机械毕业设计（论文）-二维运动平台的结构设计【全套图纸】

说明书 设计题目：二维运动平台的结构设计 专业年级：机械设计制造及其自动化2011级 学 号： 姓名： 指导教师、职称： 2015 年 5 月 27 日目录中文摘要IAbstractII第一章 绪论31.1 二维运动平台的研究背景31.2二维运动平台的研究目标31.3二维运动平台的实现方式3第二章 步进电机、滚珠丝杆及联轴器的选型42.1滚珠丝杆及其选型42.1.1滚珠丝杆的基本原理42.1.2滚珠丝杆的基本参数42.1.3 滚珠丝杆的选型52.2步进电机及其选型62.2.1 步进电机的基本原理62.2.2 步进电机的基本参数82.2.3 步进电机的选型102.3联轴器及其选型122.3.1联轴器的作用和分类122.3.2 联轴器的基本参数132.3.3 联轴器的选型13第三章 二维运动平台的结构设计及研究153.1二维运动平台功能原理的确定153.2二维运动平台尺寸结构的设计15第四章 二维运动平台的模拟仿真204.1 二维运动平台的三维建模204.1.1 三维建模软件的选择204.1.2 二维运动平台三维模型的建立204.1.3 二维运动平台三维模型的分析244,2 二维运动平台的仿真分析244.2.1 仿真软件的选择244.2.2 二维运动平台的仿真24第五章 结论与展望255.1 结论255.2 展望25参考文献26致谢29中文摘要从第二次工业革命开始，机械化便已深深地扎根于我们的生活之中；对于现在人们日益增长的物质文化需求，原本的参杂大量人力的“老式”机械化生产已略显颓势；作为被誉为最可能是人类史上第三次工业革命的电子机械化，毫无悬念地取代了“老式”机械化生产；而其中的运动控制技术便是其时代下的典型产物，本文以运动控制技术为基础，根据运动指标的要求，完成二维运动平台的自动控制，并通过软件对平台进行运动仿真；本文大体可分为二维运动平台的机械结构设计，三维模型的建立以及运动仿真分析三大部分。就二维运动平台的机械结构设计，根据具体任务要求先从标准件的选型起手，确定标准件后着手设计平台的其他非标部分，并使用AUTOCAD绘制出相应的二维工程图，之后使用PRO/E以平台的二维工程信息为基础进行三维实体模型的建立，最后使用PRO/E的仿真模块对平台进行运动仿真，从而达成二维运动平台的设计。全套图纸，加153893706IIAbstractStarting from the second industrial revolution, mechanization has deeply rooted in our life; For now peoples growing material and cultural needs, originally mixed a lot human old-fashioned production mechanization has been slightly decline; As known as the most likely is the third time in the history of mankind, mechanization of industrial revolution of the electron, there is no suspense to replace the old mechanized production; And the motion control technology is a typical product, under the age of this article is based on motion control technology, according to the requirement of the movement indicators, complete automatic control of two-dimensional motion platform, and through software for motion simulation platform; This article can be divided into the mechanical structural design of two-dimensional motion platform, the establishment of three-dimensional model and movement simulation analysis of three parts. The mechanical structural design of two-dimensional motion platform, according to the specific mission requirements from selection of standard parts on hand first, determine the standard set out to design platform after other non-standard parts, and use AUTOCAD draw the corresponding two-dimensional engineering graphics, after using PRO/E based on the platform of the two-dimensional engineering information for the establishment of the three-dimensional entity model, finally using PRO/E simulation module to motion simulation platform, to achieve the design of the two-dimensional motion platform. 24第一章 绪论1.1 二维运动平台的研究背景制造业一定意义上可以说是一个国家的核心产业，历史告诉我们，一个国家若没有强大的制造业的支持，在现今这个弱肉强食的社会形势下是无法生存的；制造业在日常生活中无处不在，小到一只普通的铅笔，大至一个国家的军备设施。一个国家工业是否发达，从其制造业的水平上就能体现出来，人类历史上几次重大的技术革新形成了现今具有自动、精准、快速等特点的制造业。就目前而言，随着社会的高速发展，传统制造业正面临着前所未有的变革，机械制造取代人力制造已是大势所趋，作为20世纪发展最快、影响最大的自动控制技术可以说是实现现今机械制造的基础，也是最为核心、关键的技术之一；而又在现代工业生产与经济活动中，随着电子科学的不断进步，机电一体化的已逐渐成为现今制造业的主流之一。本文所设计的二维运动平台便是以固高科技的运动控制卡为核心控制部件，以软件编程为基础，以成本最低为原则，至少实现最为基本的工作平台的二维移动控制。现阶段市场上的二维运动平台多是机电一体化设备的基础部件，如数控车床的纵-横向进刀装置、数控钻或数控铣的X-Y工作台、电子元件表面贴装设备等。1.2二维运动平台的研究目标本文所设计的二维运动平台是以固高科技的运动控制卡为核心控制部件，以软件编程为基础，以成本最低为原则，实现最为基本的工作平台的二维移动控制。本文所设计的运动平台要实现通过软件的编程，让运动平台可以再一个二维平面上画出任何可以用线条组成的图形。1.3二维运动平台的实现方式由于经济，能力等因素的限制，本人经过多番考量，决定选用固高科技的运动控制卡作为本文设计的二维运动平台的核心控制部件，驱动电机采用日本松下公司生产伺服电机；型号为NO.MHMD022P1U。传动机构选用滚珠丝杆，用联轴器直接连接电机与丝杆，实现将电机的旋转运动转换为运动平台的直线运动。二维运动平台通过上下垂直分布的X、Y轴实现方向上的两个维度；通过平台的、Y方向上的移动，以一支固定的画笔实现在平台上作图。第二章 步进电机、滚珠丝杆及联轴器的选型2.1滚珠丝杆及其选型2.1.1滚珠丝杆的基本原理滚珠丝杆副早在19实际就已发明，其是在普通的螺母丝杆的基础上发展起来的，两者基本原理相同，滚珠丝杆是通过丝杆上已加工好的螺纹与螺母中的滚珠配合实现对对应的直线位移与旋转角度之间的互相转换，其具有传动效率高，定位精准等优点，是精密制造最为基础的零部件之一。若丝杆作为主动件便可以实现将直线运动转换为旋转运动，其直线位移与旋转角度之间的关系与丝杆的螺距、导程、线数等参数有关；反之，若螺母作为主动件则可以将旋转运动转换为直线运动。滚珠丝杆的实现形式有很多种，从循环方式上可分为外循环和内循环。外循环：简单的理解就是在滚珠循环过程中与丝杠有脱离接触的循环方式；外循环滚珠丝杆是以在螺母外表面外接插管的形式实现循环的，根据外循环的返回方式的不同，外循环滚珠丝杆主要可分为端盖式、插管式和螺旋槽式三种。端盖式滚珠丝杆：端盖式滚珠丝杆在螺母的端盖上加工有滚珠回程口，并在螺母中加工有纵向通道，利用端盖上的回程口引导滚珠进入纵向通道，令滚珠回到起始循环位置，参加下一次循环。插管式滚珠丝杆：插管式滚珠丝杆在螺母外侧设置有外接弯管，利用外接弯管作为回程通道引导滚珠回到起始循环位置，实现滚珠的循环，但由于设置外接弯管使其径向尺寸偏大，因此这类滚珠丝杆实用性偏低。螺旋槽式滚珠丝杆：螺旋槽式滚珠丝杆在螺母外圆上加工有与螺纹滚道相切的螺旋槽，并配合在槽加工出的通孔构成返回通道，引导滚珠实现循环。这种结构虽解决了插管式滚珠丝杆在径向尺寸偏大上的不足，但由于制造过于复杂，实用性也不高。内循环：简单点理解就是在循环过程中滚珠与丝杆始终未脱离接触的循环方式；内循环式滚珠丝杆一般采用反向器实现。作为现代高精度传动元件的代表，滚珠丝杆有其及其独特的优点，其具备传动效率高、精度高、可靠性高、无背隙与高刚性等优点。由于滚珠丝杠的丝杆与滚珠之间接触类型为点接触，属于滚动摩擦；因此其传动效率极高。一般情况下其效率约是普通的丝杆螺母副的二至四倍左右，可达90%98%。滚珠丝杆的精度高。由于其滚珠与丝杆及螺母之间的摩擦属于滚动摩擦，大大降低了运行过程中的摩擦阻力。又因为其滚珠与丝杆及螺母之间的接触为点接触，大大提高了其运行的灵敏度。因此可实现精密地控制输出元件的进给大小。2.1.2滚珠丝杆的基本参数螺纹的主要参数1）外径D（大径）：也被称作公称直径。是一虚构的圆柱面的直径。且该圆柱面与丝杆外螺纹牙顶圆相重合。2）内径d（小径）：把与丝杆牙底圆重合的虚构圆柱面的直径称作内径。3）中径：与丝杆上牙厚宽与牙间宽相等处重合的虚构圆柱面的直径作为内径。一般情况下这个值约等于螺纹的平均直径，即：。4）导程S：导程即螺距。其是螺杆每旋转一周螺母的轴向位移，是将中径圆柱面的母线与丝杆相邻两牙同侧之间交点的轴向间距作为导程S。5）线数n：丝杆的线数也称作头数，即是丝杆螺旋线的数目。丝杆线数越多，其传动效率就越高，但由于其制造复杂，一般情况下丝杆的线数都小于或等于4。导程=螺距线数。6）螺旋升角：螺旋升角也称作导程角，在中径圆柱面的母线上螺旋线切线与垂直于螺纹轴线的平面之间的角度，螺旋升角与螺纹的自锁与放松密切相关。7）牙型角：与螺纹牙型两侧相切平面间较小的夹角。2.1.3 滚珠丝杆的选型1) 滚珠丝杆公称直径的确定：公称直径也被称作外径。丝杆的直径与负载的大小有关，一般来说负载越大，丝杆的直径也就越大，且其值还与动额定负载及静额定负载有关。动额定负载：一般是指系统在运动转台下负载对丝杆的轴向力。静额定负载：一般是指系统在静止状态下轴受到系统施加的轴向力。通常在设计时只需考虑动额定负荷即可。另外，额定负荷与最大负荷并不相同，设计时应该是额定负荷大于实际负荷。根据任务要求取。2）滚珠丝杆导程的确定：导程与线速度有关，在输入转速不变的情况下，导程与线速度基本成正比。根据任务要求本处暂取导程=4mm。3)滚珠丝杆长度的确定：丝杆一般分为两个部分，即传动部分与支承部分。设计时一般只考虑其全长与螺纹长度两个参数。而螺纹长度中也可分为两个部分，设计时一般考虑其螺纹全长与螺纹的有效行程两个参数。螺纹全长指的是螺纹部分的总长，而螺纹的有效行程指的是螺母沿丝杆移动的理论长度。其间的关系为螺纹长度等于有效行程长度加上螺母长度再加上设计余量的长度。因此在设计时，丝杠全长=有效行程+螺母长度+设计余量+轴承长度+锁紧螺母长度。考虑到本文所设计的二维运动平台的行程，取滚珠丝杆的长度L=300mm。4)滚珠丝杆临界转速的计算：可由式21得出 （21）式中：表示滚珠丝杆的临界转速（）；表示支承系数（可见表21）；表示丝杆的螺纹底径（mm）；表示丝杆的临界长度（mm）。表21 滚珠丝杆的支承系数支承方式固定固定27.4固定支承18.9支承支承12.1固定自由4.3本文取因此可计算得出（）所以允许工作转速（）取。综上所述：选则规格型号为1604-3的滚珠丝杆。2.2步进电机及其选型2.2.1 步进电机的基本原理步进电机是安培定律实际应用的典型案例，它是利用通电线圈在磁场中会受到力的作用这一特性将电信号转换为机械交位移或直线位移的执行元件，步进电机一般由定子和转子两部分组成。定子上绕有绕组，即通电线圈。转子一般使用软磁或硬磁材料制作。当控制系统将一个脉冲加到定子绕组上时，步进电机则会以一个确定的旋转方向旋转一步，其中脉冲的频率决定电机的转速，而其旋转的角度则与输入脉冲个数成正比；因此，只要改变脉冲的数目或频率，就能达到精确控制电机旋转的目的。步进电机一般可分为反应式步进电机、永磁式步进电机和混合式步进电机三类。1)反应时步进电机图2-1 四相反应式步进电机原理图反应式步进电机其实是通过接通定子不同相上的电源，使其在定子上形成一个按一定规律旋转的磁场，利用物理上的原理：磁通总是力图使自己所通过的路径的磁阻最小，令其产生的磁阻转矩，从而带动转子按照一定的规律旋转，达到输出转矩的目的。图3-1为四相反应式步进电机工作原理示意图.四相步进电机按照通电顺序不同可分为单四拍（通电方式为ABCDA）、双四拍（通电方式为ABBCCDDAAB）、八拍（通电方式为AABBBCCCDDDAA）三种工作方式；其中步进电机的步距角的大小可由转子的齿数、绕组的相数和通电方式决定，式22可计算得出： （22）式中：C电状态系数（单拍取1，双拍取2）；m电机相数；Z转子齿数。若步进电动机通电的频率为，则步进电动机的速度为: （23）式中：的单位为Hz；n的单位为。2)永磁式步进电机一般将转子材料使用永磁材料的电动机称为永磁式步进电机。这类电机的转子是一对极或者多对极的永磁性金属，其定子上绕有两相或者多相通电线圈。如图3-2所示。当给定子绕组以A-B-A顺序施加直流电源时，转子就会以顺时针的方向转动；反之，同理，转子就会以逆时针方向旋转同一个角度。其步距角为，其中p电动机的级数，m电动机的相数。图2-2 永磁式步进电机原理示意图3)混合式步进电机混合式步进电机的结构相较普通电动机类而言复杂的多，其是依据永磁原理及变磁阻原理共同作用使其运转的。其电机的转子可分为铁心、永磁体以及旋转轴；其励磁源便是永磁体，可给磁路励磁，转子的铁心是用作引导磁路分布的，旋转轴是用作转矩的输出。在转子铁心的外圆周上均匀地开有许多小齿，转子一般可分为N极与S级两段；如图所示，转子N极与S极的齿中心线沿着轴向相互错开半个齿。图2-3 混合式步进电机原理示意图如上图所示，转子磁钢充磁后，A端转子的铁心呈现N极性，B端转子的铁心呈现S极性。当定子每相绕组依次施以直流电信号的情况下，转子每次将会旋转一个角度；其值为 （24）式中：Z表示步进电机转子齿数；表示运行拍数2.2.2 步进电机的基本参数1)步距角控制器每发出一个电脉冲信号，电机转子对应转过的角位移的理论值称为步距角；它一般不是电机实际步距角。用表示步距角则有： （25）式中：转子齿数；运行拍数2)相数将电机内部通电线圈的组数称作电机的相数，电机相数不同，其步距角也不相同。3)齿距角电机的齿距角表示相邻两齿中心线间的所构成的角度。用表示齿距角可得： （26）式中：表示转子齿数4)保持转矩也被称作最大静转矩，是通电步进电机在额定电流下不产生连续旋转的转矩的极限值；一般情况下，其值在电机低速运行时约等于保持转矩。6)矩角特性是指各项绕组的通电状态均不变的，步进电机的静转矩与失调角之间的关系，即，如图24所示图24 步进电机的矩角特性7)最大静转矩每项绕组在保持一定通电状态的情况下，电机所能达到最大力矩称之为最大静转矩。8)响应频率也被称为极限启动频率或跳变频率；是指电动机在稳定运行的状态下，不产生失步的最大频率。9)启动矩频特性在外加力一定的情况下，起动频率与负载转矩之间的关系称之为起动矩频特性，也叫作牵入特性。如图25所示。图25 矩频特性10)运行矩频特性当负载惯量一定时，运行频率与负载转矩之间的关系称只为运行矩频特性，又称为牵出特性。如图25所示。11)运行频率指外力一定，频率连续增加的情况下，电动机能够运转且不失步运行的频率的最大值。12)惯频特性指在负载力矩不变的情况下，频率和负载惯量之间的关系。如图26所示。图26 惯频特性13)单步响应是指电机在通电而不运行时，变动电压的数值，转子从启动到停转的运行轨迹。如图27所示。图27 单步响应2.2.3 步进电机的选型对与电动机型号的选取，一般要负荷一下三个要求：电动机的步距角应该符合系统脉冲当量的要求；步进电机的最大静力矩应符合传动系统的空载启动力矩要求；电动机的额定电流应略大于其工作状态下的电流。1)系统脉冲当量的确定系统的脉冲当量指的是当操作系统给定一个定位脉冲时，运动机构对应其脉冲信号而产生移动的距离。对于开环系统而言，其值取0.005- 0. 01毫米较为合适，本文定脉冲当量为0.01毫米。2)电机步距角的确定电机步距角可以由式27得出 （27）式中：表示电机的步距角；表示丝杆的螺距mm；表示系统的脉冲当量mm。将，带入式26可得：因此步距角。3)负载力矩的计算电动机轴上的负载力矩一般由切削分力产生的切削负载力矩、导轨摩擦力产生的摩擦负载力矩、滚珠丝杠的预紧力产生的附加负载力矩三部分构成。由于本文设计的是二维运动平台，不存在切削负载力矩，因此只需计算摩擦负载力矩与附加负载力矩即可。摩擦负载力矩（）由式28可以得出 （28）式中：丝杠的轴向负载力；L电机每旋转一圈，系统轴向移动的位移；系统的总效率，取=0.9。将，带入式27中得：因滚珠丝杠预紧力产生的附加负载力矩可从式29得出 （29）式中：滚珠丝杠的预紧力N；滚珠丝杠的导程m；滚珠丝杠的效率，取=0.98。将；带入式28得：通过上面计算结合式29可得负载力矩T （210）所以所选电机的将带入式210可得：4)电机额定电流的确定由于本文制作的二维运动平台工作在市电380伏电压下，可大致取其额定电流为1.6安培。综上所述，本文选取松下型号为MHMD022P1U的伺服电机坐位本文二维运动平台的电机。2.3联轴器及其选型2.3.1联轴器的作用和分类联轴器是用来传递扭矩的机械结构。现在市场上的联轴器一般可以分为刚性联轴器、挠性联轴器以及安全联轴器三大类。其中刚性联轴器又可以分为凸缘式联轴器、套筒式联轴器以及甲壳式联轴器；安全联轴器又可以分为挠性安全联轴器、刚性安全联轴器以及永磁联轴器。目前市场上应用较为广泛的联轴器有一下几种：1)弹性联轴器：一体成型的金属弹性体，具有零回转间隙、可同步运转，较高的抗扭矩性；较高的刚性以及较高的灵敏度，顺时针与逆时针的回转特性完全一致，无需维护、抗油及耐腐蚀性高等特点。通常情况下比较适用于旋转编码器、步进电机。2)膜片联轴器：使用环形或着方形弹性不锈刚片变形制成，具有高刚性；高转矩、低惯性；高扭矩刚性以及高灵敏度；零回转间隙；顺、逆时针回转特性一致，无需维护、抗油及耐腐蚀极强的优点。通常情况下比较适用于伺服电机、步进电机。3)滑块联轴器：具有使用方便；安装简单；尺寸应用范围广；转动惯量小；方便目测检验；轴套和中间件之间的滑动能容许大径向和角向偏差。如图28所示。适用于普通微型电机。图28 滑块联轴器示意图5)梅花联轴器：其梅花弹性体有四瓣；六瓣；八瓣及十瓣，紧凑、无齿隙，提供三种不同硬度弹性体，固定方式有顶丝，夹紧，键槽固定，具有结构简单、方便维修、便于检查。可吸收振动；可补偿径向和角向偏差等优点。通常情况下比较适用于伺服电机、步进电机。6)刚性联轴器：主体材质一般是铝合金或者不锈钢，无法容许偏心，具有重量轻，低惯性和高灵敏度，无需维护，抗油性及耐腐蚀性能好等特点。通常情况下比较适用于伺服电机、步进电机。2.3.2 联轴器的基本参数公称扭矩：联轴器的公称扭矩就是使该轴在受到该扭矩扭转运行时能够不让联轴器产生疲劳断裂的扭矩的最大值。许用转速：联轴器的许用转速范围会根据联轴器的材料的不同而发生改变，其为材料允许的线速度和最大外缘尺寸，因此可以通过改变联轴器的材料来提高联轴器许用转速范围。计算转矩：故名思义，通过计算得出的转矩，可通过理论转矩及其工况系数之间的关系得出，是联轴器选型的主要参数之一。联轴器联接尺寸：包括轴的直径d和轴的长度L。2.3.3 联轴器的选型联轴器的选型大致可分为转矩计算、初选型号、调整型号三部分。1）转矩的计算：可根据动力机的功率和转速计算得到高速端的理论转矩T；并能依据工况系数和其他相关系数，计算得出联轴器的计算转矩。联轴器的理论转矩： （211）式中：表示驱动功率kW；n表示工作转速。由电机的型号可知，带入式211可得：联轴器计算转矩： （212）式中：表示动力机系数；表示工况系数；表示启动系数；表示温度系数。通过查表可得=1.0，=1.0，=1.0，=1.1，带入式212可得：2）初选型号：由计算转矩Tc通过查表，从标准系列选取与计算转矩值相近的公称转矩Tn，并且应符合计算转矩公称转矩。然后初步选定联轴器的型号；确定其的最大径向尺寸D和轴向尺寸。通过查表可初选联轴器的型号为：GB1175，并从表中可知D=10mm，=20mm3）型号调整：通过已选型号，初步确定联轴器的直径d和长度L，若不满足主、从动端轴径的要求，还要依据轴径d调节联轴器的型号。由于已选滚珠丝杆与电机的型号，因此经过调整最终选取联轴器的型号为：GB11712。第三章 二维运动平台的结构设计及研究3.1二维运动平台功能原理的确定本课题所设计的二维运动平台，要求能够同时承受上下左右等各个方向的载荷，并且在伺服电机的控制下能够精确完成XY定位，达到毫米级的定位精度。二维运动平台是伺服步进电机