宠物标牌自助刻写机自动上下料系统设计

1、宠物标牌自助刻写机自动上下料系统设计摘 要宠物标牌刻写机在国外已经得到广泛的应用，然而在中国却少之又少。本论文研究的题目为宠物标牌自助刻写机自动上下料系统设计。通过对其自动上下料的研究从而到达掌握相关的知识，对上下料系统有更清楚的认识。本设计为自助刻写机自动上下料系统设计。其中包括进行总体方案设计、机械结构设计、并设计装配图和重要的零件校核，运动控制卡的介绍。其中具体包括步进电机驱动器驱动步进电机，并设计一种直线运动机构。通过电机的控制带动直线运动机构进行运动，进行简单的正转，反转，停车等操作。文章还进行了对该设计的进一步研究进行展望。在这个设计中，丝杠与步进电动机的连接以及装配图的绘画都是重

2、要的地方。关键词：刻写机自动上下料步进电机IIAbstractIn this paper, Pets writing machines in foreign countries has been widely used, however, are few and far between in China. the subject of study for the pet signs of automatic writing self-feeding system design from top to bottom. Automatic up and down through their stu

3、dy materials in order to acquire the relevant knowledge to reach the upper and lower feeding system to have a better understandingWriting the design of automatic self-feeding system design from top to bottom. Including overall program design, mechanical structural design, and design assembly drawing

4、s and important parts of the check, motion control card introduction. Which include stepping motor-driven stepper motor drive and linear motion of a body design. Through the control of motor driven linear motion body movement, is a simple turn, reverse, parking and more. The article also carried out

5、 the design of the prospect of further research. In this design, the lead screw and stepper motor assembly of the connection, as well as the painting is an important place.Key:Carve machine. Automatic load and unload. Step motor目 录第一章 前言11.1 题目来源背景及意义11.1.1 选题背景11.1.2 研究意义11.2 雕刻机的发展及现状21.2.1 国内雕刻机发

6、展状况21.2.2 国外雕刻机发展状况41.3 本文主要研究内容5第二章 自动上下料系统的总体方案设计7 2.1 自动上下料系统总体结构方案设计72.2 宠物标牌系统总体结构论述92.3 本章小结11第三章 自动上下料系统机械结构设计12 3.1 丝杠的选型设计123.2 步进电机的选型设计163.2.1 电机的选择163.2.2 启动转矩的计算183.2.3 步进电机的选择183.3 联轴器的选型193.4 机械系统三维设计203.4.1 UG 简介203.4.2 UG 特点213.4.3 UG NX4.0 的新增功能223.4.4 机械结构三维图243.5 本章小结28IV第四章 自动上下

7、料控制系统设计294.1 控制电路设计294.2 运动控制卡314.3 步进电机的驱动系统354.4 本章小结35第五章 总结与展望36 5.1 结论365.2 经济性分析365.3 对进一步研究的展望37参考文献38致 谢39声 明40第一章 前 言1.1 题目来源背景及意义1.1.1 选题背景富兰克林说过：有三个朋友是忠实可靠的老婆、老狗和现钞。经过两百多年的进化,老狗今天才是这三个朋友中最忠实可靠的了。狗是相当一部分美国单身男女全天候的唯一伴侣。结婚在美国越来越不流行，因女的不愿被管着,男的怕离婚时被分掉一半家产，而狗不但可成为单身男女的伴侣甚至精神寄托,而且不会要求分你的家产,更没有不

8、忠不贞的危险,它们只会从一而终。如今世态的炎凉和诡秘, 使人与人的关系渐行渐远；而狗对主人的忠贞不二，使更多的人向狗寻找感情寄托， 不断拉近着人和狗之间的情义。养宠物、尤其是狗，早已成为不少美国人的一种精神依托。现在随着我国经济发展水平的提高，我们不难相信宠物饲养已逐渐成为人们生活中的一部分，人民生活的日益提高，使越来越多的人们具备了饲养宠物的条件; 代社会竞争激烈，工作压力较大，人际关系难以处理，更多的年轻人选择了饲养宠物来排解工作的烦恼，人们可以毫无顾忌向只属于自己的宠物交流，诉苦；寂寞孤独的老人也选择饲养宠物来填补生活的空间。宠物不仅给老人带来了乐趣，更多的成为老人的一种精神上的寄托，很

9、多家长饲养宠物只是为了给自己的独生子女找一个玩耍的伙伴并以此培养孩子的爱心；近年来，政府制定的有关政策对扶持宠物市场的有利发展起到很大的作用。但是随着宠物饲养量的增多随之遇到了诸多的困难. 越来越多的宠物丢失数量逐渐上升：宠物到处拉屎,居民小区里犬吠扰民，狗咬人、伤人事件时有发生，而且狗携带狂犬病毒时有发生，为了控制流浪狗数量和城市内宠物，社会强烈要求给宠物佩戴可识别性标牌，避免宠物的走失以及那些不看好宠物的人得到相应的处罚。1.1.2 研究意义宠物标牌国外已经很普遍1，在宠物商店，主人为了防止自己的宠物丢失，会去为自己的爱宠雕刻一个宠物标牌，上面刻上宠物的一些必要信息，这样自己的爱宠得到了相

10、应的保障；宠物标牌的雕刻还有助于对宠物规划管理：对于那些有牌的宠物38可以选择性的进入公共场所。同时加强主人对宠物的看管，让社会的秩序得以障。宠物标牌在未来的生活中将会具有广泛的应用前景。而在中国从事宠物标牌雕刻方面的公司还是空白，我国尚没有规模化生产, 所以发展中国宠物标牌自助刻写服务是当务之急。1.2 雕刻机的发展及现状1.2.1 国内雕刻机发展状况雕刻机源自广告业是标识市场的产物。早期雕刻机几乎全部应用于广告市场。当时产品的定位很明确，就是压克力、PVC、双色板等非金属材料雕刻加工。雕刻机的幅面不大，都是轻型结构。以铝合金为主，也没什么附加装置。”威克”的当时主打机型是VR4050和VR

11、6070，加工幅面是500mm和700mm，主轴功率也就是2KW 以内。当时的雕刻机市场国外产品占了绝对优势，国产机是凤毛麟角，如果要统计市场占有率，是非常低，低得可怜。经过几年的努力，国产机以其较低的价格和较好的售后服务逐渐扩大了领地，占据了主导地位，市场占有率有了明显提高。但可以看到。这个较高的市场份额是在较小规模的市场中取得的，销售额的绝对值实际并不大。此时有两个方面的因素促成了雕刻机市场的增容：一是广告业以外的行业由于自身的发展需要开始对雕刻机产生市场需求：二是雕刻机生产企业通过提高和改进产品性能，扩大了应用领域。图1-1 激光雕刻机图1-2 微型雕刻机图1-3 机械雕刻机工艺品业作为

12、一个新兴行业，发展迅速。雕刻机迎合了这个市场。满足了工艺品类产品新奇、变化快的特点。雕刻机很自然地进入了这一市场，对于多品种的鞋模制造发挥了相当好的作用。浙江小商品的生产在全国是有名的，其中钮扣、发夹的浮雕模具的制造对于雕刻机来说是得心应手。此外，在机械电子领域，用于零件和模具加工的雕刻机常常因为速度快，定位精度高而替代了一些传统机床设备。特别是近几年。雕刻机在木器加工业方面的渗透取得了长足的进展。木工行业原本以手工为主。木工机械也多为粗加工设备，而雕刻机可以准确与高效地对木材进行花型、波纹和镂空等加工。进入木工市场是顺理成章的。随着人们生活水平的提高居装璜和木器精细加工的要求展现给雕刻机一个

13、更为广阔的应用前景。因此未来木器市场之大，也许是难以想象的。1.2.2 国外雕刻机的发展状况1938 年世界第一台手动雕刻机在法国“嘉宝”问世2，1950 年“嘉宝”生产出世界第一台真正意义的电动，可缩放比例的手动雕刻机。随后美国，日本和法国等国也开始研制。20 世纪 90 年代，随着微电子技术队突飞猛进，直接推动微型计算机急剧发展，微电子技术和微型计算机技术带动整个高技术群体飞速发展。从而使雕刻机产生了质的飞跃。雕刻机完成了从 2D2.5D3D加工的变革3，功能完善，性能稳定，造型美观和价格合理成为雕刻机研制的基本要求。国外的雕刻机如美国的“雕霸”如图 1-5 所示，法国的“嘉宝”和日本“卸

14、牧” 4是此行业的佼佼者，如图 1-41-6 所示。但价格非常昂贵，不管大小都在 10 万人名币以上。图1-4 牧田日本雕刻机3610B图1-5 雕霸系列图1-6 法国嘉宝IS200系列1.3 本文主要研究内容在现代科学技术的许多领域中，自动控制技术起这愈来愈重要的作用，并且随着生产和科学技术的发展，自动化水平也越来越高。自动控制利用控制装置使被控对象的某个参数自动的按照预定的规律运行。本设计的自动上下料控制系统就是采用自动控制技术来实现功能的，这样就大大提高了工作的效率，整个过程又快又稳。本文主要研究如何进行自动上下料系统设计，它采取何种方式进行运动。怎样确定其机械结构，控制系统如何控制运动

15、，机械与控制如何连接等一些列的问题将在本文得到有效的解决。第二章 自动上下料系统的总体方案的设计2.1 自动上下料系统的总体结构方案设计机械部分设计的问题主要在于如何进行上料，怎样把待加工的料放到加工的地点，使其进行加工的工作5。现阶段我国实现自动上下料机械部分的装置很多， 但都体积庞大，需要足够的面积来承担6。相对来说较小的自动上下料系统装置不是很多，而且用在跟本课题相关方面更少之又少。不过通过不断的信息搜集并结合本课题的实际内容提出以下几个方案。方案一：把待加工料放好。在其下方放入有限度长的弹簧，弹簧的弹性使其最后一个料能顺利的被其弹出，上面通过特定制成的钢板压缩料物仅仅使其第一个料恰好被

16、释放出来。在此之间有一个推动装置，通过电机的正反转进行送料， 回来，继续送料，回来，如此反复运动。推动装置的前面是一个契行面，推到一定程度时进入工作台一起运动，然后前方正好有一个与它一样的契行面把料夹住， 工作台停止。然后进行加工。加工完后工作台撤回，回到原位后推力撤回消失， 料自动掉落从出料口出来。此方案设计缺点在于上料不方便，由于他是往上面顶料所以造成不小的麻烦，其次是弹簧的弹性，时间一长难免达不到上述要求，这个相比较而言结构较复杂，不易操作，因此不予采用。方案二：是用真空吸盘的方式来吸取料物。如图2-1、2-2所示。真空吸盘的工作原理是使放置在待运物件表面上的吸盘真空室内产生负压(真空)

17、，从而在大气压力的作用下，物件和吸盘间形成了相互作用力(吸力)。按在真空室中建立真空的方法真空吸盘可分为泵式、射流式和无泵式3类，目前应用得最广泛的是泵式真空吸盘。真空泵、真空管路、真空容器和真空吸盘是个相互关联的复合体，称之为吊运装置的真空系统。真空泵有两大类型：机械式泵与气动喷射泵。机械式真空泵此种泵通常以电动机为动力源但是也可以内燃机或液压、气动发动机作动力源。各类机械式真空泵的主要原理是：以某种方式从真空测吸出一定密积的空气而后在排气测排八大气以产生真空。气动喷射式真空泵此种泵都是由压缩空气驱动。其原理是：压缩空气进入泵内后在一个或多个喷嘴处扩散。当空气中所具有的能量扩散时，将气压能转

18、变成动能压缩空气喷射速度迅速增加，而压力和温度降低，从而抽吸更多空气，也就在真空侧产生了真空。我的设计是利用吸盘的吸力，把料物吸到加工的位置，等待加工之后，在把料物吸起，送到出料口，如此循环运动。此方案的缺点在于，他的结构复杂，不仅要考虑到吸盘的选择，而且他的产生吸力的气动装置也非常复杂，其次，他们这些装置会占用很大的空间，所以不予采用。图2-1 真空吸盘图2-2 真空吸盘方案三：把待加工料放进桶内，桶是固定死的，从桶的下面出料。如图2-3所示。桶的下方有一个推动装置，能顶住料不让其下来，当推动装置的头部的模具回来时，一个料会落入其模具当中，进料，然后推动装置推出去到指定位置时进行加工，加工完

19、后取料，回到最初位置，如此循环运动。期间推动装置使用电机控制，利用正反转，让此装置进行往复运动。此方案结构简单，而且容易上料，占用面积较少，比较第一个方案而言有了很大的改观。因此采用。图2-3 自动上下料推动装置2.2 宠物标牌系统的总体结构论述本次设计的宠物标牌自助刻写机系统，它的结构由雕刻机的雕刻结构设计， 自动上下料系统设计，刻写机的控制系统设计及投币系统设计，这四部分组成。据加料工艺要求，其工作原理是：通过投硬币，启动电机，用模具把需要的铭牌送到刻写位置，电机停转，进行加工，加工完后由人取出，电机启动反转回到最初位置。在宠物标牌系统总体结构当中，雕刻机的总体结构是本次设计的基本框架，

20、并在此框架内进行雕刻，加工。确定的总体雕刻方案结构如下：用户采用研制的软件导入在 CAD 软件中产生的 G 代码后，该软件将对 G 代码进行译码、刀补处理、速度预处理、插补运算，获得包含 X-Y-Z 三个方向配合运动需控制字节的数据文件，即为雕刻数据，然后将控制字节逐个向打印口输出， 这样与打印口相连的 X-Y-Z 三个方向的步进电机就分别可以得到动作信号，从而带动各自的执行机构产生动作。本次设计采用的雕刻方式是:雕刻刀具只做高速旋转和 Z 方向的进刀、退刀运动，而 X-Y 工作台带动工件作 X, Y 方向的进给运动。刀具与工件的运动合成就可以得到所需图案的轮廓。本设计主要组成部分是：专用软件

21、，x-y 二维工作台及驱动放大电路，雕刻刀升降机构及驱动放大电路，以及雕刻刀。雕刻机的控制系统是一个关键的所在，是我们最为重要的部分，所以选择一个好的控制系统是本次设计的基础。观当前类似于雕刻机这种驱动电机功率小、控制系统必须非常稳定的二维平面运动控制系统,可采用的控制方式有两种，一类控制器只是驱动器，所有的控制命令由PC机发出，称为微机直接控制方式。另一类控制器采用微控制器，通过微控制器与 PC机的协调工作 ,共同指挥执行机构 ,称为微控制器控制方式。对于以PC机为核心的微机直接控制方式可采用PC机已有的端口资源,特别是并行端口,实现步进电机的运动控制。对于微控制器控制方式，可采用在PCI扩

22、展槽上扩展运动控制卡的方式；也可以采用外接微控制器如单片机或DSP的方式，通过PC及接口，如并口、串口或USB 口来连接PC机与控制器。投币系统相当于总体运行的驱动，建立好这个系统整体系统才会有条有序的开始运行。投币系统的设计是在投币游戏机的基础上设计一个简单的机械式的自助投币器使之可以检验真伪币从而与宠物标牌刻写机的PC机用数字信号连接起来。当投入真币时PC机接到信号开始刻写，反之亦然。在这些组成当中，本文设计的是负责自动上下料系统设计7，对于宠物系统总体结构当中是必不可少的一部分。通过设计的自动上下料系统从而到达对标牌运送到指定地点，进行加工的目的。更合理的运用科技的手段，到达方便实用地目

23、的。设计如下：把待加工料放进桶内，桶是固定死的，从桶的下面出料。桶的下方有一个推动装置，能顶住料不让其下来，当推动装置的头部的模具回来时，一个料会落入其模具当中，进料，然后推动装置推出去到指定位置时进行加工，加工完后取料， 回到最初位置，如此循环运动。期间推动装置使用电机控制，利用正反转，让此装置进行往复运动。此方案结构简单，而且容易上料，占用面积较少。2.3 本章小结本章比较了几种进行自动上下料的运动装置，针对实际的情况做出合适的选择。并简要论述了整体宠物雕刻的概况。针对自动上下料系统进行了简要的分析。第三章 自动上下料系统机械结构设计本次机械结构主要利用丝杠的传动，同时通过电机的转动到达带

24、动机械结构进行上下料，所以丝杠及电机的选择极为重要。3.1 丝杠的选型设计滚珠丝杠是机床进给传动中的一千重要组件。大多数机床的进给运动是直线运动，其动力源又多为旋转运动，因此在进给传动系统中常用直线运动机构，如丝杠螺母机构将旋转运动变为直线运动。丝杠螺母机构可分为滑动丝轴螺母机构和滚动丝杠螺母机构，其中滚动丝杠螺母机构由于其特点广泛应用在精密机床和数控机床的进给传给传动中。滚珠丝杠传动系统是一个以滚珠作为滚动媒介的滚动螺旋传动的体系。以传动形式分为两种：（1） 将回转运动转化成直线运动。（2） 将直线运动转化成回转运动。丝杠其特点为：（1） 传动效率高滚珠丝杠传动系统的传动效率高达90%98%

25、，为传统的滑动丝杠系统的24 倍。（2） 运动平稳滚珠丝杠传动系统为点接触滚动运动，工作中摩擦阻力小、灵敏度高、启动时无颤动、低速时无爬行现象，因此可精密地控制微量进给。（3） 高精度滚珠丝杠传动系统运动中温升较小，并可预紧消除轴向间隙和对丝杠进行预拉伸以补偿热伸长，因此可以获得较高的定位精度和重复定位精度。（4） 高耐用性钢球滚动接触处均经硬化（HRC5863）处理，并经精密磨削，循环体系过程纯属滚动，相对对磨损甚微，故具有较高的使用寿命和精度保持性。（5） 同步性好由于运动平稳、反应灵敏、无阻滞、无滑移，用几套相同的滚珠丝杠传动系统同时传动几个相同的部件或装置，可以获得很好的同步效果。（6

26、） 高可靠性与其它传动机械，液压传动相比，滚珠丝杠传动系统故障率很低，维修保养也较简单，只需进行一般的润滑和防尘。在特殊场合可在无润滑状态下工作。（7） 无背隙与预紧采用歌德式沟槽形状、轴向间隙可调整得很小，也能轻便地传动。若加入适当的预紧载荷，消除轴向间隙，可使丝杠具有更佳的刚性，在承载时减少滚珠和螺母、丝杠间的弹性变形，达到更高的精度。（1） 确定丝杠的导程：Ph ： 滚珠丝杠符的导程 mmVmax ： 工作台最高移动速度 m/minnmax ：电机最高转速r/min 取i 1 ，由已知条件得：Ph = 4mmPh0 vmax nmax i = 6 mmin 24000 rmin = 2.

27、5表 3-1 校核数据工作方式纵 向 切削力Pxi (N)垂 向 切削力Pzi (N)进给速度Vi（m/min）工作时间百分比（%）丝杠轴向载荷Fi (N)丝杠转速ni (r/min)工作进给0068050120快速进给0092050180（2） 确定平均转速与平均载荷8 平均转速：nm =q1/100n1+ q2/100n2=80/100120+20/100180=132平均载荷：3 F13n1t1n 100+ F32n 2 t 2mn 100mFm =计算得：Fm = 50N（3） 时间寿命与回转寿命（4） 额定动载荷： 以一般确定fW 取 1.4 轻微冲击取 fa=1工作时间取Lh=24

28、000可靠性97%取 fc=0.44Lh =L/nm60 L= Lh nm60=2400013260=190080000转3 60 L nFw Fmhm 100 f fa cCa=913mm.Cam =（5） 确定允许的最小螺纹底径：估算丝杠允许的最大轴向变形量根据公式：dmdmm ：最大轴向变形量( 1 3( 1 41) d411) d5210F0 Lpdm EF0 Ldm定位精度为1 = 10m，定位精度为2 = 25m，最小：m=3md2m 10= 0.039静摩擦力 F0 = 0W1 = 0.2 50 = 10d2m 2m确定滚珠丝杠的型号：本设计采用深圳市赛瑞德精工机械技术有限公司提

29、供的G系列滚珠丝杠副（滚珠内循环固定反向器单螺母）。其具体性能指标如下：表 3-2 丝杠数据丝杠精度等级4螺纹长度630mm丝杠总长630mm丝杠代号G2004-3公称直径d0=20丝杠外径d1=19.3丝杠底径d3=17.3循环圈数n=3载荷 N动载荷 C0=913螺母安装尺寸D=60L=40 B=11 D1=36D4=481=5.82=10h=6油杯口M=M6滚珠丝杠副轴头尺寸如下：表 3-3 丝杠轴头数据丝杠公称直径d0=20固定端轴径尺寸支持端轴径尺寸d1=15M= M15X1d2=12l1=20l2=41l3=12支持端轴径尺寸d3=15d4=14.3l4=14 l5=12.1l6=

30、1.153.2 步进电机的选型设计3.2.1 电机的选择通过对步进电机和交流伺服电机性能、价格，并结合本机械系统的最佳需求进行了多方面的比较，本设计中最终选择了步进电机。步进电机是一种离散运动的装置，它和现代数字控制技术有着本质的联系。在目前国内的数字控制系统中，步进电机的应用十分广泛。随着全数字式交流伺服系统的出现，交流伺服电机也越来越多地应用于数字控制系统中。为了适应数字控制的发展趋势，运动控制系统中大多采用步进电机或全数字式交流伺服电机作为执行电动机。虽然两者在控制方式上相似（脉冲串和方向信号），但在使用性能和应用场合上存在着较大的差异。现就二者的使用性能作一比较7。步进电机，是通过控制

31、脉冲的个数控制转动角度的，一个脉冲对应一个步距角。设备需要：供电电源（所需电压由驱动器参数给出），一个脉冲发生器（现在多半是用板块），一个步进电机，一个驱动器（驱动器设定步距角角度，如设定步距角为0.45，这时，给一个脉冲，电机走0.45）。 工作流程：步进电机工作一般需要两个脉冲：信号脉冲和方向脉冲。 信号脉冲：电脑控制脉冲发生卡（或者直接买脉冲发生器），选择合适的脉冲频率和个数，传输给驱动器，驱动器控制步进电机， 一个脉冲对应一个步距角。方向脉冲：其电机转动方向由方向脉冲的高低电平控制伺服电机，是通过控制脉冲时间的长短控制转动角度的。设备：供电电源，一个开关（继电器开关或继电器板卡），一个

32、伺服电机。 工作流程：其实就是一个电源连接开关，再连接伺服电机。 当开关闭合，伺服电机两端接高电平，就开始工作。开关断开，伺服电机停止工作。 伺服电机的转速与电源电压大小有关。二者相比：步进电机：如果需要的扭矩比步进电机的堵转扭矩小很多、那么，步进电机一般不会出现丢步现象，方便控制。伺服电机:低端伺服电机转速不精确。但是高端伺服电机（国外进口的）转速还是很精确的，并且其最大转速相比同尺寸同价位的步进电机，能更高一些。伺服由于有PID调节，会有整定时间的问题，该时间会随速度的高低和负载的变化而变化，该整定时间可控性差。整定时间与加减速时间不同，整定时间由系统PID增益、积分时间常数、设定速度值等

33、等因素影响。步进却没有整定时间的概念， 加减速时间简单可控制。伺服在微动或定位保持上确实是一种动态的平衡，它是系统通过检测的位置信号进行的负反馈PID调节，它低于一个编码器分辨率时的微动不响应，定位保持时也是动态的响应外部负载而随时改变力矩以达到动态的静平衡，保持精度比步进差。步进电机一般用于开环伺服系统，由于没有位置反馈环节，固位置控制的精度由步进电机和进给丝杠等等来决定。虽档次低了点，但是结构简单价格较低。在要求不高的场合仍有广泛应用。步进电机的特点：1、可以用数字信号直接进行开环控制，整个系统简单廉价。2、位移与输入脉冲信号数相对应，步距误差不长期积累，可以组成结构较为简单又具有一定精度

34、的开环控制系统，也可在要求更高精度的组成闭环控制系统。3、无刷，电动机本体部件少，可靠性高。4、易于起动，停止，正反转及速度响应性好。5、停止时可有自锁能力。6、步距角可在大范围内选择，在小步距情况下，通常可以在超低转速下高转距稳定运行，通常可以不经减速器直接驱动负载。7、速度可在相当宽范围内平滑调节，同时用一台控制器控制几台步进电动机可使它们完全同步运行。8、步进电动机带惯性负载能力较差。9、由于存在失步和共振，步进电机的加减速方法根据利用状态的不同而复杂化。10、需要专用的伺服控制器控制10，不能直接使用普通的交直流电源驱动。综上所述，步进电机在结构简单，要求配置不高的情况下优于伺服电机。

35、并结合本设计的过程中的控制要求，成本等多方面的因素最终选择步进电机。步进电机的原理：步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构11。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。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。步进电机可以作为一种控制用的特种电机，利用其没有积累误差(精度为 100%)的特点，广泛应用于各种开环控制。3.2.2 启动转矩的计算h对于4 级精度的丝杠，=0.85。已知Ph=4mm,设丝杠上

36、最大负载G 为500N,静摩擦为0.2,根据经验公式计算启动力矩：T=（F + mG）p /(2ph) 10-3 = 0.09183.2.3 步进电机的选择根据所需转矩,结合所查资料决定采用57BYG250C步进电机作为本次设计所需的驱动电机。图3-1所示 57BY250C步进电机型号相数相 电流表3-4 电机数据步 距持转矩空载角起动频率空载运行频率转动惯量57BYG250C21.5A1.81.0N.M2KPPS2020KPPS0.23KG3.3 联轴器的选型电机轴与滚珠丝杠采用夹紧螺丝固定螺纹式联轴器连接。夹紧螺丝固定螺纹式联轴器为非标件，其主体采用不锈钢材料（铝合金），具有以下特点：1

37、一体成形的金属弹性联轴器；2 零回转间隙；3 弹性作用补偿径向，轴向，角向偏差；4 夹紧螺丝固定；5 铝合金及不锈钢材料。联轴器的具体型号的选取主要依赖于电机轴和滚珠丝杠轴端的尺寸。联轴器与电机链接采用平键传递扭拒及螺丝紧固，由于属于小型/微型系统，故链接采用传统常见形式。本设计采用的联轴器下图所示基本参数如下（mm）：3-5 联轴器的数据规格LK625d1=6.35d2=12D=25 L=34L1=12.3F=4.5E=15扭矩1.7NM偏心角度2最高转速6000r/min螺丝（M）M43.4 机械系统三维设计3.4.1 UG 简介Unigraphics Solutions公司(简称UGS)

38、是全球著名的MCAD供应商,主要为汽车与交通、 航空航天、日用消费品、通用机械以及电子工业等领域通过其虚拟产品开发(VPD)的理念提供多级化的、集成的、企业级的包括软件产品与服务在内的完整的MCAD解决方案。其主要的CAD产品是UG12。UG 在航空航天、汽车、通用机械、工业设备、医疗器械以及其它高科技应用领域的机械设计和模具加工自动化的市场上得到了广泛的应用。多年来，UGS 一直在支持美国通用汽车公司实施目前全球最大的虚拟产品开发项目，同时 Unigraphics 也是日本著名汽车零部件制造商 DENSO 公司的计算机应用标准，并在全球汽车行业得到了很大的应用，如 Navistar、底特律柴

39、油机厂、Winnebago 和 Robert Bosch AG 等。UGS 公司的产品同时还遍布通用机械、医疗器械、电子、高技术以及日用消费品等行业，如：3M、Will-Pemco、Biomet、Zimmer、飞利浦公司、吉列公司、Timex、 Eureka 和 Arctic Cat 等。UG 具有丰富的曲面建模工具。包括直纹面、扫描面、通过一组曲线的自由曲面、通过两组类正交曲线的自由曲面、曲线广义扫掠、标准二次曲线方法放样、等半径和变半径倒圆、广义二次曲线倒圆、两张及多张曲面间的光顺桥接、动态拉动调整曲面、等距或不等距偏置、曲面裁减、编辑、点云生成、曲面编辑。UG进入中国已经有十个年头了，其

40、在中国的业务有了很大的发展，中国已成为远东区业务增长最快的国家13。几年来，UG在中国的用户已超过 800 家，装机量达到 3500 多台套。3.4.2 UG 的特点1、建模的灵活性复合建模：无需草图,需要时可进行全参数设计,无需定义和参数化新曲线可直接利用实体边缘。几何特征：具有凸垫、键槽、凸台、斜角、挖壳等特征、用户自定义特征、引用模式。光顺倒圆: 业界最好的倒圆技术，可自适应于切口、陡峭边缘及两非邻接面等几何构形，变半径倒圆的最小半径值可退化至极限零。 2、协同化装配建模可提供自顶向下、自底向上两种产品结构定义方式并可在上下文中设计编辑，高级的装配导航工具，可图示装配树结构，可方便快速的

41、确定部件位置， 对装配件的简化表达，隐藏或关掉特定组件。局部着色，强大的零件间的相关性， 配对条件，零件间的表达式（关系），协同化团队工作，可方便的替换产品中任一零部件，刷新部件以取得最新的工作版本，团队成员可并行设计产品中各子装配或零件，3、直观的二维绘图对制图员来讲，简单并富于逻辑性，剖视图自动相关于模型和剖切线位置， 正交视图的计算和定位可简便的由一次鼠标操作完成，自动隐藏线消除，自动尺寸排列不需要了解设计意图，自动工程图草图尺寸标注。 4、被业界证实的数控加工。25 轴铣，车加工，线切割，钣金件制造，刀轨仿真和验证刀具库标准工艺数据库功能。5、领先的钣金件制造可在成型或展开的情况下设计

42、或修改产品结构 ，折弯工序可仿真工艺成型过程，钣料展开几何自动与产品设计相关，可在一幅工程图中直接展示产品设计和钣料展开几何。6、集成的数字分析机构运动学分析，硬干涉检查和软干涉检查，运动仿真和分析，动画过程中的动态干涉检查。7、广泛的用户开发工具用户命令宏，高级编程语言，可自定义裁剪的用户界面8、内嵌的工程电子表格可与其他表格软件交换数据，可简便定义零件系列，可方便修改表达式，可生成扇形图、直方图和曲线图等。9、照片真实效果渲染利用基于数字的设计审视，加快产品上市时间，快速成型。10、可分阶段实施的数据管理。业界最紧密的 cadcamcae 与 pdm 集成，可管理 cad 数据以及整个产品

43、开发周期中所有相关数据。3.4.3 UG NX4.0 的新增功能UGS 公司于 2005 年 10 月发布了 Unigraphics UG NX 4.0，该版本具有很多新的计算机辅助设计、工程和制造(CAD/CAE/CAM)功能，以支持产品和过程创新。本文主要针对工业设计方面介绍一下 UG NX 4.0 的新增功能。(1)自由曲面UG NX 4.0 在建模上有重大改进，它简化了创建和重定义自由形状的工作流程，在直接的曲线和曲面处理方面，增强了该套工具的功能，以支持控制点和线的相对和绝对运动。当基础对象的自由度或者段数发生变化时会进行更新，这是一项相关建模的功能，而UG NX 4.0在该更新功能

44、上也有改进，加强了相交曲线，可以进行多重曲线输入以生成一个单一特征。现在，UG NX 4.0对风格化倒角和轮廓翻边功能的可用性和控制进行了改进，用更轻的曲线和曲面进行拟合，同时保留原始形状的功能更强大，简化了对曲线和曲面的直接操作，以获得理想的形状。(2)逆向工程UG NX 4.0 的新工具有助于从实体模型到扫描数据的逆向工程，因为这些新工具可以用样条拟合点集、多面体及其他样条或者曲面，可以全面控制公差和连续性，保持与 G2 的连续性。设计者可以把曲面(不是的线)拟合到扫描数据或者其他曲面几何图形来开始逆向工程作业，可以全面控制自由度和段数，按照公差拟合和按照方向拟合。设计人员可以选择目标利参

45、考对象，规定偏差范围，从而控制并验证曲面拟合。针状误差显示提供直观的可视化反馈，用于对偏差进行分析。(3)多边形建模有了多边形建模工具，设汁者可以对多边形进行细分，轻易地改善多面体几何的平滑度与细节，全面控制模型的精度。(4)更强的可视化功能UG NX 4.0增加了高动态范围图像(HDRI)的基于图像的灯光，从而增强了UG的渲染和可视化工具。该功能能够在渲染图像里产生十分逼真的效果，不必像传统的做法那样，首先对多重光源进行定义，然后才选择颜色，调整光量。有了基于图像的灯光，使用NX的设计者可以用一个单一的HDRI图像来照亮整个景象。HDRI格式的亮度范围比传统图像的亮度范围要广很多，代表真实世

46、界的光亮度。有了HDRI图像和环境贴图，可以对NX模型进行渲染，让其与背景和环境进行完美匹配，照明条件非常白然，并能准确反映周围环境。(5)高级建模UG NX 4.0增加了新的翻边、腔体和凸台建模功能，这些是汽车行业自车身设计中常用的功能。新的变量化扫描和浮雕命令提供直观高效的方法来为这些功能进行建模，可能涉及通用CAD系统里面烦琐的多重建模操作。变量化扫描功能把画在特征线、导轨或者表面装置上的一个简单横截面图作为输入，用来创建真正的偏移翻边曲面，这些翻边曲面与汽车平行或垂直，或者与特征线相正交。浮雕命令可以把形状特征(浮雕和咬合扣)的创建过程自动合二为一，形成一个单一操作，这样设计者就可以轻

47、易地改变用于定义特征的选择和参数。(6)基于角色的环境UG NX 4.0 在可用性方面的改进包括基于角色的环境，这些环境可以根据用户的经验水平提供一个用户界面和工具箱。基于角色的环境是以对具有不同系统专业知识的 NX 用户进行的调查为基础，是用户界面模板，能够为初学者或者专家级用户提供最常用的命令和界面功能。个人用户可以选择一个行业类型和经验水平，根据其任务和系统相似性来定制界面；公司用户可以对基于角色的模板进行定制，以满足公司具体环境和生产工艺的需求。由于发现性和易用性能得到提升， 因此促进了生产力的提高。(7)2D概念设计。所有的 UG NX 4.0 设计解决力案都提供给制 2D 概念草图

48、和进行 2D 概念设计的新环境。在该环境中，设计者可以快速、简洁地对设计问题进行可视化和评估， 并使用智能 2D 草图绘制功能来识别构件和主要系统，并确定其尺寸和位置。草图绘制环境支持由若干个构件组成的大型设计，提供快速创建和编辑几何图形的工具，并通过颜色、可见度控制器和 NX 零件导航器对大型数据集进行组织利可视化处理。在创建 2D 图形时，设计者可以用其他 CAD 系统的 2D 几何图形或者参考 3D 几何图形，轻松使用剪贴、拖放、撤销里做、尺寸标注和标注工具，这些工具可以加速草图绘制过程。2D 设计可以用于 2D3D 很合工作流程中，以设计构件和装配的 3D 细部图。(8)多CAD设汁。

49、UG NX 4.0带有一种新的多CAD设计协作功能，该功能使用标准的JT轻便CAD中性数据格式，以支持全球化创新网络。UG NX 4.0可以直接用JT格式的数据来执行装配设计任务，在用NX设计的构件和JT格式的零件间建立“零件间”关系。多CAD 功能的各种功能之间是全面关联的，所以对JT文件的更改会自动反映在NX装配定义的所有下游操作中。(9) DesignLogic设计逻辑。对 UG NX3 中用于知识捕捉和重复使用的各种 DesignLogic 工具，UG NX 4.0 均进行了扩展。DesignLogic 可以以公式、表达式和方程式的形式对工程知识进行“实时”捕捉，并在建模对话中将其用于设计活