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有封面.docx
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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有封面
机电一体化系统课程设计设计说明书
设计题目:
伺服机电系统一体化设计
一、机电一体化系统设计
1.确定滚珠丝杆副的导程------------------------------------3
2.滚珠丝杆副的载荷及转速计算-----------------------------3
3.滚珠丝杠的校核---------------------------------------------6
4.滚珠丝杆副的极限转速nc的校核------------------------7
5..Dn值的验证---------------------------------------------------7
6基本轴向额定静在和Cu的验算----------------------------7
7轴承选择--------------------------------------------------------7
8电机的选择-----------------------------------------------------9
9.导轨副的选择-------------------------------------------------11
10套筒的设计----------------------------------------------------11
二、密封和润滑------------------------------------------------------13
三、心得体会---------------------------------------------------------14
四、参考文献---------------------------------------------------------15
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
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Ph
Ph=6mm
2.滚珠丝杆副的载荷及转速计算:
1)托板尺寸:
长
宽
高=
2)托板重量:
3)导轨副与托板连接部分重量估算为:
100N(双导轨)
4)夹具及工件重量约为:
400N
5)工作台运动部分总重:
G=124+100+400=624N
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f=0.005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
=4000N
得
Fmaxfe=13600N
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
已知:
重复定位精度10
,定位精度20
=(1/4-1/3)重复定位精度=3
=(1/5-1/4)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,采用一端固定一端游动的支承形式,已知行程为400mm,
W=4000-624=3376N静摩擦系数
=0.09
查《实践》表3-26a=0.039L=1.1*行程+(10-14)
=500mm
=8.78mm
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
、
、
选择相应规格的滚珠丝杠副G系列2506-4
d2=20.2mmCa=15493NCoa=33787N
确定预紧力:
3.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则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.滚珠丝杆副的极限转速nc的校核(避免高速运转时产生共振)
验算合格.
5.Dn值的验证
合格.
6.基本轴向额定静在和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,受力如下图:
1F22
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=3033N
求轴承具有的基本额定动载荷:
根据所选滚珠丝杠副及轴承寿命要求选择滚动轴承7305BGB/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(N.m)
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JL(Kg.m2)及传动系统转动惯量J(Kg.m)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/2π)2m=0.57*10-4kg.m-3
3)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有限公司步进电机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:
Jg=30kg.cm2。
加到电机转轴上的总转动惯量为:
nm=vmaxα/360。
d=1000*0.6/360*0.01=167r/min
Tam1=Jeqξ=2πJeqnm/60taη=0.394N.m
4)快速空载启动时电动机转轴所承受的负载转矩Teq1
Teq1=Tam1+Tf0+T0=0.9N.m
5)快速负载启动时电动机转轴所承受的负载转矩Teq1
Teq2=TfL+Tf0+T0=8.3N.m
由上可知,加在步进电机上的最大负载转矩为:
Teq=max{Teq1,Teq2}=8.3N.m
6)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,需考虑安全系数。
取K=3.5,则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
计算转矩
依据这些可以选择适当型号的套筒
二、.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。
在透盖与轴承中间加入了唇形密封圈,目的是防止润滑油的流出。
在轴承的左侧加入轴承端盖,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,在整个系统中加入了润滑装置,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。
三、心得体会
机电一体化的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,达到优化系统性能的目的。
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基础,提供了方法。
我相信有了今天的踏实勤奋才会有今后的发展成就。
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,再次感谢老师的帮助!
四、参考文献:
〈〈单片微型计算机与接口技术〉〉,房小翠等主编,国防工业出版社,2001
〈〈机电一体化系统设计〉〉(第二版),张建民等主编,高等教育出版社,2001.3
〈〈机电一体化使用技术手册〉〉,主编周斌,兵器工业出版社,1994年3月
〈〈机床设计手册〉〉第二册零件设计〈〈机床设计手册〉〉编写组主编,机械工业出版社
〈〈数控机床系统设计〉〉文怀兴
〈〈如何正确选用电动机〉〉周希章主编机械工业出版社2006
〈〈加工中心-结构、调试与维护〉〉沙杰机械工业出版社
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