机电传动单向数控平台设计【课程设计】

机电传动单向数控平台设计中国矿业大学机械电子方向课程设计 题目：机电传动单向数控平台设计学 院： 机电工程学院 班 级： 学生姓名： 学 号: 指导教师： 完成时间： 目 录第一章、前言1第二章、课程设计具体任务12.1设计任务介绍及意义12.2 设计任务明细22.3 设计的基本要求2第三章、总体方案设计23.1 设计基本依据23.2 总体方案确定3第四章、机械部分设计44.1 导轨的选择44.2 导轨设计程序及内容44.3 机械传动系统设计与核算64.4 联轴器和电机选型12第五章、电气控制系统设计155.1 电气控制系统设计的基本原则155.2 步进电机简介155.3 单片机的选择155.4 放大电路高耐压、大电流复合晶体管ICULN2003 简介165.5 人机接口设计18第六章、设计总结21参考文献22 24第一章、前言现代科学技术的不断发展，极大地推动了不同学科的交叉与渗透，导致了工程领域的技术革命与改造。在机械工程领域，由于微电子技术和计算机技术的迅速发展及其向机械工业的渗透所形成的机电一体化，使机械工业的技术结构、产品机构、功能与构成、生产方式及管理体系发生了巨大变化，使工业生产由“机械电气化”迈入了“机电一体化”为特征的发展阶段。数控技术及装备是发展新兴高新技术产业和尖端工业的使能技术和最基本的装备 ,又是当今先进制造技术和装备最核心的技术。数控技术是用数字信息对机械运动和工作过程进行控制的技术 ,而数控装备是以数控技术为代表的新技术对传统制造产业和新兴制造业的渗透形成的机电一体化产品 ,其技术范围覆盖很多领域。X-Y数控工作台是许多机电一体化设备的基本部件，如数控车床的纵横向进刀机构、电子元件表面贴装设备等。模块化的X-Y数控工作台，通常由导轨座、移动滑块、工作、丝杠螺母副，以及伺服电动机等部件构成。其中伺服电动机做执行元件用来驱动滚珠或螺旋丝杠，丝杠螺母带动滑块和工作平台在导轨上运动，完成工作台在X、Y方向的直线移动。导轨副、丝杠螺母副和伺服电动机等均已标准化，由专门厂家生产，设计时只需根据工作载荷选取即可。控制系统根据需要，可以选取用标准的工作控制计算机，也可以设计专用的微机控制系统。第二章、课程设计具体任务2.1设计任务介绍及意义（1）课程设计题目机电传动单向数据平台设计（2）主要内容包括机械传动结构设计 电气测控系统（3）课程设计意义培养学生综合运用所学的基础理论和专业知识，独立进行机电控制系统(产品)的初步设计工作，并结合设计或试验研究课题进一步巩固和扩大知识领域。培养学生搜集、阅读和综合分析参考资料，运用各种标准和工具书籍以及编写技术文件的能力，提高计算、绘图等基本技能。培养学生掌握机电产品设计的一般程序和方法，进行工程师基本素质的训练。树立正确的设计思想及严肃认真的工作作风。2.2 设计任务明细（1）电机驱动方式：步进电机、直流伺服电机、交流伺服电机；（2）机械传动方式：螺旋丝杆、滚珠丝杆、同步皮带、链传动；（3）电气控制方式：单片微机控制、PLC 控制；（4）功能控制要求：速度控制、位置控制；（5）主要设计参数：单向工作行程1800、1500、1200 mm； 移动负载质量100、50 kg； 负载移动阻力50、100 N；（估算值） 移动速度控制3、6 m/min； 速度控制精度0.5%或实现行程（位置）控制，控制精度0.01mm、 0.1mm。2.3 设计的基本要求（1）方案设计：根据课程设计任务的要求，在搜集、归纳、分析资料的基础上，明确系统的主要功能，确定实现系统主要功能的原理方案，并对各种方案进行分析和评价，进行方案选优。（2）总体设计：针对具体的原理方案，通过对动力和总体参数的选择和计算，进行总体设计，最后给出机械系统的控制原理图或主要部件图（A1一张）。（3）电气原理图：根据控制功能要求，完成电气控制设计，给处电气控制电路原理图（A2一张）。（4）成果展示：课程设计的成果最后集中表现在课程设计说明书和所绘制的设计图纸上，完成课程设计说明书一份，字数为3000 字以上，设计图纸不少于两张。（5）绘图及说明书：用计算机绘图或手工绘图，打印说明书。第三章、总体方案设计3.1 设计基本依据（1）步进电动机是一种用电脉冲信号进行控制，并将电脉冲信号转换成相应的角位移或位移的控制电机。它的直线位移量或角位移量与电脉冲数成正比，所以电机的线速度或转速也与脉冲频率成正比，通过改变脉冲频率的高低就可以在很大的范围内调节电机的转速，并能快速启动、制动和反转，同时电机的运动方向取决于控制绕组的通电顺序。步进电动机适合于作为数字控制系统的伺服元件。混合式步进电动机步距角小，启动和运行频率较高，消耗功率小。（2）滚珠丝杆螺母副是数控机床中回转运动转换为直线运动的常用装置。它以滚珠的滚动代替丝杆螺母副中的滑动，摩擦力小，具有良好的性能。滚珠丝杆的主要工作原理是在丝杆和螺母上加工有弧形螺旋槽，当它们套装在一起时便形成螺旋管道，并在滚道内装满滚珠。而滚珠则沿滚道滚动，并经回珠管道作周而复始的循环运动。回珠管道两端还起挡滚珠的作用，以防止滚珠沿滚道掉出。特点：摩擦阻力小，传动效率高（一般在90%以上）；运转平稳，启动时不颤动，低速时不爬行； 螺母和螺杆经调整预紧，可以得到很高的定位精度（5 m / 300mm）重复定位精度，并可以提高轴向刚度；工作寿命长，不易发生故障。适用于金属切削机床、测试机械、仪器的传动螺旋和调整螺旋等。（3）单片机是一种集成电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计时器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的微型计算机系统，在工业控制领域的广泛应用。单片机广泛应用于仪器仪表、家用电器、医用设备、航空航天、专用设备的智能化管理及过程控制等领域。而可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC），它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。3.2 总体方案确定 参数初设如下：（1）电机驱动方式：步进电机（2）机械传动方式：滚珠丝杠（3）电气控制方式：单片机控制（4）功能控制要求：速度控制（5）主要设计参数：单向工作行程：1800mm； 移动负载质量：100kg； 负载移动阻力：100N； 移动速度控制：06mm/min； 实现行程（位置）控制，控制精度0.01mm； 选用矩形导轨，工作台滑动摩擦系数 =0.15；丝杠两端为固定支撑（E-F），每个支座安装圆锥滚子轴承， 安装时进行预拉伸。第四章、机械部分设计4.1 导轨的选择导轨性能的好坏，直接影响机床的加工精度、承载能力和使用性能。所以，导轨要满足以下基本要求：结构简单,有良好的导向精度、精度保持性、低速运动平稳性和工艺性好。导轨作为进给系统的重要环节，不同类型的机床，对导轨的要求也不同。数控机床的导轨比普通机床的导轨要求要高:高速进给时不发生振动，低速进给时不出现爬行现象，灵敏度高，耐磨性好，可在长期重载下连续工作，精度保持性好等。4.2 导轨设计程序及内容（1） 根据工作条件，选择导轨类型为SVR28。 （2）选择导轨的截面形状，以保证导向精度（如表1中图示）。 （3）选择适当的导轨结构及尺寸，使其在给定的载荷及工作温度范围内，有足够的刚度，良好的耐磨性，以及运动轻便和平稳。 （4）选择导轨的补偿及调整装置，经长期使用后，通过调整能保持需要的导向精度。 （5）选择合理的润滑方法和防护装置，使导轨有良好的工作条件，以减少摩擦和磨损。 （6）制订保证导轨所必须的技术条件，如选择适当的材料，以及热处理、精加工和测量方法等。表1. SVR28型直线滑动矩形导轨类型直线滑动矩形导轨截面形状结构尺寸单位HB0.0050.005KTmm283220114222.57.5间隙调整装置镶条导轨材料与热处理灰铸铁时效处理4.3 机械传动系统设计与核算表2.滚珠丝杠及轴承设计与核算序号计算项目单位计算依据计算结果1丝杆载荷： 导轨摩擦力强力切削时载荷一般铣削时载荷精铣时载荷快移载荷NNNNN18021801180 680 1802电机转速（最大）丝杠最大转速（快移）强力铣削一般铣削精密铣削r/minr/minr/minr/minr/min假设电机的转速最大为15001500100060801003丝杠导程mm移动的最大速度=6m/min = mm/min 64当量转速 当量负载r/min N133 10385 初选滚珠丝杆（1）计算动载荷（2）要求寿命（3）综合系数（4）滚珠丝杠副的型号Nh 使用推荐寿命15000h；查表得：， ，由表2.8-27选用FFZD型内循环浮动返向双螺母垫片预紧滚珠丝杠副，型号FFZD3206，额定动负载 预紧力115923.110.63 0.442符合要求6丝杠螺纹部分长度mm=工作台最大行程（1800）+螺母长度（102）+两端余程（40）19827支承距离mm支承跨距应大于21008（1）临界转速核算 （2）丝杠底径 （3）支承方式系 数（4）临界转速计算 长度r/minmm查表得：由表2.8-66查的要求3651 0.0272 4.731.95符合要求9压杆稳定校核两端固定支承，丝杠不受压缩，因而不必校核稳定性10预拉伸计算（1）温升引起的伸长量（2)丝杠全长伸长量（3）预拉力N取温升为3 65.41 69.3 426411轴承选择轴端结构轴承型号选择固定支承E、F型轴端轴端结构轴承型号为7602020TVPE、F型轴端结构型号为7602020TVP 12主要参数和尺寸（1）预紧力的确定（2）疲劳强度计算额定动载荷CNN由表查得：因为1/3=1779N由轴承负载计算公式校核进给方向是可变的，负载可能是也可能是，取其平均值4246N，因为初选7602020TVP型轴承的额定动负载小于20960N,所以改用7603020TVP型轴承，参数如下： 5336符合要求20960满足寿命要求13定位精度校核（1）丝杠在拉压载荷下最大弹性位移（2）丝杠与螺母间的接触变形（3）轴承的接触变形（4）丝杠系统的总位移（5）定位精度快移时强力铣削时精密铣削时查表2.8-27得滚珠丝杠的接触刚度：所以得快移时 强力铣削时 精密铣削时 快移时 强力铣削时精密铣削时快移时 强力铣削时精密铣削时 发生在螺母处于丝杠种部处，和与螺母位置无关，所以以上求得的位移均为mm,查表2.8-18和2.8-21，取丝杠的精度为1级，任意300mm的行程公差为6。可以满足速度控制精度0.5%的要求0.779.372.92 0.161.900.590.647.732.41 1.57 19.00 5.92满足定位精度要求 设计丝杠的结果如下： 选用丝杠副型号FFZD3206，两端支承为E、F型，轴承型号为角接触球轴承7603020TVP。4.4 联轴器和电机选型表3.联轴器及电机计算序号计算项目单位计算依据计算结果1工件最大速度m/min62滑动部分质量kg1003丝杠导程m0.0064丝杠长度m1.9825丝杠直径m0.02726联轴器质量kg 1.167联轴器外径m0.0808摩擦因数0.39加速时间s0.2510机械效率0.911电动机转速r/min1000 12（1） 滑动部分转动惯量（2）滚珠丝杠转动惯量（3）联轴器转动惯量（4）折算到电机轴上的转动惯量（设滚珠丝杠的材料为铁，其密度为）初选联轴器直径选19mm，选用凸缘联轴器GY1，质量为1.16kg，外径为0.080mm。13折算到电机轴上的负载转矩因 ，故2.43414电动机轴上的加速转矩其中，为电动机的转动惯量，15折算到电机轴上的总转矩16电动机选型取安全系数K=2。5，则必需转矩初步选定电动机型号为110BYG350CH-0501，其转子惯量，则有 110BYG350CH-0501的最大静转矩（保持扭矩）为129.45，满足要求，步距角3.789.4517电动机的验算 工件最快速度对应的电动机转速为，则对应的运行频率为从上图的距频特性曲线上可以看出，此速度（或频率）时电动机的输出转矩大于，即43.78,故此电动机满足要求。10000电动机满足要求18 精度校核三相异步电机，取脉冲当量，要求，而，故满足要求。符合要求 选用电动机及联轴器结果如下： 电动机型号为110BYG350CH-0501，三相六拍，联轴器选用凸缘联轴器，型号为GY1。第五章、电气控制系统设计5.1 电气控制系统设计的基本原则 在电气控制系统的设计过程中，应遵循以下几个原则：（1）最大限度满足机床和工艺对电气控制的要求；（2） 在满足控制要求的前提下，设计方案应力求简单、经济和实用，不宜盲目追求自动化和高性能指标；（3）妥善处理机械与电气的关系。很多生产机械是采用机电结合控制方式来实现控制要求的，要从工艺要求、制造成本、机械电气结构的复杂性和使用维护等方面协调处理好二者的关系；（4）把电气系统的安全性和可靠性放在首位，确保使用安全、可靠。（5）合理的选用电器元件。5.2 步进电机简介步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载的情况下,电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数,而不受负载变化的影响,即给电机加一个脉冲信号,电机则转过一个步距角。这一线性关系的存在,加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点。使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单。三相电动机工作原理为：当电动机的三相定子绕组（各相差120度电角度），通入三相对称交流电后，将产生一个旋转磁场，该旋转磁场切割转子绕组，从而在转子绕组中产生感应电流（转子绕组是闭合通路），载流的转子导体在定子旋转磁场作用下将产生电磁力，从而在电机转轴上形成电磁转矩，驱动电动机旋转，并且电机旋转方向与旋转磁场方向相同。 5.3 单片机的选择单片机是一种集成电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计时器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的微型计算机系统。 89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROMFlash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压、高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的89C51是一种高效微控制器，89C2051是它的一种精简版本。89C单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。5.4 放大电路高耐压、大电流复合晶体管ICULN2003 简介 （1）ULN2003A是一个7路反向器电路，即当输入端为高电平时ULN2003A输出端为低电平，当输入端为低电平时ULN2003A输出端为高电平。在自动化密集的的场合会有很多被控元件如继电器，微型电机，风机，电磁阀，空调，水处理等元件及设备，这些设备通常由CPU所集中控制，由于控制系统不能直接驱动被控元件，这需要由功率电路来扩展输出电流以满足被控元件的电流，电压。ULN2XXXX高压大电流达林顿晶体管阵列系列产品就属于这类可控大功率器件，由于这类器件功能强、应用范围语广。因此，许多公司都生产高压大电流达林顿晶体管阵列产品，从而形成了各种系列产品。其原理图如下： （2）ULN2003 工作电压高于工作电流大于灌电流可达500mA，并且能够在关态时承受50V 的电压，输出还可以在高负载电流并行运行。ULN2003 管脚图如下所示: 引脚1：CPU 脉冲输入端，端口对应一个信号输出端。引脚2：CPU 脉冲输入端。引脚3：CPU 脉冲输入端。引脚4：CPU 脉冲输入端。引脚5：CPU 脉冲输入端。引脚6：CPU 脉冲输入端。引脚7：CPU 脉冲输入端。引脚8：接地。引脚9：该脚是内部7 个续流二极管负极的公共端，各二极管的正极分别接各达林顿管的集电极。用于感性负载时，该脚接负载电源正极，实现续流作用。如果该脚接地，实际上就是达林顿管的集电极对地接通。引脚10：脉冲信号输出端?对应7 脚信号输入端。引脚11：脉冲信号输出端?对应6 脚信号输入端。引脚12：脉冲信号输出端?对应5 脚信号输入端。引脚13：脉冲信号输出端?对应4 脚信号输入端。引脚14：脉冲信号输出端?对应3 脚信号输入端。- （3）单片机硬件接线图：5.5 人机接口设计本次电气设计中，根据对平台速度控制的设计，分为3个铣削档，铣削类型依次为快进、精密铣削、强力铣削，分别由三个按键构成，同时由一个七段译码管组成，一个输入端与一个输出端，构成一个简单的人机接口。电动机转动方向有正转和反转两种，由两个按键构成。平台两端由两个触碰开关的闭合与否判断工作台是否运行到端头。5.6 单片机程序#includesbit P1_0=P10;sbit P1_1=P11;sbit P1_2=P12;sbit P1_3=P13;sbit P1_4=P14;sbit P1_5=P15;sbit P1_6=P16;sbit P1_7=P17;sbit P0_0=P00;sbit P0_1=P01;sbit P0_2=P02;sbit P0_3=P03;sbit P0_4=P04;sbit P3_4=P34;sbit P3_5=P35;sbit P3_6=P36;sbit P3_7=P37;unsigned char idata step=0; /step为电机运转步数unsigned char idata high=0;unsigned char idata low=0;unsigned char idata mode=0; /mode为铣削模式unsigned char idata direct=0; /direct为电动机运转方向void main(void) /主程序EA=1; /允许外部中断EX1=1;PX1=1;P1_6=0;P1_7=0;while(1) /引人外部中断程序;void output()step+;if(step=252)step=0; /电机运转步数为252时与电机初始状态 一致if(direct=1&P1_5=1) /电机正转且工作台未到平台右端端头switch(step%6) /电机运行转数case 0:P3=0x3F;break;case 1:P3=0x7F;break;case 2:P3=0x5F;break;case 3:P3=0xDF;break;case 4:P3=0x9F;break;case 5:P3=0xBF;break;if(direct=0&P1_4=1) /电机反转且工作台未到平台左端端头switch(step%6)case 0:P3=0xBF;break;case 1:P3=0x9F;break;case 2:P3=0xDF;break;case 3:P3=0x5F;break;case 4:P3=0x7F;break;case 5:P3=0x3F;break;void time_0() interrupt 1/计数器中断程序output();TH0=high; TL0=low;void int_1() interrupt 2/外部中断程序 if(P0_0=0) mode=1; /1代表快进工作模式P1=P1&0xF0|mode;/译码管输出字符及平台左右两端开关 状态high=0xFF;low=0x9C; if(P0_1=0) mode=2; /2代表精密铣削工作模式 P1=P1&0xF0|mode;high=0xFC;low=0x18; if(P0_2=0) mode=3; /3代表强力铣削工作模式P1=P1&0xF0|mode; high=0xF9;low=0x7D; if(P0_3=0) direct=1;P1_7=1;P1_6=0; /1代表电动机正转 if(P0_4=0) direct=0;P1_6=1;P1_7=0; /0代表电动机反转 TMOD=1; /计数器选用模式1 TH0=high; TL0=low; ET0=1; /计数器允许内部中断 TR0=1; /计数器允许启动第六章、设计总结本课程设计针对目前现场数控车床上单向数控中存在的问题，以机械车床设计技术与单片器数控技术为基础，研制了较先进的单向数控平台，实现对数控车床速度信息的有效控制。本课程设计主要完成以下工作：（1）根据机电一体化系统设计手册，选定手册推荐的设计方案，并通过对滚珠丝杠、轴承、步进电机、联轴器等进行一系列的选择、校核，完成机械传动系统及主要部件结构设计，并画出A1装配图一张。（2）根据系统检测控制要求，结合单片机案例分析实例，对步进电机控制做了详细设计，完成了电气控制部分的选型与控制电路的设计，并画出A2电气图纸一张。 在此,首先要谢谢苗运江老师对我的指导,还有在设计过程中各位同学的相互帮忙，让我深深的感受到了一种团队精神，同时也对于我今后的工作学习有很大的帮助。其次，本次课程设计过程让我感触颇深，不断地寻找资料、搜索网页解决疑问、看论坛查询相关内容，说实话，由于本人的知识和能力还远远达不到可以自由设计的地步，所以资料就是最重要的参考。资料主要是查询了图书馆内的机械设计手册以及学习过的各门课程用书。再次，就是针对自己的设计图来向您做一下汇报，装配图和电气图虽然是按要求所画，但肯定还有许多不足，还请老师多多指正。最后，我向老师汇报自己的设计已完。再一次谢谢苗老师。参考文献（1）机电一体化系统设计手册，国防工业出版社，杨黎明主编。（2）机械设计课程上机与设计，东南大学出版社，程志红、唐大放主编。（3）画法几何及机械制图，中国矿业大学出版社，李爱军、曾维鑫主编。（4）电子技术基础，高等教育出版社，康华光主编。（5）可编程控制器原理及应用，机械工业出版社，吴中俊、黄永红主编。（6）机械原理，高等教育出版社，郑文伟、吴克坚主编。（7）机构构型与应用，机械工业出版社，孟宪源、蒋琪主编。（8）机械设计工程CAD，中国矿业大学大学出版社，唐大放、程志红主编。（9）机械设计手册（单行本），化学工业出版社，成大先主编。（10）使用机械设计手册，中国矿业大学出版社，吴相宪主编。（11）计算机辅助设计基础，国防科技大学出版社，程宝义主编。（12）多向电动机直接设计法，机械工业出版设，E列维主编。（13）现代电机设计，机械工业出版，程福秀、林金铭主编。（14）伺服系统与机床电器控制，机械工业出版，李清新主编。（15）现代直流伺服控制技术及其系统设计，机械工业出版，秦继荣等主编。