点胶机设计—悬臂式结构设计

CHANGZHOU INSTITUTE OF TECHNOLOGY 毕 业 设 计 说 明 书 题目 点胶机设计 悬臂式结构设计 二级学院 直属学部 专业 班级 学生姓名 学号 指导教师姓名 职称 评阅教师姓名 职称 2015 年 5 月 常州工学院毕业设计 摘 要 本设计为点胶机设计 悬臂式结构 末端执行器是一个固定在 Z 轴上的点胶头 X Y Z 三个方向上都是由步进电机带动滚珠丝杠 将电机轴的旋转运动转化成工作 平台的直线运动 实现了点胶机在规定工作范围内各个点的点胶 涂胶工作 在 PLC 控制下 该结构能按照程序自动在相应的点完成点胶 在一段距离内完成涂胶工作 也可由手动控制到达工作范围内的各个点以及完成回零工作 选用的步进电机用电脉 冲信号进行控制 将电脉冲信号的个数和频率分别转化成为末端执行器的位移和移动 速度 关键词 点胶机 悬臂式 步进电机 滚珠丝杠 PLC 点胶机设计 悬臂式结构设计 ABSTRACT This design for glue machine design the cantilevered structure end actuator is a fixed in the Z axis at a point on the rubber head X Y Z three direction is by stepping motor drive the ball screw will the motor shaft rotation movement into working platform linear motion realize a little gum machine in the provisions within the scope of work of various points point glue glue work In the PLC control this structure can be in accordance with the procedures in the corresponding points finish glue in a distance work to finish glue can also be made by manual control to work within the scope of the various points and complete back to zero The selection of stepping motor power pulse signal control the electrical impulses of the number and frequency signal into a respectively at the end of the implementation of the displacement and speed Key words Glue machine cantilevered step motor the ball screw PLC 常州工学院毕业设计 目 录 摘 要 I ABSTRACT II 1 绪论 1 1 1 国外研究现状及发展趋势 1 1 2 国内研究现状及发展趋势 1 2 设计方案 3 2 1 机械部分 3 2 2 电气部分 3 2 3 控制部分 3 2 4 传动部分 3 3 计算说明 4 3 1 Z 轴 上下 方向传动部件的选型与校核 4 3 1 1 滚珠丝杠螺母副的计算和选型 4 3 1 2 步进电动机减速箱的计算与选型 6 3 1 3 步进电动机的计算与选型 7 3 2 X 轴 左右 方向传动部件的选型与校核 10 3 2 1 脉冲当量的确定 10 3 2 2 滚珠丝杠螺母副的计算和选型 10 3 2 3 直线移动导轨副的计算与选型 14 3 2 4 步进电动机减速箱的选用 14 3 2 5 步进电动机的计算与选型 15 3 3 Y 轴 前后 方向传动部件的选型与校核 18 3 3 1 脉冲当量的确定 18 3 3 2 滚珠丝杠螺母副的计算和选型 18 3 3 3 直线移动导轨副的计算与选型 21 3 3 4 步进电动机减速箱的选用 22 3 3 5 步进电动机的计算与选型 23 4 电气控制部分 27 4 1 控制要求 27 4 2 设计方案 27 4 3 PLC 简介 27 4 4 驱动器的选用 28 结 论 29 点胶机设计 悬臂式结构设计 参考文献 30 致 谢 31 附录 电气控制图 32 附录 PLC 控制流程图 33 附录 PLC 控制程序图 34 常州工学院毕业设计 1 1 绪论 点胶机在行业中的影响很广 在工业生产中 很多地方都需要用到点胶 比如集 成电路 印刷电路板 彩色液晶屏 电子元器件 如继电器 扬声器 汽车部件等等 传统的点胶是靠工人手工操作的 随着自动化技术的迅猛发展 手工点胶已经远远不 能满足工业上的要求 手工点胶具有操作复杂 速度慢 精确度低 容易出错 而且 无法进行复杂图形的操作 更无法实现生产自动化等缺点 市场上要求一种速度快 效率高 精度高的设备 因此就出现了全自动点胶机器人 在科技就是第一生产力的今天 全自动点胶机器人的出现为点胶行业带来前所未 有的机遇和发展 人们为了与点胶机器人简单方便地交流 把想法传达给机器人 使 机器人按照人的意志和点胶工艺的要求来运动 就发明了一种示教编程器系统 这种 示教编程器可以很简易地控制点胶机器人 发送各种运动指令 执行各种图形的点胶 14 1 1 国外研究现状及发展趋势 目前单液点胶机已经做得很成熟 世界品牌主要是日本仲氏 NLC EFD 和 I2 步进电动机可以与驱动器组成开环数字控制系统 同 时也可以与角度反馈环节组成高性能的闭环数字控制系统 3 步进电动机的动态响应快 易于起动 停止 正反转和变速 4 步进电动机的速度可以在相当宽的范围内平滑调节 在低速状态下仍能获得很大的转矩 由于步进电动机具有无累积误差 跟踪性能好等 优点 步进电动机的控制主要采用开环数字控制系统的方式 在对步进电机进行控制时 常常会采用步进电机驱动器对其进行控制 步进电机驱动器采用超大规模的硬件集成 电路 具有高度的抗干扰性以及快速的响应性 不易出现死机或丢步现象 使用步进电机 驱动器控制步进电机 可以不考虑各相的时序问题 由驱动器处理 只要考虑输出脉冲的 频率 控制驱动器 CP 端 以及步进电机的方向 在使用步进电机驱动器时 往往需要较 高频率的脉冲 2 3 控制部分 选用可编程控制器 PLC 根据要求 控制器要控制三个电机 PLC 控制可靠 性高 抗干扰能力强 适用性强 可以满足要求 2 4 传动部分 选用滚珠丝杠传动 滚珠丝杠可以实现由圆周运动到直线运动的转变 具有传动 摩擦力矩小 传动效率高 结构紧凑 刚性好 传动精度高 工作寿命长等特点 又 因为要实现的工作范围是 500 500mm 滚珠丝杠可以满足要求 点胶机设计 悬臂式结构设计 4 3 计算说明 3 1 Z 轴 上下 方向传动部件的选型与校核 根据设计的分析和计算要求 Z 方向 上下 为 0 02mm 脉冲 z 3 1 1 滚珠丝杠螺母副的计算和选型 1 最大工作载荷 Fm 的计算 最大工作载荷 Fm 是指滚珠丝杠副在驱动工作台时所承受的最大轴向力 也叫进 给牵引力 查表 3 29 由最大工作载荷 Fm 的实验计算公式 已知移动部件总重 G 50N 得到 FM 70N 2 最大动载荷的计算Q 假设 Z 方向最快的进给速度 v 1m min 并且初选丝杠基本导程 4mm 则此时丝hP 杠转速 n 1000v 250r min 取滚珠丝杠的使用寿命 T 15000h 代入 hP 60 1LnT 得滚珠丝杠副的寿命 225 单位 106 r 0L 查表 3 30 取载荷系数 1 1 取硬度系数 1 0 代入公式 Wf Hf 3 1 30QWHmFf 得到 468N 3 初选型号 根据计算出的最大动载荷 查表 3 31 可知 选用 2004 3 型滚珠丝杠副 其公称直 径 d 为 20mm 基本导程 为 4mm 双螺母滚珠总圈数为 3 2 6 圈 精度等级取 5hP 级 额定动载荷 Cn 为 5243N 满足要求 4 传动效率 的计算 一般在 0 8 0 9 之间 摩擦角一般取 10 将 20mm 4mm 代入 得到丝杠的螺旋升角 4 0dhP0arctn hPd 33 将摩擦角 10 代入 得传动效率 96 4 t 5 刚度的验算 1 丝杠的拉伸或者压缩变形量 在总变形量中占的比重较大 上 下支承中心距 1 离约为 600mm 刚的弹性模量 E 查表 3 31 得滚珠直径52 0MPa 常州工学院毕业设计 5 2 381mm d 2 17 1mm 则丝杠截面积 134 7wD2 4Sd 2m 丝杠的拉伸或压缩变形量 可按下式计算 1 3 2 21mFaMESI 其中 I 为丝杠按底径 确定的截面惯性矩 单位为 mm4 242 6d 号用于拉伸 用于压缩 由于转矩 M 一般较小 式中第二项在计算是可酌 情忽略 3 3 1mFaES 综上求得丝杠在工作载荷 Fm 作用下产生的拉 压变形量 1 10 5mm 1 2 滚珠与螺纹滚道间的接触变形量 可从产品型号中查出 或者可以后下式计算 2 无预紧时 3 4 有预紧时 23110 80mwFDZ 3 5 2230 1 mwYJFDZ 其中 D W 为滚珠直径 单位为 mm Z 为单圈滚珠数 外圈环 内圈环 0 wdD 0 3wZdD 为滚珠总数量 Z 圈数 列数 为预紧力 单位为 N 当滚珠丝杠副有预紧力 且预紧力达到轴向工作载荷的 1 3 时 值减小一半左2 右 单圈滚珠数目 Z 18 由于该型号丝杠为双螺母 滚珠总圈数为 3 2 6 圈 总滚珠 总数量 18 6 108 当滚珠丝杠预紧时 取轴向预紧力 33 3N 则 Z YJmF 1 1 7 10 5mm 1 4 10 6mm 2 因为丝杠加有预紧力 且为轴向负载的 1 3 所以实际变形量可减小一半 取 2 点胶机设计 悬臂式结构设计 6 7 10 7mm 3 将以上算出的 代入1 2 3 6 12 得变形总量 0 0184 m 查表 3 27 可知 5 级精度滚珠丝杠任意 500mm 630mm 轴向行程内行程的变动量 允差为 32 由计算可得阔度为 600mm 的滚珠丝杠 总的变形量 只有 0 0184 m 可见丝杠刚度足够 6 压杆稳定性校核 滚珠丝杠属于受轴向力的细长杆 如果轴向负载过大 则可能产生失稳现象 失 稳时的临界载荷 应满足 3 7 2kmfEIFKa 临界载荷 单位为 N k 丝杠支承系数 f 压杆稳定安全系数 一般取 2 5 4 垂直安装时取小值 K 滚珠丝杠两端支承间的距离 单位为 mm a 查表 3 34 由于其为垂直安装故选双推 双推 则丝杠支承系数 4 有丝杠底kf 径 17 1mm 求得界面惯性矩 1444 89 压杆稳定安全系数 K 取2d 42 6Id 4m 3 滚动螺母至轴向固定处的距离 600mm 取最大值 代入上式 得临界载荷 kF 692 5N 大于工作载荷 Fm 0 5N 故丝杠不会失稳 综上所述 初选的滚珠丝杠螺母副满足使用要求 3 1 2 步进电动机减速箱的计算与选型 初选电动机型号为 90BYG2602 二相混合式 最大静转矩为 6Nm 十拍驱动时 步距角为 0 75 传动比 i 的确定 已知电动机的步距角 0 75 脉冲当量通常要小于定位精度 故 Y 脉冲当量为 常州工学院毕业设计 7 取 0 01mm 脉冲 y 则根据式 3 8 360 hPi 求得 i 0 83 所以不需要减速机构 3 1 3 步进电动机的计算与选型 1 根据机械系统结构 计算加在步进电动机转轴上的总转动惯量 滚珠丝杠的公称直径 20mm 总长 600mm 导程 4mm 材料密度 0dlhP 移动部件总重量 G 100N 337 850 kgcm 参照表 4 1 可以算得各个零部件的转动惯量 滚珠丝杠的转动惯量 0 3 42sLRJ 2kgcm 折算到丝杠上的转动惯量 0 0084 w2 初选的纵向步进电动机型号为 90BYG2602 从表 4 5 查的该型号电动机转子的转 动惯量 4 mJ2kgc 则加在步进电动机转轴上能够的总转动惯量为 4 45 3 9 eqmwsJ 2i2kgcm 2 步进电动机转轴所承受的负载转矩在不同的工况下式不同的 通常考虑两种 情况 一种情况是快速空载起动 工作载荷为 0 另一种情况是承受最大工作载荷 下面进行讨论 1 快速空载启动时电动机转轴所承受的负载转矩 eqT 由式 可知 包括三部分 eqTmaxf0Teq 快速空载启动时折算到电动机转轴上的最大加速转矩 单位为 N m ax 移动部件折算时折算到电动机转轴上的摩擦转矩 单位为 N m f 滚珠丝杠预警后折算到电动机转轴上的附加摩擦转矩 单位为 N m 0T 点胶机设计 悬臂式结构设计 8 因为滚珠丝杠副传动效率很高 根据式 可知 相对于 和200 1 YJhFPTi 0Tmax 很小 可以忽略不计 则有 fT 3 10 eqmaxfT 根据式 考虑纵向链的总效率 计算快速空载启动时折ax260eqmeqaJnt 算到电动机转轴上的最大加速转矩 3 11 maxT260eqmeqaJnt 1 对应横向空载最快移动速度的步进电动机最高转速 n 步进电动机有静止到加速至 转速所需要的时间 at mn 其中 3 12 max036vn Z 向最快移动速度 1200mm min ax Z 向步进电动机步矩角 为 0 75 Z 向脉冲当量 0 01mm 脉冲 将以上各式带入式 算得 250 max036vn mn inr 设步进电动机由静止到加速至 转速所需时间 0 4s Y 向传动链总效率at 0 97 则由式 maxT260eqmeqaJnt 1 求得 0 03axN 由式 可知 移动部件运动时 折算到电动机转轴上的摩擦转矩为 2hfFPTi 摩 3 13 chfGi 常州工学院毕业设计 9 导轨的摩擦因数 滚动导轨取 0 004 垂直方向的工作负载 空载时取 0 cF Y 向传动总效率 取 0 7 则由式 得 2chfGPTi 4 4 10 4fNm 最后由式 求得快速空载启动时电动机转轴所承受的负载转矩为 0 03eqTmaxf 2 步进电动机最大静转矩的选定 考虑到步进电动机采用的是开环控制 当电网电压减低时 其输出转矩会下降 可能造成丢步 甚至堵转 因此 根据 来选择步进电动机的最大静转矩时 需要考eqT 虑到安全系数 这里取安全系数 K 4 则步进电动机的最大静转矩应满足 4 0 122maxjT eqNm 对于前面预选的 90BYG2602 行步进电动机 可知其最大静转矩 6N m 可axjT 见完全满足式 4 的要求 maxjeqT 3 步进电动机的性能校核 1 最快工进速度时电动机输出转矩校核 由最快工作进给速度和系统脉冲当量 可计算出电动机对应的运行频率为 maxa60ffv Y 向最快移动速度 1200mm min 脉冲当量 0 01mm 脉冲 由式maxfv 求出电动机对应的运行频率 1200 60 0 01 Hz 2000Hz 从maxa60ffv maxf 90BYG2602 的运行矩频特性可以看出 在此频率下 电动机的输出转矩 5N m 远远大于最大工作负载转矩 0 03N m 满足要求 axfT eqT 点胶机设计 悬臂式结构设计 10 2 最快空载移动时电动机运行频率校核 由最快空载移动速度和系统脉冲当量 算出 再从矩频特性曲线上找出其对 应的输出转矩 检查是否大于快速空载起动时的负载转矩 若是 则满足要求 否则 需重新选择电机 最快移动速度 1200mm min 对应的电动机运行频率 2000Hz 查表的maxv maxf 90BYG2602 的极限运行频率为 20000Hz 可见没有超出范围 3 启动频率的校核 已知电动机转轴上的总惯量 4 45kg 电动机转子自身的转动惯量 4kgeqJ 2c mJ 查表 4 5 可知电动机转轴不带任何负载时的最高空载启动频率 1800Hz 则 2cm qf 由式 可以求出步进电动机克服惯性负载的启动频率为 1 qLemffJ 1238 4Hz 3 14 qLeff 上式说明 要想保证步进电动机启动时不失步 任何时候的启动频率都必须小于 1238 4Hz 实际上 在采用软件升降时 启动频率选得很低 通常只有 100Hz 即 100 脉冲 s 综上所述 这里纵向进给系统选用 90BYG2602 步进电动机 可以满足设计要求 3 2 X 轴 左右 方向传动部件的选型与校核 3 2 1 脉冲当量的确定 根据设计的分析和计算要求 X 方向的脉冲当量为 0 02mm 脉冲 x 3 2 2 滚珠丝杠螺母副的计算和选型 1 最大工作载荷 Fm 的计算 最大工作载荷 Fm 是指滚珠丝杠副在驱动工作台时所承受的最大轴向力 也叫进 给牵引力 查表 3 29 由最大工作载荷 Fm 的实验计算公式 已知移动部件总重 G 500N Fm G u 500 0 005 2 5N 2 F Q最大动载荷的计算 假设 X 方向最快的速度 v 1 2m min 初选丝杠基本导程 4mm 则此时丝杠转速hP n 1200v 300r min 取滚珠丝杠的使用寿命 T 15000h 一般机电设备取hP 常州工学院毕业设计 11 T 15000h n 为丝杠每分钟转速 代入 得丝杠寿命系数 270 单位60 1LnT 0L 106 r 查表 3 30 取载荷系数 fw 1 1 再取硬度系数 1 0 Hf 代入公式 3 15 30QWHmFLf 得 1777N 3 初选型号 根据计算出的最大动载荷 查表 3 31 选用济宁博特精密丝杠制造有限公司生产 的 GD 系列 1604 3 型滚珠丝杠副 为内循环固定反向器单螺母式 其公称直径为 16mm 基本导程为 4mm 循环滚珠为 3 圈 2 列 精度等级取 5 级 额定动载荷为 4612N 大于 故满足要求 QF 4 传动效率 的计算 一般在 0 8 0 9 之间 摩擦角一般取 10 将公称直径 16mm 基本导程 4mm 代入0dhP 3 16 arctn hP 得丝杠螺旋升角 4 33 将摩擦角 10 代入 得传动效率 tan 96 4 5 刚度的验算 1 丝杠的拉伸或者压缩变形量 在总变形量中占的比重较大 左 右支承中心距 1 离约为 800mm 刚的弹性模量 查 机电一体化系统设计课程设计指E52 0MPa 导书 表 3 31 得滚珠直径 2 381mm 算得丝杠底径 13 1 则丝杠截面积wD2d 3 17 2 4Sd 得 S 134 7m 丝杠的拉伸或压缩变形量 1 点胶机设计 悬臂式结构设计 12 3 18 21mFaMESI 其中 I 为丝杠按底径 确定的截面惯性矩 单位为 2 4 惯性矩 其中 号用于拉伸 用于压缩 由于转矩 M 一般较小 式42 6d 中第二项在计算是可酌情忽略 所以 3 19 1 mFaES 综上求得丝杠在工作载荷 Fm 作用下产生的拉 压变形量 7 10 5mm 1 2 滚珠与螺纹滚道间的接触变形量 可从产品型号中查出 或者可以后下式计算 2 无预紧时 3 20 23110 80mwFDZ 为有预紧时 3 21 223 10 10mwYJF 滚珠直径 单位为 mm wD 单圈滚珠数 外圈环 内圈环 Z0 wZdD 0 3wZdD 滚珠总数量 Z 圈数 列数 预紧力 单位为 N YJF 当滚珠丝杠副有预紧力 且预紧力达到轴向工作载荷的 1 3 时 值减小一半左2 右 单圈滚珠数目 Z 18 该型号丝杠为双螺母 滚珠总圈数为 3 2 6 圈 总滚珠总数 量 18 6 108 滚珠丝杠预紧时 取轴向预紧力 166 7N 则 5 10 Z YJFG 1 5 mm 4 2 10 6mm 2 因为丝杠加有预紧力 且为轴向负载的 1 3 所以实际变形量可减小一半 取 2 1 10 6mm 2 常州工学院毕业设计 13 3 将以上算出的 代入1 2 3 22 12 得变形总量 0 0521 m 查表 3 27 可知 5 级精度滚珠丝杠任意 630mm 800mm 轴向行程内行程的变动量 允许 36 而对于阔度为 800mm 的滚珠丝杠 总的变形量 只有 0 0521 可m m 见丝杠刚度足够 6 压杆稳定性校核 滚珠丝杠属于细长杆 如果轴向负载过大 则可能产生失稳现象 失稳时的临界 载荷 Fk 应满足 3 23 2kmfEIFKa 临界载荷 单位为 N k 丝杠支承系数 f 压杆稳定安全系数 一般取 2 5 4 垂直安装时取小值 K 滚珠丝杠两端支承间的距离 单位为 mm a 查表 3 34 由于课题要求为双推 双推则丝杠支承系数 4 有丝杠底径kf 13 1mm 求得界面惯性矩 1444 89 压杆稳定安全系数 K2d 42 6Id 4m 取 3 滚动螺母至轴向固定处的距离 800mm 取最大值 代入上式 得临界载荷 kF 6233N 远大于工作载荷 Fm 2 5N 故丝杠不会失稳 综上所述 初选的滚珠丝杠螺母副满足使用要求 先初选电动机型号 90BYG2602 二相混合式 由常州宝马集团公司生产 最大 静转矩为 6N m 十拍驱动时步距角为 1 5 3 2 3 直线移动导轨副的计算与选型 1 滑块承受工作载荷 的计算及导轨型号的选取maxF 工作载荷是影响直线滚动导轨副使用寿命的重要因素 本设计中的 X Y 工作台为 水平布置 采用双导轨 四滑块的支承形式 考虑最不利的情况 即垂直于工作台面 点胶机设计 悬臂式结构设计 14 的工作载荷全部由一个滑块全部承担 则单滑块所受的最大垂直方向载荷为 3 24 max 4FG 其中 移动部件重量 外加载荷 带入式 3 24 得最50N 10zFN 大工作载荷 查 机电一体化系统设计课程设计指导书 表 3 max2 k 41 根据工作载荷 初选直线滚动导轨副的型号为 系列的aF KL 型 其额定动载荷 额定静载荷 35JSALG 35 1aCkN 047 2aCkN 任务书规定工作台面尺寸为 500mm 500mm 考虑工作行程应留有一定余量 查 机电一体化系统设计课程设计指导书 表 3 35 按标准系列 选取导轨的长度为 600mm 2 距离额定寿命 的计算L 上述选取的 系列 型导轨副的滚道硬度为 工作温度不K35JSAG 60HRC 超过 每根导轨上配有两只滑块 精度为 4 级 工作速度较低 载荷不大 10C 查 机电一体化系统设计课程设计指导书 表 3 36 表 3 40 分别取硬度系数 H1 0f 温度系数 接触系数 精度系数 载荷系数 代入T f C0 81f R0 9f W 5f 式 3 11 得距离寿命 3 25 3HTCRaWmx5fLF 1 0 1 0 0 81 0 91 5 7 940 225 50 252228 远大于 故距离额定寿命满足要求 10k 3 2 4 步进电动机减速箱的选用 为了满足脉冲当量的设计要求 增大步进电动机的输出转矩 同时也为了使滚珠 丝杠和工作台的转动惯量折算到电动机转轴上尽可能的小 今在步进电动机的输出轴 上安装一套无间隙齿轮减速箱 采用一级减速 步进电动机的输出轴与小齿轮联接 滚珠丝杠的轴头与大齿轮联接 其中大齿轮设计成双片结构 采用 机电一体化系统 设计课程设计指导书 图 3 8 所示的弹簧错齿法消除侧隙 已知工作台的脉冲当量 mm 脉冲 滚珠丝杠的导程 初选步进0 1 h4mP 常州工学院毕业设计 15 电动机的步距角 根据 机电一体化系统设计课程设计指导书 式 3 12 算 1 5 得减速比 h360 4360 153iP 本设计选用常州市新月电机有限公司生产的 JBF 7 型齿轮减速箱 大小齿轮模数 均为 1mm 齿数比为 60 36 材料为 45 调质钢 齿面淬硬后达 55HRC 减速箱的中心 距为 小齿轮厚度为 20mm 双片大齿轮厚度均为 10mm 6032m48 3 2 5 步进电动机的计算与选型 1 根据机械系统结构 计算加在步进电动机转轴上的总转动惯量 eqJ 滚珠丝杠的公称直径 16mm 总长 800mm 导程 4mm 材料密度 0dlhP X 向移动部件总重量 G 500N 337 850 kgcm 参照表 4 1 可以算的各个零部件的转动惯量 滚珠丝杠的转动惯量 0 4 42sLRJ 2kgcm 折算到丝杠上的转动惯量 0 01 w 初选的纵向步进电动机型号为 90BYG2602 从表 4 5 查的该型号电动机转子的转 动惯量 4 mJ2kgc 则加在步进电动机转轴上能够的总转动惯量为 3 26 eqmwsJ 2i 得 4 1Jkgc 2 步进电动机转轴所承受的负载转矩在不同的工况下式不同的 通常考虑两种 情况 一种情况是快速空载起动 工作载荷为 0 另一种情况是承受最大工作载荷 下面进行讨论 1 快速空载启动时电动机转轴所承受的负载转矩 eqT 由式 可知 包括三部分 eqTmaxf0Teq 快速空载启动时折算到电动机转轴上的最大加速转矩 单位为 N m ax 点胶机设计 悬臂式结构设计 16 移动部件折算时折算到电动机转轴上的摩擦转矩 单位为 N m fT 滚珠丝杠预警后折算到电动机转轴上的附加摩擦转矩 单位为 N m 0 因为滚珠丝杠副传动效率很高 根据式 可知 相对于 和200 1 YJhFPTi 0Tmax 很小 可以忽略不计 fT 3 27 eqmaxfT 根据式 考虑纵向链的总效率 计算快速空载启动时折ax260eqmeqaJnt 算到电动机转轴上的最大加速转矩 3 28 maxT260eqmeqaJnt 1 对应纵向空载最快移动速度的步进电动机最高转速 n 步进电动机有静止到加速至 转速所需要的时间 at mn 其中 3 29 max036vn X 方向空载最快移动速度 为 2400mm min ax X 方向步进电动机步矩叫角 为 1 5 X 方向脉冲当量 0 02mm 脉冲 将以上各式带入式 算得 500 max036vn mn inr 设步进电动机由静止到加速至 转速所需时间 0 4s 纵向传动链总效率at 0 96 则由式 maxT260eqmeqaJt 1 求得 0 056axN 由式 可知 移动部件运动时 折算到电动机转轴上的摩擦转矩为 2hfFPTi 摩 常州工学院毕业设计 17 3 30 2chfFGPTi 导轨的摩擦因数 滚动导轨取 0 004 垂直方向的工作负载 空载时取 0 cF 纵向传动总效率 取 0 7 则由式 得 2chfGPTi 0 001fNm 最后由式 求得快速空载启动时电动机转轴所承受的负载转矩为 0 057eqTmaxf 2 步进电动机最大静转矩的选定 考虑到步进电动机采用的是开环控制 当电网电压减低时 其输出转矩会下降 可能造成丢步 甚至堵转 因此 根据 来选择步进电动机的最大静转矩时 需要考eqT 虑到安全系数 这里取安全系数 K 4 则步进电动机的最大静转矩应满足 4 0 228maxjT eqNm 对于前面预选的 90BYG2602 行步进电动机 由表可知 其最大静转矩 37NmaxjT m 可见完全满足式 4 的要求 maxjT eq 3 步进电动机的性能校核 1 最快工进速度时电动机输出转矩校核 X 向最快工进速度 2400mm min 脉冲当量 0 02mm 脉冲 由式maxfv 求出电动机对应的运行频率 2400 60 0 02 Hz 2000Hz 从maxa60ffv maxf 90BYG2602 的运行矩频特性可以看出 在此频率下 电动机的输出转矩 5 0N m 远远大于最大工作负载转矩 0 057N m 满足要求 maxfT eqT 2 最快空载移动时电动机运行频率校核 点胶机设计 悬臂式结构设计 18 最快空载移动速度 2400mm min 对应的电动机运行频率 2000Hz 查表maxv maxf 得 90BYG2602 的极限运行频率为 20000Hz 可见没有超出范围 3 启动频率的计算 已知电动机转轴上的总惯量 4 1kg 电动机转子自身的转动惯量 4kgeqJ 2cmmJ 查表 4 5 可知电动机转轴不带任何负载时的最高空载启动频率 1800Hz 则 2cm qf 由式 可以求出步进电动机克服惯性负载的启动频率为 1 qLemffJ 3 31 qLeff 得 1264 9Hz 上式说明 要想保证步进电动机启动时不失步 任何时候的启动频率都必须小于 1264 9Hz 实际上 在采用软件升降时 启动频率选得很低 通常只有 100Hz 即 100 脉冲 s 综上所述 这里横向进给系统选用 90BYG2602 步进电动机 可以满足设计要求 3 3 Y 轴 前后 方向传动部件的选型与校核 3 3 1 脉冲当量的确定 根据设计的分析和计算要求 Y 方向 前后 为 0 01 mm 脉冲 Y 3 3 2 滚珠丝杠螺母副的计算和选型 1 最大工作载荷 Fm 的计算 最大工作载荷 Fm 是指滚珠丝杠副在驱动工作台时所承受的最大轴向力 也叫进 给牵引力 查表 3 29 由最大工作载荷 Fm 的实验计算公式 已知移动部件总重 G 1000N Fm G u 1000 0 005 5N 2 F Q最大动载荷的计算 假设 Y 方向最快的速度 v 1 2m min 初选丝杠基本导程 4mm 则此时丝杠转速hP n 1000v 300r min 取滚珠丝杠的使用寿命 T 15000h 一般机电设备取hP T 15000h n 为丝杠每分钟转速 代入 得丝杠寿命系数 270 单位60 1LnT 0L 为 r 610 常州工学院毕业设计 19 查表 3 30 取载荷系数 fw 1 1 再取硬度系数 1 0 Hf 代入公式 3 32 30QWHmFLf 得 3554 8NQF 3 初选型号 根据计算出的最大动载荷 查表 3 31 选用济宁博特精密丝杠制造有限公司生产 的 GD 系列 1604 3 型滚珠丝杠副 为内循环固定反向器单螺母式 其公称直径为 16mm 基本导程为 4mm 循环滚珠为 3 圈 2 列 精度等级取 5 级 额定动载荷为 4612N 大于 满足要求 QF 4 传动效率 的计算 一般在 0 8 0 9 之间 摩擦角一般取 10 将 16mm 4mm 代入0dhP 3 33 0arctn d 得丝杠螺旋升角 4 33 将摩擦角 10 代入 得传动效率 tan 96 4 5 刚度的验算 1 丝杠的拉伸或者压缩变形量 在总变形量中占的比重较大 左 右支承中心距离约 1 为 800mm 刚的弹性模量 查 机电一体化系统设计课程设计指导书 E52 0MPa 表 3 31 得滚珠直径 2 381mm 算得丝杠底径 13 1 则丝杠截面积wD2d 3 34 2 4S 得 S 134 7 2m 丝杠的拉伸或压缩变形量 可按下式计算 1 3 35 21mFaMESI 其中 I 为丝杠按底径 确定的截面惯性矩 单位为 2 4 点胶机设计 悬臂式结构设计 20 惯性矩 其中 号用于拉伸 用于压缩 由于转矩 M 一般较小 式42 6Id 中第二项在计算是可酌情忽略 所以 3 36 1mFaES 综上求得丝杠在工作载荷 Fm 作用下产生的拉 压变形量 1 4 10 4mm 1 2 滚珠与螺纹滚道间的接触变形量 可从产品型号中查出 或者可以后下式计算 2 无预紧时 3 37 23110 80mwFDZ 为有预紧时 3 38 223 10 10mwYJF 滚珠直径 单位为 mm wD Z 单圈滚珠数 外圈环 内圈环 0 wZdD 0 3wZdD 滚珠总数量 Z 圈数 列数 预紧力 单位为 N YJF 当滚珠丝杠副有预紧力 且预紧力达到轴向工作载荷的 1 3 时 值减小一半左2 右 单圈滚珠数目 Z 18 该型号丝杠为双螺母 滚珠总圈数为 3 2 6 圈 总滚珠总数 量 18 6 108 滚珠丝杠预紧时 取轴向预紧力 333 3N 则Z YJFG 7 9 10 5 mm 6 67 10 6mm 1 2 因为丝杠加有预紧力 且为轴向负载的 1 3 所以实际变形量可减小一半 取 3 33 10 6mm 2 3 将以上算出的 代入1 2 3 39 12 常州工学院毕业设计 21 得变形总量 0 085 m 由表 3 27 形成偏差和变动量知 5 级精度滚珠丝杠任意 630mm 800mm 轴向行程 内行程的变动量允许 36 而对于阔度为 800mm 的滚珠丝杠 总的变形量 只有 0 085 可见丝杠刚度足够 m 6 压杆稳定性校核 滚珠丝杠属于受轴向力的细长杆 如果轴向负载过大 则可能产生失稳现象 失 稳时的临界载荷 Fk 应满足 3 40 2kmfEIFKa 临界载荷 单位为 N k 丝杠支承系数 f 压杆稳定安全系数 一般取 2 5 4 垂直安装时取小值 K 滚珠丝杠两端支承间的距离 单位为 mm a 查表 3 34 由于课题要求为双推 双推则丝杠支承系数 4 有丝杠底径kf 13 1mm 求得界面惯性矩 14444 89 压杆稳定安全系数2d 42 6Id 4m K 取 3 滚动螺母至轴向固定处的距离 800mm 取最大值 代入上式 得临界载荷 6233N 远大于工作载荷 Fm 5N 故丝杠不会失稳 kF 综上所述 初选的滚珠丝杠螺母副满足使用要求 3 3 3 直线移动导轨副的计算与选型 1 滑块承受工作载荷 的计算及导轨型号的选取max 工作载荷是影响直线滚动导轨副使用寿命的重要因素 本设计中的 X Y 工作台为 水平布置 采用双导轨 四滑块的支承形式 考虑最不利的情况 即垂直于工作台面 的工作载荷全部由一个滑块全部承担 则单滑块所受的最大垂直方向载荷为 3 41 max 4FG 其中 移动部件重量 外加载荷 带入式 3 41 得最10N10zFN 点胶机设计 悬臂式结构设计 22 大工作载荷 查 机电一体化系统设计课程设计指导书 表 3 max350 FNk 41 根据工作载荷 初选直线滚动导轨副的型号为 系列的a KL 型 其额定动载荷 额定静载荷 35JSALG 4612aCN 0879aCN 任务书规定工作台面尺寸为 500 500mm 考虑工作行程应留有一定余量 查 机 电一体化系统设计课程设计指导书 表 3 35 按标准系列 选取导轨的长度为 600mm 2 距离额定寿命 的计算L 上述选取的 系列 型导轨副的滚道硬度为 工作温度不K35JSAG 60HRC 超过 每根导轨上配有两只滑块 精度为 4 级 工作速度较低 载荷不大 10C 查 机电一体化系统设计课程设计指导书 表 3 36 表 3 40 分别取硬度系数 H1 0f 温度系数 接触系数 精度系数 载荷系数 代入T f C0 81f R0 9f W 5f 式 3 27 得距离寿命 3 42 3HTCRaWmx50fLF 31 0 8097 446k5 远大于 故距离额定寿命满足要求 km 3 3 4 步进电动机减速箱的选用 为了满足脉冲当量的设计要求 增大步进电动机的输出转矩 同时也为了使滚珠 丝杠和工作台的转动惯量折算到电动机转轴上尽可能的小 今在步进电动机的输出轴 上安装一套无间隙齿轮减速箱 采用一级减速 步进电动机的输出轴与小齿轮联接 滚珠丝杠的轴头与大齿轮联接 其中大齿轮设计成双片结构 采用 机电一体化系统 设计课程设计指导书 图 3 8 所示的弹簧错齿法消除侧隙 已知工作台的脉冲当量 mm 脉冲 滚珠丝杠的导程 初选步进0 1 h4mP 电动机的步距角 根据 机电一体化系统设计课程设计指导书 式 3 12 算 1 5 得减速比 h360 4360 153iP 常州工学院毕业设计 23 本设计选用常州市新月电机有限公司生产的 JBF 7 型齿轮减速箱 大小齿轮模数 均为 1mm 齿数比为 60 36 材料为 45 调质钢 齿面淬硬后达 55HRC 减速箱的中心 距为 小齿轮厚度为 20mm 双片大齿轮厚度均为 10mm 6032m48 3 3 5 步进电动机的计算与选型 1 根据机械系统结构 计算加在步进电动机转轴上的总转动惯量 eqJ 滚珠丝杠的公称直径 16mm 总长 800mm 导程 4mm 材料密度 0dlhP 移动部件总重量 G 1000N 337 850 kgcm 参照表 4 1 可以算的各个零部件的转动惯量如下 滚珠丝杠的转动惯量 0 4 42sLRJ 2kgcm 折算到丝杠上的转动惯量 0 01 w2 初选的纵向步进电动机型号为 90BYG2602 从表 4 5 查的该型号电动机转子的转 动惯量 4 mJ2kgc 则加在步进电动机转轴上能够的总转动惯量为 3 43 eqmwJs 2i 得 4 1J2kgc 2 步进电动机转轴所承受的负载转矩在不同的工况下式不同的 通常考虑两种 情况 一种情况是快速空载起动 工作载荷为 0 另一种情况是承受最大工作载荷 下面进行讨论 1 快速空载启动时电动机转轴所承受的负载转矩 eqT 由式 可知 包括三部分 eqTmaxf0Teq 快速空载启动时折算到电动机转轴上的最大加速转矩 单位为 N m max 移动不见折算时折算到电动机转轴上的摩擦转矩 单位为 N m fT 滚珠丝杠预警后折算到电动机转轴上的附加摩擦转矩 单位为 N m 0 点胶机设计 悬臂式结构设计 24 因为滚珠丝杠副传动效率很高 根据式 可知 相对于 和200 1 YJhFPTi 0Tmax 很小 可以忽略不计 则有fT 3 44 eqmaxfT 根据式 考虑纵向链的总效率 计算快速空载启动时折ax260eqmeqaJnt 算到电动机转轴上的最大加速转矩 3 45 maxT260eqmeqaJnt 1 对应纵向空载最快移动速度的步进电动机最高转速 n 步进电动机有静止到加速至 转速所需要的时间 at mn 其中 3 46 max036vn Y 方向空载最快移动速度 为 2400mm min ax Y 方向步进电动机步矩叫角 为 1 5 Y 方向脉冲当量 0 02mm 脉冲 将以上各式带入式 算得 500 max036vn mn inr 设步进电动机由静止到加速至 转速所需时间 0 4s 纵向传动链总效率at 0 96 则由式 maxT260eqmeqaJt 1 求得 0 056axN 由式 可知 移动部件运动时 折算到电动机转轴上的摩擦转矩为 2hfFPTi 摩 3 47 chfGi 导轨的摩擦因数 滚动导轨取 0 004 常州工学院毕业设计 25 垂直方向的工作负载 空载时取 0 cF 纵向传动总效率 取 0 7 则由式 得 2chfGPTi 0 002fNm 最后由式 求得快速空载启动时电动机转轴所承受的负载转矩为 0 058eqTmaxf 2 步进电动机最大静转矩的选定 考虑到步进电动机采用的是开环控制 当电网电压减低时 其输出转矩会下降 可能造成丢步 甚至堵转 因此 根据 来选择步进电动机的最大静转矩时 需要考eqT 虑到安全系数 这里取安全系数 K 4 则步进电动机的最大静转矩应满足 4 0 232maxjT eqNm 对于前面预选的 130BYG3502 行步进电动机 由表可知 其最大静转矩 6NmaxjT m 可见完全满足式 4 的要求 maxjT eq 3 步进电动机的性能校核 1 最快工进速度时电动机输出转矩校核 Y 向最快工进速度 2400mm min 脉冲当量 0 02mm 脉冲 由式maxfv 求出电动机对应的运行频率 2400 60 0 02 Hz 2000Hz 从maxa60ffv maxf 90BYG2602 的运行矩频特性可以看出 在此频率下 电动机的输出转矩 5 0 maxfT N m 远远大于最大工作负载转矩 0 058N m 满足要求 eqT 2 最快空载移动时电动机运行频率校核 最快空载移动速度 2400mm min 对应的电动机运行频率 2000Hz 查表maxv maxf 的 90BYG2602 的极限运行频率为 20000Hz 可见没有超出范围 3 启动频率的计算 点胶机设计 悬臂式结构设计 26 已知电动机转轴上的总惯量 4 1kg 电动机转子自身的转动惯量 4kgeqJ 2cmmJ 查表 4 5 可知电动机转轴不带任何负载时的最高空载启动频率 1800Hz 则 2cm qf 由式 可以求出步进电动机克服惯性负载的启动频率为 1 qLem ffJ 3 48 qLeff 得 1264 9Hz 上式说明 要想保证步进电动机启动时不失步 任何时候的启动频率都必须小于 1264 9Hz 实际上 在采用软件升降时 启动频率选得很低 通常只有 100Hz 即 100 脉冲 s 综上所述 这里横向进给系统选用 90BYG2602 步进电动机 可以满足设计要求 常州工学院毕业设计 27 4 电气控制部分 4 1 控制要求 控制 X Y Z 三轴的正反方向运动 当按下启动按钮时 点胶头从原点开始运动 当到达程序设定的第一个点时 点 胶头开始出胶 并按照程序设定的路线走一个 凸 字形框 然后点胶头回到初始位 置 4 2 设计方案 操作方式设计为回原点 手动控制和自动控制 X Y Z 轴向直线运动 进退可 由手动或自动程序控制 调零动作由手动控制完成 驱动步进电机脉冲信号由编程产 生 采用计时与计数器命令来进行控制 4 3 PLC 简介 PLC 可编程逻辑控制器 是用于各种自动控制系统和过程的可控网络集线器 他们包含多个输入输出 输入输出是用晶体管和其它电路 模拟开关和继电器来控制 设备的 PLC 用软件接口 标准计算器接口 专门的语言和网络设备编程 可编程逻辑控制器 I O 通道规则包括所有的输入触点和输出触点 扩展能力和最 大数量的通道 触点数量是输入点和输出点的总和 PLC 可以指定这些值的任何可能 的组合 扩展单元可以被堆栈或互相连接来增加总的控制能力 最大数量的通道是在 一个扩展系统中输入和输出通道的最大总数量 PLC 系统规则包括扫描时间 指令数 量 数据存储和程序存储 扫描时间是 PLC 需要的用来检测输入输出模块的时间 指 令是用于 PLC 软件 例如数学运算 的标准操作 数据存储是存储数据的能力 程序 存储是控制软件的能力 用于可编程逻辑控制器的输入设备包括 DC AC 中间继电器 热电偶 RTD 频率或脉冲 晶体管和中断信号输入 输出设备包括 DC AC 继电器 中间继电器 频率或脉冲 晶体管 三端双向可控硅开关元件 PLC 的编程设备包括控制面板 手 柄和计算机 可编程逻辑控制器用各种软件编程语言来控制 这些语言包括 IEC61131 3 顺序 执行表 SFC 动作方块图 FBD 梯形图 LD 结构文本 ST 指令序列 IL 继电器梯形图 RIL 流程图 C 语言和 Basic 语言 IEC61131 3 编程环境能支持五 种语言 用国际标准加以规范 分别为 SFC FBD LD ST 和 IL 这便允许了多卖 主兼容性和多种语言编程 SFC 是一种图表语言 它提供了编程顺序的配合 就能支 持顺序选择和并列选择 二者择其一即可 FBD 用一种大的运行库 以图表形式建立 了一些复杂的过程 标准数学和逻辑运行可以与用户交流和接口运行相结合 LD 是适 用于离散控制和互锁逻辑的图表语言 它在离散控制上与 FBD 是完全兼容的 ST 是 一种文本语言 用于复杂的数学过程和计算 不太适用于图表语言 IL 是与组合编码 相似的低级语言 它用在相对比较简单的逻辑指令 继电器梯形图或梯形图是适用于 可编程逻辑控制器的重要的编程语言 梯形图编程是设计成继电器逻辑程序的图表表 示法 流程图是一种图表语言 用于在一个控制器或应用软件中描述顺序操作 它用 于建立有标准组件的可循环使用的运行库 C 语言是一种高级编程语言 适用于处理 点胶机设计 悬臂式结构设计 28 最复杂的计算 连续的数据采集任务 它典型地在 PC 机上运行调试 BASIC 语言是 用于处理数据的连续的数字采集和接口运行的高级语言 有几种基本的现在经常使用的计算机存储器类型 RAM 随机存储器 这种存储器速度很快 但是当没电时 它的内容将被丢失 这是一种不稳定存储器 每个 PLC 在运行时 都用这种存储器作为中央处理器 ROM 只读存储器 这种存储器是永久性的不可擦除的 它通常用于存放 PLC 的操作系统 EPROM 可擦除可编程只读存储器 这是一种像 ROM 一样可编程的存储器 但是它能用紫外线光擦除并且可以重新编程 EEPROM 电可擦除可编程只读存储器 这种存储器能像 ROM 一样存放程序 它能被编程并且用电压擦除 因此它正变得比 EPROM 更加普遍 所有的 PLC 系统都用 RAM 做 CPU 用 ROM 存储 PLC 的基本操作系统 当有电 时 RAM 的内容被保存 但是问题在于当供给存储器的电源失去时会发生什么 原先 PLC 卖主用带有电池的 RAM 这样如果不失电 存储器的内容就不会丢失 这种方法 现在仍被使用 但变得不那么受欢迎 EPROMS 也是 PLC 编程的比较好的选择 EPROM 在 PLC 外部编程 然后被放入 PLC 当 PLC 被启动时 在 EPROM 上的梯形 逻辑程序被下载 PLC 并且运行 这种方法非常可靠 但是擦除和编程技术都是很消耗 时间的 EEPROM 存储器是 PLC 的永久部分 程序能 EPROM 一样被存放在他们中 存储器的价钱一直在下降 新类型正变得可被利用 这些变化将继续对 PLC 系统发生 影响 4 4 驱动器的选用 驱动器性能对电机的依赖性极小 不同参数电机均可获得优异性能 对于 90BYG2602 型电机采用常州宝马集团公司生产的 BD36 Nb 型步进电机驱动器 常州工学院毕业设计 29 结 论 该机构能基本实现全自动化 也能通过半自动化调节 达到任务要求 在机械传 动方面 既采用了不使用减速机构 直接将步进电机输出轴联接丝杠 减小了传动中的 误差 也采用了使用减速机构 但是用双片薄齿轮错齿消隙的方法减小了传动误差 X Y Z 轴方向上的运动分别依靠三个电机带动丝杠而完成 即通过滚珠丝杠螺母副 将电机轴的回转运动转化成为工作台的直线运动 三个电机为设计时选取 在上述说 明书中已经进行详细说明 这次毕业设计 将我在大学四年学到的知识进行了一次汇总和应用 虽然在以前 学习的时候对各方面的知识都掌握了 但是直到运用时才感觉到差距很大 经历了毕 业设计 在把以前的知识进行了巩固之外也学到了很多新的知识 在学术上又更进了 一步 毕业设计期间我遇到过装配不合理问题 滑块尺寸选取过大问题 接线问题等等 但都在指导老师的帮助下一一进行了改正 设计是一件严谨的事情 我对自己所事的 行业和以后的岗位有了更深层的理解 毕业设计是让我们运用所学的知识 合理的设 计 安排我们所遇到的问题 是对我们四年来所学知识运用的考验也是难忘的学习经 历 毕业设计无论对学习还是以后的生活工作都是一次重要的经历 老师细心的指导 同学热心的帮助 大家一起改图到深夜 这些都将成为以后最美好的回忆 点胶机设计 悬臂式结构设计 30 参考文献 1 成大先主编 机械设计手册 M 化学工业出版社 2010 1 2 濮良贵 等 机械设计 M 高等教育出版社 2010 5 3 郭洪红主编 工业机器人技术 M 西安电子科技大学出版社 2006 3 4 张建民 机电一体化系统设计 M 北京北京理工大学出版社 1996 5 邓星钟 机电传动控制 M 华中科技大学出版社 2007 7 6 李启炎 计算机绘图 M 同济大学出版者 2004 7 7 孙桓 机械原理教程 M 西安西北工业大学出版社 1987 8 刘鸿文 材料力学 第四版 M 高等教育出版社 2004 1 9 丁树模 机械工程学 M 北京 机械工业出版社 2000 10 何铭新 钱可强 机械制图 M 高等教育出版社 2004 1 11 贾民