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板-管焊接设备自动化改造 V摘 要本设计为三自由度的焊接机器人，其机械手为一悬挂的焊枪进行作业。每个方向上都由电机带动滚珠丝杠旋转，由滚珠丝杠带动平台运动。实现直线上的运动。并且在PLC的控制下，进行自动化运行。步进电动机是一种用电脉冲信号进行控制,并将脉冲信号转换成相应的角位移或直线位移的执行器。PLC对步电动机也有良好的控制能力,通过对PLC内置脉冲输出功能和设置相应的控制指令可以很好地控制步进电机。关键词：PLC，焊接机器人，步进电机ABSTRACTThe three degrees of freedom welding robot has three directions, and the welding torch instead of the hand of robot. The ball screw could be driven by moto in each direction ,and take the platform work on the line. It can be run automaticly under the PLC contraller. An electric stepper motor control use the pulse signal and put the pulse signal into the corresponding angular or linear displacement actuators.PLC on the electric stepper motor has good control, through the built-in pulse output function in PLC and set the corresponding control instructions can be well controlled to the electric stepper motor.Key words: PLC,welding robots, the electric stepper motor目 录1绪论-11.1 国外焊接机器人的应用情况-11.2 国内焊接机器人的应用情况-21.3 焊接机器人的必要性-21.4 TIG焊的介绍-32整体设计方案-72.1 机械部分的设计-72.2 电气关键理论-73 计算说明-83.1 X轴传动部件的选择与校核计算-83.2 Y轴传动部件的选择与校核计算-143.3 Z轴传动部件的选择与校核计算-204电气控制部分-274.1控制要求-274.2设计方案-274.3限位开关的选用 -274.4驱动器的选用-284.5 PLC的端口分配-294.6 PLC程序-305结论-37参考文献-38致谢-39板-管焊接设备自动化改造 401 绪论在工业上，自动机器人有着广泛的应用，而工业机器人是相对较新的电子设备，它正开始改变现代化工业的面貌。通过自动化的机器人能提高工作效率，加强产品质量，对自动化机器人的运用将会越来越广泛。氩弧焊接是经常涉及到手工焊接的操作。机器人焊接与有关技术和科学方面有关,包括重复有经验,有技术的人力焊机工作。长期以来焊接只能靠人工来完成,因为其包含技术与科学工艺。由于对自动系统要求有相匹配的要求，自动焊接是一项非常艰难和高要求的任务1。焊接机器人的应用使产品质量及生产率都得到了很大提高, 并且由于机器人是一种能适应产品迅速更新换代的柔性自动化设备, 所以, 它的应用大大缩短了新产品的换产周期, 从而提高了产品在市场上的竞争力。在当代工业技术革命中, 工业生产日趋向柔性自动化方向发展, 工业机器人技术已成为现代工业技术革命中的一个组成部分。许多国家都已将机器人技术列入高技术发展计划。焊接机器人正逐渐成为焊接过程自动化的一个重要部分，是提高关键结构的焊接质量的重要的手段。焊接机器人的应用不仅提高了焊接质量和生产率，而且降低了工人的劳动强度，作业环境也得到改善。因此,设计一种自动化的机器人能够,加快工作效率,节约成本使企业更具竞争力2。焊接机器人由操作机（机械本体）、控制器等组成，是一种仿人操作、自动控制、可重复编程、能在三维空间完成各种作业的机电一体化自动化生产设备。特别适合于多品种、变批量的柔性生产。它对稳定、提高产品质量，提高生产效率，改善劳动条件和产品的快速更新换代起着十分重要的作用。机器人在当代研究十分活跃，应用日益广泛的领域。机器人应用情况，是一个国家工业自动化水平的重要标志。机器人并不是在简单意义上代替人工的劳动力，而是综合了人的特长和机器特长的一种拟人的电子机械装置，既有人对环境状态的快速反应和分析判断能力，又有机器可长时间持续工作、精确度高、抗恶劣环境的能力，所以从某种意义上说它也是机器的进化过程产物，它是工业以及非产业界的重要生产和服务性设备，也是先进制造技术领域不可缺少的自动化设备。随着社会的不断发展工业制造趋向于机器人的自动化代替人力的枯燥,危险的工作,板-管的人工焊接是相当乏味的,要在一块圆形平板中焊接数十个板管,单一反复的操作会降低工作效率,因此,就有必要设计改造,将其自动化3。1.1国外发展的基本概况1962年，第一台机器人在美国通用汽车厂投入使用。到1980年，工业机器人在日本普及。到2000年底世界实际在役工业机器人约75万台,其中焊接机器人占50%以上。焊接机器人主要包括机器人和焊接设备两部分。机器人由机器人本体和控制柜（硬件及软件）组成。而焊接装备，以弧焊及点焊为例，则由焊接电源，（包括其控制系统）、送丝机（弧焊）、焊枪（钳）等部分组成。日本早在70 年代就已将点焊机器人引进生产线,而弧焊机器人由于其复杂性,在生产中应用要比前者晚得多。然而到了80 年代,日本弧焊机器人的使用开始有了显著增加。点焊机器人目前主要仍是用在汽车行业,而弧焊机器人在各工业领域获得了广泛的应用4。1.2国内发展的基本概况我国焊接机器人的研究和推广应用起步较晚，一汽公司是我国最早引进焊接机器人的企业，1984年起先后从KUKA公司引进了3台点焊机器人，用于当时“红旗牌”轿车的车身焊接和“解放牌”车身顶盖的焊接。1986年成功地将焊接机器人应用于前围总成的焊接，并于1988 年开发了机器人车身总焊线。目前在我国应用的机器人主要分日系、欧系和国产三类。近年来通过年来的发展，合作研发，盒子生产等手段，我过焊接机器人技术和市场已具备了一定的基础，焊接机器人科研力量，研究水平和企业发展越来越成熟，并进入集团化的发展阶段，这将有利于促进我国机器人技术的整体发展，提高自动化加工水平。我国焊接机器人的应用主要集中在汽车、摩托车、工程机械、铁路机车等主要行业。汽车是焊接机器人的最大用户，也是最早的用户。焊接机器人是机电一体化的高科技成果，它的发展对制造技术水平的提高起到了很大的推动作用。对弧焊机器人的研究已经历了三个阶段：包括示教再现、离线编程和自主编程的智能机器人，当前的应用水平处于第二阶段。当前，国内工业生产已大量使用机器人，其中用于焊接生产的约占65，而能将机器人用于焊接生产的部门和行业也非常广泛，如汽车、摩托车、工程机械、农业机械以及家电产品等，尤其在汽车工业中更为普及，因为使用机器人的优势非常显著:稳定及提高产品质量，降低返工率或废品率；使生产系统通用化，便于产品改型；提高劳动生产率，降低生产成本；改善劳动环境，保障安全生产；降低对工种熟练程度的要求；降低劳动力或熟练工不足的问题。由于优点明显，焊接机器人在我国汽车工业中的使用得到迅猛发展5。1.3焊接机器人的必要性焊接应形成机电一体化作为我国焊接产业的规模增长很快，若干焊接器材的性能也有长足进步。但是不少焊接设备与一些焊接材料，仍与国外知名焊接企业产品有一定的差距。焊接设备不能单枪匹马使用。欧美等国家把焊接及其相关的焊材、辅机具作为一个整体来看待。焊接设备完全融入机电一体化、融入自动化、融入工业化，焊接与国民经济的各个行业紧紧连在一起，不应是为焊接而焊接。在我国焊接设备、焊接材料、焊接工艺、焊接辅机具等，本应紧密相连的部分分成了几个框框，各自都在强调自己的重要性，相互之间的配合较少，未能很好地协调统一发展。从宏观上讲，焊接设备未能融入机电一体化设备的大环境中6。本设计来源于某厂的人工管板焊接机器进行改造,使之具有完全自动化焊接的功能,由一台手工操作的焊接机器变成能自动焊接的焊接机器人。其主要用于焊接热交换器端部的连接管板。随着我国换热器制造的不断进步，各使用单位对换热器的制造质量、使用寿命提出了更高的要求，而换热器质量的好坏，使用寿命的长短，在很大程度上取决于管板焊缝质量。因此为了提高焊接质量、减轻劳动强度，众多厂家陆续研制或使用管板自动焊机。图1-1 实际焊接操作图1.4 TIG焊的介绍再焊接时，热源将待焊两工件接口处迅速加热熔化，形成熔池。熔池随热源向前移动，冷却后形成连续焊缝而将两工件连接成为一体。在熔焊过程中，如果大气与高温的熔池直接接触，大气中的氧就会氧化金属和各种合金元素。大气中的氮、水蒸汽等进入熔池，还会在随后冷却过程中在焊缝中形成气孔、夹渣、裂纹等缺陷，恶化焊缝的质量和性能。弧焊机器人多采用奇特保护焊方法如TIG焊。其用纯钨或活化钨（钍钨、铈钨、锆钨、镧钨）作为不熔化电极的惰性气体保护电弧焊，利用钨极和工件之间的电弧使金属熔化而形成焊缝的。焊接过程中钨极不熔化，只起电极的作用。同时由焊炬的喷嘴送进氩气或氦气作保护。还可根据需要另外添加金属。在国际上通称为TIG焊。TIG焊接法的主要优点是可以焊接大材料范围广。包括厚度在0.6mm及其以上的工件，材质包括合金钢、铝、镁、铜及其合金、灰口铸铁、普通干、各种青铜、镍、银、钛和铅。主要的应用领域是焊接薄的和中等厚度的工件，在较厚的截面上作为焊根焊道使用。气体保护焊是利用外加气体作为保护介质的一种电弧焊方法，其优点是电弧和熔池可见性好，操作方便；没有熔渣或很少熔渣，无需焊后清渣。但在室外作业时需采取专门的防风措施。根据焊接过程中电极是否熔化，气体保护焊可分为不熔化极（钨极）气体保护焊和熔化极气体保护焊。前者包括钨极惰性气体保护焊、等离子弧焊和原子氢焊。原子氢焊目前在生产中已很少应用；等离子弧焊将在下一章介绍；本章内容史限于钨极惰性气体保护焊。钨极惰性气体保护焊英文简称TIG（Tungsten Inert Gas Weiding）焊。它是在惰性气体的保护下，利用钨电极与工件间产生的电弧热熔化母材和填充焊丝（如果使用填充焊丝）的一种焊接方法。焊接时保护气体从焊枪的喷嘴中连续喷出，在电弧周围形成气体保护层隔绝空气，以防止其对钨极、熔池及邻近热影响区的有害影响，从而可获得优质的焊缝。保护气体可采用氩气、氦气或氩氦混合气体。在特殊应用场合，可添加小量的氢。用氩气作为保护气体的称钨极氩弧焊，用氦气的称钨极氦弧焊，由于氦气价格昂贵，在工业上钨极氩弧焊的应用要比氦弧焊广泛午得多。本章以钨极氩弧焊为典型，介绍钨极惰性气体保护焊,某些地方也对氦气和钨极氦弧焊特有的性能做了说明。钨极氩弧焊按操作方式分为手工焊、半自动焊和自动焊三类。手工钨极氩弧焊时，焊枪的运动和添加填充焊丝完全靠手工操作；半自动钨极氩弧焊时，焊枪运动靠手工操作，但填充焊丝则由送丝机构自动送进；自动钨极氩弧焊时，如工件固定电弧运动，则焊枪安装在焊接小车上，小车的行走和填充焊丝可以用冷丝或热丝的方式添加。热丝是指提高熔敷速度。某些场合，例如薄板焊接或打底焊道，有时不必添加填充焊丝。上述三种焊接方法中，手工钨极氩弧焊应用最广泛，半自动钨极氩氩弧焊则很少应用。钨极氩弧焊具有下列优点：（1）氩气能有效地隔绝周围空气；它本身又不溶于金属，不和金属反应；钨极氩弧焊过程中电弧还有自动清除工件表面氧化膜的作用。因此，可成功地焊接易氧化，氮化、化学活泼性强的有色金属、不锈钢和各种合金。（2）钨极电弧稳定，即使在很小的焊接电流（10A）下仍可稳定燃烧，特别适用于薄板，超薄板材料焊接。（3）热源和填充焊丝可分别控制，因而热输入容易调节，可进行各种位置的焊接，也是实现单面焊双面盛开的理想方法。（4）由于填充焊丝不通过电弧，故不会产生飞溅，焊缝成形美观。不足之处是：（1）熔深浅，熔敷速度小，生产率较低。（2）钨极承载电流的能力较差，过大的电流会引起钨极熔化和蒸发，其微粒有可能进入熔池，渣成污染（夹钨）。（3）隋性气体（氩气、氦气）较贵，和其它电弧焊方法（如手工电弧焊、埋弧焊、CO2气体保护焊等）比较，生产成本较高。 钨极氩弧焊可用于几乎所有金属和合金的焊接，但由于其成本较高，通常多用于焊接铝、镁、钛、铜等有色金属，以及不锈钢、耐热钢等。对于低熔点和易蒸发的金属（如铅、锡、锌），焊接较困难。钨极氩弧焊所焊接的板材厚度范围，从生产率考虑3mm以下为宜。对于某些黑色和有色金属的厚壁重要构件（如压力容器及管道），在根部熔透焊道接，全位置焊接和窄间隙接时，为了保证高的焊接质量，有时也采用钨极氩弧焊7。图1-2 全位置管板焊接设备上图为我国陕西深信发展有限公司的全位置管板焊接设备, 结构功能及技术特点:其管板机头由电机驱动装置,焊接旋转部分,定位装置,送丝机构,弧长控制部分,气体保护部分等组成。焊接旋转部分无缠绕，焊接旋转速度可在一定范围内自行设定，可连续多道焊接，具有很好的重现性。定位方式采用滑动式托架和悬挂式芯杆两种定位方式：送丝机与机头为一体式结构，在焊头内部，装有弧长控制装置，通过步进电机带动焊枪沿焊缝位置进行电弧电压信号反馈，保证弧长高度的稳定和焊接质量的可靠。机头旋转电机装有脉冲计数器，并与焊接电源的控制系统相连，实行闭环控制，保证焊头的焊炬准确定位和旋转过程的稳定,焊枪角度可调，适应不同管板连接结构。图1-3 TIG焊手动焊枪氩气是惰气中较多的，相比成本低一点，焊接时熔化的焊剂与母材熔合时，为防止超高温状态下熔剂被氧化，采用惰气（氩气）进行隔离空气，保护焊点,保持化学成分，从而保护其机械性能。TIG焊(钨极惰性气体保护电弧焊)中通常的引弧方法是接触引弧或高频电压引弧。然而这些引弧方法对弧焊机器人系统来说都存在一些问题。前者可能在焊缝起始处产生缺陷并增加电极磨损，后者产生高频电磁噪声会干扰控制计算机的运行、导致机器人突然难以预料的运动甚至触发其它设备。为了解决这些问题，日本钢铁协会已研制成功一种新型TIG引弧方法。其引弧原理说明：在主钨极的一侧安装一个小功率等离子焰流(引燃等离子)发牛器、其体积很小(直径10mm，长度10mm)，用氩气作为等离子气体。当电源接通时，等离子焰流即在钨极一侧喷出，并在约20ms之内，在钨极端部和工件之间建立起工作电弧。与接触引弧法相比较，这种引弧力祛几乎没有电磁噪声，减小了电极磨损，有利于电弧稳定和减小出现缺陷的可能性。2设计方案2.1 机械关键技术机械部分靠三个电机带动滚珠丝杠，从而使得丝杠上的平台能分别在三个自由度上移动。分别分为X、Y、Z三轴，X轴(左右)方向运动范围为2000mm，Y轴(前后)方向运动范围为300mm，Z轴(上下)方向运动范围为1000mm。2.2 电气关键理论电动机的选用：步进电动机是一种用电脉冲信号进行控制,并将脉冲信号转换成相应的角位移或直线位移的执行器。步进电动机的输出位移量与输入脉冲个数成正比、转速与脉冲频率成正比、转向与脉冲分配到步进电机各相绕组的相序有关。所以只要控制脉冲数量、频率和电机绕组通电顺序便可控制步进电动机的角位移、转速、转向。这使得步进电动机具有转动惯量低、定位精确度高、无累积误差、控制简单方便等特点。步进电动机在自动控制装置中作为执行元件,广泛应用于各种自动化控制系统和机电一体化设备中。其特点为：a. 输入脉冲数严格和电动机角位移成正比,电动机运转一周后没有累积误差,因此具有良好的跟随特性;b. 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;c. 步进电动机的动态响应快,易于起动、停止、正反转和变速;d. 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。PLC对步电动机也有良好的控制能力,通过对PLC内置脉冲输出功能和设置相应的控制指令可以很好地控制步进电机。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。3 计算说明3.1 X轴传动部件的选择与校核计算3.1.1脉冲当量的确定根据设计的分析和计算要求，X方向（左右）的脉冲当量为=0.02mm/脉冲，Z方向（上下）为=0.02mm/脉冲。Y方向（前后）为=0.01 mm/脉冲3.1.2滚珠丝杠螺母副的计算和选型X方向（左右）（1）工作载荷Fm的计算 Fm为工作最大载荷是指滚珠丝杠副在驱动工作台时所承受的最大轴向力。已知移动部件总重G=1300N；（2）最大动载荷的计算设X方向下最快的进给速度v=2.4m/min，初选丝杠基本导程 =6mm,则此时丝杠转速n=1000v/ =400r/min。取滚珠丝杠的使用寿命T= 15000h(一般机电设备取T=15000h；n为丝杠每分钟转速)，代入，得丝杠寿命系数=360（单位为r）。查表3-30，取载荷系数=1.1，再取硬度系数=1.0，代入公式： （3-1） 得最大动载荷=10172.71N（3）初选型号 根据计算出的最大动载荷，查表3-33，选用4006-3型其公称直径为40mm，基本导程为6mm，双螺母滚珠总圈数为32=6圈，精度等级取4级，额定动载荷为13200N，满足要求。（4）传动效率的计算 将公称直径=40mm，基本导程=6mm，代入 （3-2）得丝杠螺旋升角=2.73。将摩擦角=10分，代入，得传动效率=96.5% 。（一般在0.80.9之间，摩擦角一般取10）（5）刚度的验算1）左、右支承中心距离约为2200mm；刚的弹性模量=；查表3-33，得滚珠直径=3.9688mm，算得丝杠底径=公称直径-滚珠直径=36.0312mm，则丝杠截面积 （3-3）得S=1019.64丝杠的拉伸或压缩变形量 （3-4）I为丝杠底径的截面。惯性矩（其中“+”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）。所以， （3-5）综上求得丝杠在工作载荷Fm作用下产生的拉/压变形量=0.01336mm 。 2）根据公式无预紧时 （3-6）为有预紧时 （3-7） 滚珠直径，单位为mm; 单圈滚珠数，（外圈环），（内圈环）；滚珠总数量，=Z圈数列数；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，值减小一半左右。）单圈滚珠数目Z=29；该型号丝杠为双螺母，滚珠总圈数为32=6圈，总滚珠总数量 =296=174 。滚珠丝杠预紧时，取轴向预紧力433.3N 。则=0.00098mm。因为丝杠加有预紧力，且为轴向负载的三分之一，所以实际变形量可减小一半，取=0.00049mm。3）将以上算出的、代入 （3-8）得变形总量=14.34。由表3-27形成偏差和变动量知，4级精度滚珠丝杠任意2000mm2500mm轴向行程内行程的变动量允许57，而对于阔度为2200 的滚珠丝杠，总的变形量只有13.85 ，可见丝杠刚度足够。（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： （3-9） 临界载荷，单位为N丝杠支承系数压杆稳定安全系数，一般取2.54，垂直安装时取小值滚珠丝杠两端支承间的距离，单位为mm 。查表3-34由于课题要求为单推单推则丝杠支承系数=1有丝杠底径=36.0312mm ，求得界面惯性矩82734.15；压杆稳定安全系数K取3；滚动螺母至轴向固定处的距离2200取最大值 。代入上式，得临界载荷11809.66N，远大于工作载荷Fm=1300N，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130BYG3502 ，三相混合式，最大静转矩为37N.m，十拍驱动时步距角为0.6。3.1.3减速机构设计（1） 传动比i的确定已知电动机的步距角=0.6,脉冲当量=0.02mm/脉冲，脉冲当量通常要小于定位精度。则根据式 （3-10） 求得i=0.5。所以不需要减速机构。3.1.4步进电动机的计算于选型（X左右方向）（1）计算加在步进电动机转轴上的总转动惯量已知：滚珠丝杠的公称直径=40mm，总长（带接杆）=2200mm，导程=6mm，材料密度=；X向移动部件总重量G=1300N。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=43.4；折算到丝杠上的转动惯量=1.21。初选的纵向步进电动机型号为130BYG3502，从表4-5查的该型号电动机转子的转动惯量=48。则加在步进电动机转轴上能够的总转动惯量为： =+（+） （3-11） 得92.61（2）计算加在步进电动机转轴上能够的等效负载转矩分快速空载运动和承受最大工作负载两种情况进行计算。1）快速空载启动时电动机转轴所承受的负载转矩由式=+可知，包括三部分：快速空载启动时折算到电动机转轴上的最大加速转矩、移动不见折算时折算到电动机转轴上的摩擦转矩、滚珠丝杠预警后折算到电动机转轴上的附加摩擦转矩。因为滚珠丝杠副传动效率很高，根据式可知，相对于和很小，可以忽略不计。则有=+ （3-12）根据式 =，考虑纵向链的总效率，计算快速空载启动时折算到电动机转轴上的最大加速转矩：= （3-13）对应纵向空载最快移动速度的步进电动机最高转速。 步进电动机有静止到加速至转速所需要的时间。其中： （3-14） X方向空载最快移动速度，为2400mm/min； X方向步进电动机步矩叫角，为0.6； X方向脉冲当量，=0.02mm/脉冲。将以上各式带入式，算得=200。 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=0.96；则由式=求得=5.05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： （3-15） -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； 纵向传动总效率，取0.7则由式得：=0.005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：=+=5.0552）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=20.22对于前面预选的130BYG3502行步进电动机，由表可知，其最大静转矩=37Nm，可见完全满足式4的要求。（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，由式求出电动机对应的运行频率=600/（60*0.02）Hz=2000Hz。从130BYG3502的运行矩频特性可以看出，在此频率下，电动机的输出转矩=26.80 Nm，远远大于最大工作负载转矩=5.055Nm，满足要求。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。查表的130BYG3502的极限运行频率为15000Hz，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=92.61kg，电动机转子自身的转动惯量=48kg，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=1500Hz。则由式可以求出步进电动机克服惯性负载的启动频率为： （3-16） 得876.4Hz。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876.4Hz。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130BYG3502步进电动机，可以满足设计要求。3.2 Y轴传动部件的选择与校核计算3.2.1滚珠丝杠螺母副的计算和选型Y方向（前后）（1）工作载荷Fm的计算 Fm为工作最大载荷是指滚珠丝杠副在驱动工作台时所承受的最大轴向力。已知移动部件总重G=500N； 选用直线滚动导轨。查表3-29 ，Fm=G=500N。（2）最大动载荷的计算设Y方向下最快的进给速度v=1.2m/min，初选丝杠基本导程 =4mm,则此时丝杠转速n=1000v/ =300r/min。取滚珠丝杠的使用寿命T= 15000h(数控机床及一般机电设备取T=15000h；n为丝杠每分钟转速)，代入，得丝杠寿命系数=270（单位为r）。查表3-30，取载荷系数=1.1，再取硬度系数=1.0，代入公式： （3-17）得最大动载荷=3554.8N（3）初选型号 根据计算出的最大动载荷，查表3-33，选用FL2004型其公称直径为20mm，基本导程为4mm，双螺母滚珠总圈数为32=6圈，精度等级取4级，额定动载荷为4900N，满足要求。（4）传动效率的计算 将公称直径=20mm，基本导程=4mm，代入得丝杠螺旋升角=3.64。将摩擦角=10分，代入，得传动效率=97.8% 。（一般在0.80.9之间，摩擦角一般取10）（5）刚度的验算1）纵向滚珠丝杠副的支承，采取单推单推结构。推力轴承分别装在滚珠丝杠的两端并施加预紧力。其特点是轴向刚度高，预拉伸安装时，预紧力较大。左、右支承中心距离约为470mm；刚的弹性模量=；查表3-33，得滚珠直径=2.3812mm，算得丝杠底径=公称直径-滚珠直径=17.6188mm，则丝杠截面积=243.68丝杠的拉伸或压缩变形量 （3-18）I为丝杠底径的截面惯性矩（其中“+”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。）。 （3-19）综上求得丝杠在工作载荷Fm作用下产生的拉/压变形量=0.0046mm 。 2）根据公式无预紧时 （3-20）有预紧时 （3-21）滚珠直径，单位为mm; 单圈滚珠数，（外圈环），（内圈环）；滚珠总数量，=Z圈数列数；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，值减小一半左右。）单圈滚珠数目Z=29；该型号丝杠为双螺母，滚珠总圈数为32=6圈，总滚珠总数量 =296=174 。滚珠丝杠预紧时，取轴向预紧力166.67N 。则=0.0006mm。因为丝杠加有预紧力，且为轴向负载的三分之一，所以实际变形量可减小一半，取=0.0003mm。3）将以上算出的、代入 （3-22）得变形总量=4.9。由表3-27形成偏差和变动量知，4级精度滚珠丝杠任意400mm500mm轴向行程内行程的变动量允许20，而对于阔度为470mm 的滚珠丝杠，总的变形量只有4.9 ，可见丝杠刚度足够。（6）压杆稳定性校核滚珠丝杠如果轴向负载过大，则可能产生失稳现象。失稳时的临界载荷Fk应满足： （3-23）临界载荷，单位为N丝杠支承系数压杆稳定安全系数，一般取2.54，垂直安装时取小值滚珠丝杠两端支承间的距离，单位为mm 。查表3-34由于课题要求为单推单推则丝杠支承系数=1有丝杠底径=17.1mm ，求得界面惯性矩4197.15；压杆稳定安全系数K取3；滚动螺母至轴向固定处的距离470取最大值 。代入上式，得临界载荷13126.73N，远大于工作载荷Fm=500N，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。3.2.2减速机构设计先初选电动机型号110BYG3502 ，三相混合式，最大静转矩为16Nm，六拍驱动时步距角为0.6。1）传动比i的确定已知电动机的步距角=0.6, Y（前后）脉冲当量为取=0.01mm/脉冲，脉冲当量通常要小于定位精度。则根据式 （3-24）求得i=0.67。所以不需要减速机构。3.