Разработка мехатронного модуля с шарико-винтовой передачей

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО ТРАНСПОРТА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ

«РОССИЙСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ТРАНСПОРТА» (РУТ (МИИТ)

Институт транспортной техники и систем управления

Кафедра «Наземные транспортно-технологические средства»

Направление подготовки 15.03.01

Курсовой проект по дисциплине: «Мехатронные модули в робототехнике»

На тему: «Разработка мехатронного модуля с шарико-винтовой передачей»

Выполнил: Студент группы ТМР-311 Тюрин Андрей Сергеевич

Проверил: Доцент, к.т.н. Мишин Алексей Владимирович

Москва 2020



Оглавление

Введение

1. Техническое задание

2. Обзор существующих мехатронных модулей

3. Расчет шарико-винтовой передачи

4. Расчет КПД ШВП

5. Расчёт геометрических параметров гайки ШВП

6. Проверка винта на прочность

7. Проверочный расчет ШВП по контактным напряжениям

8. Расчёт на устойчивость

9. Расчёт кинематической погрешности и значения мёртвого хода

10. Расчет требуемого условия мощности двигателя мехатронного модуля

11. Выбор муфты

12. Расчёт LM-направляющих на долговечность

Заключение

Список источников



Введение

Мехатронные системы и модули вошли как в профессиональную деятельность, так и в повседневную жизнь современного человека.

Сегодня они находят широкое применение в самых различных областях:

автомобилестроение; промышленная и сервисная робототехника; периферийные устройства компьютеров и офисная техника; медицинские системы; авиационная, космическая и военная техника и т.д.

Именно мехатроника дала новые идеи и методы для проектирования движущихся систем с качественно новыми свойствами.



1. Техническое задание

Цель курсового проекта - конструирование мехатронного модуля (механической, электрической, программной составляющих) с заданными техническими характеристиками.

Исходные данные:

Максимальное усилие на выходном звене ММ:

=350(Н);

Длина винта ШВП:

=1700(мм.);

Частота вращения вала двигателя ММ:

n=1500 (об/мин.);

Линейная скорость выходного звена ММ:

=0,2 (м/с);

Расположение винта:

Вертикальное;

Двигатель:

Бесколлекторный двигатель постоянного тока

Концевой выключатель:

Ультразвуковой.

2. Обзор существующих мехатронных модулей

Мехатронные модули обладают следующими особенностями:

-использование однотипных унифицированных узлов в различных вариантах компоновки станков, обеспечивающих агрегатно-модульное построение;

-уменьшение времени ремонта за счет поузловой замены;

-расширение и наращивание функций станков за счет добавления мехатронных модулей и узлов;

-создание разветвленных систем диагностики;

- упрощение сервисного обслуживания за счет применения однородных конструкций.

Рисунок 2.1 - Основные виды мехатронных модулей.

Модули подразделяются по виду станочного механизма и по виду системы управления. Станочные механизмы в свою очередь подразделяются на механизмы главного движения, механизмы подачи и вспомогательных перемещений.

3. Расчет шарико-винтовой передачи

Угловая скорость гайки(винта).

(рад/с);

Передаточное отношение.

();

Шаг резьбы.

=8 (мм) ;

Внутренний диаметр резьбы винта.

,

- 0,1 … 0,35 - коэффициент диаметра шариков.

Диаметр шарика.

;

Где -коэффициент шага резьбы (0,6);

Предварительная проверка вала на прочность по нормальным напряжениям.

,

,

,

,

Радиус профиля резьбы винта и гайки.

,

Смещение профиля резьбы в радиальном направлении.

,

:

;

Уточняем значение внутреннего диаметра винта:

;

Диаметр окружности по которой происходит контакт шариков с винтом.

,

Наружный диаметр винта.

(мм);

Глубина профиля резьбы у винта и гайки

;

Где - число шариков в рабочей части ШВП с каналом возврата.

Число рабочих шариков.

,

К_В - число рабочих витков в одной замкнутой рабочей цепочке принимают из ряда (1,5;2,5;3,5;4),

4. Расчет КПД ШВП

Угол подъема винтовой линии:

,

,

2) Приведенный угол трения качения:

,

,

3) КПД передачи равен:

,

5. Расчёт геометрических параметров гайки ШВП

1) Определяется удельная осевая нагрузка:

,

,

Условие износостойкости выполняется, так как

,

,

г_н-коэффициент неравномерности распределения нагрузки между шариками,

,

Число замкнутых рабочих цепочек в гайке:

,

,

а, ее определяют в зависимости от относительного радиального зазора по графику (рис.)

2) Радиальный зазор:

,

3) Относительный радиальный зазор:

,

4) Внутренний диаметр гайки:

,

6. Диаметр окружности, по которой происходит контакт шариков с гайкой:

,

7.Внешний диаметр гайки:

,

8.Наружный диаметр гайки при расположении в ней возвратного канала:

,

9.Наружный диаметр гайки при расположении в ней возвратного канала вне гайки;

,

6. Проверка винта на прочность

,

,

,

,

условие выполняется, так как расчётное значение не превышает допустимого.

,

,

,

F_н - сила предварительного натяга, ее рекомендуется принимать по формуле,

,

Расчёт динамической грузоподъемности:

,

.,

:

,

,

,

Вращающий момент в передаче без предварительного натяга:

,

Вращающий момент в передаче с предварительным натягом:

,

7. Проверочный расчет ШВП по контактным напряжениям

Максимальное контактное напряжение.

[МПа],

Где - внутренний радиус шарика.

;

- модуль упругости первого рода винта

;

- внутренний радиус винта.

(20мм)

- коэффициент нагрузки определяемый в зависимости от отношения главных кривизн (А/Д)

А- главная кривизна в плоскости наиболее плотного касания.

,

Д-главная кривизна наименее плотного касания.

,

,

(по таблице ,

,

МПа)

5000(МПа);

Условие выполняется, так как меньше .

8. Расчёт на устойчивость

Предел текучести материала винта:

,

,

,

0,7,

Проверка винта работающего на сжатие по условия:

,

.

,

,

,

- критическая осевая сила, определяется в зависимости от гибкости винта:

,

Где: - максимальная длина участка винта между серединами опорами винта и гайки;

- коэффициент приведения длин, определяется по таблице 4.21 [1 стр. 174].

,

Определяем минимальный радиус инерции поперечного сечения винта:

,

Где: минимальный осевой момент инерции поперечного сечения винта;

,

,

,

Если гибкость винта меньше начальной гибкости

,

Для сталей Ст.3 a=321, b=1,16

,

276 > 119

то винты устойчивости не теряют и расчет на устойчивость не проводят.

Критическая частота вращения:

,

Где: - критическая частота вращения винта.

1)

- коэффициент запаса = 0,5…0,7.

коэффициент зависящий от способа закрепления винта [2 стр.174 (4.21)]

2)

,

9. Расчёт кинематической погрешности и значения мёртвого хода

Максимальное значение кинематической погрешности ШВП:

,

,

,

ависят от рабочей длины винта определяются по таблице 3.51[2 стр.158];

Максимальное значение мертвого хода передачи:

,

по таблице 3.52[2 стр. 159],

,

10. Расчет требуемого условия мощности двигателя мехатронного модуля

(Вт),

,

,

,

- коэффициент запаса, учитывающий влияние динамических нагрузок в период разгона и торможения =1,1…1,3

Исходя из полученного значения P=(Вт), определим двигатель из условия . Был взят двигатель мощностью

Серводвигатель BLDC BLM57180-1000 (взято из https://purelogic.ru)

Тип двигателя: бесконтактный электродвигатель постоянного тока

Длина: 160 мм.

Диаметр вала двигателя: 38 мм.

Фланец: 57 мм (NEMA 23)

Мощность:180 Вт.

Напряжение питания: 36В.

Крутящий момент, max.: 1.71 Нм.

Номинальный момент:0.57 Нм.

Скорость: 3000 об/мин.

Энкодер: оптический инкрементальный; 4000 имп./об.; Сигналы: A,B;

Ток, I: 7.0 А. мехатронный винтовой кинематический двигатель

Ток пиковый: 20.5 A.

Индуктивность: 2.0 мГн.

Рис. 10.1

11. Выбор муфты

,

Где - номинальный момент муфты;

- максимальный момент двигателя;

,

Муфта: соединительная спиральная серии СR

Модель муфты: CR-3035-8-20.

Рис. 11.1

12. Расчёт LM-направляющих на долговечность

,

где

,

,

,

f_н - коэффициент твердость, определяемый по графику [1 стр.245],

,

,

,

,

,

,

,

,

Расчет направляющих на статическую грузоподъемность:

,

где - основная номинальная статическая нагрузка (Н);

-статическая нагрузка (Н);

-статический коэффициент безопасности

=1,0…1,5?при спокойной малой нагрузке и малом прогибе оси =2,0…5,0?при ударном воздействии и осевой силе



Заключение

На основании проведенных расчетах удалось рассчитать характеристики и габариты винта ШВП. В ходе расчетов был подобран электродвигатель, соединяющая муфта, гайка ШВП и фиксирующие опоры. В данной работе была спроектирована шарико-винтовая передача для станка с ЧПУ в программе для проектирования «Компас 3D».



Список источников

1. «Конструирование мехатронных модулей». Федеральное агентство железнодорожного транспорта. Уральский государственный университет путей сообщения. Кафедра «Мехатроника» В.М. Таугер

2. «Мехатронные модули. Расчет и конструирование». МГТУ "СТАНКИН", 2004г, Егоров О.Д., Подураев Ю.В.

3. https://studfile.net

4. https://technobearing.ru

5. https://purelogic.ru

Размещено на Allbest.ru