機電一體化系統(tǒng)課程設(shè)計

設(shè)計說明書刖言本說明書是我對學(xué)校所學(xué)知識的全面總結(jié)和綜合應(yīng)用，又為今后走向社會的實際操作應(yīng)用鑄就了一個良好實踐，課程設(shè)計是我對所學(xué)知識理論檢驗與總結(jié)，能夠培養(yǎng)和提高設(shè)計者獨立分析和解決問題的能力。資料個人收集整理，勿做商業(yè)用途資料個人收集整理，本說明書融合了機械設(shè)計、機電一體化、機械制圖等學(xué)科知識。對X-Y軸數(shù)控工作臺進給系統(tǒng)分析，包括機械傳動部分、電氣控制部分以及程序的設(shè)計。讓我們做到理論聯(lián)系實際，培養(yǎng)我們分析問題、解決問題的的能力。資料個人收集整理，勿做商業(yè)用途原理框圖設(shè)計計算與說明設(shè)計任務(wù)：題目：專用電焊機機電系統(tǒng)設(shè)計任務(wù)：設(shè)計一種專用電焊機，主要參數(shù)如下：用步進電機定位，工作臺等距離進給9次；工件質(zhì)量m=50kg,工作臺質(zhì)量m=i50kg；每次進給距離L=50mm絲杠直徑10-50mm絲杠導(dǎo)程Ph=10mm進給時間T=4s；每次停留時間T1=1s；手動回位；9)工作臺空載最快移動速度v=1200mm/min；一、總體方案的確定1機械傳動部件的選擇1.1導(dǎo)軌副的選用要設(shè)計系統(tǒng)是用來配套輕型的電焊機的，需要承受的載荷不大，但脈沖當(dāng)量小、定位精度高，因此，決定選用直線滾動導(dǎo)軌副，它具有摩擦系數(shù)小、不易爬行、傳動效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、安裝預(yù)緊方便等優(yōu)點。1.2絲桿螺母副的選用滾珠絲桿副的傳動精度高、動態(tài)響應(yīng)快、運轉(zhuǎn)平穩(wěn)、壽命長、效率高，預(yù)緊后可消除反向間隙。1.3伺服電動機的選用任務(wù)書規(guī)定的脈沖當(dāng)量尚未達到0.001mm定位精度也未達到微米級，空載最快速度也只有1200mm/min因此，本設(shè)計不必采用高檔次的伺服電動機，如交流伺服電動機或直流伺服電動機等，可以選用性能好一些的步進電動機，如混合式步進電動機，以降低成本，提高性價比。1.4檢測裝置的選用選用步進電動機作為伺服電動機后，可選開環(huán)控制，也可選閉環(huán)控制。電焊機的精度不是很高，故可以采用開環(huán)控制2.控制系統(tǒng)的設(shè)計1）對于步進電動機的開環(huán)控制，采用運動控制卡控制2）要設(shè)計一臺完整的控制系統(tǒng)，在選擇CPU之后，還需要擴展程序儲存器、數(shù)據(jù)存儲器、鍵盤與顯示電路、I/O接口電路、D/A轉(zhuǎn)換電路、串行接口電路等。3）選擇合適的驅(qū)動電源，與步進電動機配套使用。三、機械傳動部件的計算與選型1.導(dǎo)軌上移動部件的重量估算按照下導(dǎo)軌上面移動部件的重量來進行估算。包括工件、夾具、工作平臺、上層電動機、減速箱、滾珠絲杠副、直線滾動導(dǎo)軌副、導(dǎo)軌座等，估計重量約為2000N。設(shè)計計算與說明-2.直線滾動導(dǎo)軌副的計算與選型（1）滑塊承受工作載荷Fmax的計算及導(dǎo)軌型號的選取工作載荷是影響直線滾動導(dǎo)軌副使用壽命的重要因素。本設(shè)計中的工作臺為水平布置，采用雙導(dǎo)軌、四滑塊的支承形式。考慮最不利的情〉兄，即垂直于臺面的工作載荷全部由一個滑塊承擔(dān)，則單滑塊所受的最大垂直方向載荷為：max其中，移動部件重量G=2000N外加載荷F=0,代入式（2）得最大工作載荷Fmax=500N=0.5kN。查附錄表，根據(jù)工作載荷Fmax=500N=0.5kN，初選直線滾動導(dǎo)軌副的型號為DB-LBB25R型，其額定動載荷Ga=17.9kN，額定靜載荷GgA30.44kNo（2）距離額定壽命L的計算上述選取的DB-LBB25RB1導(dǎo)軌副的滾道硬度為60HRC工作溫度不超過100攝氏度，每根導(dǎo)軌上配有兩只滑塊，精度為4級，工作速度較低，載荷不大。查表3-36-表3-40，分別取硬度系數(shù)七以.°、溫度系數(shù)fT=1.00、接觸系數(shù)fc=0.81、精度系數(shù)fR7.9、載荷系數(shù)fw二1.，代入式（3-33），的距離壽命：遠(yuǎn)大于期望值50km,故距離額定壽命滿足要求。滾珠絲杠螺母副的計算與選型（1）最大工作載荷Fm的計算，工作臺受到進給方向的載荷（與絲杠軸線平行）Fx=50N。已知移動部件總重量G=2000N按矩形導(dǎo)軌進行計算，查表得，取顛覆力矩影響系數(shù)K=1.1,滾動導(dǎo)軌上的摩擦因數(shù)P=0.005。求得滾珠絲杠副的最大工作載荷：設(shè)計計算與說明設(shè)計計算與說明、1二Fma/（ES）二［65500/（2.1105130.6）］mm=0.0012mm。2）根據(jù)公式z-（Fo/Dw）-3,求得單圈滾珠數(shù)z=14;該型號絲杠為單螺母，滾珠的圈數(shù)X列數(shù)為4X1,代入公式Z'圈數(shù)列數(shù)，得滾珠總數(shù)量Z二68。絲杠預(yù)緊時，取軸向預(yù)緊力fyj=Fm/3=21.7N。則由式（3-27），求得滾珠與螺紋滾道間的接觸變形量、.2:0.00005mm。因為絲杠加有預(yù)緊力，且為軸向負(fù)載的1/3,所以實際變形量可減小一半，取「2:0.000025mm。3）將以上算出的1和2代入「總二「，2,求得絲杠總變形量（對應(yīng)跨度500mr）i溢=0.00123mm=1.23Am。本例中，絲杠的有效行程為450mm由表3-27知，5級精度滾珠絲杠有效行程在400550mm時，行程偏差允許達到27Pm可見絲杠剛度足夠。（6）壓桿穩(wěn)定性校核根據(jù)公式（3-28）計算失穩(wěn)時的臨界載荷Fk。查表3-34，取支承系數(shù)fk=1；由絲杠底徑d2=12.9mm求得截面質(zhì)性矩I「d：/64:1358.65mm4;壓桿穩(wěn)定安全系數(shù)K取3（絲杠臥式水平安裝）；滾動螺母全軸向固定處的距離a取最大值500mm代入式（3-28），得臨界載荷f-2EIFk二Ei=3750N，遠(yuǎn)大于工作載荷Fm=500N,故絲杠不會失穩(wěn)。Ka綜上所述，初選的滾珠絲杠副滿足使用要求6步進電動機的計算與選型（1）計算加在步進電機轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動慣量％已知：滾珠絲杠的公稱直徑33Do=16mm，總長i=500mm，導(dǎo)程Ph=l0mm，材料密度-7.8510kg/cm移動部件總重力G=2000N,傳動比i=1;如表4-1所示，算得各個零件部件的轉(zhuǎn)動慣量如下（具體計算過程從略）：滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動慣量Js=0.25kg.cm2;拖板折算到絲杠上的轉(zhuǎn)動慣量Js=5.0kg.cm2設(shè)計計算與說明初選電機型號為DM5676A是由樂創(chuàng)自動化有限公司生產(chǎn)的，其兩相混合式，步距角為1.8。查得該型號電動機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量Jm=0.46kg.cm2,最大靜轉(zhuǎn)矩問為則加在步進電機轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動慣量為：計算加子在步進電機轉(zhuǎn)軸上的等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩Teq分快速空載起動和承受最大工作負(fù)載兩種情況進行計算。1)快速空載起動時電動機轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩Teq1由式(4-8)可知，Teq1包括三部分：一部分是快速空載起動時折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的最大加速轉(zhuǎn)矩TamaX；一部分是移動部件運動時折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩Tf；還有一部分是滾珠絲杠預(yù)緊后折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的附加摩擦轉(zhuǎn)矩T。。因為滾珠絲杠副傳動效率很高，根據(jù)式(4-12)可知，％相對于Tamax和Tf很小，可以忽略不計。則有：Lq1二TaLq1二TamaxL(6-13)根據(jù)式(4-9)，考慮傳動鏈的總效率，計算快速空載起動時折算到電動機轉(zhuǎn)軸的最大加速轉(zhuǎn)矩:2Jeqnm1(6-14)Tamax60ta式中nm對空載最快移動速度的步進電動機最高轉(zhuǎn)速，單位為r/min；ta--步進電動機由靜止到加速到n轉(zhuǎn)速所需的時間，單位為s。其(6-14)nVmax”

m(6-15)360：.設(shè)計計算與說明式中fax-一空載最快移動速度，設(shè)計題目指定為1200mm/min步進電動機步距角，預(yù)選電動機為1.8;脈)中當(dāng)量，本例=0.05mm/脈沖將以上各值代入式(6-15),算得nm=1200r/min設(shè)步進電動機由靜止到加速至n轉(zhuǎn)速所需時間t=0.4s，傳動鏈總效率=0.7式中fax-一空載最快移動速度，設(shè)計題目指定為1200mm/minTamaxf*i01200Nm0.022Nm由式(4-10)可知，移動部件60x0.4x0.7運動時，折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩為：I(")%式中〃一一導(dǎo)軌的摩擦因數(shù)，滾動導(dǎo)軌取0.005;fz——垂直方向的焊接力，空載時取0；--傳動鏈總效率，取0.8。則由式(6-16)，得：最后由式(6-13)求得快速空載起動時電動機轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩:Teq1-TamaxTf=0.0422N.m2)最大工作負(fù)載狀態(tài)下電動機轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩T由式(4-13)可知，T包括三部：一部分是折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的最大工作負(fù)載轉(zhuǎn)矩T;一部分是移動部件運動時折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩「還有一部分是滾珠絲杠預(yù)緊后折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的附加摩擦轉(zhuǎn)矩T，T相對于T和T很小，可以忽略不計。則有：Teq2=TtTf(6-18)其中，折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的最大工作負(fù)載轉(zhuǎn)矩T由式(4-14)計算。本例中在對滾珠絲杠進行計算的時候，已知沿著絲設(shè)計計算與說明杠軸線方向的最大進給載荷F=3601N.m則有：再由式(4-10)可知，移動部件運動時，折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩為：最后由式(6-18)，求得最大工作負(fù)載狀態(tài)下電動機轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩為：經(jīng)過上述計算后，得到加在步進電動機轉(zhuǎn)軸上的最大等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩應(yīng)為：步進電動機最大保持轉(zhuǎn)矩的選定考慮到步進電動機的驅(qū)動電源受電網(wǎng)電壓影響較大，當(dāng)輸入電壓降低時，其輸出轉(zhuǎn)矩會下降，可能造成丟步，甚至堵轉(zhuǎn)。因此，根據(jù)T來選擇步進電動機的最大保持轉(zhuǎn)矩時，需要考慮安全系數(shù)。本例中取安全系數(shù)K=4，則步進電動機的最大保持轉(zhuǎn)矩應(yīng)滿足：jx—4Teq=4o」5N.m=0.6N.m（6-2°）上述初選的步進電動機型號為DM5676A查得該型號電動機的最大靜轉(zhuǎn)矩Tjmax=075N.m。可見，滿足式（6-2°）的要求。5、支撐架的選用在完成直線滾動導(dǎo)軌副、滾珠絲杠螺母副、步進電動機的計算與選型后，支撐架根據(jù)滾珠絲杠螺母副來選擇，因為d2=12.9mm故我們選擇BF12為自由端，BK12為固定端。&步進電機驅(qū)動器的選用本說明書中電焊機的步進電動機為DM5676A型生產(chǎn)廠家為樂創(chuàng)自動化技術(shù)有限公司。查表選擇與之配套的驅(qū)動器為DMD403A型，分配方式為二相八拍。（2）最大動載荷Fq的計算設(shè)工作臺在承受最大銑削力時的最快進給速度v=75°mm/min，初選絲杠導(dǎo)程P/0mm，則此時絲杠轉(zhuǎn)速n=v/Ph=75r/min。取滾珠絲杠的使用壽命T=15000h，代入LA6°nT/1°，得絲杠壽命系數(shù)L。=67.5（單位為1°r）。查表3-30,取載荷系數(shù)fW=1.0，滾道硬度為60HRC寸，取硬度系數(shù)伯=1.°，代入式（3-23），求得最大載荷：（3）初選型號根據(jù)計算出的最大載荷和初選的絲杠導(dǎo)程，選擇深圳威遠(yuǎn)絲杠制造有限公司生產(chǎn)的LL1610N-1型滾珠絲杠副，為內(nèi)循環(huán)固定反向器單螺母式，其公稱直徑為16mm導(dǎo)程為10mm循環(huán)滾珠為4圈X1列，精度等級取5級，額定動載荷為Ca=7.65N=大于fq，滿足要求。（4）傳動效率n的計算將公稱直徑，導(dǎo)程Ph=10mm，代入’=arctanPh/d°|，得絲杠螺旋升角?=7.26。