機(jī)電一體化課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)

1、 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（步進(jìn)電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)單軸直線伺服移動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)）學(xué)院：機(jī)電工程學(xué)院班級(jí)：姓名：學(xué)號(hào)：指導(dǎo)教師:目錄TOC o 1-5 h z一、課程設(shè)計(jì)的目的3二、設(shè)計(jì)題目及參數(shù)3三、設(shè)計(jì)內(nèi)容3四、機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)41、滾珠絲杠副的選擇42、軸承選擇63、滾珠絲杠副的校核74、導(dǎo)軌副的選擇85、電機(jī)的選擇86、聯(lián)軸器的選擇117、機(jī)械控制系統(tǒng)原理及電路設(shè)計(jì)118、機(jī)械系統(tǒng)建模及仿真12五、心得體會(huì)14六、參考文獻(xiàn)15一、課程設(shè)計(jì)的目的1、掌握機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程和方法，包括參數(shù)的選擇，傳動(dòng)的設(shè)計(jì)，零件的計(jì)算，結(jié)構(gòu)的計(jì)算，培養(yǎng)系統(tǒng)分析及設(shè)計(jì)的能力。2、綜合應(yīng)用過(guò)去所學(xué)的理論知識(shí)

2、，提高聯(lián)系實(shí)際和綜合分析的能力，進(jìn)一步鞏固，加深和拓寬所學(xué)的知識(shí)。3、訓(xùn)練和提高設(shè)計(jì)的基本技能，如計(jì)算，繪圖，運(yùn)用設(shè)計(jì)資料，標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，編寫(xiě)技術(shù)文件（說(shuō)明書(shū)）等。二、設(shè)計(jì)題目及參數(shù)步進(jìn)電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)單軸直線伺服移動(dòng)機(jī)構(gòu)1、主要性能參數(shù)：負(fù)載:F1=6000NF2=3000N快進(jìn)速度=1m/min工進(jìn)速度=0.2m/min重復(fù)定位精度=0.01mm定位精度（mm/300mm）=0.02行程=700mm加減速度時(shí)間（相對(duì)空載、快進(jìn)）=2s要求壽命=24000h絲桿直徑初定:25mm絲桿支撐形式：兩端固定2、要求：開(kāi)環(huán)控制，采用單片機(jī)控制三、設(shè)計(jì)內(nèi)容1、機(jī)械系統(tǒng)部分：完成詳細(xì)的裝配圖設(shè)計(jì)。采用滾動(dòng)絲杠

3、副，雙滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副作導(dǎo)軌，移動(dòng)機(jī)構(gòu)水平安裝2、控制部分采用MCS-51系列單片機(jī)來(lái)完成此控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)（要求：擴(kuò)展存儲(chǔ)器、I/O、鍵盤(pán)、LE等），完成控制系統(tǒng)原理圖。3、機(jī)械系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型建立及仿真：建立機(jī)械系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，仿真輸出函數(shù)圖形。4、完成設(shè)計(jì)計(jì)算步驟：步進(jìn)電機(jī)的選擇，計(jì)算和驗(yàn)算。含以下內(nèi)容：脈沖當(dāng)量的確定，空載轉(zhuǎn)矩的驗(yàn)算，各傳動(dòng)部件等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，等效轉(zhuǎn)矩的折算等。滾珠絲杠的選擇，計(jì)算和驗(yàn)算。滾動(dòng)直線導(dǎo)軌選擇，計(jì)算和驗(yàn)算。四、機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)1、滾珠絲杠副的選擇托板尺寸：長(zhǎng)，寬，冋=300mm創(chuàng)300mm30mm托板重量：w=300創(chuàng)30030創(chuàng)10-37.8?10-2211N導(dǎo)軌

4、副與托板連接部分重量估算為：100N(雙導(dǎo)軌)夾具及工件重量約為：400N工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)部分總重：G=211+100+400=711N初選滾珠絲杠副導(dǎo)程p=10mmh米用矩形滾動(dòng)導(dǎo)軌工作載荷等效公式：F=KF+m(F+F+G)mxzy其中：K=1.1m=0.005因采用步進(jìn)電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)則：工進(jìn)時(shí)轉(zhuǎn)速：n1工作載荷：F=KF+m(Fm11v0.2=20r/minp0.01hF+F等效為:zF=3000N2快進(jìn)時(shí)轉(zhuǎn)速:100r/minph0.01+G)=1.1?60000.005(3000+711)=6619N工作載荷:確定當(dāng)量載荷:F=mF3nt+F3ntml11m222nt+nt11225713N

5、F=mG=0.005?7114Nm2按工進(jìn)時(shí)間占總時(shí)間的90%，快進(jìn)時(shí)間占總時(shí)間的10%計(jì)算:確定當(dāng)量轉(zhuǎn)速:nt+ntn=1122=mt+t1220?9010010=28r/min90+100預(yù)期額定動(dòng)載荷按預(yù)期工作時(shí)間計(jì)算：使用壽命L=24000hh滾珠絲杠副壽命l=60nL/106（106r）0mh最大動(dòng)載荷：F=3LffFQ0wHm查機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書(shū)以下簡(jiǎn)稱指導(dǎo)書(shū)表3-30取載荷系數(shù)f=1.2，硬度系數(shù)f=1.0（358HRC）代入上式得wHF=23508NQ擬采用預(yù)緊滾珠絲杠副，按最大負(fù)載f計(jì)算max查機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)踐表3-25以下簡(jiǎn)稱實(shí)踐重載荷取f=3.4F=

6、F=6000Nemax1得F0=fF=20400NQemax取以上結(jié)果最大值C=23508Nm確定允許的最小螺紋小徑估算絲杠允許的最大軸向變形量已知：重復(fù)定位精度10mm，定位精度20mmd=（1/4口1/3）重復(fù)定位精度=3mmmd=（1/5口1/4）定位精度=6mmm取最小值d=3mmm估算最小螺紋底徑絲桿要求預(yù)拉伸，采用兩端固定的支承形式，已知行程為700mm,W=3000+711=3711N靜摩擦系數(shù)m=0.090m查實(shí)踐表326a=0.039L=1.1行程+(1014)P=900mmh=12.3mmmWL0.039廠dm確定滾珠絲杠副的規(guī)格代號(hào)選內(nèi)循環(huán)浮動(dòng)式法蘭，直筒雙螺母型墊片預(yù)緊

7、形式。由P、C、d選擇相應(yīng)規(guī)格的滾珠絲杠副FFZD3210-3hm2md=27.3d22mC=25700NC=23508Nam50200N(23)F=17139Nm確定預(yù)緊力：fp行程補(bǔ)償值：1F=2000NmaxC=11.8Dtl?10-3u11.8倉(cāng)2.5(700+12倉(cāng)010)10-3=24mm預(yù)拉伸力:F=1.95Dtd2=1.9t25倉(cāng)2.527.32=3633N2、軸承選擇按照滾珠絲杠副相關(guān)要求初步選定滾動(dòng)角接觸球軸承B型背對(duì)背安裝,受力如下圖:徑向力:F=F=F/2=1500Nr1r22派生軸向力：f=Fd1d21.41F/2=22115N=2115NF=F+F=8115Na11

8、d2取載荷系數(shù)f=1.2PF/F=5.411.14a1r1徑向當(dāng)量動(dòng)載荷:P=f(0.35F+0.57F)=1.2創(chuàng)(0.351500+0.57?8115)6181N1pr1a1F/F=1.14a2r2徑向當(dāng)量動(dòng)載荷：P=fF=1.2?15001800N1pr求軸承具有的基本額定動(dòng)載荷:60nLC=P、mhr=21195N小106根據(jù)所選滾珠絲杠副及軸承壽命要求選擇滾動(dòng)軸承7305BGB/T292C=26200NC=21195Nr所選軸承滿足設(shè)計(jì)要求。3、滾珠絲杠副的校核軸承接觸角b=400，滾珠絲杠副王要參數(shù)d=7.144，單圈滾珠數(shù)QZ=(pd/d)-3=110Q驗(yàn)算系統(tǒng)剛度d227.32

9、K=660廠=660?703n/mmslu700K=2K=2?4.68dZ2Fsin5b776N/mmbB0QamaxR=772N/mm1111.6FK=1/(+一)=250?054N/mmKKR重復(fù)定位精度sb驗(yàn)算臨界壓縮載荷KKd4F=i2廠？105cL2cl1/3倉(cāng)U427.34900210591433?Famax6000N驗(yàn)算臨界轉(zhuǎn)速21.927.390027381n=100r/minmax校核d0值dn=3200700000max驗(yàn)算額定靜載荷fF=2.5?6000samax15000?Coa50200N驗(yàn)算絲桿抗拉強(qiáng)度110倉(cāng)U3.1427.32464356?Famax6000N4

10、、導(dǎo)軌副的選擇查指導(dǎo)書(shū)公式3-35小時(shí)額定壽命：Lh距離額定壽命l=2沙60Lh1032倉(cāng)U40.7倉(cāng)U602400010008064km5027241N其中F按所給力參數(shù)折算到四滑塊上中的最大值。查表3-42選擇JSA-LG35型直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副C=3250027241N所選導(dǎo)軌滿足要求。a5、步進(jìn)電機(jī)的選擇加到電機(jī)轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jeq絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)慣量:=7.223kgcm2plrd43.14倉(cāng)U907.8倉(cāng)U10-33.24=3232工作臺(tái)折算到絲桿上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量:驏1亠2711桫2p1101.801kgcm2滾珠絲杠副傳遞效率tanltan(l+j)l=arctan(p/(pd)=5.683

11、50h0j=100h=0.971電機(jī)與絲杠間用聯(lián)軸器連接：傳遞效率h=0.98總傳遞效率2h=hh=0.9512根據(jù)負(fù)載情況初選南京南數(shù)數(shù)控設(shè)備有限公司步進(jìn)電機(jī)130BYG3503為三相混合式，采用單-雙6拍驅(qū)動(dòng)時(shí)步距角為0.60,查其參數(shù)得轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量j=30kgcm2。mJ+J+J=39.02kgcm2ms加到電機(jī)轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：Jeq加到電機(jī)轉(zhuǎn)軸上的等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩Teq快速空載啟動(dòng)時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩Teq1取脈沖當(dāng)量d=0.005mm/脈沖va10000.6n=max=333r/minm360d3600.0052pJn2p創(chuàng)39.0210-4333T=m=0.072Nmam

12、ax601ah60創(chuàng)20.95mGP0.005創(chuàng)7110.01T=h=0.006Nmf2ph2p0.95T=T+T=0.078Nmeq1amaxf最大負(fù)載狀態(tài)下電機(jī)轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩Teq2FP60000.01T=th=10.057Nmt2ph2p0.95T=m(F+G)P0.005?(3000711)0.012h=0.0311Nmf2ph2p0.95T=T+T=10.09Nmeq2tf加到電機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩為：T=maxT,T=10.09Nmeqeq1eq2電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩的選定考慮到步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電源受電網(wǎng)電壓影響較大，當(dāng)輸入電壓降低時(shí)，其輸出轉(zhuǎn)矩會(huì)下降，可能造成失步，甚至堵轉(zhuǎn)。

13、并采用開(kāi)環(huán)控制，需考慮安全系數(shù)。取K=3.5，則步進(jìn)電機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩應(yīng)滿足：T?3T30.27Nmjmaxeq查初選電機(jī)130BYG3503的最大靜轉(zhuǎn)矩為36n狗。所選電機(jī)滿足要求。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的性能校核最快工進(jìn)速度時(shí)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩校核vmaxj=200mm/min，脈沖當(dāng)量d=0.005mm/脈沖，電機(jī)相應(yīng)運(yùn)仃頻率(fmax,下，=200/(60?0.005)H667H查其頻率特性表可以看岀在此頻率fzz電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩t蛔15.2Nm，遠(yuǎn)大于最大工作負(fù)載轉(zhuǎn)矩maxfT=10.09Nm，滿足要求。eq2最快空載移動(dòng)時(shí)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩校核v=1000mm/min，電機(jī)相應(yīng)運(yùn)行頻率maxf=1000/(6

14、0?0.005)H3333H查得在此頻率下，電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩maxzzT蛔12.5Nm，遠(yuǎn)大于最大工作負(fù)載轉(zhuǎn)矩T=0.111Nm，滿足要求。maxeq1最快空載移動(dòng)時(shí)電機(jī)運(yùn)行頻率校核最快空載速度對(duì)應(yīng)的電機(jī)運(yùn)行頻率f=3333H。查得所選電機(jī)空載運(yùn)maxz行頻率可達(dá)25000H，沒(méi)有超出上限。z啟動(dòng)頻率計(jì)算電機(jī)不帶任何負(fù)載時(shí)的空載啟動(dòng)頻率f=1600H。步進(jìn)電機(jī)克服慣性負(fù)qz機(jī)械電子工程06-1機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)計(jì)算說(shuō)明書(shū)機(jī)械電子工程06-1機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)計(jì)算說(shuō)明書(shū) 3 載的啟動(dòng)頻率:1600-1+39.02/301055Hz上式說(shuō)明，要想保證步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)時(shí)不失步，任何時(shí)候的啟

15、動(dòng)頻率都必須小于1055H。z綜上所述，選擇的130BYG3503型步進(jìn)電動(dòng)機(jī)完全滿足設(shè)計(jì)要求。6、聯(lián)軸器的選擇傳動(dòng)軸上的公稱轉(zhuǎn)矩p95502pTT=9550=吒=9550倉(cāng)U2p10.09/(60?103)10.1Nmn(60103)取工作情況系數(shù)k=1.5A計(jì)算轉(zhuǎn)矩t=KT=1.5?10.115.15NmcaA根據(jù)所選電機(jī)輸出軸、絲杠大小及計(jì)算轉(zhuǎn)矩選擇：YL2聯(lián)軸器J193015.15Tn16Nm，所選聯(lián)軸器滿足要求。J19307、機(jī)械控制系統(tǒng)原理及電路設(shè)計(jì)對(duì)工作臺(tái)的控制要求如下：1、步進(jìn)電機(jī)選用三相六拍，其脈沖當(dāng)量為0.005mm/step；2、能用鍵盤(pán)輸入命令，控制工作臺(tái)的直線運(yùn)動(dòng)及實(shí)

16、現(xiàn)其它功能，其運(yùn)動(dòng)范圍為0口700mm；3、能顯示工作臺(tái)的當(dāng)前運(yùn)動(dòng)位置；4、具有越程指示報(bào)警及停止功能；5、采用硬件進(jìn)行環(huán)形分配，字符發(fā)生及鍵盤(pán)掃描由軟件實(shí)現(xiàn)。單片機(jī)控制系統(tǒng)的硬件構(gòu)成：考慮到8031單片機(jī)芯片性價(jià)比較高故采用其作為主芯片。他有p、p、p、p四個(gè)八位口，p口可以驅(qū)動(dòng)8個(gè)TTLTOC o 1-5 h z01230門(mén)電路，16根地址總線由它經(jīng)地址鎖存器（74LS373）提供8位A口A，07而高8位A口A由p口直接提供。數(shù)據(jù)總線由P口直接提供?？刂瓶偩€81320由p口的第二功能狀態(tài)和4根獨(dú)立的控制線RESET、EA、ALE、PSEN組成。僅剩竹口可供控制外設(shè)。不能滿足所需控制要求，因

17、8031無(wú)ROM,128字節(jié)的RAM也不夠用，所以需要進(jìn)行擴(kuò)展。采用8155和2764、6264芯片作為I/O口和存儲(chǔ)器擴(kuò)展芯片。顯示器采用LED數(shù)碼顯示，從控制要求需6位數(shù)碼顯示，整數(shù)、小數(shù)位各三位，把符號(hào)及前帶字母考慮進(jìn)去也便于擴(kuò)展采用8位顯示。其它輔助電路有復(fù)位電路、時(shí)鐘電路、越位報(bào)警指示電路。延時(shí)可用8155的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器的引腳TMRIN和TMROUT。工作原理圖詳見(jiàn)“控制系統(tǒng)工作原理圖”地址分配如下：2764：0000H1FFFH6264：2000H3FFFH8155（I/O端口）：命令口：4000HA口：4001HB口：4002HC口：4003H定時(shí)器低八位：4004H定時(shí)器高八

18、位：4005H8、機(jī)械系統(tǒng)建模及仿真轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的折算由前述可知等效到電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Js=J=J+J+J=39.02kg?cm20.0039kgm2Beqms粘性阻尼系數(shù)折算驏L亠2驏10亠2C0=C=Q壬?0.6411.624桫2pf桫2pf總扭轉(zhuǎn)剛度折算電機(jī)：K=mpd4Gm=321mp創(chuàng)0.01948.110105182Nm/rad320.2絲桿：K=pd4Gp倉(cāng)U0.03248.110106949Nm/rads=s321321.2s工作臺(tái)的壓縮剛度:=1.4醋108Nm/radEpd4p創(chuàng)0.03222.11011K=41s附加扭轉(zhuǎn)剛度：k0=驏桫2p驏0.01亠2礦創(chuàng)1.4108=3

19、54.6Nm/rad折算后的總扭轉(zhuǎn)剛度:316.76Nm/rad系統(tǒng)建模根據(jù)動(dòng)平衡原理有:d2qdq+C0+Sdt2dt式中q=i動(dòng)力平衡關(guān)系:d2Xodt2dXC0一dt系統(tǒng)傳遞函數(shù)為:式中:x(s)oX(s)iLh)s2+SC0s+KSw2n2xws+w2nnK/JSx=C0/(2JK)SS代入數(shù)據(jù)得:X(s)G(s)=X(s)i仿真程序：504.14129140.60.0039s2+1.624s+316.76s2+514.42s+81220.5g=tf(504.14,0.00391.624316.76)yt二step(g)y=2*pi*yplot(t,y)gridon仿真結(jié)果：從圖中分析出在步進(jìn)電機(jī)為2p的階躍輸入條件下，工作臺(tái)直線位移10mm，且僅有不大于10%的超調(diào)量，顫動(dòng)很小，調(diào)整時(shí)間約為0.025s,響應(yīng)速度很快。阻尼比為0.73，系統(tǒng)在周期信號(hào)激勵(lì)下沒(méi)有諧振，且阻尼比在理想?yún)?shù)0.707附近，說(shuō)明靜態(tài)設(shè)計(jì)是有效的、準(zhǔn)確的。五、心得體會(huì)機(jī)電一體化的機(jī)械系統(tǒng)要求精度高