機電一體化大作業(yè)

三自由度平動機械手工作臺機電系統(tǒng)設計科目：機電一體化班級：機械工程五班成員：羅欣201325070530盧國文201325070501趙效魯201325070509賈靜然201325070502目錄一、設計任務 31、 題目 32、 任務 33、 主參數(shù) 3二、產(chǎn)品總功能的確定 41、單坐標定位。 42、三平面直線插補和圓弧插補。 4三、總體方案的確定 71、機械傳動部件的選擇 72、動力裝置的選擇 73、.檢測與傳感裝置的選擇 84、.控制與信息處理裝置的選擇 8四、機械傳動部件的計算與選型 91、滾珠絲杠螺母副的計算與選型 92、步進電機的計算與選型 12五、檢測與傳感裝置的計算與選型 151、速度的檢測與傳感裝置 15、2.位移的檢測與傳感裝置 17六、控制與信息處理裝置的選擇 201、 速度控制 202、CPU的選擇 26七、工作臺系統(tǒng)的功能框圖 27八、工作臺裝配圖的繪制 27九、部分源代碼 28十、感悟與總結 32十一、參考文獻 32

一、設計任務題目三自由度平動機械手工作臺機電系統(tǒng)設計任務設計一種適用于機械手空間平動的工作臺主參數(shù)（1）、X、Y、Z方向脈沖當量：?x=?y=?z（2）、X、Y、Z方向的定位精度均為：±0.01mm（3）、工作臺空載最快移動速度：?xmax=?ymax=（4）、工作臺負載最快移動速度：?xmax=?ymax=（5）、工作臺空間尺寸：500mm×500mm×500mm（6）、工作臺工作空間尺寸：400mm×400mm×400mm（7）、空載啟動時間：Δt=25ms二、產(chǎn)品總功能的確定1、單坐標定位。2、三平面直線插補和圓弧插補。本例中采用逐點比較法進行直線和圓弧的插補逐點比較法插補的基本原理逐點比較法插補的基本思路是：在從起點到終點的路程中，根據(jù)機械手當前位置與給定軌跡的偏離情況，并為消除這個偏離，在其中一個坐標軸上走一小步，這樣一步步直到終點，每一步都是用給定軌跡對實際軌跡進行修正。每一步作為一個插補計算循環(huán)。插補循環(huán)一般由偏差判別、坐標進給、偏差函數(shù)計算和終點判別四個工作節(jié)拍組成。=1\*GB3①、偏差判別首先要判斷機械手當前點與其要求的運動軌跡的偏離情況。具體方法是根據(jù)要求的運動軌跡設計一個偏差函數(shù)，該偏差函數(shù)是機械手坐標的函數(shù)，其函數(shù)值反映偏離情況。=2\*GB3②、坐標進給根據(jù)上面判斷的結果，發(fā)出一個進給指令脈沖，控制機械手沿相應坐標軸產(chǎn)生一個脈沖當量的位移。進給脈沖分配給哪一個坐標軸，正向還是負向，總的原則是用這個位移的結果糾正已有的偏離。=3\*GB3③、偏差函數(shù)計算用新的機械手位置坐標重新計算偏差函數(shù)的值。=4\*GB3④、終點判別判斷機械手點是否到達軌跡的終點，如到達軌跡終點則插補結束，否則重復開始下一個插補循環(huán)。（2）、逐點比較法直線插補（注：1.本例只介紹直線插補的方法，圓弧插補原理相似2.本例插補平面以水平面為例）為插補計算方便，通常建立與工作臺坐標系平行的插補坐標系，插補坐標系與工作臺坐標系是簡單的平移變換關系。直線插補時，插補坐標原點選在直線起點上。在直線插補指令中，若終點坐標采用增量坐標給出，則與插補坐標系下坐標一致。下面討論機械手運動軌跡為XOY平面上第一象限直線的插補。如下圖所示，直線OA，起點O(0，0)，終點A(Xe,=1\*GB3①、偏差函數(shù)將直線OA的方程XY-X改寫成YXe-XY設加工時機械手位置為P(Xi,Fi=YiX則當P點在直線上時，F(xiàn)i=0當P點在直線上方時，F(xiàn)i>0當P點在直線下方時，F(xiàn)i<0=2\*GB3②、進給脈沖分配進給脈沖分配應使對應的坐標位移的結果糾正機械手位置P(Xi,Yi)已有的偏離。因此：當P點在直線上方，即Fi>0時，向+X方向分配一個進給脈沖，即向X軸正方向走一步（一個脈沖當量的位移），簡記為+ΔX；當P點在直線下方，即Fi<0時，向+Y方向分配一個進給脈沖，即向Y軸正方向走一步，簡記為+ΔY；當P點在直線上，即Fi=3\*GB3③、偏差函數(shù)的遞推計算由上述可知，若Fi≥0，向X軸正方向走一步，則PXi+1=Xi若Fi<0，向Y軸正方向走一步，則PXi+1=Xi采用遞推計算式（2-2）、式（2-3）代替式(2-1)計算偏差函數(shù)，既可以簡化計算，又可以縮短插補時間。=4\*GB3④、終點判別一般常用插補循環(huán)或進給的總步數(shù)來判斷是否到達終點。設插補循環(huán)或進給的總步數(shù)為E，顯然有E=X最簡單的方法是每進行一次插補循環(huán)，就對E進行一次減1運算，當E等于0時，表明到達終點，插補結束。三、總體方案的確定1、機械傳動部件的選擇（1）、絲杠螺母副的選擇根據(jù)設計及參數(shù)要求，該傳動副能將電機的旋轉運動轉化為直線運動，且應滿足0.005mm的脈沖當量和±0.01mm的定位精度。由于滾珠絲杠螺母副效率高、精度高、響應快等特點，則應選擇滾珠絲杠副。（2）、導向機構的選擇由于機械手負荷并不大，且工作臺脈沖當量小，定位精度高，因此選用直線滾動導軌副。它具有摩擦阻力小、移動效率高、安裝預緊方便等特點。（3）、減速裝置的選用為圓整脈沖當量，放大電動機的輸出轉矩，降低運動部件折算到電動機轉軸上的轉動慣量，需要具有消隙結構的減速裝置。因此采用無間隙齒輪傳動減速裝置。2、動力裝置的選擇由于直流伺服電動機具有響應迅速、精度和效率高、調速范圍寬、負載能力大、控制特性好等特點。因此采用直流伺服電動機。3、.檢測與傳感裝置的選擇（1）、電機轉速檢測裝置因增量式旋轉編碼器在角度測量和角速度測量較絕對式旋轉編碼器具有更廉價和簡易的優(yōu)勢，因此采用增量式旋轉編碼器。（2）、位移檢測裝置因為光柵式傳感器量程大、精度高，廣泛應用于程控、數(shù)控機床和三坐標測量的機構體，因此采用光柵式傳感器。4、.控制與信息處理裝置的選擇（1）、電機轉速的控制采用晶體管脈寬調制（PWM）調速，這種調速方式有頻率高，電流脈動小，電源的功率因數(shù)高和動態(tài)硬度好等特點。（2）、控制系統(tǒng)的選用=1\*GB3①、CPU的選用為滿足任務書給定的相關參數(shù)，和對步進電機的半閉環(huán)控制，選用MCS-51系列的8位單片機，AT89(52)作為控制系統(tǒng)的CPU。=2\*GB3②、其余輔助裝置的選用驅動器、電源開關、存儲器、I/D接口電路、A/D轉換電路等。注：由于工作臺在X、Y、Z三方向的加工范圍及工作載荷相近，為減少設計量，X、Y、Z三方向的機械傳動、檢測與傳導裝置、控制裝置以及電機的選用均相同。四、機械傳動部件的計算與選型1、滾珠絲杠螺母副的計算與選型已知平均工作載荷Fm=1300N，絲杠工作長度l=0.5m，平均轉速nm=100r/min，最大轉速nmax=10000r/min，使用壽命Lh?=15000h，材料為CrWMn（1）、求計算載荷Fc查表2-6——2-8得：kF=1.2，kH=1.0，k∴Fc=kFkHkAF（2）、計算額定動載荷計算值CaCa′=Fc·3（3）、根據(jù)Ca′假設選用Fc1型號，按滾珠絲杠副的額定動載荷Ca等于或稍大于Ca′原則，查表2-9，選用得絲杠副數(shù)據(jù)為：公稱直徑Do=20mm，導程P=5mm，螺旋角λ=4°33′，滾珠直徑d按課本表2-1中尺寸公式計算：滾道半徑R=0.52×do偏心距e=0.07×(R-do2)=0.07×(1.651-3.1752絲杠內徑d1=Do+2e-2R=20+2×4.445×10（4）、穩(wěn)定性驗算絲杠危險截面的軸慣性矩Ia=πd1464剛彈性模量E=206GPa，μ為長度系數(shù)，即μ=2則絲杠不會發(fā)生失穩(wěn)的最大載荷即臨界載荷FcrFcr=π2E安全系數(shù)S=FcrFm（5）、剛度校核轉矩T=Fm×Do2×所以T=1300×絲杠截面積A=1絲杠的極慣性矩：J絲杠切變模量，鋼G=83.3Gp則滾珠絲杠在工作負載和轉矩共同作用下每個導程的變形量Δl0Δl0=PFEA+P2·T則絲杠在工作長度上的彈性變形引起的導程誤差為：ΔL=l×Δl0通常要求絲杠的導程誤差ΔL小于其傳動精度的12ΔL<12（6）、效率驗算滾珠絲杠副的傳動效率η為：η=tanλtan所以經(jīng)上述計算驗證Fc12、步進電機的計算與選型（1）、初選步進電機的型號根據(jù)設計任務，要求有脈沖當量δp=0,005mm/脈沖，定位精度為±0.01mm，為滿足要求初選電機型號為57HS10042A4，步進角α=1.8（2）、減速器傳動比計算I=αP300δp按最小慣量條件，從課本圖5-32,5-34查得減速器應采用二級傳動。（3）、齒輪減速箱的確定傳動比可分別取為i1=2i2=2.5，選各傳動齒輪齒數(shù)分別為Z1=20，Z2=40，Z3=20，Z4（4）、電動機軸上總當量負載轉動慣量計算取坐標等效直徑為Φ16mmJZ1=JZ3=π×7.8×103JZ2=π×7.8×103JZ4=π×7.8×103Js=π×7.8×103×將各傳動件的轉動慣量折算到電動機軸上，得當量負載轉動慣量：Jd=JZ1+1i2(JZ2=7.84×10-4+125×(0.0125+0.0306)+1=5.75×10-5㎏·m（4）、慣量匹配驗算電動機轉動慣量Jm=6.8×10-5㎏·Jd即滿足14≤（5）、步進電機負載能力校驗步進電機軸上得總慣量:J=Jm+Jd=5.75×10-5+6.8×10-5空載啟動時，電動機上的慣性轉矩：Tj=J×S=J×2πip×WmaxΔt=1.255×10電動機軸上的當量摩擦轉矩：Tμ=P2πηi×mg·μ=0.005其中，設進給傳動鏈的總效率η=0.8，因預緊力而引起的折算到電動機軸上的當量摩擦轉矩為：To=P2πηi×Fo×(1-η2)=P2πηi×Fwmax2×(1-=0.020N·m，工作臺上的最大載荷折算到電動機軸上的負載轉矩為：Tw=P2πηi所以空載啟動時，電動機軸上的總負載轉矩為：Tq=Tj+Tμ在最大外載荷工作時，電動機軸上的總負載轉矩為：Tl=Tw+Tμ查表5-5得恐再啟動時所需電動機最大靜轉矩為：Ts1=Tq在最大外載荷下工作時所需電動機最大靜轉矩為：Ts=Tl所選電動機最大靜轉矩Ts∵Ts>Ts1∴步進電動機可不失步的正常啟動。開環(huán)工作臺機械傳動的框圖如下所示：指令指令驅動電動機減速器絲杠工作臺位置五、檢測與傳感裝置的計算與選型1、速度的檢測與傳感裝置（1）、采用增量式旋轉編碼器，組裝在電動機的尾部轉軸上，用來檢測電動機的轉角和轉速。增量式旋轉編碼器應與步進電機的步矩角相匹配，所選電動機步距角α=1.8°，可知電機轉動一轉時需要控制系統(tǒng)發(fā)出360°1.8°=200個脈沖。考慮到編碼器輸出的A、本例選擇編碼器的型號為2k-A-60-05v0-10-H，盤狀空心型，孔徑10mm，電源電壓±5v，每轉輸出50個A/B脈沖，信號為電壓輸出。（2）增量式旋轉編碼器的應用適應帶加減計數(shù)要求的可逆計數(shù)器，形成加計數(shù)脈沖和減計數(shù)脈沖（3）、增量式旋轉編碼器檢測系統(tǒng)的組成：增量式旋轉編碼器增量式旋轉編碼器放大器整形電路四細分電路脈沖當量變換電路計數(shù)器寄存器計算機辯向電路、2.位移的檢測與傳感裝置（1）、本例中采用光柵式傳感器來測量線位移，使用四細分技術使檢測分辨率提高四倍。所選電機的步矩角為α=1.8°，所以電機轉一轉需檢測系統(tǒng)發(fā)出360°1.8°=200個脈沖。因此所選的光柵式傳感器應與所選用的電機相匹配，即選用刻線密度為50（2）透射式長光柵檢測裝置的結構防護墊2-光柵讀數(shù)頭3-標尺光柵1-光源2-準直鏡3-指示光柵4-光敏4-防護罩元件5-驅動線路（3）透射式長光柵傳感器的工作原理莫爾條紋：嚴格來說：橫向莫爾條紋排列的方向是兩片光柵線紋夾角的平分線相垂直。莫爾條紋的特征：莫爾條紋的變化規(guī)律：兩片兩光柵相對移過一個柵距，莫爾條紋移過一個條紋間距。由于光的衍射和干涉作用，莫爾條紋的變化規(guī)律近似正（余）弦函數(shù)，變化周期數(shù)與兩光柵相對移過的柵距數(shù)同步。放大作用：莫爾條紋寬度W和光柵柵距d，柵線夾角θ之間關系：由圖可知W=dsinθ又θ很小可認為sinθ≈θ故W=d/θ(4)莫爾條紋的細分技術（5）、光柵式傳感器檢測系統(tǒng)的組成：光柵式傳感器光柵式傳感器放大器整形電路四細分電路脈沖當量變換電路計數(shù)器寄存器計算機辯向電路六、控制與信息處理裝置的選擇速度控制本例中采用晶體管脈寬調制PWM調速系統(tǒng)對電機轉速進行控制。對速度控制的要求準?？刂品侄瓤刂坪憔€速度控制（2）、晶體管脈寬調制PWM調速系統(tǒng)1）直流脈寬調制功率放大器中的大功率晶體管工作在開關狀態(tài)下，開關頻率保持恒定，用調整開關周期內晶體管導通時間（即改變基極調制脈沖寬度）的方法來改變輸出。從而使電機獲得脈寬受調制脈沖控制的電壓脈沖，由于頻率高及電感的作用則為波動很小的直流電壓（平均電壓）。脈寬的變化使電機電樞的直流電壓隨著變化。直流脈寬調制的基本原理脈寬調制器同向加法放大器電路圖：USr–速度指令轉化過來的直流電壓U△-三角波USC-脈寬調制器的輸出（USr+U△）調制波形圖:開關功率放大器主回路：可逆H型雙極式PWM開關功率放大器電路圖:由四個大功率晶體管（GTR）T1、T2、T3，T4及四個續(xù)流二極管組成的橋式電路。H型：又分為雙極式、單極式和受限單極式三種。Ub1、Ub2，Ub3，Ub4–為調制器輸出，經(jīng)脈沖分配、基極驅動轉換過來的脈沖電壓。分別加到T1、T2、T3、T4的基極工作原理T1和T4同時導通和關斷，其基極驅動電壓Ub1=Ub4。T2和T3同時導通和關斷，基極驅動電壓Ub2=Ub3=–Ub1。以正脈沖較寬為例，既正轉時。負載較重時：①電動狀態(tài)：當0≤t≤t1時，Ub1、Ub4為正，T1和T4導通；Ub2、Ub3為負，T2和T3截止。電機端電壓UAB=US，電樞電流id=id1，由US→T1→T4→地。②續(xù)流維持電動狀態(tài)：在t1≤t≤T時，Ub1、Ub4為負，T1和T4截止；Ub2、Ub3變正，但T2和T3并不能立即導通，因為在電樞電感儲能的作用下，電樞電流id=id2，由D2→D3續(xù)流，在D2、D3上的壓降使T2、T3的c-e極承受反壓不能導通。UAB=-US。接著再變到電動狀態(tài)、續(xù)流維持電動狀態(tài)反復進行，如上面左圖。負載較輕時：③反接制動狀態(tài)，電流反向：②狀態(tài)中，在負載較輕時，則id小，續(xù)流電流很快衰減到零，即t=t2時（見上面右圖），id=0。在t2～T區(qū)段，T2、T3在US和反電動勢E的共同作用下導通，電樞電流反向，id=id3由US→T3→T2→地。電機處于反接制動狀態(tài)。④電樞電感儲能維持電流反向：在T～t3區(qū)段時，驅動脈沖極性改變，T2、T3截止，因電樞電感維持電流，id=id4，由D4→D1。⑤電機正轉、反轉、停止：由正、負驅動電壓脈沖寬窄而定。當正脈沖較寬時，既t1>T/2，平均電壓為正，電機正轉；當正脈沖較窄時，既t1<T/2，平均電壓為負，電機反轉；如果正、負脈沖寬度相等，t1=T/2，平均電壓為零，電機停轉。⑥電機速度的改變：電樞上的平均電壓UAB越大，轉速越高。它是由驅動電壓脈沖寬度決定的。(6)PWM調速系統(tǒng)的特點①頻帶寬、頻率高：晶體管“結電容”小，開關頻率遠高于可控（50Hz)，可達2-10KHz?？焖傩院?。電流脈動?。河捎赑WM調制頻率高，電機負載成感性對電流脈動有平滑作用，波形系數(shù)接近于1。電源的功率因數(shù)高:SCR系統(tǒng)由于導通角的影響，使交流電源的波形畸變、高次諧波的干擾，降低了電源功率因數(shù)。PWM系統(tǒng)的直流電源為不受控的整流輸出，功率因數(shù)高。④動態(tài)硬度好:較正瞬態(tài)負載擾動能力強，頻帶寬，動態(tài)硬度高。2、CPU的選擇（1）、A789（52）單片機的原理圖（2）、A789（52）單片機的作用=1\*GB3①、作為系統(tǒng)的總控制器，發(fā)出指令脈沖。=2\*GB3②、處理速度和位移傳感器的反饋信息，實現(xiàn)對系統(tǒng)的閉環(huán)控制。七、工作臺系統(tǒng)的功能框圖指令指令單片機驅動器直流步進電機減速器絲杠工作臺增量式旋轉編碼器位置光柵傳感器八、工作臺裝配圖的繪制九、部分源代碼#include<reg52.h>sbitpls1=P1^0;sbitdir1=P1^1;sbiten1=P1^2;sbitpls2=P1^3;sbitdir2=P1^4;sbiten2=P1^5;sbitpls3=P2^0;sbitdir3=P2^1;sbiten3=P2^2;#defineN1voidmaichong(intZ,intx,inty);voiddelay(intz);voidmain(){intz=400;en1=1;en2=1;en3=1;while(1){maichong(400,1,0);maichong(400,1,1);maichong(400,2,0);maichong(400,2,1);maichong(400,3,0);maichong(400,3,1);maichong(400,3,1);maichong(400,3,0);maichong(400,2,1);maichong(400,2,0);maichong(