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、目 录一 课程设计的目的 - 3二 设计内容 - 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- 55. Dn值的验证- 66根本轴向额定静在和Cu的验算- 67轴承选择- 68电机的选择- 69. 导轨副的选择- 810套筒的设计- 811机械系统建模及仿真- 912.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- 21四 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滚珠丝杆副的参数选择与计算确定滚

2、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=10mm滚珠丝杆副的载荷及转速计算：托板尺寸：长宽高=托板重量：导轨副与托板连接局部重量估算为：100N双导轨夹具及工件重量约为：400N工作台运动局部总重：6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得7)最大载荷Fmax采用矩形滚动导轨工作载荷等效公式：其中： 8)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：确定当量载荷：Fm=1167N确定当量转速：预期额定动载荷按预期工作时间计算：使用寿命 滚珠丝杠副寿命最大动载荷：查?机电一体化系

3、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，硬度系数代入上式得拟采用预紧滚珠丝杠副，按最大负载计算查?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 =5000N得Fmaxfe=17000N取以上结果最大值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10，定位精度20=1/41/3)重复定位精度=3=1/51/4)定位精度=6取最小值=3估算最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*行程+1014=900mm=mm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

4、垫片预紧形式。由、选择相应规格的滚珠丝杠副FFZD3210-3d2=mm Ca=20600N Coa=43800N确定预紧力：53 53 15 90 15 71 9 15 9 70 M6 44 146 FFZD3210-3D1(g6) D2( ) L2 D3 B 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其中： f=21.9 所以验证稳定性合格.4.滚珠

5、丝杆副的极限转速nc的校核(防止高速运转时产生共振) 验算合格.5.Dn值的验证合格.6.根本轴向额定静在和Cu的验算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： 1 F2 2 径向力：派生轴向力： 取载荷系数 径向当量动载荷：径向当量动载荷：P1=4893N求轴承具有的根本额定动载荷：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 所选轴承满足设计要求。8电机的选择：1作用在滚珠丝杆副上各种转矩计算外加载荷产生的摩擦力矩TF空载时:外加径向载荷时的摩擦力矩:滚珠丝杆副预加载荷Fb产生的预紧力矩:2负荷转动惯量JL2及传动

6、系统转动惯量J的计算：滚动丝杆的转动惯量：移动平台转换的转动惯量；Jb=(Ph/2)2m=0.63*10-4-33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，查其参数得转子的转动惯量: Jg2。加到电机转轴上的总转动惯量为：nm=vmax/360。d=1000*0.6/360*0.01=167r/minTam1=Jeq=2Jeqnm/60ta4)快速空载启动时电动机转轴所承受的负载转矩Teq1Teq1= Tam1+Tf0+T05) 快速负载启动时电动机转轴所承受的负载转矩Teq1Teq2=TfL+Tf0+T0由

7、上可知，加在步进电机上的最大负载转矩为：Teq=max Teq1 ,Teq26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：查初选电机130BYG3503的最大静转矩为。所选电机满足要求。9.导轨副的选择查?指导书?公式3-35小时额定寿命：距离额定寿命公式3-33滚动体为球时：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型直线滚动导轨副所选导轨满足要求。10、套筒的设计传动轴上的公称转矩取工作情况系数计算转

8、矩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2粘性阻尼系数折算3总扭转刚度折算电机：丝杆：工作台的压缩刚度：附加扭转刚度：折算后的总扭转刚度：4系统建模根据动平衡原理有：动力平衡关系：系统传递函数为：式中： 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

9、阻尼比在理想参数0.707附近，说明静态设计是有效的、准确的。12.机械控制系统原理及电路设计.1mm/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0700mm；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。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、四个八位口，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，而高8位由口直接提供。数据总线由口直接提供。控制总线由口的第二功能状态和4根独立的控制线RESET、E

10、A、ALE、PSEN组成。仅剩口可供控制外设。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、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。工作原理图详见“控制系统工作原理图。地址分配如下：2764：0000H1FFFH6264：2000H3FFFH8155I/O端口)：命令口：4000HA口：40

11、01HB口：4002HC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，

12、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、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任务中的要求，所以上述设计是满足设计要求的，完全可以实现对工作台控制。七心得体会 机电一体化的

13、机械系统要求精度高、运动平稳、工作可靠，这不仅是静态设计所能解决的问题，还需对系统的动态性能进行分析，调节相关的机械性能参数，到达优化系统性能的目的。在仿真过后对其体会颇深，主要如下：系统结构要尽量紧凑；各部件要尽量轻便，标准件要选取惯量尽量小的；在条件允许的情况下对已有设计做局部调整；对系统影响最大的是滚珠丝杠副、联轴器、电机，对其选择要综合考虑主要考虑减小惯量。机电一体化设计是训练我们学习能力，以及对我们专业素质的一次充分的检验，设计中既按部就班的计算又有一般性的推导和分析选择的过程，它为我们即将进行的毕业设计奠定了根底，提供了方法。我相信有了今天的踏实勤奋才会有今后的开展成就。在此特别感谢指导老师在课设期间对我们孜孜不倦的教导和启发，让我们发现问题并解决问题，让我们更仔细，考虑问题更全面，对一些问题有了全新的认识，再次感谢老师