機(jī)電傳動(dòng)單向控制平臺(tái)設(shè)計(jì)zx.

1、目錄1前言？22設(shè)計(jì)任務(wù)和意義？ ？23總體方案設(shè)計(jì)及選型確定？ ？34. 機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)？ ？34.1機(jī)電傳動(dòng)裝置的組成及原理？ ？44.2主要部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算？ ？54.2.1滾動(dòng)導(dǎo)軌的計(jì)算？ ？54.2.2螺旋絲杠初選？ ?64.2.3直流伺服電機(jī)的選型？ ?104.2.4聯(lián)軸器和鍵的選用？ ?125. 電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)？ ?135.1控制系統(tǒng)的的基本組成？ ?135.2電器元件的選型計(jì)算？ ?135.2.1控制芯片選擇？ ?135.2.2電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片選擇？ ?135.2.3旋轉(zhuǎn)式編碼器選擇？ ?145.2.4顯示器選擇？ ?155.3電氣控制電路的設(shè)計(jì)？ ?155.3.1晶振電路設(shè)

2、計(jì)？ ?155.3.2復(fù)位電路?？155.3.3顯示電路和鍵盤(pán)電路？ ？165.3.4直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)？ ?165.4控制程序的計(jì)算及說(shuō)明？ ?165.4.1程序流程圖？165.4.2 PWM直流調(diào)速原理？175.4.3匯編語(yǔ)言設(shè)計(jì)？ ?186. 整體方案確定？ ?217. 設(shè)計(jì)心得總結(jié)？ ?228. 參考書(shū)目?2328【一前言】當(dāng)今科技不斷發(fā)展，伴隨著微電子技術(shù)向機(jī)械行業(yè)滲透，特別是精密機(jī)械技 術(shù)、電子技術(shù)和信息技術(shù)的相互融合， 導(dǎo)致了工程領(lǐng)域的技術(shù)革命與改造。 機(jī)電 一體化的形勢(shì)下，數(shù)控技術(shù)及裝備作為工業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的基礎(chǔ)設(shè)備， 其技術(shù)革新影 響著整個(gè)高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)和尖端工業(yè)的發(fā)展。課程設(shè)計(jì)

3、任務(wù)為單向數(shù)控工作臺(tái)，主 要包括機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)兩部分，整個(gè)裝置由導(dǎo)軌座、移動(dòng)滑塊、工作絲杠螺母副以及伺服電動(dòng)機(jī)等部件構(gòu)成，以絲杠傳動(dòng)為主傳動(dòng)，以數(shù)控裝置為控制核心，用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制，閉環(huán)系統(tǒng)為反饋環(huán)節(jié)，基本原理概括 為直流伺服電動(dòng)機(jī)做執(zhí)行元件來(lái)驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠， 絲杠驅(qū)動(dòng)螺母帶動(dòng)滑塊和工作平 臺(tái)在導(dǎo)軌上運(yùn)動(dòng)，來(lái)完成單方向速度可控的簡(jiǎn)單直線移動(dòng)。 通過(guò)翻閱設(shè)計(jì)手冊(cè)及 相關(guān)公式進(jìn)行選型計(jì)算校核，完成整套設(shè)備的最終裝配，得出相應(yīng)的裝配圖和電 控系統(tǒng)圖，最終達(dá)到理論設(shè)計(jì)上要求。但在實(shí)際生產(chǎn)中，仍然會(huì)有相關(guān)問(wèn)題有待 改進(jìn)，對(duì)于課堂上的理論設(shè)計(jì)與學(xué)習(xí)，有待我們?cè)诮窈蟮膶W(xué)習(xí)工作中結(jié)合親身實(shí)

4、 踐進(jìn)一步的檢測(cè)。【二設(shè)計(jì)任務(wù)和意義】【設(shè)計(jì)任務(wù)】設(shè)計(jì)題目：機(jī)電傳動(dòng)單向數(shù)控平臺(tái)設(shè)計(jì)任務(wù)分配：機(jī)電傳動(dòng)控制平臺(tái)的設(shè)計(jì)有多個(gè)組成部分，通過(guò)不同的電機(jī)驅(qū) 動(dòng)，機(jī)械傳動(dòng)，電氣控制，功能控制可以實(shí)現(xiàn)不同方案的選型設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)過(guò)程要 求本小組同學(xué)選擇不同的設(shè)計(jì)方案和參數(shù)獨(dú)立完成單自由度的平臺(tái)設(shè)計(jì)，主要的設(shè)計(jì)形式：(1) 電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式：步進(jìn)電機(jī)、直流伺服電機(jī)、交流伺服電機(jī)；(2) 機(jī)械傳動(dòng)方式：螺旋絲杠、滾珠絲杠、同步皮帶、鏈傳動(dòng)等；(3) 電氣控制方式：?jiǎn)纹C(jī)控制、PLC控制；(4) 功能控制要求：速度控制、位置控制；(5) 主要設(shè)計(jì)參數(shù)： 單向工作行程 1800、1500、1200 mm移動(dòng)負(fù)載質(zhì)量

5、100、50 kg；負(fù)載移動(dòng)阻力 100、50 N;移動(dòng)速度控制 3、6 m/min.【設(shè)計(jì)意義】通過(guò)機(jī)電傳動(dòng)單向數(shù)控平臺(tái)設(shè)計(jì)，可以使我們對(duì)數(shù)控裝置的基本組成及工 作原理細(xì)節(jié)上有了更深刻的認(rèn)識(shí)，對(duì)運(yùn)作模式及工作原理也有了更深層次的研 究。通過(guò)這次課程設(shè)計(jì)可以培養(yǎng)我們綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)的技能、 提高分析和解決 實(shí)際問(wèn)題能力，課程設(shè)計(jì)結(jié)合于專業(yè)方向課，結(jié)合我們所學(xué)專業(yè)課程進(jìn)行工程基 本訓(xùn)練，在獨(dú)立進(jìn)行機(jī)電控制系統(tǒng)（產(chǎn)品）初步設(shè)計(jì)工作過(guò)程中，進(jìn)一步鞏固和擴(kuò) 大了知識(shí)領(lǐng)域。整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程中，尤其可以鍛煉的是我們搜集、閱讀和綜合分析 參考資料，以及運(yùn)用各種標(biāo)準(zhǔn)和工具書(shū)籍和編寫(xiě)技術(shù)文件的能力，另外也進(jìn)一步提高

6、了計(jì)算、繪圖等基本技能，掌握了機(jī)電產(chǎn)品設(shè)計(jì)的一般程序和方法， 也是對(duì) 我們作為未來(lái)工程師的基本素質(zhì)訓(xùn)練?！救傮w方案設(shè)計(jì)及選型】【總體方案設(shè)計(jì)】結(jié)合傳動(dòng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)原理，設(shè)計(jì)傳動(dòng)方案原理圖如下:V臺(tái)工作除理圖總體方案確定，系統(tǒng)工作方式及參數(shù)如下：電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式：直流伺服電機(jī) 機(jī)械傳動(dòng)方式：滾珠絲杠電氣控制方式：?jiǎn)纹瑱C(jī)控制 功能控制要求：速度控制主要設(shè)計(jì)參數(shù)：?jiǎn)蜗蜃畲蠊ぷ餍谐?1800mm ;工作臺(tái)重量-100kg移動(dòng)負(fù)載質(zhì)量-100kg；負(fù)載移動(dòng)阻力-100N ；移動(dòng)速度控制3 m/min由現(xiàn)代機(jī)電一體化手冊(cè) 2.9-1初選直線運(yùn)動(dòng)滾動(dòng)導(dǎo)軌副；工作臺(tái)滑動(dòng)摩擦系數(shù)亠-0.15 ;絲杠材料初選鋼材為42

7、CrM。，其HRC為58-60,絲杠兩端為固定支撐（E-F）,每個(gè)支座安裝兩個(gè)15的角接觸球軸承，面對(duì)面安裝，進(jìn)行預(yù)拉 伸?！具x型及方案對(duì)比】（1）針對(duì)機(jī)電傳動(dòng)單向數(shù)控平臺(tái)設(shè)計(jì)的速度位置控制 ，選用伺服系統(tǒng)控制， 伺服系統(tǒng)控制能夠跟蹤輸入指令信號(hào)進(jìn)行動(dòng)作，從而獲得精確地位置、速度或力 矩輸出；（2）平臺(tái)設(shè)計(jì)采用直流伺服電機(jī)閉環(huán)控制，直流伺服電機(jī)主要靠脈沖來(lái)定位， 伺服電機(jī)接收到1個(gè)脈沖，就會(huì)旋轉(zhuǎn)1個(gè)脈沖對(duì)應(yīng)的角度，從而實(shí)現(xiàn)位移，因?yàn)椋?伺服電機(jī)本身具備發(fā)出脈沖的功能，所以伺服電機(jī)每旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度，都會(huì)發(fā)出對(duì) 應(yīng)數(shù)量的脈沖，這樣，和伺服電機(jī)接受的脈沖形成了呼應(yīng)，或者叫閉環(huán)，如此一來(lái)，系統(tǒng)就會(huì)知道發(fā)

8、了多少脈沖給伺服電機(jī)，同時(shí)又收了多少脈沖回來(lái)，這樣， 就能夠很精確的控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)精確的定位。其缺點(diǎn)是轉(zhuǎn)子上安裝了 具有機(jī)動(dòng)性質(zhì)的電刷換向器，需要定期維修和更換電刷，使用壽命短、噪聲大， 電機(jī)功率不能太大等；步進(jìn)電機(jī)是開(kāi)環(huán)控制，沒(méi)輸入一個(gè)脈沖，轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)角度， 精度較低，有時(shí)會(huì)發(fā)生丟步現(xiàn)象。啟動(dòng)較慢，不具備過(guò)載能力。（3） 平臺(tái)設(shè)計(jì)選用滾珠絲杠傳動(dòng)是一種新型的螺旋傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，螺紋間的摩擦 為滾動(dòng)摩擦，絲杠和螺母之間裝有中間傳動(dòng)原件滾珠，隨著機(jī)電一體化的發(fā)展， 廣泛應(yīng)用于各種精度的數(shù)控機(jī)床和加工中心。與帶傳動(dòng)和鏈傳動(dòng)相比較有以下特 性傳動(dòng)效率高，可達(dá) 80 95%傳動(dòng)平穩(wěn)性、同步性好；經(jīng)過(guò)

9、預(yù)緊后，可消除軸向間隙，提高傳動(dòng)精度；磨損小，壽命長(zhǎng)；不自鎖，在垂直升降中 要采用防逆措施；結(jié)構(gòu)復(fù)雜制造困難，成本高。滾珠絲杠是將回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為 直線運(yùn)動(dòng)，或?qū)⒅本€運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的理想的產(chǎn)品。兼具高精度、可逆性和高效率的特點(diǎn)：與滑動(dòng)絲杠副相比驅(qū)動(dòng)力矩為 1/3 :高精度的保證： 微進(jìn)給可能，啟動(dòng)力矩極小，不會(huì)出現(xiàn)滑動(dòng)運(yùn)動(dòng)那樣的爬行現(xiàn)象，能保證實(shí)現(xiàn)精確 的微進(jìn)給；無(wú)側(cè)隙、剛性高；高速進(jìn)給可能。（4）單片機(jī)是一種可編程的集成芯片，系統(tǒng)設(shè)計(jì)要從底層開(kāi)發(fā)，設(shè)計(jì)較繁瑣。 應(yīng)用系統(tǒng)廣泛，開(kāi)發(fā)成本低，開(kāi)發(fā)周期短，可靠性高。PLC （可編程邏輯控制器）實(shí)質(zhì)是一種專用于工業(yè)控制的計(jì)算機(jī)，是單片機(jī)的特 例，采

10、用模塊化設(shè)計(jì)，使用方便，編程簡(jiǎn)單，可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)，本設(shè)計(jì)中米用單片機(jī)控制。（5）采用PW碉速，PWM換器調(diào)壓與晶閘管相控調(diào)壓相比有許多優(yōu)點(diǎn)，如需 要的濾波裝置很小甚至只利用電樞電感已經(jīng)足夠，不需要外加濾波裝置；電動(dòng)機(jī)的損耗和發(fā)熱較小、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、開(kāi)關(guān)頻率高、控制線路簡(jiǎn)單等。采用以上方案可以很好地滿足機(jī)電傳動(dòng)單向數(shù)控平臺(tái)設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)要求，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確、平穩(wěn)、可靠地控制?！舅臋C(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)】【4.1機(jī)械傳動(dòng)裝置的組成及原理】滾珠絲杠的結(jié)構(gòu)組成：滾珠絲杠副的結(jié)構(gòu)傳統(tǒng)分為內(nèi)循環(huán)結(jié)構(gòu)（以圓形反向器和橢圓形反向器為代表）和外循環(huán)結(jié)構(gòu)（以插管為代表）兩種。這兩種結(jié)構(gòu)也 是最常用的結(jié)構(gòu)。這兩種結(jié)構(gòu)性能沒(méi)有本

11、質(zhì)區(qū)別，只是內(nèi)循環(huán)結(jié)構(gòu)安裝連接尺寸 ??；外循環(huán)結(jié)構(gòu)安裝連接尺寸大。目前，滾珠絲杠副的結(jié)構(gòu)已有10多種，但比較常用的主要有：內(nèi)循環(huán)結(jié)構(gòu)；外循環(huán)結(jié)構(gòu)；端蓋結(jié)構(gòu)；蓋板結(jié)構(gòu)。 原理：設(shè)計(jì)平臺(tái)采用滾珠絲杠是將回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動(dòng)，或?qū)⒅本€運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的理想的產(chǎn)品。 滾珠絲杠由螺桿、螺母和滾珠組成。它的功 能是將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化成直線運(yùn)動(dòng)， 這是滾珠螺絲的進(jìn)一步延伸和發(fā)展， 這項(xiàng)發(fā)展 的重要意義就是將軸承從滾動(dòng)動(dòng)作變成滑動(dòng)動(dòng)作。 采用內(nèi)循環(huán)式【4.2主要部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算】4.2.1滾動(dòng)導(dǎo)軌的計(jì)算導(dǎo)軌要求主要包括：導(dǎo)向精度；耐磨性；剛度；工藝性。計(jì)算及說(shuō)明結(jié)果（1）已知條件：Ls 1.8m單向行程長(zhǎng)度

12、：Is 1800m侍1.8mm1 = 100kg移動(dòng)速度：3m/min移動(dòng)負(fù)載質(zhì)量：100kgm2 = 100kg假定設(shè)計(jì)平臺(tái)壽命要求：每天開(kāi)機(jī)8h，一年按300個(gè)工v=3m/min作日，壽命5年以上；設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)：兩根導(dǎo)軌，四個(gè)滑座，工作臺(tái)總質(zhì)量100kgFt =2000N（2）計(jì)算動(dòng)載何：F0 = 500N作用在滑塊上的力（ m1 +m ） g = 2000N則單個(gè)滑座受力 冋=旦=500N4Th =12000h(3) 額定工作時(shí)間壽命 丁產(chǎn)8漢300漢5 = 1200訪(4) 額定行程長(zhǎng)度壽命Ts-弐4n - V1102lsn =T:0.83次/mins = 2151.36h設(shè)計(jì)平臺(tái)上共有四

13、個(gè)滑塊，兩個(gè)導(dǎo)軌，T 良(f tff rf t C盤(pán))K=50Sf. FfH=1由現(xiàn)代K為壽命系數(shù)取K=50，fH為硬度系數(shù)取fH=1, fT為溫度系數(shù)取fT=1,fc為接觸系數(shù)取fc=0.81，fw負(fù)載系數(shù)取 f w=1.5,則有額疋動(dòng)載何：fT=1 F 打 f wfC=0.81C fHfTfc(5)選擇導(dǎo)軌副：fw=1.5查手冊(cè)選南京軸承有限公司 GGC12BA空載型滾動(dòng)直線導(dǎo) 軌副。Ca=3244.57N422螺旋絲杠初選絲杠螺母機(jī)構(gòu)又稱螺旋傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，它主要用來(lái)將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變換為直線運(yùn)動(dòng)或?qū)⒅本€運(yùn)動(dòng)變換為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。滾珠絲杠的尺寸參數(shù)如下圖：絲杠大徑絲杠小徑螺母小徑螺母大徑滾珠鋒杠的組倉(cāng)和丄

14、要尺J計(jì)算及說(shuō)明結(jié)果(1)螺旋傳動(dòng)類型和種類：1 = 100kg2 = 100kg 螺旋傳動(dòng)類型：滾動(dòng)螺旋傳動(dòng)滾動(dòng)螺旋副接觸形式：內(nèi)循環(huán) 初始條件：由機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)(新編軟件版)2008精密螺桿：材料42CrMo熱處理：高、中頻加熱，表面淬火螺母材料：ZCuS n10Z n2 熱處理：滲氮，淬火 返回器材料：60Mn熱處理：高、中頻加熱，表面淬火(2) 導(dǎo)軌摩擦力F嚴(yán)戸(叫+叫匹mi為工作臺(tái)質(zhì)量,(3)初選絲杠的導(dǎo)程m為移動(dòng)載荷質(zhì)量vmaxh *n maxn= v 1000由現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)表22-4-17，在公稱直徑一定的 條件下，可選Ph * 5mm軸向載荷Fxmax =KFxG)= FmK

15、=1.1負(fù)載系數(shù)Fx 負(fù)載移動(dòng)阻力FX maxFmFm為等效軸向載荷(5)計(jì)算動(dòng)載荷CakhFmCa1/3Kh33.3 1/3Kn =()nKh 壽命系數(shù)工作壽命壇綜合系數(shù)Kn 轉(zhuǎn)速系數(shù)Fn :PFKKCu = 300N 600r/min h =5mmm = 410NLh=15000hh=3.11f 二=0.408n= 0.38a / = 8224.33N機(jī)電一體化手冊(cè)2-8-25得Lh，由2.8-58-2.8-62系數(shù) fa = 1ft = 1fa = 1fk= 0.53fw =1.3(6)初選滾珠絲杠查現(xiàn)代設(shè)計(jì)手冊(cè)表22-4-26，初選南京工藝裝配制造有 限公司FFZD250 3,內(nèi)循環(huán)浮

16、動(dòng)返回器雙螺母墊片預(yù)緊滾 珠絲杠副，額定動(dòng)載荷C a Ca1預(yù)緊力 Fo = 0.25C a =25501 Fmax =136.67N 滿足條件3(7)絲杠的螺紋部分長(zhǎng)度lu二工作臺(tái)的最大行程+螺母長(zhǎng)度+兩端余程Ca=10.2KNF0maxlu 二 1990mm=1800 + 150 + 40 = 1990mm(8)支承距離l支承距離I大于lu(9)臨界轉(zhuǎn)速校核nc29900 f2d2L1Lc =15021800 402300-20302由機(jī)電一體化表2.8-66 , f2 = 4.73 ,d0 =25mm,Dw = 3.5mm(10)壓桿穩(wěn)定校核兩端為固定支撐，絲杠不受壓縮，因而不需校核穩(wěn)定

17、性(11)預(yù)拉伸計(jì)算I = 2150mmd 2 = 0.0208mn c =1096.3r/minL c = 2.05mFt = 300.5N 溫升引起的伸長(zhǎng)里 靳=aAtlu 絲杠全長(zhǎng)伸長(zhǎng)量 $tz= 11燈0( ： - Fmax滿足條件3疲勞壽命計(jì)算額定動(dòng)載荷由軸承負(fù)載計(jì)算公式校核：C=咗Fkn由表2.8-64，滿足校核條件(13) 定位精度校核，取阻力F=Fm 最大彈性位移：Qmax = 旦 064AE 絲杠與螺母接觸變形：6=旦Kc 軸承接觸變形：5b=Kb1 -25卩丄K B =236 匯.|Z sin a Dw F。3 總變形：d =仏 + 2 + %(14) 傳動(dòng)效率d = 20

18、 mm，D = 47mmB =14mmZ = 15，Dw=5.953 ,Ca=10800N ，F(xiàn)0=2300NFmax=505.5NC = 2459.4 v CaQmax= 1.11 卩 m6c= 0.35 卩 m= 1.52 卩 mKB = 270.2Nd = 2.97 卩 m丸=3.64 n = 91 %n -tan 丸=91 %tan （丸 +*）九=arctan Ph舛=22兀d。n要求在90%95沱間，所以該絲杠副合格綜上，設(shè)計(jì)結(jié)果：選用絲杠副FFZD2505-3,軸承型號(hào)7203C, d= 17mmD=40mm , B=12mm423直流伺服電機(jī)的選型直流伺服電機(jī)具有響應(yīng)迅速、精度

19、和效率高、高速范圍寬、負(fù)載能力大、控 制特性優(yōu)良等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用在閉環(huán)或半閉環(huán)控制的伺服系統(tǒng)中，結(jié)合現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)表25-2-3進(jìn)行選型。計(jì)算及說(shuō)明結(jié)果（1）等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 滾珠絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（滾珠絲杠材料為鐵）j -諷!.J32 工作臺(tái)等效到電機(jī)輸出軸上2兀聯(lián)軸器的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量根據(jù)滾珠螺桿和電動(dòng)機(jī)輸出軸的直徑，選擇 YLD1聯(lián)軸 器，其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為Ji等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩計(jì)算選擇傳動(dòng)比為i =1J s = 5.98 OOkg.m2J w = 1.27 x10ukg.m2J l = 1.8 心0kg.m2T l = 0.36N ? mJ t = 9.05 Okg.m2負(fù)載轉(zhuǎn)矩 Tl =丑Fm 負(fù)載總的合力2

20、兀W計(jì)算等效到電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量(2) 初選電動(dòng)機(jī)型號(hào)T i = 0.36N? M J t = 9.0510%.m2由現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)表25-2-53，電機(jī)型號(hào)110SZ55最大轉(zhuǎn)矩TMax,，轉(zhuǎn)速no,功率P。，電壓：24V(3) 電動(dòng)機(jī)外形尺寸：總長(zhǎng)232mn，外徑110mm軸徑10mm(4) 動(dòng)作模式的決定工作平臺(tái)移動(dòng)速度v=50mm/s 工作行程l=1800mmT Max = 0.98N ? Mn o = 3000r/minP 0 = 308WF=410N(5) 轉(zhuǎn)矩計(jì)算穩(wěn)定運(yùn)行轉(zhuǎn)矩，加速轉(zhuǎn)矩TaT - 2( J t J m ) na60t60nTL =106 f m載荷系數(shù)，取1.1必

21、要的瞬時(shí)最大轉(zhuǎn)矩T|T仁T1+Ta T2=T 1 T3=T1-Ta(6) 編碼器分辨率RTa=0.28N Mt = t a =0.2sT=12000hT1= 0.64NMT2= 0.36NMT3= 0.08NMR=500 P/R行程時(shí)間ts = 35.8s加減速時(shí)間ta =0.2sw PiR =Ap即所選編碼器分辨率必須大于 R4.2.4聯(lián)軸器和鍵的選用聯(lián)軸器和鍵用于滾珠絲杠與直流伺服電機(jī)輸出軸的連接計(jì)算及說(shuō)明結(jié)果（1）聯(lián)軸器的選用根據(jù)直流伺服電動(dòng)機(jī)輸出軸的直徑和滾珠絲杠的直徑， 由機(jī)械設(shè)計(jì)手表14-5，可選用YLD1式凸緣聯(lián)軸器相關(guān)參數(shù)：公稱轉(zhuǎn)矩Tn，許用轉(zhuǎn)速np軸孔直徑d軸孔長(zhǎng)度Io 螺栓

22、數(shù)量3個(gè)，采用M6螺栓 Y型Lo轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jl（2）鍵的選用選A型普通平鍵，d=10mm查表 GB/T1095-2003選鍵：b=4mm,h=4mm,L=20mm鍵的強(qiáng)度較合，驗(yàn)算其擠壓強(qiáng)度，查表得其許用壓應(yīng)力竹：口=丑窟竹T1=Fdta n（ &+忖/2dhl鍵的工作長(zhǎng)度心S貝u蘭B】=100-200MPA 符合要求；鏈接聯(lián)軸器和滾珠絲桿上的鍵與鏈接電機(jī)輸出軸與 聯(lián)軸器的鍵采用相同的鍵，對(duì)于同樣的負(fù)載轉(zhuǎn)矩同樣能夠 達(dá)到設(shè)計(jì)要求，但受電機(jī)輸出軸長(zhǎng)度的限制選取輸出軸鍵 長(zhǎng) l=14mmTn = 10N M n p = 13000r/min d = 10 mmJL =180*NLm2L 0 = 54

23、 mmL- b = 16mmT 1 = 28.7N mm2 =0.179N/mm【五電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)】5.1控制系統(tǒng)的的基本組成控制系統(tǒng)的核心為反饋調(diào)節(jié)，反饋裝置是閉環(huán)(半閉環(huán))數(shù)控機(jī)床的檢測(cè) 環(huán)節(jié)，該裝置可以包括在伺服系統(tǒng)中由檢測(cè)元件和相應(yīng)的電路組成，其作用是檢測(cè)數(shù)控機(jī)床坐標(biāo)軸的實(shí)際移動(dòng)速度和位移，并將信息反饋到數(shù)控裝置或伺服驅(qū)動(dòng) 中，構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)。5.2電器元件的選型計(jì)算5.2.1控制芯片選擇結(jié)合單片機(jī)原理及接口技術(shù)，AT89C51簡(jiǎn)介：89C51是一種帶4K字節(jié)閃 爍可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器(FPEROFalsh Programmable and Erasable Read Only

24、Memory)的低電壓、高性能CMOS位微處理器，俗稱單片機(jī)。單片機(jī)的可 擦除只讀存儲(chǔ)器可以反復(fù)擦除100次。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲(chǔ)器制 造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的 MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能 8 位CPU和閃爍存儲(chǔ)器組合在單個(gè)芯片中，ATME的 89C51是一種高效微控制器，89C2051是它的一種精簡(jiǎn)版本。89C單片機(jī)為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈 活性高且價(jià)廉的方案，各管腳功能參見(jiàn)參考書(shū)。5.2.2電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片選擇直流伺服電機(jī)必須在驅(qū)動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)作用下才能完成相應(yīng)的執(zhí)行功能，L298N是ST公司生產(chǎn)的一種高電壓、大電流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片。該芯片采用15腳封裝。

25、主要特點(diǎn)是：工作電壓高，3-46V，輸出電流大，瞬間峰值電流可達(dá)3A，持續(xù) 工作電流為2A；額定功率25W內(nèi)含兩個(gè)H橋的高電壓大電流全橋式驅(qū)動(dòng)器， 可以用來(lái)驅(qū)動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、 繼電器線圈等感性負(fù)載；采用標(biāo)準(zhǔn)邏輯 電平信號(hào)控制，與單片機(jī)管腳直接連接；具有兩個(gè)使能控制端，在不受輸入信號(hào) 影響的情況下允許或禁止器件工作， 有一個(gè)邏輯電源輸入端，使內(nèi)部邏輯電路部 分在低電壓下工作；可以外接檢測(cè)電阻，將變化量反饋給控制電路。使用L298N芯片驅(qū)動(dòng)電機(jī)，該芯片可以驅(qū)動(dòng)一臺(tái)兩相步進(jìn)電機(jī)或四相步進(jìn)電機(jī)，也可以驅(qū)動(dòng) 兩臺(tái)直流電機(jī)。VS位電機(jī)驅(qū)動(dòng)電源，VSS為邏輯控制電源。下圖中PA0-PA3 為單片機(jī)

26、的I/O腳，控制兩個(gè) DC電機(jī)M1,M2正反轉(zhuǎn)IN1 VCCVSIN20UT1IN3IN40UT2ENAENB0UT3SENSAOUT4SENSBGND5 7 0 2 6 1 1 51. 1 1 1sd 丄丄 士士士23 忖14XTAL1PO.WADOXTAL2P0.1/AD1P0.SAD2P0.3JAD3RSTPD4心P0.5/AD5P0.6/AD6PO.7/AD7PSNP2 0/A6P2.1/A9 P2.2/A10 P2.3/A11ALEP2.4/A12EaP2.5/A13pi 0P3.6/A14P27/A15P3 0/RXDFh.1P3.1/TXDPl 2P3.2/INT0PI 3P3.

27、5WINT1P1.4P3.rrDPI 5P3.5TT1PI 6P3 6/WRPI 7P3 7/RDL298管腳圖ATM85C51管腳圖523旋轉(zhuǎn)式編碼器選擇速度編碼器通過(guò)編碼，輸出的是標(biāo)準(zhǔn)脈沖，由其分辨率為600P/R可知，每 一個(gè)脈沖可以使電機(jī)軸轉(zhuǎn)1/600轉(zhuǎn)。通過(guò)計(jì)算1s的輸出脈沖值，乘以1/600， 就可以得到電機(jī)軸的實(shí)際轉(zhuǎn)速，通過(guò)與額定轉(zhuǎn)速（25r/s ）比較，得出差值，再 進(jìn)行調(diào)速，即可完成速度的反饋控制。閉環(huán)伺服系統(tǒng)通常是位置環(huán)、速度環(huán)、電流環(huán)3環(huán)聯(lián)合的反饋系統(tǒng).因此，選擇檢測(cè)元件就是選擇位置傳感器和速度傳感器。常用的位置檢測(cè)傳感器有旋轉(zhuǎn) 變壓器、感應(yīng)同步器、光電編碼器、光柵尺等。

28、在伺服系統(tǒng)中，為了獲得良好的 性能，往往還要對(duì)執(zhí)行元件的速度進(jìn)行反饋控制，因而還要選用速度傳感器。交直流伺服電機(jī)常用的速度傳感器，選擇增量式編碼器，分辨率精度根據(jù)電機(jī)選型 時(shí)確定的最小分辨率400，保證編碼器分辨率不小于 500，電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速為 3000r/min，保證容許最大旋轉(zhuǎn)數(shù)不低于此值。根據(jù)以上參數(shù)，選擇歐姆龍生產(chǎn) 的增量式旋轉(zhuǎn)式編碼器E6C2-C分辨率600電源電壓(V)輸出方式電壓輸出50最高響應(yīng)頻 W(KHZ)100起動(dòng)扭拒(rnN-m)w反下慣性力拒(kg-m2)1E-幀下允許最高旅轉(zhuǎn)數(shù)WrriirO6000保護(hù)構(gòu)苣IE頸格IP64旋轉(zhuǎn)式編碼器5.2.4顯示器選擇顯示器選擇L

29、CD1602可顯示16*2個(gè)字符，芯片工作電壓為 4.55.5V,工作電流為2.0mA(5.0V時(shí))。接口說(shuō)明信號(hào)城號(hào)苻號(hào)引詢說(shuō)明第號(hào)引解說(shuō)明1VSS電帝it9Data I/O2VU)電涯正扱10的I/O3VI壓億號(hào)1104Data I/O4RS蛇棗帝令選掛端(H L)12Data I/O5讀寫(xiě)遇擇端(H/L)13閒Data 1/06E14D7I/O700Oat*. 1/01561A背光BiE&01皐 1 /o168LK 光5.3電氣控制電路的設(shè)計(jì)電氣控制電路主要包括單片機(jī)，鍵盤(pán)電路，晶振電路，復(fù)位電路，顯示電路。 5.3.1晶振電路設(shè)計(jì)對(duì)系統(tǒng)要求較高，而且功耗大，運(yùn)行環(huán)境苛刻情況。考慮到單片

30、機(jī)本身用 在控制，并非高速信號(hào)采樣處理，要選取合適的頻率。合適頻率的晶振對(duì)于選頻 信號(hào)強(qiáng)度準(zhǔn)確度都有好處，本次設(shè)計(jì)選取12.0MHz無(wú)源晶振接入XTAL1和 XTAL2 引腳。并聯(lián)2個(gè)30pF陶瓷電容幫助起振。5.3.2復(fù)位電路復(fù)位電路通常分為兩種：上電復(fù)位和手動(dòng)復(fù)位，有時(shí)系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)程序跑飛的情況，在程序開(kāi)發(fā)過(guò)程中，經(jīng)常需要手動(dòng)復(fù)位。所以本次設(shè)計(jì)選用手 動(dòng)復(fù)位。X1j “ C2 =50OF1円MAMKTiftJLZPCI VAD1 PQ 旳Q2 FOUADSP0 4/AD4F0 5/WO5 PQjyAraRSTPO7/W7P2&A6 P2P227A10P2 3/A 11ALEF212

31、EAP2.5；A13 P2 &AI4P2.T/A15PlOPI 1P3 1XDDP12R3 3OETPI 3P3 3AMT1P1iP3 47T0a1 5PJSftiPI 6P17U19 鉗貂亠土士HT3410uF晶振電路復(fù)位電路LCD1速即-J=LOO速度2OO=P1.2P1.3P1.430C51顯示電路533顯示電路和鍵盤(pán)電路見(jiàn)上圖鍵盤(pán)電路5.3.4直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)由單片機(jī)轉(zhuǎn)換成PWM信號(hào)，并由P3.0、P3.1輸出，經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路輸出給電機(jī)， 從而控制電機(jī)得電與失電。P3.0為高電平實(shí)現(xiàn)電機(jī)正轉(zhuǎn)，P3.1為高電平時(shí)實(shí)現(xiàn) 電機(jī)反轉(zhuǎn)。通過(guò)調(diào)節(jié)脈沖的占空比，實(shí)現(xiàn)速度的調(diào)節(jié)。5.4控制程序的設(shè)計(jì)及

32、說(shuō)明： 5.4.1程序流程圖流程圖實(shí)現(xiàn)直流伺服電機(jī)選型，加速一勻速一減速的過(guò)程，以及正反轉(zhuǎn)控制， 從K1 K5,分別實(shí)現(xiàn)電機(jī)的啟停，正轉(zhuǎn)，反轉(zhuǎn)，加速，減速。并通過(guò)驅(qū)動(dòng)芯 片驅(qū)動(dòng)，在顯示器上顯示出運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)速度反饋，另外K2和K3,起限位開(kāi)關(guān)的作用，能實(shí)現(xiàn)精確地位置控制542 PWM直流調(diào)速原理脈寬調(diào)制的基本原理：脈寬調(diào)制(Pulse Width Modulation),是利用電力電子開(kāi)關(guān)器件的導(dǎo)通與關(guān)斷，將直流電壓變成連續(xù)的直流脈沖序列， 并通過(guò)控制 脈沖的寬度或周期達(dá)到變壓的目的。 所采用的電力電子器件都為全控型器件， 如 電力晶體管（GTR）、功率MOSFET、IGBT等。通常PWM變

33、換器是用定頻調(diào) 寬來(lái)達(dá)到調(diào)壓的目的。 采用定頻調(diào)寬法來(lái)利用51單片機(jī)產(chǎn)生PWM信號(hào)的軟件實(shí) 現(xiàn)方法，從而改變占空比D,進(jìn)而達(dá)到控制電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。在PWM驅(qū)動(dòng)控制的調(diào)整系統(tǒng)中，按一個(gè)固定的頻率來(lái)接通和斷開(kāi)電源， 并 根據(jù)需要改變一個(gè)周期內(nèi)“接通”和“斷開(kāi)”時(shí)間的長(zhǎng)短。通過(guò)改變直流電機(jī)電 樞上電壓的“占空比”來(lái)改變平均電壓的大小，從而控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。因此， PWM又被稱為“開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)裝置”。在脈沖作用下，當(dāng)電機(jī)通電時(shí)，速度增加； 電機(jī)斷電時(shí)，速度逐漸減少。只要按一定規(guī)律，改變通、斷電的時(shí)間，即可讓電機(jī)轉(zhuǎn)速得到控制。設(shè)電機(jī)始終接通電源時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速最大為Vmax，占空比為D =ti/T_ ti ，則

34、電機(jī)的平均速度為tl t2vd 電機(jī)的平均速度;V d max D最大值Vmax平均值Vd最小值Vmi nD北/Tt1 t2定頻調(diào)寬法的頻率一般在800HZ-1000Hz之間比較合適。543匯編語(yǔ)言設(shè)計(jì)【單片機(jī)I/O 口分配】選1000MHZ PWM脈沖進(jìn)行編程控制:P0.0P0.7: LCD1602 數(shù)據(jù) I/O 口P1.0:電機(jī)起停開(kāi)關(guān)P1.1：電機(jī)正轉(zhuǎn)開(kāi)關(guān)（接左限位開(kāi)關(guān)）P1.2:電機(jī)反轉(zhuǎn)開(kāi)關(guān)（接右限位開(kāi)關(guān)）P1.3:電機(jī)加速調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)（0.2S）P1.4:電機(jī)減速調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)（0.2S）P2.0: LCD1602數(shù)據(jù)/命令選擇端P2.1: LCD1602讀/寫(xiě)選擇端 P2.2: LCD160

35、2使能信號(hào)端P2.7:傳感器讀數(shù)據(jù)端P3.0:直流伺服電機(jī)接入端P3.1:直流伺服電機(jī)接入端P3.7: L298n使能端【匯編程序】SEQUR1;速度反饋?zhàn)兞緾OUNTEQUR2PWMHEQU30H;調(diào)寬值，定時(shí)器所賦值PWMLEQU31HCLKBITP1.5;速度控制信號(hào)K1BITP1.0;啟停鍵K2BITP1.1;正轉(zhuǎn)鍵K3BITP1.2;反轉(zhuǎn)鍵K4BITP1.3;加速鍵K5BITP1.4;減速鍵ORG0000HLJMPMAINORG000BH;定時(shí)器T0控制周期LJMPTIMER1ORG001BH;定時(shí)器T1控制脈寬LJMPTIMER2ORG0030HMAIN:MOVB ,#04H;設(shè)置

36、循環(huán)次數(shù)4MOVPWMH ,#00HMOVPWML ,#FFHMOVTMOD ,#11H;疋時(shí)器都工作在方式1MOVTH0,#3CH;T0 定時(shí) 50msMOVTL0,#B0HMOVTH1,PWMH;脈寬MOVTL1,PWMLSETBEA;CPU允許中斷SETBET0;允許定時(shí)器T0中斷SETBET1;允許定時(shí)器T1中斷SETBTR0;定時(shí)器T0計(jì)數(shù)CLRCLKLOOP:JBK1,LOOP;電機(jī)開(kāi)關(guān)LOOPK1:JBK2 ,LOOPK2;高電平正轉(zhuǎn)LJMPLOOPKALOOPKA:JBK3, LOOPK2;高電平反轉(zhuǎn)LOOPK2:JBK4, TIMER1LCALL DELAYMOVA,PWML

37、ADDA,#1MOVPWML, AMOVA,PWMHADDC A,#0MOVPWMH,AJNCLOOPK2MOVPWMH, #0FFHLOOPK4:JBK5, OVERLCALLDELAYMOVA, PWMLCLRCSUBBA, #1MOVPWML, AMOVA, PWMHSUBBA,#0MOVPWMH, ALJMP L00PK1JNC OVERMOV PWMH, #00HOVER:LJMPLOOPTIMER1:CLRTR1MOVTH0 ,#3CHMOVTL0,#B0HMOVTH1,PWMHMOVTL1,PWMLSETBTR1CLRCLKRETI;K4按下加速;調(diào)用延時(shí)程序;調(diào)寬值低4位加1;調(diào)寬值高4位加1;最大值時(shí);K4按下減速;調(diào)寬值低4位減1;調(diào)寬值高4位減1;最小值時(shí);賦調(diào)寬值TIMER2:CLRTR1SETBCLKRETIMOVAR0MOVB#93HDIVABCJNEA，# 19H，LOOP0LOOP0:JCL1;速度反饋ADDC A，#01CJNEA，# 19H，LOOP0L1:S