机电一体化课程设计

设计项目：二自由度机械运动平台与控制指导老师：李斌，杨林设计人员：廖华伢学号：07490204校核人员：廖华伢完成时间：2009年12月30日设计单位：重庆交通大学机电学院机械电子二班《综合课程设计》指导书机电一体化系统课程设计指导书2目录一、课程设计的目的……………………………………………3二、课程设计的内容……………………………………………31数控装置总体方案的确定……………………………31.1系统运动方式与伺服系统…………………………41.2控制系统……………………………………………41.3X—Y工作台的传动方式…………………………42机械系统设计…………………………………………52.1滚珠丝杠的计算和设计……………………………53控制系统的设计…………………………………………153.1控制系统的设计内容………………………………153.2控制系统的设计步骤………………………………153.3存储器扩展电路的设计……………………………163.4步进电机驱动电路设计……………………………203.5其它辅助电路设计…………………………………224控制系统硬件电路设计………………………………235控制系统的软件设计…………………………………255.1控制系统软件的主要内容………………………255.2软件具体设计……………………………………25三、课程设计的总结…………………………………………33四、课程设计参考文献…………………………………………34五、机械装配图和电气原理图…………………………………34机电一体化系统课程设计指导书3一、课程设计的目的《综合课程设计》是培养学生设计能力的重要实践性教学环节之一，是综合运用所学过的机械、电子、自动控制、计算机等知识进行的基本设计训练。其目的是：1、能够正确运用《机电系统设计》课程的基本理论和相关知识，掌握机电一体化系统（产品）的功能构成、特点和设计思想、设计方法，了解设计方案的拟定、比较、分析和计算，培养学生分析问题和解决问题的能力，使学生具有机电一体化系统设计的初步能力；2、通过机械部分设计，掌握机电一体化系统典型机械零部件和执行元件的计算、选型和结构设计方法和步骤；3、通过测试及控制系统方案设计，掌握机电一体化系统控制系统的硬件组成、工作原理，和软件编程思想；4、通过课程设计提高学生应用手册、标准及编写技术说明书的能力，促进学生在科学态度、创新精神、专业技能等方面综合素质的提高。二、课程设计的内容1数控装置总体方案的确定根据设计要求，采用的是单片机控制的步进电机驱动的多用XY工作台。控制精度为±0.01mm；而且采用是滚珠丝杠传动，其使用寿命为T=15000h；X方向的有效行程是mm600Lx，最大进给速度为min1000mmVXmax；Y方向的有效行程是mm400Ly，最大进给速度机电一体化系统课程设计指导书4为min1000mmVYmax；承受工作载荷为N2000FZ，能承受中等冲击。具体系统的运动方式和设备的选型如下：1.1系统运动方式与伺服系统采用连续控制系统。考虑到运动精度要求不高，行程较短，为简化机械结构，降低设备成本，而且系统的负载不大，故采用步进电机开环伺服系统作为驱动元件，这样还可使维修容易。具体步进电机的选型参考步进电机的选型和设计。1.2控制系统采用MCS-51系列中的8051单片机扩展控制系统。MCS-51单片机的主要特点是集成度高，可靠性好，功能强，速度快，性价比高。控制系统由微机部分、键盘及显示器、I/O接口及光电隔离电路、步进功率放大电路等组成。系统的工作程序和控制命令通过键盘操作实现。显示器采用数码管显示加工数据和工作状态等信息。1.3X—Y工作台的传动方式为保证一定的传动精度和平稳性以及结构的紧凑，采用滚珠丝杠螺母传动副。为提高传动刚度和消除间隙，采用有预加载荷的结构。由于工作台的运动部件重量和工作载荷不大，故选用滚动直线导轨副，从而减小工作台的摩擦系数，提高运动平稳性。在设计的同时，需要考虑缩短传动链。因为缩短传动链可以提高系统的传动刚度，减少传动误差。考虑电机步距角和丝杠导程只能按标准选取，为达到分辨率的要求，以及考虑步进电机负载匹配，采用齿轮减速传动。机电一体化系统课程设计指导书5图1系统总体框图2机械系统的设计机械系统设计内容包括：确定系统脉冲当量，运动部件惯性的计算，选择步进电机，传动及导向元件的设计、计算与选择，绘制机械部分装配图等。2.1滚珠丝杠的计算和设计（1）确定系统脉冲当量脉冲当量p是用来表示步进电机每接受一个脉冲使对应的执行部件移动的距离，单位为mm/脉冲。考虑到机械传动系统存在误差，因此p应小于等于工作台的位置精度，由于定位精度为mm01.0，一般选脉冲/mm005.0~01.0，因此在本课题设计中选脉冲当量为允许范围内的值为脉冲/01.0mm。（2）工作台外形尺寸及重量初步估算根据给定的有效行程，画出工作台简图，估算X向和Y向作台承载重量xW和yW；取X向导轨支撑钢球的中心距为620mm，Y向导轨支撑钢球的中心距为420mm，设计工作简图如下：MCU光电隔离功率放大步进电机X向工作台光电隔离功率放大步进电机Y向工作台机电一体化系统课程设计指导书6图2工作台简图X向拖板（上拖板）尺寸为：50130200高宽长X向拖板重量：材料比重体积总重量，则估算为：NWX4.101108.7105013020023Y向拖板（上拖板）尺寸为：50300420高宽长Y向拖板重量：材料比重体积总重量，则估算为：NWy4.491108.7105030042023上导轨（含电机）重量估算为：N34.314108.710503562021030062023）（夹具及工件重量约为155N。则YX工作台运动部分总重量为：NW14.90734.3144.4914.101（3）滚动导轨副的计算和选择机电一体化系统课程设计指导书7根据给定的工作载荷ZF和估算的xW、yW，计算导轨的静安全系数PCfSL0，式中）（kNC0为导轨的基本静额定载荷。工作台的工作载荷)(5.0WfPSL。0.3~0.1SLf（一般运动状况），若是0.5~0.3（为运动时受到冲击、振动）。根据计算结果和查相关资料初选导轨：因为系统受中等冲击，则选0.4SLf。yxSLPfC,0)(5.0,,yxZyxWFPNWFPxZx7.1050)4.1012000(5.0)(5.0NWFPyZy7.1245)4.4912000(5.0)(5.0NPfCxSLx8.42027.10500.40NPfCySLy8.49827.12450.40根据计算的额定静载荷初选导轨：选择HJG-D系列滚动直线导轨，其型号为HJG-D25。其基本参数如下（表1）：额定载荷/N静态力矩/N*M滑座重量导轨重量导轨长度动载荷aC静载荷0CATBTCTgKmKg/)(mmL17500260001981982880.63.1760滑座个数单向行程长度每分钟往复次数Msln40.64导轨的额定动载荷为NCa17500依据使用速率min)/(m和初选导轨的基本额定动载荷aC（KN）验算导轨的工作寿命：机电一体化系统课程设计指导书8额定行程长度寿命：)(FCffffKTaWCTHs50042000MFFM，500dRK1Tf，2Wf，81.0Cf，1HfkmFCffffKTaWCTHs4.143164)50017500281.011(50)(3轨道的额定寿命：hnlTTSH3303101.4976046.02104.143164210h15000故导轨的工作寿命足够。（4）滚珠丝杠的计算和选择初选丝杠材料为CrWMn钢，HRC58~60,导程：mml50（4.1）强度计算丝杠轴向力：))((,,maxNWFfKFFyxZyx，其中K=1.15，滚动导轨摩擦系数f=0.003~0.005，在运动平台工作分别承受X，Y向力时：ZXFF)6.0~1.0(，ZYFF)7.0~15.0(，可取ZXFF5.0，ZYFF6.0计算。取NFfZ850,004.0，则：NFFZX100020005.05.0NFFZY120020006.06.0NWFfKFFxZxX4.1158)4.1012000(004.0100015.1)(maxNWFfKFFyZyY97.2309)4.4912000(004.0120015.1)(max寿命值：61060nTL，其中丝杠转速min)/(0maxrln，hT15000机电一体化系统课程设计指导书9min/200510000maxrln180101500020060106066nTL最大动载荷：FffLQWH3，式中Wf为载荷系数，中等冲击时为1.2~1.5;Hf为硬度系数，HRC大于58时为1.0。查表得2.1Wf，0.1Hf，则：NFffLQXWHX7.78484.11582.1118033NFffLQYWHY1.1565197.23092.1118033根据使用情况选择滚珠丝杠螺母的结构形式，并根据最大动载荷的数值可选择滚珠丝杠的型号为：CM系列滚珠丝杠副，其型号为CM2506-5（滚珠外循环，插管埋入式反向器，单螺母）。其基本参数如下：机电一体化系统课程设计指导书10其额定动载荷19740NYQ足够用，滚珠循环方式为外循环螺旋槽式，预紧方式为双螺母螺纹预紧式。滚珠丝杠螺母副的几何参数计算如下（表2）：名称计算公式结果公称直径0dmm20螺距tmm5接触角45钢球直径bdmm175.3螺纹滚道法向半径RbdR52.0mm651.1偏心距esin)2(bdRemm04489.0螺纹升角)(0dtarctg'334螺杆外径dbddd)25.0~2.0(0mm365.19螺杆内径1d)(201Reddmm788.16螺杆接触直径2dcos02bdddmm755.17螺母螺纹外径D)(20RedDmm212.23螺母内径（外循环）1DbddD)255.0~2.0(01mm7.20（4.2）传动效率计算丝杠螺母副的传动效率为：)(tgtg，其中'10，为摩擦角；为螺旋丝杠升角。96.0434334)(''tgtgtgtg（4.3）稳定性验算机电一体化系统课程设计指导书11丝杠两端采用止推轴承时不需要稳定性验算。（4.4）刚度验算滚珠丝杠受工作负载引起的导程变化量为：)(01cmESFll，由于Y向受牵引力大，故用Y向参数计算：NFY97.2309cml5.00)/(106.2026cmnE)(56.8651.114.3222cmRS)(105.656.8106.205.097.23096601cmESFll由此可以看出丝杠受扭矩引起的导程变化量很小，可忽略不计。导程变形总误差为][131036.35.0100105.61004601umllE级精度丝杠允许的螺距误差um15][。（5）齿轮的计算和设计因步进电机的步距角5.1b，滚珠丝杠螺距mmt5，要实现脉冲当量stepmmp/01.0，在传动系统中应加一对减速齿轮传动。齿轮传动比0360lip，初步选定步进电机步距角step/5.1。48.055.101.03603600lip21ZZi机电一体化系统课程设计指导书12取小齿轮齿数为241Z，则大齿轮齿数为501Z由于传递的扭矩较小，取模数为：mmm1，则分度圆直径：2424111mZd，5050122m