机电一体化系统设计课程设

机电一体化系统课程设计

设计说明书刖言本说明书是我对学校所学知识的全面总结和综合应用，又为今后走向社会的实际操作应用铸就了一个良好实践，课程设计是我对所学知识理论检验与总结，能够培养和提高设计者独立分析和解决问题的能力。资料个人收集整理，勿做商业用途资料个人收集整理，本说明书融合了机械设计、机电一体化、机械制图等学科知识。对X-Y轴数控工作台进给系统分析，包括机械传动部分、电气控制部分以及程序的设计。让我们做到理论联系实际，培养我们分析问题、解决问题的的能力。资料个人收集整理，勿做商业用途原理框图设计计算与说明设计任务：题目：专用电焊机机电系统设计任务：设计一种专用电焊机，主要参数如下：用步进电机定位，工作台等距离进给9次；工件质量m=50kg,工作台质量m=i50kg；每次进给距离L=50mm丝杠直径10-50mm丝杠导程Ph=10mm进给时间T=4s；每次停留时间T1=1s；手动回位；9)工作台空载最快移动速度v=1200mm/min；一、总体方案的确定1机械传动部件的选择1.1导轨副的选用要设计系统是用来配套轻型的电焊机的，需要承受的载荷不大，但脉冲当量小、定位精度高，因此，决定选用直线滚动导轨副，它具有摩擦系数小、不易爬行、传动效率高、结构紧凑、安装预紧方便等优点。1.2丝杆螺母副的选用滚珠丝杆副的传动精度高、动态响应快、运转平稳、寿命长、效率高，预紧后可消除反向间隙。1.3伺服电动机的选用任务书规定的脉冲当量尚未达到0.001mm定位精度也未达到微米级，空载最快速度也只有1200mm/min因此，本设计不必采用高档次的伺服电动机，如交流伺服电动机或直流伺服电动机等，可以选用性能好一些的步进电动机，如混合式步进电动机，以降低成本，提高性价比。1.4检测装置的选用选用步进电动机作为伺服电动机后，可选开环控制，也可选闭环控制。电焊机的精度不是很高，故可以采用开环控制2.控制系统的设计1）对于步进电动机的开环控制，采用运动控制卡控制2）要设计一台完整的控制系统，在选择CPU之后，还需要扩展程序储存器、数据存储器、键盘与显示电路、I/O接口电路、D/A转换电路、串行接口电路等。3）选择合适的驱动电源，与步进电动机配套使用。三、机械传动部件的计算与选型1.导轨上移动部件的重量估算按照下导轨上面移动部件的重量来进行估算。包括工件、夹具、工作平台、上层电动机、减速箱、滚珠丝杠副、直线滚动导轨副、导轨座等，估计重量约为2000N。设计计算与说明-2.直线滚动导轨副的计算与选型（1）滑块承受工作载荷Fmax的计算及导轨型号的选取工作载荷是影响直线滚动导轨副使用寿命的重要因素。本设计中的工作台为水平布置，采用双导轨、四滑块的支承形式。考虑最不利的情〉兄，即垂直于台面的工作载荷全部由一个滑块承担，则单滑块所受的最大垂直方向载荷为：max其中，移动部件重量G=2000N外加载荷F=0,代入式（2）得最大工作载荷Fmax=500N=0.5kN。查附录表，根据工作载荷Fmax=500N=0.5kN，初选直线滚动导轨副的型号为DB-LBB25R型，其额定动载荷Ga=17.9kN，额定静载荷GgA30.44kNo（2）距离额定寿命L的计算上述选取的DB-LBB25RB1导轨副的滚道硬度为60HRC工作温度不超过100摄氏度，每根导轨上配有两只滑块，精度为4级，工作速度较低，载荷不大。查表3-36-表3-40，分别取硬度系数七以.°、温度系数fT=1.00、接触系数fc=0.81、精度系数fR7.9、载荷系数fw二1.，代入式（3-33），的距离寿命：远大于期望值50km,故距离额定寿命满足要求。滚珠丝杠螺母副的计算与选型（1）最大工作载荷Fm的计算，工作台受到进给方向的载荷（与丝杠轴线平行）Fx=50N。已知移动部件总重量G=2000N按矩形导轨进行计算，查表得，取颠覆力矩影响系数K=1.1,滚动导轨上的摩擦因数P=0.005。求得滚珠丝杠副的最大工作载荷：设计计算与说明设计计算与说明、1二Fma/（ES）二［65500/（2.1105130.6）］mm=0.0012mm。2）根据公式z-（Fo/Dw）-3,求得单圈滚珠数z=14;该型号丝杠为单螺母，滚珠的圈数X列数为4X1,代入公式Z'圈数列数，得滚珠总数量Z二68。丝杠预紧时，取轴向预紧力fyj=Fm/3=21.7N。则由式（3-27），求得滚珠与螺纹滚道间的接触变形量、.2:0.00005mm。因为丝杠加有预紧力，且为轴向负载的1/3,所以实际变形量可减小一半，取「2:0.000025mm。3）将以上算出的1和2代入「总二「，2,求得丝杠总变形量（对应跨度500mr）i溢=0.00123mm=1.23Am。本例中，丝杠的有效行程为450mm由表3-27知，5级精度滚珠丝杠有效行程在400550mm时，行程偏差允许达到27Pm可见丝杠刚度足够。（6）压杆稳定性校核根据公式（3-28）计算失稳时的临界载荷Fk。查表3-34，取支承系数fk=1；由丝杠底径d2=12.9mm求得截面质性矩I「d：/64:1358.65mm4;压杆稳定安全系数K取3（丝杠卧式水平安装）；滚动螺母全轴向固定处的距离a取最大值500mm代入式（3-28），得临界载荷f-2EIFk二Ei=3750N，远大于工作载荷Fm=500N,故丝杠不会失稳。Ka综上所述，初选的滚珠丝杠副满足使用要求6步进电动机的计算与选型（1）计算加在步进电机转轴上的总转动惯量％已知：滚珠丝杠的公称直径33Do=16mm，总长i=500mm，导程Ph=l0mm，材料密度-7.8510kg/cm移动部件总重力G=2000N,传动比i=1;如表4-1所示，算得各个零件部件的转动惯量如下（具体计算过程从略）：滚珠丝杠的转动惯量Js=0.25kg.cm2;拖板折算到丝杠上的转动惯量Js=5.0kg.cm2设计计算与说明初选电机型号为DM5676A是由乐创自动化有限公司生产的，其两相混合式，步距角为1.8。查得该型号电动机转子的转动惯量Jm=0.46kg.cm2,最大静转矩问为则加在步进电机转轴上的总转动惯量为：计算加子在步进电机转轴上的等效负载转矩Teq分快速空载起动和承受最大工作负载两种情况进行计算。1)快速空载起动时电动机转轴所承受的负载转矩Teq1由式(4-8)可知，Teq1包括三部分：一部分是快速空载起动时折算到电动机转轴上的最大加速转矩TamaX；一部分是移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩Tf；还有一部分是滚珠丝杠预紧后折算到电动机转轴上的附加摩擦转矩T。。因为滚珠丝杠副传动效率很高，根据式(4-12)可知，％相对于Tamax和Tf很小，可以忽略不计。则有：Lq1二TaLq1二TamaxL(6-13)根据式(4-9)，考虑传动链的总效率，计算快速空载起动时折算到电动机转轴的最大加速转矩:2Jeqnm1(6-14)Tamax60ta式中nm对空载最快移动速度的步进电动机最高转速，单位为r/min；ta--步进电动机由静止到加速到n转速所需的时间，单位为s。其(6-14)nVmax”

m(6-15)360：.设计计算与说明式中fax-一空载最快移动速度，设计题目指定为1200mm/min步进电动机步距角，预选电动机为1.8;脉)中当量，本例=0.05mm/脉冲将以上各值代入式(6-15),算得nm=1200r/min设步进电动机由静止到加速至n转速所需时间t=0.4s，传动链总效率=0.7式中fax-一空载最快移动速度，设计题目指定为1200mm/minTamaxf*i01200Nm0.022Nm由式(4-10)可知，移动部件60x0.4x0.7运动时，折算到电动机转轴上的摩擦转矩为：I(")%式中〃一一导轨的摩擦因数，滚动导轨取0.005;fz——垂直方向的焊接力，空载时取0；--传动链总效率，取0.8。则由式(6-16)，得：最后由式(6-13)求得快速空载起动时电动机转轴所承受的负载转矩:Teq1-TamaxTf=0.0422N.m2)最大工作负载状态下电动机转轴所承受的负载转矩T由式(4-13)可知，T包括三部：一部分是折算到电动机转轴上的最大工作负载转矩T;一部分是移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩「还有一部分是滚珠丝杠预紧后折算到电动机转轴上的附加摩擦转矩T，T相对于T和T很小，可以忽略不计。则有：Teq2=TtTf(6-18)其中，折算到电动机转轴上的最大工作负载转矩T由式(4-14)计算。本例中在对滚珠丝杠进行计算的时候，已知沿着丝设计计算与说明杠轴线方向的最大进给载荷F=3601N.m则有：再由式(4-10)可知，移动部件运动时，折算到电动机转轴上的摩擦转矩为：最后由式(6-18)，求得最大工作负载状态下电动机转轴所承受的负载转矩为：经过上述计算后，得到加在步进电动机转轴上的最大等效负载转矩应为：步进电动机最大保持转矩的选定考虑到步进电动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，可能造成丢步，甚至堵转。因此，根据T来选择步进电动机的最大保持转矩时，需要考虑安全系数。本例中取安全系数K=4，则步进电动机的最大保持转矩应满足：jx—4Teq=4o」5N.m=0.6N.m（6-2°）上述初选的步进电动机型号为DM5676A查得该型号电动机的最大静转矩Tjmax=075N.m。可见，满足式（6-2°）的要求。5、支撑架的选用在完成直线滚动导轨副、滚珠丝杠螺母副、步进电动机的计算与选型后，支撑架根据滚珠丝杠螺母副来选择，因为d2=12.9mm故我们选择BF12为自由端，BK12为固定端。&步进电机驱动器的选用本说明书中电焊机的步进电动机为DM5676A型生产厂家为乐创自动化技术有限公司。查表选择与之配套的驱动器为DMD403A型，分配方式为二相八拍。（2）最大动载荷Fq的计算设工作台在承受最大铣削力时的最快进给速度v=75°mm/min，初选丝杠导程P/0mm，则此时丝杠转速n=v/Ph=75r/min。取滚珠丝杠的使用寿命T=15000h，代入LA6°nT/1°，得丝杠寿命系数L。=67.5（单位为1°r）。查表3-30,取载荷系数fW=1.0，滚道硬度为60HRC寸，取硬度系数伯=1.°，代入式（3-23），求得最大载荷：（3）初选型号根据计算出的最大载荷和初选的丝杠导程，选择深圳威远丝杠制造有限公司生产的LL1610N-1型滚珠丝杠副，为内循环固定反向器单螺母式，其公称直径为16mm导程为10mm循环滚珠为4圈X1列，精度等级取5级，额定动载荷为Ca=7.65N=大于fq，满足要求。（4）传动效率n的计算将公称直径，导程Ph=10mm，代入’=arctanPh/d°|，得丝杠螺旋升角・=7.26。