機(jī)電一體化課程設(shè)計(jì)學(xué)號：11204020238姓名： 鄒壘 指導(dǎo)教師：甘彬老師成績： 日期：2015.07.12重慶理工大學(xué)目錄重慶理工大學(xué)專業(yè)課程設(shè)計(jì)任務(wù)書2一、總體方案的確定31、機(jī)械傳動部件的選擇32、控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)4二、機(jī)械傳動部件的計(jì)算與選型41、導(dǎo)軌上移動部件的重量估算42、直線滾動導(dǎo)軌副的計(jì)算與選型53、滾珠絲杠螺母副的計(jì)算與選型64、步進(jìn)電機(jī)的選用. .105、步進(jìn)電動機(jī)的計(jì)算和選型.10 6、增量式旋轉(zhuǎn)編碼器的選用. 167、聯(lián)軸器的選型及校核.168、軸承的選用及校核.17 9、各傳動部件的預(yù)緊.20三、驅(qū)動器、單片機(jī)及電源.21 1 、驅(qū)動器的選擇.21 2、單片機(jī). 24 3、82C55和74LS373 4、驅(qū)動器電源及單片機(jī)電源選擇.24四、單片機(jī)VC源程序.25五、參考文獻(xiàn).29重慶理工大學(xué)專業(yè)課程設(shè)計(jì)任務(wù)書1、 教學(xué)目的 通過課程設(shè)計(jì)培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識和技能、提高分析和解決實(shí)際問題能力的一個重要環(huán)節(jié)，專業(yè)課程設(shè)計(jì)是建立在專業(yè)基礎(chǔ)課和專業(yè)方向課的基礎(chǔ)上的，是學(xué)生根據(jù)所學(xué)課程進(jìn)行的工程基本訓(xùn)練，課程設(shè)計(jì)的目的在于： 1、 培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)的基礎(chǔ)理論和專業(yè)知識，獨(dú)立進(jìn)行機(jī)電控制系統(tǒng)(產(chǎn)品)的初步設(shè)計(jì)工作，并結(jié)合設(shè)計(jì)或試驗(yàn)研究課題進(jìn)一步鞏固和擴(kuò)大知識領(lǐng)域。 2、 培養(yǎng)學(xué)生搜集、閱讀和綜合分析參考資料，運(yùn)用各種標(biāo)準(zhǔn)和工具書籍以及編寫技術(shù)文件的能力，提高計(jì)算、繪圖等基本技能。3、 培養(yǎng)學(xué)生掌握機(jī)電產(chǎn)品設(shè)計(jì)的一般程序和方法，進(jìn)行工程師基本素質(zhì)的訓(xùn)練。 4. 樹立正確的設(shè)計(jì)思想及嚴(yán)肅認(rèn)真的工作作風(fēng)。二、課程設(shè)計(jì)題目：機(jī)電傳動單向數(shù)控平臺設(shè)計(jì) （1） 電機(jī)驅(qū)動方式：步進(jìn)電機(jī)、直流伺服電機(jī)、交流伺服電機(jī)； （2） 機(jī)械傳動方式：螺旋絲桿、滾珠絲桿、同步皮帶、鏈傳動等； （3） 電氣控制方式：單片微機(jī)控制、PLC控制； （4）功能控制要求：速度控制、位置控制； （5）主要設(shè)計(jì)參數(shù)： 單向工作行程2100mm，移動負(fù)載質(zhì)量175kg，負(fù)載移動阻力150N，空載最快移動速度 6000mm/min，進(jìn)給最快移動速度1200mm/min。速度控制精度0.5%，或?qū)崿F(xiàn)行程（位置）控制，控制精度0.01mm。三、課程設(shè)計(jì)的基本要求： （1）方案設(shè)計(jì)：根據(jù)課程設(shè)計(jì)任務(wù)的要求，在搜集、歸納、分析資料的基礎(chǔ)上，明確系統(tǒng)的主要功能，確定實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)主要功能的原理方案，并對各種方案進(jìn)行分析和評價，進(jìn)行方案選優(yōu)； （2）總體設(shè)計(jì)：針對具體的原理方案，通過對動力和總體參數(shù)的選擇和計(jì)算，進(jìn)行總體設(shè)計(jì)，繪制工作臺進(jìn)給傳動機(jī)構(gòu)裝配圖一張（A2一張）； （3）根據(jù)控制功能要求，完成電氣控制設(shè)計(jì)，給出電氣控制電路原理圖（A2圖一張）； （4）根據(jù)電氣控制原理圖編寫相關(guān)的控制程序； （5）每個學(xué)生應(yīng)獨(dú)立完成課程設(shè)計(jì)說明書一份，字?jǐn)?shù)為3000字以上，設(shè)計(jì)圖紙不少于兩張； （6）用計(jì)算機(jī)繪圖或手工繪圖，打印說明書； （7）設(shè)計(jì)選題分組進(jìn)行，每位同學(xué)采用不同方案（或參數(shù)）獨(dú)立完成；四推薦參考資料 1 機(jī)械原理與機(jī)械設(shè)計(jì)； 2 微機(jī)原理與接口技術(shù)； 3 測試技術(shù)； 4 機(jī)電傳動控制； 5 PLC控制技術(shù)；6 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)； 7 機(jī)電控制及自動化； 8 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊； 機(jī)電一體化技術(shù)手冊一、總體方案的確定1、機(jī)械傳動部件的選擇（1）導(dǎo)軌副的選用要設(shè)計(jì)的工作臺是用來配套輕型的數(shù)控機(jī)床，需要承載的載荷不大，但脈沖當(dāng)量小(0.005mm/p)，定位精度高（0.01mm），因此，決定選用直線滾動導(dǎo)軌副，它具有摩擦系數(shù)小、不易爬行、傳動效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、安裝預(yù)緊方便等優(yōu)點(diǎn)。選直線滾動導(dǎo)軌副（2）絲杠螺母副的選用伺服電動機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動需要通過絲杠螺母副轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動，要滿足0.005mm的脈沖當(dāng)量和0.01mm的定位精度，只有選用滾珠絲杠副才能達(dá)到。滾珠絲杠副的傳動精度高、動態(tài)響應(yīng)快、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、壽命長、效率高、預(yù)緊后可消除反向間隙，而且滾珠絲杠已經(jīng)系列化，選用非常方便，有利于提高開發(fā)效率。選滾動絲杠螺母副（3）伺服電動機(jī)的選用 任務(wù)書規(guī)定的空載最快移動速度6000mm/min。因此，本設(shè)計(jì)不必采用高檔次的伺服電動機(jī)，如交流伺服電動機(jī)或直流伺服電動機(jī)等，可以選用性能好一些的步進(jìn)電動機(jī)，如混合式步進(jìn)電動機(jī)，以降低成本，提高性價比。伺服電機(jī)選步進(jìn)電機(jī)（5）檢測裝置的選用選用步進(jìn)電動機(jī)作為伺服電動機(jī)后，可選開環(huán)控制，也可選閉環(huán)控制。任務(wù)書所給精度對于步進(jìn)電動機(jī)來說還是偏高的，為了確保電動機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中不受切削負(fù)載和電網(wǎng)的影響而失步，決定采用半閉環(huán)控制，并在電動機(jī)的尾部轉(zhuǎn)軸上安裝增量式旋轉(zhuǎn)編碼器，用以檢測電動機(jī)的轉(zhuǎn)角與轉(zhuǎn)速。檢測裝置的選用：增量式旋轉(zhuǎn)編碼器2、控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)（1）設(shè)計(jì)的工作臺準(zhǔn)備用在數(shù)控機(jī)床上，其控制系統(tǒng)應(yīng)該具有單坐標(biāo)定位、兩坐標(biāo)直線插補(bǔ)與圓弧插補(bǔ)的基本功能，所以控制系統(tǒng)應(yīng)該設(shè)計(jì)成連續(xù)控制型。連續(xù)控制型（2）對于步進(jìn)電動機(jī)的半閉環(huán)控制，選用單片機(jī)，應(yīng)該能夠滿足任務(wù)書給定的相關(guān)指標(biāo)。單片機(jī)（3）選擇合適的驅(qū)動電源，與步進(jìn)電動機(jī)配套使用。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電源系統(tǒng)總體框圖二、機(jī)械傳動部件的計(jì)算與選型1、導(dǎo)軌上移動部件的重量估算 按照導(dǎo)軌上面移動部件的重量來進(jìn)行估算。包括工作平臺、滑塊等，估計(jì)重量約為500N。 G=500N2、直線滾動導(dǎo)軌副的計(jì)算與選型（1）滑塊承受工作載荷Fmax的計(jì)算及導(dǎo)軌型號的選取工作載荷是影響直線滾動導(dǎo)軌副使用壽命的重要因素。工作臺采用水平布置，利用雙導(dǎo)軌、四滑塊的支承形式?？紤]最不利的情況，即垂直于臺面的工作載荷全部由一個滑塊承擔(dān)，則單滑塊所受的最大垂直方向載荷為： (2-2)其中，移動部件重量G=500N，外加載荷F=FZ=1750N，代入式2-2得最大工作載荷 查表3-41，根據(jù)工作載荷Fmax=1875N，初選直線滾動導(dǎo)軌副的型號為KL系列的JSA-LG25型，其額定動載荷Ca=7.94kN，額定靜載荷C0a=9.5kN。查表3-35，按標(biāo)準(zhǔn)系列，選取導(dǎo)軌長度為3000mm.表3-35 JSA型導(dǎo)軌長度系列導(dǎo)軌型號導(dǎo)軌長度系JSA-LG15280340400460520580640700760820940JSA-LG20340400520580640760820940100011201240JSA-LG2546064080010001240136014801600184019603000JSA-LG3552060084010001080124014801720220024403000JSA-LG4555065750850950125014501850205025503000JSA-LG5566078090010201260138015001980222027003000JSA-LG65820970112012701420157017202020232027703000導(dǎo)軌副的型號:KL系列的 JSA-LG25型導(dǎo)軌長度為3000mm(2) 距離額定壽命L的計(jì)算上述選取的ZL系列JSA-LG25型導(dǎo)軌副的滾道硬度為60HRC，工作溫度不超過100，每根導(dǎo)軌上配有兩只滑塊，精度為4級，工作速度較低，載荷不大。查表表3-36 硬度系數(shù)滾道硬度（HRC）50555864fH0.530.81.0表3-37 溫度系數(shù)工作溫度/<100100150150200200250fT1.000.900.730.60表3-38 接觸系數(shù)每根導(dǎo)軌上滑塊數(shù)12345fC1.000.810.720.660.61表3-39 精度系數(shù)精度等級2345fR1.1.00.90.9表3-40 載荷系數(shù)工況無外部沖擊或震動的低速場合，速度小于15m/min無明顯沖擊或振動的中速場合，速度為1560m/min有外部沖擊或振動的高速場合，速度大于60m/minfW11.51.5223.5分別取硬度系數(shù)fH=1.0、溫度系數(shù)fT=1.00、接觸系數(shù)fC =0.81、精度系數(shù)fR =0.9、載荷系數(shù)fW =1.5，代入式2-3，得所選絲杠的距離壽命為42600km。 （2-3） 即 結(jié)論：所選導(dǎo)軌的距離壽命遠(yuǎn)大于期望值50km，故距離額定壽命滿足要求。距離壽命為44700km遠(yuǎn)大于期望值50km，故距離額定壽命滿足要求3、滾珠絲杠螺母副的計(jì)算與選型（1）最大工作載荷Fm的計(jì)算工作臺受到進(jìn)給方向的載荷（與絲杠軸線平行）Fx=150N，受到垂直方向的載荷（與工作臺面垂直）Fz=1875N。已知移動部件總重量G=500N，按矩形導(dǎo)軌進(jìn)行計(jì)算，查表3-29，表3-29 最大工作載荷Fm實(shí)驗(yàn)計(jì)算公式及參考系數(shù)導(dǎo)軌類型實(shí)驗(yàn)公式K矩形導(dǎo)軌1.10.15燕尾導(dǎo)軌1.40.2三角形或綜合導(dǎo)軌1.150.150.8注：表中摩擦因數(shù)均為滑動導(dǎo)軌。對于貼塑導(dǎo)軌=0.030.05，滾動導(dǎo)軌=0.0030.005。表中，F(xiàn)x為進(jìn)給方向載荷，F(xiàn)y為橫向載荷，F(xiàn)z為垂直載荷，單位均為N；G為移動部件總重力，單位為N；K為顛覆力矩影響系數(shù)；為導(dǎo)軌的摩擦系數(shù)。取移動部件總重量G=500N，按矩形導(dǎo)軌進(jìn)行計(jì)算，查表3-29，取顛覆力矩影響系數(shù)K=1.1，滾動導(dǎo)軌上的摩擦因素=0.005。求得滾珠絲杠副的最大工作載荷： 最大工作載荷：（2）最大動載荷FQ的計(jì)算工作臺的最快進(jìn)給速度v=3000mm/min，初選絲杠導(dǎo)程Ph=5mm，則此時絲杠轉(zhuǎn)速n=v/Ph=600r/min。取滾珠絲杠的使用壽命T=15000h，代入L0=60nT/，得絲杠壽命系數(shù)L0=63（單位為：r）。查表3-30，取載荷系數(shù)fW=1.2，滾道硬度為60HRC時，取硬度系數(shù)fH=1.0，代入式2-4 （2-4） 即：式中：L0滾珠絲杠副的壽命，單位（r）。L0=60nT/，（其中T為使用壽命， 普通機(jī)械取T=500010000h，數(shù)控機(jī)床及一般機(jī)電設(shè)備取T=15000h；n為 絲杠每分鐘轉(zhuǎn)速）； fW載荷系數(shù)，由表3-30查得。 fH硬度系數(shù)（58HRC時，取1.0；等于55HRC時，取1.11；等于52.5HRC時， 取1.35；等于50HRC時，取1.56；等于45HRC時，取2.40）； Fm滾珠絲杠副的最大工作載荷，單位為N。最大動載荷FQ=9664N表3-30 滾珠絲杠載荷系數(shù)運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)載荷系數(shù)fW平穩(wěn)或輕度沖擊1.01.2中等沖擊1.21.5較大沖擊或振動1.52.5（3）初選型號 根據(jù)計(jì)算出的最大動載荷和初選的絲杠導(dǎo)程，查附件3表3-31，選擇濟(jì)寧博特精密絲杠制造有限公司生產(chǎn)的GD系列2005-4型滾珠絲杠副，為內(nèi)循環(huán)固定反向器雙螺母式，其公稱直徑為20mm，導(dǎo)程為5 mm，循環(huán)滾珠為4圈2列，精度等級取4級，額定動載荷為11921N，大于FQ，滿足要求。G系列2005-4型滾珠絲杠副（4）傳動效率的計(jì)算 將公稱直徑d0=20mm，導(dǎo)程Ph=5mm，代入，得絲杠螺旋升角。將摩擦角，代入，得傳動效率。效率要求大于90%，該絲杠副合格。>90%，合格。（5）剛度的驗(yàn)算1）工作臺滾珠絲杠副的支承均采用“雙推-簡支”的方式。絲杠的一端用深溝球軸承，另一端用深溝球與推力球軸承的組合，左、右支承的中心距離約為a=2150mm；鋼的彈性模量E=2.1105MPa；查表3-31，得滾珠直徑DW=2.175mm，絲杠底徑d2=16.2mm，絲杠截面積。絲杠的拉伸或壓縮變形量1在總變形量中的比重較大，可按下式計(jì)算： (2-5)式中：Fm絲杠的最大工作載荷，單位為N a絲杠兩端支承間的距離，單位為mm E絲杠材料的彈性模量，鋼的E=2.1105MPa S絲杠按底徑d2確定的截面積，單位為mm2 M轉(zhuǎn)矩，單位為Nmm I絲杠按底徑d2確定的截面積慣性矩（），單位為mm4 滾珠與螺紋滾道間的接觸變形量2 無預(yù)緊時 (2-6) 有預(yù)緊時 (2-7)式中 DW滾珠直徑，mm Z滾珠總數(shù)量，Z=Z圈數(shù)列數(shù) Z單圈滾珠數(shù)，（外循環(huán)），（內(nèi)循環(huán)） FYJ預(yù)緊力，單位N由于轉(zhuǎn)矩M一般較小，可以忽略式2-5中的第二項(xiàng)，算得絲杠在工作載荷Fm作用下產(chǎn)生的拉/壓變形量 2）根據(jù)公式，求得單圈滾珠數(shù)Z=24；該型號絲杠為單螺母，滾珠的圈數(shù)列數(shù)為42，代入公式：Z=Z圈數(shù)列數(shù)，得滾珠總數(shù)量Z=176。絲杠預(yù)緊時，取軸向預(yù)緊力FYJ=Fm/3=674N。則由式2-7，滾珠與螺紋滾道間的接觸變形量2 因?yàn)榻z杠加有預(yù)緊力，且為軸向負(fù)載的1/3，所以實(shí)際變形量可減小一半，2=0.0007mm。3）將以上算出的1和2代入。 絲杠的有效行程為2150mm，由表3-27知，4級精度滾珠絲杠有效行程在21502200mm時，行程偏差允許達(dá)到27m，可見絲杠剛度足夠。絲杠剛度足夠（6）壓桿穩(wěn)定性校核 滾珠絲杠是屬于受軸向力的細(xì)長桿，如果軸向負(fù)載過大，則可能產(chǎn)生失穩(wěn)現(xiàn)象。失穩(wěn)時的臨界載荷Fk應(yīng)滿足： （2-8）式中 Fk臨界載荷，單位N fk絲杠支承系數(shù)，如表所示 K壓桿穩(wěn)定安全系數(shù)，一般取2.54，垂直安裝時取小值； A滾珠絲杠兩端支承間的距離，單位為mm。表3-34 絲杠支承系數(shù)方式雙推-自由雙推-簡支雙推-雙推單推-單推fk0.25241查表3-34，取fk=0.25；由絲杠底徑d2=16.2mm，求得截面慣性矩： ； 壓桿穩(wěn)定系數(shù)K取3（絲杠臥式水平安裝）；滾動螺母至軸向固定處的距離a 取最大值1075mm。代入式2-8即: 臨界載荷Fk24200N，遠(yuǎn)大于工作載荷Fm=2024N，故絲杠不會失穩(wěn)。絲杠不會失穩(wěn) 綜上所述，初選的滾珠絲杠副滿足使用要求。綜上所述，初選的滾珠絲杠副滿足使用要求4、步進(jìn)電機(jī)的選用已知工作臺的脈沖當(dāng)量=0.005mm/脈沖，滾珠絲杠導(dǎo)程Ph=5mm,初選步進(jìn)電機(jī)步距角為1.8，采用五倍細(xì)分，由傳動比： =1 因此不需要減速機(jī)構(gòu)，可以用步進(jìn)電機(jī)直接驅(qū)動滾珠絲杠轉(zhuǎn)動。 5、步進(jìn)電動機(jī)的計(jì)算和選型 已知：滾珠絲杠的公稱直徑d0=20mm； 總長l=2354mm 導(dǎo)程Ph=5mm； 材料密度=7.8510-3kg/cm3移動部件總重力G=500N；（1）計(jì)算加在步進(jìn)電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩，分快速空載啟動和承受最大工作負(fù)載兩種情況進(jìn)行計(jì)算。1）快速空載啟動時電機(jī)轉(zhuǎn)軸所受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩： 移動部件運(yùn)動時折算到電機(jī)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩，單位。 滾珠絲杠預(yù)緊后折算到電機(jī)軸上的附加摩擦轉(zhuǎn)矩，單位。 （2-9） 導(dǎo)軌的摩擦力 ,N； 滾珠絲杠導(dǎo)程，單位m； 傳動效率， 取=0.95； 總傳動比 =1； 導(dǎo)軌的摩擦系數(shù)（滾動導(dǎo)軌取0.003到0.005，這里選取0.005）； 垂直方向工作載荷，空載時=0 由式（2-9）得： 滾珠絲杠預(yù)緊力，一般取工作載荷的1/3,單位為N； 滾珠絲杠未預(yù)緊時的傳動效率，一般取 由于滾珠絲杠的傳動效率高，所以 值一般很小，與 比起，通常 可以忽略不計(jì)。 2)最大工作負(fù)載下電機(jī)轉(zhuǎn)軸所受負(fù)載轉(zhuǎn)矩 式中Tf和T0分別按上計(jì)算；Tt折算到電機(jī)軸上的最大工作負(fù)載轉(zhuǎn)矩。 1、 （2-10） 式中 為進(jìn)給方向最大工作載荷，單位N，在前面滾珠絲杠的選型計(jì)算 時，已知沿絲杠軸線方向最大進(jìn)給載荷Fm=2024N。 因此可得 2、垂直方向承受的最大工作載荷（Fz=1875N）情況下，移動部件運(yùn)動時折算到電機(jī)轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩 綜上計(jì)算，得到加在步進(jìn)電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩應(yīng)為： （2）步進(jìn)電機(jī)靜轉(zhuǎn)矩的確定考慮到步進(jìn)電動機(jī)的驅(qū)動電源受電網(wǎng)電壓影響較大，當(dāng)輸入電壓降低時，其輸出轉(zhuǎn)矩會下降，可能造成丟步，甚至堵轉(zhuǎn)。因此，根據(jù)Teq選擇步進(jìn)電動機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩時，需要考慮安全系數(shù)。這里取安全系數(shù)K=4，則步進(jìn)電動機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩應(yīng)滿足： 步進(jìn)電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩要大于6.84N.m。（3）計(jì)算加在步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動慣量 已知：滾珠絲杠的公稱直徑d0=20mm； 總長l=2354mm 導(dǎo)程Ph=5mm； 材料密度=7.8510-3kg/cm3 移動部件總重力G=500N； 傳動比為1。 滾珠絲杠折算到電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動慣量： 拖板折算到電機(jī)軸上轉(zhuǎn)動慣量： 總等效慣量： （4）電機(jī)型號選取綜上計(jì)算可知， ， 一般要求 得; 綜合考慮上面靜轉(zhuǎn)矩 ，我們選用的步進(jìn)電機(jī)為110BF003反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)，其參數(shù)見下表：電機(jī)型號相數(shù)步距角最大靜轉(zhuǎn)矩空載啟動頻率空載運(yùn)行頻率轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量57BYG250C30.9/1.87.84N.m1500HZ7000HZ4.6KG/ a起動慣-頻特性曲線 b起動矩-頻特性曲線 c運(yùn)行矩-頻特性曲線步進(jìn)電機(jī)選為57BYG250C反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)（5）步進(jìn)電機(jī)性能校核1 、校核脈沖當(dāng)量誤差因?yàn)槲覀冞x的步進(jìn)電機(jī)的步距角與前面取得步距角不能，所以需要校核 步進(jìn)電機(jī)步距角 任務(wù)要求的脈沖當(dāng)量為 計(jì)算實(shí)際步距角 誤差= 在要求范圍內(nèi)，滿足設(shè)計(jì)要求。 2、啟動頻率 已知電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動慣量，電動機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量，電動機(jī)轉(zhuǎn)軸不帶任何負(fù)載時的空載啟動頻率。則可以求出步進(jìn)電動機(jī)克服慣 性負(fù)載的啟動頻率： 3、啟動時間校核 查啟動矩頻特性曲線：見上面 當(dāng)f=1220HZ時， 能帶動空載時的負(fù)載啟動。 若按直線規(guī)律計(jì)算 其中 最快的運(yùn)行轉(zhuǎn)速：設(shè)計(jì)要求最快速度為 6000mm/min 對應(yīng)的 查表對應(yīng)的 帶入公式： 遠(yuǎn)小于0.2-0.4S（機(jī)電一體化書上有） 故滿足啟動時間的要求 4、最大工進(jìn)速度校驗(yàn) =1200mm/min 則 對應(yīng)的HZ 查運(yùn)行矩頻特性曲線圖（c）知道>2.5故>1.7 滿足快速攻進(jìn)速度要求。6、增量式旋轉(zhuǎn)編碼器的選用 由于本設(shè)計(jì)采用半閉環(huán)控制，所以需要在滾珠絲杠尾部的上安裝增量式旋轉(zhuǎn)編碼器，用以檢測電動機(jī)的轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)速。增量式旋轉(zhuǎn)編碼器的分辨力應(yīng)與步進(jìn)電機(jī)的步距角相匹配。由步進(jìn)電機(jī)的步距角等于1.8，可以知道電動機(jī)沒轉(zhuǎn)動一周，需要控制系統(tǒng)發(fā)出360/1.8=200個步進(jìn)脈沖，編碼器可以選300線。這樣，控制器每發(fā)出一個步進(jìn)脈沖，電動機(jī)就轉(zhuǎn)過一個步距角，編碼器對應(yīng)輸出1.5個脈沖信號。選用K50-J 2N 100 B14編碼器：增量式，空心軸，不貫穿，孔徑14mm，與電動機(jī)尾部出軸相匹配，電源電壓+5V，每轉(zhuǎn)輸出300個A/B脈沖，信號為電源輸出。生產(chǎn)廠家為： 上海恒祥光學(xué)電子有限公司。 接線方式：選用K50-J 6C600 B10編碼器：增量式，空心軸，不貫穿，孔徑10mm，電源電壓+5V，每轉(zhuǎn)輸出300個A/B脈沖7、聯(lián)軸器的選用及校核經(jīng)過對十字滑臺設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的分析，我們選用了結(jié)構(gòu)比較緊湊的波紋管聯(lián)軸器，其結(jié)構(gòu)和選型表見下面：根據(jù)前面電機(jī)選型時計(jì)算可得電機(jī)軸上最大負(fù)載轉(zhuǎn)矩T=1.71N.m 考慮工作過程中的動載荷和在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中的過載現(xiàn)象，計(jì)算轉(zhuǎn)矩： 其中為工作情況系數(shù)，因十字滑臺無沖擊或輕微沖 擊，且工作情況比較好，因此取 得 根據(jù)，由選型表中參數(shù)，綜合考慮，選用KB1/100,其具體參數(shù)見選型表中。聯(lián)軸器選用波紋管聯(lián)軸器 KB1/1008、軸承的選用及校核在前面滾珠絲杠的設(shè)計(jì)中，我們采用的是滾珠絲杠“雙推簡支式”式支撐，從而我們選用的軸承就是兩對角接觸軸承相對安裝，能同時承受兩個方向的軸向力和徑向力，然后根據(jù)前面選用的滾珠絲杠的軸徑，我們選用的軸承是“深溝球軸承6302和推力球軸承51102”。下面我們對其進(jìn)行壽命校核。（1）、軸承受力分析 根據(jù)前面滾珠絲杠的設(shè)計(jì)，我們畫出了滾珠絲杠的受力示意圖，我們?nèi)∽顦O端情況，即滑臺剛好走到最右邊或最左邊，且單邊的力由一個軸承承擔(dān)。 因?yàn)槲覀兊妮S承結(jié)構(gòu)如下圖所示。 (2)、計(jì)算當(dāng)量動載荷 1. 采用了一組深溝球軸承，徑向載荷,軸向載荷，轉(zhuǎn)速1200R/MIN,裝軸承處的軸頸范圍19-25： 查表得e最大為0.44，最小為0.22,=1.2, x=1,y=1： 所以 當(dāng)量動載荷軸承的基本額定動載荷：查表得軸承選用6302，其C為15.8KN，內(nèi)徑為15，外徑為42，寬為13. （3）、壽命校核計(jì)算： 式中為單位為 ；對于深溝球軸承 C為軸承基本額定動載荷 。 因此 根據(jù)前面計(jì)算，以最大工進(jìn)速度運(yùn)動時，轉(zhuǎn)速n=600r/min,可以計(jì)算再次條件下計(jì) 算用小時表示的基本額定壽命Lh： 所以 （4) 、綜合分析以上計(jì)算，我們?nèi)〉檬亲畲筝d荷，受力是在最惡劣的情況下，且以空載最快運(yùn)動速度下校核壽命為12308.6h，能達(dá)到要求。 2.采用了一個推力球軸承：軸向載荷為181.32N，徑向載荷可忽略不計(jì)。 查表初選型號為51102，C為14.20KN,內(nèi)徑為15，外徑為28，寬度為9。 3）、壽命校核計(jì)算： 式中為單位為 ；對于推力球軸承 C為軸承基本額定動載荷 。 因此 根據(jù)前面計(jì)算，以最大工進(jìn)速度運(yùn)動時，轉(zhuǎn)速n=600r/min,可以計(jì)算再次條件下計(jì) 算用小時表示的基本額定壽命Lh： 所以 綜合分析以上計(jì)算，我們?nèi)〉檬亲畲筝d荷，且以空載最快運(yùn)動速度下校核壽命為10308.6h，能達(dá)到要求。9、各傳動部件的調(diào)整 （1）、滾珠絲杠的預(yù)緊：我們選用的滾珠絲杠是內(nèi)循環(huán)固定反相器雙螺母墊片式預(yù)緊, 調(diào)整方法是通過調(diào)整預(yù)計(jì)片的厚度，可使兩螺母產(chǎn)生相對位移，已達(dá)到消除間隙、產(chǎn)生預(yù)緊力的目的。 （2）、軸承的預(yù)緊: 通過調(diào)整軸承座兩邊的墊片組來調(diào)節(jié)軸承的預(yù)緊力。三、驅(qū)動器、單片機(jī)及電源 1、驅(qū)動器的選擇 根據(jù)前面選用的三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)57BYG250C，我們選用的驅(qū)動器是與其對應(yīng)的SJ-3F130M 三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動器，其技術(shù)參數(shù) 1.1、 供電電源：交流 AC1 為 16V/1.0A，AC2 為 60-120V，必須兩項(xiàng)供電。 1.2、 驅(qū)動器適配電機(jī)：57BYG250A、57BYG250B、57BYG250C、110BF003、110BF380B、110BC380C、130BF3100、130BC3100A、130BC3100B。 1.3、 驅(qū)動電流：根據(jù)不同電機(jī)，調(diào)節(jié)驅(qū)動器使輸出電流與電機(jī)相匹配，如果電機(jī)能夠 拖動負(fù)載可以調(diào)節(jié)小于電機(jī)額定電流，但不能調(diào)節(jié)大于電機(jī)額定電流,否則電機(jī)會過熱。 1.4、 驅(qū)動方法：正弦波恒流斬波驅(qū)動 1.5、本驅(qū)動器的輸入信號共有三路，它們是：步進(jìn)脈沖信號 CP、方向電平信號 DIR、 脫機(jī)信號 FREE。它們在驅(qū)動器內(nèi)部分別通過 270 歐姆的限流電阻接入光耦的負(fù)輸入 端，且電路形式完全相同，見下圖（圖 2-1） 。OPTO 端為三路信號的公共正端（三 路光耦的正輸入端） ，三路輸入信號在驅(qū)動器內(nèi)部接成共陽方式，所以 OPTO 端須 接 外部系統(tǒng)的 VCC，如果 VCC 是+5V 則可直接接入；如果 VCC 不是+5V 則須外部 另加限流電阻 R，保證給驅(qū)動器內(nèi)部光耦提供 8-15mA 的驅(qū)動電流，參見下圖步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器選用SJ-3F130M2、 AT89S51單片機(jī)3. 8255擴(kuò)展I/O口芯片、74LS373鎖存器5、驅(qū)動器電源及單片機(jī)電源選擇 （1）、單片機(jī)供電電源 根據(jù)原理圖中相關(guān)內(nèi)容來看，可知需要直流開關(guān)電源，選用的是上海滄燦自動化科技有限公司生產(chǎn)的明緯開關(guān)電源，型號為HRP-75-24,其規(guī)格參數(shù)見下表;型號直流輸出電壓交流輸入電壓接地端口HRP-75-2424V（端口4、5）85264VAC(端口為1、2)3號端口HPR-75-55V(端口4、5)85264VAC(端口1、2)3號端口 （2）、驅(qū)動器電源： 由上面驅(qū)動器選型知道，驅(qū)動器需要交流 AC1 為 16V/1.0A、AC2 為 60-120V兩項(xiàng)供電，且OPTO 端為三路信號的公共正端（三路光耦的正輸入端） ，三路輸入信號在驅(qū)動器內(nèi)部接成共陽方式，所以 OPTO 端須接外部系統(tǒng)的 +VCC，且 VCC 是+5V，我們這個電源選用的就是上面表格中的HPR-75-5直流開關(guān)電源。AC1和AC2則是選用的變壓器，型號為JBK5-40和JBK5-160.四、單片機(jī)程序#include<REGX51.H>#define FOSC 12000000 /宏定義時鐘頻率Unsigned char code StepPhase=0x01,0x03,0x02,0x06,0x04,0x05; /三相六拍bit Direction=0;bit RunStatus=0;unsigned char StepPointer=0;#define TIMER50US 20000#define STEPMOTOR P2unsigned char SpeedGrade=0;unsigned char SpeedCount=0;/數(shù)碼管顯示定義與聲明sfr P0M1=0x93;Sfr POM0=0x94;Code unsigned char LEDSEG=0x3F、0x06、0x5B、0x4F、0x66、0x6D、0x7D、0x07、0x7F、0x6F、0x77、0x7C、0x39、0x5E、0x79、0x71; /顯示09，AF代碼表#define K1=P3.2#define K2=P3.3#define K3=P3.4#define K4=P3.5/main()主程序Void main(void)Unsigned int i;P0M1=0x00; /配置P0端口的P0.0P0.7P0M0=0xFF;TMOD=0x20; /配置T1位定時模式，工作于方式2TH1=(256-FOSC/12/TIMER50US); /初始化T1定時1MS TL1=(256-FOSC/12/TIMER50US);TR1=1; /啟動T0工作ET1=1; /使T0中斷EA=1; /CPU開中斷P0=LEDSEGSpeedGrade; /顯示速度等級While(1) If(K1=0) /按鍵K1是否按下 for(i=0;i<1000;i+); /延時去抖動 If(K1=0) /按鍵K1是否真的按下 Direction=0; /正向 While(K1=0)； /等待按鍵K1釋放 If(K2=0) /按鍵K2是否按下 for(i=0;i<1000;i+); /延時去抖動 If(K2=0) /按鍵K2是否真的按下 Direction=1; /反向 While(K2=0)； /等待按鍵K2釋放 If(K3=0) /按鍵K3是否按下 for(i=0;i<1000;i+); /延時去抖動 If(K3=0) /按鍵K3是否真的按下 SpeedGrade+; /電動機(jī)速度切換 If(SpeedGrade=6)SpeedGrade=0; P0=LEDSEGSpeedGrade; While(K3=0)； /等待按鍵K3釋放 If(K4=0) /按鍵K4是否按下 for(i=0;i<1000;i+); /延時去抖動 If(K4=0) /按鍵K4是否真的按下 If(RunStatus=0)RunStatus=1; /啟動運(yùn)行 Else RunStatus=0; /停止 While(K4=0)； /等待按鍵K4釋放 /定時器T1定時50us溢出中斷服務(wù)程序Void T1 ISR(void) interrupt 3 If(RunStatus=1) /電機(jī)處于運(yùn)行狀態(tài)下 SpeedCount +; If(SpeedCount=(SpeedGrade+1)*2) /達(dá)到設(shè)置的速度檔位 SpeedCount=0; STEPMOTOR=(StepPhaseStepPointer)<<1; /送出對應(yīng)相位數(shù)據(jù) If(Direction=0) /正向狀態(tài) StepPointer +; If(sizeof(StepPhase)=StepPointer) StepPointer=0; Else /反向狀態(tài) StepPointer-; If(0xFF=StepPointer) StepPointer=(sizeof(StepPhase)-1; 五、參考文獻(xiàn)1張建民. 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì) 高等教育出版社 2014.122課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書 電子版3孫安青 MCS-51單片機(jī)C語言編程 中國電力出版社 2015.01 45濮良貴.機(jī)械設(shè)計(jì) 高等教育出版社 2014.056