课程设计:一维伺服移动工作台设计说明书.doc
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课程设计
电子精密机械设计课程设计
一维伺服移动工作台设计说明书
学校名称:
上海大学
学院专业:
机自学院精密机械系
设计队员:
指导老师:
二〇〇一一年十二月
目录
课程设计概述 2
课程设计任务 3
1.设计任务介绍:
3
2.设计参数 3
3.设计内容简介 4
课程设计 4
1一维工作台整体结构 4
2.各部分选型 5
1) 电机的选型 5
2) 滚珠丝杆的选型 7
3) 支撑单元选择 17
4) 联轴器选择 18
5) 转矩探讨 18
6) 电机的校核 21
7) 联轴器校核 21
8) 导轨的选型 22
9) 轴承的校核 23
10) 系统精度计算 26
11) 系统谐振频率计算 28
12) 光栅的选型 28
附录 29
课程设计概述
本次专业课程设计要求我们掌握电子精密机械设计方面的基础知识,并能独立运营电子精密机械设计的基本理论、基本方法、进行有关电子精密机械方面的设计。
通过本次专业课程设计使我们熟悉机械系统的方案论证过程,包括取得方式比较、传动形式的确定等;学会采用AUTOCAD进行机械设计,达到较熟悉程度;利用学过的基础理论,在设计实践中进行载荷的分析计算、电机的选择、传感器的选择、传动链的分析计算、传动系统的精度、谐振分析;综合运用有关课程如机械制图、公差与技术测量、热处理、机械设计、机械原理传感器技术等所学的知识来解决工程实际问题。
从而培养我们的自学能力、独立工作能力、协作精神和创新精神,为以后的毕业设计打好基础。
课程设计任务
1.设计任务介绍:
图1-1一维伺服移动工作台整体结构
为完成一维伺服移动工作台的设计,需设计的机械系统包括:
伺服电机、减速器、联轴器、滚珠丝杠副、直线导轨、光栅传感器等。
2.设计参数
工作台的承重载荷;
工作台的轴向载荷;
工作台的最大移动速度;
工作台的有效行程;
加减速时间常数;
重力加速度g取9.8N/kg
3.设计内容简介
一维工作台整体结构
电机的选型
滚珠丝杆的选型
支撑单元选择
联轴器选择
转矩探讨
电机的校核
联轴器校核
导轨的选型
轴承的校核
系统精度计算
系统谐振频率计算
光栅的选型
课程设计
1一维工作台整体结构
图1-1一维工作台整体结构
考虑到工件重量(300N),工作台轴向载荷(60N)J均很小,初选不考虑减速器。
1.本系统的工作台尺寸为:
长宽高=400mm200mm20mm;
综合加工性和价格因素,选定工作台材料为铸铁:
密度。
工作台质量
按照一般经验,暂定导向形式为双导轨-4滑块
根据MISUMI导轨副手册归纳,取每个滑块质量为
2.各部分选型
1)电机的选型
(1)假定电机与工作台之间无滑动
将工件,工作台,4个滑块视为整体来
因此,整体质量(---工件质量)
受力分析:
a摩擦力
滚动导轨摩擦系数
b惯性力
滚珠丝杆需提供的最大轴向力
滚珠丝杆需提供的最大功率
效率:
取
安全系数
电机所需功率
选择电机MSMDO12G1(AC200V用)
图2-1电机型号及参数
电机参数:
转子转动惯量(有制动器)
推荐负载转动惯量比:
30倍以下
图2-2电机MSMD012G1参数
2)滚珠丝杆的选型
工作条件—
运动方向:
水平
运送质量:
工作台导向方法:
滚动
导向面摩擦系数:
~0.005取μ=0.005
导向面摩擦阻力:
轴向外部载荷:
希望寿命(转数):
行程长度:
操作速度:
加减速时间:
等速时间:
加速度:
加速距离:
等速距离:
减速距离:
每分钟往返次数:
导程精度—-
任务未规定定位精度,导程精度按【一般机械】选择高精度C3,
图2-3不同用途的精度等级选择
暂定轴长---
假定螺母全长100mm,丝杠轴末端长度100mm,行程600mm
丝杠轴长假定为800mm
导程——
(无减速器i=1)
丝杠导程应大于或等于4mm
考虑到负载不大,为了使最终精度较高,选取
图2-4丝杠轴外径与导程的标准组合
与导程4mm组合的标准丝杠外轴有:
库存品:
、
半标准品:
、、、
C3精度下,各外轴对应最大制造长度为:
之前假定丝杠轴长800mm,由此排除外径
图2-5滚珠丝杠的最大制造长度
许用轴向负载分析——
①由于丝杠较长(800mm),中速(0.2m/s),传动精度高
所以选用固定—支撑安装方式(《机电一体化设计系统》P35)
为提高刚度,选予压型丝杠
②在、、、、这些外径中,最小,以计算轴向载荷,若能承受,则其他也能承受。
搓曲载荷——
的丝杠,沟槽谷径(螺径小径)
图2-7丝杠的有关参数
图2-6丝杠轴的搓曲载荷计算
故:
其中:
许用拉压负载——
图2-8丝杠轴的容许拉伸压缩负载
由以上计算知:
、、、、的丝杠轴均满足轴向负载要求
许用转速——
危险速度——
图2-9容许转速
若能满足,其它也能满足。
以计算
丝杠最高转速
DN值决定的许用转速——
各外轴对应钢球中心直径为:
、、、、
图2-10丝杠轴的有关参数
由(D为钢球中心直径)
4827.59
4242.42
3414.63
2745.10
2153.85
排除、外径
型号选择——
有、、的型号及参数
图2-11丝杠轴的有关参数
容许轴向负载——
图2-12静态安全系数
任务书未规定工作情况,保险起见,认为负载条件有震动,冲击
按[一般工业机械],取
前面所列型号中最小
最小
所以以上型号均满足要求
工作寿命探讨——
去程
加速
等速
减速
回程
加速
等速
减速
轴向平均载荷:
正向:
负向:
其中,取
微速,取1.2(表19)
图2-13负载系数
前面型号中最小为3kN,以此计算:
前面的型号均能满足一般机械的寿命要求
为确保定位精度,需要丝杠有较好的刚度,外轴选
查《THK》B-650在标准公称型号中,选择刚度较好,且螺母质量较小的DIK2004-6型丝杠
图2-14丝杠轴的选型
下面就DIK2004-6进行讨论
3)支撑单元选择
图2-15丝杠轴的有关参数
适合的支撑单元有EK15,FK15,BK15,BK17
EF15,FF15,BF15,BF17
查《THK》B-750~769,根据THK的推荐,同时为了减小安装尺寸,
选固定轴为BK15,支撑端BF15
4)联轴器选择
图2-16联轴器的选型
丝杠轴键槽端轴段长20,轴径为,键槽4,深2.5,长16
根据《PanasonicMINASA5》P69,
电机MSMD011G,2轴段长22,轴径,键槽宽3,长14(由以上两组尺寸初选联轴器)
SCXW/SCXWK型联轴器适合高,高定径精度的伺服马达驱动的工况
由上面两组尺寸,考虑只有SCXWKNo.34适合
相关参数:
容许扭矩:
4.0Nm,最高转速:
10000rpm,转动惯量
5)转矩探讨
转矩由三部分计算:
负载转矩,滚珠丝杠预压引起转矩,惯性转矩
①负载转矩
②,滚珠丝杠预压引起转矩
---预压载荷,适当的预压载荷为最大轴向载荷的,但应小于基本额定动载荷的10%
——导程角,
图2-17扭矩变动率的容许范围
取变动范围
取最大值
③惯性转矩
图2-18加速时所需的扭矩
---丝杠转动惯量,查《THK》B-650~651,
得
角加速度
其中,为电机转子惯量,
为联轴器转动惯量,
∴加速时:
等速时:
减速时:
6)电机的校核
最高使用转速:
3000rpm
马达额定转速:
3000rpm
所需最大转矩
电机瞬时最大转矩
有效转矩:
电机额定转矩
(根据PanasonicMSMDO1G的要求,负载惯量应小于转子惯量的30倍)
=23.7
∴电机PanasonicMSMD011G1满足要求
7)联轴器校核
由表14-1选
T取
SCXWKNo.34容许扭矩
容许最高转速
∴联轴器SCXWKNo.34合格
8)导轨的选型
(1)预期额定动载荷、静载荷计算
为静态安全系数,取
为每个滑块承受重量,
由于两滑块装在一个导轨上,=0.81
fc:
接触系数,见下表,因为每根导轨上安装两个滑座,取fc=0.81。
图2-29fc
(2)导轨长度计算
导轨长有效行程+工作台长度+余量=600+200+50mm=850mm
(3)选择导轨型号
根据以上求得的预期额定动负载计算、预期额定静负载计算和导轨长查Misumi官方资料,选定导轨为型号为SSV2RL-850,H=24,L=850。
9)轴承的校核
图2-30轴承受力分析图
选型7002HTDF(左)GMP66004zz(右)
图2-21轴承的有关参数
基本额定动载荷
基本额定静载荷
7007HTDF
5.8Kn
3.15Kn
6004ZZ
9.4kN
5.05kN
轴承预期寿命:
15000h(机械设计P318)
其中,m为螺母质量(THK253)
左极限:
对于6004ZZ,径向载荷
轴向载荷
(初步)式13-8a
按表13-6,
按表13-5,X=0.56
∴
轴承应有的基本额定动载荷:
右极限:
对于6004ZZ,径向载荷
轴向载荷
∴X取0.56,Y取1.99
∴6004ZZ作为支撑端轴承合适
对于7002HTDF
GMP5
左极限:
取
右极限:
∴7002HTDF作为固定端轴承合适
GMP5
10)系统精度计算
①轴向刚性对精度的影响:
滚珠丝杠的拉压刚度:
其中,
图2-22刚性值
②轴向间隙,单向不考虑
③导程精度C3,查表12μm
④温度影响:
加冷却,不考虑
故,
11)系统谐振频率计算
①电机:
n=3000rpm,P=100w,
②滚珠丝杠:
④工作台:
最大进给速度v=12mpm,导轨摩擦系数μ=0.005
12)光栅的选型
根据测量精度的准确性要求,我们选择了HEIDENHAIN公司的LC483光栅传感器。
其中,我们选择的光栅的长度为620mm,测量精度为±。
图2-23光栅的选型
附录:
参考书目
【1】.《PanasonicMINASA5》手册
【2】.【3】.【4】张建民,等.【机电一体化系统设计】.2版.
北京:
高等教育出版社,2001
【5】.【6】THK技术手册,滚珠丝杠
【7】.MISUMI公司技术手册
【8】濮良贵等.机械设计.8版.北京:
高等教育出版社,2006
【9】.HEIDENHAIN公司光栅手册P23-24,《PanasonicMINASA5》手册
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- 课程设计 伺服 移动 工作台 设计 说明书