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機(jī)電一體化課程設(shè)計(jì) 學(xué)號(hào)：11204020238 姓名： 鄒壘 指導(dǎo)教師：甘彬老師 成績(jī)： 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 3 1、機(jī)械傳動(dòng)部件的選擇 3 2、控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 4 二、機(jī)械傳動(dòng)部件的計(jì)算與選型 4 1、導(dǎo)軌上移動(dòng)部件的重量估算 4 2、直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副的計(jì)算與選型 5 3、滾珠絲杠螺母副的計(jì)算與選型 6 4、步進(jìn)電機(jī)的選用... ...................................................................................................10 5、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的計(jì)算和選型 .10 6、增量式旋轉(zhuǎn)編碼器的選用 . 16 7、聯(lián)軸器的選型及校核..........................................................................................................16 8、軸承的選用及校核.............................................................................................................17 9、各傳動(dòng)部件的預(yù)緊...........................................................................................................20 三、驅(qū)動(dòng)器、單片機(jī)及電源..................................................................................................21 1 、驅(qū)動(dòng)器的選擇..................................................................................................................21 2、單片機(jī)........................................................................................................................ 24 3、82C55和74LS373 4、驅(qū)動(dòng)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(guò)課程設(shè)計(jì)培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)和技能、提高分析和解決實(shí)際問(wèn)題能力的一個(gè)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(shí)，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(shí)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(shù)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(dòng)單向數(shù)控平臺(tái)設(shè)計(jì) （1） 電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(dòng)方式：螺旋絲桿、滾珠絲桿、同步皮帶、鏈傳動(dòng)等； （3） 電氣控制方式：?jiǎn)纹C(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(dòng)負(fù)載質(zhì)量175kg，負(fù)載移動(dòng)阻力150N，空載最快移動(dòng)速度 6000mm/min，進(jìn)給最快移動(dòng)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(duì)各種方案進(jìn)行分析和評(píng)價(jià)，進(jìn)行方案選優(yōu)； （2）總體設(shè)計(jì)：針對(duì)具體的原理方案，通過(guò)對(duì)動(dòng)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(tái)進(jìn)給傳動(dòng)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(gè)學(xué)生應(yīng)獨(dú)立完成課程設(shè)計(jì)說(shuō)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(shuō)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(cè)試技術(shù)； 4． 機(jī)電傳動(dòng)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(dòng)化； 8． 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)； 機(jī)電一體化技術(shù)手冊(cè) 一、總體方案的確定 1、機(jī)械傳動(dòng)部件的選擇 （1）導(dǎo)軌副的選用 要設(shè)計(jì)的工作臺(tái)是用來(lái)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(dòng)導(dǎo)軌副，它具有摩擦系數(shù)小、不易爬行、傳動(dòng)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(dòng)導(dǎo)軌副 （2）絲杠螺母副的選用 伺服電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)需要通過(guò)絲杠螺母副轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動(dòng)，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(dòng)精度高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、壽命長(zhǎng)、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(kāi)發(fā)效率。 選滾動(dòng)絲杠螺母副 （3）伺服電動(dòng)機(jī)的選用 任務(wù)書規(guī)定的空載最快移動(dòng)速度6000mm/min。因此，本設(shè)計(jì)不必采用高檔次的伺服電動(dòng)機(jī)，如交流伺服電動(dòng)機(jī)或直流伺服電動(dòng)機(jī)等，可以選用性能好一些的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，如混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，以降低成本，提高性價(jià)比。 伺服電機(jī)選步進(jìn)電機(jī) （5）檢測(cè)裝置的選用 選用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)作為伺服電動(dòng)機(jī)后，可選開(kāi)環(huán)控制，也可選閉環(huán)控制。任務(wù)書所給精度對(duì)于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)還是偏高的，為了確保電動(dòng)機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)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(dòng)機(jī)的尾部轉(zhuǎn)軸上安裝增量式旋轉(zhuǎn)編碼器，用以檢測(cè)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)角與轉(zhuǎn)速。 檢測(cè)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(tái)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(duì)于步進(jìn)電動(dòng)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(dòng)電源，與步進(jìn)電動(dòng)機(jī)配套使用。 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電源 系統(tǒng)總體框圖 二、機(jī)械傳動(dòng)部件的計(jì)算與選型 1、導(dǎo)軌上移動(dòng)部件的重量估算 按照導(dǎo)軌上面移動(dòng)部件的重量來(lái)進(jìn)行估算。包括工作平臺(tái)、滑塊等，估計(jì)重量約為500N。 G=500N 2、直線滾動(dòng)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(hào)的選取 工作載荷是影響直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副使用壽命的重要因素。工作臺(tái)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(tái)面的工作載荷全部由一個(gè)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(dòng)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(dòng)導(dǎo)軌副的型號(hào)為KL系列的JSA-LG25型，其額定動(dòng)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(zhǎng)度為3000mm. 表3-35 JSA型導(dǎo)軌長(zhǎng)度系列 導(dǎo)軌型號(hào) 導(dǎo)軌長(zhǎng)度系 JSA-LG15 280 340 400 460 520 580 640 700 760 820 940 JSA-LG20 340 400 520 580 640 760 820 940 1000 1120 1240 JSA-LG25 460 640 800 1000 1240 1360 1480 1600 1840 1960 3000 JSA-LG35 520 600 840 1000 1080 1240 1480 1720 2200 2440 3000 JSA-LG45 550 65 750 850 950 1250 1450 1850 2050 2550 3000 JSA-LG55 660 780 900 1020 1260 1380 1500 1980 2220 2700 3000 JSA-LG65 820 970 1120 1270 1420 1570 1720 2020 2320 2770 3000 導(dǎo)軌副的型號(hào): KL系列的 JSA-LG25型 導(dǎo)軌長(zhǎng)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(guò)100℃，每根導(dǎo)軌上配有兩只滑塊，精度為4級(jí)，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） 50 55 58~64 fH 0.53 0.8 1.0 表3-37 溫度系數(shù) 工作溫度/℃ <100 100~150 150~200 200~250 fT 1.00 0.90 0.73 0.60 表3-38 接觸系數(shù) 每根導(dǎo)軌上滑塊數(shù) 1 2 3 4 5 fC 1.00 0.81 0.72 0.66 0.61 表3-39 精度系數(shù) 精度等級(jí) 2 3 4 5 fR 1. 1.0 0.9 0.9 表3-40 載荷系數(shù) 工況 無(wú)外部沖擊或震動(dòng)的低速場(chǎng)合，速度小于15m/min 無(wú)明顯沖擊或振動(dòng)的中速場(chǎng)合，速度為15～60m/min 有外部沖擊或振動(dòng)的高速場(chǎng)合，速度大于60m/min fW 1~1.5 1.5~2 2~3.5 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(tái)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(tái)面垂直）Fz=1875N。 已知移動(dòng)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 μ 矩形導(dǎo)軌 1.1 0.15 燕尾導(dǎo)軌 1.4 0.2 三角形或綜合導(dǎo)軌 1.15 0.15~0. 8 注：表中摩擦因數(shù)μ均為滑動(dòng)導(dǎo)軌。對(duì)于貼塑導(dǎo)軌μ=0.03～0.05，滾動(dòng)導(dǎo)軌μ=0.003～0.005。 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(dòng)部件總重力，單位為N；K為顛覆力矩影響系數(shù)；μ為導(dǎo)軌的摩擦系數(shù)。 取移動(dòng)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(dòng)導(dǎo)軌上的摩擦因素μ=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(dòng)載荷FQ的計(jì)算 工作臺(tái)的最快進(jìn)給速度v=3000mm/min，初選絲杠導(dǎo)程Ph=5mm，則此時(shí)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(shí)，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=5000~10000h，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(shí)，取1.0；等于55HRC時(shí)，取1.11；等于52.5HRC時(shí)， 取1.35；等于50HRC時(shí)，取1.56；等于45HRC時(shí)，取2.40）； Fm——滾珠絲杠副的最大工作載荷，單位為N。 最大動(dòng)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 1.0～1.2 中等沖擊 1.2～1.5 較大沖擊或振動(dòng) 1.5～2.5 （3）初選型號(hào) 根據(jù)計(jì)算出的最大動(dòng)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(jí)取4級(jí)，額定動(dòng)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(dòng)效率η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(dòng)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(tái)滾珠絲杠副的支承均采用“雙推-簡(jiǎn)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δ1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δ2 無(wú)預(yù)緊時(shí) (2-6) 有預(yù)緊時(shí) (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(hào)絲杠為單螺母，滾珠的圈數(shù)列數(shù)為42，代入公式：ZΣ=Z圈數(shù)列數(shù)，得滾珠總數(shù)量ZΣ=176。絲杠預(yù)緊時(shí)，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δ2 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，δ2=0.0007mm。 3）將以上算出的δ1和δ2代入 。 絲杠的有效行程為2150mm，由表3-27知，4級(jí)精度滾珠絲杠有效行程在2150～2200mm時(shí)，行程偏差允許達(dá)到27μm，可見(jiàn)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(zhǎng)桿，如果軸向負(fù)載過(guò)大，則可能產(chǎn)生失穩(wěn)現(xiàn)象。失穩(wěn)時(shí)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2.5～4，垂直安裝時(shí)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(jiǎn)支 雙推-雙推 單推-單推 fk 0.25 2 4 1 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(dòng)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Fk≈24200N，遠(yuǎn)大于工作載荷Fm=2024N，故絲杠不會(huì)失穩(wěn)。 絲杠不會(huì)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(tái)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(dòng)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(dòng)滾珠絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)。 5、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的計(jì)算和選型 已知：滾珠絲杠的公稱直徑d0=20mm； 總長(zhǎng)l=2354mm 導(dǎo)程Ph=5mm； 材料密度ρ=7.8510-3kg/cm3 移動(dòng)部件總重力G=500N； （1）計(jì)算加在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩，分快速空載啟動(dòng)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(dòng)時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)軸所受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩： 移動(dòng)部件運(yùn)動(dòng)時(shí)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(dòng)效率， 取=0.95； 總傳動(dòng)比 =1； 導(dǎo)軌的摩擦系數(shù)（滾動(dòng)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(shí)=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(shí)的傳動(dòng)效率，一般取 由于滾珠絲杠的傳動(dòng)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(shí)，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(dòng)部件運(yùn)動(dòng)時(shí)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(dòng)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(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電源受電網(wǎng)電壓影響較大，當(dāng)輸入電壓降低時(shí)，其輸出轉(zhuǎn)矩會(huì)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(dòng)機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩時(shí)，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(dòng)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(dòng)慣量 已知：滾珠絲杠的公稱直徑d0=20mm； 總長(zhǎng)l=2354mm 導(dǎo)程Ph=5mm； 材料密度ρ=7.8510-3kg/cm3 移動(dòng)部件總重力G=500N； 傳動(dòng)比為1。 滾珠絲杠折算到電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量： 拖板折算到電機(jī)軸上轉(zhuǎn)動(dòng)慣量： 總等效慣量： （4）電機(jī)型號(hào)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(jiàn)下表： 電機(jī)型號(hào) 相數(shù) 步距角 最大靜轉(zhuǎn)矩 空載啟動(dòng)頻率 空載運(yùn)行頻率 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 57BYG250C 3 0.9/1.8 7.84N.m 1500HZ 7000HZ 4.6KG/ a起動(dòng)慣-頻特性曲線 b起動(dòng)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(dòng)頻率 已知電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸不帶任何負(fù)載時(shí)的空載啟動(dòng)頻率。則可以求出步進(jìn)電動(dòng)機(jī)克服慣 性負(fù)載的啟動(dòng)頻率： 3、啟動(dòng)時(shí)間校核 查啟動(dòng)矩—頻特性曲線：見(jiàn)上面 當(dāng)f=1220HZ時(shí)， 能帶動(dòng)空載時(shí)的負(fù)載啟動(dòng)。 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(duì)應(yīng)的 查表對(duì)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(dòng)時(shí)間的要求 4、最大工進(jìn)速度校驗(yàn) =1200mm/min 則 對(duì)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(cè)電動(dòng)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(dòng)機(jī)沒(méi)轉(zhuǎn)動(dòng)一周，需要控制系統(tǒng)發(fā)出360/1.8=200個(gè)步進(jìn)脈沖，編碼器可以選300線。這樣，控制器每發(fā)出一個(gè)步進(jìn)脈沖，電動(dòng)機(jī)就轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)步距角，編碼器對(duì)應(yīng)輸出1.5個(gè)脈沖信號(hào)。 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(dòng)機(jī)尾部出軸相匹配，電源電壓+5V，每轉(zhuǎn)輸出300個(gè)A/B脈沖，信號(hào)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(gè)A/B脈沖 7、聯(lián)軸器的選用及校核 經(jīng)過(guò)對(duì)十字滑臺(tái)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(jiàn)下面：根據(jù)前面電機(jī)選型時(shí)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(guò)程中的動(dòng)載荷和在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中的過(guò)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(tái)無(wú)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(jiàn)選型表中。 聯(lián)軸器選用波紋管聯(lián)軸器 KB1/100 8、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(jiǎn)支式”式支撐，從而我們選用的軸承就是兩對(duì)角接觸軸承相對(duì)安裝，能同時(shí)承受兩個(gè)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(duì)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(tái)剛好走到最右邊或最左邊，且單邊的力由一個(gè)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(dòng)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(dòng)載荷 軸承的基本額定動(dòng)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(duì)于深溝球軸承 C為軸承基本額定動(dòng)載荷 。 因此 根據(jù)前面計(jì)算，以最大工進(jìn)速度運(yùn)動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)速n=600r/min,可以計(jì)算再次條件下計(jì) 算用小時(shí)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(dòng)速度下校核壽命為12308.6h，能達(dá)到要求。 2.采用了一個(gè)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(hào)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(duì)于推力球軸承 C為軸承基本額定動(dòng)載荷 。 因此 根據(jù)前面計(jì)算，以最大工進(jìn)速度運(yùn)動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)速n=600r/min,可以計(jì)算再次條件下計(jì) 算用小時(shí)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(dòng)速度下校核壽命為10308.6h，能達(dá)到要求。 9、各傳動(dòng)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(guò)調(diào)整預(yù)計(jì)片的厚度，可使兩螺母產(chǎn)生相對(duì)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(guò)調(diào)整軸承座兩邊的墊片組來(lái)調(diào)節(jié)軸承的預(yù)緊力。 三、驅(qū)動(dòng)器、單片機(jī)及電源 1、驅(qū)動(dòng)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(dòng)器是與其對(duì)應(yīng)的SJ-3F130M 三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)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(dòng)器適配電機(jī)：57BYG250A、57BYG250B、57BYG250C、110BF003、110BF380B、110BC380C、130BF3100、130BC3100A、130BC3100B。 1.3、 驅(qū)動(dòng)電流：根據(jù)不同電機(jī)，調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)器使輸出電流與電機(jī)相匹配，如果電機(jī)能夠 拖動(dòng)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(huì)過(guò)熱。 1.4、 驅(qū)動(dòng)方法：正弦波恒流斬波驅(qū)動(dòng) 1.5、本驅(qū)動(dòng)器的輸入信號(hào)共有三路，它們是：步進(jìn)脈沖信號(hào) CP、方向電平信號(hào) DIR、 脫機(jī)信號(hào) FREE。它們?cè)隍?qū)動(dòng)器內(nèi)部分別通過(guò) 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(jiàn)下圖（圖 2-1） 。OPTO 端為三路信號(hào)的公共正端（三 路光耦的正輸入端） ，三路輸入信號(hào)在驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部接成共陽(yáng)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(dòng)器內(nèi)部光耦提供 8-15mA 的驅(qū)動(dòng)電流，參見(jiàn)下圖 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器選用SJ-3F130M 2、 AT89S51單片機(jī) 3. 8255擴(kuò)展I/O口芯片、74LS373鎖存器 5、驅(qū)動(dòng)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(lái)看，可知需要直流開(kāi)關(guān)電源，選用的是上海滄燦自動(dòng)化科技有限公司生產(chǎn)的明緯開(kāi)關(guān)電源，型號(hào)為HRP-75-24,其規(guī)格參數(shù)見(jiàn)下表; 型號(hào) 直流輸出電壓 交流輸入電壓 接地端口 HRP-75-24 24V（端口4、5） 85~264VAC(端口為1、2) 3號(hào)端口 HPR-75-5 5V(端口4、5) 85~264VAC(端口1、2) 3號(hào)端口 （2）、驅(qū)動(dòng)器電源： 由上面驅(qū)動(dòng)器選型知道，驅(qū)動(dòng)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(hào)的公共正端（三路光耦的正輸入端） ，三路輸入信號(hào)在驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部接成共陽(yáng)方式，所以 OPTO 端須接外部系統(tǒng)的 +VCC，且 VCC 是+5V，我們這個(gè)電源選用的就是上面表格中的HPR-75-5直流開(kāi)關(guān)電源。AC1和AC2則是選用的變壓器，型號(hào)為JBK5-40和JBK5-160. 四、單片機(jī)程序 #include #define FOSC 12000000 //宏定義時(shí)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 P2 unsigned 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0~9，A~F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P0.0~P0.7 P0M0=0xFF; TMOD=0x20; //配置T1位定時(shí)模式，工作于方式2 TH1=(256-FOSC/12/TIMER50US); //初始化T1定時(shí)1MS TL1=(256-FOSC/12/TIMER50US); TR1=1; //啟動(dòng)T0工作 ET1=1; //使T0中斷 EA=1; //CPU開(kāi)中斷 P0=LEDSEG[SpeedGrade]; //顯示速度等級(jí) While(1) { If(K1==0) //按鍵K1是否按下 { for(i=0;i<1000;i++); //延時(shí)去抖動(dòng) 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(shí)去抖動(dòng) 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(shí)去抖動(dòng) If(K3==0) //按鍵K3是否真的按下 { SpeedGrade++; //電動(dòng)機(jī)速度切換 If(SpeedGrade==6)SpeedGrade=0; P0=LEDSEG[SpeedGrade]; } 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(shí)去抖動(dòng) If(K4==0) //按鍵K4是否真的按下 { If(RunStatus==0)RunStatus=1; //啟動(dòng)運(yùn)行 Else RunStatus=0;} //停止 While(K4==0)；} //等待按鍵K4釋放 } } //定時(shí)器T1定時(shí)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=(~StepPhase[StepPointer])<<1; //送出對(duì)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 2014.12 ［2］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(yǔ)言編程 中國(guó)電力出版社 2015.01 ［4］ ［5］濮良貴.機(jī)械設(shè)計(jì) 高等教育出版社 2014.05 ［6］