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    PCB 電路板質(zhì)量自動(dòng)檢測裝置設(shè)計(jì)

    2013-09-26 06:03:38劉鵬祥孫立環(huán)
    電子測試 2013年20期
    關(guān)鍵詞:絲桿滾珠工作臺(tái)

    劉鵬祥 ,孫立環(huán)

    (東北大學(xué)秦皇島分校,秦皇島,066004)

    0 引言

    PCB 電路板質(zhì)量自動(dòng)檢測裝置的設(shè)計(jì), 關(guān)鍵在于二維工作臺(tái)各部件的選擇和設(shè)計(jì), 包括步進(jìn)電機(jī)、導(dǎo)軌副、滾珠絲桿副和聯(lián)軸器。采用步進(jìn)電機(jī)的開環(huán)伺服系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu) 簡單、適應(yīng)性強(qiáng)、加工精度高和工作質(zhì)量穩(wěn) 定,PCB 電路板自動(dòng)監(jiān)測裝置的設(shè)計(jì)對(duì)于提 高勞動(dòng)生產(chǎn)率和產(chǎn)品質(zhì)量,節(jié)約經(jīng)濟(jì)成本有 重要意義。

    1 二維工作臺(tái)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

    二維工作臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)X和Y兩個(gè)方向的運(yùn)動(dòng),通過兩個(gè)方向運(yùn)動(dòng)的合成可以實(shí)現(xiàn)任 意平面軌跡。本文設(shè)計(jì)的X-Y二維工作臺(tái)為開環(huán)伺服系統(tǒng).通過步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng),經(jīng)傳 動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)。工作臺(tái)主要參數(shù)如下:(1)PCB電路板尺寸 300mmX300mm;(2)工作臺(tái)移動(dòng)速度 2mm/s-50mm/s;(3)加速度2s 達(dá)到額定速度;(4)定位精度 0.01mm。

    X-Y 工作臺(tái)系統(tǒng)總體框圖如圖 1 所示:

    圖 1 X-Y 二維工作臺(tái)系統(tǒng)總體框圖Fig.1 Overall Block Diagram of The 2D Worktable

    圖 2 二維作臺(tái)結(jié)構(gòu)模型Fig.2 Model of The 2D Worktable Structure

    2 二維工作臺(tái)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

    首先根據(jù)PCB電路板基本尺寸,初步估 計(jì)載荷重量,選取導(dǎo)軌副。然后進(jìn)行受力分 析,根據(jù)最大動(dòng)載荷選擇滾珠絲桿副。接著根據(jù)負(fù)載和轉(zhuǎn)矩選擇步進(jìn)電機(jī)的型號(hào)。最后根據(jù)設(shè)計(jì)的 X-Y 工作臺(tái),畫出如圖2所示的結(jié)構(gòu)圖。

    2.1 導(dǎo)軌副的選擇

    根據(jù)給定的工作載荷FZ和估算的X向和Y向重量GX和GY,計(jì)算導(dǎo)軌靜安全系數(shù) fSL=CO/P,式中CO為導(dǎo)軌的基本靜額定載荷; 工作載荷P=0.5(FZ+W);fSL=1.0-3.0(一般 運(yùn)行狀況)根據(jù)計(jì)算工作狀況取fSL=3.0。

    初步選擇絲杠材質(zhì)為CrWMn鋼,HRC為58-60,導(dǎo)程 Ph=5mm。滾珠絲桿軸向力:Fmax=KFX,Y+f(FZ+WX,Y)其中 K=1.15,摩擦系數(shù)f=0.003-0.005 ; FX= ( 0.1-0.6 ) FZ,F(xiàn)Y=(0.15-0.7)FZ。 取f=0.004,F(xiàn)X=0.5FZ,F(xiàn)Y=0.6FZ。壽命系數(shù)其中滾珠絲桿轉(zhuǎn)速T=1500h。最大動(dòng)載荷式中fH為載荷系數(shù),HRC≥ 58 時(shí)為 1.0,fw為載荷系數(shù),中等沖擊時(shí)為 1.2-1.5,取 fw=1.2。所以,根據(jù)最大動(dòng)載荷選擇滾珠絲桿為濟(jì)寧絲杠廠型號(hào)為 2505-2。

    2.2 滾珠絲杠副的選擇

    根據(jù)計(jì)算的額定靜載荷初選導(dǎo)軌:其型號(hào)為GGC9BAK。

    共發(fā)放調(diào)查問卷1 200份,回收有效問卷1 077份,有效回收率89.75%。977名醫(yī)學(xué)生中,男403例,女574例,其中18歲以下者占2.97%,18~25歲者占比96.93%,2017級(jí)227例(23.23%),2016級(jí)275例(28.15%),2015級(jí)263例(26.92%),2014級(jí)212例(21.7%);參與過醫(yī)患溝通課程者93例(2014級(jí)麻醉專業(yè)46例、2014級(jí)臨床專業(yè)47例),未參加過者884例,及100名非醫(yī)學(xué)生。

    2.3 步進(jìn)電機(jī)的選擇

    連通域指的是圖像被二值化之后的若干像素的集合,假設(shè)前景像素為1,背景像素為0的前提下,連通域具有以下兩個(gè)屬性:一是只有前景像素的集合,二是在同一個(gè)連通域中的兩個(gè)像素間總能找到一條路徑由這個(gè)集合中的像素組成,也就是說像素之間兩兩互通。連通域算法在數(shù)字圖像處理中進(jìn)行目標(biāo)跟蹤、目標(biāo)識(shí)別、多目標(biāo)分割等方面都有應(yīng)用,在這里進(jìn)行顆粒狀農(nóng)產(chǎn)品的分選也可以采用連通域算法,先將灰度圖像采用閾值分割得到二值圖像,這個(gè)二值圖像中包含了對(duì)圖像分割后的多個(gè)連通域,然后采用連通域算法給出其屬性,進(jìn)而對(duì)圖像中的目標(biāo)進(jìn)行識(shí)別、跟蹤以及判斷[7]。在這里采用種子填充法實(shí)現(xiàn)。

    2.3.2 快速空載啟動(dòng)時(shí)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)軸上的等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩 Teq1

    3.3.3 最大工作負(fù)載狀態(tài)下電機(jī)轉(zhuǎn)軸承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩Teq2

    組分中藥是指由有效組分配伍而成的現(xiàn)代中藥,是創(chuàng)新中藥研究的一種途徑,其特點(diǎn)是“兩個(gè)相對(duì)清楚”,即物質(zhì)基礎(chǔ)相對(duì)清楚及其作用機(jī)制相對(duì)清楚;組分中藥具有滿足現(xiàn)代藥物質(zhì)量可控要求,安全性、有效性證據(jù)較充分的特征,既保持了中藥方劑的優(yōu)勢,又提高了中藥制劑的質(zhì)控水平[1-4]。本課題組對(duì)益元康方按照組分中藥的研究思路開展基礎(chǔ)研究,就該方組成藥材之一淫羊藿中主要有效成分黃酮類成分進(jìn)行提取、分離、純化,得到淫羊藿總黃酮提取物。本研究中,本課題組采用高效液相色譜法(HPLC)建立了淫羊藿總黃酮提取物的指紋圖譜,并對(duì)其中8種成分的含量進(jìn)行了測定,旨在為有效控制其質(zhì)量提供參考。

    考慮到步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電源受電網(wǎng)電壓影響較大,當(dāng)輸入電壓降低時(shí),其輸出轉(zhuǎn)矩下降,可能造成丟步,甚至堵轉(zhuǎn)。因此,根據(jù)Teq來選擇步進(jìn)電機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩時(shí),需要考慮安全系數(shù)。取 K=4,則最大靜轉(zhuǎn)矩滿足:

    2.3.4 步進(jìn)電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩

    綜上選擇步進(jìn)電機(jī)型號(hào)為 90BYG550A。

    深部綜掘巷道超前支護(hù)機(jī)組是由一系列的超前支架組成,如圖1所示。機(jī)組在工作時(shí)沿巷道掘進(jìn)方向排開,掘進(jìn)機(jī)在機(jī)組下方工作,機(jī)組提供一段超前支護(hù)區(qū)域,同時(shí)兩幫可以在超前支護(hù)時(shí)安裝錨桿。

    (1)最快工作速度時(shí),電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩校 核。工作臺(tái)最快工作速度Vax=30000mm/min, 脈沖當(dāng)量 =0.01mm/脈沖,由此求出電機(jī)對(duì)應(yīng)的運(yùn)行頻率,從圖 3電機(jī)運(yùn)行矩頻特性曲線可以看出在此頻率下,電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩 ,遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于負(fù)載轉(zhuǎn)矩 q。

    式中,Jq為折算到電機(jī)軸上的慣性負(fù)載;J0為步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;J1為齒輪1的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;J2為齒輪2的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;J3為滾珠絲桿的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;M為移動(dòng)部件質(zhì)量。對(duì)于圓柱形零件可以按下式計(jì)算:J=0.78x103xDxL,其中D為零件直徑,L為圓柱形零件長度。

    2.3.5 步進(jìn)電機(jī)性能校核

    圖 4 90BYG550A 電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行矩頻特性曲線 Fig.3 The Torque-Frequency Characteristic Curve of The Motor

    竹韻有些犯難了,自己跟海力不過是普通主雇關(guān)系,上班拿了工資獎(jiǎng)金,豈能再收他如此貴重的禮物?從馬麗亞眼里的敵視來看,她已經(jīng)隱隱感覺出了些什么。但是,不收又如何拒絕呢?何不暫時(shí)把電腦收下,今后努力工作來回報(bào)公司,或者今后用工資付帳也行,其實(shí)她也早就想給龍斌買臺(tái)電腦了。想到這里,她伸手接過電腦,臉上也露出了笑容。

    (2)最快空載移動(dòng)是電機(jī)運(yùn)行頻率校核。工作臺(tái)最快工作速度Vax=30000mm/min,參考機(jī)械設(shè)計(jì)手冊可知,步進(jìn)電機(jī)90BYG550A 的空載運(yùn)行頻率可達(dá)30KHz,可見沒有超出上限。(3)啟動(dòng)頻率校核。已知電機(jī)轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量電機(jī)轉(zhuǎn)軸空載啟動(dòng)頻率 f=3000Hz,所以步進(jìn)電機(jī)克服慣性負(fù)載的啟動(dòng)頻 率:。

    3 誤差分析

    (1)滾珠絲桿副因?yàn)閮啥斯潭?,中間 重力作用會(huì)彎曲,導(dǎo)致摩擦力增大,產(chǎn)生定 位誤差。補(bǔ)償辦法:施加預(yù)緊力,消除軸向 間隙,提高滾珠絲杠剛度。

    (2)導(dǎo)軌副表面粗糙度不同,影響定 位精度,所加載荷大小不同,也影響導(dǎo)軌直 線度。補(bǔ)償方法:導(dǎo)軌采用滾珠導(dǎo)軌,加潤 滑油,減小摩擦。

    四是到2015年,種植業(yè)和水產(chǎn)業(yè)使用的非傳統(tǒng)水資源的安全利用量(包括處理過的污水和咸水)在基準(zhǔn)年2005—2007年的基礎(chǔ)上增加25%,同時(shí),使按照世界衛(wèi)生組織和聯(lián)合國糧農(nóng)組織及聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署制定的污水處理利用大綱來指導(dǎo)污水利用的國家數(shù)量保持同步增長,這些國家過去利用沒有達(dá)標(biāo)的污水開展種植業(yè)和養(yǎng)殖業(yè)。

    (3)機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)中的摩擦是伺服系統(tǒng)誤差的主要因素之一,摩擦影響機(jī)床運(yùn)動(dòng) 精度并在低速運(yùn)行時(shí)表現(xiàn)出很強(qiáng)的非線性, 即爬行現(xiàn)象。補(bǔ)償方法:根據(jù)產(chǎn)生誤差的位 置和時(shí)刻,增加額外的指令脈沖抵消爬行。

    圖 5 二維工作臺(tái)實(shí)物模型Fig.4 The Physical Model of The 2D Worktable

    4 總結(jié)

    二維工作臺(tái)以步進(jìn)電機(jī)為驅(qū)動(dòng),通過機(jī)械機(jī)構(gòu)的傳動(dòng),構(gòu)成開環(huán)控制伺服系統(tǒng)。本 設(shè)計(jì)利用二維工作臺(tái)沿 X 向和 Y 向的移動(dòng), 通過電子顯微鏡記錄 PCB 電路板的長和寬, 得出電路板的質(zhì)量。系統(tǒng)的定位精度可達(dá)0.01mm,測量范圍 300mm以內(nèi),動(dòng)態(tài)響應(yīng)快。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡單,工作效率高,特別適用于企業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)。

    [1]裘祖榮.精密機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ).北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2009

    [2]聞邦椿.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2010

    [3]<日>坂本正文著,王自強(qiáng)譯.步進(jìn)電機(jī)技術(shù).北 京:科學(xué)出版社,2010.1

    [4]張建民,唐水源.機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].北京: 高等教育出版社,2005

    [5]陳立德主編.機(jī)械制造裝備課程設(shè)計(jì).北京:高 等教育出版社,2012.8

    [6]樊軍慶主編.數(shù)控技術(shù).北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2012

    [7]王靜、朱賢華主編.機(jī)械原理課程設(shè)計(jì).武漢: 華中科技大學(xué)出版社,2013.3

    [8] 李斌,李曦主編.數(shù)控技術(shù).武漢:華中科技大 學(xué)出版社,2010.4

    [9] 賈振元,王福吉主編. 機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ).北 京:科學(xué)出版社,2011.2

    [10] 湯蘊(yùn)璆編著.電機(jī)學(xué).北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2011.7

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