步进电机直接驱动单轴直线伺服移动机构设计-机电一体化毕业论文

机电一体化系统设计课程设计说明书（步进电机直接驱动单轴直线伺服移动机构设计）系（院）名称：机械工程学院专业班级：机电一体化学生姓名：（四号宋体）指导教师姓名：（四号宋体）指导教师职称：（四号宋体）年月目录[1]课程设计的目的-------------------------------------------------------3[2]设计内容-------------------------------------------------------3[3]课程设计要求-------------------------------------------------------4[4]机电一体化系统设计1)确定滚珠丝杆副的导程-------------------------------------------42)滚珠丝杆副的载荷及转速计算-----------------------------------43)确定预期额定的载荷---------------------------------------------44)按精度要求确定允许的滚珠丝杆的最小螺纹底径----------55)确定滚珠丝杆副的规格--------------------------------------------56)对预紧滚珠丝杆副，确定其预紧力-----------------------------67)确定滚珠丝杆副支承所用轴承规格-----------------------------68)滚珠丝杆副工作图设计--------------------------------------------69)电机的选择-----------------------------------------------------------610)滚珠丝杆的校核-----------------------------------------------------811)滚珠丝杆副的极限转速nc的校核-------------------------------812)Dn值的验证----------------------------------------------------------913)基本轴向额定静在和Cu的验算---------------------------------914)强度验算-------------------------------------------------------------915)轴承的选择和验算-------------------------------------------------916)滚动直线导轨选择，计算和验算-------------------------------1217)机械控制系统原理及电路设计----------------------------------14[5]附录【1】HXD55无相混合式驱动器-------------------------------16[6]密封和润滑----------------------------------------------------------------17[7]结论-------------------------------------------------------------------------18[8]参考文献-------------------------------------------------------------------21一．课程设计的目的：1.掌握机电一体化系统设计过程和方法，包括参数的选择，传动的设计，零件的计算，结构的计算，培养系统分析及设计的能力。2.综合使用过去所学的理论知识，提高联系实际和综合分析的能力，进一步巩固，加深和拓宽所学的知识。3.训练和提高设计的基本技能，如计算，绘图，运用设计资料，标准和规范，编写技术文件（说明书）等。二．设计内容主要性能参数：负载工进速度（m/min）快进速度（m/min）重复定位精度(mm)定位精度(mm/300mm)行程(mm)加减速度时间(s)要求寿命(h)丝杆直径初定(mm)丝杆支撑形式F1(N)F2(N)2000150020.40.010.0250022200016两端固定(1)机械系统部分：完成详细的装配图设计。(2)控制部分（计算机控制课程设计内容）采用MCS51系列单片机来完成此控制系统的设计，完成控制系统原理图和主要程序的设计清单。完成设计计算步骤：1.步进电机的选择，计算和验算。含以下内容：脉冲当量的确定，空载转矩的计算，各传动部件等效转动惯量，等效转矩的折算2.滚珠丝杠的选择，计算和验算。3.滚动直线导轨选择，计算和验算。三．课程设计要求完成以下工作:1.装配工作图或系统总体图1张1#手绘.2.设计计算说明书1份(计算机打印,B5纸)8000-10000字.3.控制原理设计系统硬件原理图设计(包括微机的选择,存储器的扩展,I/O接口设计,伺服驱动电路的选择或设计等)2#图手绘.四．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和计算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PhPh=10mm2．滚珠丝杆副的载荷及转速计算：1）最小载荷Fmin选机器空载时滚珠丝杆副的传动力。根据工作台尺寸确定其质量为25kg。由滚动导轨副的摩擦系数f=0.005得1.225N0.0059.825fGFmin2)最大载荷Fmax选机器承受最大负荷时滚珠丝杆副的传动力.2008.725N0.0059.8)25(15002000G)f(F2F1Fmax3)滚珠丝杆副的当量转速nm及当量载荷Fm:120r/min20.01)](0.40.01)[(22)n(nnminmaxm1339.56N3)1.2252008.7252(3Fmin)Fmax(2Fm3.确定预期额定的载荷1)按预期工作时间Lh（小时）计算：根据要求选取系数得fw=1.5,fa=1.0fc=1.0，由公式得：8.2470844.00.11005.156.133922000120601006033cawMhmfffFLnCamN4、按精度要求确定允许的滚珠丝杆的最小螺纹底径d2m:1).估算滚珠丝杆的最大允许轴向变形量m：机床或机械装置伺服系统精度大多早空载下检验。空载时用在滚珠丝杆副上的最大轴向工作载荷是静摩擦力F0。移动部件在Kmin处起启动和反向时，由于F0方向变化将产生误差2F0/Kmin（又称摩擦死区误差），它是影响重复定位精度的最主要因素，一般占重复定位精度的（1/2~2/3）。所以规定滚珠丝杆副允许的最大轴向变形：重复定位精度)4/1~3/1(0MmKF=（0.0025~0.0034）mm影响定位精度的最主要因素是滚珠丝杆副的精度,其次是滚珠丝杆滚珠丝杆本身的拉压弹性变形(因为这种弹性变形随滚珠螺母在滚珠丝杆上的位置变化而变化),以及滚珠丝杆副滚珠丝杆副摩擦力矩的变化等。一般估算是时m定位精度)5/1~4/1(。即m定位精度)5/1~4/1(=（0.004~0.005）mm以上两种方法估算的小值取做m值,即m=0.0025mm.2)、估算滚珠丝杆副的底径d2m：由滚珠丝杆副的安装方式得mmmLFELFd002039.01010式中：L—两个固定支承之间的距离（mm）=1.2×500+12×10=720mm所以mmdm16.230025.0720225.1039.025、确定滚珠丝杆副的规格代号：根据条件amamCCdd,22得选用滚珠丝杆副的型号为3210—5，公称直径为mmd7.340mmd5.321mmd7.242KNCa7.396、对预紧滚珠丝杆副，确定其预紧力Fb：由最大轴向工作载荷Fmax确定NFFb575.669725.20083131max7、确定滚珠丝杆副支承所用轴承规格型号；由计算8、滚珠丝杆副工作图设计：1）、确定滚珠丝杆副的螺纹长度eusLLL2Le=40mmLu=有效行程+螺母长度=500+8Ph=580mm得mmLs660805802）滚珠丝杆螺母的安装连接尺寸：9、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:mNFPThF.0022.09.014.3201.0225.120外加径向载荷是的摩擦力矩:mNPFThLFL.015.09.014.3201.0725.82滚珠丝杆副预加载荷Fb产生的预紧力矩:NmPFThbb25.09.09.01.14.3201.0575.6691.22222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：LMmjjmiiLJJJnVmnnJ22)2()(滚动丝杆的转动惯量：424224431013.725)14.3201.0(105.6.)2(.105.63272.0033.0108.7mPJJmkgJhSLs由141lmJJ即：4,41013.71078.1mJ取Jm=3.5710-4则有：33107.1010)13.757.3(LMJJJ3）加速转速Ta和最大加速转矩Tam当电机转速从n1升至n2时:NmtnnJTaa3421102.9260)40200(14.32107.1060)(2当电机从静止升速到nmaxNmtnJTaam34max102.1126020014.32107.106024)电动机最大启动转矩Tr(N.m)NmTTTTTLbFamr815.325.09.014.3201.02000015.0102.1135)电动机连续工作的最大转矩:NmTTTLFM8.379.3015.06)电动机的选择:在选择电动机是主要从以下几个方面考虑:1.能满足控制精度要求.2.能满足负载转矩的要求.3.满足惯量匹配原则.上述计算均没有考虑机械系统的传动效率.当选择机械传动总效率=0.96时,同时,在车削时,由于材料的不均匀等因素的影响,会引起负载转矩突然增大,为避免计算上的误差以及负载转矩突然增大引起步进电机丢步而引起加工误差,可以适当考虑安全系数，安全系数一般可以在1.2-2之间选取.如果选取安全系数K=1.5,则步进电机可按以下总负载转矩为:NmkTTm96.55.1)96.0/815.3(如果选上述预选的电动机90BYG55C,其最大静转矩Tjmax=6.3Nm。在五相十拍驱动时，其步矩角为0.36()/setp，为了保证带负载能正常加速启动和定位停止，电动机的起动转矩必须满足：TjmaxT由Tjmax=6.3NmT=Nm96.5，故选用合适。10.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）max521422110fLdkkFcc（其中：311kf=21.942k730.4）NFFFNFC725.200810163.1105907.24431max`5524摩总所以验证稳定性合格.11.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)322222210260cccLdfAEILknmax372min/105.15105907.249.21nr验算