样的爬行现象, 能保证实现精确的微进给。4、无侧隙、刚性高滚珠丝杠副可以加予压, 由于予压力可使轴向间隙达到负值, 进而得到较高的刚性 （ 滚珠丝杠内通过给滚珠加予压力 , 在实际用于机械装置等时, 由于滚珠的斥力可使丝母部的刚性增强 ） 。5、高速进给可能滚珠丝杠由于运动效率高、发热小、所以可实现高速进给（ 运动 ） 。（3） PLC的优点PLC 是面向用户的专用工业控

7、制计算机，具有许多明显的特点。1. 可靠性高，抗干扰能力强为了限制故障的发生或者在发生故障时， 能很快查出故障发生点， 并将故障限制在局部，各PC的生产厂商在硬件和软件方面采取了多种措施，使PC除了本身具有较 强的自诊断能力，能及时给出出错信息，停止运行等待修复外，还使 PC具有了很强 的抗干扰能力。2. 通用性强，控制程序可变，使用方便PLC 品种齐全的各种硬件装置，可以组成能满足各种要求的控制系统，用户不必自己再设计和制作硬件装置。 用户在硬件确定以后， 在生产工艺流程改变或生产设备更新的情况下，不必改变PLC的硬设备，只需改编程序就可以满足要求。因此， PLC除应用于单机控制外，在工厂自

8、动化中也被大量采用。3. 功能强，适应面广现代PLC不仅有逻辑运算、计时、计数、顺序控制等功能，还具有数字和模拟量的输入输出、功率驱动、通信、人机对话、自检、记录显示等功能。既可控制一台生产机械、一条生产线，又可控制一个生产过程。4. 编程简单，容易掌握目前，大多数PLC仍采用继电控制形式的“梯形图编程方式”。既继承了传统控制线路的清晰直观，又考虑到大多数工厂企业电气技术人员的读图习惯及编程水平，所以非常容易接受和掌握。PLC在执行梯形图程序时，用解释程序将它翻译成汇编语 言然后执行（PLC内部增加了解释程序）。与直接执行汇编语言编写的用户程序相比， 执行梯形图程序的时间要长一些，但对于大多数

9、机电控制设备来说，是微不足道的， 完全可以满足控制要求。5. 减少了控制系统的设计及施工的工作量由于PLC采用了软件来取代继电器控制系统中大量的中间继电器、时间继电器、计数器等器件，控制柜的设计安装接线工作量大为减少。同时，PLC的用户程序可以在实验室模拟调试，更减少了现场的调试工作量。并且，由于PLC的低故障率及很强 的监视功能，模块化等.6. 体积小、重量轻、功耗低、维护方便PLC 是将微电子技术应用于工业设备的产品，其结构紧凑，坚固，体积小，重量轻，功耗低。并且由于PLC的强抗干扰能力，易于装入设备内部，是实现机电一体化 的理想控制设备。等，使维修也极为方便。2.2 总体方案的确定参数初

10、设如下：（ 1 ） 电机驱动方式：反应式步进电机 机械传动方式：滚珠丝杠电气控制方式：PLC控制 功能控制要求：位置控制主要设计参数：单向工作行程 500mm移动负载质量3000N ；负载移动阻力主主1500N ；空载最快移动速度主2000mm/min ；进给速度主主400mm/min ；脉冲当量主主0.01mm2s加减速时间要求寿命22000h选用滚动直线导轨，工作台滑动摩擦系数右0.15;丝杠材料初选钢材为40Cr,其HRC为4550。丝杠两端固定，每个支座安 装一个深沟球轴承。3.机械传动系统设计及核算计算及说明计算结果3.1 导轨的选择3.1.1 已知条件本设计选择滚珠丝杆，已知：单向

11、工作行程500mm移动速度2m/min负裁质量：3000N采用2根导轨、2个滑座数，工作平台和滑块的质量假设为20kg.寿命要求：22000h3.1.2 动载荷的计算作用在滑座上的力Fe =(m1 +m2 g = (300 + 20 炉9.8 = 3136N则单个滑座受力F/=3136N=1568N22导轨寿命Th=22000h行程长度寿命：丁 _20Ts _“310其中n为每分钟运行的次数v2cn =22ls 2 M0.5ls=500mm v=1m/min m1=300kg m2=20kgFe = 3136NF=1568NTh=22000hn=2丁 2Thls xn 2 M22000 M0.

12、5父60M2T s= 2640h10001000设计平台上共有滑块2个，每根导轨1个滑块。有 Ts=k(fhftfc.ca)3 fw FK寿命系数取K=50f硬度系数Wf =11 H1 Hf温度系数取f =11 T1 Hf接触系数取f =0.81I C1 Cf负荷系数取f=1.51 W1 H则动载荷有：3553/Ts/Kfw355V 2640/50 父1 s/czCa = 1642Nfh ft fc0.81 m1m1已知动载荷Ca=1341N查机电一体化设计手册导轨选择 型号：JSA-LG15滚动导轨基本额定载荷为7900N每个滑块的质量为0.2kgTs= 2640hK=50f =11 Hf

13、=11 Hf =0.811 Cf =1.51 HCa=1642N型号 JSA-LG153.2滚珠丝杆的选择及校核3.2.1 根据机器的工作条件及完成的功能，滚珠螺母的循环力 式和预紧方式滚珠螺母的循环方式为内循环预紧方式为双螺母垫片预紧导轨的摩擦力为：Fi = N(mi +m2)g +F2m1移动负裁的质重 取m1=300kg=F2m2工作台的质量m2=20kgm1=300kg m2=20kgN导轨的摩擦系数 取产0.15F=(m mh)g =0.15 300 20 9.8 = 480N3.2.2 初选丝杆导程根据公称直径范围选择Ph=3mm3.2.3 计算滚珠丝杆的动载荷动载荷公式为：Ca

14、=Kh.KF.KH.Kl Kn式中Kh 寿命系数Kh 二（Lh ）1/3=3.52500Lh工作寿命，Lh=22000hKf 载荷系数Kh 动载荷硬度影响系数Ki短行程系数1Kn 转速系数，Kn =(333)1/3nv 2.n - - - 666.7r / minR 0.003Fm 滚珠丝杆等效轴向载荷Fm =KFx FjK=1.15Fx负载移动阻力，Fx=1500NFm =0.15 1500 480N = 705N计算得3.52 1.2 1.0 1.00.36705=8272N口 =0.15F=480NPh=3mmKh=3.52Kf=1.2Kh=1.0Kl=1.0Kn=0.36Fm=705N

15、Ca=8272N3.2.4 初选滚珠丝杠副的型号和有关参数根据上面所计算的数据，选取的滚珠丝杆的基本额定 动载荷要大于计算出来的动载荷。初步选择GDMC列1604-3型滚珠丝杠副，为内循环固定反向器双螺母垫片预紧式滚珠丝杠副，其公称直径为16mm导程为3mm循环滚珠为3圈X 2系列，精度等级取 5级，螺母安装尺寸L=37mm其主要参数：额定动载荷为Ca=4.62KN额定静载荷为Coa = 8.7 KN公称直径d0 =16mmCa =4.62KNCoa =8.7KNd0 = 16mmPh=3mmF0=462N导程Ph=4mm预紧力计算d0lu=557mml =600mm_ _ 112E =2.1

16、 10 N /m二16mm丝杆螺纹部分长度lul产工作台最大行程+螺母长度+两端余程=500+37+20=557mm轴承的支撑距离l应大于螺纹部分的长度取支撑距离 l =600mm3.2.5 丝杆稳定性验算根据工作环境选择两端采用角接触轴承固定的工作方 式，则丝杆不发生失稳的最大工作载荷为：一 2 _匚fk EI屋=Kl2式中：E材料的拉压弹性模量 钢取E =2.1M1011N/m2；I丝杆轴最小截面惯性矩I =叼：/64 ;d0为滚珠丝杆的公称直径d0 =16mmd2丝杠小径d2 =d -2h3 =16-2x1.75 = 12.5mmh3=0.5P +ac = 0.5 父3+0.25 = 1

17、.75 ac = 0.25Fk实际承受载荷的能力；fk压杆稳定的支撑系数(双推一双推时为4,单推一单推时为1,双推一简支时为2,双推自由式时为0、25),此时取fk =1 ;K压杆稳定安全系数(一般去2.54),垂直安装时取小值，此时取K =3。 22_11_4_fkn2EI1x3.142 X2.1X1011 x3.14 x0.02184Fk = = 13730NKls23 M 0.557 父 64Fk >Fmax符合压杆稳定性要求。3.2.6临界转速校核不发生共振最高转速成为临界转速，ncr表示ncr =9910- (ul)2fc丝杆的临界转速系数 取fc =4.730l临界转速计算距

18、离l =600mmu长度系数u =0.5ncr =9910 = 9910父4.730"2.5 =651r/min(ul)(0.5父600)转动转速：nw -666.7r / minph 0.003nw < ncr能够达到不共振要求。此外滚珠丝杆还应满足发热条件don = 70000 mm (r / min)d0n =16 父 651 =10416mm(r/min)d0n =10416mm(r/min) <70000mm(r/min)fk =1d2 = 12.5mmK =3 l s=557mmFk = 13730NFk> Fmax符合要求fc =4.730ncr =

19、651r/minnw=666.7r/min符合要求d0n = 10416mm(r/min)丝杆满足使用 要求综上，滚珠丝杆满足压缩失稳、共振、发热的条件、f =1.37 10-3.2.7滚珠丝杆副的系统刚度(1)轴向载荷F产生的轴向变形量 与，丝杠采用两端固定的方中FaLj(L-Lj)式、F =EAL式中：Lj丝杠两支撑间的距离(mm ;L 丝杠的计算长度，指F和T作用处到固定支承端 的距离；E 丝杠材料的弹性模量，钢材的 E=2.1x105MP；A丝杠的计算截面面积：.,._ 、 2 .2_ 2A= ：(d0-Dw) /4mm = 213.72mmA h，“d2)2/4 = 122.6mm2

20、''F =FaLj(L -Lj)EAL1500 0.6 0.0432.1 1011 122.6 10 上 0.9= 0.167 10转矩T产生的轴向变形量务:TLj Ph'T '2二GI p pPh丝杠的螺纹导程；I p丝杠计算截面的极惯性矩：Ip =n(d° -Dw)4/32G 丝杠材料的切变模量，钢材的 G =8.3M104MPa；T螺旋传动的转矩T =Fd°tan(九十%)/2 ;九螺旋的倒程角Lj =600mmL =557mm一 一 5 一 E = 2.1 10 MP2A = 122.6mmF -0.417 10，、F =0.167

21、10，Ph=3mmI 0 = 2.23 104 mm4 p4G = 8.3 10 MPaT = 3210NmmT = 22. u 3.82ph = arctan = arctan二do43.14 25= 3.82滚珠丝杠副的当量摩擦系数：fT =0.003 : 0.01 ,当量摩擦角3=1034：;取 1T -22(3)轴向载荷F使钢球与螺旋滚道间产生的轴向变形量 6a基本额定载荷Coa = fkmDw2sin：-系数 %.当 a=45 口 =0.52 时 Q=63.7.rs- =0.55f 一 =41.16Dw仃°由于有预紧，所以；6a =0.3 M10'KZ： 1/3 式

22、中Z(DwFp)Z工作螺母中的钢球总数Z=mjkj每列工作圈数j=1K每个螺母循环列数k=3m每圈中钢球个数m =二 d /(Dwcos )Fp预紧力，一般取Fp =Fmax/3Kz 载荷分布不均匀系数，一般取 Kz =1.2 ： 1.3轴向总变形量：、二、F - ca =2.34 104丝杠的轴向刚度：K，lF =50.56 10“N/mmK . 1 丝杠允许的轴向刚度K=(1820) 10“N/mm3.2.8效率验算滚珠丝杠副白传动效率K为、“ =2.34 10 aDw -3.175mmFp -118.33NKz =1.33、=2.34 10Z=60 一 一一一一 ，一4 一，K . =5

23、0.56 10- N / mm为尸小Q0.0 Q0.Q0，Q.3,S7-200 CPU22，I 1M !“ 02>14 I05 U 07l-,I * -满足刚度条件K = 0.943合格K_ tan A _tan3.82_0943tan(Z + P) tan(3.82”+0.23)K要求在90395戒问，所以该丝杠副合格。经过上述计算验证，所选型号规格滚珠丝杠各项性能均符 合题目要求，可选用。3.3电动机的选择步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制 元件。在非超载的情况卜，电机的转速、停止的位置只取决于 脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负裁变化的影响，当步进驱 动器接收到一个

24、脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转 动一个固定的角度，称为“步距角"，它的旋转是以固定的角度步步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电 机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。3.3.1 等效负裁转矩计算选择传动比为i=1负载转矩 Tl =皿2叫假设传动效率为90%Fm负数总的合力，以 705乂0.003=0.37nm2/i 2M3.14父0.9父13.3.2 初选电动机型号已知负裁转矩 T1 =0.37NM初选电动机型号为70BF003 ,其最大静转矩为Tmax =1.2N.m该电机参数如下：转速：n=2800r

25、/min电压：24V”=0.9T1 =0.37NM二=3视 m maxn = 2800r/ mind1=8mmL=25mm= 1.8 10-3N七修1_*+.b<iW-RiWM.IM丁心F2 j14. jS* '驷1 jjfaWt Jw外JZ*>箝：Th*i «*窜zniMtoHBL«n311n>11*u归 HFW3 JJ«国rnct«A112 I3N-：1与寸r 阻曲工情艇式小谡电幼机阚变：；=7.8 103kg/m3Js =4.8 10“kg m2Jw =2.15 10”kg*m2Ji =1.84 10kg m232Jt=2

26、.09 10 kg *m23.4联轴器的选用根据步进电动机输出轴的直径和滚珠丝杠的直径，选 用YLD05式凸缘联轴器。其公称转矩T=3NM许用转速 np =13000r/min p轴孔直径di=8mmd2=8mm轴孔长度L=25mm (Y型)螺栓数量3个，采用M6螺栓Y 型 l0 =54mm转动惯量JL W.8 10“ N m23.4.1等效转动惯量(1)滚珠丝杠转动惯量钢材密度取：'=7.8 103kg/m3,二：d04l 3.14 7.8 103 0.0254 1.6160 “42Js4.8 10 kg m3232(2)工作台等效到电机输出轴上Ph 20.003 242JW =(m

27、1m2)( ph) =(300 20) () =0.7 10kg.m2 二2 3.14(3)联轴器的转动惯量根据滚珠螺杆和电动机输出轴的直径，选择YLD1联轴器，其转动惯量为Js =1.84 10，kg m r11 r21T径向载荷：Fre=(m1 ml)g =(300 20) 10 = 3200N轴向载荷：Fae = F - 1500N轴承支反力：Fr1= Fr2=1600N 轴承派生轴向力：Fd1 = Fd2 =0.68R =420N由于Fae+Fd2 >Fd1,则左边压紧，右边放松，所以: Fd1 =Fd2 =420NFa1 =Fae Fd2 =1920N计算当量动载荷：因此，换算

28、到电动机轴上的转动惯量Jt = Js Jw Ji =1.91 10，kg *m23.5滚动轴承的选用与校核初选轴承型号6200-N采用正装方式，轴承受力情况如下图所示：Fre=3200NFr产 Fr2 =1600NFd1 = Fd2 = 420NFd2 = 420NFa1 = 1920x = 0.41, y = 0.87Fa1 1920 ”= 1.2 > e = 0.68Fr1 1600查表 X=0.41、Y=0.8Fa2 = -20- = 0.26 < e = 0.68Fr1 1600查表 X=1、Y=0工作在中等冲击：载荷系数fd=1.5 计算当量动载荷：P = fd(xFr1 + yFa1)=1.5(0.41父1600 + 0.87M1920) =3489.4NP2 = fd(xFr2 +yFa