步進(jìn)電機(jī)通過一級齒輪減速驅(qū)動單軸直線伺服移動機(jī)構(gòu)系統(tǒng)設(shè)計論文

機(jī)電一體化機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計課程設(shè)計計算說明書 - 1 - 目 錄 第一章：直線移動機(jī)構(gòu)模塊的設(shè)計 錯誤 !未定義書簽。 1工作臺的選擇 . 錯誤 !未定義書簽。 2滾動導(dǎo)軌副的選擇計算和校核 錯誤 !未 定義 書簽。 3滾珠絲杠副的設(shè)計計算和校驗 錯誤 !未 定義 書簽。 4軸承的選擇計算 . 錯誤 !未定義書簽。 第二章：步進(jìn)電機(jī)的選擇 . 錯誤 !未定義書簽。 1.脈沖當(dāng)量的選擇 . 錯誤 !未定義書簽。 2.等效轉(zhuǎn)矩的計算 . 錯誤 !未定義書簽。 3系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動慣量的折算 . 錯誤 !未定義書簽。 4步進(jìn)電動機(jī)的選擇 . 錯誤 !未定義書簽。 5.一級齒輪的設(shè)計計算 . 錯誤 !未定義書簽。 第三章：控制系統(tǒng)的設(shè)計 . 錯誤 !未定義書簽。 1.控制器選型及存儲器擴(kuò)展分析 錯誤 !未定義書簽。 2.系統(tǒng)功能選擇實現(xiàn) . 錯誤 !未定義書簽。 3.系統(tǒng)狀態(tài)顯示 . 錯誤 !未定義書簽。 機(jī)電一體化機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計課程設(shè)計計算說明書 - 2 - 4.系統(tǒng)端口分配方式 . 錯誤 !未定義書簽。 5.軟件編程算法實現(xiàn) . 錯誤 !未定義書簽。 第四章：程序執(zhí)行流程 . 錯誤 !未定義書簽。 第五章：控制流程圖 . 錯誤 !未定義書簽。 第六章：機(jī)械進(jìn)給系統(tǒng)的建模與仿真 錯誤 !未 定義 書簽。 心得體會 . 錯誤 !未定義書簽。 參考文獻(xiàn) . 錯誤 !未定義書簽。 第一章：直線移動機(jī)構(gòu)模塊的設(shè)計 1 工作臺的選擇 根據(jù)設(shè)計要求初選工作臺為 3 0 0 3 0 0 2 0 mm ，密度7.81 3/g mm ，質(zhì)量約為 14Kg。 2 滾動 導(dǎo)軌副的選擇計算和校核 滾動直線導(dǎo)軌副是在滑塊與導(dǎo)軌之間放入適當(dāng)?shù)匿撉?，使滑塊與導(dǎo)軌之間的滑動摩擦變?yōu)闈L動摩擦，大大降低二者之間的運動摩擦阻力，從而獲得動、靜摩擦力之差很小，隨動性極好，即驅(qū)動信號與機(jī)械動作滯后的時間間隔極短，有益于提高數(shù)控系統(tǒng)的響應(yīng)速度和靈敏度。 驅(qū)動功率大幅度下降，只相當(dāng)于普通機(jī)械的十分之一。 與 V型十字交叉滾子導(dǎo)軌相比，摩擦阻力可下降約40 倍。 適應(yīng)高速直線運動，其瞬時速度比滑動導(dǎo)軌提高約 10 倍。 能機(jī)電一體化機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計課程設(shè)計計算說明書 - 3 - 實現(xiàn)高定位精度和重復(fù)定位精度。 能實現(xiàn)無間隙運動，提高機(jī)械系統(tǒng)的運動剛度。成對使用導(dǎo) 軌副時，具有“誤差均化效應(yīng)”，從而降低基礎(chǔ)件（導(dǎo)軌安裝面）的加工精度要求，降低基礎(chǔ)件的機(jī)械制造成本與難度。導(dǎo)軌副滾道截面采用合理比值的圓弧溝槽，接觸應(yīng)力小，承接能力及剛度比平面與鋼球點接觸時大大提高，滾動摩擦力比雙圓弧滾道有明顯降低。導(dǎo)軌采用表面硬化處理，使導(dǎo)軌具有良好的可校性；心部保持良好的機(jī)械性能。 簡化了機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計和制造。 滑塊可選用基本尺寸為 307080 ，導(dǎo)軌副材料的選擇為灰鑄鐵 HT200，因為它的耐磨性和減震性好，熱穩(wěn)定性好，容易鑄造和切削加工，成本較低。因設(shè) 計任務(wù)要求，選用四塊這樣的滑塊組成雙排導(dǎo)軌，則總質(zhì)量約為： kgkg 65.14 。 2 1滾動體的尺寸和數(shù)目 滾動體的直徑越大，滾動摩擦系數(shù)就越小，摩擦阻力也就越小；滾動體的直徑過小，不但摩擦阻力會加大，而且會產(chǎn)生滑動的現(xiàn)象。因此在不受限制的情況下滾動體的直徑越大越好，本次選擇滾珠直徑 8mm， 查文獻(xiàn) 3式 5-6 有：dG5.9 其中， Z 為滾珠數(shù)目； G 運動部件的重力，單位 N； D 為滾珠直徑，單位 mm 則： 8.585.9164 ，所以選每一導(dǎo)軌滑塊上滾珠的數(shù)目為 7。 機(jī)電一體化機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計課程設(shè)計計算說明書 - 4 - 2 2滾動導(dǎo)軌副的強(qiáng)度計算 強(qiáng)度的判斷條件是判別受力最大的那個滾動體上的載荷是否超過了許用載荷。如果一條導(dǎo)軌上承受一個作用在導(dǎo)軌面上的力和力矩，則受力最大的滾動體就是位于最外側(cè)的。 查文獻(xiàn) 3式 6-5 可得在一個滾動體上的許用載荷： 22F F d 其中，對于淬火鋼珠鑄鐵導(dǎo)軌 2F=125N/ 2cm ；對 HT200 導(dǎo)軌，導(dǎo)軌材料 的硬度系數(shù) 1 ； 則： 8018.01253.7747 1642000 2 FZF 由此可知強(qiáng)度滿足。 2.3 校核導(dǎo)軌副的壽命 由文獻(xiàn) 1式 3-22 得：3210hus T l nT 其中，hT為工作時間壽命，單位 h； ul為工作的有效行程長度，單位 m； n 為每分鐘往復(fù)的 次數(shù)，單位：次 /min 代入數(shù)據(jù)得： kmTS 48001000 6045.0200002 因有四個滑塊，所以每一導(dǎo)軌上使用兩個滑塊，則： 3 /swoaH T CF T K fCf f f 由文獻(xiàn) 4表 3-14 和 3-17 確定以下系數(shù)： 其中， K 為壽命系數(shù)，一般取 50km； F 滑塊的工作載荷，單位 N； 機(jī)電一體化機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計課程設(shè)計計算說明書 - 5 - Hf為硬度系數(shù)，Hf=0.92 ； Tf為溫度系數(shù)，Tf=1； Cf為接觸系數(shù)，Cf=0.81 ； wf為負(fù)荷系數(shù)，wf=1.5。 而且 NMFF 5504 1642 0 0 0 ； 所以： NCoa 10140192.081.05.1504800550 3 ； 即 aoa CC17500N，選用漢江機(jī)床廠 HJG-D25 有線導(dǎo)軌，查文獻(xiàn) 1表 3-14 至 3-17 得 HJG-25 型導(dǎo)軌的 NCa 17500，NC oa 26000 ，所用的導(dǎo)軌能滿足壽命要求。 3滾珠絲杠副的設(shè)計計算和校驗： 3.1 初選滾珠絲杠 根據(jù)設(shè)計任務(wù)，滾珠絲杠直徑初定為 25mm，導(dǎo)程 Ph=8mm ，制造精度為 3級。 3.2 絲桿的轉(zhuǎn)速 in=ihvP ，其中： iv 為機(jī)械傳動速度，單位是 mm/min。 則：1n= min/25082000 r； 5084002 nr/min 3.3 行程補(bǔ)償值 滾珠絲桿的熱變形將導(dǎo)致長度，定位精度的變化，可由下面機(jī)電一體化機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計課程設(shè)計計算說明書 - 6 - 的方法進(jìn)行補(bǔ)償： 31 1 . 8 1 0tuL 其中：t為溫度上升值，一般為 oo 32 取 o5.2 ； UL為有效行程，單位是 m ； 則： mm23 10475.1105.05.28.11 3.4 兩端固定支撐方式的預(yù)拉伸補(bǔ)償熱變形 在采用 兩端固定 安裝方式時，還要采用絲桿預(yù)拉伸的方法來進(jìn)一步補(bǔ)償熱變形，預(yù)拉伸為： 42 4Uttt A E EFdL 式中： E 為彈性模量， 522 .1 1 0 /N m m ； d 為絲桿公稱直徑， mm； 故： 4 6 53 . 1 4 2 5 2 . 5 1 2 1 0 2 . 1 1 0 37094tF N 3.5 滾珠絲桿副軸向載荷的計算 （參考文獻(xiàn) 5的P.101-P.103） m a x () XaZF m g F m a f F 式中： 為滾珠絲桿副的摩擦系數(shù)，一般取 0.0025 0.005； m為工作臺和滑塊的總質(zhì)量 ； f為導(dǎo)軌與底面的摩擦 力； zF為滾珠絲桿的徑向受力； XF為滾珠絲桿的軸向受力； 機(jī)電一體化機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計課程設(shè)計計算說明書 - 7 - a 為最大加速度， 2m ax /5.042 smtVa 則： NFa 602160005.020)2000200(003.0m a x NfFmguF 5.6)( 2mi n 所以 :當(dāng)量載荷 NFFFm 401632 m inm ax 設(shè)空轉(zhuǎn)和常用切削分配的時間分別為 10%和 90%， 則當(dāng)量轉(zhuǎn)速m in/709010 905010250212211 rtt tntnn m 3.6 額定靜載荷及額定動載荷的下限值： （ 1） 額定靜載荷m a xo a o a m sC C f F 式中，sf為安全系數(shù)，一般取 2-3，這里取 3；maxF是外加在滾珠絲桿副上的最大軸向載荷 故有： NNCoa 1800060003 （ 2） 額定動載荷 在當(dāng)量條件下達(dá)到預(yù)期壽命時，絲桿所受的最大額定動載荷為 NffFLnC amhmam 2 6 3 8 2105.14 0 1 62 0 0 0 07060)1 0 0/(60 233 其中f為載荷系數(shù)，取 5.1f；af為精度系數(shù)，取 0.1af。 3 7選定滾珠絲桿的型號 當(dāng)滾珠絲桿副在較高轉(zhuǎn)速下工作時，應(yīng)按壽命計算選擇其尺寸規(guī)格，并校核其載荷是否超過額定動載荷；當(dāng)滾珠絲桿副低速工作時，應(yīng)按計算額定靜載荷的方法確定滾珠絲桿機(jī)電一體化機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計課程設(shè)計計算說明書 - 8 - 副的規(guī)格尺寸，并校核壽命。在本設(shè)計中，最高轉(zhuǎn)速不足300r/min，屬于低速運轉(zhuǎn)的情況，所以 在這里按額定靜載荷的大小選擇： 根據(jù)文獻(xiàn) 5，選擇系列代號為 2508-5 的滾珠絲桿副。 其額定動載荷 NCa 30401，額定靜載荷 NCao 46583，剛度1485 mN / ， 外徑 mmd 241 ，內(nèi)徑 mmd 9.212 鋼球直徑3.175bd mm， 螺旋角 4.3O ， 滾道半徑 bdR )555.054.0( ，循環(huán)圈數(shù) 3n 圈（圈） 。 查參考文獻(xiàn) 5的 P.107 得： 螺紋全長： nxae LLLLL 221720mm 余留長度eL：參考文獻(xiàn) 6 表 4-2 取 32mm，安全行程ha PL )21(：取 16mm，行程 mmLx 500 ，螺母長度 mmLn 123，螺紋左端到軸承和螺紋右端到軸承 的距離 mmbb 3021 左右兩端軸承的間距： mmbbLL z 7803030720211 3.8 驗算 Dn 值 m in/.70000625025025max0 rmmndDn 3.9 預(yù)緊力的確定 當(dāng)采用兩端固定的支撐方式時，預(yù)緊力可以計算如下： NFF P 200760213131 m ax 機(jī)電一體化機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計課程設(shè)計計算說明書 - 9 - 而且： NCFaoP 3.46581.0 ，即滿足運轉(zhuǎn)要求。 3.10 穩(wěn)定性的校驗 （ 1）由于滾珠絲桿副在工作時很可能會發(fā)生失穩(wěn)，所 以要求設(shè)計計算所達(dá)到的安全系數(shù) S，其值應(yīng)該大于絲桿傳動結(jié)構(gòu)所允許的安全系數(shù) S。 絲桿不會發(fā)生失穩(wěn)的最大載荷稱為臨界載荷crF，并按文獻(xiàn) 1中式計算： 22acrEIFL 式中： E 為絲桿材料的彈性模量，對于鋼， GPaE 210 ； L 為絲桿的有效工作長度（ m）； aI為絲桿的危險截面的軸慣性矩（ 4m ）； 為長度系數(shù)，查文獻(xiàn) 1表 3-6 取 =1 而 4844 101.1640 2 1 9.014.364 2 mdIa 則： NFcr 91103)15.0(101.11021014.32892 ，安全系數(shù)aFFcrS 22.7，查文獻(xiàn) 1表 3-6， 4 SS 絲桿不會失穩(wěn)。 （ 2）絲桿工作時可能發(fā)生共振，因此需要驗算其不會發(fā)生共振的最高轉(zhuǎn)速 稱之為臨界轉(zhuǎn)速crn，要求絲桿的最大轉(zhuǎn)max crnn。 臨界轉(zhuǎn)速crn（ /minr ）可按下式計算： 機(jī)電一體化機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計課程設(shè)計計算說明書 - 10 - 22)(9910 2Ldfn ccr 式中： cf為臨界轉(zhuǎn)速系數(shù)，查文獻(xiàn) 1表 3-6，本設(shè)計中 73.4cf，1 則： m in/1 9 4 2 2)15.0(0 2 1 9.073.49 9 1 022 rncr m in/250max rnn cr 所以絲桿工作時不會發(fā)生共振。 3.11 剛度的驗算 (1) 估算絲杠軸向最大變形量 )4131(m重復(fù)定位精度 )5141(m定位精度 所以 1 0 . 0 1 0 . 0 0 33m mm 1 0 . 0 2 0 . 0 0 54m mm 取 1 0 . 0 1 0 . 0 0 33m mm 絲杠在工作載荷1F(N)和轉(zhuǎn)矩 T（ mN. ）作用下引起每個導(dǎo)程的變形量為： mmmEIMPES PFL mhh 003.05116.0221 式中： E 為絲杠切變模量，對于鋼 E=210aGP； M 為扭 矩， mNdFMm .924.3)t a n (2 0 ； 為摩擦升角， a r c t a n 0 . 1 7 o； I 為絲杠的極慣性矩， 機(jī)電一體化機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計課程設(shè)計計算說明書 - 11 - 41244 102257132 0219.014.332 2 mmdI a ； S 為絲杠截面積，2642 105.3764 0219.014.34 2 mmdS ； 絲杠在 300mm 內(nèi)的彈性變形所引起的導(dǎo)程誤差為： mmmmP LLh02.001918.03003 0 0 所以該絲杠的剛度滿足要求。 3.13 效率的校核 本設(shè)計取摩擦系數(shù)為 0.003，即： tan 0 .0 0 3 ，則 0.17 ； 滾珠絲桿副的傳動效率 K為： t a n t a n 4 . 3 0 . 9 6t a n t a n 4 . 3 0 . 1 7OK O K的要求在 90%以上，所以該絲桿副合格。 經(jīng)過上述校核驗證，所選型號規(guī)格的滾珠絲桿副的各項性能均能滿足設(shè)計要求。 3.14 滾珠絲桿副的潤滑 滾珠絲桿副一般需要用潤滑劑來提高耐磨性和傳動效率，潤滑的方法有脂潤滑和油潤滑兩種。通常，螺母在很長的絲桿上運行，而且是進(jìn)行回轉(zhuǎn)運動的，保持潤滑油是十分困難的；另外可能因為密封不好，有硬質(zhì)的灰塵回切屑等臟物落入螺紋滾道會防礙滾珠的運轉(zhuǎn)和磨損的，因此本設(shè)計采用脂潤滑，潤滑劑為鋰基油脂。 機(jī)電一體化機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計課程設(shè)計計算說明書 - 12 - 4.軸承的選擇計算 根據(jù)設(shè)計要求 滾珠絲桿副采用兩端固定支撐的安裝方式，而且要同時承受徑向載荷和軸向載荷，故根據(jù)文獻(xiàn) 8選用角接觸球軸承 7305B， 040 。采用反裝形式。 (1)求兩軸承受到的徑向載荷1rF和2rF 設(shè)左邊的軸承為軸承 1 1rF= 2rF=2F/2=2000/2=1000N (2)求兩軸承的計算軸向力1aF和2aF 查文獻(xiàn) 2表 13-5得，判斷系數(shù) e=0.68 故， NeFFFrdd 680100068.021 因為外加軸向力的存在，必須滿足平衡，則必有12a a aeF F F。 所以： NFFF aeda 666 8 06 0 0 011 NFFda 68022 (3)求 軸承的當(dāng)量動載荷 P 因為 ， eFFra 68.61000668011 eFFra 6.010 0068 011 由文獻(xiàn) 2表 13-5 分別進(jìn)行查表得徑向載荷系數(shù)和軸向載荷系數(shù)為， 機(jī)電一體化機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計課程設(shè)計計算說明書 - 13 - 對軸承 1 1X0.35， 1Y0.57 對軸承 2 2X1， 02 Y 因軸承運轉(zhuǎn)中可能會產(chǎn)生沖擊載荷，按文獻(xiàn) 2表 13-6查得2.10.1pf ，本設(shè)計中取 0.1pf 。則： NFYFXfP arp 4158)668057.0100035.0(0.1)( 11111 NFYFXfP arp 100010000.1)( 22222 (4)驗算軸承的壽命 因為1P2P，所以按軸承 1的受力情況進(jìn)行校驗。 611060hCLnP 其中當(dāng)軸承為球軸承時 =3，則有： hhL h 200002146841582850025060 10 6 故所選用的軸承滿足壽命要求。 第二章：步進(jìn)電機(jī)的選擇 1.脈沖當(dāng)量的選擇 初選三相步進(jìn)電動機(jī)的步距角為 0.75 /1.5 ；當(dāng)三相三拍運行時，步距角為 075.0 ，其每轉(zhuǎn)脈沖數(shù) : rps /480360 0 機(jī)電一體化機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計課程設(shè)計計算說明書 - 14 - 初選脈沖當(dāng)量（每輸入一個指令脈沖，步進(jìn)電動 機(jī)驅(qū)動工作臺的移動距離，單位 /mm p ）由于重復(fù)定位誤差為 0.01mm，故選電機(jī)的脈沖當(dāng)量為 0.01 ，由此可得中間齒輪的傳動比 i 為 7.14 8 001.0 8 spi h 選小齒輪的齒數(shù)1 20z ， 342 z，模數(shù) 2m 2等效轉(zhuǎn)矩的計算 (1）空載時等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩LFT: mNim g PTshLF .107.47.196.02 008.01020003.02 4 (2）車削加工時的負(fù)載轉(zhuǎn)矩LT mNi PFmgFTshL .6.47.196.02 008.0)2000200(003.060002 )( 21 3 系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動慣量的折算 (1）滾珠絲桿的轉(zhuǎn)動慣量sJ： mNLdJ s .1035.232 1085.7780.0)025.0(32 43440 其中，0d為公稱直徑，單位 m； L 絲桿的全長，單位 m； 為材料密度，約為 337 .8 5 1 0 /kg m (2）工作臺及滑塊的轉(zhuǎn)動慣量換算到電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動慣量wJ: 機(jī)電一體化機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計課程設(shè)計計算說明書 - 15 - 262222.1023.117.1 12 008.02012 mNipgWJ hw 其中， W 為工作臺和滑塊的總重量，單位 N； hP為絲桿的基本導(dǎo)程，單位 m； i 為齒 輪副的傳動比； (3） 大齒輪的轉(zhuǎn)動慣量 2442422 .1064.232 7850016.068.032 mNbdJ g 其中， 2d為大齒輪的分度圓直徑，單位是 m； 2b為大齒輪的齒寬，單位是 m； (4） 小齒輪的轉(zhuǎn)動慣量 2541411 .1027.432 785002.004.032 mNbdJ g 其中， 1d為小齒輪的分度圓直徑，單位是 m； 1b為大齒輪的齒寬，單位是 m； (5）因此折算到電機(jī)軸上的總轉(zhuǎn)動慣量是： 242 4365221 .1023.27.1 10101010 mNi JJJJJ sgwgL 4.步進(jìn)電動機(jī)的選擇 （ 1）縱向進(jìn)給運動的負(fù)載分析 1）現(xiàn)預(yù)選電機(jī)為 130BY001，其轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量為機(jī)電一體化機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計課程設(shè)計計算說明書 - 16 - 24 .106.4 cmkgJ m ，于是有： 2121241 kjnj jkimi ikeqnnJnmJ 式中采用最不利于機(jī)床啟動時的速度，這里選用快速進(jìn)給速度 kgmrvnnmv imk 20m i n ；/67.416360)(m i n ；/2 0 溜溜 電機(jī)（全部直線運動部件總質(zhì)量）； 1.245； 121 innnn zzmzr/min則有： 244522122.1034.21023.210167.1240041mNiJJJJnJszzmkmeq 2)絲桿摩擦阻力矩（smT）的計算 由于滾珠絲桿的傳動效率很高，其摩擦阻力矩相對于其他負(fù)載力矩小得多，故一般不考慮。 3）等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩 meqT 由文獻(xiàn) 4式（ 6-8）得 mNmNnvFFT mmeq .59.4.67.4162000)62000(1416.32 102 1 溜摩縱4）啟動慣性阻力矩（慣T）的計算 加（減）速時間為 t=4s 由于電機(jī)轉(zhuǎn)速為 16.4360/67.4162602 sn mm ，取加速曲線為等加速梯形曲線，故角加速度為： 24.1 4 546.43 st mm 則 mNJTmmeq .034.0 慣 5）電機(jī)輸出軸上的總負(fù)載轉(zhuǎn)矩 T 的計算 機(jī)電一體化機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計課程設(shè)計計算說明書 - 17 - mNTTT meq .62.4034.059.4 慣 （ 2）步進(jìn)電機(jī)的匹配選擇 當(dāng)機(jī)械傳動總效率 0.7 時 mNTT .6.67.0/62.4/, 適當(dāng)考慮安全系數(shù) K，一般安全系 數(shù) K可在 1.2 2之間選取。若取 K=1.5,則步進(jìn)電機(jī)可按以下總負(fù)載轉(zhuǎn)矩選?。?mNmNKTT .9.9.6.65.1 若選用上述預(yù)選的電機(jī) 130BF001，其最大靜轉(zhuǎn)矩 maxjT 9.31N.m。在三相六拍驅(qū)動兩相通電時，步距角為 075.0 。為保證帶負(fù)載能正常加速啟動和定位停止，電機(jī)的起動轉(zhuǎn)矩必須滿足 : TTq由文獻(xiàn) 4表 3-7 可知， 31.1/max jq TT則mNmNT q .9.9.196.1231.931.1 ，故選用合適。 綜上所述，所選步進(jìn)電機(jī)滿足要求，且有一定的裕量。 5.一級齒輪的設(shè)計計算 (1)本設(shè)計選用圓柱直齒輪。 本設(shè)計選用減速器主要是傳遞扭矩，因此速度并不是很高，故選用 7級精度就可以（ GB10095 88）。選擇小齒輪的材料為40Cr，進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，硬度為 280HBS；大齒輪的材料是 45 鋼，調(diào)質(zhì)處理，硬度為 240HBS，兩者的硬度差為 40HBS。 由滾珠絲桿副的計算得，小齒輪的齒數(shù) 1Z 20，大齒輪的齒數(shù) 2Z 34。取模數(shù) 2m 。 機(jī)電一體化機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計課程設(shè)計計算說明書 - 18 - （ 2）計算大小齒輪的分度圓直徑 11 2 2 0 4 0d m z m m mmmZd 6834222 （ 3）計算齒輪寬度 根據(jù)文獻(xiàn) 2表 10-7， 6.04.0d，這里取 0.4d 1 0 . 4 4 0 1 6db d m m ， 為滿足安裝要求和制造方便進(jìn)行人為圓 整后，取mmBmmB 15,20 21 。 第三章：控制系統(tǒng)的設(shè)計 1.控制器選型及存儲器擴(kuò)展分析： 系統(tǒng)采用 MCS8051 單片機(jī)作為微控制器。 8051 內(nèi)部集成了 4K 的片內(nèi)程序存儲器和 128 字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲器。由于本控制系統(tǒng)不是很復(fù)雜，其自帶的數(shù)據(jù)存儲器和程序存儲器的容量已經(jīng)夠使用，不需要在進(jìn)行片外擴(kuò)展了。 2.系統(tǒng)功能選擇實現(xiàn)： 系統(tǒng)通過五個按鍵實現(xiàn)功能的選擇： 1.S1 控制系統(tǒng)的啟動 /停止； 2.S2 控制系統(tǒng)的工進(jìn) 前進(jìn) 3.S3 控制系統(tǒng)的工進(jìn) 后退 4.S4 控制系統(tǒng)的快進(jìn) 前進(jìn) 機(jī)電一體化機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計課程設(shè)計計算說明書 - 19 - 5.S5 控制系統(tǒng)的快進(jìn) 后退 3.系統(tǒng)狀態(tài)顯示： 1.系統(tǒng)采用開環(huán)控制，用三個 LED 顯示工作臺的行程位移（也可以修改程序來顯示轉(zhuǎn)速）； 2.LED 采用動態(tài)掃描顯示法，用 P0 口為其提供段選碼，P1.0-P1.2 作為三個 LED 顯示器的位控口； 4.系統(tǒng)端口分配方式： 1.P0 口為三個 LED 顯示器提供段選碼輸出； 2.P1.0-P1.2 作為三個 LED 顯示器的位控口； 3.P1.3-P1.7 作為五個按鍵的輸入端； 4.P2.0-P2.0 用于輸出控制三相步進(jìn)電機(jī)的控制脈沖信 號； 5.P2.3 用于控制繼電器以控制電機(jī)的驅(qū)動電源，實現(xiàn)對電機(jī)的啟停控制； 6.P3.2 用于響應(yīng)鍵盤按下的外部中斷輸入端。 5.軟件編程算法實現(xiàn)： 1.功能模塊描述：微型控制器 8051 主要完成如下工作： （ 1） .數(shù)碼管的動態(tài)顯示； （ 2） .適時檢測鍵盤狀態(tài)； （ 3） .通過 P2.0-P2.2 準(zhǔn)確地發(fā)出一定序列的脈沖信號。 2.功能實現(xiàn)算法： （ 1） .只有功能 2 對系統(tǒng)響應(yīng)速度才是最嚴(yán)格的，所以，機(jī)電一體化機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計課程設(shè)計計算說明書 - 20 - 擬采用定時器中斷控制方式進(jìn)行控制，并將其優(yōu)先級設(shè)為最高級別； （ 2） .其次，鍵盤狀態(tài)的識別通過外部中斷 0 進(jìn)行 控制，當(dāng)有任一鍵按下時，激發(fā)外部中斷，使 CPU 響應(yīng)鍵盤消息； （ 3） .最后，在 CPU 空閑時，系統(tǒng)就循環(huán)執(zhí)行 LED 顯示子程序，實現(xiàn)顯示功能。 3.五路按鍵的中斷響應(yīng)問題的解決：算法實現(xiàn)如下 （ 1） .將五路外部鍵盤的狀態(tài)通過一與門輸出到外部中斷 0。如附圖中的原理圖所示： 5 路按鍵平時通過上拉電阻拉為高電平，通過與門之后仍為高電平，外部中斷無響應(yīng)。當(dāng)有任一鍵按下時， 5條路線的狀態(tài)不全為高電平，經(jīng)過與操作后，與門輸出為 0，觸發(fā)外部中斷響應(yīng)，執(zhí)行外部中斷服務(wù)程序； （ 2） .在外部中斷服務(wù)程序中，使程序先掃描查詢 5 路按鍵的狀態(tài)，獲得具體哪一路按鍵被按下。在這一過程中可以很方便的實現(xiàn)通常鍵盤程序中所使用的消抖動處理，提高鍵盤響應(yīng)的準(zhǔn)確性； （ 3） .查詢獲得具體哪一路鍵盤被按下后立即跳轉(zhuǎn)執(zhí)行響應(yīng)按鍵所對應(yīng)的功能子程序，執(zhí)行完了子程序后，在功能子程序中結(jié)束中斷服務(wù)程序。 CPU 繼續(xù)響應(yīng)其他動作。 經(jīng)過上面的操作，即可實現(xiàn)由一個中斷口響應(yīng)多路外部中斷事件，使用這一算法， CPU 可以最多實現(xiàn)一個中斷口響應(yīng) 256 路外部事件的中斷響應(yīng)。 第四章：程序執(zhí)行流程 單片機(jī)得電工作后，并不會立刻驅(qū)動電機(jī)工作。而是首先進(jìn)機(jī)電一體化機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計課程設(shè)計計算說明書 - 21 - 行一系列的初始化工作 ，如中斷狀態(tài)設(shè)置，開啟，定時器設(shè)置，定時器中斷開啟等操作。之后進(jìn)入 LED 循環(huán)掃描顯示狀態(tài)，當(dāng)然，這時顯示數(shù)字初始化為 000。并等待鍵盤輸入命令。當(dāng)鍵盤的開啟按鍵按下時，系統(tǒng)進(jìn)入電機(jī)啟動子程序。并標(biāo)記當(dāng)前為已啟動狀態(tài)，供后續(xù)程序查詢使用。電動機(jī)驅(qū)動后應(yīng)使定時器啟動，定時器定時滿時，執(zhí)行定時中斷服務(wù)程序，輸出一個脈沖。 當(dāng)按鍵 2-5 按下時，在響應(yīng)的外部中斷服務(wù)程序中設(shè)置響應(yīng)的定時器定時數(shù)值，以使 CPU 能根據(jù)定時器定時間隔輸出脈沖，以達(dá)到變速的功能。另外在按鍵 2-5 中還應(yīng)設(shè)置響應(yīng)的控制時序的表首地址，以達(dá)到正反轉(zhuǎn) 運動功能的實現(xiàn)。 最后，要使 LED 顯示系統(tǒng)速度，則應(yīng)在鍵盤 2-5 的中斷服務(wù)程序中設(shè)置顯示數(shù)。當(dāng) CPU 空閑時，則用于循環(huán)掃描顯示。 第五章：控制流程圖 機(jī)電一體化機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計課程設(shè)計計算說明書 - 22 - 主程序流程圖 主程序 初始化 開中斷 讀要顯示的數(shù)據(jù)的首地址 查表讀響應(yīng)段碼 查表讀相應(yīng)位碼 判斷是否顯示完數(shù)據(jù)區(qū)數(shù)據(jù) 數(shù)據(jù)顯示計數(shù)器加 1 數(shù)據(jù)地址加 1 是 否 鍵盤外部中斷 0 中斷入口 機(jī)電一體化機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計課程設(shè)計計算說明書 - 23 - 鍵盤按鍵中斷服務(wù)流程圖 P1.3=0？ P1.4=0？ P1.5=0？ P1.6=0？ P1.7=0？ 中斷處理程序 結(jié)束返回 P1.3 服務(wù)程序 P1.4 服務(wù)程序 P1.5 服務(wù)程序 P1.6 服務(wù)程序 P1.7 服務(wù)程序 Y Y Y Y Y N N N N N 定時器中斷入口 機(jī)電一體化機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計課程設(shè)計計算說明書 - 24 - 定時器中斷服務(wù)程序 第六章：機(jī)械進(jìn)給系統(tǒng)的建模與仿真 1.建立的要求 利用機(jī)械動力學(xué)理論，通過對數(shù)控機(jī)械進(jìn)給系統(tǒng)的電機(jī)、軸系及進(jìn)給工作 臺的等效計算，構(gòu)建了數(shù)控機(jī)械進(jìn)給系統(tǒng)的仿真模型，利用 Matlab 對系統(tǒng)的動態(tài)特性進(jìn)行仿真，獲得了反映系統(tǒng)性能的讀當(dāng)前控制碼地址 DRE 讀取控制時序碼 輸出控制時序碼 （通過位操作） 當(dāng)前地址 DRE=TAB+2？ DRE=TAB 返回 Y N 機(jī)電一體化機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計課程設(shè)計計算說明書 - 25 - 仿真曲線，仿真結(jié)果證明了系統(tǒng)模型的有效性。 2.機(jī)械進(jìn)給系統(tǒng)模型建立 為了建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，常把機(jī)械系統(tǒng)中各基本物理量折算到電機(jī)軸上，使復(fù)雜的多軸傳動關(guān)系轉(zhuǎn)化成單一軸運動。 （ 1） 各基本物理量等效折算 1） 轉(zhuǎn)動慣量折算 利用動能守恒定律，把各轉(zhuǎn)動軸上及工作臺的轉(zhuǎn)動慣量等效到電機(jī)軸。 23222122121 104 2 7 5 2.2)2()()( mKgLzzmzzJJJ 式中： L-絲杠導(dǎo)程 2） 粘性阻尼系數(shù)折算 工作臺均速轉(zhuǎn)動時，與電機(jī)連接的軸的驅(qū)動轉(zhuǎn) 矩 2T 完全用來克服粘滯阻尼力、流體阻力以及負(fù)載阻力等的消耗。若只計工作臺導(dǎo)軌的粘性阻尼系數(shù) C，根據(jù)工作臺與絲杠之間的功平衡關(guān)系折算出粘性阻尼系數(shù) /C 。 CLzzC 2212/ )2()( 式中： /C -工作臺導(dǎo)軌折算到電機(jī)軸上的粘性阻尼系數(shù)。 代入得： /C =9.128Nm/(rad/s) 3） 軸向剛度折算 絲杠與工作臺之間的軸向彈性變形 使與電機(jī)連接的軸產(chǎn)生一個附加扭轉(zhuǎn)角，折算到電機(jī)軸的總扭轉(zhuǎn)剛度為： /212221211)(1)(11KzzKzzKK 機(jī)電一體化機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計課程設(shè)計計算說明書 - 26 - 式中：K-折算到電機(jī)軸上的總扭轉(zhuǎn)剛度 /K -附加扭轉(zhuǎn)剛度系數(shù)； /K = 2)2( LK 代入公式得：K=137.87Nm/rad （ 2