二維運動平臺的結(jié)構(gòu)設(shè)計【說明書+CAD+PROE】
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黃河科技學院畢業(yè)設(shè)計(論文)文獻翻譯 第 18 頁 非正交主軸與工作臺型五軸工具機后處理程序開發(fā)黃昭堂.佘振華摘要:后處理程序是將刀具位置數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成加工操作所需數(shù)據(jù)的重要接口,其對五軸工具機來說是非常復(fù)雜的,因為在五軸工具機中線性軸和旋轉(zhuǎn)軸是同動的。以前大部分的五軸后處理方法研究只局限于正交的工具機構(gòu)型,本論文針對主軸型與工作臺型及工作臺/主軸型有非正交旋轉(zhuǎn)軸的五軸工具機開發(fā)其后處理算法,這種構(gòu)型的工具機具有從立式加工轉(zhuǎn)換為臥式加工的優(yōu)點。本文以齊次坐標轉(zhuǎn)換為基礎(chǔ),利用運動學的前向轉(zhuǎn)換,求得五軸工具機的形狀創(chuàng)成函數(shù)矩陣,再由逆向轉(zhuǎn)換,解出工具機各軸運動的解析方程。后處理程序中的線性算法是為了保證加工的精確性而開發(fā)的。五軸后處理程序接口是利用Borland C+、Builder與OpenGL開發(fā),以產(chǎn)生三種構(gòu)型的NC碼,經(jīng)由商業(yè)實體切削仿真軟件VERICUT驗證及試加工實驗,證實所提出的后處理方法論的可行性。關(guān)鍵詞:后處理、五軸加工、形狀創(chuàng)成函數(shù)、非正交旋轉(zhuǎn)軸1、引言五軸工具機被越來越多地的用戶所使用的,特別是用于加工復(fù)雜自由曲面。傳統(tǒng)的五軸工具機有三個正交的線性軸和旋轉(zhuǎn)軸。這里所說的旋轉(zhuǎn)軸通常是指與相互正交的中心線平行的線性軸。各國的機械工具制造商,如Makino,Ingersol和Deckel Maho,將非正交旋轉(zhuǎn)軸或工作臺進行改進使機器具有更好的多功能性和靈活性?!胺钦弧笔侵篙S旋轉(zhuǎn)體的振蕩運動,這類似與一張桌子上的硬幣的緩慢旋轉(zhuǎn)。五軸工具機有一個旋轉(zhuǎn)軸的傾斜面1,而不同于平行的直線軸,它提供的優(yōu)勢可使切削刀具在一個半球內(nèi)指向任意角度2,3。這種機器可以在連續(xù)的水平和垂直位置移動。非正交旋轉(zhuǎn)軸為生產(chǎn)航空部件及汽車頭部提供了便利。運動經(jīng)電機主軸傳遞給空心軸和齒輪4。由于線性和旋轉(zhuǎn)運動同時作用在五軸數(shù)控機床上,導(dǎo)致了五軸數(shù)控程序比三軸數(shù)控程序更加的復(fù)雜。后處理程序必須利用刀具位置(CL)將數(shù)據(jù)從凸輪系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為機器控制數(shù)據(jù)。盡管先進的控制器可以接受實時的數(shù)據(jù),而不需要后處理,但他們是相當昂貴的5。該方法主要可以分為三類:圖形 6,7 和坐標數(shù)值迭代8-10。由坐標變換方法解析方程,產(chǎn)生的數(shù)控數(shù)據(jù)最有效,它已被廣泛采用在最近的研究中。然而,幾乎所有的這些方法包括后處理方法均采用正交旋轉(zhuǎn)軸五軸工具機。研究解決非正交配置的相對較少。例如,有為主軸傾斜式發(fā)展的非正交旋轉(zhuǎn)軸五軸機床后處理程式11。最近,Sorby 12發(fā)表了一篇關(guān)于封閉形式五軸工具機的非正交旋轉(zhuǎn)工作臺論文。然而,該解決方案具有一定的局限性。例如,工件原點的偏移向量和二次主旋轉(zhuǎn)不明確,及角度傾斜45度的非正交軸的固定。本研究開發(fā)一種后置的雙主軸和工作臺五軸工具機?;邶R次坐標變換矩陣的解析方程,確定方程的一般形式;偏移向量定義為從工件的起始位置回轉(zhuǎn)至工作臺,偏移向量在非正交軸中是可變的。此外還包括線性化算法的后處理開發(fā),保證加工精度。一個基于后處理是開發(fā)和圖形界面動態(tài)顯示的表面模型議案的提出幫助用戶輸入相關(guān)參數(shù)正確。此外,生成的NC數(shù)據(jù)進行驗證,使用商業(yè)實體切削仿真軟件VERICUT 13進行五軸加工實驗工具機的非正交旋轉(zhuǎn)工作臺的后處理方法確認。2、五軸工具機的配置與類型大多數(shù)五軸工具機有兩個旋轉(zhuǎn)軸作為常規(guī)X軸,X軸和Z軸。五軸機床可分為三種類型:主軸型,工作臺型和工作臺/主軸型。商業(yè)方面用正交配置,如圖1所示三種類型。圖1(a)為非正交旋轉(zhuǎn)主軸型。圖1(b)為非正交旋轉(zhuǎn)工作臺型,如Deckel Maho DMU 70改進型 15,其在工作臺上具有兩個旋轉(zhuǎn)軸,和一個平行與Z軸而與非正交旋轉(zhuǎn)軸存在一定的傾斜角度的旋轉(zhuǎn)軸(C軸)。圖1(c)為工作臺主軸型,如Deckel Maho 200P 15,其中一個旋轉(zhuǎn)工作臺(c)是以在工作臺上的非正交旋轉(zhuǎn)軸(B軸)為主軸。由于作者已經(jīng)提出過主軸型非正交旋轉(zhuǎn)主軸的后處理程序,本研究著重于發(fā)展與其他兩種配置的后處理。五軸機床可以看作是平動與旋轉(zhuǎn)運動組合的機床。正向運動學方程必須建立數(shù)學模型來描述刀具相對于工件的切削運動?;镜淖鴺俗儞Q矩陣,包括Trans矩陣和Rot矩陣 16 。Trans矩陣式可以表示如下:Trans(a,b,c)表示矢量a i+b j+c k一般Rot矩陣用來描述旋轉(zhuǎn)的主軸單元。本坐標系設(shè)定;則Rot矩陣可以表示為: 其“C”和“S” 分別為余弦和正弦函數(shù),且 圖1五軸工具類型:a.主軸型 b.工作臺型 c.工作臺主軸型3、后處理程序3.1工作臺傾斜型圖2描繪了相關(guān)的坐標系配置。工件坐標系為而為刀具坐標系。由于這兩個旋轉(zhuǎn)軸并不相交,則必存在一條公法線垂直于兩軸。公法線分別與C軸和B軸相交于RC和RB點。偏移向量為從原點至RC,而偏移向量為從RC至RB。 圖2傾斜型坐標系組成機床的結(jié)構(gòu)有:回轉(zhuǎn)工作臺C,回轉(zhuǎn)工作臺B,機床床身, X軸方向工作臺,Y軸方向工作臺,Z軸方向工作臺,主軸和刀具。根據(jù)刀具與工件的相對位置和方向,將從工件開始至刀具完成的過程稱為形式塑造功能,17。這種機床的形式塑造過程,用數(shù)學矩陣形式表示如下: 其中Px,Py和Pz分別表示X,Y和Z軸的相對距離。和分別為與C軸和B軸的旋轉(zhuǎn)角度。采用右手螺旋定則判定+C和+B。方程(3)表示的函數(shù)矩陣,結(jié)合機床參數(shù)Px,Py,Px,和。第一步是計算刀具所需的旋轉(zhuǎn)角度,二是根據(jù)已知的旋轉(zhuǎn)角中心位置的直線計算所需的位置關(guān)系。當?shù)毒呶恢煤偷毒叩姆较蛳蛄看_定后,CL數(shù)據(jù)可用矩陣形式表示如下:由于方程(3)和(4)都表示相同的刀具和工件之間的關(guān)系,聯(lián)立這兩個矩陣,確定所需的參數(shù)。結(jié)合兩個矩陣得到下列公式: 首先可以確定,的值。代入式(5)得:值得注意的是,在范圍內(nèi)的表達方式如下:如果范圍在到0之間,方程應(yīng)修改為式(8)所示。另一方面,如果同時滿足以上兩種情況,則以最小的旋轉(zhuǎn)角選擇算法。此外,將式(5)對應(yīng)的第一值第二值聯(lián)立求解線性方程組得到: 由于方程(9)和(10)分母是相同的,總是正的,C軸轉(zhuǎn)角可以確定如下: 其中arctan2(y,x)是在范圍內(nèi)的函數(shù)返回值,表示y和x的夾角16。此外,結(jié)合矩陣(6)式兩邊的相應(yīng)參數(shù),產(chǎn)生三個未知數(shù)Px,Py和Pz。聯(lián)立方程組,設(shè)定程序坐標系為工件坐標系。因此,可以得到所需的NC數(shù)據(jù)(記為x,y和z),考慮兩個偏移向量和,并表示為如下: 3.2工作臺/主軸傾斜型工作臺/主軸傾斜型有一個旋轉(zhuǎn)主軸和一個旋轉(zhuǎn)軸的工作臺。圖3分別顯示了C軸和B軸上的兩個交點RC和RB。交點RC位于C軸上任意點,交點B為非正交旋轉(zhuǎn)B軸和刀具的交點。偏移向量是按從原點到交點RC,有效刀具長度代表交點RB和刀尖中心之間的距離,。由其造型函數(shù)矩陣可以得到坐標變換矩陣如下:圖 圖3工作臺/主軸傾斜型坐標系統(tǒng) 等值式(14)式(15)聯(lián)立得: 結(jié)合參數(shù),可以采用同工作臺傾斜型的計算過程。但要注意的是, NC參考點,在此假設(shè)為交點RB。這個定義是根據(jù)主軸傾斜和工作臺/主軸傾斜型得來,而且使用的是相同的商業(yè)后處理器程序的軟件包。完整的NC數(shù)據(jù)的分析方程可以表示為: 3.3線性問題從理論上講, CAD / CAM系統(tǒng)生成的CL數(shù)據(jù)是以假設(shè)刀具在連續(xù)兩個點之間的線性移動為基礎(chǔ)。然而,實際的刀具與工件的運動軌跡并不是直線和旋轉(zhuǎn)軸移動同時進行。彎曲的路徑偏離線性插值的連續(xù)路徑點之間的直線路徑被稱為線性問題。以下算法可以解決這個問題。假設(shè),在圖4中 為三個相鄰的CL數(shù)據(jù)點。矢量Pn的矩陣形式可表示為,其中和組成刀尖的中心位置,和組成刀具的方向。 相應(yīng)的機床數(shù)控代碼Pn為。由于五軸同時從當前位置Pn移動到隨后的位置的Pn+1,每個軸之間移動假定為線性的18。因此,實際的曲線路徑的每個點可以表示如下:其中t是一個虛擬的時間坐標。其中CL數(shù)據(jù)和為正值。例如,工作臺傾斜型的式(5)、(6)和工作臺/主軸傾斜型的式(16)、(17)。此外,在理想的線性刀具路徑下每個點可以決定如下:理想的線性刀具路徑實際曲面刀具路徑內(nèi)插刀具路徑圖4多軸加工線性問題圖5后處理程式對話框:a工作臺傾斜型 b工作臺/主軸傾斜型圖6工作臺傾斜型生成NC數(shù)據(jù)對話框之間的距離為偏差。如果最大偏差超過規(guī)定的公差,應(yīng)將插入到原CL數(shù)據(jù)。理論上,必須采取數(shù)值迭代方法計算。實際上,中間點,t=0.5,常被選為候選點10。將中間點插入后,即可以生成相應(yīng)的數(shù)控代碼。4、討論1非正交旋轉(zhuǎn)軸的主要特征是在同一臺機床上水平位置和垂直位置之間的連續(xù)運動。在當前商業(yè)工具機的配置中,可以由以上方程得出非正交旋轉(zhuǎn)軸傾斜45度??梢阅霉ぷ髋_型傾斜是用來作為一個例子,方程(5)表示刀具相對于工件的方向。在初始位置,工作臺水平,可以確定。非正交旋轉(zhuǎn)軸假定繞x軸旋轉(zhuǎn)角使矢量及。將以上條件代入式(5)且,產(chǎn)生了如下方程:解得,。因此,當工作臺轉(zhuǎn)動角度,非正交旋轉(zhuǎn)軸B軸轉(zhuǎn)動/4時工作臺的處于垂直位置。 圖7工作臺/主軸傾斜型生成NC數(shù)據(jù)對話框2、非正交坐標系的采用提高了五軸工具機床靈活性。然而,在CL數(shù)據(jù)方面是有限制的。只有在方程(7)顯示的條件滿足時方能使用。當非正交軸設(shè)置在45度角時,的取值范圍在。所以,為負值時,通過CAD / CAM軟件生成的CL數(shù)據(jù)無法進行加工。3、生成的NC數(shù)據(jù)是一個普遍的形式,它可以運用到正交配置中。工作臺傾斜型就是一個例子。如果向量W是在X軸方向,且Wx =1 Wy=Wz= 0就是CA工作臺傾斜性的配置。分析方程中的NC數(shù)據(jù),例如Y軸的值,與文獻8中的一致,可以表示如下:注意,在所列舉的例子中,假設(shè)兩個旋轉(zhuǎn)軸相交且偏移向量用于推導(dǎo)上述方程。4、基于和,刀具解可能通過,且12, 18未知的點。該點發(fā)生在且C軸平行于刀具軸時。正如在圖4所示,如果當Pn+1是該點時, 在理論上可以是任意的值,因為Pn+2是未知的。Pn+2應(yīng)進一步確定,以確保的值是在該連續(xù)兩個點之間的線性變化。 的值可定義為Pn到Pn+2之間的距離。5、在實際的多軸加工中進給速度控制是一個重要的問題。大多數(shù)控制器,如FANUC公司和Cincinnati Milacron公司采用字符(FRN)和G93代碼來控制進給速度。FRN由工件的進給率的所決定。當兩個或兩個以上線性軸旋轉(zhuǎn)運動時,路徑長度的確定變得非常復(fù)雜。在大多數(shù)情況下,實際的路徑長度可以充分接理論的線性位移19。5執(zhí)行和核查5.1軟件實現(xiàn)在Windows XP環(huán)境中使用BorlandC + 、Builder編程語言和OpenGL圖形庫。采用一個半徑為35mm、的半球進行加工說明。 CL數(shù)據(jù)通過商業(yè)CAD / CAM軟件與PowerMILL20產(chǎn)生。機床采用工作臺傾斜型與工作臺/主軸傾斜型的二種形式的工具機,進行了測試。圖5(a)所示工作臺傾斜型配置后處理器開發(fā)軟件對話框。用戶可以用鼠標的旋轉(zhuǎn)放大機床表面模型。當用戶輸入相關(guān)參數(shù),如偏移向量從C軸中心點開始時,系統(tǒng)會顯示數(shù)字,以幫助用戶輸入正確的參數(shù),如圖6所示。最后,點擊“文件”菜單打開CL數(shù)據(jù),生成NC代碼。圖5(b)和圖7顯示的是工作臺/主軸傾斜型啟動和實施環(huán)節(jié)的對話框,。值得注意的是,設(shè)值長度是從壓刀尖中心到工作臺表面。5.2實體切削仿真實體切削仿真軟件VERICUT是用來生成數(shù)控加工數(shù)據(jù)。軟件中有可供選擇的原材料,刀具的規(guī)格尺寸,數(shù)控數(shù)據(jù),控制器的類型,及物理性能不同的數(shù)控加工工具,它可以用數(shù)控數(shù)據(jù)來模擬材料去除過程。工作臺傾斜型工具機用產(chǎn)品仿真和成品加工進行驗證,如圖8所示。相關(guān)參數(shù)如圖6所示。圖8 工作臺傾斜型的VERICUT軟件模擬圖9工作臺/主軸傾斜類型的VERICUT軟件模擬圖9所示工作臺/主軸傾斜類型的VERICUT軟件模擬。如前所述,根據(jù)圖7,應(yīng)設(shè)置相關(guān)參數(shù)。B軸的向量為。偏移向量從程序原點到旋轉(zhuǎn)刀具軸。5.3實驗驗證 生成的五軸聯(lián)動數(shù)控數(shù)據(jù)要進一步驗證。工作臺傾斜型五軸加工中心(DECKEL MAHO DMU70改進型)配備Heidenhain iTNC530用于半球形工件加工。這項實驗是在下列條件下進行:(1)兩個球頭直徑為10毫米和4毫米的刀具分別用于粗加工和精加工(2)主軸轉(zhuǎn)速5000rmin,進給速度為1000mm/min(3)工作臺采用7075鋁合金材料制造。應(yīng)該注意的是,本機床C軸的正方向是刀具沿著Z軸的負方向。C軸的實際數(shù)控數(shù)值再式(11)中為負值。圖10顯示了實際的加工過程,揭示正確的后處理程式,能成功生成NC數(shù)據(jù)。圖10 DECKEL MAHO DMU1070改進型機床的實際加工實驗 a.粗加工 b.精加工六、結(jié)論 非正交工作臺和主軸型五軸工具機床的后處理程序有了一定的發(fā)展。一般的NC數(shù)據(jù)是由齊次坐標變換矩陣,正向和逆向運動學的分析來確定的。生成的NC數(shù)據(jù)對那些旋轉(zhuǎn)軸需要相互交叉和非正交軸的傾斜角度為變量的這類機床是有用的。產(chǎn)生的可變傾斜角能增加派生方程的有效性,從而NC數(shù)據(jù)可降低正交型的配置。該種算法也可以應(yīng)用到線性軸和旋轉(zhuǎn)軸非正交的多功能磨/轉(zhuǎn)機床中21,目前這項工作正在進行。致謝 對中華人民共和國理事會NSC95-2221-E-150-101的財政資助深表感謝。同時也對金屬工業(yè)研究發(fā)展中心提供五軸設(shè)備,及對在臺灣Delcam公司的Bacchus Yu先生提出的有效建議意見表示感謝。參考文獻1.Goode KF, Rockford IL (1983) Tool head having nutating spindle,US Patent No. 43700802.Makino (2003) 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OKUMA MULTUS, URL: http:/www.okuma.co.jp/english/本科畢業(yè)設(shè)計任務(wù)書 信息與機電工程系 填寫時間:2015年05月27日課題名稱二維運動平臺的結(jié)構(gòu)設(shè)計學生姓名專業(yè)、學號機械設(shè)計制造及其自動化116712156畢業(yè)設(shè)計基本要求、重點需要研究的問題基本要求:完成兩自由度運動平臺基本結(jié)構(gòu)的設(shè)計并繪制其二維裝配圖及一些主要部件的零件圖,繪制運動平臺的三維模型并對其進行仿真。重點研究問題:對運動平臺的可行性進行分析,主要針對其三維模型的仿真。計劃進度安排2014.11.1-2015.1.23 查閱相關(guān)文獻,對市場上現(xiàn)有的運動平臺做一個基本的了解2015.1.24-2015.3.31 列出畢業(yè)設(shè)計說明書基本框架并完成主要內(nèi)容2015.4.11-2015.4.29 完成畢業(yè)設(shè)計說明書初稿2015.4.30-2015.5.14 補充、完善,完成畢業(yè)設(shè)計說明書終稿應(yīng)收集的資料及主要參考文獻滾珠絲杠副的選型自動化J.陜西工學院學報,2004,04:12-14.石東峰.步進電機的原理及選型J.科技與企業(yè),2011,10:44.覃攀.基于MM440二維運動平臺控制的研究D.天津科技大學,2011.付秋蘭,吳俊嶺.機械制圖與計算機繪圖的融合J.黑龍江科技信息,2008,08:169.易飚.Proe(MXD)運動仿真與機構(gòu)運動分析實例J.蘇州市職業(yè)大學學報,2004,04:81-83.指導(dǎo)教師(簽名): 職稱: 系(教研室)主任(簽名):分管院長(簽章):本科畢業(yè)設(shè)計開題報告設(shè)計題目: 二維運動平臺的結(jié)構(gòu)設(shè)計 專業(yè)年級: 11級機械設(shè)計制造及其自動化 學 號: 116712156 姓 名: 指導(dǎo)教師、職稱: 2015年 05月 27日1、 本設(shè)計課題的目的意義制造業(yè)是一個國家的工業(yè)基礎(chǔ),它直接體現(xiàn)了一個國家的生產(chǎn)力水平,因此制造業(yè)水平的高低是衡量一個國家工業(yè)發(fā)達程度的重要標志;在中國,制造業(yè)是國家的支柱產(chǎn)業(yè),發(fā)展態(tài)勢良好;然而隨著我國人口紅利的消失,人工費用的增長,傳統(tǒng)制造業(yè)依靠人力發(fā)展的道路已無法適應(yīng)社會的發(fā)展。就目前而言,隨著社會的高速發(fā)展,傳統(tǒng)制造業(yè)正面臨著前所未有的變革,機械制造取代人力制造已是大勢所趨,而自動控制技術(shù)作為實現(xiàn)機械制造最為核心、關(guān)鍵的技術(shù)之一,就尤顯其重要性;本文所設(shè)計的二維運動平臺便是以固高科技的運動控制卡為核心控制部件,以軟件編程為基礎(chǔ),以成本最低為原則,至少實現(xiàn)最為基本的工作平臺的二維移動控制。2、 本設(shè)計課題的主要設(shè)計、預(yù)期設(shè)計結(jié)果主要設(shè)計內(nèi)容:(1)二維運動平臺的工作原理;(2)二維運動平臺部件參數(shù)的選擇;(3)二維運動平臺的整體結(jié)構(gòu)尺寸。預(yù)期設(shè)計結(jié)果:以目前市場上現(xiàn)有的二維運動平臺的實現(xiàn)方式作為參考,結(jié)合任務(wù)書中的要求設(shè)計二維運動平臺。關(guān)鍵問題:1、整體設(shè)計是否經(jīng)濟適用;2、二維運動平臺中一些關(guān)鍵標準件的選型;3、 設(shè)計方法和步驟設(shè)計方法:(1)文獻研究法:通過查閱相關(guān)的文獻資料,了解我國二維運動平臺的發(fā)展現(xiàn)狀,認識二維運動平臺在工業(yè)生產(chǎn)中的重要性。(2)實物操作法:通過操作實物,觀察研究二維運動平臺的運行基本原理。(3)訪談法:通過詢問指導(dǎo)老師或是其他有研究這類問題的老師,了解二維運動平臺設(shè)計過程中應(yīng)注意的問題。設(shè)計步驟:通過在中國知網(wǎng)上收集相關(guān)資料,搜索國內(nèi)外二維運動平臺的相關(guān)文獻,至少借鑒10篇以上的中文期刊論文和5篇以上的外文期刊論文。對二維運動平臺的設(shè)計原理做一個基本點認知,將設(shè)計過程中可能遇到的重大問題做一個系統(tǒng)的記錄與歸類,通過自己的思索或通過詢問導(dǎo)師來逐個解決。4、 設(shè)計工作的總體安排及進度2014.11.1-2015.1.23 畢業(yè)設(shè)計選題,查閱相關(guān)文獻,提交開題報告2015.1.24-2015.3.31 列出畢業(yè)設(shè)計說明書基本框架并完成主要內(nèi)容2015.4.1-2015.4.10 中期檢查2015.4.11-2015.4.29 完成畢業(yè)設(shè)計說明書初稿2015.4.30-2015.5.14 補充、完善,完成畢業(yè)設(shè)計說明書終稿3015.5.15-2015.5.20 提交畢業(yè)設(shè)計說明書2015.5.21-2015.5.30 畢業(yè)設(shè)計答辯五、指導(dǎo)教師審查意見:簽字: 年月日六、系(教研室)審查意見: 簽字: 年月日七、學院審查意見: 分管院長簽章: 年月日 說明書 設(shè)計題目:二維運動平臺的結(jié)構(gòu)設(shè)計 專業(yè)年級:機械設(shè)計制造及其自動化2011級 學 號: 姓名: 指導(dǎo)教師、職稱: 2015 年 5 月 27 日目錄中文摘要IAbstractII第一章 緒論31.1 二維運動平臺的研究背景31.2二維運動平臺的研究目標31.3二維運動平臺的實現(xiàn)方式3第二章 步進電機、滾珠絲桿及聯(lián)軸器的選型42.1滾珠絲桿及其選型42.1.1滾珠絲桿的基本原理42.1.2滾珠絲桿的基本參數(shù)42.1.3 滾珠絲桿的選型52.2步進電機及其選型62.2.1 步進電機的基本原理62.2.2 步進電機的基本參數(shù)82.2.3 步進電機的選型102.3聯(lián)軸器及其選型122.3.1聯(lián)軸器的作用和分類122.3.2 聯(lián)軸器的基本參數(shù)132.3.3 聯(lián)軸器的選型13第三章 二維運動平臺的結(jié)構(gòu)設(shè)計及研究153.1二維運動平臺功能原理的確定153.2二維運動平臺尺寸結(jié)構(gòu)的設(shè)計15第四章 二維運動平臺的模擬仿真204.1 二維運動平臺的三維建模204.1.1 三維建模軟件的選擇204.1.2 二維運動平臺三維模型的建立204.1.3 二維運動平臺三維模型的分析244,2 二維運動平臺的仿真分析244.2.1 仿真軟件的選擇244.2.2 二維運動平臺的仿真24第五章 結(jié)論與展望255.1 結(jié)論255.2 展望25參考文獻26致謝29中文摘要從第二次工業(yè)革命開始,機械化便已深深地扎根于我們的生活之中;對于現(xiàn)在人們?nèi)找嬖鲩L的物質(zhì)文化需求,原本的參雜大量人力的“老式”機械化生產(chǎn)已略顯頹勢;作為被譽為最可能是人類史上第三次工業(yè)革命的電子機械化,毫無懸念地取代了“老式”機械化生產(chǎn);而其中的運動控制技術(shù)便是其時代下的典型產(chǎn)物,本文以運動控制技術(shù)為基礎(chǔ),根據(jù)運動指標的要求,完成二維運動平臺的自動控制,并通過軟件對平臺進行運動仿真;本文大體可分為二維運動平臺的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計,三維模型的建立以及運動仿真分析三大部分。就二維運動平臺的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計,根據(jù)具體任務(wù)要求先從標準件的選型起手,確定標準件后著手設(shè)計平臺的其他非標部分,并使用AUTOCAD繪制出相應(yīng)的二維工程圖,之后使用PRO/E以平臺的二維工程信息為基礎(chǔ)進行三維實體模型的建立,最后使用PRO/E的仿真模塊對平臺進行運動仿真,從而達成二維運動平臺的設(shè)計。AbstractStarting 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. 28第一章 緒論1.1 二維運動平臺的研究背景制造業(yè)一定意義上可以說是一個國家的核心產(chǎn)業(yè),歷史告訴我們,一個國家若沒有強大的制造業(yè)的支持,在現(xiàn)今這個弱肉強食的社會形勢下是無法生存的;制造業(yè)在日常生活中無處不在,小到一只普通的鉛筆,大至一個國家的軍備設(shè)施。一個國家工業(yè)是否發(fā)達,從其制造業(yè)的水平上就能體現(xiàn)出來,人類歷史上幾次重大的技術(shù)革新形成了現(xiàn)今具有自動、精準、快速等特點的制造業(yè)。就目前而言,隨著社會的高速發(fā)展,傳統(tǒng)制造業(yè)正面臨著前所未有的變革,機械制造取代人力制造已是大勢所趨,作為20世紀發(fā)展最快、影響最大的自動控制技術(shù)可以說是實現(xiàn)現(xiàn)今機械制造的基礎(chǔ),也是最為核心、關(guān)鍵的技術(shù)之一;而又在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)與經(jīng)濟活動中,隨著電子科學的不斷進步,機電一體化的已逐漸成為現(xiàn)今制造業(yè)的主流之一。本文所設(shè)計的二維運動平臺便是以固高科技的運動控制卡為核心控制部件,以軟件編程為基礎(chǔ),以成本最低為原則,至少實現(xiàn)最為基本的工作平臺的二維移動控制?,F(xiàn)階段市場上的二維運動平臺多是機電一體化設(shè)備的基礎(chǔ)部件,如數(shù)控車床的縱-橫向進刀裝置、數(shù)控鉆或數(shù)控銑的X-Y工作臺、電子元件表面貼裝設(shè)備等。1.2二維運動平臺的研究目標本文所設(shè)計的二維運動平臺是以固高科技的運動控制卡為核心控制部件,以軟件編程為基礎(chǔ),以成本最低為原則,實現(xiàn)最為基本的工作平臺的二維移動控制。本文所設(shè)計的運動平臺要實現(xiàn)通過軟件的編程,讓運動平臺可以再一個二維平面上畫出任何可以用線條組成的圖形。1.3二維運動平臺的實現(xiàn)方式由于經(jīng)濟,能力等因素的限制,本人經(jīng)過多番考量,決定選用固高科技的運動控制卡作為本文設(shè)計的二維運動平臺的核心控制部件,驅(qū)動電機采用日本松下公司生產(chǎn)伺服電機;型號為NO.MHMD022P1U。傳動機構(gòu)選用滾珠絲桿,用聯(lián)軸器直接連接電機與絲桿,實現(xiàn)將電機的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為運動平臺的直線運動。二維運動平臺通過上下垂直分布的X、Y軸實現(xiàn)方向上的兩個維度;通過平臺的、Y方向上的移動,以一支固定的畫筆實現(xiàn)在平臺上作圖。第二章 步進電機、滾珠絲桿及聯(lián)軸器的選型2.1滾珠絲桿及其選型2.1.1滾珠絲桿的基本原理滾珠絲桿副早在19實際就已發(fā)明,其是在普通的螺母絲桿的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的,兩者基本原理相同,滾珠絲桿是通過絲桿上已加工好的螺紋與螺母中的滾珠配合實現(xiàn)對對應(yīng)的直線位移與旋轉(zhuǎn)角度之間的互相轉(zhuǎn)換,其具有傳動效率高,定位精準等優(yōu)點,是精密制造最為基礎(chǔ)的零部件之一。若絲桿作為主動件便可以實現(xiàn)將直線運動轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)運動,其直線位移與旋轉(zhuǎn)角度之間的關(guān)系與絲桿的螺距、導(dǎo)程、線數(shù)等參數(shù)有關(guān);反之,若螺母作為主動件則可以將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為直線運動。滾珠絲桿的實現(xiàn)形式有很多種,從循環(huán)方式上可分為外循環(huán)和內(nèi)循環(huán)。外循環(huán):簡單的理解就是在滾珠循環(huán)過程中與絲杠有脫離接觸的循環(huán)方式;外循環(huán)滾珠絲桿是以在螺母外表面外接插管的形式實現(xiàn)循環(huán)的,根據(jù)外循環(huán)的返回方式的不同,外循環(huán)滾珠絲桿主要可分為端蓋式、插管式和螺旋槽式三種。端蓋式滾珠絲桿:端蓋式滾珠絲桿在螺母的端蓋上加工有滾珠回程口,并在螺母中加工有縱向通道,利用端蓋上的回程口引導(dǎo)滾珠進入縱向通道,令滾珠回到起始循環(huán)位置,參加下一次循環(huán)。插管式滾珠絲桿:插管式滾珠絲桿在螺母外側(cè)設(shè)置有外接彎管,利用外接彎管作為回程通道引導(dǎo)滾珠回到起始循環(huán)位置,實現(xiàn)滾珠的循環(huán),但由于設(shè)置外接彎管使其徑向尺寸偏大,因此這類滾珠絲桿實用性偏低。螺旋槽式滾珠絲桿:螺旋槽式滾珠絲桿在螺母外圓上加工有與螺紋滾道相切的螺旋槽,并配合在槽加工出的通孔構(gòu)成返回通道,引導(dǎo)滾珠實現(xiàn)循環(huán)。這種結(jié)構(gòu)雖解決了插管式滾珠絲桿在徑向尺寸偏大上的不足,但由于制造過于復(fù)雜,實用性也不高。內(nèi)循環(huán):簡單點理解就是在循環(huán)過程中滾珠與絲桿始終未脫離接觸的循環(huán)方式;內(nèi)循環(huán)式滾珠絲桿一般采用反向器實現(xiàn)。作為現(xiàn)代高精度傳動元件的代表,滾珠絲桿有其及其獨特的優(yōu)點,其具備傳動效率高、精度高、可靠性高、無背隙與高剛性等優(yōu)點。由于滾珠絲杠的絲桿與滾珠之間接觸類型為點接觸,屬于滾動摩擦;因此其傳動效率極高。一般情況下其效率約是普通的絲桿螺母副的二至四倍左右,可達90%98%。滾珠絲桿的精度高。由于其滾珠與絲桿及螺母之間的摩擦屬于滾動摩擦,大大降低了運行過程中的摩擦阻力。又因為其滾珠與絲桿及螺母之間的接觸為點接觸,大大提高了其運行的靈敏度。因此可實現(xiàn)精密地控制輸出元件的進給大小。2.1.2滾珠絲桿的基本參數(shù)螺紋的主要參數(shù)1)外徑D(大徑):也被稱作公稱直徑。是一虛構(gòu)的圓柱面的直徑。且該圓柱面與絲桿外螺紋牙頂圓相重合。2)內(nèi)徑d(小徑):把與絲桿牙底圓重合的虛構(gòu)圓柱面的直徑稱作內(nèi)徑。3)中徑:與絲桿上牙厚寬與牙間寬相等處重合的虛構(gòu)圓柱面的直徑作為內(nèi)徑。一般情況下這個值約等于螺紋的平均直徑,即:。4)導(dǎo)程S:導(dǎo)程即螺距。其是螺桿每旋轉(zhuǎn)一周螺母的軸向位移,是將中徑圓柱面的母線與絲桿相鄰兩牙同側(cè)之間交點的軸向間距作為導(dǎo)程S。5)線數(shù)n:絲桿的線數(shù)也稱作頭數(shù),即是絲桿螺旋線的數(shù)目。絲桿線數(shù)越多,其傳動效率就越高,但由于其制造復(fù)雜,一般情況下絲桿的線數(shù)都小于或等于4。導(dǎo)程=螺距線數(shù)。6)螺旋升角:螺旋升角也稱作導(dǎo)程角,在中徑圓柱面的母線上螺旋線切線與垂直于螺紋軸線的平面之間的角度,螺旋升角與螺紋的自鎖與放松密切相關(guān)。7)牙型角:與螺紋牙型兩側(cè)相切平面間較小的夾角。2.1.3 滾珠絲桿的選型1) 滾珠絲桿公稱直徑的確定:公稱直徑也被稱作外徑。絲桿的直徑與負載的大小有關(guān),一般來說負載越大,絲桿的直徑也就越大,且其值還與動額定負載及靜額定負載有關(guān)。動額定負載:一般是指系統(tǒng)在運動轉(zhuǎn)臺下負載對絲桿的軸向力。靜額定負載:一般是指系統(tǒng)在靜止狀態(tài)下軸受到系統(tǒng)施加的軸向力。通常在設(shè)計時只需考慮動額定負荷即可。另外,額定負荷與最大負荷并不相同,設(shè)計時應(yīng)該是額定負荷大于實際負荷。根據(jù)任務(wù)要求取。2)滾珠絲桿導(dǎo)程的確定:導(dǎo)程與線速度有關(guān),在輸入轉(zhuǎn)速不變的情況下,導(dǎo)程與線速度基本成正比。根據(jù)任務(wù)要求本處暫取導(dǎo)程=4mm。3)滾珠絲桿長度的確定:絲桿一般分為兩個部分,即傳動部分與支承部分。設(shè)計時一般只考慮其全長與螺紋長度兩個參數(shù)。而螺紋長度中也可分為兩個部分,設(shè)計時一般考慮其螺紋全長與螺紋的有效行程兩個參數(shù)。螺紋全長指的是螺紋部分的總長,而螺紋的有效行程指的是螺母沿絲桿移動的理論長度。其間的關(guān)系為螺紋長度等于有效行程長度加上螺母長度再加上設(shè)計余量的長度。因此在設(shè)計時,絲杠全長=有效行程+螺母長度+設(shè)計余量+軸承長度+鎖緊螺母長度??紤]到本文所設(shè)計的二維運動平臺的行程,取滾珠絲桿的長度L=300mm。4)滾珠絲桿臨界轉(zhuǎn)速的計算:可由式21得出 (21)式中:表示滾珠絲桿的臨界轉(zhuǎn)速();表示支承系數(shù)(可見表21);表示絲桿的螺紋底徑(mm);表示絲桿的臨界長度(mm)。表21 滾珠絲桿的支承系數(shù)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本文取因此可計算得出()所以允許工作轉(zhuǎn)速()取。綜上所述:選則規(guī)格型號為1604-3的滾珠絲桿。2.2步進電機及其選型2.2.1 步進電機的基本原理步進電機是安培定律實際應(yīng)用的典型案例,它是利用通電線圈在磁場中會受到力的作用這一特性將電信號轉(zhuǎn)換為機械交位移或直線位移的執(zhí)行元件,步進電機一般由定子和轉(zhuǎn)子兩部分組成。定子上繞有繞組,即通電線圈。轉(zhuǎn)子一般使用軟磁或硬磁材料制作。當控制系統(tǒng)將一個脈沖加到定子繞組上時,步進電機則會以一個確定的旋轉(zhuǎn)方向旋轉(zhuǎn)一步,其中脈沖的頻率決定電機的轉(zhuǎn)速,而其旋轉(zhuǎn)的角度則與輸入脈沖個數(shù)成正比;因此,只要改變脈沖的數(shù)目或頻率,就能達到精確控制電機旋轉(zhuǎn)的目的。步進電機一般可分為反應(yīng)式步進電機、永磁式步進電機和混合式步進電機三類。1)反應(yīng)時步進電機圖2-1 四相反應(yīng)式步進電機原理圖反應(yīng)式步進電機其實是通過接通定子不同相上的電源,使其在定子上形成一個按一定規(guī)律旋轉(zhuǎn)的磁場,利用物理上的原理:磁通總是力圖使自己所通過的路徑的磁阻最小,令其產(chǎn)生的磁阻轉(zhuǎn)矩,從而帶動轉(zhuǎn)子按照一定的規(guī)律旋轉(zhuǎn),達到輸出轉(zhuǎn)矩的目的。圖3-1為四相反應(yīng)式步進電機工作原理示意圖.四相步進電機按照通電順序不同可分為單四拍(通電方式為ABCDA)、雙四拍(通電方式為ABBCCDDAAB)、八拍(通電方式為AABBBCCCDDDAA)三種工作方式;其中步進電機的步距角的大小可由轉(zhuǎn)子的齒數(shù)、繞組的相數(shù)和通電方式?jīng)Q定,式22可計算得出: (22)式中:C電狀態(tài)系數(shù)(單拍取1,雙拍取2);m電機相數(shù);Z轉(zhuǎn)子齒數(shù)。若步進電動機通電的頻率為,則步進電動機的速度為: (23)式中:的單位為Hz;n的單位為。2)永磁式步進電機一般將轉(zhuǎn)子材料使用永磁材料的電動機稱為永磁式步進電機。這類電機的轉(zhuǎn)子是一對極或者多對極的永磁性金屬,其定子上繞有兩相或者多相通電線圈。如圖3-2所示。當給定子繞組以A-B-A順序施加直流電源時,轉(zhuǎn)子就會以順時針的方向轉(zhuǎn)動;反之,同理,轉(zhuǎn)子就會以逆時針方向旋轉(zhuǎn)同一個角度。其步距角為,其中p電動機的級數(shù),m電動機的相數(shù)。圖2-2 永磁式步進電機原理示意圖3)混合式步進電機混合式步進電機的結(jié)構(gòu)相較普通電動機類而言復(fù)雜的多,其是依據(jù)永磁原理及變磁阻原理共同作用使其運轉(zhuǎn)的。其電機的轉(zhuǎn)子可分為鐵心、永磁體以及旋轉(zhuǎn)軸;其勵磁源便是永磁體,可給磁路勵磁,轉(zhuǎn)子的鐵心是用作引導(dǎo)磁路分布的,旋轉(zhuǎn)軸是用作轉(zhuǎn)矩的輸出。在轉(zhuǎn)子鐵心的外圓周上均勻地開有許多小齒,轉(zhuǎn)子一般可分為N極與S級兩段;如圖所示,轉(zhuǎn)子N極與S極的齒中心線沿著軸向相互錯開半個齒。圖2-3 混合式步進電機原理示意圖如上圖所示,轉(zhuǎn)子磁鋼充磁后,A端轉(zhuǎn)子的鐵心呈現(xiàn)N極性,B端轉(zhuǎn)子的鐵心呈現(xiàn)S極性。當定子每相繞組依次施以直流電信號的情況下,轉(zhuǎn)子每次將會旋轉(zhuǎn)一個角度;其值為 (24)式中:Z表示步進電機轉(zhuǎn)子齒數(shù);表示運行拍數(shù)2.2.2 步進電機的基本參數(shù)1)步距角控制器每發(fā)出一個電脈沖信號,電機轉(zhuǎn)子對應(yīng)轉(zhuǎn)過的角位移的理論值稱為步距角;它一般不是電機實際步距角。用表示步距角則有: (25)式中:轉(zhuǎn)子齒數(shù);運行拍數(shù)2)相數(shù)將電機內(nèi)部通電線圈的組數(shù)稱作電機的相數(shù),電機相數(shù)不同,其步距角也不相同。3)齒距角電機的齒距角表示相鄰兩齒中心線間的所構(gòu)成的角度。用表示齒距角可得: (26)式中:表示轉(zhuǎn)子齒數(shù)4)保持轉(zhuǎn)矩也被稱作最大靜轉(zhuǎn)矩,是通電步進電機在額定電流下不產(chǎn)生連續(xù)旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)矩的極限值;一般情況下,其值在電機低速運行時約等于保持轉(zhuǎn)矩。6)矩角特性是指各項繞組的通電狀態(tài)均不變的,步進電機的靜轉(zhuǎn)矩與失調(diào)角之間的關(guān)系,即,如圖24所示圖24 步進電機的矩角特性7)最大靜轉(zhuǎn)矩每項繞組在保持一定通電狀態(tài)的情況下,電機所能達到最大力矩稱之為最大靜轉(zhuǎn)矩。8)響應(yīng)頻率也被稱為極限啟動頻率或跳變頻率;是指電動機在穩(wěn)定運行的狀態(tài)下,不產(chǎn)生失步的最大頻率。9)啟動矩頻特性在外加力一定的情況下,起動頻率與負載轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系稱之為起動矩頻特性,也叫作牽入特性。如圖25所示。圖25 矩頻特性10)運行矩頻特性當負載慣量一定時,運行頻率與負載轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系稱只為運行矩頻特性,又稱為牽出特性。如圖25所示。11)運行頻率指外力一定,頻率連續(xù)增加的情況下,電動機能夠運轉(zhuǎn)且不失步運行的頻率的最大值。12)慣頻特性指在負載力矩不變的情況下,頻率和負載慣量之間的關(guān)系。如圖26所示。圖26 慣頻特性13)單步響應(yīng)是指電機在通電而不運行時,變動電壓的數(shù)值,轉(zhuǎn)子從啟動到停轉(zhuǎn)的運行軌跡。如圖27所示。圖27 單步響應(yīng)2.2.3 步進電機的選型對與電動機型號的選取,一般要負荷一下三個要求:電動機的步距角應(yīng)該符合系統(tǒng)脈沖當量的要求;步進電機的最大靜力矩應(yīng)符合傳動系統(tǒng)的空載啟動力矩要求;電動機的額定電流應(yīng)略大于其工作狀態(tài)下的電流。1)系統(tǒng)脈沖當量的確定系統(tǒng)的脈沖當量指的是當操作系統(tǒng)給定一個定位脈沖時,運動機構(gòu)對應(yīng)其脈沖信號而產(chǎn)生移動的距離。對于開環(huán)系統(tǒng)而言,其值取0.005- 0. 01毫米較為合適,本文定脈沖當量為0.01毫米。2)電機步距角的確定電機步距角可以由式27得出 (27)式中:表示電機的步距角;表示絲桿的螺距mm;表示系統(tǒng)的脈沖當量mm。將,帶入式26可得:因此步距角。3)負載力矩的計算電動機軸上的負載力矩一般由切削分力產(chǎn)生的切削負載力矩、導(dǎo)軌摩擦力產(chǎn)生的摩擦負載力矩、滾珠絲杠的預(yù)緊力產(chǎn)生的附加負載力矩三部分構(gòu)成。由于本文設(shè)計的是二維運動平臺,不存在切削負載力矩,因此只需計算摩擦負載力矩與附加負載力矩即可。摩擦負載力矩()由式28可以得出 (28)式中:絲杠的軸向負載力;L電機每旋轉(zhuǎn)一圈,系統(tǒng)軸向移動的位移;系統(tǒng)的總效率,取=0.9。將,帶入式27中得:因滾珠絲杠預(yù)緊力產(chǎn)生的附加負載力矩可從式29得出 (29)式中:滾珠絲杠的預(yù)緊力N;滾珠絲杠的導(dǎo)程m;滾珠絲杠的效率,取=0.98。將;帶入式28得:通過上面計算結(jié)合式29可得負載力矩T (210)所以所選電機的將帶入式210可得:4)電機額定電流的確定由于本文制作的二維運動平臺工作在市電380伏電壓下,可大致取其額定電流為1.6安培。綜上所述,本文選取松下型號為MHMD022P1U的伺服電機坐位本文二維運動平臺的電機。2.3聯(lián)軸器及其選型2.3.1聯(lián)軸器的作用和分類聯(lián)軸器是用來傳遞扭矩的機械結(jié)構(gòu)。現(xiàn)在市場上的聯(lián)軸器一般可以分為剛性聯(lián)軸器、撓性聯(lián)軸器以及安全聯(lián)軸器三大類。其中剛性聯(lián)軸器又可以分為凸緣式聯(lián)軸器、套筒式聯(lián)軸器以及甲殼式聯(lián)軸器;安全聯(lián)軸器又可以分為撓性安全聯(lián)軸器、剛性安全聯(lián)軸器以及永磁聯(lián)軸器。目前市場上應(yīng)用較為廣泛的聯(lián)軸器有一下幾種:1)彈性聯(lián)軸器:一體成型的金屬彈性體,具有零回轉(zhuǎn)間隙、可同步運轉(zhuǎn),較高的抗扭矩性;較高的剛性以及較高的靈敏度,順時針與逆時針的回轉(zhuǎn)特性完全一致,無需維護、抗油及耐腐蝕性高等特點。通常情況下比較適用于旋轉(zhuǎn)編碼器、步進電機。2)膜片聯(lián)軸器:使用環(huán)形或著方形彈性不銹剛片變形制成,具有高剛性;高轉(zhuǎn)矩、低慣性;高扭矩剛性以及高靈敏度;零回轉(zhuǎn)間隙;順、逆時針回轉(zhuǎn)特性一致,無需維護、抗油及耐腐蝕極強的優(yōu)點。通常情況下比較適用于伺服電機、步進電機。3)滑塊聯(lián)軸器:具有使用方便;安裝簡單;尺寸應(yīng)用范圍廣;轉(zhuǎn)動慣量小;方便目測檢驗;軸套和中間件之間的滑動能容許大徑向和角向偏差。如圖28所示。適用于普通微型電機。圖28 滑塊聯(lián)軸器示意圖5)梅花聯(lián)軸器:其梅花彈性體有四瓣;六瓣;八瓣及十瓣,緊湊、無齒隙,提供三種不同硬度彈性體,固定方式有頂絲,夾緊,鍵槽固定,具有結(jié)構(gòu)簡單、方便維修、便于檢查??晌照駝樱豢裳a償徑向和角向偏差等優(yōu)點。通常情況下比較適用于伺服電機、步進電機。6)剛性聯(lián)軸器:主體材質(zhì)一般是鋁合金或者不銹鋼,無法容許偏心,具有重量輕,低慣性和高靈敏度,無需維護,抗油性及耐腐蝕性能好等特點。通常情況下比較適用于伺服電機、步進電機。2.3.2 聯(lián)軸器的基本參數(shù)公稱扭矩:聯(lián)軸器的公稱扭矩就是使該軸在受到該扭矩扭轉(zhuǎn)運行時能夠不讓聯(lián)軸器產(chǎn)生疲勞斷裂的扭矩的最大值。許用轉(zhuǎn)速:聯(lián)軸器的許用轉(zhuǎn)速范圍會根據(jù)聯(lián)軸器的材料的不同而發(fā)生改變,其為材料允許的線速度和最大外緣尺寸,因此可以通過改變聯(lián)軸器的材料來提高聯(lián)軸器許用轉(zhuǎn)速范圍。計算轉(zhuǎn)矩:故名思義,通過計算得出的轉(zhuǎn)矩,可通過理論轉(zhuǎn)矩及其工況系數(shù)之間的關(guān)系得出,是聯(lián)軸器選型的主要參數(shù)之一。聯(lián)軸器聯(lián)接尺寸:包括軸的直徑d和軸的長度L。2.3.3 聯(lián)軸器的選型聯(lián)軸器的選型大致可分為轉(zhuǎn)矩計算、初選型號、調(diào)整型號三部分。1)轉(zhuǎn)矩的計算:可根據(jù)動力機的功率和轉(zhuǎn)速計算得到高速端的理論轉(zhuǎn)矩T;并能依據(jù)工況系數(shù)和其他相關(guān)系數(shù),計算得出聯(lián)軸器的計算轉(zhuǎn)矩。聯(lián)軸器的理論轉(zhuǎn)矩: (211)式中:表示驅(qū)動功率kW;n表示工作轉(zhuǎn)速。由電機的型號可知,帶入式211可得:聯(lián)軸器計算轉(zhuǎn)矩: (212)式中:表示動力機系數(shù);表示工況系數(shù);表示啟動系數(shù);表示溫度系數(shù)。通過查表可得=1.0,=1.0,=1.0,=1.1,帶入式212可得:2)初選型號:由計算轉(zhuǎn)矩Tc通過查表,從標準系列選取與計算轉(zhuǎn)矩值相近的公稱轉(zhuǎn)矩Tn,并且應(yīng)符合計算轉(zhuǎn)矩公稱轉(zhuǎn)矩。然后初步選定聯(lián)軸器的型號;確定其的最大徑向尺寸D和軸向尺寸。通過查表可初選聯(lián)軸器的型號為:GB1175,并從表中可知D=10mm,=20mm3)型號調(diào)整:通過已選型號,初步確定聯(lián)軸器的直徑d和長度L,若不滿足主、從動端軸徑的要求,還要依據(jù)軸徑d調(diào)節(jié)聯(lián)軸器的型號。由于已選滾珠絲桿與電機的型號,因此經(jīng)過調(diào)整最終選取聯(lián)軸器的型號為:GB11712。第三章 二維運動平臺的結(jié)構(gòu)設(shè)計及研究3.1二維運動平臺功能原理的確定本課題所設(shè)計的二維運動平臺,要求能夠同時承受上下左右等各個方向的載荷,并且在伺服電機的控制下能夠精確完成XY定位,達到毫米級的定位精度。二維運動平臺是伺服步進電機驅(qū)動的線性滑軌平臺,行程是400mm400mm,運動速度最大為100。工作電壓為380V,可通過變頻器來驅(qū)動伺服步進電機的運行,通過人機界面進行軟件編程來控制電機的運行狀態(tài)。圖31 二維運動平臺的結(jié)構(gòu)示意圖如圖31所示,本文所設(shè)計的二維運動平臺分為X、Y兩軸,兩軸空間垂直重疊上下分布;兩軸直線導(dǎo)軌上分別裝有滾珠絲桿,平臺1與滑軌1通過一個滾珠絲桿副相連接,平臺2與滑軌2通過另一個滾珠絲桿副相連接,平臺2與滑軌1之間固定連接;滾珠絲桿通過聯(lián)軸器直接和步進電動機相連,平臺可隨滾珠絲桿的旋轉(zhuǎn)運動進行相應(yīng)的往復(fù)直線運動,通過控制電機可對滾珠絲桿進行精確的旋轉(zhuǎn)控制,從而可精確的對平臺進行控制。3.2二維運動平臺尺寸結(jié)構(gòu)的設(shè)計根據(jù)任務(wù)要求對二維運動平臺進行結(jié)構(gòu)設(shè)計,就一些特殊的結(jié)構(gòu)給出二維圖,如下圖所示為二維運動平臺一些重要結(jié)構(gòu)的二維圖。1)上平臺圖3-2 上平臺CAD圖2) 下平臺圖3-3 下平臺CAD圖3) 上導(dǎo)軌圖3-4 上導(dǎo)軌CAD圖4) 下導(dǎo)軌圖35 下導(dǎo)軌CAD圖5) 滑塊圖3-6 滑塊CAD圖6) 電機座圖37 電機座CAD圖7) 加強塊圖38 加強塊CAD圖8) 裝配圖圖3-6 總裝CAD圖第四章 二維運動平臺的模擬仿真4.1 二維運動平臺的三維建模4.1.1 三維建模軟件的選擇三維模型是物體的多邊形體現(xiàn),可以表示實際存在的事物,也可以表示虛構(gòu)出來的事物。三維模型的生成方式多種多樣;目前物體的三維建模方法一般有:利用三維建模軟件建模;利用設(shè)備測量建模;利用圖像或者視頻建模三種,本文采用的是三維軟件建模建模;三維建模軟件是將物體的三維信息進行有限元化、數(shù)據(jù)化,并將數(shù)據(jù)化后的信息在計算機上顯示出來?,F(xiàn)階段已有的比較有名的三維建模軟件有3DMAX、UG、PROE、AUTOCAD、SOFTIMAGE、ADAMS及ANSYS等??紤]到各個軟件的主要功能與建立三維模型的能力不同,本文采用PROE建模。4.1.2 二維運動平臺三維模型的建立本文所設(shè)計的二維運動平臺主要包括以下幾個部件:底板、下支承導(dǎo)軌、下運動平臺、上支承導(dǎo)軌、上運動平臺、電機以及連接塊。下面就這幾個主要部件的三維模型的截圖進行展示。1) 底板圖41 底板2) 下支承導(dǎo)軌圖42 下支承導(dǎo)軌3) 下平臺圖43 下運動平臺4) 上支承導(dǎo)軌圖44 上支承導(dǎo)軌5) 上平臺圖45 上運動平臺6) 連接塊圖46 連接塊基本部件的建立如上文所示,下面是本文二維運動平臺的整體裝配三維圖。圖47 二維運動平臺裝配圖4.1.3 二維運動平臺三維模型的分析三維建模是建立物體的三維特征,并不具備其應(yīng)有的其他非物理的特征原理,因此像電機的運行這種模型在本章中就不建立三維模型,此外在三維模型的裝配過程中出現(xiàn)了下平臺、連接塊以及軸承座的中心孔上下不對齊的情況,就此設(shè)置了墊板對連接塊及軸承座進行對齊,使得這三個部件的中心孔的中心線對齊。1) 連接塊墊板及軸承座墊板 圖48連接塊墊板 圖49軸承座墊板4,2 二維運動平臺的仿真分析4.2.1 仿真軟件的選擇使用三維模型實現(xiàn)現(xiàn)實情況下發(fā)生的本質(zhì)過程稱之為仿真,又可稱做模擬。其可大大減少實際生產(chǎn)過程中用于實驗?zāi)K的成本,工程意義重大。就目前而言,仿真的主要方法是針對計算機所建立的模型進一步數(shù)據(jù)化,對其各個部件之間的聯(lián)系通過施加連接副校以實際情況下的真實反應(yīng),進而實現(xiàn)仿真。現(xiàn)有的仿真軟件有很多,如ANSYS、UG、PROE、ADAMS、PROTEUS、SIMULINK、LABVIEW、FLUENT等;就以上所提及的仿真軟件的主要功能的考慮,本文采用PROE進行仿真。4.2.2 二維運動平臺的仿真通過建立絲桿螺母之間的絲桿螺母副,電機的旋轉(zhuǎn)副以及各個部件之間的滑動副、固定副等連接副得到下面運動仿真結(jié)果。圖210 二維運動平臺仿真第五章 結(jié)論與展望5.1 結(jié)論本課題以實現(xiàn)二維運動平臺是實現(xiàn)工業(yè)自動控制最基本的要素為基點,結(jié)合國內(nèi)外二維運動平臺的控制現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢,設(shè)計了以固高科技運動控制卡位核心控制部件,以C語言為編程語言的二維運動平臺;本文只涉及二維運動平臺的結(jié)構(gòu)設(shè)計,本平臺采用步進電機為驅(qū)動電機,以滾珠絲桿副為中間傳動部件,采用PROE三維建模軟件建模并仿真,主要設(shè)計研究成果有一下方面:1)依據(jù)任務(wù)要求設(shè)計二維運動平臺的機械結(jié)構(gòu)。2)繪制了二維運動平臺的三維模型。3)對二維運動平臺的三維模型進行了仿真。本文設(shè)計的二維運動平臺可以實現(xiàn)任意二維平面圖形的繪制,結(jié)構(gòu)簡單易于操作,通過在計算機上使用C語言編程驅(qū)動電機的旋轉(zhuǎn),帶動滾珠絲桿副進而實現(xiàn)平臺兩個方向上的移動,并可通過旋轉(zhuǎn)編碼器對電機的轉(zhuǎn)速進行反饋控制,從而控制電機以致平臺實現(xiàn)精確的運動,繪制出預(yù)定的圖形。5.2 展望迅速是當今社會發(fā)展的代名詞,手工制造業(yè)已遠遠無法滿足人們的物質(zhì)文化需求,自動控制的優(yōu)越性與迅速性成為現(xiàn)今工業(yè)生產(chǎn)的頂梁柱已呈現(xiàn)無可厚非之勢,而作為自動控制基礎(chǔ)的二維運動控制技術(shù)便更是日益重要。結(jié)構(gòu)簡單、功能適用、控制方便以及經(jīng)濟性能好的運動平臺具有廣闊的應(yīng)用前景。本文所設(shè)計的二維運動平臺雖可實現(xiàn)繪制任意圖形但控制精度為毫米級的,還無法滿足許多工業(yè)控制的要求,為了能夠精益求精,現(xiàn)總結(jié)如下發(fā)展方向:1) 設(shè)計多維運動控制平臺。2) 采用更小螺距的絲桿螺母副,設(shè)計反饋控制系統(tǒng)對電機進行實時反饋控制,以使系統(tǒng)在精度上達到一個本質(zhì)的提升。3) 開發(fā)設(shè)計更為簡單實用的人機交互界面,使控制變得更加簡單快捷。參考文獻1 Cruz S M A, Ferreira M, Cardoso A J 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An alternative paradigm for control system designJ.Proceeding of the 40th IEEE33何小波.基于ProE的三維工藝設(shè)計系統(tǒng)D.西安電子科技大學,2012.34易飚.Proe(MXD)運動仿真與機構(gòu)運動分析實例J.蘇州市職業(yè)大學學報,2004,04:81-83.35唐濤.基于PROE的螺旋線設(shè)計A.中國電子學會真空電子學分會.第九屆真空技術(shù)應(yīng)用學術(shù)年會論文集C.中國電子學會真空電子學分會:,2006:3.Conference on Decision and Control.2001:4578-4585.36F.J.Goforth,Z.Gao.An active disturbance rejection control solution for hysteresis compensationJ.Proceeding of the American Control Conference.2008:2208-2210.37A.Radke,Z.Gao.A Survey of State and Disturbance Observers for PractitionersJ.Proceeding of the American Control Conference.2006.38R.Miklosovic,Z.Gao.A robust two-degree-of-freedom control design technique and its practical applicationJ.Proceeding of the IEEE Industrial Application Society World Conference.2004:1495-1502.致謝從起手至完成這篇論文歷時兩個月的時間,在這期間我遇到了許多專業(yè)性的問題,有些問題靠自己四年來積攢的專業(yè)知識便能解決;而有些無法解決的問題是由于過去學過的知識不太牢固,但都能通過重新溫習舊知識而得到解決;但還有些無從入手的問題是事過去沒有接觸或極少接觸的知識,所以我特別要在這里感謝那些在我畢業(yè)設(shè)計其間幫助過我的人:首先我要謝謝我的指導(dǎo)老師方兵老師,謝謝他在我完成畢業(yè)論文其間對我的幫助;從一開始接觸到這個課題方老師便耐心的與我們探討這個課題,讓我們在探討的過程中對這個課題有了一個深刻的了解,后來在設(shè)計課題的過程中遇到問題導(dǎo)師總會不厭其煩的與我們解答,最后還為我修改論文并告訴我其不足之處;其次我要感謝我的舍友,感謝他們在我畢業(yè)設(shè)計其間陪伴我,與我一起討論各自遇到的難題,使我更加有效地鞏固了舊知識;最后我要感謝學校的圖書館和這篇論文所提及的各位學者,感謝圖書館提供的書籍,使得我有了獲得知識的途徑變得輕松了許多,感謝那些學者所研究的知識對我的啟發(fā)。最后,由于我的知識能力以及學術(shù)水平有限,所寫論文難免有不足乃至缺陷之處,所以在那些隱含著的缺點還懇請各位老師和學友批評并指正!
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