单向滑台设计说明书.doc

机电一体化课程设计学号：11204020238姓名： 邹垒 指导教师：甘彬老师成绩： 日期：2015.07.12重庆理工大学目录重庆理工大学专业课程设计任务书2一、总体方案的确定31、机械传动部件的选择32、控制系统的设计4二、机械传动部件的计算与选型41、导轨上移动部件的重量估算42、直线滚动导轨副的计算与选型53、滚珠丝杠螺母副的计算与选型64、步进电机的选用. .105、步进电动机的计算和选型.10 6、增量式旋转编码器的选用. 167、联轴器的选型及校核.168、轴承的选用及校核.17 9、各传动部件的预紧.20三、驱动器、单片机及电源.21 1 、驱动器的选择.21 2、单片机. 24 3、82C55和74LS373 4、驱动器电源及单片机电源选择.24四、单片机VC源程序.25五、参考文献.29重庆理工大学专业课程设计任务书1、 教学目的 通过课程设计培养学生综合运用所学知识和技能、提高分析和解决实际问题能力的一个重要环节，专业课程设计是建立在专业基础课和专业方向课的基础上的，是学生根据所学课程进行的工程基本训练，课程设计的目的在于： 1、 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。 2、 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。3、 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。 4. 树立正确的设计思想及严肃认真的工作作风。二、课程设计题目：机电传动单向数控平台设计 （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、链传动等； （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2100mm，移动负载质量175kg，负载移动阻力150N，空载最快移动速度 6000mm/min，进给最快移动速度1200mm/min。速度控制精度0.5%，或实现行程（位置）控制，控制精度0.01mm。三、课程设计的基本要求： （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，绘制工作台进给传动机构装配图一张（A2一张）； （3）根据控制功能要求，完成电气控制设计，给出电气控制电路原理图（A2图一张）； （4）根据电气控制原理图编写相关的控制程序； （5）每个学生应独立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； （6）用计算机绘图或手工绘图，打印说明书； （7）设计选题分组进行，每位同学采用不同方案（或参数）独立完成；四推荐参考资料 1 机械原理与机械设计； 2 微机原理与接口技术； 3 测试技术； 4 机电传动控制； 5 PLC控制技术；6 机电一体化系统设计； 7 机电控制及自动化； 8 机械设计手册； 机电一体化技术手册一、总体方案的确定1、机械传动部件的选择（1）导轨副的选用要设计的工作台是用来配套轻型的数控机床，需要承载的载荷不大，但脉冲当量小(0.005mm/p)，定位精度高（0.01mm），因此，决定选用直线滚动导轨副，它具有摩擦系数小、不易爬行、传动效率高、结构紧凑、安装预紧方便等优点。选直线滚动导轨副（2）丝杠螺母副的选用伺服电动机的旋转运动需要通过丝杠螺母副转换成直线运动，要满足0.005mm的脉冲当量和0.01mm的定位精度，只有选用滚珠丝杠副才能达到。滚珠丝杠副的传动精度高、动态响应快、运转平稳、寿命长、效率高、预紧后可消除反向间隙，而且滚珠丝杠已经系列化，选用非常方便，有利于提高开发效率。选滚动丝杠螺母副（3）伺服电动机的选用 任务书规定的空载最快移动速度6000mm/min。因此，本设计不必采用高档次的伺服电动机，如交流伺服电动机或直流伺服电动机等，可以选用性能好一些的步进电动机，如混合式步进电动机，以降低成本，提高性价比。伺服电机选步进电机（5）检测装置的选用选用步进电动机作为伺服电动机后，可选开环控制，也可选闭环控制。任务书所给精度对于步进电动机来说还是偏高的，为了确保电动机在运转过程中不受切削负载和电网的影响而失步，决定采用半闭环控制，并在电动机的尾部转轴上安装增量式旋转编码器，用以检测电动机的转角与转速。检测装置的选用：增量式旋转编码器2、控制系统的设计（1）设计的工作台准备用在数控机床上，其控制系统应该具有单坐标定位、两坐标直线插补与圆弧插补的基本功能，所以控制系统应该设计成连续控制型。连续控制型（2）对于步进电动机的半闭环控制，选用单片机，应该能够满足任务书给定的相关指标。单片机（3）选择合适的驱动电源，与步进电动机配套使用。步进电机驱动电源系统总体框图二、机械传动部件的计算与选型1、导轨上移动部件的重量估算 按照导轨上面移动部件的重量来进行估算。包括工作平台、滑块等，估计重量约为500N。 G=500N2、直线滚动导轨副的计算与选型（1）滑块承受工作载荷Fmax的计算及导轨型号的选取工作载荷是影响直线滚动导轨副使用寿命的重要因素。工作台采用水平布置，利用双导轨、四滑块的支承形式。考虑最不利的情况，即垂直于台面的工作载荷全部由一个滑块承担，则单滑块所受的最大垂直方向载荷为： (2-2)其中，移动部件重量G=500N，外加载荷F=FZ=1750N，代入式2-2得最大工作载荷 查表3-41，根据工作载荷Fmax=1875N，初选直线滚动导轨副的型号为KL系列的JSA-LG25型，其额定动载荷Ca=7.94kN，额定静载荷C0a=9.5kN。查表3-35，按标准系列，选取导轨长度为3000mm.表3-35 JSA型导轨长度系列导轨型号导轨长度系JSA-LG15280340400460520580640700760820940JSA-LG20340400520580640760820940100011201240JSA-LG2546064080010001240136014801600184019603000JSA-LG3552060084010001080124014801720220024403000JSA-LG4555065750850950125014501850205025503000JSA-LG5566078090010201260138015001980222027003000JSA-LG65820970112012701420157017202020232027703000导轨副的型号:KL系列的 JSA-LG25型导轨长度为3000mm(2) 距离额定寿命L的计算上述选取的ZL系列JSA-LG25型导轨副的滚道硬度为60HRC，工作温度不超过100，每根导轨上配有两只滑块，精度为4级，工作速度较低，载荷不大。查表表3-36 硬度系数滚道硬度（HRC）50555864fH0.530.81.0表3-37 温度系数工作温度/90%，合格。（5）刚度的验算1）工作台滚珠丝杠副的支承均采用“双推-简支”的方式。丝杠的一端用深沟球轴承，另一端用深沟球与推力球轴承的组合，左、右支承的中心距离约为a=2150mm；钢的弹性模量E=2.1105MPa；查表3-31，得滚珠直径DW=2.175mm，丝杠底径d2=16.2mm，丝杠截面积。丝杠的拉伸或压缩变形量1在总变形量中的比重较大，可按下式计算： (2-5)式中：Fm丝杠的最大工作载荷，单位为N a丝杠两端支承间的距离，单位为mm E丝杠材料的弹性模量，钢的E=2.1105MPa S丝杠按底径d2确定的截面积，单位为mm2 M转矩，单位为Nmm I丝杠按底径d2确定的截面积惯性矩（），单位为mm4 滚珠与螺纹滚道间的接触变形量2 无预紧时 (2-6) 有预紧时 (2-7)式中 DW滚珠直径，mm Z滚珠总数量，Z=Z圈数列数 Z单圈滚珠数，（外循环），（内循环） FYJ预紧力，单位N由于转矩M一般较小，可以忽略式2-5中的第二项，算得丝杠在工作载荷Fm作用下产生的拉/压变形量 2）根据公式，求得单圈滚珠数Z=24；该型号丝杠为单螺母，滚珠的圈数列数为42，代入公式：Z=Z圈数列数，得滚珠总数量Z=176。丝杠预紧时，取轴向预紧力FYJ=Fm/3=674N。则由式2-7，滚珠与螺纹滚道间的接触变形量2 因为丝杠加有预紧力，且为轴向负载的1/3，所以实际变形量可减小一半，2=0.0007mm。3）将以上算出的1和2代入。 丝杠的有效行程为2150mm，由表3-27知，4级精度滚珠丝杠有效行程在21502200mm时，行程偏差允许达到27m，可见丝杠刚度足够。丝杠刚度足够（6）压杆稳定性校核 滚珠丝杠是属于受轴向力的细长杆，如果轴向负载过大，则可能产生失稳现象。失稳时的临界载荷Fk应满足： （2-8）式中 Fk临界载荷，单位N fk丝杠支承系数，如表所示 K压杆稳定安全系数，一般取2.54，垂直安装时取小值； A滚珠丝杠两端支承间的距离，单位为mm。表3-34 丝杠支承系数方式双推-自由双推-简支双推-双推单推-单推fk0.25241查表3-34，取fk=0.25；由丝杠底径d2=16.2mm，求得截面惯性矩： ； 压杆稳定系数K取3（丝杠卧式水平安装）；滚动螺母至轴向固定处的距离a 取最大值1075mm。代入式2-8即: 临界载荷Fk24200N，远大于工作载荷Fm=2024N，故丝杠不会失稳。丝杠不会失稳 综上所述，初选的滚珠丝杠副满足使用要求。综上所述，初选的滚珠丝杠副满足使用要求4、步进电机的选用已知工作台的脉冲当量=0.005mm/脉冲，滚珠丝杠导程Ph=5mm,初选步进电机步距角为1.8，采用五倍细分，由传动比： =1 因此不需要减速机构，可以用步进电机直接驱动滚珠丝杠转动。 5、步进电动机的计算和选型 已知：滚珠丝杠的公称直径d0=20mm； 总长l=2354mm 导程Ph=5mm； 材料密度=7.8510-3kg/cm3移动部件总重力G=500N；（1）计算加在步进电动机转轴上的等效负载转矩，分快速空载启动和承受最大工作负载两种情况进行计算。1）快速空载启动时电机转轴所受的负载转矩： 移动部件运动时折算到电机轴上的摩擦转矩，单位。 滚珠丝杠预紧后折算到电机轴上的附加摩擦转矩，单位。 （2-9） 导轨的摩擦力 ,N； 滚珠丝杠导程，单位m； 传动效率， 取=0.95； 总传动比 =1； 导轨的摩擦系数（滚动导轨取0.003到0.005，这里选取0.005）； 垂直方向工作载荷，空载时=0 由式（2-9）得： 滚珠丝杠预紧力，一般取工作载荷的1/3,单位为N； 滚珠丝杠未预紧时的传动效率，一般取 由于滚珠丝杠的传动效率高，所以 值一般很小，与 比起，通常 可以忽略不计。 2)最大工作负载下电机转轴所受负载转矩 式中Tf和T0分别按上计算；Tt折算到电机轴上的最大工作负载转矩。 1、 （2-10） 式中 为进给方向最大工作载荷，单位N，在前面滚珠丝杠的选型计算 时，已知沿丝杠轴线方向最大进给载荷Fm=2024N。 因此可得 2、垂直方向承受的最大工作载荷（Fz=1875N）情况下，移动部件运动时折算到电机转轴上的摩擦转矩 综上计算，得到加在步进电动机转轴上的最大等效负载转矩应为： （2）步进电机静转矩的确定考虑到步进电动机的驱动电源受电网电压影响较大，当输入电压降低时，其输出转矩会下降，可能造成丢步，甚至堵转。因此，根据Teq选择步进电动机的最大静转矩时，需要考虑安全系数。这里取安全系数K=4，则步进电动机的最大静转矩应满足： 步进电机最大静转矩要大于6.84N.m。（3）计算加在步进电机转轴上的总转动惯量 已知：滚珠丝杠的公称直径d0=20mm； 总长l=2354mm 导程Ph=5mm； 材料密度=7.8510-3kg/cm3 移动部件总重力G=500N； 传动比为1。 滚珠丝杠折算到电机轴上的转动惯量： 拖板折算到电机轴上转动惯量： 总等效惯量： （4）电机型号选取综上计算可知， ， 一般要求 得; 综合考虑上面静转矩 ，我们选用的步进电机为110BF003反应式步进电机，其参数见下表：电机型号相数步距角最大静转矩空载启动频率空载运行频率转子转动惯量57BYG250C30.9/1.87.84N.m1500HZ7000HZ4.6KG/ a起动惯-频特性曲线 b起动矩-频特性曲线 c运行矩-频特性曲线步进电机选为57BYG250C反应式步进电机（5）步进电机性能校核1 、校核脉冲当量误差因为我们选的步进电机的步距角与前面取得步距角不能，所以需要校核 步进电机步距角 任务要求的脉冲当量为 计算实际步距角 误差= 在要求范围内，满足设计要求。 2、启动频率 已知电动机转轴上的总转动惯量，电动机转子的转动惯量，电动机转轴不带任何负载时的空载启动频率。则可以求出步进电动机克服惯 性负载的启动频率： 3、启动时间校核 查启动矩频特性曲线：见上面 当f=1220HZ时， 能带动空载时的负载启动。 若按直线规律计算 其中 最快的运行转速：设计要求最快速度为 6000mm/min 对应的 查表对应的 带入公式： 远小于0.2-0.4S（机电一体化书上有） 故满足启动时间的要求 4、最大工进速度校验 =1200mm/min 则 对应的HZ 查运行矩频特性曲线图（c）知道2.5故1.7 满足快速攻进速度要求。6、增量式旋转编码器的选用 由于本设计采用半闭环控制，所以需要在滚珠丝杠尾部的上安装增量式旋转编码器，用以检测电动机的转角和转速。增量式旋转编码器的分辨力应与步进电机的步距角相匹配。由步进电机的步距角等于1.8，可以知道电动机没转动一周，需要控制系统发出360/1.8=200个步进脉冲，编码器可以选300线。这样，控制器每发出一个步进脉冲，电动机就转过一个步距角，编码器对应输出1.5个脉冲信号。选用K50-J 2N 100 B14编码器：增量式，空心轴，不贯穿，孔径14mm，与电动机尾部出轴相匹配，电源电压+5V，每转输出300个A/B脉冲，信号为电源输出。生产厂家为： 上海恒祥光学电子有限公司。 接线方式：选用K50-J 6C600 B10编码器：增量式，空心轴，不贯穿，孔径10mm，电源电压+5V，每转输出300个A/B脉冲7、联轴器的选用及校核经过对十字滑台设计结构的分析，我们选用了结构比较紧凑的波纹管联轴器，其结构和选型表见下面：根据前面电机选型时计算可得电机轴上最大负载转矩T=1.71N.m 考虑工作过程中的动载荷和在运转过程中的过载现象，计算转矩： 其中为工作情况系数，因十字滑台无冲击或轻微冲 击，且工作情况比较好，因此取 得 根据，由选型表中参数，综合考虑，选用KB1/100,其具体参数见选型表中。联轴器选用波纹管联轴器 KB1/1008、轴承的选用及校核在前面滚珠丝杠的设计中，我们采用的是滚珠丝杠“双推简支式”式支撑，从而我们选用的轴承就是两对角接触轴承相对安装，能同时承受两个方向的轴向力和径向力，然后根据前面选用的滚珠丝杠的轴径，我们选用的轴承是“深沟球轴承6302和推力球轴承51102”。下面我们对其进行寿命校核。（1）、轴承受力分析 根据前面滚珠丝杠的设计，我们画出了滚珠丝杠的受力示意图，我们取最极端情况，即滑台刚好走到最右边或最左边，且单边的力由一个轴承承担。 因为我们的轴承结构如下图所示。 (2)、计算当量动载荷 1. 采用了一组深沟球轴承，径向载荷,轴向载荷，转速1200R/MIN,装轴承处的轴颈范围19-25： 查表得e最大为0.44，最小为0.22,=1.2, x=1,y=1： 所以 当量动载荷轴承的基本额定动载荷：查表得轴承选用6302，其C为15.8KN，内径为15，外径为42，宽为13. （3）、寿命校核计算： 式中为单位为 ；对于深沟球轴承 C为轴承基本额定动载荷 。 因此 根据前面计算，以最大工进速度运动时，转速n=600r/min,可以计算再次条件下计 算用小时表示的基本额定寿命Lh： 所以 （4) 、综合分析以上计算，我们取得是最大载荷，受力是在最恶劣的情况下，且以空载最快运动速度下校核寿命为12308.6h，能达到要求。 2.采用了一个推力球轴承：轴向载荷为181.32N，径向载荷可忽略不计。 查表初选型号为51102，C为14.20KN,内径为15，外径为28，宽度为9。 3）、寿命校核计算： 式中为单位为 ；对于推力球轴承 C为轴承基本额定动载荷 。 因此 根据前面计算，以最大工进速度运动时，转速n=600r/min,可以计算再次条件下计 算用小时表示的基本额定寿命Lh： 所以 综合分析以上计算，我们取得是最大载荷，且以空载最快运动速度下校核寿命为10308.6h，能达到要求。9、各传动部件的调整 （1）、滚珠丝杠的预紧：我们选用的滚珠丝杠是内循环固定反相器双螺母垫片式预紧, 调整方法是通过调整预计片的厚度，可使两螺母产生相对位移，已达到消除间隙、产生预紧力的目的。 （2）、轴承的预紧: 通过调整轴承座两边的垫片组来调节轴承的预紧力。三、驱动器、单片机及电源 1、驱动器的选择 根据前面选用的三相反应式步进电机57BYG250C，我们选用的驱动器是与其对应的SJ-3F130M 三相反应式步进电机细分驱动器，其技术参数 1.1、 供电电源：交流 AC1 为 16V/1.0A，AC2 为 60-120V，必须两项供电。 1.2、 驱动器适配电机：57BYG250A、57BYG250B、57BYG250C、110BF003、110BF380B、110BC380C、130BF3100、130BC3100A、130BC3100B。 1.3、 驱动电流：根据不同电机，调节驱动器使输出电流与电机相匹配，如果电机能够 拖动负载可以调节小于电机额定电流，但不能调节大于电机额定电流,否则电机会过热。 1.4、 驱动方法：正弦波恒流斩波驱动 1.5、本驱动器的输入信号共有三路，它们是：步进脉冲信号 CP、方向电平信号 DIR、 脱机信号 FREE。它们在驱动器内部分别通过 270 欧姆的限流电阻接入光耦的负输入 端，且电路形式完全相同，见下图（图 2-1） 。OPTO 端为三路信号的公共正端（三 路光耦的正输入端） ，三路输入信号在驱动器内部接成共阳方式，所以 OPTO 端须 接 外部系统的 VCC，如果 VCC 是+5V 则可直接接入；如果 VCC 不是+5V 则须外部 另加限流电阻 R，保证给驱动器内部光耦提供 8-15mA 的驱动电流，参见下图步进电机驱动器选用SJ-3F130M2、 AT89S51单片机3. 8255扩展I/O口芯片、74LS373锁存器5、驱动器电源及单片机电源选择 （1）、单片机供电电源 根据原理图中相关内容来看，可知需要直流开关电源，选用的是上海沧灿自动化科技有限公司生产的明纬开关电源，型号为HRP-75-24,其规格参数见下表;型号直流输出电压交流输入电压接地端口HRP-75-2424V（端口4、5）85264VAC(端口为1、2)3号端口HPR-75-55V(端口4、5)85264VAC(端口1、2)3号端口 （2）、驱动器电源： 由上面驱动器选型知道，驱动器需要交流 AC1 为 16V/1.0A、AC2 为 60-120V两项供电，且OPTO 端为三路信号的公共正端（三路光耦的正输入端） ，三路输入信号在驱动器内部接成共阳方式，所以 OPTO 端须接外部系统的 +VCC，且 VCC 是+5V，我们这个电源选用的就是上面表格中的HPR-75-5直流开关电源。AC1和AC2则是选用的变压器，型号为JBK5-40和JBK5-160.四、单片机程序#include#define FOSC 12000000 /宏定义时钟频率Unsigned char code StepPhase=0x01,0x03,0x02,0x06,0x04,0x05; /三相六拍bit Direction=0;bit RunStatus=0;unsigned char StepPointer=0;#define TIMER50US 20000#define STEPMOTOR P2unsigned char SpeedGrade=0;unsigned char SpeedCount=0;/数码管显示定义与声明sfr P0M1=0x93;Sfr POM0=0x94;Code unsigned char LEDSEG=0x3F、0x06、0x5B、0x4F、0x66、0x6D、0x7D、0x07、0x7F、0x6F、0x77、0x7C、0x39、0x5E、0x79、0x71; /显示09，AF代码表#define K1=P3.2#define K2=P3.3#define K3=P3.4#define K4=P3.5/main()主程序Void main(void)Unsigned int i;P0M1=0x00; /配置P0端口的P0.0P0.7P0M0=0xFF;TMOD=0x20; /配置T1位定时模式，工作于方式2TH1=(256-FOSC/12/TIMER50US); /初始化T1定时1MS TL1=(256-FOSC/12/TIMER50US);TR1=1; /启动T0工作ET1=1; /使T0中断EA=1; /CPU开中断P0=LEDSEGSpeedGrade; /显示速度等级While(1) If(K1=0) /按键K1是否按下 for(i=0;i1000;i+); /延时去抖动 If(K1=0) /按键K1是否真的按下 Direction=0; /正向 While(K1=0)； /等待按键K1释放 If(K2=0) /按键K2是否按下 for(i=0;i1000;i+); /延时去抖动 If(K2=0) /按键K2是否真的按下 Direction=1; /反向 While(K2=0)； /等待按键K2释放 If(K3=0) /按键K3是否按下 for(i=0;i1000;i+); /延时去抖动 If(K3=0) /按键K3是否真的按下 SpeedGrade+; /电动机速度切换 If(SpeedGrade=6)SpeedGrade=0; P0=LEDSEGSpeedGrade; While(K3=0)； /等待按键K3释放 If(K4=0) /按键K4是否按下 for(i=0;i1000;i+); /延时去抖动 If(K4=0) /按键K4是否真的按下 If(RunStatus=0)RunStatus=1; /启动运行 Else RunStatus=0; /停止 While(K4=0)； /等待按键K4释放 /定时器T1定时50us溢出中断服务程序Void T1 ISR(void) interrupt 3 If(RunStatus=1) /电机处于运行状态下 SpeedCount +; If(SpeedCount=(SpeedGrade+1)*2) /达到设置的速度档位 SpeedCount=0; STEPMOTOR=(StepPhaseStepPointer)1; /送出对应相位数据 If(Direction=0) /正向状态 StepPointer +; If(sizeof(StepPhase)=StepPointer) StepPointer=0; Else /反向状态 StepPointer-; If(0xFF=StepPointer) StepPointer=(sizeof(StepPhase)-1; 五、参考文献1张建民. 机电一体化系统设计 高等教育出版社 2014.122课程设计指导书 电子版3孙安青 MCS-51单片机C语言编程 中国电力出版社 2015.01 45濮良贵.机械设计 高等教育出版社 2014.056