机电传动单向数控平台设计姚安.docx

机电传动单向数控平台设计姚安.docx

《机电传动单向数控平台设计姚安.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《机电传动单向数控平台设计姚安.docx（11页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。

机电传动单向数控平台设计姚安

机电传动单向数控平台设计姚安

　　机电传动单向数控

　　平台设计

　　——机械工程及自动化专业专业课程设计说明书

　　专　　业：

机械工程及其自动化

　　班　　级：

机自09-8班学生姓名：

姚安学　　号：

03091131指导老师：

杨雪峰20XX年11月29日

　　目录

　　1设计任务

　　设计任务介绍及意义设计任务明细设计的基本要求

　　2总体方案设计

　　设计的基本依据总体方案的确定

　　3机械传动系统设计

　　机械传动装置的组成及原理主要部件的结构设计计算

　　4电气控制系统设计

　　控制系统的基本组成电器元件的选型计算电气控制电路的设计控制程序的设计及说明

　　5结束语6

　　2.控制功能强

　　为了满足对对象的控制要求，单片机的指令系统均有极丰富的条件:

分支转移能力，I/O口的逻辑操作及位处理能力，非常适用于专门的控制功能。

低电压，低功耗，便于生产便携式产品

　　为了满足广泛使用于便携式系统，许多单片机内的工作电压仅为～，而工作电流仅为数百微安。

3.易扩展

　　片内具有计算机正常运行所必需的部件。

芯片外部有许多供扩展用的三总线及并行、串行输入/输出管脚，很容易构成各种规模的计算机应用系统。

4.优异的性能价格比

　　单片机的性能极高。

为了提高速度和运行效率，单片机已开始使用RISC流水线和DSP等技术。

单片机的寻址能力也已突破64KB的限制，有的已可达到1MB和16MB，片内的ROM容量可达62MB，RAM容量则可达2MB。

于单片机的广泛使用，因而销量极大，各大公司的商业竞争更使其价格十分低廉，其性能价格比极高。

　　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

　　⑵机械传动方式：

滚珠丝杠⑶电气控制方式：

单片机控制⑷功能控制要求：

速度控制

　　⑸主要设计参数：

单向最大工作行程——1500mm；

　　移动负载质量——50kg；　　

　　负载移动阻力——100N；移动速度控制——6m/min;

　　选用矩形导轨，工作台滑动摩擦系数μ=；　　丝杠材料初选钢材为42CrMo，其HRC为58～60。

丝杠两端为固定支撑，每个支座安装两个25°的接触角推力球轴承，面对面安装，进行预拉伸。

　　6

　　3.机械传动系统设计及核算姓名计算及说明导轨的选择已知条件本设计选择滚动丝杆，已知：

单向工作行程1500mm　　移动速度6m/min　　负载质量：

50kg采用2根导轨、4个滑座数，工作平台的质量假设为40kg，滑块质量50Kg.寿命要求：

每天开机8h，一年按300个工作日，寿命5年以上动载荷的计算　　作用在滑块上的力　　F（m1m2）g（5040）882　　则单个滑座受力　　F结果　　ls=1500mmv=3m/minm1=50kgm2=40kg　　F=882NF=Th=120XXh　　F48824　　导轨寿命　　Th83005120XXh行程长度寿命：

Ts2Thlsn310其中n为每分钟运行的次数nTsn=1v622ls2120XX6024320h1000Ts4320h　　设计平台上共有滑块4个，每根导轨2个滑块。

　　有Tsk（fhftfcca3）fwFK寿命系数取K=50

　　K=507

　　fTH硬度系数　　取fH=1fH=1f温度系数　　取f=1Hf=1H　　f接触系数取f=CCf=Cf负荷系数取f=WHf=H则动载荷有：

11Ca　　Ca=　　已知动载荷Ca=查机电一体化设计手册　　导轨选择型号：

HSR15TA滚动导轨　　基本额定载荷为7600N　　每个滑块的质量为　　型号HSR15TA滚珠丝杆的选择及校核根据机器的工作条件及完成的功能，滚珠螺母的循环方式和预紧方式滚珠螺母的循环方式为内循环预紧方式为双螺母垫片预紧导轨的摩擦力为：

F（m1m2）gm1移动负载的质量取m1=50kg　　m2工作台的质量　　m2=40kg　　导轨的摩擦系数取=F（m1m2）g（5040）初选丝杆导程　　根据公称直径范围选择Ph=5mm计算滚珠丝杆的动载荷'　　动载荷公式为：

Cam1=50kgm2=40kg　　u=Fu=　　Ph=5mm　　8

　　Kn式中Kh——寿命系数

　　Kh（Lh1/3）=500Lh——工作寿命,Lh=15000hKF——载荷系数KH——动载荷硬度影响系数Kl——短行程系数/3）Kn——转速系数,Kn（n　　Kh=KF=KH=Kl=Kn=　　v6　　n1200r/min　　Fm——滚珠丝杆等效轴向载荷　　FmKFxF　　K=　　Fx——负载移动阻力，Fx=100N　　Fm100计算得'CaFm=262N　　'a=　　Ca=11KN初选滚珠丝杠副的型号和有关参数　　根据上面所计算的数据，选取的滚珠丝杆的基本额定动载荷要大于计算出来的动载荷。

　　初选型号为FFZD2505型内循环浮动返向器双螺母垫片预紧滚珠丝杆副。

　　其主要参数：

额定动载荷为Ca=11KN　　额定静载荷为C0a27KN　　公称直径d025mm　　导程Ph=5mm　　钢球直径DWC0a27KNd025mmPh=5mmDWC100001000N　　预紧力计算F001010　　F0=1000N9

　　丝杆螺纹部分长度lulu=工作台最大行程+螺母长度+两端余程=1500+86+40=1626mm　　轴承的支撑距离l应大于螺纹部分的长度　　取支撑距离l=20XXmm丝杆稳定性验算　　根据工作环境选择两端采用角接触轴承固定的工作方式，则丝杆不发生失稳的最大工作载荷为：

2fEI　　Fkk2Kls式中：

112　　E材料的拉压弹性模量钢取E10N/m；　　I丝杆轴最小截面惯性矩Id/64；　　d0为滚珠丝杆的公称直径d025mm；　　d2丝杠小径d2d0DW25；　　Fk实际承受载荷的能力；42lu=1626mml=20XXmmE1011N/m2　　d025mmDWd2　　fk压杆稳定的支撑系数，此时取fk1；　　K压杆稳定安全系数，垂直安装时取　　小值，此时取K3。

　　fk1K3ls=20XXmm10

　　fk2EI110112Fk106N　　22Kls320XX64　　FkFmax符合压杆稳定性要求。

临界转速校核　　不发生共振最高转速成为临界转速，ncr表示　　ncr9910Fk106NFkFmax符合要求fcd22（ul）　　fc丝杆的临界转速系数取fc　　l临界转速计算距离l=20XXmm　　u长度系数u　　ncr9910　　f2fcd2/min2（ul）ncr/min符合要求　　nmaxncr能够达到不共振要求。

　　此外滚珠丝杆还应满足发热条件　　d0n70000mm（r/min）　　d0n2600120XXr/mind0n24000　　d0n120XX[d0n]70000mm（r/min）　　综上，滚珠丝杆满足压缩失稳、共振、发热的条件　　丝杆满足使用要求滚珠丝杆副的系统刚度　　轴向载荷F产生的轴向变形量F，丝杠采用两端固定的方式　　F　　式中：

Lj丝杠两支撑间的距离；F104Lj=1800mmFaLj（LLj）EALL=20XXmmE105MPL丝杠的计算长度，指F和T作用处到固定支承端的距离；11

　　E丝杠材料的弹性模量，钢材的E105MP；A丝杠的计算截面面积A（d0Dw）2/4mm2转矩T产生的轴向变形量T　　TA363mm2T104Ph=5mmTLjph2GIpIp104ph丝杠的螺纹导程；Ip丝杠计算截面的极惯性矩：

Ip（dDw）4/32G丝杠材料的切变模量，钢材的G10；T螺旋传动的转矩TFdtan（T）/2；4G104T=465N/mmT22'滚珠丝杠副的当量摩擦系数：

fT，当量摩擦角T1034；轴向载荷F使钢球与螺旋滚道间产生的轴向变形量a因为rs，而且有预紧，所以Dw''a104Dw　　a103KZF式中1/3Z（DwFp）Z工作螺母中的钢球总数Zmjk　　md/（Dwcos）Fp预紧力，一般取FpFmax/3KZ载荷分布不均匀系数，一般取KZZ69　　轴向总变形量：

　　FTa丝杠的轴向刚度：

F　　K（N/mm）KZ103mmK10512

　　K——丝杠允许的轴向刚度K（1820）效率验算　　滚珠丝杠副的传动效率K为4JP1SB1SB2SB3S1S2满足刚度条件　　tantan　　KtantanK要求在90%—95%之间，所以该丝杠副合格。

　　经过上述计算验证，所选型号规格滚珠丝杠各项性能均符合题目要求，可选用。

K可选用直流伺服电动机的选择　　直流伺服电机具有响应迅速、精度和效率高、高速范围宽、负载能力大、控制特性优良等优点，被广泛应用在闭环或半闭环控制的伺服系统中。

　　直流伺服电机的选择要满足惯量匹配和容量匹配原则。

等效负载转矩计算　　选择传动比为i=1Fp负载转矩TLmh2i　　Fm——负载总的合力　　TlFmPh262m2i2134Tlm等效转动惯量滚珠丝杠转动惯量Jsdl3240102104kgm232Js104kgm2工作台等效到电机输出轴上）104kgm2Jw（m1m2）（h）（5040）（22联轴器的转动惯量Jw104kgm213

　　根据滚珠螺杆和电动机输出轴的直径，选择YLD1联轴器，其转动惯量为　　Jl104kgm2Jl104kgm2因此，换算到电动机轴上的转动惯量：

JtJsJwJl104kgm2Jt104kgm2　　初选电动机型号　　已知负载转矩Tlm　　等效转动惯量Jt104kgm2　　初选电动机型号为110SZ55，电磁式直流伺服电动机，其最大静转矩为Tmaxm　　该电机参数如下：

Tmaxm　　最大转矩：

Tmaxm转速：

1500r/min功率：

308W电压：

24V外形尺寸：

总长234mm，外径110mm，轴径10mm重量：

联轴器的选用　　根据步进电动机输出轴的直径和滚珠丝杠的直径，选用YLD1式凸缘联轴器。

其公称转矩Tn10Nm许用转速np13000r/min　　轴孔直径d=10mm　　轴孔长度l0=54mm　　螺栓数量3个，采用M6螺栓　　Y型l054mmm　　转动惯量JL1810N42Tn10Nmnp13000r/mind11mml054mmJL18104Nm2　　键的校核连接步进电动机与联轴器上键的校核14

　　选A型普通平键，d=10mm查表GB/T1095-20XX选键：

b=4mm,h=4mm,L=20mm键的强度较合，验算其挤压强度，查表得其许用压应力4T[p]：

1[p]dhl键的工作长度lLb20416mm，则4200/mm2　　F20416　　l16mmF/mm2　　F　　符合要求；连接联轴器和滚珠丝杆键校核链接联轴器和滚珠丝杆上的键与链接电机输出轴与联轴器的键采用相同的键，对于同样的负载转矩同样能够达到设计要求。

滚动轴承的选用与校核　　根据工作情况以及滚珠丝杠的受力，初选轴承为角接触球轴承，其25，型号为7002AC　　基本额定载荷为　　C0　　C0r　　受力情况如下图：

　　25C0　　Fr为径向外载荷Fr1470N　　Fa为轴向外载荷FaF1470735N　　轴承支反力R1R2r22Fr1470NFaR2735NS1S215

　　轴承派生轴向力S1S2735　　轴承所受轴向载荷S2FaS1　　则A1S2Fa785NA1785NA2S1　　A2S1　　计算轴承当量动载荷，工作在中等冲击　　载荷系数Fp　　A1785eR1735Fpx,y　　查表x,y　　2eR2735x,y　　查表x,y　　计算当量动载荷　　）1fp（xR1yA2）（735514P）　　2fp（xR2yA1）（735785P1计算轴承的寿命　　因为P2>P1，故按P2进行校核。

　　取温度系数ft=1ft=1Ln148120h　　106ftC106132500故　　Ln148120h60nP260　　寿命指数对于球轴承3　　因为Ln15000h所以轴承符合要求符合要求　　7002AC角接触轴承基本尺寸　　内圈直径d15mm符合要求　　d15mm　　外圈直径D32mm　　轴承宽度B9mmD32mmB9mm16

　　轴承质量W　　静载荷C0　　动载荷C0rW润滑与密封装置　　已知条件选择脂润滑，密封装置为毛毡圈。

　　四电气控制系统设计

　　闭环伺服系统的构成

　　闭环伺服系统的构成图1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、速度等量变换成电信号，反馈到系统的输入端并与指令迸行比较,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达~根据检测元件的安装位置，闭环系统分为全闭环和半闭环两种。

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。

　　图1闭环伺服控制系统的构成

　　闭环伺服系统设计　　

（1）伺服元件的选择

　　根据伺服系统的实际情况，选择电磁式直流伺服电机。

（2）检测元件的选择

　　闭环伺服系统通常是位置环、速度环、电流环3环联合的反馈系统.因此，选择检测元件就是选择位置传感器和速度传感器。

常用的位置检测传感器有旋转变压器、感应同步器、光电编码器、光栅尺、礠尺等。

如被测量为直线位移，则

　　17

　　应选直线位移传感器，如光栅尺、磁尺、直线感应同步器等。

在位置伺服系统中，为了获得良好的性能，往往还要对执行元件的速度进行反馈控制，因而还要选用速度传感器。

交直流伺服电机常用的速度传感器为测速发电机。

伺服电机转速控制

　　采用硬件电路实现对直流电机的转速控制已在实践中应用多年，其硬件组成复杂，速度调整困难，缺乏控制的灵活性。

采用XX单片机，利用PWM信号发生器实现了对直流伺服电机转速的实时检测和控制。

　　PWM直流调速原理

　　直流电动机直流脉宽调速系统PWM简介：

为了获得可调的直流电压，利用电力电子器件的完全可控性，采用脉宽调制技术，直接将恒定的直流电压调制成可变大小和极性的直流电压作为电动机的电枢端电压，实现系统的平滑调速，这种调速系统就称为直流脉宽调速系统。

　　脉宽调制的基本原理：

脉宽调制，是利用电力电子开关器件的导通与关断，将直流电压变成连续的直流脉冲序列，并通过控制脉冲的宽度或周期达到变压的目的。

所采用的电力电子器件都为全控型器件，如电力晶体管、功率MOSFET、IGBT等。

　　通常PWM变换器是用定频调宽来达到调压的目的。

　　PWM变换器调压与晶闸管相控调压相比有许多优点，如需要的滤波装置很小甚至只利用电枢电感已经足够，不需要外加滤波装置；电动机的损耗和发热较小、动态响应快、开关频率高、控制线路简单等。

　　为达到更好的机械特性要求，一般直流电动机都是在闭环控制下运行。

经常采用的闭环系统有转速负反馈和电流截止负反馈。

AT89C51简介

　　1）51单片机是对目前所有兼容Intel8031指令系统的单片机的统称。

该系

　　列单片机的始祖是Intel的8031单片机，后来随着Flashrom技术的发展，8031单片机取得了长足的进展，成为目前应用最广泛的8位单片机之一，其代表型号是ATMEL公司的AT89系列，它广泛应用于工业测控系统之中。

目前很多公司都有51系列的兼容机型推出，在目前乃至今后很长的一段时间内将占有大量市场。

51单片机是基础入门的一个单片机，还是应用最广泛的一种。

需要注意的是52系列的单片机一般不具备自编程能力。

主要特性：

　　18

　　a）与MCS-51兼容

　　b）4K字节可编程闪烁存储器c）寿命：

1000写/擦循环d）数据保留时间：

10年e）全静态工作：

0Hz-24MHzf）三级程序存储器锁定g）128×8位内部RAMh）32可编程I/O线i）两个16位定时器/计数器j）5个中断源k）可编程串行通道l）低功耗的闲置和掉电模式m）片内振荡器和时钟电路

　　2）AT89C51引脚图:

　　3）管脚说明：

VCC：

供电电压。

GND：

接地。

　　19

　　P0口：

P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。

当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。

P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。

在FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。

P1口：

P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。

P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是于内部上拉的缘故。

在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。

　　P2口：

P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。

并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。

这是于内部上拉的缘故。

P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。

在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。

P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。

　　P3口：

P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。

当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。

作为输入，于外部下拉为低电平，P3口将输出电流这是于上拉的缘故。

P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示：

口管脚备选功能　　RXD　　TXD　　/INT0　　/INT1　　T0　　T1　　/WR　　/RD

　　P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。

　　RST：

复位输入。

当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。

　　20

　　ALE/PROG：

当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。

在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。

在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。

因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。

然而要注意的是：

每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。

如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。

此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。

另外，该引脚被略微拉高。

如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。

　　/PSEN：

外部程序存储器的选通信号。

在外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。

但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。

　　/EA/VPP：

当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器，不管是否有内部程序存储器。

注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。

在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源。

　　XTAL1：

反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。

XTAL2：

来自反向振荡器的输出。

振荡器特性:

　　XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。

该反向放大器可以配置为片内振荡器。

石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。

如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。

有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。

二极管的应用1）整流二极管

　　利用二极管单向导电性，可以把方向交替变化的交流电变换成单一方向的脉动直流电。

　　2）开关元件

　　二极管在正向电压作用下电阻很小，处于导通状态，相当于一只接通的开关；在反向电压作用下，电阻很大，处于截止状态，如同一只断开的开关。

利用二极管的开关特性，可以组成各种逻辑电路。

　　3）限幅元件

　　21

　　二极管正向导通后，它的正向压降基本保持不变。

利用这一特性，在电路中作为限幅元件，可以把信号幅度限制在一定范围内。

　　4）继流二极管

　　在开关电源的电感中和继电器等感性负载中起继流作用。

　　电路组成晶振电路

　　图2晶振电路图，两个电容和一个晶振组成，晶振频率为12MHz。

　　图2

　　复位电路

　　图3为复位电路图，直流电源，电容和电阻组成，其主要功能是对单片机进行复位功能。

　　图3

　　22

　　单相桥式整流电路

　　图4是单相桥式整流电路图，4个场效应管IGBT和四个二极管组成，其功能是将交流电转化成直流电。

其负载为伺服直流电机，通过门控信号的改变可以调节电机的转速和转向

　　图4

　　调制电路

　　图5是调制电路图，两个与门和一个非门组成，其功能主要是产生PWM脉冲来控制IGBT。

　　图5

　　仿真结果图

　　下图是系统的仿真图，图中左下方是三个控制开关，分别控制直流伺服电动机的正反转，加减速。

开关按下时，是高电平信号，开关开时，是低电平信号。

开关右侧的单片机AT89C51，其主要功能就是将开关的模拟信号转化成数字信号，并通过固定程序，通过对信号的识别，输出相应的控

　　23

　　制信号。

系统图的最右侧是采用IGBT作为开关器件的单相桥式PWM逆变电路。

以电动机作为负载，工作时Q1,Q3的通断状态互补，Q2,Q4的通断状态也互补。

PWM逆变电路下方是调制电路，输入信号分别是信号波和载波，输出的信号分别送至4个IGBT的门极，对其控制。

　　图7

　　程序设计程序流程图

　　以下流程图可知，系统先检测开关K1的信号，如果是0信号，电机启动，若为1信号，电机不转；再检测开关K2的信号。

如果是0信号，则发出正转信号，电动机正转，反之电动机反转。

检测完开关K2，接下来检测开关K3，若信号为1，发出加速的信号，电动机加速，若信号为0，速度保持不变。

再检测开关K4，若信号为1，发出减速的信号，电动机减速，若信号为0，速度保持不变。

系统一直对四个开关信号循环检测，循环的执行程序。

　　开始设置定时计数器

　　24

　　高K1，启停启动低停止高K2，转向低正转信号反转信号NK3，加速Y增加计数器NK4，减速Y减小计数器汇编语言设计

　　K1　　BIT　　；启停键K2　　BIT　　；正反转键K3　　BIT　　；加速键K4　　BIT　　；减速键CLK　　BIT　　；速度控制信号ZF　　BIT　　；正反控制信号PWMHEQU　　30H　　；调宽值，定时器所赋值PWMLEQU　　31H

　　ORG　　0000HLJMP　　MAIN

　　ORG　　000BH　　；中断1控制周期

　　25

　　机电传动单向数控

　　平台设计

　　——机械工程及自动化专业专业课程设计说明书

　　专　　业：

机械工程及其自动化

　　班　　级：

机自09-8班学生姓名：

姚安学　　号：

03091131指导老师：

杨雪峰20XX年11月29日

　　目录

　　1设计任务

　　设计任务介绍及意义设计任务明细设计的基本