机电一体化课程设计-步进电机直接驱动单轴直线伺服移动机构设计.doc

机电042 * 机电一体化机械系统设计课程设计计算说明书 机电一体化系统设计课程设计说明书（步进电机直接驱动单轴直线伺服移动机构设计） 学院：机电工程学院 班级：04机电（2）班 姓名：张景贵 学号：20040310010301 指导教师 ： *目 录1 课程设计的目的 - 32 设计内容 - 33 课程设计要求 - 44 机电一体化系统设计1) 确定滚珠丝杆副的导程 - 42) 滚珠丝杆副的载荷及转速计算- 43) 确定预期额定的载荷 - 44) 按精度要求确定允许的滚珠丝杆的最小螺纹底径 - 55) 确定滚珠丝杆副的规格- 56) 对预紧滚珠丝杆副，确定其预紧力- 67) 确定滚珠丝杆副支承所用轴承规格- 68) 滚珠丝杆副工作图设计- 69) 电机的选择- 610) 滚珠丝杆的校核- 811) 滚珠丝杆副的极限转速nc的校核- 812) Dn值的验证- 913) 基本轴向额定静在和Cu的验算- 914) 强度验算- 915) 轴承的选择与验算- 916) 滚动直线导轨选择，计算和验算- 1217) 机械控制系统原理及电路设计- 145 附录【1】HXD55无相混合式驱动器- 166 密封和润滑- 177 结论- 188 参考文献- 21一 课程设计的目的 ：1.掌握机电一体化系统设计过程和方法，包括参数的选择，传动的设计，零件的计算，结构的计算，培养系统分析及设计的能力。2.综合应用过去所学的理论知识，提高联系实际和综合分析的能力，进一步巩固，加深和拓宽所学的知识。3.训练和提高设计的基本技能，如计算，绘图，运用设计资料，标准和规范，编写技术文件（说明书）等。二 设计内容主要性能参数：负载工进速度（m/min） 快进速度（m/min）重复定位精度(mm)定位精度(mm/300mm)行程(mm)加减速度时间(s)要求寿命(h)丝杆直径初定(mm)丝杆支撑形式F1(N)F2(N)2000150020.40.010.0250022200016两端固定(1) 机械系统部分：完成详细的装配图设计。(2) 控制部分（计算机控制课程设计内容）采用MCS51系列单片机来完成此控制系统的设计，完成控制系统原理图和主要程序的设计清单。完成设计计算步骤：1. 步进电机的选择，计算和验算。含以下内容：脉冲当量的确定，空载转矩的计算，各传动部件等效转动惯量，等效转矩的折算2. 滚珠丝杠的选择，计算和验算。3. 滚动直线导轨选择，计算和验算。三 课程设计要求完成以下工作: 1.装配工作图或系统总体图1张1#手绘. 2.设计计算说明书1份(计算机打印,B5纸)8000-10000字. 3.控制原理设计 系统硬件原理图设计(包括微机的选择,存储器的扩展,I/O接口设计,伺服驱动电路的选择或设计等)2#图手绘.四 机电一体化系统设计步进电机直接驱动单轴直线伺服移动机构设计滚珠丝杆副的参数选择与计算1 确定滚珠丝杆副的导程Ph：根据传动关系图及传动条件选择滚珠丝杆副的导程PhPh=10mm2滚珠丝杆副的载荷及转速计算：1）最小载荷Fmin选机器空载时滚珠丝杆副的传动力。根据工作台尺寸确定其质量为25kg。由滚动导轨副的摩擦系数f=0.005得 2)最大载荷Fmax选机器承受最大负荷时滚珠丝杆副的传动力. 3)滚珠丝杆副的当量转速nm及当量载荷Fm:3.确定预期额定的载荷1)按预期工作时间Lh（小时）计算：根据要求选取系数得fw=1.5, fa=1.0 fc=1.0，由公式得： N4、按精度要求确定允许的滚珠丝杆的最小螺纹底径d2m:1).估算滚珠丝杆的最大允许轴向变形量：机床或机械装置伺服系统精度大多早空载下检验。空载时用在滚珠丝杆副上的最大轴向工作载荷是静摩擦力F0。移动部件在Kmin处起启动和反向时，由于F0方向变化将产生误差2 F0/Kmin（又称摩擦死区误差），它是影响重复定位精度的最主要因素，一般占重复定位精度的（1/22/3）。所以规定滚珠丝杆副允许的最大轴向变形：=（0.00250.0034）mm影响定位精度的最主要因素是滚珠丝杆副的精度,其次是滚珠丝杆滚珠丝杆本身的拉压弹性变形(因为这种弹性变形随滚珠螺母在滚珠丝杆上的位置变化而变化),以及滚珠丝杆副滚珠丝杆副摩擦力矩的变化等。一般估算是时。即=（0.0040.005）mm以上两种方法估算的小值取做值,即=0.0025mm.2)、估算滚珠丝杆副的底径d2m：由滚珠丝杆副的安装方式得式中：L两个固定支承之间的距离（mm）=1.2500+1210=720mm所以5、确定滚珠丝杆副的规格代号：根据条件得选用滚珠丝杆副的型号为32105，公称直径为 6、对预紧滚珠丝杆副，确定其预紧力Fb：由最大轴向工作载荷Fmax确定7、确定滚珠丝杆副支承所用轴承规格型号；由计算8、滚珠丝杆副工作图设计：1）、确定滚珠丝杆副的螺纹长度Le=40mm Lu=有效行程+螺母长度=500+8Ph=580mm得2）滚珠丝杆螺母的安装连接尺寸： 9、电机的选择：1）作用在滚珠丝杆副上各种转矩计算外加载荷产生的摩擦力矩TF（N.m）空载时:外加径向载荷是的摩擦力矩:滚珠丝杆副预加载荷Fb产生的预紧力矩:2）负荷转动惯量JL（Kg.m2）及传动系统转动惯量J（Kg.m）的计算：滚动丝杆的转动惯量：由即：取Jm=3.5710-4 则有：3）加速转速Ta和最大加速转矩Tam当电机转速从n1升至n2时:当电机从静止升速到nmax4)电动机最大启动转矩Tr(N.m)5)电动机连续工作的最大转矩:6)电动机的选择:在选择电动机是主要从以下几个方面考虑:1. 能满足控制精度要求.2. 能满足负载转矩的要求.3. 满足惯量匹配原则.上述计算均没有考虑机械系统的传动效率.当选择机械传动总效率=0.96时,同时,在车削时,由于材料的不均匀等因素的影响,会引起负载转矩突然增大,为避免计算上的误差以及负载转矩突然增大引起步进电机丢步而引起加工误差,可以适当考虑安全系数，安全系数一般可以在1.2-2之间选取.如果选取安全系数K=1.5,则步进电机可按以下总负载转矩为:如果选上述预选的电动机90BYG55C,其最大静转矩Tjmax=6.3Nm。在五相十拍驱动时，其步矩角为0.36()/setp，为了保证带负载能正常加速启动和定位停止，电动机的起动转矩必须满足：Tjmax 由Tjmax =6.3Nm =，故选用合适。10.滚珠丝杆的校核在选择滚珠丝杆时，可根据原丝杆直径的大小，按类比法选择其名义直径，因此，就需要对其负载能力进行必要的校核，如果是根据承载能力选出的则应对压杆稳定及其刚度进行必要的校核。下面进行滚珠丝杆副临界压缩载荷Fc的核算（即验算压杆稳定性）（其中： f=21.9 ）所以验证稳定性合格.11.滚珠丝杆副的极限转速nc的校核(避免高速运转时产生共振) 验算合格.12.Dn值的验证合格.13.基本轴向额定静在和Cu的验算14.强度验算15.轴承的选择与验算根据前面的计算,我们预选轴承为角接触球轴承.选用型号为:7005AC, 查相关手册()可得此轴承的一些相关参数:Cr=11.2KN Cor=7.08KN d=25mm B=12mm根据工作台受力分析,可以得到如下轴承简化受力分析图,见下图:对其进行受力分析,如上,则可得:由两式连解的: =202.23N =964.37N取e=0.68,则有: 所以轴承1被压紧,则:求当量动载荷:则:对轴承1: X1=0.41 Y1=0.87 对轴承2: X2=1 Y1=0 取fp=1.1则有:验算轴承寿命:因为P1P2, 所以轴承所承受的寿命计算:故,轴承寿命合格.15.滚动直线导轨选择，计算和验算.本设计采用滚动直线导轨,其最大优点是摩擦系数小,动,静摩擦系数差很小，因此,运动轻便灵活,运动所需功率小,摩擦发热少，磨损小，精度保持性好,低速运动平稳性好,移动精度和定位精度高的优点.所采用的滚动直线导轨结构如下图所示:在选择导轨时，主要遵循以下几条原则：1. 精度不干涉原则：导轨的各项精度制造和使用时互不影响才易得到较高的精度。2. 静，动摩擦系数相近的原则：例如选用滚动导轨或朔料导轨，由于摩擦系数小且静，动摩擦系数相近，所以可获得很低的运动速度和很高的重复定位精度。3. 导轨能自动贴合原则：钥匙导轨精度高，必须使相互结合的导轨有自动贴合的性能。对水平位置的工作的导轨，可以靠工作台的自重来贴合;其它导轨靠附加的弹簧力或者滚轮的压力使其贴合。4. 移动的导轨在移动过程中，能始终全部接触的原则;也就是固定的导轨长，移动的导轨短。5. 对水平安装的导轨，以下导轨为基准，上导轨为弹性体的原则。6. 能补偿因受力变形和受热变形的原则。根据以上原则且因为所设计的机械所受的力不是很大,所以初选导轨为GGB16AAL2P2-4其额定静,动载KN,6.8KN.查表确定各系数为;从而可以确定所受的最大力为3.23KN，由公式： =（）=10675km按式：=27799 hh所以满足寿命的要求，合格16.机械控制系统原理及电路设计.(1) 设计要求: 采用MCS-51系列单片机来完成此控制系统的设计,完成控制系统原理图等.主要包括键盘,LED显示,电动机的启动、停止、单进控制、联动控制等的控制.同时还要有一些自动错误处理功能.如限位控制,驱动出错处理,这就需要在程序设计时提供相应的中断处理程序。(2)方案分析: 由前面电动机的选择:选用电动机型号为90BYG55C的步进电机.此电机是一个五相十拍的电动机。由机电一体化可以知道步进电机的运行特性与配套的驱动电源（驱动器）由密切的关系。驱动器由脉冲发生器和功率放大器两大部分组成的。在微机控制电机过程中，需要使电机按照一定规律变化进行运动，而控制这部分规律变化的部分叫做脉冲分配器。实现脉冲分配有两种方法：计算机软件和硬件电路法。当有了环形脉冲分配后，还是不够的。由于我们的脉冲是由微机单片机发出的，属于低电平，是不能直接驱动电机进行运动的，这时我们可以采用功率放大电路将脉冲进行功率放大，然后驱动硬件电路。 对于复杂的电路驱动，如五相十拍电路，具有A,B,C,D,E无相，他的十拍工作方式为：AB-ABC-BC-BCD-CD-CDE-DE-DEA-EAB-AB-对于这这种复杂的驱动方式，如果采用软件编程或者硬件电路来实现驱动控制都是比较复杂的，这时我们可以采用专用驱动控制芯片，这里采用HXD55型五相混合式驱动器。（详细参考见附录【1】） 我们采用MCS-51系列的8031型的单片机作为微机控制的主芯片。系统原理图中，采用74LS373进行P0口的锁存，同时扩展一片2764的程序存储器和一片6264的数据存储器，作为系统的数据处理和存储之用。同时，我们需要扩展键盘和显示，就需要扩展接口来连接。采用8155进行接口扩展，PA口，PC口属于输出口，PB口属于输入口。PA口的八根地址连接成44的键盘接口电路，PB口用于LED的八路接口，同时用PC口的6路进行LED的位控接口。同时由P2口的P2.5,P2.6,P2.7进行74LS138的片选输入，对2764和6264进行片选。系统原理电路图见附图（A2图纸）。（3）地址计算：1）8155的地址计算：在8155中，采用P1.7来控制IO/M口，进行I/O和RAM选项控制。当P1.7=0时，选择RAM口，其地址为：010 所以其地址为4000H-5FFFH（其中P1.7为0）当P1.7=1时，单片机选中I/O口，其地址为：010 所以其地址为4000H-5FFFH（其中P1.7为1）因此：8155的具体地址：命令字：4000HA 口：4001HB 口：4002HC 口：4003H低四位：4004H高四位：4005H2）2764的地址：采用74LS138片选控制，地址选择如下：000 所以地址范围为：0000H-1FFFH3）6264的地址：同样采用74LS138片选控制，地址选择如下：001 所以地址范围为：2000H-3FFFH4）芯片列表：序号名称型号数量1微控制器MCS-803112数据存储器626413程序存储器276414锁存器74LS37315译码器74LS13816接口芯片815517键盘4x4键盘18显示器LED七段数码显示器69光电耦合器光电耦合器310电机驱动器HXD55驱动器111电阻若干12晶振20KHZ113电容若干5）软件流程图;启动速度控制键盘输入中断服务处理调整定时器定时常数脉冲输出控制电机位置控制单进/连动正转绝对位置减1绝对位置加1越界停机报警步数减1步数=0停机重装定时常数退出加速/减速控制正转绝对位置减1绝对位置加1越界停机报警加速?加速步数减1级步数减1恒速?级步数=0加速一级计算级步数加速步数=0指针指向恒速减速步数减1级步数减1级步数=0减速一级计算级步数停机恒速步数减1恒速步数=0指针指向恒速减速一级计算级步数减速步数=0重装定时常数退出附录【1】HXD55无相混合式驱动器使用说明(一) 主要特性：（1） 使用五相混合式五出线步进电机（2） 使电机扭矩保持性好，振动低（3） 锁定时相电流大小可根据需要调节为2A,3A,4A,5A（4） 具有过热，过流报警输出，工作电压为AC80V(二) 驱动器各部件名称与功能（1）电机励磁指示灯-功放指示灯亮时表明电机处于通电状态，熄灭时电机中无电流通过。（2）报警指示灯-报警 当驱动器楚湘故障时此指示灯点亮（3）过热报警指示灯-过热 当驱动器内部散热片的温度超过85 0C时过热指示灯点亮，同时驱动器停止工作。（4）相原点指示灯-相原点 驱动每接受二十个脉冲信号（步进时）或十个脉冲信号（整步时）此指示灯亮有一次（5）自检开关-自检 将开关下拨（ON），驱动器自动带动电机运行，运行频率为1P.P.S。（6）单/双脉冲选择开关-单/双脉冲 可设定驱动器的工作方式为单脉冲方式（使用脉冲CP和方向DIR）或者双脉冲方式（使用正转脉冲CW和反转脉冲CCW）。开关下拨（ON）为双脉冲方式。通电时请勿切换。（7）步矩角切换开关-半不/整步设定电机1脉冲当量动作角度。可设定电机为半步（）运行方式或整步（）运行方式。开关下拨（ON）为整步运行方式。（8）相电流调整开关根据所驱动的步进电机调整与之适应的相电流。（9）接线插头信号名称输入输出形式功能步进脉冲正转输入光电耦合输入：高电平：4-6V低电平：0-1V用脉冲的边沿触发，每触发一次电机步进一步旋转方向/反转脉冲输入单面冲工作时为方向控制信号双脉冲工作时为反转脉冲信号励磁控制信号输入此信号有效时电机处于非励磁状态，步进系统不能正常工作故障信号输出光耦开环输出外部使用条件：DC24V以下10m以下报警信号输出相原点信号输出相原点指示灯亮时光耦输出端导通A B C D E电机无相输出接线时与电机阴险标号保持一致，当电机旋转方向与控制信号设定方向相反时，可将A与E对调，B与D对调以改变电机旋转方向交流80V输入（最大电流5A）交流工作电压输入端17.密封和润滑为了阻止灰尘，水，酸气和其杂物进入轴承并阻止润滑剂流失。再本设计中加如了轴承的密封装置。因为滚珠丝杠的转速不高，所以采用接触式密封。在透盖与轴承中间加入了唇形密封圈，目的是防止润滑油的流出。在轴承的左侧加入轴承端盖，目的是阻止灰尘，水，酸气和其杂物进入轴承。为了降低摩擦阻力，散热，吸收振动，防止锈蚀等，在整个系统中加入了润滑装置，在此系统中滚珠丝杠和轴承都采用脂润滑，所采用的润滑系统如下图所示：结论：在本设计中采用步进电机直接驱动滚珠丝杠来实现工作台的水平移动，因其无位置反馈，其精度主要取决于驱动系统和机械传动机构的性能和精度，精度不高。一般以功率步进电机作为伺服驱动元件。但是其有结构简单、工作稳定、调试方便、维修简单、价格低廉等优点，但是因其无减速装置，多用在精度和速度要求不高、驱动力矩不大的场合。同时由公式步进电动机的步距角（）；脉冲当量（mm/脉冲）； h丝杠螺距（mm）易知可以通过增大传动比i来提高定位精度，但是因本设计采用的是步进电机直接驱动滚珠丝杠，所以定位精度是由步距角来确定的。而m定子相数； z转子齿数； k通电系数，这就要求步进电动机有较小的步距角，而较小的步距角就需要较大的转子齿数，从而大大的增加了成本。在设计中所选的是滚动直线导轨因其具有摩擦系数小（0.00250.005)，动、静摩擦力相差甚微；运动轻便灵活，所需功率小，摩擦发热小，磨损小，精度保持性好，低速运动平稳，移动精度和定位精度都较高的优点，所以其可以消除在低速度移动时的爬行现象。但是其滚动导轨结构复杂，制造成本高，抗震性差。设计中传动部件用的是滚珠丝杠螺母机构，其具有摩擦损失小，传动效率高，可达85%98%，丝杆螺母之间预紧后，可以完全消除间隙，刚度，摩擦阻力小等优点，但是同时也有不能自锁，运动有可逆性，即旋转运动直线运动；直线运动旋转运动等缺点。虽然滚珠丝杠螺母副传动效率很高，但不能自锁，用在垂直传动或水平放置的高速大惯量传动中，必须装有制动装置。 为了减少丝杠的受热变形，可以将丝杠制成空心，在支承法兰处通入恒温油进行强迫冷却循环。 滚珠丝杠必须采用润滑油或锂基油脂进行润滑，同时要采用防尘密封装置。如用接触式或非接触密封圈，螺旋式弹簧钢带，或折叠式塑性人造革防护罩等。并且滚珠丝杠采用内循环的方式，如图所示： 这种方式具有其结构紧凑，定位可靠，刚性好，且不易磨损，返回滚道短，不易发生滚珠堵塞，摩擦损失也小。在系统的控制方面，本设计采用的是开环控制系统，其控制简图如下图所示：电机机械执行部件A相、B相C相、f、n脉冲频率f脉冲个数n换算脉冲环形分配变换功率放大其具有结构简单、工作稳定、调试方便、维修简单、价格低廉等优点，但是其精度较低。在步进电机驱动和控制方面，设计中采用的是专用的与步进电机相匹配的驱动控制器。完全可以实现控制的要求。 综上所述，虽然设计中存在一些缺点，但是这些都不会影响控制的精度，并且都可以达到设计任务中的要求，所以上述设计是满足设计要求的，完全可以实现对工作台控制。 参考文献：单片微型计算机与接口技术，房小翠 等主编， 国防工业出版社，2001机电一体化系统设计（第二版），张建民 等主编，高等教育出版社，2001.3机电一体化使用技术手册，主编 周斌，兵器工业出版社，1994年3月机床设计手册 第二册 零件设计 机床设计手册编写组 主编，机械工业出版社数控机床系统设计 文怀兴 如何正确选用电动机 周希章 主编 机械工业出版社 2006加工中心-结构、调试与维护 沙杰 机械工业出版社 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