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车刀刃磨装置的结构设计(四)
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在设计刀架板时主要要考虑到刀架板在工作时是否对其它零件产生干涉,还有刀架板中刀架的位置,要能切削方便与砂轮有一个好的位置不至于砂轮闯到磨削装置上。根据这些要求我们设计出将刀架部分用一半圆弧凸出使砂轮与磨削装置有一定距离。我们设计刀架板厚20mm总长180mm在边缘处有一半径为45mm的圆弧突出。具体零件可参考刀架板零件图。
底板的设计
底板设计中,首先要考虑到板的厚度以及部分细节方面的设计
再装丝杠螺母的地方采用厚度为35mm,比其它地方后。这样要钻空放入轴承。
在其它地方板厚为15mm ,底板总长为175mm总宽为165mm。材料为q235
第二部分传动装置以及电机的选择设计
一 歩进电机选择计算
(一)步进电机的工作原理和特性
步进电机如同普通电机,有转子、定子和定子绕组分成若干相,每相的磁极上有极齿,转子在轴上也有若干齿。当某相定子绕组通以直流电激励后,便能吸引转子,使转子上的齿和定子上的齿对齐。因此,它是按电磁铁作用的原理进行工作的,在外加脉冲信号的作用一步一步的运转,是一种将电脉冲信号转换相应角位移的机电元件。步进电机定子可以做成两相或三、四、五和十相等。相绕组可以单拍或
双拍方式通电。步进电机主要技术参数指标和特性有:
(1) 步距角。
当步进电机的定子绕组为m,转子齿数为Z,通电方式系数为k时,每输入一个脉冲信号,转子转过的角度称为步距角,用表示则有
(5-1)
单拍 通 电 时k=1,双拍通电时k=2。
(2) 静态步距角误差
是指步进电机空载时,每步实际转过的角度与理论步距角之差。以角度单位或理论步距角的百分数表示。
(3) 精度
通常指的是最大步距误差和最大累积误差,步距误差是空载运行一步的实际转角的稳定值和理论值之间的最大值,用理想步距的百分数表示。累积误差时指,从任意位置开始,经过任意步后任意的实际角位移和理论角位移之差。
(4) 最大静转矩
所谓静态是指步进电机的通电状态不变,转子保持不动的定位状态。静转矩即是步进电机处于定位状态下的电磁转矩,它绕组内的电流和失调角之间的函数。
失调角就是在定位状态下,如果在转子上加一个负载使转子转过一个角度。并能稳定下来,这时转子上受到的电磁转矩和负载转矩相等,该电磁转矩即为静转矩。角度B称为失调角。对应于某式调角最大的转矩,为最大静转矩,一般来说材大的电机,负载转矩也大。
(5) 最大起动转矩
只有在外加的转矩小于峨时才能启动,该性能表示步进电机启动时的负载能力。
(6) 响应频率
在某一个频率范围内,步进电机可以任意运行而不丢步,则这一最大频率称为响应频率。通常用启动频率来作为衡量指标。它是指在一定负载下直接起动而不丢步的极限频率。
(7) 运行频率和矩频特性
运行频率指拖动一定负载使频率连续上升时,能使步进电机不失步运行的极限频率。矩频特性包括起动矩频特性和运行矩频特性。起动矩频特性指在给定的驱动条件下,负载惯量一定时,起动频率和负载转矩之间的关系,又称为牵入特性。运行矩频特性指负载惯量不变时,运行频率和负载转矩之间的关系,又称为牵出特性。矩频特性如图3.2所示。
图3.3 步进电机惯频特性
(8) 惯频特性
在负载力矩一定时,频率和负载惯量之间的关系,称为惯频特性。惯频特性分为启动惯频特性和运行惯频特性。如图5-2所示。
对于步进电机的控制,了解其性能参数必须的,因为在进行步进电机选择和软件设计时,它的性能决定整个控制系统的性能。
(二)步进电机选择和计算
1初选步进电机
型 号
相数
电压
电流
电阻
电感
静转矩
机身长
定位转矩
出轴长
重量
接线图
单 位
V
A
Ω
mH
Kg.cm
mm
Kg.cm
mm
Kg
57BYGH101
4
3
1.3
2.3
2.2
4.9
45
0.3
21
0.45
a
57BYGH102
2
5.1
0.75
6.8
12.5
5
45
0.3
21
0.45
b
57BYGH201
4
16
0.4
40
60
8.5
55
0.7
21
0.65
a
57BYGH202
4
12
0.7
17.5
22
8.5
55
0.7
21
0.65
a
57BYGH203
2
2.4
1.5
1.6
3.4
8
55
0.7
21
0.65
b
57BYGH204
4
5
1.5
3.3
3.6
8.5
55
0.7
21
0.65
a
57BYGH205
2
6
0.6
10
26.5
8.5
55
0.7
21
0.65
b
57BYGH206
4
2.7
3
0.9
1.4
8.5
55
0.7
21
0.65
a
57BYGH207
2
4.4
1.15
3.8
8
9
55
0.7
21
0.65
b
57BYGH208
2
7.2
0.6
12
33
8.5
55
0.7
21
0.65
b
57BYGH209
4
4
1.6
2.5
3.5
8.5
55
0.7
21
0.65
a
57BTGH210
4
4.8
1.5
3.2
4
8
55
0.7
21
0.65
a
57BYGH211
4
3
2
1.5
2
8.5
55
0.7
21
0.65
a
57BYGH212
2
1.8
3
0.6
1.3
8.5
55
0.7
21
0.65
b
57BYGH213
2
4.5
1.5
3
5.4
9
55
0.7
21
0.65
b
57BYGH214
2
3
2.5
1.5
4.4
14
55
0.7
0.65
b
57BYGH251
2
5.1
1.5
3.4
6.8
12
68
0.7
21
0.65
b
57BYGH301
4
4.6
2
2.3
4
14
76
0.9
21
1.0
a
57BYGH302
4
2.6
2.4
1.1
1.9
14
76
0.9
21
1.0
a
57BYGH303
4
5.4
1.5
3.6
6.8
12
76
0.9
21
1.0
a
57BTGH304
4
7
1.5
4.7
7.4
14
76
0.9
21
1.0
a
57BYGH306
2
2.7
3
0.9
2.2
15
76
0.9
21
1.0
b
图3.4 57电机的外形图
初步选用型号是57BYGH203系列的混合式步进电机,这种电机产品同时兼有反应式和永磁式两种步进电机优点。该产品具有体积小、驱动电流和功耗小、起动和运行频率高、动态性好的特点,同时还具有良好的内部阻尼特性,因而运行平稳,无明显的低频振荡区,噪音小,可靠性高。既可用于组建稳定、可靠的开环系统,也可用于组建闭环系统。工作中要求步进电机能严格跟随指令脉冲,不发生失频、振荡;能快速起动、停止、正反转和高效运转;能满足各项性能指标且具有良好的动态特性。步进电机选用时首先必须保证步进电机的输出功率大于负载所需的功率,使电动机的矩频特性有一定余量以保证运行可靠,一般来说最大静转矩T-大的电机,负载转矩也大,通常取T /T=0.2~0.5。对于相数较多,突跳频率要求不高时取大值,反之取小值。其次要求计算机械系统的负载惯量和产品所要求的启动频率,使之与步进电机相匹配并有一定余量,并使最高连续工作频率能满足产品快速移动的要求。选用步进电机时还必须注意到要使其步距角和机械系统相匹配,以得到所需要的脉冲当量。
57电机的参数
步 距 角:0.9/1.8 DEG 绝缘电阻:500V DC 100MΩ 绝缘强度:500V AC 1 Minute 温 升:65K 环境温度:-10~+55℃ 绝缘等级:B
图3.5 57BYGH203以及57BYGH301运行矩频特性
2负载转矩和惯量的计算
(1)负载转矩的估算
精确计算驱动系统的转矩是比较复杂的,习惯的做法是根据实际装置实测求取,在选择步进电机时,常常使用近似的公式,先估算出负载的转矩,从而为选定步进电机提供依据。
根据该课题的要求,估算电机的负载转矩。由机械结构可知,电机驱动丝杠螺母机构在到工作台,该直线运动系统换到电动机轴的负载转矩 一般由下式估算:
(3-1)
F一直线运动机械的轴向力,kg;
D一齿轮齿条传动中的齿轮直径,cm;
W一负载质量,kg;
i一减速传动比;
一驱动系统的效率;
一滑动摩擦系数。
式中其中,取0.1~0.3, =0.85~0.950,D=14mm。
由机床的结构参数,估算工作平台的总质量(包括旋转步进电机、蜗轮、蜗杆、刀架等)为15kg,根据刀具刃磨载荷轻的特点,直线运动受到的轴向力可根据力矩平衡原理得出,如图5-3所示,轴向力矩与摩擦分力的力矩相等:
(3-2)
=
≈0.77kg
代入(3-1)可得:
=
(2)负载惯量的计算
根据惯量的定义,物体对某轴的惯量定义为该物体微小体积的质量dm与该微小体积到轴的距离r的平方的乘积之总和,即
3-3
回转体的惯量计算:
3-4
式中:—回转体的材料密度
D—回转体直径
L—回转体的长度
该机构是经过一级蜗轮蜗杆减速传到工作台上故其转动惯量必须经过折算,其公式为:
3-5
①工作台转动惯量计算
步进电机驱动蜗轮蜗杆传动机构,通过蜗轮蜗杆机构传到工作台,这时根据动能守恒定律可得到工作台运动惯量换算到驱动轴上的等效转动惯量为:
3-6
=
=0.012k
②蜗轮轴转动惯量计算
=0.029k
③蜗轮蜗杆等效为圆柱体,其转动惯量为
=0.095 k
=0.235
④换算到电机轴上总惯性负载
=0.012+ = ≈0.012 k
(3)加速转矩
驱动负载时往往需要进行加减速度运行。惯性体就会产生加速转矩,其计算式为:
式中S—每转走的步数,,为步进电机的步距角;
F— 最大驱动频率,Hz(pps);
T—加速时间;
g—重力加速度,。
二 丝杠螺母机构的选择计算
(一)丝杠螺母机构概述
1丝杠螺母机构的特点
(1)用较小的扭矩传动丝杠,可使得螺母获得较大的轴向牵引力;
(2)可达到很大的降速比,使得机构大为简化;
(3)能达到较大的传动精度。用于机构进给时,还可算作测量元件,通过刻度盘读出直线位移的尺寸,最小度数值可达到0.01mm;
(4)传动平稳,无噪声;
(5)在一定条件下能自锁,即丝杠螺母不能进行逆传动。此特点可用于部件升降移动,防止因部件自重而降落。
2丝杠螺母机构的选用
根据该设计方案,要求工作台能够上下移动,而且要能够自锁,故根据选用如图所示结构:
(二)丝杠螺母机构的计算
1丝杠的导程:根据结构设计和要求,选用丝杠头数k=1,螺距t=4mm,故丝杠螺母机构的导程s=kt=4mm。
2丝杠的效率:正传动的效率即回转运动转换为直线运动的效率为:
3-7
式中:—中径处的螺纹升角,;
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