机电传动同步带设计

1、机电传动单向数控平台设计机械工程与自动化专业专业课程设计说明书专 业：机械工程与其自动化班 级：机自11-8班学生姓名：学 号：指导老师：2014年12月12日目录1 设计任务1.1 设计任务介绍与意义1.2 设计任务明细1.3 设计的基本要求2 总体方案设计2.1 设计的基本依据2.2 总体方案的确定3 机械传动系统设计3.1 机械传动装置的组成与原理3.2 主要部件的结构设计计算4 电气控制系统设计4.1 控制系统的基本组成4.2 电器元件的选型4.3 电气控制电路的设计4.4 控制程序的设计与说明5 结束语6 参考文献机械部分图纸下载：电控部分图纸下载：1. 设计任务1.1 设计任务介绍

2、与意义课程设计题目机电传动单向数控平台设计主要设计内容(1) 机械传动结构设计 (2) 电气控制系统课程设计意义 ：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。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 具书籍以与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 基本素质的训练。树立正确的设计思想与严肃认真的工作作风。1.2设计任务明细：机电传动单向数控平台设计：1.21 电机驱动方式：步进电机、直流伺服电机、交流伺服电 机；1.22 机械传动方式：螺旋丝杆、滚珠丝杆、同步皮带、链

3、传 动等；1.23 电气控制方式：单片微机控制、控制；1.24 功能控制要求：速度控制、位置控制；1.25 主要设计参数：单向工作行程1800、1500、 1200 ；移动负载质量100、 50 ；负载移动阻力100、50 N；移动速度控制3、 6 ；1.3 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（ A2 图一张）。（

4、 3）电气控制线路图： 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 图一张）。（ 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， 每个学生应独立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）绘图与说明书： 用计算机绘图，打印说明书；（ 6）设计选题： 分组进行，每位同学采用不同方案（或参数）独立完成。2总体方案设计2.1 设计基本依据步进电机 又称脉冲电机。 它是将电脉冲信号转换成机械角位移的执行元件。每当输入一个电脉冲时，转子就转过一个相应的步距角。转子角位移的大小与转速分别与输入的电脉冲数与频率

5、成正比，并在时间上与输入脉冲同步。只要控制输入电脉冲的数量、频率以与电机绕组通电相序即可 获得所需的转角、转速与转向。步进电动机具有以下特点：1、工作状态不易受各种干扰因素 （如电压波动、 电流大小与波形变化、 温度等 ）的影响；2 、步进电动机的步距角有误差， 转子转过一定步数以后也会出现累积误差，但转子转过一转以后，其累积误差变为“零” ；3、由于可以直接用数字信号控制，与微机接口比较容易；4、控制性能好 ,在起动、停止、反转时不易“丢步” ；5、不需要传感器进行反馈，可以进行开环控制；6、缺点是能量效率较低。同步带 是一种综合了带、 链传动优点的新型传动。 如图所示， 它在带的工作面与带

6、轮外圆周上均制成齿形，通过带轮与带齿相啮合，作无滑移 的啮合传动。同时，带内采用了承载后无弹性伸长的材料作强力层，以保 持带的节距不变，使主、从带轮作无滑差的同步运动。图1同步带与一般传动带相比，同步带传动具有以下特点：1. 工作时无滑动，有准确的传动比同步带传动是一种啮合传动，虽然同步带是弹性体，但由于其中承受 负载的承载绳具有在拉力作用下不伸长的特性，故能保持带节距不变，使 带与轮齿槽能正确啮合，实现无滑差的同步传动，获得精确的传动比。2. 传动效率高，节能效果好由于同步带作无滑动的同步传动，故有较高的传动效率，一般可达0.9 8。它与三角带传动相比，有明显的节能效果。3. 传动比范围大，

7、结构紧凑同步带传动的传动比一般可达到 10左右，而且在大传动比情况下，其 结构比三角带传动紧凑。因为同步带传动是啮合传动，其带轮直径比依靠 摩擦力来传递动力的三角带带轮要小得多，此外由于同步带不需要大的张 紧力，使带轮轴和轴承的尺寸都可减小。所以与三角带传动相比，在同样 的传动比下，同步带传动具有较紧凑的结构。4维护保养方便，运转费用低由于同步带中承载绳采用伸长率很小的玻璃纤维、钢丝等材料制成，故在运转过程中带伸长很小，不需要像三角带、链传动等需经常调整张紧 力。此外，同步带在运转中也不需要任何润滑，所以维护保养很方便，运 转费用比三角带、链、齿轮要低得多。5恶劣环境条件下仍能正常工作尽管同步

8、带传动与其它传动相比有以上优点，但它对安装时的中心距 要求等方面极其严格，同时制造工艺复杂、制造成本高。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、 随机存储器、 只读存储器、 多种口和中断系统、 定时器 /计数器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多 路转换器、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，在工业控制领域广泛应用。从上世纪 80 年代，由当时的 4 位、 8位单片机，发展到现在的 300M 的高速单片机。单片机渗透到我们生活的各个领域，几乎很难找到哪个领域没有单片 机的踪迹。导弹的导航装置，飞机上

9、各种仪表的控制，计算机的网络通讯 与数据传输，工业自动化过程的实时控制和数据处理，广泛使用的各种智 能卡，民用豪华轿车的安全保障系统，录像机、摄像机、全自动洗衣机的 控制，以与程控玩具、电子宠物等等，这些都离不开单片机。更不用说自 动控制领域的机器人、智能仪表、医疗器械以与各种智能机械了。因此， 单片机的学习、开发与应用将造就一批计算机应用与智能化控制的科学 家、工程师。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 设备的智能化管理与过程控制等领域。硬件特性 :1、主流单片机包括、 4容量的、 128 容量的 、2个 16位定时 /计数器、4 个 8 位并行口、全双工串口行口、

10、 、I2C 、。2、系统结构简单，使用方便，实现模块化；3、单片机可靠性高，可工作到 10A6 10A7小时无故障；4、处理功能强，速度快。5、低电压，低功耗，便于生产便携式产品6、控制功能强7、环境适应能力强。2.2可行性方案比较本平台主要用于小巧灵活且精度不高的场合，可以使用步进电机和伺 服电机，由于步进电机相对价格较低，且控制容易所以选步进电机。滚珠 丝杠虽然精度高，但价格贵，不如同步带合适。达到简单控制功能的前提 下，的价格比单片微机高很多，所以选单片机。2.3 总体方案的确定参数初设如下：(1)电机驱动方式：步进电机机械传动方式：同步皮带电气控制方式：单片机控制 功能控制要求：位置控

11、制、速度控制主要设计参数：单向最大工作行程一一 1200 ；移动负载质量 10；负载移动阻力一一ON;移动速度控制 6m/mi n选用矩形导轨；工作台滑动摩擦系数0.15 ；本平台设计用于便携式火焰切割机，所以移动负载质量选择10,负载阻力为零3机械传动系统设计与核算3.1机械传动装置的组成与原理组成：步进电机、同步带轮、同步皮带、滑动导轨主要采用同步皮带和同步轮的简单传动方式，同步带在带的工作面与带轮 外圆周上均制成齿形，通过带轮与带齿相啮合，作无滑移的啮合传动。同 时，带内采用了承载后无弹性伸长的材料作强力层，以保持带的节距不变，使主、从带轮作无滑差的同步运动。3.2主要部件的结构设计计算

12、计算与说明结果3.2同步皮带的设计与核算3.2.1导轨动载荷的计算作用在滑块上的力Fe=（m 10*9.8=98N滑动导轨上的摩擦阻力口 FE=0.1*98=9.8N3.2.2同步带传动设计计算1）传递的功率：9.8）0.1=0.98W2）功率：F匸=98NU =0.15 9.8N0.98W1.21.176W选L工况系数，查表65.082Z1=281.2 E.98=1.176Wd1=45.283）按功率初选电机空载启动转速为225的57450E步进电机，Z2=28 d2=45.28电机直接连接皮带轮42.17按运行速度的要求，由表初选带轮的参数为0.1型a0=1395.285.08228Lq=

13、2932.845.28304844.771453应设计要求，主带轮直径等于从带轮直径245N3）运行速度验算：0.022?1Pq=0.005当步进电机频率为 280时q =9.52 n n*2*60=0.09969.5所以能符合速度要求11.76N4）初定轴间距Fq=60NS0 > 2*1395.28取 ao=1395.285）求带长：Lo=2ao+ n *(d 12)/2+(d21)2/4ao=2932.8查表3得30486)实际轴间距0+(0)/2=14537）基本额定功率=0.034N m查表 12 得 50.17N, 0.022Po=(2)1000=0.0058）带宽=2.67取

14、带宽为9.59）作用在轴上的力100011.76N10）预紧力查表13取 Fo=6ON3.2.3步进电机选型计算已知参数：工作台与负载重量 10X9.898N工作台与导轨间摩擦系数0.15定位精度0.5毫米3.2.3.1脉冲当量的选择脉冲当量：一个指令脉冲使步进电动机驱动拖动的移动距 离a =0.9°/1.8°=2na *（2*360）=0.356符合定位精度要求3.2.3.2等效负载转矩的计算空载时的摩擦转矩Tlf uGl 0.034N?m1）稳定运行时的转矩 M1：M1=0.222N?mJ1=0.328*10-3 m2J2=5.12*10-3?m2J3=0.256*10

15、-3 ?*5.714*10-3 m2C0=4.5861.9871.76N086.112NMi*(di/2)*10-3=9.8*(45.28/2)*10-3=0.222N m2)电机轴上的总转矩：带轮用塑料材质，带轮转动惯量 0.164*10-3 m2折算到电机轴上的转动惯量Ji，估算带轮质量为0.090Ji=2*()2=2* 2=0.328*10-3 m2负载和工作台折算到电机轴上的转动惯量J2,取负载和工作台质量为10J2*() 2=10*(d 1/2)2=5.13*10 -3?m同步带折算到电机轴上的转动惯量J3估算同步带的单位长度密度为mo=0.05J3= m*() 20*(d 1/2)

16、2=0.256*10-3 ?mF折算到电机轴上的总转矩为J123=5.714*10-3 m23.233初选步进电动机型号根据稳定运行时转距 M1=0.222N m和电动机总转动惯量 5.714*10-3 m2,选定电动型号57450E为步进电动机。该电动机的最大静扭距1N-m，转子转动惯量1.5*10-5 m2 为了使步进电动机具有良好的起动能力:1=1/0. 222=4.5>2所以该电机带惯性负载时能够起动142.17 5.9*107h符合要求键 B2X 60.333N?m符合要求且负载启动时间符合要求以上计算，选57450E型号步进电动机，能满足设计要求。 3.2.4滚动轴承的选用与

17、校核根据工作情况以与滚珠丝杠的受力，初选轴承为深沟球轴承，型号为6000基本额定载荷为：Co=4.58，Co1.98因为轴承只受径向力为径向外载荷 71.76N为轴向外载荷 0计算当量动载荷：1.2*71.7686.112N计算轴承的寿命:取温度系数 1宓,106 ftC1061 4580 3 uc "7,故 Ln5.9 107h60n P60 42.17 86.112因为12000所以轴承符合要求 符合要求6000深沟球轴承基本尺寸内圈直径 10外圈直径 26轴承宽度 8静载荷Co=4.58动载荷C01.98图2深沟球滚珠轴承325键的选择与校核键许用挤压应力，查表 3.2得 50

18、MPa带轮轴上的键根据该处轴的直径d= 8，取bX2X2采用B型键，根据6-2003暂选：键 B2X61096-20030.333N m332T 102 0.333 10p 16.6MPakid1 6 8所以键符合要求润滑与密封装置由已知条件选择脂润滑，密封装置为毛毡圈。4.电气控制系统设计4.1控制系统的基本组成图3幵环电机单向数控平台控制系统组成4.2电器元件的选型步进电机是一种特殊的机电元件，不能直接接到交直流电源上工作 必须使用专用的驱动器。步进电动机转速的高低、升速或降速、启动或停止都完全取决于脉冲的有无或频率。环形分配器用来接受来自控 制器的脉冲信号，并按步进电动机工作方式要求的各

19、相脉冲信号状态 顺序产生各相导通或截止的信号，但是环形分配器的输出电流很小， 不能直接驱动步进电动机，因此需要功率放大器实现对脉冲分配回路 输出的弱信号进行放大，产生电机脉冲信号工作所需的激磁电流。其 控制流程如下图所示：ms入图4步进电机控制系统图89C51 是一种带 4K 字节存储器（ ）的低电压、高性能 8 位微处理器，俗称单片机。89C2051是一种带2K字节闪存可编程可 擦除只读存储器的单片机。 单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除 1000 次。该器件采用高密度非易失存储器制造技术制造， 与工业标准 的 51 指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能 8 位和闪速存储器组 合在单个芯片

20、中，的 89C51 是一种高效微控制器， 89C2051 是它的一 种精简版本。 89C51 单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。对于本小型系统此芯片功能、容量、价格都合适。2803，八路达林顿连接晶体管阵系列特别适用于低逻辑电平数字 电路（诸如 , 或）和较高的电流 /电压要求之间的接口，广泛应用于计 算机，工业用和消费类产品中的灯、继电器、打印锤或其它类似负载 中。所有器件具有集电极开路输出和续流箱位二极管， 用于抑制跃变。2 8 03的设计与标准系列兼容， 而 2804 最适于 6至1 5伏高电平或。 此 晶体管用作功率放大器，驱动步进电机。驱动脉冲由微机软件控制

21、输出步进脉冲。373 为三态输出的八 D 锁存器，共有 54S373 和 74373 两种线 路。八D锁存器（3S,锁存允许输入有回环特性）,当三态允许控制端 为低电平时，Q0Q7为正常逻辑状态，可用来驱动负载或总线。当 为高电平时，Q0Q7呈高阻态，即不驱动总线，也不为总线的负载， 但锁存器内部的逻辑操作不受影响。当锁存允许端 为高电平时， Q 随数据 D 而变。当 为低电平时， D 被锁存在已建立的数据电平。当 端施密特触发器的输入滞后作用，使交流和直流噪声抗扰度被改善400。用于扫描输出显示4.3电气控制电路的设计表1 口分配输入针脚控制功能P3.0幵始P3.1暂停P3.2复位P3.3显

22、示转换P3.4速度位移+P3.5速度位移-P3.6左行程幵关P3.7右行程幵关图5电气控制简图4.4控制程序的设计与说明设计框图18 / 3618 / 36程序：0000H;主程序跳转001;跳转到步进电机的步进脉冲函数0100H: P000H ; P0 口清零P100H ; P1 口清零P200H ; P2 口清零P30 ; P3 口写1,用作输入口， P3.1置0表示程序幵始时处暂 停状态3300H;3330H存放A档速度的码3209H3109H3006H4301H;4340H 存放 B 档速度的码4209H4109H4002H10H;设置定时器 1 工作在模式 1、定时方式、 软件控制启

23、, #88H; 开放和定时器 1 的中断200H;2 中的位寄存器 7,7,7分别作为显示标志位 （0速度，1位移）、左右移动标志位（ 0右、 1左）、档速标志位（ 0 A、1 B）200H;2中存放 P3 口的扫描结果。P3.0幵始键、P3.1暂停键、P3.2复位键、P3.3显示转换键、P3.4 （A档速/位移+）3.5（ B档速/位移-）、P3.6左行程幵关、P3.7右行程开关A1:23；将P3 口的值存入270；70H存放P3.0的值,开启键A2:71；71H存放P3.1的值，暂停键;调用复位子程序; 调用显示转换子程序76H,; 76H 为左行程开关77H,; 77H 为右行程开关;调

24、用数码管显示子程序 123A2;循环扫描/* 开始子程序 */: 1; 开始计时P30;将P3 口处于输入状态/* 暂停子程序 */: 1;暂停计时2725H ;27H 用于扫描计数1: 23;调用显示转换子程序2 ; 调用数码管显示子程序 2273 ;27H为零则调用 P3.4和P3.5 口的操作函数2725H2:;调用P3.4和P3.5 口的操作函数3:;调用复位子程序70H, 1;开始键按下则开始，否则循环扫描;跳转到开始子程序/* 复位子程序 */: 720 ;判断 P3 . 2复位键是否按下 ,有跳转，没有返回; 返回0: P30 ；复位键按下，将 P3 口处于输入状态5400H ;

25、5452H 存放目标位置， 52H 存放十分位小数的码， 53H和 52H 存放整数部分，位 16 进制5300H1:;显示输出23761 ;判断是否到达最左边，即起始位置，是继续执行，否跳转2: R057H; 到达起始位置后，目标位置清零;5755H 存放当前位置， 55H 存放十分位小数的码，57H和56H存放整数部分，位16进制R1, #03H3: 000HR0R137;标志位改为右移1; 开始计时/* 显示转换子程序 */:73H, 0 ;显示转换子程序，P3.3按下则跳转，否则返回;返回0: 7 ; 转换显示，显示速度或位置/* 共阴极数码管字型编码表 */L1 3,06H,5,4,

26、66H,6,7,07H,7,6/* 共阴极数码管带小数点的字型编码表*/L2 0,86H,0,0,0E6H,0,0,87H,0,0/* 数码管显示子程序 1*/: 71 ; 判断显示标志位，速度时顺序执行，否则跳转72 ;判断显示档速/* 速度显示输出 */B2:R033H ;33H 为 A 档速码起始寄存器地址C2R043H ;43H 为 B 档速码起始寄存器地址C2:0:1:R20 ;数码管最高位开始显示21P20P0;调用延时程序R02.11 ;判断是否到带小数点的显示位，是转移，否继续AR202AR2P0R012AP20P0: R702H; 延时程序: R601: R61R7/* 位移

27、显示输出 */B1:;调用 16 进制与码转换的子程序R03 ;3 为当前位置的码起始寄存器地址C3:R20 ;数码管最高位开始显示212: P2P0;调用延时程序R02.23 ;判断是否到带小数点的显示位，是转移，否继续AR223: 2AR2P20P0R012AP20P0/* 数码管显示子程序 2*/2: 71 ;判断显示标志位，速度时顺序执行，否则跳转75 ; 判断显示档速/* 速度显示输出 2*/R033HC4C5:R043HC4:C2/* 位移显示输出 2*/C1:R04 ;4 为目标位置的码起始寄存器地址C3/* 档速或位移子程序 */:71 ; 判断显示标志位， 0/速度时顺序执行

28、，否则跳转/* 档速*/742 ;判断 P3.4 是否按下，是继续，否跳转7;0 为 A 档速D2: 755;判断 P3.5 是否按下，是继续，否跳转7;1 为 B 档速D5:/* 位移*/D1: 746 ;判断 P3.4 是否按下，是继续，否跳转 C3.4 按下，则目标位移加 0.7A,52H ;07H07C5200HA,53H01H53D853HD8:D7:D952D9:C052A,53H01H53D1053HD10:D6: 75113.5 按下，则目标位移减 0.7CA,52H07HD12052CA,53H01H53D1154HD11D12: 52D11:/*T1 中断子程序 */000

29、7H 为 R07 的地址: 00H ; 保存数据，01H02H03H04H05H06HA,20H ;20H 存储步进电机的脉冲拍序71 ;判断左 /右移0: 1 1 为右移脉冲表起始地址21: 2 2 为左移脉冲表起始地址2:P120H08HA,2032000H3:;调用定时器初始值 T0 的设置函数用于判断是否到达目标位置07H06H05H04H03H02H00H/* 驱动脉冲表 */K1 01H,03H,02H,06H,04H,0,08H,09HK2 09H,08H,0,04H,06H,02H,03H,01H/* 判断是否到达目标位置子程序 */: CA,55H024H6445500HCA,56H01H561857H18: 74: 605576: 64H055A,56H01H56757H7: CA,54H