機(jī)電傳動(dòng)單向數(shù)控平臺設(shè)計(jì)(礦大版)

1設(shè)計(jì)任務(wù)1.1設(shè)計(jì)任務(wù)介紹及意義1、課程設(shè)計(jì)題目機(jī)電傳動(dòng)單向數(shù)控平臺設(shè)計(jì)2、課程設(shè)計(jì)內(nèi)容〔1〕機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)〔2〕電氣測控系統(tǒng)3、課程設(shè)計(jì)意義〔1〕培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)的根底理論和專業(yè)知識，獨(dú)立進(jìn)行機(jī)電控制系統(tǒng)(產(chǎn)品)的初步設(shè)計(jì)工作，并結(jié)合設(shè)計(jì)或?qū)嶒?yàn)研究課題進(jìn)一步穩(wěn)固和擴(kuò)大知識領(lǐng)域。〔2〕培養(yǎng)學(xué)生搜集、閱讀和綜合分析參考資料，運(yùn)用各種標(biāo)準(zhǔn)和工具書籍以及編寫技術(shù)文件的能力，提高計(jì)算、繪圖等根本技能。〔3〕培養(yǎng)學(xué)生掌握機(jī)電產(chǎn)品設(shè)計(jì)的一般程序和方法，進(jìn)行工程師根本素質(zhì)的訓(xùn)練?！?〕樹立正確的設(shè)計(jì)思想及嚴(yán)肅認(rèn)真的工作作風(fēng)。1.2設(shè)計(jì)任務(wù)明細(xì)機(jī)電傳動(dòng)單向數(shù)控平臺設(shè)計(jì)〔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：單片微機(jī)控制、PLC控制；〔4〕功能控制要求：速度控制、位置控制；主要設(shè)計(jì)參數(shù)：單向工作行程——1800、1500、1200mm；移動(dòng)負(fù)載質(zhì)量——100、50kg；負(fù)載移動(dòng)阻力——100、50N；〔估算值〕移動(dòng)速度控制——0～3、0～6m/min；速度控制精度±0.5%或?qū)崿F(xiàn)行程〔位置〕控制，控制精度±0.01mm,±0.1mm1.3設(shè)計(jì)的根本要求〔1〕方案設(shè)計(jì)：根據(jù)課程設(shè)計(jì)任務(wù)的要求，在搜集、歸納、分析資料的根底上，明確系統(tǒng)的主要功能，確定實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)主要功能的原理方案，并對各種方案進(jìn)行分析和評價(jià)，進(jìn)行方案選優(yōu)?！?〕總體設(shè)計(jì)：針對具體的原理方案，通過對動(dòng)力和總體參數(shù)的選擇和計(jì)算，進(jìn)行總體設(shè)計(jì)，最后給出機(jī)械系統(tǒng)的控制原理圖或主要部件圖〔A1一張〕?！?〕根據(jù)控制功能要求，完成電氣控制設(shè)計(jì)，給出電氣控制電路原理圖〔A3一張〕?！?〕課程設(shè)計(jì)的成果最后集中表現(xiàn)在課程設(shè)計(jì)說明書和所繪制的設(shè)計(jì)圖紙上，每個(gè)學(xué)生完成課程設(shè)計(jì)說明書一份，字?jǐn)?shù)為3000字以上，設(shè)計(jì)圖紙不少于兩張?！?〕用計(jì)算機(jī)繪圖或手工繪圖，打印說明書?！?〕設(shè)計(jì)選題分組進(jìn)行，每位同學(xué)采取不同方案〔或參數(shù)〕獨(dú)立完成。2總體方案設(shè)計(jì)2.1設(shè)計(jì)的根本依據(jù)步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成機(jī)械角位移〔或線位移〕的執(zhí)行元件。只要控制輸入脈沖的數(shù)量、頻率和電動(dòng)機(jī)繞組的通電順序，便可獲得所需的轉(zhuǎn)角、速度以及轉(zhuǎn)動(dòng)方向，而不受負(fù)載變化的影響，所以很容易用微機(jī)控制。當(dāng)無脈沖輸入時(shí)，在繞組電流的鼓勵(lì)下，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)可以鎖相。〔1〕步距值不受各種干擾因素〔如電壓的波動(dòng)、電流的數(shù)值和波形、溫度的變化等〕的影響，只要在它們的大小未引起步進(jìn)電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生“丟步”現(xiàn)象之前，就不影響其正常工作。〔2〕步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角有誤差，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一定的步數(shù)，也會(huì)有一定的累積誤差，但是每轉(zhuǎn)一圈的累積誤差為零，所以步距誤差不長期積累?！?〕控制性能好，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、易于啟停、正反轉(zhuǎn)和變速控制。〔4〕低速時(shí)轉(zhuǎn)矩大、速度控制比擬簡單、外形尺寸小，所以廣泛應(yīng)用于打印機(jī)、繪圖機(jī)、復(fù)印機(jī)等機(jī)電一體化產(chǎn)品及各類機(jī)床、切割機(jī)、輕工、包裝、醫(yī)療器械、機(jī)器人等自動(dòng)控制設(shè)備中。滾珠絲杠螺母副是數(shù)控機(jī)床中回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為直線運(yùn)動(dòng)的常用裝置。它以滾珠的滾動(dòng)代替絲杠螺母副中的滑動(dòng)，摩擦力小，具有良好的性能。滾珠絲杠的主要工作原理是在絲杠和螺母上加工有弧形螺旋槽，當(dāng)它們套裝在一起時(shí)便形成螺旋管道，并在滾道內(nèi)裝滿滾珠。而滾珠那么沿滾道滾動(dòng)，并經(jīng)回珠管道作周而復(fù)始的循環(huán)運(yùn)動(dòng)?；刂楣艿纼啥诉€起擋滾珠的作用，以防止?jié)L珠沿滾道掉出。特點(diǎn)如下：〔1〕傳動(dòng)效率高，滾珠絲杠的傳動(dòng)效率高達(dá)95%~98%?！?〕運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)滾珠絲杠副在工作過程中摩擦阻力小，靈敏度高，而且摩擦系數(shù)幾乎與運(yùn)動(dòng)速度無關(guān)，啟動(dòng)摩擦力矩與運(yùn)動(dòng)時(shí)的摩擦力矩的差異很小。所以滾珠絲杠副運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，啟動(dòng)時(shí)無顫抖，低速時(shí)無爬行。〔3〕傳動(dòng)可逆性與滑動(dòng)絲杠副相比，滾動(dòng)絲杠副突出的特點(diǎn)是具有運(yùn)動(dòng)的可逆性?！?〕可以預(yù)緊通過對螺母施加預(yù)緊力能消除滾珠絲杠副的間隙，提高軸向接觸剛度，但摩擦力矩卻增加不大?！?〕定位精度和重復(fù)定位精度高由于滾珠絲杠副具有傳動(dòng)效率高、運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、可以預(yù)緊等特點(diǎn)，所以滾珠絲杠副在工作過程中溫升較小，無爬行。并可以消除軸向間隙和對絲杠進(jìn)行預(yù)拉伸以補(bǔ)償熱膨脹，能獲得較高的定位精度和重復(fù)定位精度?！?〕同步性好用幾套相同的滾珠絲杠副同時(shí)驅(qū)動(dòng)相同的部件或裝置時(shí)，由于反響靈敏，無阻滯，無滑移，其啟動(dòng)的同時(shí)性、運(yùn)行中的速度和位移等，都具有準(zhǔn)確的一致性，這就是所謂同步性好?！?〕使用壽命長滾珠絲杠和螺母的材料均為合金鋼，螺紋滾道經(jīng)過熱處理，并淬硬到HRC58~62，經(jīng)磨削到達(dá)所需的精度和外表粗糙度。實(shí)踐證明，滾珠絲杠副的使用壽命比普通滑動(dòng)絲杠副高5~6倍?！?〕使用可靠，潤滑簡單，維修方便與液壓傳動(dòng)相比，滾動(dòng)絲杠副在正常使用條件下故障率低，維修保養(yǎng)也極為方便；通常只需進(jìn)行一般的潤滑與防塵。在特殊使用場合，如核反響堆中的滾珠絲杠副，可在無潤滑狀態(tài)下正常工作。89C51單片機(jī)價(jià)格低廉，系統(tǒng)擴(kuò)展方便，可以使用C語言編寫程序，內(nèi)部有可電改寫的存儲器FlashROM，給開發(fā)及應(yīng)用帶來了很大的方便。單片機(jī)是典型的嵌入式系統(tǒng)，能很好地滿足面對控制對象、應(yīng)用系統(tǒng)的嵌入、現(xiàn)場的可靠運(yùn)行，且響應(yīng)速度快，提高控制的實(shí)時(shí)性，具有較強(qiáng)的靈活性，可以處理多種可能發(fā)生的情況。滾動(dòng)導(dǎo)軌的特點(diǎn)〔1〕摩擦系數(shù)小〔0.003~0.005〕，動(dòng)、靜摩擦系數(shù)根本相同，因而啟動(dòng)阻力小，且不易發(fā)生爬行〔2〕可以預(yù)緊，剛度高；〔3〕抗振和抗沖擊能力差，對灰塵屑末較敏感，壽命長；〔4〕精度高，定位精度可達(dá)0.1~0.2μm，重復(fù)精度可達(dá)0.2μm2.2總體方案確實(shí)定綜上所述，總體方案及參數(shù)初步設(shè)置如下：〔1〕電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式：步進(jìn)電機(jī)〔2〕機(jī)械傳動(dòng)方式：滾珠絲杠〔3〕電氣控制方式：單片機(jī)〔4〕功能控制要求：速度控制〔5〕主要設(shè)計(jì)參數(shù)：單向工作行程——1200mm移動(dòng)負(fù)載質(zhì)量——100kg負(fù)載移動(dòng)阻力——50N(估算值)移動(dòng)速度控制——0～6m/min；速度控制精度±0.5%絲杠兩端為固定支撐〔E-F〕，每個(gè)支座安裝角接觸球軸承。3機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.1機(jī)械傳動(dòng)裝置的組成步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)電機(jī)聯(lián)軸器滾珠絲杠工作臺3.2主要部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算1、導(dǎo)軌的選擇〔1〕根據(jù)長度需求暫選直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副GGA40參數(shù)如下dBBBBWMMtHAT408560604022.5M10M5×1012753215KLLLHld×D×hGFCC601056022.544.522.59×14×12M8×110517.8kN19.5kN〔2〕直線運(yùn)動(dòng)滾動(dòng)支承的摩擦力計(jì)算計(jì)算工程計(jì)算過程計(jì)算結(jié)果負(fù)荷PP=mg=1001000N摩擦力FF式中：μ——摩動(dòng)摩擦系數(shù)，μ=0.003~0.005 P——法向載荷(N)； f——密封阻力(N)，每個(gè)滑座取f=5(N)； 當(dāng)P/C0a>0.1時(shí)，μ=0.003~0.005；當(dāng)0.05<P/C0a<30N2、滾珠絲杠的選擇計(jì)算計(jì)算工程計(jì)算過程計(jì)算結(jié)果當(dāng)量負(fù)荷F30N當(dāng)量轉(zhuǎn)速n500r/min絲杠導(dǎo)程P10mm動(dòng)負(fù)荷C壽命系數(shù)壽命轉(zhuǎn)速系數(shù)其中綜合系數(shù)f溫度系數(shù)溫度125150175200225250300f0.950.900.850.800.750.700.6硬度系數(shù)硬度585552.55047.54540f1.01.111.351.561.922.43.85精度系數(shù)精度1、2、34、5710f1.00.90.80.7負(fù)荷性質(zhì)系數(shù)負(fù)荷性質(zhì)無沖擊平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)一般運(yùn)轉(zhuǎn)有沖擊和振動(dòng)運(yùn)動(dòng)f1~1.21.2~1.51.5~2.5可靠性系數(shù)可靠度〔%〕909596979899f1.00.620.530.440.330.21700.980N絲杠選型選用FFZD3210型內(nèi)循環(huán)浮動(dòng)返向器雙螺母墊片預(yù)緊滾動(dòng)滾動(dòng)絲杠副，型號FFZD3210，額定動(dòng)負(fù)荷Ca=32kNdPDddDDDBC32107.14430≤5390711532kNDDhDMTELLC915942M6668015070kN符合要求絲杠螺紋局部長度l=1200+150+21430支承距離支承距離l應(yīng)大于l1800臨界轉(zhuǎn)速校核n絲杠底徑d長度計(jì)算L支撐方式系數(shù)f合格壓桿穩(wěn)定校核兩端固定支承，絲杠不受壓縮，因而不必校核穩(wěn)定性預(yù)拉力FE鋼鐵彈模量11×溫升伸長量δ3476N軸承選擇采用E型和F型軸端，軸承號為7602020TVP，d=20mm,D=47mm,B=14mm,Z=15,Dw=5.593mm,Ca=19600N,F0=2300N軸承的最大軸向載荷為F由于F0合格軸承壽命校核C=合格絲杠在載荷下彈性位移δ絲杠與螺母接觸變形δFFZD32滾珠絲杠的接觸剛度K軸承的接觸變形δK=23.6絲杠總位移量δ3、步進(jìn)電機(jī)的選擇計(jì)算計(jì)算工程計(jì)算過程計(jì)算結(jié)果脈沖當(dāng)量δ0.01步距角θ0.36絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)慣量絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J=絲杠的質(zhì)量m=絲杠的體積V=絲杠的密度ρ0.001085kg平臺的慣量折算J聯(lián)軸器的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量聯(lián)軸器的類型暫選為凸緣聯(lián)軸器YL1，質(zhì)量0.94kg，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量0.00180.0018kg折算到電機(jī)軸上的負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J0.003138kg折算到電機(jī)軸上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩T電動(dòng)機(jī)的加速轉(zhuǎn)矩TJMta電機(jī)上的最大負(fù)載轉(zhuǎn)矩T電機(jī)的選擇取平安系數(shù)K=2，那么必需轉(zhuǎn)矩：T初選電機(jī)型號為90BYG550B-0301轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J那么有TTM電機(jī)頻率驗(yàn)算f=從圖上可以看出，此速度時(shí)的電動(dòng)機(jī)的輸出最大轉(zhuǎn)矩大于T合格4電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)4.1控制系統(tǒng)的根本組成機(jī)電傳動(dòng)數(shù)控平臺的速度控制，可通過控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行速度控制。而控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行速度，實(shí)際上就是控制系統(tǒng)發(fā)出的CP脈沖的頻率或者換相的周期。這里采用89C51單片機(jī)定時(shí)器產(chǎn)生中斷的方法，控制驅(qū)動(dòng)器的輸出脈沖和方向來控制步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行速度和方向。因?yàn)閷ｉT廠家生產(chǎn)的驅(qū)動(dòng)器包括環(huán)形分配器和功率放大器，運(yùn)行平穩(wěn)，可靠性高，所以選擇北京和利時(shí)電機(jī)技術(shù)生產(chǎn)的SH50806B。具體如下：89C5189C51SH50608B五相混合式步進(jìn)電機(jī)工作機(jī)構(gòu)4.2電氣控制電路的設(shè)計(jì)五相混合式步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器SH50806B簡介如下：撥下第6位開關(guān)選擇0.36°的步距角，撥下第7為開關(guān)選擇單脈沖控制模式，脈沖信號端輸入的脈沖信號控制電機(jī)運(yùn)行，方向信號端輸入端輸入的電平信號的上下控制電機(jī)轉(zhuǎn)向。4.3控制程序的設(shè)計(jì)及說明系統(tǒng)啟動(dòng)，需按下開始鍵，由AT89C51單片機(jī)定時(shí)器0中斷控制步進(jìn)電機(jī)加速啟動(dòng)，初始方向?yàn)檎较?。通過滑塊壓下行程開關(guān)，實(shí)現(xiàn)不停地往返運(yùn)動(dòng)。啟動(dòng)后，運(yùn)行指示燈亮。停止鍵按下后，會(huì)自動(dòng)回到原點(diǎn)并停止。主程序流程圖開始開始定時(shí)器0及中斷初始化等待按鍵While(1)控制電機(jī)定時(shí)器0中斷定時(shí)器定時(shí)器效勞子程序定時(shí)器0重新賦值產(chǎn)生周期脈沖CP5結(jié)論綜上所述，主要零件選型為：步進(jìn)電機(jī)：90BYG550B-0301型五相混合式步進(jìn)電機(jī)滾珠絲杠：南京工藝裝備制造廠FFZD3210-3型內(nèi)循環(huán)浮動(dòng)式墊片預(yù)緊滾珠絲杠單片機(jī)：AT89C51單片機(jī)聯(lián)軸器：凸緣聯(lián)軸器YL1軸承：7602020TVP導(dǎo)軌：滾動(dòng)導(dǎo)軌設(shè)計(jì)感想：本次課程設(shè)計(jì)，由于時(shí)間倉促，在各個(gè)步驟可能存在缺乏甚至是錯(cuò)誤，望老師包涵。在前期方面，我主要進(jìn)行了資料整理，包括從網(wǎng)絡(luò)、圖書館、教材、請教同學(xué)等方面，進(jìn)行了初步的方案設(shè)定，同時(shí)相應(yīng)復(fù)習(xí)以前相關(guān)專業(yè)知識；中期主要進(jìn)行說明書的編寫等工作；后期方面，主要進(jìn)行機(jī)械圖和電氣圖的繪制，在此期間，機(jī)械方面通過應(yīng)用了CAD、電子機(jī)械設(shè)計(jì)手冊等設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)，單片機(jī)編程那么主要通過查資料與詢問同學(xué)的方式。這次課程設(shè)計(jì)再次鍛煉了我的分析處理問題的能力。最后，感謝指導(dǎo)老師和同學(xué)在此次課程設(shè)計(jì)中給予我的巨大幫助！6參考文獻(xiàn)1、楊黎明主編，機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)手冊，國防工業(yè)出版社，19972、李愛軍、曾維鑫主編，畫法幾何及機(jī)械制圖，中國礦業(yè)大學(xué)出版社，20083、程志紅主編,機(jī)械設(shè)計(jì)，東南大學(xué)出版社,2006；4、程志紅、唐大放主編，機(jī)械設(shè)計(jì)課程上機(jī)與設(shè)計(jì)，東南大學(xué)出版社，20065、張建民等主編，機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)〔修訂版〕，北京理工大學(xué)出版社，20076、于永，戴佳，劉波主編，51單片機(jī)C語言常用模塊與綜合系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例精講〔第2版〕，電子工業(yè)出版社，20087、李朝青主編，單片機(jī)原理及接口技術(shù)〔第3版〕，北京航空航天大學(xué)出版社，20057附錄#include<reg51.h>sbitP2_1=P2^1;sbitP2_0=P2^0;unsignedcharmode=0;intpoint=0;unsignedcharspeedtable[]={0xf7,0x52,//f=900Hz0xf8,0x30,//f=1000Hz0xf9,0x7d,//f=1200Hz0xfa,0x6b,//f=1400Hz0xfb,0x1e,//f=1600Hz0xfb,0xa9;//f=1800Hz0xfc,0x18;//f=2000Hz0xfc,0x73;//f=2200Hz0xfc,0xbf;//f=2400Hz0xfc,0xff;//f=2600Hz0xfd,0x36;//f=2800Hz0xfd,0x65;//f=3000Hz0xfd,0x8f;//f=3200Hz0xfd,0xb4;//f=3400Hz0xfd,0xd4;//f=3600Hz0xfd,0xf2;//f=3800Hz0xfe,0x0c;//f=4000Hz0xfe,0x24;//f=4200Hz0xfe,0x39;//f=4400Hz0xfe,0x4d;//f=4600Hz0xfe,0x5f;//f=4800Hz0xfe,0x70;//f=5000Hz0xfe,0x7f;//f=5200Hz0xfe,0x8e;//f=5400Hz0xfe,0x9b;//f=5600Hz0xfe,0xa7;//f=5800Hz0xfe,0xb3;//f=6000Hz0xfe,0xbd;//f=6200Hz0xfe,0xca;//f=6400Hz0xfe,0xd2;//f=6600Hz0xfe,0xda;//f=6800Hz0xfe,0xe2;//f=7000Hz0xfe,0xea;//f=7200Hz0xfe,0xf2;//f=7400Hz0xfe,0xf9;//f=7600Hz0xff,0x00;//f=7800Hz0xff,0x06;//f=8000Hz0xff,0x0