機(jī)電一體化課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)小幅面平板式繪圖儀畫(huà)筆驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1、 機(jī)電一體化方向?qū)I(yè)課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)設(shè)計(jì)題目：小幅面平板式繪圖儀畫(huà)筆驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 學(xué)院：班級(jí)：姓名：學(xué)號(hào):指導(dǎo)老師：摘 要機(jī)電一體化技術(shù)是在微電子技術(shù)向機(jī)械工業(yè)領(lǐng)域滲透過(guò)程中逐漸形成并發(fā)展起來(lái)的一門(mén)獨(dú)立的綜合性交叉學(xué)科，經(jīng)過(guò)20多年的發(fā)展，機(jī)電一體化的內(nèi)涵和外延也在不斷地豐富和拓寬。它是綜合了多個(gè)學(xué)科的系統(tǒng),包括機(jī)械技術(shù)、傳感器技術(shù)、測(cè)試技術(shù)、電子技術(shù)和控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)與信息技術(shù)。并且極大推動(dòng)了機(jī)械工業(yè)、兵器行業(yè)及其他行業(yè)的發(fā)展。其技術(shù)結(jié)構(gòu)、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、技術(shù)功能與構(gòu)成、生產(chǎn)方式和管理體系均發(fā)生了巨大的變化。使工業(yè)生產(chǎn)由機(jī)械電氣化邁進(jìn)到機(jī)電一體化為特征的數(shù)字化、自動(dòng)化、高精度、微型化、智能化的時(shí)代

2、。小幅面平板式繪圖儀畫(huà)筆驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的課程設(shè)計(jì)是機(jī)電一體化專業(yè)學(xué)習(xí)中非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，是將理論知識(shí)和實(shí)踐能力相統(tǒng)一的一個(gè)環(huán)節(jié)，是真正鍛煉學(xué)生能力的一個(gè)環(huán)節(jié)。小幅面平板式繪圖儀畫(huà)筆驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)機(jī)電一體化方向的專業(yè)綜合課程設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)旨在說(shuō)明小幅面平板式繪圖儀畫(huà)筆驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由x驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、y驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、筆架裝置、機(jī)架及紙張放置平臺(tái)，電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)電路等部分組成及其各部分的設(shè)計(jì)方案以及計(jì)算和校核。本設(shè)計(jì)的的目的旨在讓學(xué)生綜合運(yùn)用并鞏固所學(xué)機(jī)電一體化產(chǎn)品設(shè)計(jì)知識(shí)；熟悉典型數(shù)控型執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，同時(shí)也對(duì)學(xué)這三年多一來(lái)所學(xué)知識(shí)做一個(gè)綜合運(yùn)用以及鞏固提高。模塊化的小幅面平板式單坐標(biāo)畫(huà)

3、筆驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，通常由導(dǎo)軌座、移動(dòng)滑塊、工作平臺(tái)、滾珠絲杠副，以及伺服電動(dòng)機(jī)等部件組成。其外觀形式如圖1-1所示。其中，伺服電動(dòng)機(jī)作為執(zhí)行元件用來(lái)驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠，滾珠絲杠的螺母帶動(dòng)滑塊和工作平臺(tái)仔導(dǎo)軌上運(yùn)動(dòng)，完成工作臺(tái)在x方向的直線移動(dòng)，調(diào)動(dòng)畫(huà)筆的高度從而實(shí)現(xiàn)直線的生成。導(dǎo)軌副、滾珠絲杠螺母副和伺服電動(dòng)機(jī)等均已標(biāo)準(zhǔn)化，由專門(mén)廠家生產(chǎn)，設(shè)計(jì)時(shí)只需根據(jù)工作載荷選取即可?？刂葡到y(tǒng)根據(jù)需要，可以選用標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，也可以設(shè)計(jì)專門(mén)的微機(jī)控制系統(tǒng)。目 錄一、課程設(shè)計(jì)的任務(wù) 3二、課程設(shè)計(jì)的任務(wù)3三、總體方案的確定3四、機(jī)械傳動(dòng)部件的設(shè)計(jì)與選型51系統(tǒng)總體尺寸的設(shè)計(jì)52滾珠絲桿副的選型與計(jì)算 53.步進(jìn)電機(jī)

4、的選型與計(jì)算 84軸承的選擇與驗(yàn)算 115聯(lián)軸器以及鍵的選用116滾動(dòng)直線導(dǎo)軌137密封和潤(rùn)滑13五、機(jī)械控制系統(tǒng)原理及電路設(shè)計(jì)131、設(shè)計(jì)要求132、方案分析143、單片機(jī)系統(tǒng)與步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器之間的接口方法 144、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電源的選用16六、設(shè)計(jì)結(jié)論18七、個(gè)人總結(jié)20 八、參考文獻(xiàn) 21一、課程設(shè)計(jì)任務(wù)課程設(shè)計(jì)題目：小幅面平板式繪圖儀畫(huà)筆驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)本課設(shè)所設(shè)計(jì)的主要參數(shù)如下：可繪圖范圍148mm210mm（a5圖紙）。 x、y方向的定位精度均為0.2mm。加工材料為碳素鋼或有色金屬。 機(jī)架用 板金 / 鑄鋁 / 注塑件外殼采用注塑件傳動(dòng)系統(tǒng)采用：同步齒形帶 / 鋼絲 / 其他

5、（ 畫(huà)筆尺寸）x、y電機(jī)采用步進(jìn)電機(jī)二、課程設(shè)計(jì)的目的（1）學(xué)習(xí)機(jī)電一體化系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案擬定、分析與比較的方法。（2）通過(guò)對(duì)機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì)掌握幾種典型傳動(dòng)元件與導(dǎo)向元件的工作原理、設(shè)計(jì)計(jì)算方法與選用原則。齒輪同步帶減速裝置、蝸桿副、滾珠絲杠螺母副、直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副等。（3）通過(guò)對(duì)進(jìn)給伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，掌握常用伺服電動(dòng)機(jī)的工作原理、計(jì)算選擇方法與控制驅(qū)動(dòng)方式，學(xué)會(huì)選用典型的位移速度傳感器；如交流、步進(jìn)伺服進(jìn)給系統(tǒng)，增量式旋轉(zhuǎn)編碼器，直線光柵等。（4）通過(guò)對(duì)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，掌握一些典型硬件電路的設(shè)計(jì)方法和控制軟件的設(shè)計(jì)思路；如控制系統(tǒng)選用原則、cpu選擇、存儲(chǔ)器擴(kuò)展、i/o接口擴(kuò)展、a/d與d/a配

6、置、鍵盤(pán)與顯示電路設(shè)計(jì)等，以及控制系統(tǒng)的管理軟件、伺服電機(jī)的控制軟件等。（5）培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力，學(xué)習(xí)并初步樹(shù)立“系統(tǒng)設(shè)計(jì)”的思路。同時(shí)對(duì)整個(gè)大學(xué)階段所學(xué)專業(yè)知識(shí)的做一個(gè)綜合的運(yùn)用鞏固和提高。（6）提高學(xué)生應(yīng)用機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)查閱國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)機(jī)械零部件、查閱文獻(xiàn)資料以及撰寫(xiě)科技論文的能力。三、總體方案的確定（1）本課設(shè)中系統(tǒng)的工作原理本課設(shè)系統(tǒng)可分為控制部件、驅(qū)動(dòng)部件、執(zhí)行元件、傳動(dòng)和導(dǎo)向機(jī)構(gòu)等幾個(gè)部分。要求設(shè)計(jì)該系統(tǒng)的機(jī)械及電路的結(jié)構(gòu)和參數(shù)、設(shè)計(jì)部分單片機(jī)或微機(jī)控制程序，使畫(huà)筆能夠左右步進(jìn)，并達(dá)到技術(shù)指標(biāo)所規(guī)定的精度要求。（2）導(dǎo)軌副的選用 要設(shè)計(jì)的x-y工作臺(tái)是用來(lái)配套輕型畫(huà)筆的

7、，需要承受的載荷非常小，但脈沖當(dāng)量小、定位精度高，因此，決定選用直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副，它具有摩擦系數(shù)小、不易爬行、傳動(dòng)效率高、機(jī)構(gòu)緊湊、安裝預(yù)緊方便等優(yōu)點(diǎn)。（3）絲杠螺母副的選用 伺服電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)需要通過(guò)絲杠螺母副轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動(dòng)，要滿足0.1mm的定位精度，滑動(dòng)絲杠副無(wú)能為力，只有選擇滾珠絲杠副才能達(dá)到。滾珠絲杠副的傳動(dòng)精度高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、壽命長(zhǎng)、效率高，預(yù)緊后可消除反向間隙。（4）伺服電動(dòng)機(jī)的選用任務(wù)書(shū)規(guī)定的脈沖當(dāng)量尚未達(dá)到0.001mm，定位精度也未達(dá)到微米級(jí)，最快移動(dòng)速度也不高。因此，本設(shè)計(jì)不必采用高檔次的伺服電動(dòng)機(jī)，如交流伺服電動(dòng)機(jī)或直流伺服電動(dòng)機(jī)等，可以選用性能好一些的步進(jìn)電

8、動(dòng)機(jī)。（5）聯(lián)軸器的選用由于系統(tǒng)的對(duì)中性要求較高，因此決定選用剛性聯(lián)軸器，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造成本低等優(yōu)點(diǎn)考慮到工作載荷不大，本次課程設(shè)計(jì)擬選用套筒聯(lián)軸器，它是利用公用套筒，并通過(guò)鍵、花鍵或錐銷等剛性聯(lián)接件，以實(shí)現(xiàn)兩軸的聯(lián)。套筒聯(lián)軸器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造方便，成本較低，徑向尺寸小，但裝拆不方便，需使軸作軸向移動(dòng)。短適用于低速、輕載、無(wú)沖擊載荷，工作平衡和上尺寸軸的聯(lián)接。最大工作轉(zhuǎn)速一般不超過(guò)為25r/min。套筒聯(lián)軸器不具備軸向、徑向和角向補(bǔ)償性能。（6）檢測(cè)裝置的選用選用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)作為伺服電動(dòng)機(jī)后，可選開(kāi)環(huán)控制，也可選閉環(huán)控制任務(wù)書(shū)所給的精度對(duì)于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)不是很高，決定采用開(kāi)環(huán)控制（7）控制系

9、統(tǒng)的設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)只有單坐標(biāo)定位，所以控制系統(tǒng)應(yīng)該設(shè)計(jì)成連續(xù)控制型對(duì)于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的開(kāi)環(huán)控制，選用mcs-51系列的atr89c52，應(yīng)該能夠滿足設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)給定的相關(guān)指標(biāo)要設(shè)計(jì)一套完整的控制系統(tǒng)，在選擇cpu之后，還需要擴(kuò)展程序存儲(chǔ)器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、鍵盤(pán)與顯示電路、i/o接口電路、d/a轉(zhuǎn)換電路、串行接口電路等選擇合適的驅(qū)動(dòng)電源，與步進(jìn)電動(dòng)機(jī)配套使用考慮到x、y兩個(gè)方向的工作范圍額相差不大，承受的載荷也相差不多，為了減少設(shè)計(jì)工作量，x、y兩個(gè)坐標(biāo)的導(dǎo)軌副、絲杠螺母副、伺服電動(dòng)機(jī)、檢測(cè)裝置擬采用相同的型號(hào)與規(guī)格。四、機(jī)械傳動(dòng)部件的設(shè)計(jì)與選型1.系統(tǒng)總體尺寸的設(shè)計(jì)根據(jù)課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)要求的繪圖區(qū)域范

10、圍為148mm210mm（a5圖紙）和各部件所受的壓力大小，設(shè)計(jì)各支撐部件基本尺寸如下：工作臺(tái)面底板尺寸為800mm500mm20mm，y軸方向移動(dòng)板尺寸為420mm300mm18mm，x軸方向移動(dòng)板尺寸為300mm250mm15mm可繪圖范圍148mm210mm（a5圖紙）。2滾珠絲桿副的選型與計(jì)算2.1 確定滾珠絲桿副的導(dǎo)程ph：根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)相關(guān)知識(shí)用于傳動(dòng)的螺紋只有傳動(dòng)的螺紋只有梯形螺紋和鋸齒形螺紋，又由于鋸齒形螺紋只能傳遞單向動(dòng)力，所以此處選擇梯形螺紋（如圖所示）。 根據(jù)選擇的步進(jìn)電機(jī)步距角為1.8，設(shè)計(jì)要求精度為0.2mm和公式s=l*/2（其中為步距角，l為螺紋導(dǎo)程）可知：s=l*

11、/2=l1.8/3600.2, l40mm，取l= ph=40mm查取機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)（gb/t5763.31986）取螺桿公稱直徑d=22mm，螺距p=8mm，中經(jīng)d2=18mm，大經(jīng)d4=23mm，小徑d1=13mm，螺距p=8mm，接觸角=45，螺紋升角=433，選擇公差等級(jí)為8e, 螺紋旋合長(zhǎng)度為65mm。由上面計(jì)算和查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)可知螺桿選擇的螺紋為五線螺紋。根據(jù)絲桿選擇與之相配合的絲桿螺母。選擇絲桿螺母的取連接長(zhǎng)度為65mm。2.2 滾珠絲桿副的載荷及強(qiáng)度計(jì)算（1）滾珠絲桿副材料的選擇滾珠絲桿副材料選用gcr15simn，高頻淬火處理使其硬度達(dá)到60hrc。（2）滾珠絲桿副強(qiáng)度的計(jì)算絲

12、桿軸向力：fmax=kfxy+f（fz+wxy） 式中：k=1.15，滾動(dòng)導(dǎo)軌摩擦系數(shù)f=0.0030.005，fx=0.5fz,fy=0.6fz,計(jì)算得：fx=215n，fy=245n壽命值：l= 其中ca為額定動(dòng)載荷，fa為軸向載荷，fw為運(yùn)轉(zhuǎn)條件系數(shù):無(wú)沖擊平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)1. 01. 2 ,一般運(yùn)轉(zhuǎn)條件1. 21.5 ,有沖擊振動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)1.53.0絲桿傳遞：n=200，則l=180最大動(dòng)載荷q=fx向絲桿牽引力：px=pz+1.414fgx=317ny向絲桿牽引力：py=pz+1.414fgy=382n查表，可取滾珠絲桿公稱直徑dn=22mm，采用五線絲桿螺紋副，支承方式為雙推簡(jiǎn)支式，其額定動(dòng)

13、載荷8630。2.3 滾珠絲桿的最大允許軸向變形量 ：機(jī)床或機(jī)械裝置伺服系統(tǒng)精度大多早空載下檢驗(yàn)?？蛰d時(shí)用在滾珠絲桿副上的最大軸向工作載荷是靜摩擦力f0。移動(dòng)部件在kmin處起啟動(dòng)和反向時(shí)，由于f0方向變化將產(chǎn)生誤差2 f0/kmin（又稱摩擦死區(qū)誤差），它是影響重復(fù)定位精度的最主要因素，一般占重復(fù)定位精度的（1/22/3）。所以規(guī)定滾珠絲桿副允許的最大軸向變形為0.00250.0034mm。影響定位精度的最主要因素是滾珠絲桿副的精度,其次是滾珠絲桿滾珠絲桿本身的拉壓彈性變形(因?yàn)檫@種彈性變形隨滾珠螺母在滾珠絲桿上的位置變化而變化),以及滾珠絲桿副滾珠絲桿副摩擦力矩的變化等。一般估算取值即為0

14、.0040.005mm以上兩種方法估算的小值，即取為0.0025mm.2.4 確定滾珠絲桿副的規(guī)格代號(hào)：根據(jù)條件 得選用滾珠絲桿副的型號(hào)為2240-4。公稱直徑為22mm，滿足初選要求。2.5 對(duì)預(yù)緊滾珠絲桿副，確定其預(yù)緊力fb：根據(jù)經(jīng)驗(yàn)滾動(dòng)絲桿副的預(yù)緊力fb一般為0.71(額定動(dòng)載/10)。2.6 確定滾珠絲桿副的螺紋長(zhǎng)度le=40mm lu=有效行程+螺母長(zhǎng)度=320mm2.7 滾珠絲桿副的校核（1）滾珠絲桿副穩(wěn)定性校核滾珠絲桿受工作負(fù)載引起的導(dǎo)程變化是y向所受牽引力大，故應(yīng)用y向參數(shù)計(jì)算。f=252n lo=0.5（cm） e=20.6x10（n/m）s=*r=3.141.1=3.8（c

15、m）所以：=2520.5/（20.6103.8）=1.6110絲桿因受扭矩所引起的導(dǎo)程變化量是很小的，可忽略，所以導(dǎo)程總誤差=1.61x10x=2（um/m）查表知：e級(jí)精度的絲桿允許誤差15um，故剛度足夠，以上滾珠絲桿的參數(shù)符合要求。（2）滾珠絲桿副扭轉(zhuǎn)剛度的校核 ks2 =9.807(n/um) 其中g(shù)為剪切模量其值為81000mpa，l為導(dǎo)程。經(jīng)計(jì)算校核滾珠絲桿副扭轉(zhuǎn)剛度滿足要求。（3）滾珠絲桿副的極限轉(zhuǎn)速nc的校核(避免高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生共振) 其中g(shù)為重力加速度，r為絲桿材料密度，a為絲桿低徑橫截面積，e為絲桿材料彈性模量，i為絲桿低徑的慣性矩，l2為支撐間距離，的大小為絲桿安裝形式的

16、系數(shù)（本課設(shè)絲桿為兩端固定安裝其值取為4.37）。經(jīng)計(jì)算得知滾珠絲桿極限轉(zhuǎn)速nc滿足條件。（4）傳動(dòng)效率計(jì)算： 絲桿螺母副的傳動(dòng)效率為，式中f=10。摩擦角為絲桿螺旋開(kāi)角。=0.96 3步進(jìn)電機(jī)的選型與計(jì)算31步進(jìn)電機(jī)的選型（1）步進(jìn)電機(jī)的步距角取決于系統(tǒng)的脈沖當(dāng)量=0.01mm/step。初步選步進(jìn)電機(jī)的步距角=1.8。 （2）步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)力矩的計(jì)算：設(shè)步進(jìn)電機(jī)等效負(fù)載力矩為p，根據(jù)能量守恒定理，電機(jī)所做功率與負(fù)載的功率有如下關(guān)系：式中：為電機(jī)轉(zhuǎn)角 s為移動(dòng)部件的相應(yīng)位移 為機(jī)械傳動(dòng)效率若取=qb 則s= 且（nm）式中 ps為移動(dòng)部件負(fù)載，g為移動(dòng)部件重量。 pz與重力方向一樣的作用，在移

17、動(dòng)部件上的負(fù)載力（n） 為導(dǎo)軌的摩擦系數(shù)，取0.03；qb為步進(jìn)電機(jī)的歩距角（rad） t為電機(jī)軸向負(fù)載力矩（nm） =0.96。ps為絲桿牽引力，ps=pb=118 考慮到運(yùn)動(dòng)影響，x向電機(jī)負(fù)載較大，因此取g=gy=380所以：t =1.29nm若不考慮啟動(dòng)時(shí)運(yùn)動(dòng)部件慣性的影響，則啟動(dòng)力矩tq=4.3nm； 由以上的參數(shù)選擇電機(jī)為：深圳步科kinco85系列步進(jìn)電機(jī)，型號(hào)為2s86q05180，其主要參數(shù)如下所示：其距頻曲線圖如下圖所示：3.2 步進(jìn)電機(jī)等效負(fù)載計(jì)算 （1）等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算折算到步進(jìn)電機(jī)軸上的等效負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為： 式中：j分別為折算到步進(jìn)電機(jī)軸上的工作臺(tái)、齒輪1、齒輪2和絲

18、桿的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。其中 ， ， 式中：do是絲桿的公稱直徑，ls為絲桿的總長(zhǎng)，、分別為絲桿和齒輪的材料密度，可取為7.85x10kg/cm。（2）等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩的計(jì)算： 空載時(shí)的摩擦轉(zhuǎn)矩： 工作時(shí)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩：式中：=0.8，為考慮絲桿預(yù)緊時(shí)的傳達(dá)效率。（3）啟動(dòng)慣性阻轉(zhuǎn)矩計(jì)算 式中：電機(jī)轉(zhuǎn)速=，起動(dòng)加速時(shí)間=0.025s。（4）步進(jìn)電機(jī)輸出軸上總負(fù)載轉(zhuǎn)矩計(jì)算： (nm)故總的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：綜上所述，本次設(shè)計(jì)中進(jìn)給傳動(dòng)選用2s86q05180步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，完全滿足設(shè)計(jì)要求4、軸承的選擇與驗(yàn)算根據(jù)前面的計(jì)算,預(yù)選軸承為深溝球軸承.選用型號(hào)為:6204,查閱機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)（gb/t2761994）可得此

19、軸承的一些相關(guān)參數(shù):cr=12.8kn cor=6.65kn d=20mm d=47mm b=14mm對(duì)其進(jìn)行受力分析,如上,則可得:由兩式連解的: f=102.23nf=213.37n 取e=0.68,則有:所以軸承1被壓緊,則:求當(dāng)量動(dòng)載荷:對(duì)軸1： 對(duì)軸2： =0 軸承有中等沖擊載荷，查表得=1.21.8，取=1.5 p1=（+）p2=（+） 所以按軸承1進(jìn)行受力大小的驗(yàn)算： 能夠滿足軸承的壽命要求5聯(lián)軸器以及鍵的選用5.1聯(lián)軸器的選用由上述絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)副和步進(jìn)電機(jī)的型號(hào)查?。ū?-1）選取套筒聯(lián)軸器的型號(hào)為gt3(a型)，其相關(guān)參數(shù)如下：（mm）套筒聯(lián)軸器基本尺寸標(biāo)準(zhǔn)（表5-1） 式中 t

20、c計(jì)算轉(zhuǎn)矩，nmm； d套筒外徑，mm； d軸的直徑，mm，當(dāng)用花鍵聯(lián)接時(shí)，d取花鍵的平均直徑； 套筒的許用剪應(yīng)力，n/mm2，45號(hào)鋼制套筒，可取 =3540n/ mm2 。圓錐銷聯(lián)接驗(yàn)算圓錐銷的剪切強(qiáng)度： 式中 d1圓錐銷直徑，mm； 圓錐銷的許用剪應(yīng)力，n/mm2，可取 =0.25 ， 為銷材料的屈服極限。 5.2 鍵的選用及計(jì)算根據(jù)絲桿軸向尺寸大小，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)軸尺寸大小和需要傳遞的轉(zhuǎn)矩確定選用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，拆裝方便，對(duì)中性較好的a型平鍵。具體尺寸參數(shù)如下： 寬度b=6mm，高度h=6mm，長(zhǎng)度l=20mm。a型平鍵材料為45鋼。對(duì)所選平鍵強(qiáng)度校核：p =2*t/(d*k*l)p6滾動(dòng)直線導(dǎo)

21、軌本設(shè)計(jì)采用滾動(dòng)直線導(dǎo)軌,其最大優(yōu)點(diǎn)是摩擦系數(shù)小,動(dòng),靜摩擦系數(shù)差很小，因此,運(yùn)動(dòng)輕便靈活,運(yùn)動(dòng)所需功率小,摩擦發(fā)熱少，磨損小，精度保持性好,低速運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性好,移動(dòng)精度和定位精度高的優(yōu)點(diǎn).所采用的滾動(dòng)直線導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)。在選擇導(dǎo)軌時(shí)，主要遵循以下幾條原則：精度不干涉原則：導(dǎo)軌的各項(xiàng)精度制造和使用時(shí)互不影響才易得到較高的精度。動(dòng)摩擦系數(shù)相近的原則：例如選用滾動(dòng)導(dǎo)軌或朔料導(dǎo)軌，由于摩擦系數(shù)小且靜，動(dòng)摩擦系數(shù)相近，所以可獲得很低的運(yùn)動(dòng)速度和很高的重復(fù)定位精度。導(dǎo)軌能自動(dòng)貼合原則：鑰匙導(dǎo)軌精度高，必須使相互結(jié)合的導(dǎo)軌有自動(dòng)貼合的性能。對(duì)水平位置的工作的導(dǎo)軌，可以靠工作臺(tái)的自重來(lái)貼合;其它導(dǎo)軌靠附加的彈簧力或

22、者滾輪的壓力使其貼合。移動(dòng)的導(dǎo)軌在移動(dòng)過(guò)程中，能始終全部接觸的原則;也就是固定的導(dǎo)軌長(zhǎng)，移動(dòng)的導(dǎo)軌短。對(duì)水平安裝的導(dǎo)軌，以下導(dǎo)軌為基準(zhǔn)，上導(dǎo)軌為彈性體的原則。能補(bǔ)償因受力變形和受熱變形的原則。7密封和潤(rùn)滑為了阻止灰塵，水，酸氣和其雜物進(jìn)入軸承并阻止?jié)櫥瑒┝魇АＴ俦驹O(shè)計(jì)中加如了軸承的密封裝置。因?yàn)闈L珠絲杠的轉(zhuǎn)速不高，所以采用接觸式密封。在透蓋與軸承中間加入了唇形密封圈，目的是防止?jié)櫥偷牧鞒?。在軸承的左側(cè)加入軸承端蓋，目的是阻止灰塵，水，酸氣和其雜物進(jìn)入軸承。為了降低摩擦阻力，散熱，吸收振動(dòng)，防止銹蝕等，在整個(gè)系統(tǒng)中加入了潤(rùn)滑裝置，在此系統(tǒng)中滾珠絲杠和軸承都采用脂潤(rùn)滑。五、機(jī)械控制系統(tǒng)原理及電路

23、設(shè)計(jì)1、設(shè)計(jì)要求采用mcs-51系列單片機(jī)來(lái)完成此控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì),完成控制系統(tǒng)原理圖等.主要包括鍵盤(pán),led顯示,電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)、停止、單進(jìn)控制、聯(lián)動(dòng)控制等的控制.同時(shí)還要有一些自動(dòng)錯(cuò)誤處理功能.如限位控制,驅(qū)動(dòng)出錯(cuò)處理,這就需要在程序設(shè)計(jì)時(shí)提供相應(yīng)的中斷處理程序。2、方案分析 由前面電動(dòng)機(jī)的選擇:選用電動(dòng)機(jī)型號(hào)為90byg55c的步進(jìn)電機(jī).此電機(jī)是一個(gè)五相十拍的電動(dòng)機(jī)。由機(jī)電一體化可以知道步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行特性與配套的驅(qū)動(dòng)電源（驅(qū)動(dòng)器）由密切的關(guān)系。驅(qū)動(dòng)器由脈沖發(fā)生器和功率放大器兩大部分組成的。在微機(jī)控制電機(jī)過(guò)程中，需要使電機(jī)按照一定規(guī)律變化進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，而控制這部分規(guī)律變化的部分叫做脈沖分配器。實(shí)現(xiàn)

24、脈沖分配有兩種方法：計(jì)算機(jī)軟件和硬件電路法。當(dāng)有了環(huán)形脈沖分配后，還是不夠的。由于我們的脈沖是由微機(jī)單片機(jī)發(fā)出的，屬于低電平，是不能直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)的，這時(shí)我們可以采用功率放大電路將脈沖進(jìn)行功率放大，然后驅(qū)動(dòng)硬件電路。3、單片機(jī)系統(tǒng)與步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器之間的接口方法采用單片機(jī)系統(tǒng)對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行串行控制系統(tǒng)從cp脈沖控制線按電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)速度的要求發(fā)出相應(yīng)周期間隔的脈沖,即可使電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn).當(dāng)需要電動(dòng)機(jī)恒轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí),就發(fā)出恒定周期的脈沖串；當(dāng)需要加減速運(yùn)行時(shí)，就發(fā)出周期遞減或遞增的脈沖串；當(dāng)需要鎖定狀態(tài)時(shí)，只要停止發(fā)脈沖串就可以了由此可以方便地對(duì)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制方向電平控制線可實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)方向的

25、控制，為低電平時(shí)，環(huán)行分配器按正方向進(jìn)行脈沖分配，電動(dòng)機(jī)正向旋轉(zhuǎn)；而為高電平時(shí)，環(huán)行分配器按反方向進(jìn)行脈沖控制，電動(dòng)機(jī)反方向控制，從而可實(shí)現(xiàn)工作臺(tái)的來(lái)回運(yùn)動(dòng) 圖1-3 簡(jiǎn)單畫(huà)出串行控制方法的接線圖.圖中是采用8031的p1.0作為方向電平信號(hào),p1.1作為cp脈沖信號(hào).設(shè)正常的p1.1為高電平,cp 脈沖輸出低電平有效,產(chǎn)生cp脈沖的子程序如下：cw：clr p1.0 ；正轉(zhuǎn)電平 clr p1.1；輸出低電平，產(chǎn)生脈沖前沿lcall d5s；調(diào)延時(shí)子程序，使脈沖寬度為5ssetb p1.0 ；輸出高電平產(chǎn)生脈沖后沿ret；返回要想電動(dòng)機(jī)反方向運(yùn)行,可調(diào)用如下子程序:cw：setb p1.0 ；

26、輸出反轉(zhuǎn)電平clr p1.1；輸出脈沖前沿lcall d5s；延時(shí)5ssetb p1.0 ；輸出脈沖后沿ret；返回采用mcs-51系列的8031型的單片機(jī)作為微機(jī)控制的主芯片。系統(tǒng)原理圖中，采用74ls373進(jìn)行p0口的鎖存，同時(shí)擴(kuò)展一片2764的程序存儲(chǔ)器和一片6264的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，作為系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理和存儲(chǔ)之用。同時(shí)，我們需要擴(kuò)展鍵盤(pán)和顯示，就需要擴(kuò)展接口來(lái)連接。采用8155進(jìn)行接口擴(kuò)展，pa口，pc口屬于輸出口，pb口屬于輸入口。pa口的八根地址連接成4 4的鍵盤(pán)接口電路，pb口用于led的八路接口，同時(shí)用pc口的6路進(jìn)行l(wèi)ed的位控接口。同時(shí)由p2口的p2.5,p2.6,p2.7進(jìn)行7

27、4ls138的片選輸入，對(duì)2764和6264進(jìn)行片選。地址計(jì)算：1）8155的地址計(jì)算：在8155中，采用p1.7來(lái)控制io/m口，進(jìn)行i/o和ram選項(xiàng)控制。當(dāng)p1.7=0時(shí)，選擇ram口，其地址為：010 所以其地址為4000h-5fffh（其中p1.7為0）當(dāng)p1.7=1時(shí)，單片機(jī)選中i/o口，其地址為：010所以其地址為4000h-5fffh（其中p1.7為1）因此：8155的具體地址： 命令字：4000ha 口：4001hb 口：4002hc 口：4003h低四位：4004h高四位：4005h2）2764的地址：采用74ls138片選控制，地址選擇如下：000 所以地址范圍為：000

28、0h-1fffh3）6264的地址：同樣采用74ls138片選控制，地址選擇如下：001所以地址范圍為：2000h-3fffh4、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電源的選用本次設(shè)計(jì)中選用的90byg2602型電動(dòng)機(jī)，生產(chǎn)廠家為常州寶馬集團(tuán)公司選擇ism-202a細(xì)分驅(qū)動(dòng)器4.1特點(diǎn)（1）電源電壓不大于+45vdc（2）斬波頻率大于35khz（3）輸入信號(hào)與ttl兼容（4）可驅(qū)動(dòng)兩相或四相混合式步進(jìn)電機(jī)（5）雙極性恒流斬波方式（6）光電隔離信號(hào)輸入（7）細(xì)分?jǐn)?shù)可選sm-202a型：2、4、8、16、32、64或根據(jù)用戶要求設(shè)計(jì)（8）驅(qū)動(dòng)電流可由開(kāi)關(guān)設(shè)定（9）外型尺寸：85*59*19(10）重量：0.11kg4.

29、2引腳說(shuō)明(1)gnd端為外接直流電源(2) a+，a-端為電機(jī)a相(3)b+，b-端為電機(jī)b相(4)+com端為光電隔離電源公共端，典型值為+5v，高于+5v時(shí)應(yīng)在cp，dir及free端串接電阻(5)cp端為脈沖信號(hào)，下降沿有效（6）dir端為方向控制信號(hào)，電平高低決定電機(jī)運(yùn)行方向（7）free端為驅(qū)動(dòng)器使能，高電平或懸空電機(jī)可運(yùn)行低電平驅(qū)動(dòng)器無(wú)電流輸出，電機(jī)處于自由狀態(tài)4.3 電氣特性 （tj=25）（1）信號(hào)邏輯輸入電流10ma-25ma（2）下降沿脈沖時(shí)間大于5us（3）絕緣電阻大于500m4.4 使用環(huán)境及參數(shù)（1）冷卻方式；自然冷卻或強(qiáng)制風(fēng)冷（2）使用環(huán)境；盡量避免粉塵及腐蝕性氣

30、體（3）溫度；0c- +50c（4）濕度；40- 89%rh4.5機(jī)械安裝如圖4.6 電源供給本驅(qū)動(dòng)器可采用非穩(wěn)壓型直流電源供電，也可以采用變壓器降壓+橋式整流+電容濾波4.7 電機(jī)接線sm-202a驅(qū)動(dòng)器能驅(qū)動(dòng)四線、六線或八線的兩相/四相電機(jī)圖1-6詳細(xì)列出了4線、6線、8線步進(jìn)電機(jī)的接法：4.8 驅(qū)動(dòng)器與電機(jī)的匹配（1）供電電壓的選定一般來(lái)說(shuō)，供電電壓越高，電機(jī)高速時(shí)力矩越大，越能避免高速時(shí)掉步但另一方面，電壓太高可能損壞驅(qū)動(dòng)器, 而且在高電壓下工作時(shí), 低速運(yùn)動(dòng)振動(dòng)較大（2）輸出電流的設(shè)定值對(duì)于同一電機(jī)，電流設(shè)定值越大時(shí),電機(jī)輸出力矩越大，但電流大時(shí)電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器的發(fā)熱也比較嚴(yán)重所以一般情

31、況是把電流設(shè)成供電機(jī)長(zhǎng)期工作時(shí)出現(xiàn)溫?zé)岬贿^(guò)熱時(shí)的數(shù)值 四線電機(jī)和六線電機(jī)高速度模式：輸出電流設(shè)成等于或略小于電機(jī)額定電流值； 六線電機(jī)高力矩模式：輸出電流設(shè)成電機(jī)額定電流的70%； 八線電機(jī)串聯(lián)接法：輸出電流設(shè)成電機(jī)額定電流的70%； 八線電機(jī)并聯(lián)接法：輸出電流可設(shè)成電機(jī)額定電流的1.4倍電流設(shè)定后請(qǐng)運(yùn)轉(zhuǎn)電機(jī)15-30分鐘，如電機(jī)溫升太高，則應(yīng)降低電流設(shè)定值如降低電流值后，電機(jī)輸出力矩不夠則請(qǐng)改善散熱條件，保證電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器均不燙手為宜4.9 驅(qū)動(dòng)器接線 一個(gè)完整的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)應(yīng)含有步進(jìn)電機(jī)、步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器、直流電源以及控制器 (脈沖源)本次設(shè)計(jì)選擇與步進(jìn)電動(dòng)機(jī)2s86q05180相配套的驅(qū)動(dòng)

32、裝置。六、設(shè)計(jì)結(jié)論在本設(shè)計(jì)中采用步進(jìn)電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠來(lái)實(shí)現(xiàn)工作臺(tái)的水平移動(dòng)，因其無(wú)位置反饋，其精度主要取決于驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的性能和精度，精度不高。一般以功率步進(jìn)電機(jī)作為伺服驅(qū)動(dòng)元件。但是其有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作穩(wěn)定、調(diào)試方便、維修簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，但是因其無(wú)減速裝置，多用在精度和速度要求不高、驅(qū)動(dòng)力矩不大的場(chǎng)合。易知可以通過(guò)增大傳動(dòng)比i來(lái)提高定位精度，但是因本設(shè)計(jì)采用的是步進(jìn)電機(jī)直 接驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠，所以定位精度是由步距角來(lái)確定的。而步距角取覺(jué)于電動(dòng)機(jī)。這就要求步進(jìn)電動(dòng)機(jī)有較小的步距角，而較小的步距角就需要較大的轉(zhuǎn)子齒數(shù)，從而大大的增加了成本。在設(shè)計(jì)中所選的是滾動(dòng)直線導(dǎo)軌因其具有摩擦系

33、數(shù)?。?.00250.005)，動(dòng)、靜摩擦力相差甚微；運(yùn)動(dòng)輕便靈活，所需功率小，摩擦發(fā)熱小，磨損小，精度保持性好，低速運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，移動(dòng)精度和定位精度都較高的優(yōu)點(diǎn)，所以其可以消除在低速度移動(dòng)時(shí)的爬行現(xiàn)象。但是其滾動(dòng)導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造成本高，抗震性差。設(shè)計(jì)中傳動(dòng)部件用的是滾珠絲杠螺母機(jī)構(gòu)，其具有摩擦損失小，傳動(dòng)效率高，可達(dá)85%98%，絲桿螺母之間預(yù)緊后，可以完全消除間隙，剛度，摩擦阻力小等優(yōu)點(diǎn)，但是同時(shí)也有不能自鎖，運(yùn)動(dòng)有可逆性，即旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)直線運(yùn)動(dòng)；直線運(yùn)動(dòng)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)等缺點(diǎn)。雖然滾珠絲杠螺母副傳動(dòng)效率很高，但不能自鎖，用在垂直傳動(dòng)或水平放置的高速大慣量傳動(dòng)中，必須裝有制動(dòng)裝置。為了減少絲杠的受熱變形，可以將絲杠制成空心，在支承法蘭處通入恒溫油進(jìn)行強(qiáng)迫冷卻循環(huán)。滾珠絲杠必須采用潤(rùn)滑油或鋰基油脂進(jìn)行潤(rùn)滑，同時(shí)要采用防塵密封裝置。如用接觸式或非接觸密封圈，螺旋式彈簧鋼帶，或折疊式塑性人造革防護(hù)罩等。并且滾珠絲杠采用內(nèi)循環(huán)的方式，如圖所示：這種方式具有其結(jié)構(gòu)緊湊，定位可靠，剛性好，且不易磨損，返回滾道短，不易發(fā)生滾珠堵塞，摩擦損失也小。在系統(tǒng)的控制方面，本設(shè)計(jì)采用的是開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)，其控制簡(jiǎn)圖如下圖所示：電機(jī)機(jī)械執(zhí)行部件a相、b