机电传动单向数控平台设计---课程设计

1、机电传动单向数控平台设计中国矿业大学机械电子方向课程设计题目：机电传动单向数控平台设计学 院：机电工程学院班 级：学生姓名：学 号：指导教师：完成时间：目录第一章、前言1第二章、课程设计具体任务12.1 设计任务介绍及意义 12.2 设计任务明细22.3 设计的基本要求2第三章、总体方案设计23.1 设计基本依据 23.2 总体方案确定3第四章、机械部分设计 44.1 导轨的选择44.2 导轨设计程序及内容 44.3 机械传动系统设计与核算 54.4 联轴器和电机选型12第五章、电气控制系统设计 155.1 电气控制系统设计的基本原则155.2 步进电机简介 155.3 单片机的选择165.4

2、 放大电路高耐压、大电流复合晶体管 IC ULN2003简介 165.5 人机接口设计18第六章、设计总结21参考文献223机电传动单向数控平台设计第一章、前言现代科学技术的不断发展，极大地推动了不同学科的交叉与渗透， 导致了 工程领域的技术革命与改造。在机械工程领域，由于微电子技术和计算机技术的 迅速发展及其向机械工业的渗透所形成的机电一体化，使机械工业的技术结构、 产品机构、功能与构成、生产方式及管理体系发生了巨大变化，使工业生产由“机 械电气化”迈入了 “机电一体化”为特征的发展阶段。数控技术及装备是发展新兴高新技术产业和尖端工业的使能技术和最基 本的装备，又是当今先进制造技术和装备最核

3、心的技术。数控技术是用数字信息 对机械运动和工作过程进行控制的技术，而数控装备是以数控技术为代表的新 技术对传统制造产业和新兴制造业的渗透形成的机电一体化产品，具技术范围覆盖很多领域。X-Y数控工作台是许多机电一体化设备的基本部件，如数控车床 纵纵一横向进刀机构、电子元件表面贴装设备等。模块化的X-Y数控工作台，通 常由导轨座、移动滑块、工作、丝杠螺母副，以及伺服电动机等部件构成。其中 伺服电动机做执行元件用来驱动滚珠或螺旋丝杠， 丝杠螺母带动滑块和工作平台 在导轨上运动，完成工作台在 X、Y方向的直线移动。导轨副、丝杠螺母副和伺 服电动机等均已标准化，由专门厂家生产，设计时只需根据工作载荷选

4、取即可。 控制系统根据需要，可以选取用标准的工作控制计算机， 也可以设计专用的微机 控制系统。第二章、课程设计具体任务2.1 设计任务介绍及意义(1)课程设计题目机电传动单向数据平台设计(2)主要内容包括机械传动结构设计 电气测控系统(3)课程设计意义培养学生综合运用所学的基础理论和专业知识，独立进行机电控制系统 (产品)的初步设计工作，并结合设计或试验研究课题进一步巩固和扩大知识领 域。培养学生搜集、阅读和综合分析参考资料，运用各种标准和工具书籍以及 编写技术文件的能力，提高计算、绘图等基本技能。培养学生掌握机电产品设计的一般程序和方法，进行工程师基本素质的训树立正确的设计思想及严肃认真的工

5、作作风。2.2 设计任务明细(1)电机驱动方式：步进电机、直流伺服电机、交流伺服电机；(2)机械传动方式：螺旋丝杆、滚珠丝杆、同步皮带、链传动；(3)电气控制方式：单片微机控制、PLC控制；(4)功能控制要求：速度控制、位置控制；(5)主要设计参数：单向工作行程 1800、1500、1200 mm移动负载质量一一100、50 kg;负载移动阻力一一50、100 N;(估算值)移动速度才$制一一3、6 m/min；速度控制精度士 0.5%或实现行程(位置)控制，控制精度土 0.01mm士 0.1mm2.3设计的基本要求(1)方案设计：根据课程设计任务的要求，在搜集、归纳、分析资料的基 础上，明确

6、系统的主要功能，确定实现系统主要功能的原理方案， 并对各种方案 进行分析和评价，进行方案选优。(2)总体设计：针对具体的原理方案，通过对动力和总体参数的选择和计算，进行总体设计，最后给出机械系统的控制原理图或主要部件图(A1一张)。(3)电气原理图：根据控制功能要求，完成电气控制设计，给处电气控制 电路原理图(A2一张)。(4)成果展示：课程设计的成果最后集中表现在课程设计说明书和所绘制 的设计图纸上，完成课程设计说明书一份，字数为 3000字以上，设计图纸不少 于两张。(5)绘图及说明书：用计算机绘图或手工绘图，打印说明书。第三章、总体方案设计3.1 设计基本依据(1)步进电动机是一种用电脉

7、冲信号进行控制，并将电脉冲信号转换成相应的角位移或位移的控制电机。它的直线位移量或角位移量与电脉冲数成正比， 2机电传动单向数控平台设计所以电机的线速度或转速也与脉冲频率成正比， 通过改变脉冲频率的高低就可以 在很大的范围内调节电机的转速， 并能快速启动、制动和反转，同时电机的运动 方向取决于控制绕组的通电顺序。步进电动机适合于作为数字控制系统的伺服元 件。混合式步进电动机步距角小，启动和运行频率较高，消耗功率小。(2)滚珠丝杆螺母副是数控机床中回转运动转换为直线运动的常用装置。 它以滚珠的滚动代替丝杆螺母副中的滑动，摩擦力小，具有良好的性能。滚珠丝杆的主要工作原理是在丝杆和螺母上加工有弧形螺

8、旋槽，当它们套装在一起时便形成螺旋管道，并在滚道内装满滚珠。而滚珠则沿滚道滚动，并经回珠管道作周 而复始的循环运动。回珠管道两端还起挡滚珠的作用，以防止滚珠沿滚道掉出。 特点：摩擦阻力小，传动效率高(一般在 90%Z上)；运转平稳，启动时不 颤动，低速时不爬行； 螺母和螺杆经调整预紧，可以得到很高的定位精度(5 pm / 300mm)重复定位精度，并可以提高轴向刚度；工作寿命长，不易发生 故障。适用于金属切削机床、测试机械、仪器的传动螺旋和调整螺旋等。(3)单片机是一种集成电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数 据处理能力的中央处理器CPUS机存储器RAM只读存储器ROM多种I/O 口和

9、中断 系统、定时器/计时器等功能(可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟 多路转换器、A/D转换器等电路)集成到一块硅片上构成的一个小而完善的微型 计算机系统，在工业控制领域的广泛应用。单片机广泛应用于仪器仪表、家用电 器、医用设备、航空航天、专用设备的智能化管理及过程控制等领域。而可编程 逻辑控制器(Programmable Logic Controller , PLQ ,它采用一类可编程的存 储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作 等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入 /输出控制各种类型的机械或生产 过程。3.2 总体方案确定参数初设如下：(1)电机

10、驱动方式：步进电机(2)机械传动方式：滚珠丝杠(3)电气控制方式：单片机控制(4)功能控制要求：速度控制(5)主要设计参数：单向工作行程：1800mm移动负载质量：100kg;负载移动阻力：100N;移动速度控制：06mm/min实现行程(位置)控制，控制精度士 0.01mm选用矩形导轨，工作台滑动摩擦系数=0.15;丝杠两端为固定支撑(E-F),每个支座安装圆锥滚子轴承，安装时进行预拉伸。第四章、机械部分设计4.1 导轨的选择导轨性能的好坏，直接影响机床的加工精度、承载能力和使用性能。所以， 导轨要满足以下基本要求：结构简单，有良好的导向精度、精度保持性、低速运 动平稳性和工艺性好。导轨作为

11、进给系统的重要环节，不同类型的机床，对导轨 的要求也不同。数控机床的导轨比普通机床的导轨要求要高：高速进给时不发生 振动，低速进给时不出现爬行现象，灵敏度高，耐磨性好，可在长期重载下连续 工作，精度保持性好等。4.2 导轨设计程序及内容(1)根据工作条件，选择导轨类型为SVR28(2)选择导轨的截面形状，以保证导向精度(如表 1中图示)。(3)选择适当的导轨结构及尺寸，使其在给定的载荷及工作温度范围内， 有足够的刚度，良好的耐磨性，以及运动轻便和平稳。(4)选择导轨的补偿及调整装置，经长期使用后，通过调整能保持需要的 导向精度。(5)选择合理的润滑方法和防护装置，使导轨有良好的工作条件，以减少

12、 摩擦和磨损。(6)制订保证导轨所必须的技术条件，如选择适当的材料，以及热处理、 精加工和测量方法等。表1. SVR28型直线滑动矩形导轨直线滑动矩形导轨截向形状2-SXJ/W.B rt IlZ2-Cb/I17Bl匕W-】1VVz_wi K1一 画城结构尺寸单位HBW 士 0.005W2W士 0.005KTmm283220114222.57.5间隙调整 装置镶条导轨材料与热处理灰铸铁时效处理4.3 机械传动系统设计与核算表2.滚珠丝杠及轴承设计与核算在舁 厅P计算项目单位计算依据计算结果丝杆载荷：导轨摩擦力屋强力切削时数荷NFg n mig m2g0.15(100 15) 9.8= 1801F

13、amaxNFamax 2000 1802180一般铳削时数荷Fa精铳时载荷Fa快移载荷FaNNNFa 1000 180Fa 500 180Fa 1801180680180电机转速（最大）nmaxr/min假设电机的转速最大为15001500丝杠最大转速n（快r/min1000移）2强力铳削nir/min60一«铳削n2r/min80精密铳削n3r/min100移动的最大速度vmax=6m/min =3丝杠导程phmm6 1000 mm/minDh vmax/6000/ph/n7100064当量转速nmr/min“ 15”nm 60 8010050100 100010030100510

14、0133F' FmNFm ,弓3F23 业V nmnm10385初选滚珠丝杆(1)计算动载荷Caj(2)要求寿命Lh(3)综合系数七(4)滚珠丝杠副的 型号NhKh3.11 1038CajF mKn 归0.63 0.44211Lh 315000 飞Kh -50050011-33.3 333.3 3K n n133使用推荐寿命15000h;fft fh fa fk 1 1 1 0.53k=fw1.2查表得：fw 1.2, ft 1, fa 1fk 0.53, fh 1由表2.8-27选用FFZ理内循环浮动返向双螺母垫片预紧滚珠丝杠副，型号FFZD3206额加日Ca 15KN >Ca

15、j预紧力 八八1_Fo 0.25Ca 3750 - Fmax 727N3115923.110.63150000.442符合要求6丝杠螺纹部分长度lumm八二工作台最大行程( 1800) +螺母长度(102) +两端余程(40)1800 102 2 4019827支承距离lmm支承跨距l应大于lu2100(1)临界转速核算r/min查表得：ncnc 9900 f42Lc_2一 一c 4.730.02729900 21.653651(2)丝杠底径d2md2 d0 1.2Dw32 1.2 40.02728(3)支承方式系由表2.8-66查的f2 4.734.73数f2(4)临界转速计算长度LcmLc

16、 102 1800 c 2要求nc nmaxc 2100 198240 21.95符合要求9国杆瘠宗松核两端固定支承，丝杠不受压缩，因而不必校核稳定性页拉伸计算取温升为3 c(1)温升引起的伸a m6t ocVtlu 11 10 6 3 1.98265.41长量6t10(2)丝杠全长伸长量6tza m6tz 11 106 32.169.3(3)预拉力FtN6*E £93_Ftlu2.1 10115_2105 - 0.0272241.9824264轴承选择选择固定支承E、F型轴端E、F型轴端结构11轴端结构轴承型号轴端结构轴承型号为7602020TVP型号为7602020TVP12主要

17、参数和尺寸(1)预紧力的确定Fo(2)疲劳强度计算 额定动载荷CNN由表查得：d 20mm, D 47mm,B 14mm, Z 15mm,Dw 5.953mm,Ca 19600N,预紧力Fo 2300Nl,l 1 lc c 1 cFmax Ft Fmax 4246 2180 maxtmax22因为 F0>1/3 F0=1779N由轴承负裁计算公式校核C KhF 网 4246Kn0.63进给方向是可变的，负我可能是Ft Fm也可能是Ft Fm ,取其平均值4246N因为初选7602020TV型轴承的额定动负载小于20960N,所以改用7603020TV型轴承，参数如下：d 20mm, D

18、52mm,B 15mm,Z 13,Dw 7.144mm,Ca 24500 N,预紧力F0 2900 N5336符合要求20960满足寿命 要求13定位精度校核(1)丝杠在拉压载 荷卜最大弹性位移"smax(2)丝杠与螺母问的接触艾形6cca ma m6smax _Fl_ 1064AE2.1Fk104 0.02722 2.1 1011 40.0043F快移时F 180, smax=0”强力铳削时F 2180, smax=9.37精密铳削时F 680N, smax 2.92 s smaxF6。K：查表2.8-27 得 FFZD32 6 3滚珠丝杠的接触刚度：Kc 1150所以得快移时F

19、180 b。 Kc 1150 c强力铳削时 F 2180 bc Kc 1150精密铳削时 F 680 ocKc 1150 c0.779.372.920.161.900.59(3)轴承的接触变 形6b(4)丝杠系统的总 位移6(5)定位精度a m11KB 23.6 Z2sin5a Dw 飞 Fj123.6 1 32 sin5 60 0.007144 3129003282 Na m快移时F 1806bKb 282强力铳削时 F 21806b Kb 282精密铳削时F 6806bKb 2826= 6b 6c 6smax一6 =0.64+016+0.77快移时强力铳削时 6 =7.73+1.90+9.

20、37精密铳削时 6 =2.41+0.59+2.92qmax发生在螺母处于丝杠种 s max部处，6c和6b与螺母位置无关，所以以上求得的位移均为%50mm查表 2.8-18 和2.8-21 , 取丝杠的精度为1级，任意300mm 的行程公差为6仙m。可以满足速 度控制精度士 0.5%的要求0.647.732.411.5719.005.921满足定位 精及要求设计丝杠的结果如下：选用丝杠副型号FFZD3206两端支承为E、F型，轴承型号为角接触球轴承7603020TVP4.4 联轴器和电机选型表3.联轴器及电机计算在舁 厅P计算项目单位计算依据计算结果1、vmax工件最大速度m/min62，一W

21、滑动部分质量kg1003p 丝杠导程m0.0064丝杠长度Lm1.9825丝杠直径m0.02726联轴器质量Mkg1.167联轴器外径Dm0.0808摩擦因数"0.39ta 加速时间s0.2510机械效率0.911电动机转速nmr/minvmax nmp100012(1)滑动部分转动惯量J1(2)滚珠丝杠转动惯量Js2 kggm2 kggm2.p .0.006Ji W 10022Js Ld432 _ _ _4 7.87 1982 0.0272 32（设滚珠丝杠的材料为铁，其密-40.9 1030.838 10(3)联轴器转动惯量Jc c(4)折算到电机轴上的转动惯量Jd _2 kgg

22、m2kggm33度为 7.87 10kg/m)初选联轴器直径选19mm选用凸 缘联轴器GY1,质量为1.16kg , 外径为0.080mm1212Jc -MD2 一 1.16 0.0802 88Jd Ji Jc Js0.928 10 31.856 10 313折算到电机轴上的负裁转矩TlNgmm mg+FTl p i2 n因i 14=0.9 ,故Tl 0.3 100 9.8+2000 0.006 120.92.43414电动机轴上的加速转矩TaNgmTa 2-nm(JM Jd)60ta0.777 418.9JM其中，Jm为电动机的转动惯量，2 kggm0.777418.9Jm15折算到电机轴上

23、的总转矩Teq eqNgmTeq Ta 3.211 418.9JM3.211418.9Jm电动机选型取安4Tm 1初步110B、JM =1Teq :3237Tm :2.59.45110转矩满足H淙KTeq选1G3 .35(3.21113Ng2.5(3. NgBY( (保:国求数K=2 5,则必需转矩2.5 (3.211 418.9Jm)定电动机型号为)50CH-05Q1 其*E贯量、, 3 ,2)10 kggm ,则有1 418.9Jm418.9 1.356 103m(3.211 418.9Jm )211 418.9 1.356 10 3) m三350CH-0501的最大静持扭矩)为12>

24、;9.45,步距角0.6o3.789.45电动机的验算工转速/的f J件直n nm运nm受快速度对应的电动机n 1000r / min ,则对应行频率 为360o 1000 360o10000fm6060 0.6or 件并' -L Ur.一第11 *Uli 册一口11谕 i(vac9sKIHIE11 n JIIHMI,；耨H-叶方电ett=UK靠IIi ina|i KJ 1100MIL电动机满 足要求从上佟 看出, 机的m的此:输近频特性曲线上可以 强度（或频率）时电动 出转矩大于Teq ,即eq16174>3.78,故此电动机满足要求。18精度校核三相异步电机，取脉冲当量bPh

25、0.1 ,要求 360oi,而* 0.01360 1,故满足要求。符合要求选用电动机及联轴器结果如下:电动机型号为110BYG350CH-05Q1三相六拍，联轴器选用凸缘联轴器，型号为GY1第五章、电气控制系统设计5.1 电气控制系统设计的基本原则在电气控制系统的设计过程中，应遵循以下几个原则：(1)最大限度满足机床和工艺对电气控制的要求；(2)在满足控制要求的前提下，设计方案应力求简单、经济和实用，不 宜盲目追求自动化和高性能指标；(3)妥善处理机械与电气的关系。很多生产机械是采用机电结合控制方式 来实现控制要求的，要从工艺要求、制造成本、机械电气结构的复杂性和使用维 护等方面协调处理好二者

26、的关系；(4)把电气系统的安全性和可靠性放在首位，确保使用安全、可靠。(5)合理的选用电器元件。5.2 步进电机简介步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负 载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。这一线性关系 的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点。使得在速度、位 置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单。三相电动机工作原理为：当电动机的三相定子绕组(各相差 120度电角度)，通入三相对称交流电后，将产生一个旋转磁场，该旋转磁场切割转子绕组，从而 在转子绕组

27、中产生感应电流(转子绕组是闭合通路)，载流的转子导体在定子旋 转磁场作用下将产生电磁力，从而在电机转轴上形成电磁转矩，驱动电动机旋转， 并且电机旋转方向与旋转磁场方向相同。5.3 单片机的选择单片机是一种集成电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理 能力的中央处理器CPUS机存储器RAM只读存储器ROM多种I/O 口和中断系统、 定时器/计时器等功能(可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转 换器、A/D转换器等电路)集成到一块硅片上构成的一个小而完善的微型计算机 系统。89C51是一种带4K?节闪烁可编程可擦除只读存储器(FPEROMFlash Programmable a

28、nd Erasable Read Only Memory )的低电压、高性能 CMOS8微 处理器，俗称单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。该器件采用ATMEL密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的 MCS-5指令集和输 出管脚相兼容。由于将多功能8位CP则闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL 89C51是一种高效彳控制器，89C205促它的一种精简版本。89CI片机为很多嵌 入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。5.4 放大电路高耐压、大电流复合晶体管IC ULN2003简介(1) ULN2003是一个7路反向器电路，即当输入端为高电平时ULN2003AJ出端

29、为低电平，当输入端为低电平时ULN2003瑜出端为高电平。在自动化密集的的场 合会有很多被控元件如继电器，微型电机，风机，电磁阀，空调，水处理等元件 及设备，这些设备通常由CPUT集中控制，由于控制系统不能直接驱动被控元件， 这需要由功率电路来扩展输出电流以满足被控元件的电流，电压。ULN2XXXX压大电流达林顿晶体管阵列系列产品就属于这类可控大功率器件，由于这类器件功能强、应用范围语广。因此，许多公司都生产高压大电流达林顿晶体管阵列产品， 从而形成了各种系列产品。其原理图如下：(2) ULN2003工作电压高于工作电流大于灌电流可达 500mA并且能够在关态 时承受50V的电压，输出还可以在

30、高负载电流并行运行。ULN2003管脚图如下所 示：CH T 1?11 I C1I J Cu-ui-i iw； nirNiis引脚1： CPU脉冲输入端，端口对应一个信号输出端。引脚2: CPU脉冲输入端。引脚3: CPU脉冲输入端。引脚4: CPU脉冲输入端。引脚5: CPU脉冲输入端。引脚6: CPU脉冲输入端。引脚7: CPU脉冲输入端。引脚8:接地。引脚9:该脚是内部7个续流二极管负极的公共端，各二极管的正极分别接各达林顿管的集电极。用于感性负载时，该脚接负载电源正极，实现续流作用。如果 该脚接地，实际上就是达林顿管的集电极对地接通。引脚10:脉冲信号输出端？?对应7脚信号输入端引脚1

31、1:脉冲信号输出端？?对应6脚信号输入端引脚12:脉冲信号输出端？?对应5脚信号输入端引脚13:脉冲信号输出端？?对应4脚信号输入端引脚14:脉冲信号输出端？?对应3脚信号输入端(3)单片机硬件接线图:30PT品30P+5V"Ad Hr-22hF 1FSTroo HJ.l F02 P03 P04 F0.5 P0.6 P0 7于进电的机5.5 人机接口设计本次电气设计中，根据对平台速度控制的设计，分为 3个铳削档，铳削类型依次为快进、精密铳削、强力铳削，分别由三个按键构成，同时由一个七段译码管组成，一个输入端与一个输出端，构成一个简单的人机接口。电动机转动方向有正转和反转两种，由两个按

32、键构成。平台两端由两个触碰开关的闭合与否判断工作台是否运行到端头。5.6 单片机程序 #include<reg51.h> sbit P1_0=P1A0; sbit P1_1=P1A1； sbit P1_2=P1A2; sbit P1_3=P1A3; sbit P14=P1A4;sbit P1_5=P1A5;sbit P1_6=P1A6;sbit P1_7=P1A7；sbit P0_0=P0A0；sbit P0_1=P0A1；sbit P0_2=P0A2;sbit P0_3=P0A3;sbit P0_4=P0A4;sbit P3_4=P3A4;sbit P3_5=P3A5;sbit

33、P3_6=P3A6;sbit P3_7=P3A7;unsigned char idata step=0;unsigned char idata high=0;unsigned char idata low=0;unsigned char idata mode=0;unsigned char idata direct=0;void main(void)EA=1;EX1=1;PX1=1;P1_6=0;/step为电机运转步数/mode为铳削模式/direct为电动机运转方向/主程序/允许外部中断while(1) /引人外部中断程序;void output()step+;if(step=252)st

34、ep=0;/电机运转步数为252时与电机初始状态 一致P1 7=0;if(direct=1&&P1_5=1) switch(step%6) case 0:P3=0x3F;break;case 1:P3=0x7F;break;case 2:P3=0x5F;break;case 3:P3=0xDF;break;case 4:P3=0x9F;break;case 5:P3=0xBF;break;if(direct=0&&P1_4=1) switch(step%6)case 0:P3=0xBF;break;case 1:P3=0x9F;break;case 2:P3=0

35、xDF;break;case 3:P3=0x5F;break;case 4:P3=0x7F;break; case 5:P3=0x3F;break; EZvoid time_0() interrupt 1./电机正转且工作台未到平台右端端头/电机运行转数/电机反转且工作台未到平台左端端头/计数器中断程序output();TH0=high;TL0=low; void int_1() interrupt 2.if(P0_0=0) mode=1;/1P1=P1&0xF0|mode;/外部中断程序代表快进工作模式/译码管输出字符及平台左右两端开关 状态22high=0xFF; ow=0x9C;if(P0_1=0)/2代表精密铳削工作模式mode=2;P1=P1&0xF0|mode;high=0xFC;low=0x18;if（P0_2=0）mode=3;/3代表强力铳削工作模式P1=P1&0xF0|mode;h