机电传动单向数控平台设计

2机电传动单向数控平台设计⑴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⑵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⑶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⑷树立正确的设计思想及严肃认真的工作作风。3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2．总体方案设计宽调速直流伺服电机目前机电一体化闭环伺服系统中应用广泛的一种控螺旋传动机构主要用来将旋转运动转换为直线运动或将直线运动转换为旋 螺旋传动机构原理示意图单片机控制直流电机要使用PWM(脉宽调制)控制电机的转速，因此选用带PWM口的单片机。本系统选用89C51单片机，它带有PWM功能和捕捉功能。单片机控制系统有以下优点：(1)电路结构简单。模拟电路为了实现控制逻辑需要许多电子元件，而采用单片机后，绝大多数控制逻辑可通过软件实现。(2)可以实现较复杂的控制。单片扭具有更强的逻辑功能。运算速度快、精度高、存储容量大，以此有能力实现复杂的控制。(3)提高控制的灵活性和适应性。单片机的控别方式是由软件完成的。如果需要修改控制规律一般不必改变系统的硬件电路，只须修改程序即可。在系统调试和升级时.可以不断尝试，选择最优参数。(4)无零点漂移，控制精度高。数值控制不会出现模拟电路中经常遇到的零点漂移问题，无论被控制量是大还是小，都可保证足够的控制精度。2.2总体方案的确定参数初设如下：(1)电机驱动方式：直流伺服电机(2)机械传动方式：螺旋丝杠(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：单向最大工作行程——1200mm;移动负载质量——100kg;负载移动阻力——50N;5进给速度——3m/min;工作台尺寸——200*200*20mm;3.机械传动系统设计及核算3.1滚动轴承选用、校核为：轴承内径d=35mm,轴承外径D=80mm,轴承宽度B=21mm,基本额定静载荷CO=76800N,基本额定动载荷C=65800N。序号计算名称计算公式、参数选择说明结果1当量载荷因为载荷沿着轴向往返运动，所以所以两端轴承所受最大力相同。轴向力A=324.6NA/R=324.6/1500=0.295<e=0.83派生轴向力轴向载荷为载荷系数f=1.2当量动载荷为62轴承寿命h3.2螺旋传动副的设计计算序号计算项目计算公式、参数选择说明结果1初始条件1)工作台重量；m=50kg工作台最大行程L=1200mm2)螺母形式：整体式3)材料选取；螺杆材料：40CrMn螺母材料：ZCuSn10Zn22整体式2计算载荷载荷查机械手册得：硬度系数K,=1.0载荷系数K,=1.2精度系数K=1.0H7轴向工作载荷载荷C动载荷为C3螺纹中径及螺距的确定螺纹中径合格,许用压强,许用压强选取标准螺杆中经及螺距的确定，螺杆中经公称直径d=48mm导程L=8mm螺母旋合高度H=9d,=1.5×44旋合圈数84计算驱动转螺纹升角牙形角α=30c检验合格。驱动转矩为5螺杆强度计算螺杆材料许用应力C]-167~278MPa螺杆强度满足条件96螺纹牙强度计算材料许用切应力材料许用弯曲应力牙根剪切强度条件牙根弯曲强度条件强度条件合格7螺杆稳定性计算螺杆材料弹性模量E=207000MPa长度系数μ=1螺杆危险截面轴惯性矩稳定性满足条件螺杆稳定临界载荷则稳定性满足条件8计算效率轴承效率为0.95,则效率为由于运用用了凸缘联轴器，故可选用平键连接。序号计算名称计算公式及说明结果1平键的型号选择A型钢制平键。电机输输出轴d=24mm,则b*h=8*7,键长根据凸缘联轴器规格，初选为30mm。3键的校核式中满足条件.A键型8×30满足条件合格电机输出轴与滚珠丝杠之间需要用联轴器连接，根据联轴器特性及系统转矩特点，选用凸缘联轴器。计算名称计算公式及说明结果1YL3联轴器初选用YL3式凸缘联轴器，其公称转矩T=25Nm,由计算易得出：T故联轴器满足设计要求。YL3型3.5直流伺服电动机的选择与校核序号计算名称计算公式及参数说明结果1等效转动惯量滚珠丝杠的等效转动惯量工作台的等效转动惯量2联轴器选用YL3型，等效惯量为L换算到电动机轴上的总等效转动惯量为2负载转矩(1)稳定运行转矩(2)加速时运行转矩(3)减速运行转矩a3需要转速工作台最大速度为6m/min,螺距P=8mm,则n=6000/8==750rpm4电机功率加速运行功率即最大运行功率为90W4选电动机型号流伺服电机型号为130SZK01型直流宽调速伺服电机。主要参数为输出功率P=800W最高转速n=2000rpm堵转转矩T=2.5Nm130SZK01型直流伺服电机4.电气控制系统设计闭环伺服系统的构成如下图所示。闭环系统是负反馈控制系统。检测元件将执行部件的位移、转角、速度等量变换为电信号，反馈到系统的输入端并与指令进行比较，得出误差信号的大小，然后按照减小误差大小的方向控制驱动电路，直到误差减小到零为止。反馈检测元件一般精度比较高，系统传动链的误差、闭环内各元件的误差以及运动中造成的误差都可以得到补偿，从而大大提高了系统的跟随精度和定位精度。闭环系统的定位精度可以达到+0.001-+0.003mm。位置检测元件直接安装在最后的移动部件上，形成全闭环系统。测量元件测量元件工作台指令位置比较速度比较伺服电动机闭环伺服系统结构示意图已逐步被淘汰。本系统选用带有PWM口的8051单片机构成的调速系统，实现对变电枢两端平均电压大小，从而达到控制电动机转速的目的。由于选用了自带4.2.1PWM的基本原理与信号发生电路PWM(脉冲宽度调制)是通过控制固定电压的直流电源开关频率，改变负载两端的电压，从而达到控制要求的一种电压调整方法。T当PWM波的频率在18KHz左右时，效果最好。在本系统内，采用了两片4位数值比较器4585和一片12位串行计数器4040组成了PWM信号发生电路。信8051P1.3F1.1只是前128个单元，其地址为00H—7FH。定时器：8051片内有2个16位的定时器，用来实现定时或者计数功能，并中断控制系统：该芯片共有5个中断源，即外部中断2个，定时/计数中断2个和串行中断1个。器，采用16KB的27128作为程序存储器扩展芯片，采用容量8KB的6264作为数0123452701234527据存储器扩展芯片。CPO.PO.PO.P0.P0.P0.FFO.08碧A4A34.2.3主电路设计产生高压侧门极驱动电压的前提是低压侧必须有开关的动作，在高压侧截止期间低压侧必须导通，才能够给自举电容提供充电的通路。因此在这个电路中，Q1、Q4或者Q2、Q3是不可能持续、不间断的导通的。我们可以采取双PWM信号来控制直流电机的正转以及它的速度。压经过VB、IC内部电路和HO端加在Q1的栅极上，从而使得Q1导通。同理，此导通且Q1截止。此时Q2的漏极近乎于零电平，Vcc通过D1向C1充电，为Q1Q4截止，Q3的漏极近乎于零电平，此时Vcc通过D2向C3充电，为Q4的又一次电源经Q3至电动机的负极经过整个直流电机后再通过Q2到达零电位，完成身可对输入的两个通道信号之间产生合适的延时，保证了加到被驱动的逆变桥中同桥臂上的两个功率MOS器件的驱动信号之间有一互琐时间间隔，因而防止了被驱动的逆变桥中两个功率MOS器件同时导通而发生直流电源直通路的危险。系统主电路4.3控制程序的设计及说明主程序是一个循环程序，其主要思路是，先设定好速度初始值，这个初始值与测速电路送来的值相比较得到一个误差值，然后用PI算法输出控制系数给PWM