机电传动单向数控平台设计【课程设计】Word下载.doc
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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
①机械传动结构设计②电气测控系统
（3）课程设计意义
①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。
②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。
③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。
④树立正确的设计思想及严肃认真的工作作风。
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、1200mm；
移动负载质量——100、50kg；
负载移动阻力——50、100N；
（估算值）
移动速度控制——3、6m/min；
速度控制精度±
0.5%或实现行程（位置）控制，控制精度±
0.01mm、
±
0.1mm。
2.3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（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，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：
①摩擦阻力小，传动效率高（一般在90%以上）；
②运转平稳，启动时不颤动，低速时不爬行；
③螺母和螺杆经调整预紧，可以得到很高的定位精度（5μm/300mm）重复定位精度，并可以提高轴向刚度；
④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CPU随机存储器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，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（ProgrammableLogicController，PLC），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：
步进电机
滚珠丝杠
单片机控制
速度控制
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：
0～6mm/min；
实现行程（位置）控制，控制精度±
0.01mm；
选用矩形导轨，工作台滑动摩擦系数μ=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
类型
直线滑动矩形导轨
截面形状
结构尺寸
单位
H
B
±
0.005
K
T
mm
28
32
20
11
42
22.5
7.5
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
序号
计算项目
计算依据
计算结果
1
丝杆载荷：
导轨摩擦力
强力切削时载荷
一般铣削时载荷
精铣时载荷
快移载荷
N
≈180
2180
1180
680
180
2
电机转速（最大）
丝杠最大转速（快移）
强力铣削
一般铣削
精密铣削
r/min
假设电机的转速最大为1500
1500
1000
60
80
100
3
丝杠导程
移动的最大速度=6m/min=
mm/min
6
4
当量转速
当量负载
N
133
1038
5
初选滚珠丝杆
（1）计算动载荷
（2）要求寿命
（3）综合系数
（4）滚珠丝杠副的型号
h
使用推荐寿命15000h；
查表得：
，，
，
由表2.8-27选用FFZD型内循环浮动返
向双螺母垫片预紧滚珠丝杠副，型号FFZD3206，额定动负载>
预紧力
11592
3.11
0.63
0.442
符合要求
丝杠螺纹部分长度
=工作台最大行程（1800）+螺母长度（102）+两端余程（40）
1982
7
支承距离
支承跨距应大于
2100
8
（1）临界转速核算
（2）丝杠底径
（3）支承方式系
数
（4）临界转速计算长度
m
由表2.8-66查的
要求
3651
0.0272
4.73
1.95
9
压杆稳定校核
两端固定支承，丝杠不受压缩，因而不必校核稳定性
10
预拉伸计算
（1）温升引起的伸长量
（2）丝杠全长伸长量
（3）预拉力
取温升为3℃
65.41
69.3
4264
轴承选择
轴端结构
轴承型号
选择固定支承E、F型轴端
轴承型号为7602020TVP
E、F型
型号为7602020TVP
12
主要参数和尺寸
（1）预紧力的确定
（2）疲劳强度计算额定动载荷C
由表查得：
因为>
1/3=1779N
由轴承负载计算公式校核
进给方向是可变的，负载可能是也可能是，取
其平均值4246N，因为初选7602020TVP型轴承的额定动负载小于20960N,所以改用7603020TVP型轴承，参数如下：
5336
20960
满足寿命要求
13
定位精度校核
（1）丝杠在拉压载荷下最大弹性位移
（2）丝杠与螺母间的接触变形
（3）轴承的接触变形
（4）丝杠系统的总位移
（5）定位精度
快移时
强力铣削时
精密铣削时
查表2.8-27得滚珠丝杠的接触刚度：
所以得
快移时
强力铣削时
精密铣削时
快移时
发生在螺母处于丝杠种部处，和与螺母位置无关，所以以上求得的位移均为mm,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。
可以满足速度控制精度±
0.5%的要求
0.77
9.37
2.92
0.16
1.90
0.59
0.64
7.73
2.41
1.57
19.00
5.92
满足定位精度要求
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7603020TVP。
4.4联轴器和电机选型
表3.联轴器及电机计算
工件最大速度
m/min
滑动部分质量
kg
0.006
丝杠长度
1.982
丝杠直径
0.0272
联轴器质量
1.16
联轴器外径
0.080
摩擦因数
0.3
加速时间
s
0.25
机械效率
0.9
电动机转速
12
（1）滑动部分转动惯量
（2）滚珠丝杠转动惯量
（3）联轴器转动惯量
（4）折算到电机轴上的转动惯量
（设滚珠丝杠的材料为铁，其密度为）
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0.080mm。
折算到电机轴上的负载转矩
因，故
2.434
14
电动机轴上的加速转矩
其中，为电动机的转动惯量，
15
折算到电机轴上的总转矩
16
电动机选型
取安全系数K=2。
5，则必需转矩
初步选定电动机型号为110BYG350CH-0501，其转子惯量
，则有
110BYG350CH-0501的最大静转矩（保持扭矩）为12＞9.45，满足要求，步距角
3.78
9.45
17
电动机的验算
工件最快速度对应的电动机转速为，则对应的运行频率为
从上图的距频特性曲线上可以看出，此速度（或频率）时电动机的输出转矩大于，即4>
3.78,故此电动机满足要求。
10000
电动机满足要求
18
精度校核
三相异步电机，取脉冲当量，要求，而，故满足要求。
选用电动机及联轴器结果如下：
电动机型号为110BYG350CH-0501，三相六拍，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CPU随机存储器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字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM—FlashProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低电压、高性能CMOS8位微处理器，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高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。
由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的89C51是一种高效微控制器，89C2051是它的一种精简版本。
89C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。
5.4放大电路高耐压、大电流复合晶体管IC—ULN2003简介
（1）ULN2003A是一个7路反向器电路，即当输入端为高电平时ULN2003A输出端为低电平，当输入端为低电平时ULN2003A输出端为高电平。
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CPU所集中控制，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高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，输出还可以在高负载电流并行运行。
ULN2003管脚图如下所示:
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：
引脚4：
引脚5：
引脚6：
引脚7：
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11：
对应6脚信号输入端。
引脚12：
对应5脚信号输入端。
引脚13：
对应4脚信号输入端。
引脚14：
对应3脚信号输入端。
-
（3）单片机硬件接线图：
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个铣削档，铣削类型依次为快进、精密铣削、强力铣削，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>
sbitP1_0=P1^0;
sbitP1_1=P1^1;
sbitP1_2=P1^2;
sbitP1_3=P1^3;
sbitP1_4=P1^4;
sbitP1_5=P1^5;
sbitP1_6=P1^6;
sbitP1_7=P1^7;
sbitP0_0=P0^0;
sbitP0_1=P0^1;
sbitP0_2=P0^2;
sbitP0_3=P0^3;
sbitP0_4=P0^4;
sbitP3_4=P3^4;
sbitP3_5=P3^5;
sbitP3_6=P3^6;
sbitP3_7=P3^7;
unsignedcharidatastep=0;
//step为电机运转步数
unsignedcharidatahigh=0;
unsignedcharidatalow=0;
unsignedcharidatamode=0;
//mode为铣削模式
unsignedcharidatadirect=0;
//direct为电动机运转方向
voidmain（void） //主程序
{
EA=1;
//允许外部中断
EX1=1;
PX1=1;
P1_6=0;
P1_7=0;
while
（1） //引人外部中断程序
{
};
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