三维轨道定位装置结构及控制系统设计大学论文.docx

三维轨道定位装置结构及控制系统设计大学论文.docx

《三维轨道定位装置结构及控制系统设计大学论文.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《三维轨道定位装置结构及控制系统设计大学论文.docx（50页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

三维轨道定位装置结构及控制系统设计大学论文

XX　学　院

XXUNIVERSITY

本科生毕业设计

设计题目：

三维轨道定位装置结构及控

　　制系统设计

系　　　　部：

机电工程系

专业：

机械设计制造及其自动化

学生姓名：

XX

班级：

三班

学号2011011308

指导教师姓名：

职称教授

职称工程师

XX学院教务处

二○一三年六月制

　　（2015届）

　　本科生毕业设计说明书

三维轨道定位装置结构及控制系统设计

系　　　　部：

机电工程系

专业：

机械设计制造及其自动化

学生姓名：

班级：

三班

学号2011011308

指导教师姓名：

职称教授

职称工程师

最终评定成绩

2015年6月

摘要

三维轨道定位装置结构及控制系统设计是一种空间三维移动高精度定位的装置，他在仓储、工地、工厂等作业地都有广泛的应用。

本课题主要针对仓储作业地进行设计，我国传统的仓储形式是运用天车来实现的，进行空间三维的移动，但天车实现了空间三维的移动，并不进行精度的要求，位移的检测，而三维轨道定位装置不仅完成了空间三维的移动，而且具有高精度的位置检测，可以实现空间三维高精度任一点的移动，配合上控制系统，实现智能化管理、自动化运输，减少了劳力，提高了操作性。

本课题主要从三维轨道定位装置结构的三个方向移动来进行设计，针对三个方向的定位装置进行结构分析、结构布局、电机选择、传动方式、控制系统等进行设计，通过仿真软件仿真校核。

关键词：

三维轨道，定位装置，电控系统，检测装置

ABSTRACT

Thestructureandcontrolsystemdesignof3Dorbitpositioningdeviceisadeviceofspatial3Dmovinghighprecisionpositioning.Hehasextensiveapplicationinstorage,construction,factoryandsoon.Thistopicmainlyforwarehousinghomeworkdesign,Chinesetraditionalformofstorageisbyusingthecranetoachieveandspace3Dmobile,butcranerealizedthree-dimensionalmobile,notaccuracyrequirements,displacementdetection,and3Dorbitpositioningdevicenotonlycompletedthethree-dimensionalspaceofthemobile,butalsohashighprecisionpositiondetection,mobile3Dhighaccuracyatanypointcanbeachieved,withcontrolsystem,torealizetheintelligentmanagementandtransportationautomation,reducelabor,improvetheinteroperability.Thispapermainlyfromthe3Dorbitpositioningdevicestructureofthreedirectiontocarryonthedesign,forthreedirectionpositioningdeviceforstructureanalysis,structurelayout,motorselection,transmission,controlsystemdesign,throughthesimulationsoftwaresimulationandverification.

Keywords:

3dorbital,positioningdevice,electriccontrolsystem，Detectiondevice

第1章绪论

1.1三维轨道定位装置的简介

三维轨道定位装置是运用于传统仓库上的自动抓取物料的设备，它将先进控制技术与传统的行车合理的结合起来，运用自动化控制技术控制对应的执行机构运作，让立体化仓存自动化、操作更加简便、高层更为合理，大大降低的存放难度和工人的劳动强度且使用简便，拥有光明的应用前景。

1.2三维轨道定位装置的发展趋势

目前我国的传统仓储业核心竞争力以实现仓储业功能升级与业务模式转换。

这实质上是一项需要长时间转变的革命，在此过程中，国内传统仓储业面临的难题主要是怎样从一个粗放型、扩张型的初级仓储系统过渡到一个实施精细化操作，满足客户需求以及达到反应灵敏，高效，与客户价值进行高度耦合的高级仓储系统。

1.3三维轨道定位装置的研究状况

传统的仓储是以提高存储效率为核心存储型仓储管理模式，且操作难度高，提高了成本。

国内现在用的三维轨道定位机械类似的的结构是桥式起重机，是一种架设在高架轨道上可以移动的桥式起重机中的一类，利用架桥下面的有效空间来运送物料，不受地面障碍物的影响。

1.3.1三维精密位移系统的结构及工作原理

图1.1三维精密装置原理图

工作原理：

如图1.1，交流伺服电机通过联轴节驱动滚珠丝杠带动执行部件运作，把伺服电机的旋转换成执行部件的直线运动，当某一方向的直线运动到达某一点时，当伺服电机旋转一个角度跟着发出对应数量脉冲，和PLC发出的脉冲相对应，形成闭环，以此来保证他所运动的精度，同时位移的检测也可通过压电陶瓷位位移器先将微位移信号转变成电信号，电信号频率的一个周期等于一个莫尔条纹，及对应光栅移动的一个栅距，这样计算电信号的周期数就可用得到微位移的数据，达到更高精度的定位。

1.4三维轨道定位装置的研究意义

三维轨道定位装置使仓储自动化，物料搬运更合理，为企业后续发展节约资金，腾出了额外的资本，高精度、快捷的反应速度特点也为企业在生产中缩短了时间，降低了成本、废品率。

高效的配运、仓储，加快了企业的运营速度，税收的提高也为社会福利做出了一份贡献。

1.5三维轨道定位装置研究的内容及意义

研究内容主要集中在这几个方面：

三维轨道定位装置的X-Y-Z移动机构设计、定位装置设计、电气控制系统设计，电气系统的仿真。

①X-Y-Z移动机构的设计：

实现X-Y-Z三个方向的移动，同时三个方向的移动互不干涉。

②定位装置的设计：

选用合理的驱动元件，运用合理的定位方式，使X-Y-Z方向的移动精度不大于±1cm，驱动元件的最小承受能力不小于20kg。

③电控系统设计：

运用工业生产中广泛用到的PLC，进行编程控制，抗干扰能力强、通用性和适用性强、系统的设计、安装、调试工作量少的特点，实现对X-Y-Z方向移动的控制。

④电气系统的仿真：

通过GX软件和PLC进行仿真看是否能达到设计要求，直到达到效果，否则继续进行修改。

1.6课题设计的主要参数

Y方向长度27m，行程19m，匀速行驶16m。

X方向长度17m，行程12.5m，匀速行驶9m。

Z方向长度13m，行程9m，匀速行驶6m。

三方向允许误差≤1cm。

最高速度0.1m/s，最低速度0.01m/s。

1.7本章小结

通过中国知识网找寻大量相关资料，对本课题进行初步认识，并针对相关结构拟定初步方案。

第2章三维轨道定位装置的结构设计及校核

2.1Z方向移动的结构设计

2.1.1方案一

运用车床的传动方式，来设计Z方向的运动方式，伺服电机通过联轴器带动滚珠丝杠转动，经滚珠螺母固定与螺母座，在与工作台连接，将电机的旋转运动变为工作台的上下运动，创建丝杆长度10m的移动结构，如图2.1所示。

图2.1Z方向的运动方式图

2.1.2方案二

运用车床的传动方式，来设计Z方向的运动方式，伺服电机驱动联轴器带动滚珠丝杠转动，通过滚珠螺母与螺母座连接，在与工作台连接，将电机的旋转运动变为工作台的上下运动，在设计过程中，Z方向总高度13m，移动距离得有9m，因此把Z方向移动分成2次移动，第一次最大行程4m，第二次最大行程5m。

如图2.2所示。

图2.2Z方向的运动方式图

2.1.3方案对比

方案一中，丝杆长度太长，精度配置要求更高，且运行时误差增长变化大，成本也高，在运动时。

留出的垂直空间小，导致可行性低。

方案二中，将Z方向的移动分解成2段，缩短了丝杆长度，同时运行时误差增长相对小，且留出的空间大，可行性高。

经过对比，方案二明显比方案一更具有可行性，选用方案二。

2.1.4Z方向行程4m的滚珠丝杠的选型

（1）使用条件

①载荷

工作台选用材料40CR，密度0.782cm³，长度260mm,宽度260mm，厚度40mm。

吊钩选用材料40CR，密度0.872cm³，长度230mm，圆度24mm。

工件重量m3=30Kg。

工作台重量：

（2.1）

（2.2）

铁钩重量由公式2.1、2.2：

载荷：

②工作行程

③运行速度

④精度

（2）精度等级的选定

①精度等级

从地方不同等级精度划分不同，按国家标准GBT17587.3-1998，滚珠丝杠副的精度等级分为7个等级，1、2、、3、4、5、7、10等7个等级，分别与代号P1、P2、P3、P4、P5、P7、P10对应。

不同国家等级精度代号不同。

②精度等级选定方法

根据滚珠丝杠的场合所需精度要求按照长度，有日本THK公司滚珠丝杆机构精度等级-导成误差表计算导成累积误差，选择轧制滚珠丝杆或磨制滚珠丝杠，选用最实用的精度。

有公式得：

（2.3）

σ：

滚珠丝杠误差；

L：

滚珠丝杠工作行程；

α：

换算每300mm后的误差。

数据带入公式得：

因此选用轧制滚珠丝杠、精度等级C8，导成误差±0.1mm/300mm。

因为工作行程为4000mm，误差为±10mm，换算为每300mm所需要的误差：

（3）导程计算与选定

①导成方向

采用滚珠丝杆标准导成方向，选用右旋。

②导程的计算与选定方法

根据导成定义有公式：

（2.4）

Nm：

电机转速r/min；

Vma×：

最大移动速度m/s；

PB：

滚珠丝杆导成mm；

i：

传动比。

由数据：

所以得：

因此选用丝杆导成≥2.4mm的丝杆。

（4）滚珠丝杆支撑方式选定

由Vmax=100mm/s，工作行程为4000mm，精度较高。

所以选一端固定、一端支撑的方式。

（5）丝杆外径选定与校核

①初选丝杆外径

选用丝杆PB=12mm丝杆外径为40mm。

②计算最大轴向载荷

根据力学原理，可知各种工况下的轴向载荷为：

加速前进：

（2.5）

等速前进：

（2.6）

减速前进：

（2.7）

加速返回：

（2.8）

等速返回：

（2.9）

减速返回：

（2.10）

F1-F6：

各运动状态下的轴向载荷，N；

m：

工作总质量，kg；

a：

滑块运动的加速度，m/s2；

u：

直线导轮副的摩擦系数；

f：

导轮无载荷时的运行阻力。

最大载荷：

u取0.02,

加速行程0.5m，最大速度0.1m。

由公式

（2.11）