机电传动单向数控平台设计 (2).docx

1、1.1设计任务介绍及意义 课程设计题目机电传动单向数控平台设计 课程设计内容（1）机械传动结构设计（2）电气测控系统 课程设计意义（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，并结合设计或实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。1.2设计任务明细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

2、服电机；（2）机械传动方式：螺旋丝杠、滚珠丝杠、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；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100、50 N；（估算值）移动速度控制03、06 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,0.1mm1.3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

3、：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）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（A3一张）。（4）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，每个学生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）用计算机绘图或手工绘图，打印说明书。（6）设计选题分组进行，每位同学采取不同方案（或参数）独立完成。2 总体方案设计2.1设计的基本依据步进电机又称脉冲电机。它是将电脉冲信号转换成机械角位移的执行元件。每当输入一个电脉冲时，转子就转过一个相应的步

4、距角。转子角位移的大小及转速分别与输入的电脉冲数及频率成正比，并在时间上与输入脉冲同步。只要控制输入电脉冲的数量、频率以及电机绕组通电相序即可获得所需的转角、转速及转向。步进电动机具有以下特点：（1）工作状态不易受各种干扰因素(如电压波动、电流大小与波形变化、温度等)的影响；（2）步进电动机的步距角有误差，转子转过一定步数以后也会出现累积误差，但转子转过一转以后，其累积误差变为“零” ；（3）控制性能好,在起动、停止、反转时不易“丢步”；（4）转角与控制脉冲数成比例，可构成直接数字控制；（5）不需要传感器进行反馈，可构成廉价的开环控制系统；（6）缺点是效率较低，有时会产生震荡现象。滚珠丝杠螺母

5、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杠螺母副中的滑动，摩擦力小，具有良好的性能。滚珠丝杠的主要工作原理是在丝杠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。特点如下：（1）摩擦阻力小，传动效率高（一般在90%以上）；（2）运转平稳，启动时不颤动，低速时不爬行；（3）螺母和螺杆经调整预紧，可以得到很高的定位精度，并可以提高轴向刚度；（4）不能自锁，具有传动的可逆性；（5）工作寿命长,不易发生故障。89C51单片机价格低廉，系统

6、扩展方便，可以使用C语言编写程序，内部有可电改写的存储器FlashROM，给开发及应用带来了很大的方便。单片机是典型的嵌入式系统，能很好地满足面对控制对象、应用系统的嵌入、现场的可靠运行，且响应速度快，提高控制的实时性，具有较强的灵活性，可以处理多种可能发生的情况。导轨是机床的关键部件之一􀋡其性能好坏􀋡将直接影响机床的加工精度、承载能力和使用寿命。导轨设计应满足􀋢导向精度、耐磨性、低速运动平稳性、刚度、结构简单、工艺性好、便于间隙调整、具有良好的润滑和防护等要求。由于工作台的运动部件重量和工作载荷不大，故选用直线导轨副，从而减小工作台的摩擦

7、系数，提高运动平稳性。2.2总体方案的确定综上所述，总体方案及参数初步设置如下：（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（4）功能控制要求：速度控制（5）主要设计参数：单项工作行程1200mm 移动负载质量100kg（m1） 负载移动阻力100N(估算值) 移动速度控制06m/min；速度控制精度0.5%丝杠两端为固定支撑（E-F），每个支座安装角接触球轴承。工作台的质量取工件质量的10%15%，所以m2取0.15m1=15kg3 机械传动系统设计3.1机械传动装置的组成步进电机联轴器滚珠丝杠工作台3.2主要部件的结构设计计算1.导轨的选择为了简化，导

8、轨及滑块选取成品。选取米思米公司生产的SV2R-28,如下图滑块具体参数如下：H=28mm , W=42mm , L1=47mm , B=32mm ,sl=M58 , L2=27.6mm , K=22.5mm ,T=7.5mm ,Cb=1导轨具体参数如下：H1=15.5mm , W1=20 , W2=11mm , Ca=0.6 ， 沉孔d1d2h为69.58.5 ，F=60mm ， G=20mm , L取1600mm 2.滚珠丝杠的选择计算计算及说明结果以下公式表格均出自现代机械设计手册第5卷设丝杠寿命（两班制十年），取机构动摩擦因素，静摩擦因素，取查表22-4-13定位精度，全行程，重复定位

9、精度设机构工作情况如下表切削方式纵向切削力/ 垂直切削力/ 进给速度/工作时间/丝杠速度/ 强力切削200010000.61060一般切削10002000.83080精切削500200150100快速进给00610600（1）导程（2）当量载荷由 分别对应强力切削，一般切削，精切削和快速进给四种情况求得丝杠的轴向载荷：， ，由 计算及说明结果（3）当量转速由 （4）预期额定动载荷 1）按预期工作时间估算按表22-4-18，查得：精度等级13， 取1按表22-4-19，查得： 可靠性96%，取0.53按表22-4-20，查得：轻微冲击，取1.3 2）拟采用预紧滚珠丝杠，按最大载荷计算按表22-4

10、-21，查得：中预紧取4.5代入得，综上所述，取两种结果的最大值（5）估算滚珠丝杠螺纹小径 1）估算丝杠允许的最大轴向变形量 已知重复定位精度，定位精度， 重复定位精度，取或者定位精度，取取两种结果的较少值 计算及说明结果2）估算螺纹小径丝杠要求预拉伸，取两端固定的支承形式，查表已知：行程为，取则， （6）确定滚珠丝杠规格代号 选内循环浮动式法兰，直筒双螺母型垫片预紧形式 由计算出的，在南京工艺装备制造厂生产的滚珠丝杠样本中选取规格代号为FFZD3210-3的滚珠丝杠副，其相应参数为 ， ，（7）计算预紧力 （8）计算行程补偿值 滚珠丝杠有效行程 （9）计算预拉伸力 选FFZD3210-3计算

11、及说明结果（10）选择轴承 1）轴承所承受的最大轴向载荷 2）轴承内径 轴承内径 3）轴承预加载荷 4）按样本选轴承型号规格由条件，预加负荷所以选7603020TVP， 本滚珠丝杠副采用E型、F型固定的支承形式， 内径，外径，宽度，球径，球数，额定动载荷，额定静载荷，预加负荷， 6）疲劳寿命计算 ， 所以， ，符合要求11）验算系统刚度 又由 选7603020TVP符合要求计算及说明结果得所以，系统刚度合格。（12）验算滚珠丝杠压杆稳定性取丝杠最大受压长度 水平安装，两端固定 所以，滚珠丝杠压杆稳定性合格。（13）验算滚珠丝杠副极限转速查表22-4-22 两端固定，所以，滚珠丝杠副极限转速合格

12、（14）检验值，符合要求（15）验算滚珠丝杠额定静载荷静安全系数，符合要求（16）验算滚珠丝杠抗拉强度取丝杠材料的许用抗拉应力，符合要求刚度合格压杆稳定性合格极限转速合格值合格额定静载荷合格抗拉强度合格3.步进电机、联轴器选型计算计算及说明结果以下公式表格均出自现代机械设计手册第5卷设滚珠丝杠密度，机构的机械效率 步进电机与丝杠间的传动比取1，则电动机转速（1）初选联轴器 查现代机械设计手册第2卷，第6-55页初选凸缘联轴器型号为GY1，轴孔为J1型公称转矩，许用转速， ，转动惯量（2）折算到电机轴上的负载的转动惯量 1）联轴器的转动惯量 由上可知 2）滑动部分的转动惯量 3）滚珠丝杠的转动惯

13、量 综上所述，折算到电机轴上的负载惯量 （3）折算到电机轴上的负载转矩根据表25-2-3的计算公式，折算到电动机轴的负载转矩为：（4）电机轴上的加速转矩加速时间 式中 电动机的转动惯量，凸缘联轴器型号为GY1，轴孔为J1型计算及说明结果（5）折算到电机轴上的总转矩（6）电动机的选择取安全系数，则必需转矩查表25-2-25，初选步进电机型号为110BYG550D-0301，其转子转动惯量则有：110BYG550D-0301的最大静转矩（保持转矩）为，步距角为。（7）电动机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：从图25-2-9（h）中110BYG550D-0301的矩频特性曲线上

14、可以看出，此速度（或频率）时，电动机的输出转矩大于，故此电动机满足要求。（8）联轴器校核 选择凸缘联轴器GY1，轴孔为型，其公称转矩，许用转速均符合上述计算结果，则选初选步进电机110BYG550D-0301电动机满足要求符合要求4 电气控制系统设计4.1控制系统的基本组成机电传动数控平台的速度控制，可通过控制步进电机的运行速度控制。而控制步进电机的运行速度，实际上就是控制系统发出的CP脉冲的频率或者换相的周期。这里采用89C51单片机定时器产生中断的方法，控制环形脉冲分配器的输出脉冲和方向来控制步进电机运行速度和方向。由于串行控制时单片机与步进电机驱动器之间只需两条控制线，一条用来发出时钟脉

15、冲串，另一条用来发出方向电平信号。所以，系统构成简单，且有专用的环形分配器，节省系统资源。具体如下图：指令工作机构脉冲分配器功率放大器步进电机4.2电器元件的选型计算 当丢失一个脉冲时对速度最慢的影响最大，所以选择强力铣削来计算。由电机选型可知，步距角。所以，丢失一个脉冲，则。得，所以速度精度符合要求。由上面计算可知，此时速度控制精度符合要求，为了使控制线路经济简单，就不在添加反馈编码器和相应的电子线路。4.3电气控制电路的设计1.由于五相混合式步进电机的励磁绕组都必须用双极性电源供电，所以电机采用五相桥驱动。（步进电机及其驱动控制系统 刘宝廷、程树康等编著，哈尔滨工业大学出版社，1997年1

16、1月第1版）具体原理图如下：2.为了配合五相桥驱动电路，采用EPROM构成的以下环形分配器。用两个2716存，储状态表，上面的2716的D0D4存储A、B、C、D、E的状态，下面的2716的D0D4存储A、B、C、D、E的状态。由于五相混合式步进电机最多为二十拍一个循环，所以前级计数器的计数长度必须为二十，图中用两级计数器来满足这一要求。LS190为十进制可逆计数器，时钟脉冲经两级斯密特触发器整形后引入计数器脉冲输入端，其数据输出端QAQD直接接到EPROM地址线A0A3。将上面的LS190的进位（借位）输出送入下面的190的CP端，组成串行计数，其输出端QA接到EPROM地址线A4。这样，两

17、个LS190组成二十进制的可逆计数器。一个LS190有四条数据线输出可以选通四位地址，利用另一个LS190的一条数据输出线QA扩充寻址范围，实现对二十个地址的选通，满足五相混合式步进电机二十个状态的要求。两个LS190的加减计数端M并联在一起，作为计数方向控制端，即可控制环形分配器输出的循环方向。用另两条地址线A5、A6作为存储器分页标志，通过K1、K2两个开关控制电平的高低，可以将EPROM内存划分为四种励磁方式的状态表，即形成了适用于各种励磁方式的五相混合式步进电机环形分配器。 原理图如下：（参考书同上）此次设计选取四-五相励磁，作用存储空间为000H009H及010H019H，K1、K2

18、闭合，即A5=0，A6=0。详见下表： 地址EPROM1EPROM2对应的励磁状态内容EDCBA内容EDCBA00HFAH11010F5H10101001HEAH01010F5H10101002HEBH01011F5H10101003HEBH01011F4H10100004HEBH01011F6H10110005HE9H01001F6H10110006HEDH01101F6H10110007HEDH01101F2H10010008HEDH01101FAH11010009HE5H00101FAH11010010HF5H10101FAH11010011HF5H10101EAH01010012HF5

19、H10101EBH01011013HF4H10100EBH01011014HF6H10110EBH01011015HF6H10110E9H01001016HF6H10110EDH01101017F2H10010EDH01101018HFAH11010EDH01101019HFAH11010E5H001014.4控制程序的设计及说明系统启动，需按下运行许可键，然后按需要选择功能键。通过反复按下方向键，改变步进电机（及工作台）的进给方向，初始化或复位后，方向为正向。快移、强力铣削、一般铣削及精铣削只能单独执行，不能中途改变。当需要切换工作状态时，只要按下复位键，再重新选择所需功能键即可。停止键用来

20、急停。按下复位键会返回原点和初始状态，用于切换工作状态。导轨两端装有安全开关，当滑块压下开关后产生中断0，调用停机子程序，停发脉冲，使步进电机停机。主程序流程图开始初始化键盘扫描配置、控制步进电机运行While(1)定时器0中断 外部中断0中断安全开关闭合进入中断关闭脉冲输出中断返回定时器服务子程序定时器0重新赋值产生周期脉冲CP5 结论综上所述，主要零件选型为：步进电机：110BYG550D-0301型五相混合式步进电机滚珠丝杠：南京工艺装备制造厂FFZD3210-3型内循环浮动式垫片预紧滚珠丝杠单片机：AT89C51单片机脉冲分配器：用两个斯密特触发器，两个LS190十进制可逆计数器，两个

21、EPROM2716及三个10k电阻连接而成。功率放大器：用十个晶体管，十个二极管连成五相桥驱动联轴器：GY1型凸缘联轴器，轴孔为J1型轴承：7603020TVP导轨：米思米公司生产的SV2R-28，长度为1600mm。设计感想：本次课程设计使我基本掌握了如何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的初步设计的方法，学会了如何查找资料进行并进行系统方案选择、确定，同时提高了自己独立分析问题、解决问题的能力，自己获益匪浅。在查找资料的同时，也学到许多相关的基础知识，进一步了解学习了AutoCAD、Protel等软件。最后，感谢指导老师和同学在此次课程设计中给予我的巨大帮助！6 参考文

22、献1 秦大同，谢里阳.现代机械设计手册，2、5卷，化学工业出版社，20112 李朝青.单片机原理及接口技术（第3版），北京航空航天大学出版社，20053 刘宝廷，程树康等.步进电动机及其驱动控制系统，哈尔滨工业大学出版社，19974 程志红等.机械设计课程上机与设计，东南大学出版社，20065 程志红.机械设计，东南大学出版社，20066 汤竞南，沈国琴.51单片机C语言开发与实例，人民邮电出版社，20087 于永，戴佳，刘波.51单片机C语言常用模块与综合系统设计实例精讲（第2版），20088 张建民等.机电一体化系统设计（修订版），北京理工大学出版社，20079 杨黎明.机电一体化系统设计

23、手册.国防工业出版社，19977附录#includesbit cp=P35; /脉冲输入sbit m=P36; /控制方向bit speed_up_flag;/=1，加速，=0，减速bit direction; /=1，反转，=0，正转bit start; /=1，满足条件时电机运行，=0，电机不会运行bit setback; /=1，可以复位，=0，不可以unsigned int data fx; /存放步进电机频率计数unsigned char data keyword; /键盘输入键值unsigned char data speed; /速度选择unsigned char code fr

24、equence_code= 0xfb,0x50;/f=1667Hz 0xfb,0xa9;/f=1800Hz 0xfc,0x18;/f=2000Hz 0xfc,0x73;/f=2200Hz 0xfc,0xbf;/f=2400Hz 0xfc,0xff;/f=2600Hz 0xfd,0x36;/f=2800Hz 0xfd,0x65;/f=3000Hz 0xfd,0x8f;/f=3200Hz 0xfd,0xb4;/f=3400Hz 0xfd,0xd4;/f=3600Hz 0xfd,0xf2;/f=3800Hz 0xfe,0x0c;/f=4000Hz 0xfe,0x24;/f=4200Hz 0xfe,0

25、x39;/f=4400Hz 0xfe,0x4d;/f=4600Hz 0xfe,0x5f;/f=4800Hz 0xfe,0x70;/f=5000Hz 0xfe,0x7f;/f=5200Hz 0xfe,0x8e;/f=5400Hz 0xfe,0x9b;/f=5600Hz 0xfe,0xa7;/f=5800Hz 0xfe,0xb3;/f=6000Hz 0xfe,0xbd;/f=6200Hz 0xfe,0xca;/f=6400Hz 0xfe,0xd2;/f=6600Hz 0xfe,0xda;/f=6800Hz 0xfe,0xe2;/f=7000Hz 0xfe,0xea;/f=7200Hz 0xfe,0

26、xf2;/f=7400Hz 0xfe,0xf9;/f=7600Hz 0xff,0x00;/f=7800Hz 0xff,0x06;/f=8000Hz 0xff,0x0c;/f=8200Hz 0xff,0x12;/f=8400Hz 0xff,0x17;/f=8600Hz 0xff,0x1d;/f=8800Hz 0xff,0x22;/f=9000Hz 0xff,0x27;/f=9200Hz 0xff,0x2b;/f=9400Hz 0xff,0x30;/f=9600Hz 0xff,0x34;/f=9800Hz 0xff,0x38;/f=10000Hz;unsigned char code freuen

27、ce_code1= 0xbe,0xe5,/f=120Hz 0xd8,0xf0,/f=200Hz 0xe5,0xf5,/f=300Hz 0xec,0x78,/f=400Hz 0xf0,0x60,/f=500Hz 0xf2,0xfb,/f=600Hz 0xf4,0xd7,/f=700Hz 0xf6,0x3c,/f=800Hz 0xf7,0x52,/f=900Hz 0xf8,0x30,/f=1000Hz 0xf8,0xe6,/f=1100Hz 0xf9,0x7d,/f=1200Hz 0xf9,0xfe,/f=1300Hz 0xfa,0x24,/f=1333Hz 0xfa,0x6b,/f=1400Hz

28、 0xfa,0xcb,/f=1500Hz 0xfb,0x1e,/f=1600Hz 0xfb,0x50,/f=1667Hz;void output(void); /步进电机输出void speed_up(void); /加速，启动void speed_down(void); /减速，复位void speed_down_direction(void); /换向减速void stop(void); /步进电机停止进给void outcmd(void) /加、减速辅助函数void reset(void); /复位函数void delay(void) /延时函数 unsigned int i; for(

29、i=300;i0;i-);unsign keyscan(void) /键盘扫描 unsign char scancode,tmpcode;P1 = 0xf0; / 发全0行扫描码if (P1&0x70)!=0x70)/ 若有键按下delay();/ 延时去抖动if (P1&0x70)!=0x70)/ 延时后再判断一次，去除抖动影响scancode = 0xfe;while(scancode&0x10)!=0)/ 逐行扫描P1 = scancode;/ 输出行扫描码if (P1&0xf0)!=0xf0)/ 本行有键按下tmpcode = (P1&0xf0)|0x0f;return(scancod

30、e)+(tmpcode); /返回特征字节码， /为1的位即对应于行和列else scancode = (scancode1)|0x01; / 行扫描码左移一位return(0);/ 无键按下，返回值为0 void LED(speed) uchar code ddata= 0x7d,0x00,0x7d,0xbf,0x7f,0xbf,0x06,0x00 ; /6,0.6,0.8,1m/min for(i=0;i2;i+) /2位 P0=ddata2*speed-2+i; switch(i) case 0:P2=0X01;break; /点亮第1位 case 1:P2=0X02;break; /点

31、亮第2位 delay(); /延时 delay(); P2=0X00; / 熄灭 void main() TMOD=0x01; /定时器0为方式1 EX1=1; /外部中断1开 IT0=1; /边沿触发，为0则为低电平触发 IT1=1; /边沿触发，为0则为低电平触发IP=0x07; /定时器0、外部中断0、外部中断1为高优先级IE=0x81; /开放外部中断0fx=0; direction=0;start=0;speed=0;setback=0;do keyword=keycan(); /调用键盘扫描函数 switch (keyword) case 0x11: /0行0列，运行许可 star

32、t=1; case 0x21: /0行1列，快移 speed=1;outcmd();break; case 0x41: /0行2列，强力铣削 speed=2;outcmd();break; case 0x12: /1行0列，一般铣削 speed=3;outcmd();break; case 0x22: /1行1列，精铣削 speed=4;outcmd();break; case 0x42: /1行2列，改变方向 direction=direction;break; case 0x14: /2行0列，停止并复位 setback=1;break; case 0x24: /2行1列，急停 stop(

33、);start=0;break; default: break; output();while(1);void reset(void) m=1; speed=4; outcmd(); void outcmd(void) fx=0; do if (start=0) return; if (start=1&(speed!=0) cp=1; ETO=1; TRO=1; speed_up_flag=1; /加速 else if (setback=1) speed_up_flag=0; /减速 else m=directoin; void speed_up(void) /步进电机加速 if (speed

34、=1) TH0=frequence_codefx; TL0=frequence_codefx+1; if (fx86) fx=fx+2; if (speed=2) TH0=frequence_code1fx; TL0=frequence_code1fx+1; if (fx20) fx=fx+2; if (speed=3) TH0=frequence_code1fx; TL0=frequence_code1fx+1; if (fx28) fx=fx+2; if (speed=4) TH0=frequence_code1fx; TL0=frequence_code1fx+1; if (fx0) f

35、x=fx-2; TH0=frequence_codefx; TL0=frequence_codefx+1; else stop(); / 步进电机停止运行 reset(); /开始复位 else stop(); /步进电机停止运行 reset(); /开始复位void speed_down_direction(void) /换向减速 if (speed=1) if (fx0) fx=fx-2; TH0=frequence_codefx; TL0=frequence_codefx+1; else stop(); / 步进电机停止运行 outcmd(); /重新换向启动 else stop(); /步进电机停止运行 outcmd(); /重新换向启动void stop(void) cp=0; TR0=0; ET0=0;void output(void) cp=cp; LED();void switch_int(void) interrupt0 /外部中断0 cp=0; TR0=0; ET0=0;void time_int(void) interrupt1 /定时器0中断服务程序 if (speed_up_flag!=0) speed_up (); else