一维工作台设计说明文书.doc

.wd电子精细机械设计课程设计一维伺服移开工作台设计说明书仅供参考目录课程设计任务2设计任务介绍2设计内容2一、分析工作条件和设计要求3二、电机选型3三、滚珠丝杠的选型4四、联轴器的选型9五、转矩讨论10六、电机的校核12七、联轴器校核13八、导轨选型13九、轴承的校核14十、轴承的校核18十一、系统谐振频率计算18十二、光栅的选型19附录20课程设计任务一、 设计任务介绍：一维伺服移开工作台整体构造为完成一维伺服移开工作台的设计，需设计的机械系统包括：伺服电机、减速器、联轴器、滚珠丝杠、直线导轨、光栅传感器等。设计内容一维工作台整体构造：一维工作台整体构造由于工件重量(100N)，工作台轴向载荷(300N)均很小，初选不考虑减速器。一、分析工作条件和设计要求给定参数：工作台承重载荷：G0=100N，工作台轴向载荷：Fa=300N，工作台最大移动速度：vmax=0.5m/s，有效行程：S=900 mm，加速时间常数：t=0.1s， 加速度：a=Vmaxt=0.50.1=5m/s2，重力加速度g=9.8N/kg.1. 工作台设计尺寸为：400×200×20mm，选用2A11,根据构造设计，工作台质量：m台=5.816kg，载荷G总=G0+m台g=100+56.99=156.99N，根据经历，暂定采用双导轨4滑块，滑块质量为0.4kg.二、电机选型整体质量M=m工+m台+m螺=100÷9.8+5.816+1.113=17.13kg,a. 摩擦力 Ff2，滚动导轨摩擦系数0.003,0.005，取=0.005;Ff=Mg=17.13×9.8×0.005=0.84N,b. 惯性力F惯=Mvt=17.13×0.50.1=85.665N,最大轴向力 Fmax=Ff+F惯+Fa=0.84+85.665+300=386.505N,最大功率 Pmax=Fmaxvmax=386.505N×0.5=193.25W,查机械设计手册P579：取轴承=0.98，联轴器=0.903，丝杠=0.95,取安全系数为2电机所需功率Pm=Pmax×轴2滚联=193.25×20.982×0.993×0.9=450.30W,选择电机，见松下电机手册P57：P额=750WAC200 V用，额定转速3000r/4500rmax额定转矩为2.4Nm转子转动惯量J转=0.97×10-4kgm2,惯量比为20倍以下三、滚珠丝杠的选型：运动方向：水平，运送质量：mt=1009.8=10.20kg,导向摩擦系数：0.0030.005，取=0.005，导向面摩擦阻力：Ff=0.84N，轴向外部载荷：Fa=300N，希望寿命转数：L=60nT=1.8×109rev,行程长度：ls=900mm，操作速度：vmax=0.5m/s，加速度时间：t1=t3=0.1s,等速时间：t2=0.9×0.1×0.5×0.5×20.5=1.7s,加速度：a=vmaxt=0.50.1=5m/s2,加速距离：l1=0.1×0.5×0.5=0.025m=25mm,等速距离：l2=850mm，减速距离：l3=25mm，每分钟往返次数：602(t1+t2+t3)=15.79次/min导程精度：按一般机械选择高精度C3，导程：Ph=Umaxn额÷60×i=0.5×1000×603000=10mm，丝杠导程应大于或等于10mm，选取Ph=10mm，根据THK滚珠丝杠手册A-692，选择18或20，再根据?机电一体化设计?P36，选择支承方式为：固定-支撑。1. 计算轴向载荷，以18，20中，18最小，即假设18满足，那么其他满足，d×Ph=18×10的丝杠，沟槽谷径d1=15.5mm,d×Ph=20×10的丝杠，沟槽谷径d1=16.4mm,见THK滚珠丝杠手册B-648挠性载荷：P1=2×d14la2×104=10×15.5410002×104=5772.0>Fmax=414.610N,其中固定支撑的2=10，la为安装距离估为1000mm，丝杠轴的容许拉伸压缩载荷P2=116×15.52=27869>Fmax,由以上计算可选取18, 20, 25, 28, 32等。2. 容许转速：丝杠最高转速：Nmax=3000rpm, Nmax=vmax×60×103Ph=0.5×60×10310=3000rpmN1=2d1lb2107=15.1×2110002×107=3171rpm>Nmax=3000rpm见THK滚珠丝杠手册A-698DN值认定的许用转速根据THK手册，B-650B-657，选取型号BIF 2510-A，L1=100mm, dc=21.4mm, dp=26.3mm,取25时，N2=13000026.3=4942.97 rpm >Nmax,静态安全系数：Fmax=C0afs其中C0a=33kN，取fs=2.5，Fmax=332.5=13.2kN>Fa max3. 寿命计算a) 去程加速运行时F1=Fa+Ff+F惯=0.84+85.61+300=386.51N，l1=25,等速运行时F2=Fa+Ff=0.84+300=300.84N，l2=850,减速运行时F3=Fa+Ff-F惯=0.84+300-85.66=215.18N，l3=25,b) 回程加速运行时F4=Fa-Ff-F惯=300-0.84-85.67=213.49N，l4=25,等速运行时F5=Fa-Ff=300-0.84=299.16N，l5=850,减速运行时F6=Fa-Ff+F惯=300-0.84+85.67=384.83N，l6=25,正Fm1=3F13×l1+F23×l2+F33×l3+F43×l4+F53×l5+F63×l6l1+l2+l3+l4+l5+l6=301.36N,负Fm2=0，Fa=Fm1=301.36N,L=(CafwFa)3×106=(71001.5×301.36)3×106=3.87×109 rev >1.8×109 rev,Lh=L×Ph2×60×n×ls=3.87×109×102×60×15.79×900=22721.58 h >10000 h,丝杠寿命符合要求。为确定定位精度，需较好刚度，取25，即 BIF 2510A-5，l1=100 mm,以此讨论支撑单元，见THK滚珠丝杠手册A-804:减小安装尺寸取BK17 BF17。四、联轴器的选型：丝杠轴段长23mm，轴径为15，电机MSNID 750W轴段长32mm，轴径为19,根据MISUMI联轴器手册，选择联轴器型号为MISUMI SCXW46，相关参数：容许扭矩：101Nm, 最高转速：Nmax=10000 rpm, 转动惯量J联=4.7×10-5kgm2.五、转矩讨论转矩由三局部计算：负载转矩T1，滚珠丝杠预压引起转矩T2，惯性转矩T3，1. 负载转矩T1T1=FPn2i, F=Fa+Ff=300+0.84=300.84N,T1=300.84×102×0.95×1=504.06 Nmm,2. 预压转矩T2T2=0.05(tan)-12Fa0Ph2预压载荷：根据THK滚珠丝杠手册A-758，预压载荷取0.05Ca，Ca=15.8KN，Fa0=0.05Ca=0.05×15.8×103=790N，tan=Pn×dp=10×26.3,T2=0.05×(10×26.3)-0.5×790×102=180.70 Nmm,螺纹长度螺纹外径=101025=40，C3精度，见THK滚珠丝杠手册A-689:扭矩变动率为±45%T2=180.70×1±45%=180.70±81.32 Nm,所以T2=Tmax=262.02 Nmm.3. 惯性转矩T3查表得丝杠转动惯量Js=3.01×10-3 kgm2,J=m(Pn2)2×1i2×10-6+Js×1i2=17.13×(102)2×10-6+3.01×10-3×10-4×1119=3.802×10-4 kgm2,角加速度=2×nmax60×t1=2×300060×0.1=3141.59 rad/s2,T3=J+Jm+J联'=(3.802×10-4+0.97×10-4+4.70×10-5)×3141.59=1646.82 Nmm,其中，Jm为电机转子惯量，为0.97×10-4 kgm2,J联为联轴器转动惯量，为4.70×10-5 kgm2,t1=0.1s加速时：Tk=T1+T2+T3=504.06+262.02+1646.82=2412.9 Nmmt2=1.7s匀速时：Tt=T1+T2=504.45+262.02=766.08 Nmmt3=0.1s减速时：Tg=T1+T2-T3=504.06+262.02-1646.82=-880.74 Nmm六、电机的校核最高使用转速：nn=300 rpm,马达额定转速：nmax=3000 rpm,所需最大转矩：Tmax=Tk=1675.57 Nmm,电机瞬时最大转矩：Tpmax=7100 Nmm,有效转矩：Trmg=Tk2t1+Tt2t2+Tg2t3t1+t2+t3=1675.5720.1+766.0821.7+143.4120.10.1+1.7+0.1=820.94Nmm <Tn ,电机额定转矩Te=2400 Nmm >Trmg,负载惯量J=J+J联=1.455×10-4+4.70×10-5=1.925×10-4 kgm2,电机转子惯量Jm=0.97×10-4 kgm2,J=1.98Jm, 1.98<20 满足要求(以以下列图见松下电机手册P60)七、联轴器校核Tca=kAT,由?机械设计与制造简明手册?表13-2，KA1.5,2.0,由于选取刚性联轴器，所以取较大KA值，取KA=2.0，T取Tmax=1675.57 Nm,TCa=KA×T=2.0×1824.56=3.65 Nm <10Nm,Nmax<10000 rpm,联轴器合格。八、导轨选型1. 预期额定动载荷、静载荷计算G1=17.13×9.8=167.90 N,动载荷：Ca=fG0+G1=0.005100+167.90=1.34N,静载荷：C0=fs×P0fc,P0=100+167.904=66.98 N,C0a=2.5×66.980.81=206.72 N,导轨长度：L900+200+50=1150 mm,静态安全系数fs(1.0, 4.0),由THK导轨手册B1-75，接触系数fC取0.81,普通负荷挠度小，所以根据THK导轨手册A1-188选定导轨型号为THK HSR 20B九、轴承的校核根据THK手册B-752B-753，B-760B-761 BK型，BF型支撑单元，选取固定端为一对角接触球轴承7203，支撑端为一个深沟球轴承6203.安装方式如下： 根本额定载荷：7203：Cr=10800 N, Cor=6000 N,6203：Cr=9600 N, Cor=4600 N,假设轴承寿命为6个月，Lh=6×30×24=4320 h,m=1.86 kg, M=17.13 kg, m1=15 kgM+m+m1=17.13+1.86+1.5×9.8=200.83 kg假定安装合理，丝杠轴应不受垂直径向载荷，即Fr=0,Famax=386.505 N, Tmax=1675.57 N·mm,Tmaxr=1675.5712.5=134.05 N,左极限：Ft1+Ft2=Tmaxr=134.05 NFt1+Ft2×91=Ft1×1052Ft1=11.60 N Ft2=122.45 NFA=Ft1=11.60 N,FB= Ft2=122.45 N,对于6203, 径向载荷FB=122.45 N, 轴向载荷Fa=0,当量动载荷P=Fr=FB=122.45 NLn=10660nm(CP)=10660×3000(9.55×103122.45)3=2.63×106 h,对于7203, 径向载荷Fa=386.5052=193.2525 N,轴向载荷FA=11.6 N,FaFA=16.66>0.68,P=0.41×11.6+0.87×386.5052×1.1=191.90 N,Ln=10660nm(CP)=10660×3000(10800191.9)3=990316 h右极限：Ft1+Ft2=Tmaxr=134.05 NFt1+Ft2×61=Ft1×1052Ft1=7.77 N Ft2=126.28 NFA=Ft1=7.770 N,FB= Ft2=126.28 N,对于6203, 径向载荷FB=126.28 N, 轴向载荷Fa=0,FaFB=0当量动载荷P=Fr=FB=126.28 NLn=10660nm(CP)=10660×3000(9.55×103126.28)3=2.40×106 h,对于7203, 径向载荷Fa=386.5052=193.2525 N,轴向载荷FA=7.77 N,FaFA=24.87>0.68,P=0.41×7.77+0.87×386.5052×1.1=190.16 N,Ln=10660nm(CP)=10660×3000(10800190.16)3=1017750 h,综上，轴承的寿命为990316h，符合要求。十、轴承的校核1.轴向刚度对精度的影响滚珠丝杠的拉压刚度：kk=ds2E4l,ks=A-E1000l, 其中，l为安装间距,ksmin=4×21.42×2.06×1051000×991=74.77 N/m,ksmax=4×21.42×2.06×1051000×61=1214.66 N/m,螺母的拉压刚度：kN=kFa00.1Ca13×0.8=5000.05Ca0.1Ca13×0.8=317.48 N/m,其中，Fa0=0.05Ca, k=500 N/m,支撑轴承: 由THK A-866, BK17 7203, k=125 N/m,kmax=11ksmax+1kN+1ks=111214.66+1317.48+1125=83.52 N/m,kmin=11ksmin+1kN+1ks=1174.77+1317.48+1125=40.78 N/m,k=Fa×1kmin-1kmax=3.79 m,2.轴向间隙，单向不考虑。3.导程精度：由THK A-678表1,螺纹 1000 mm, C3精度为21±15m,轴向变动由表2: C3精度为8m/300mm,即8×10003000=26.67 m,4. 温度影响：加冷却，不考虑。故, 精度=3.79+21±15+26.67=51.46±15 m,取=66.46 m.十一、系统谐振频率计算1. 电机: n=3000 rpm, p=750 W, Jm=0.97×10-4 kg·m2,2. 滚珠丝杠: d=25 mm,ds=21.4 mm,l=900 mm,导程l0=10 mm,转速n=3000 rpm,传动比i=1 (无减速箱),3. 工作台: w=G0+G1=N+(4.384+0.365×2+0.351×2+1.113)×9.8 =17.133×9.8=167.9034 N,最大进给速度v=30 mpm,导轨摩擦系数=0.003,J1=Jm=0.97×10-4 kg·m2,Jeq=Jsi2+(l02)2w·i210-6=3.02×10-3 kgm2k1=km=d14G32lmin=3.14×0.0194×8.1×101032×0.032=32368.99 Nm/rad,k2=ks=d24G32lmin=3.14×0.02144×8.1×101032×1.119=1489.67 Nm/rad,ke=kmkskm+ks=1424.13 Nm/rad,wn=ke(J1+Jeq)J1Jeq=1424.13(0.97×10-4+3.02×10-3)0.97×10-4×3.02×10-3=3892.73 rad/s十二、光栅的选型根据测量精度要求，选择Heidenhain公司的敞开式直线光栅尺LIC2109，其中，光栅长度为1020mm，测量精度为±15m，符合要求。附录参考资料：1. 机械设计与制造简明手册2. 濮良贵等.?机械设计?;第八版;高等教育出版社3. 傅燕鸣.?机械设计课程设计手册?;上海科学技术出版社4. 松下公司电机手册5. MISUMI联轴器手册6. MISUMI轴承手册7. THK公司滑动导轨手册8. THK公司滚珠丝杠手册