步進(jìn)電機(jī)通過(guò)一級(jí)齒輪減速驅(qū)動(dòng)單軸直線伺服移動(dòng)機(jī)構(gòu)系統(tǒng)設(shè)計(jì)論文

機(jī)電一體化機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)計(jì)算說(shuō)明書 - 1 - 目 錄 第一章：直線移動(dòng)機(jī)構(gòu)模塊的設(shè)計(jì) 錯(cuò)誤 !未定義書簽。 1工作臺(tái)的選擇 . 錯(cuò)誤 !未定義書簽。 2滾動(dòng)導(dǎo)軌副的選擇計(jì)算和校核 錯(cuò)誤 !未 定義 書簽。 3滾珠絲杠副的設(shè)計(jì)計(jì)算和校驗(yàn) 錯(cuò)誤 !未 定義 書簽。 4軸承的選擇計(jì)算 . 錯(cuò)誤 !未定義書簽。 第二章：步進(jìn)電機(jī)的選擇 . 錯(cuò)誤 !未定義書簽。 1.脈沖當(dāng)量的選擇 . 錯(cuò)誤 !未定義書簽。 2.等效轉(zhuǎn)矩的計(jì)算 . 錯(cuò)誤 !未定義書簽。 3系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的折算 . 錯(cuò)誤 !未定義書簽。 4步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的選擇 . 錯(cuò)誤 !未定義書簽。 5.一級(jí)齒輪的設(shè)計(jì)計(jì)算 . 錯(cuò)誤 !未定義書簽。 第三章：控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) . 錯(cuò)誤 !未定義書簽。 1.控制器選型及存儲(chǔ)器擴(kuò)展分析 錯(cuò)誤 !未定義書簽。 2.系統(tǒng)功能選擇實(shí)現(xiàn) . 錯(cuò)誤 !未定義書簽。 3.系統(tǒng)狀態(tài)顯示 . 錯(cuò)誤 !未定義書簽。 機(jī)電一體化機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)計(jì)算說(shuō)明書 - 2 - 4.系統(tǒng)端口分配方式 . 錯(cuò)誤 !未定義書簽。 5.軟件編程算法實(shí)現(xiàn) . 錯(cuò)誤 !未定義書簽。 第四章：程序執(zhí)行流程 . 錯(cuò)誤 !未定義書簽。 第五章：控制流程圖 . 錯(cuò)誤 !未定義書簽。 第六章：機(jī)械進(jìn)給系統(tǒng)的建模與仿真 錯(cuò)誤 !未 定義 書簽。 心得體會(huì) . 錯(cuò)誤 !未定義書簽。 參考文獻(xiàn) . 錯(cuò)誤 !未定義書簽。 第一章：直線移動(dòng)機(jī)構(gòu)模塊的設(shè)計(jì) 1 工作臺(tái)的選擇 根據(jù)設(shè)計(jì)要求初選工作臺(tái)為 3 0 0 3 0 0 2 0 mm ，密度7.81 3/g mm ，質(zhì)量約為 14Kg。 2 滾動(dòng) 導(dǎo)軌副的選擇計(jì)算和校核 滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副是在滑塊與導(dǎo)軌之間放入適當(dāng)?shù)匿撉?，使滑塊與導(dǎo)軌之間的滑動(dòng)摩擦變?yōu)闈L動(dòng)摩擦，大大降低二者之間的運(yùn)動(dòng)摩擦阻力，從而獲得動(dòng)、靜摩擦力之差很小，隨動(dòng)性極好，即驅(qū)動(dòng)信號(hào)與機(jī)械動(dòng)作滯后的時(shí)間間隔極短，有益于提高數(shù)控系統(tǒng)的響應(yīng)速度和靈敏度。 驅(qū)動(dòng)功率大幅度下降，只相當(dāng)于普通機(jī)械的十分之一。 與 V型十字交叉滾子導(dǎo)軌相比，摩擦阻力可下降約40 倍。 適應(yīng)高速直線運(yùn)動(dòng)，其瞬時(shí)速度比滑動(dòng)導(dǎo)軌提高約 10 倍。 能機(jī)電一體化機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)計(jì)算說(shuō)明書 - 3 - 實(shí)現(xiàn)高定位精度和重復(fù)定位精度。 能實(shí)現(xiàn)無(wú)間隙運(yùn)動(dòng)，提高機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)剛度。成對(duì)使用導(dǎo) 軌副時(shí)，具有“誤差均化效應(yīng)”，從而降低基礎(chǔ)件（導(dǎo)軌安裝面）的加工精度要求，降低基礎(chǔ)件的機(jī)械制造成本與難度。導(dǎo)軌副滾道截面采用合理比值的圓弧溝槽，接觸應(yīng)力小，承接能力及剛度比平面與鋼球點(diǎn)接觸時(shí)大大提高，滾動(dòng)摩擦力比雙圓弧滾道有明顯降低。導(dǎo)軌采用表面硬化處理，使導(dǎo)軌具有良好的可校性；心部保持良好的機(jī)械性能。 簡(jiǎn)化了機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和制造。 滑塊可選用基本尺寸為 307080 ，導(dǎo)軌副材料的選擇為灰鑄鐵 HT200，因?yàn)樗哪湍バ院蜏p震性好，熱穩(wěn)定性好，容易鑄造和切削加工，成本較低。因設(shè) 計(jì)任務(wù)要求，選用四塊這樣的滑塊組成雙排導(dǎo)軌，則總質(zhì)量約為： kgkg 65.14 。 2 1滾動(dòng)體的尺寸和數(shù)目 滾動(dòng)體的直徑越大，滾動(dòng)摩擦系數(shù)就越小，摩擦阻力也就越??；滾動(dòng)體的直徑過(guò)小，不但摩擦阻力會(huì)加大，而且會(huì)產(chǎn)生滑動(dòng)的現(xiàn)象。因此在不受限制的情況下滾動(dòng)體的直徑越大越好，本次選擇滾珠直徑 8mm， 查文獻(xiàn) 3式 5-6 有：dG5.9 其中， Z 為滾珠數(shù)目； G 運(yùn)動(dòng)部件的重力，單位 N； D 為滾珠直徑，單位 mm 則： 8.585.9164 ，所以選每一導(dǎo)軌滑塊上滾珠的數(shù)目為 7。 機(jī)電一體化機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)計(jì)算說(shuō)明書 - 4 - 2 2滾動(dòng)導(dǎo)軌副的強(qiáng)度計(jì)算 強(qiáng)度的判斷條件是判別受力最大的那個(gè)滾動(dòng)體上的載荷是否超過(guò)了許用載荷。如果一條導(dǎo)軌上承受一個(gè)作用在導(dǎo)軌面上的力和力矩，則受力最大的滾動(dòng)體就是位于最外側(cè)的。 查文獻(xiàn) 3式 6-5 可得在一個(gè)滾動(dòng)體上的許用載荷： 22F F d 其中，對(duì)于淬火鋼珠鑄鐵導(dǎo)軌 2F=125N/ 2cm ；對(duì) HT200 導(dǎo)軌，導(dǎo)軌材料 的硬度系數(shù) 1 ； 則： 8018.01253.7747 1642000 2 FZF 由此可知強(qiáng)度滿足。 2.3 校核導(dǎo)軌副的壽命 由文獻(xiàn) 1式 3-22 得：3210hus T l nT 其中，hT為工作時(shí)間壽命，單位 h； ul為工作的有效行程長(zhǎng)度，單位 m； n 為每分鐘往復(fù)的 次數(shù)，單位：次 /min 代入數(shù)據(jù)得： kmTS 48001000 6045.0200002 因有四個(gè)滑塊，所以每一導(dǎo)軌上使用兩個(gè)滑塊，則： 3 /swoaH T CF T K fCf f f 由文獻(xiàn) 4表 3-14 和 3-17 確定以下系數(shù)： 其中， K 為壽命系數(shù)，一般取 50km； F 滑塊的工作載荷，單位 N； 機(jī)電一體化機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)計(jì)算說(shuō)明書 - 5 - Hf為硬度系數(shù)，Hf=0.92 ； Tf為溫度系數(shù)，Tf=1； Cf為接觸系數(shù)，Cf=0.81 ； wf為負(fù)荷系數(shù)，wf=1.5。 而且 NMFF 5504 1642 0 0 0 ； 所以： NCoa 10140192.081.05.1504800550 3 ； 即 aoa CC17500N，選用漢江機(jī)床廠 HJG-D25 有線導(dǎo)軌，查文獻(xiàn) 1表 3-14 至 3-17 得 HJG-25 型導(dǎo)軌的 NCa 17500，NC oa 26000 ，所用的導(dǎo)軌能滿足壽命要求。 3滾珠絲杠副的設(shè)計(jì)計(jì)算和校驗(yàn)： 3.1 初選滾珠絲杠 根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)，滾珠絲杠直徑初定為 25mm，導(dǎo)程 Ph=8mm ，制造精度為 3級(jí)。 3.2 絲桿的轉(zhuǎn)速 in=ihvP ，其中： iv 為機(jī)械傳動(dòng)速度，單位是 mm/min。 則：1n= min/25082000 r； 5084002 nr/min 3.3 行程補(bǔ)償值 滾珠絲桿的熱變形將導(dǎo)致長(zhǎng)度，定位精度的變化，可由下面機(jī)電一體化機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)計(jì)算說(shuō)明書 - 6 - 的方法進(jìn)行補(bǔ)償： 31 1 . 8 1 0tuL 其中：t為溫度上升值，一般為 oo 32 取 o5.2 ； UL為有效行程，單位是 m ； 則： mm23 10475.1105.05.28.11 3.4 兩端固定支撐方式的預(yù)拉伸補(bǔ)償熱變形 在采用 兩端固定 安裝方式時(shí)，還要采用絲桿預(yù)拉伸的方法來(lái)進(jìn)一步補(bǔ)償熱變形，預(yù)拉伸為： 42 4Uttt A E EFdL 式中： E 為彈性模量， 522 .1 1 0 /N m m ； d 為絲桿公稱直徑， mm； 故： 4 6 53 . 1 4 2 5 2 . 5 1 2 1 0 2 . 1 1 0 37094tF N 3.5 滾珠絲桿副軸向載荷的計(jì)算 （參考文獻(xiàn) 5的P.101-P.103） m a x () XaZF m g F m a f F 式中： 為滾珠絲桿副的摩擦系數(shù)，一般取 0.0025 0.005； m為工作臺(tái)和滑塊的總質(zhì)量 ； f為導(dǎo)軌與底面的摩擦 力； zF為滾珠絲桿的徑向受力； XF為滾珠絲桿的軸向受力； 機(jī)電一體化機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)計(jì)算說(shuō)明書 - 7 - a 為最大加速度， 2m ax /5.042 smtVa 則： NFa 602160005.020)2000200(003.0m a x NfFmguF 5.6)( 2mi n 所以 :當(dāng)量載荷 NFFFm 401632 m inm ax 設(shè)空轉(zhuǎn)和常用切削分配的時(shí)間分別為 10%和 90%， 則當(dāng)量轉(zhuǎn)速m in/709010 905010250212211 rtt tntnn m 3.6 額定靜載荷及額定動(dòng)載荷的下限值： （ 1） 額定靜載荷m a xo a o a m sC C f F 式中，sf為安全系數(shù)，一般取 2-3，這里取 3；maxF是外加在滾珠絲桿副上的最大軸向載荷 故有： NNCoa 1800060003 （ 2） 額定動(dòng)載荷 在當(dāng)量條件下達(dá)到預(yù)期壽命時(shí)，絲桿所受的最大額定動(dòng)載荷為 NffFLnC amhmam 2 6 3 8 2105.14 0 1 62 0 0 0 07060)1 0 0/(60 233 其中f為載荷系數(shù)，取 5.1f；af為精度系數(shù)，取 0.1af。 3 7選定滾珠絲桿的型號(hào) 當(dāng)滾珠絲桿副在較高轉(zhuǎn)速下工作時(shí)，應(yīng)按壽命計(jì)算選擇其尺寸規(guī)格，并校核其載荷是否超過(guò)額定動(dòng)載荷；當(dāng)滾珠絲桿副低速工作時(shí)，應(yīng)按計(jì)算額定靜載荷的方法確定滾珠絲桿機(jī)電一體化機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)計(jì)算說(shuō)明書 - 8 - 副的規(guī)格尺寸，并校核壽命。在本設(shè)計(jì)中，最高轉(zhuǎn)速不足300r/min，屬于低速運(yùn)轉(zhuǎn)的情況，所以 在這里按額定靜載荷的大小選擇： 根據(jù)文獻(xiàn) 5，選擇系列代號(hào)為 2508-5 的滾珠絲桿副。 其額定動(dòng)載荷 NCa 30401，額定靜載荷 NCao 46583，剛度1485 mN / ， 外徑 mmd 241 ，內(nèi)徑 mmd 9.212 鋼球直徑3.175bd mm， 螺旋角 4.3O ， 滾道半徑 bdR )555.054.0( ，循環(huán)圈數(shù) 3n 圈（圈） 。 查參考文獻(xiàn) 5的 P.107 得： 螺紋全長(zhǎng)： nxae LLLLL 221720mm 余留長(zhǎng)度eL：參考文獻(xiàn) 6 表 4-2 取 32mm，安全行程ha PL )21(：取 16mm，行程 mmLx 500 ，螺母長(zhǎng)度 mmLn 123，螺紋左端到軸承和螺紋右端到軸承 的距離 mmbb 3021 左右兩端軸承的間距： mmbbLL z 7803030720211 3.8 驗(yàn)算 Dn 值 m in/.70000625025025max0 rmmndDn 3.9 預(yù)緊力的確定 當(dāng)采用兩端固定的支撐方式時(shí)，預(yù)緊力可以計(jì)算如下： NFF P 200760213131 m ax 機(jī)電一體化機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)計(jì)算說(shuō)明書 - 9 - 而且： NCFaoP 3.46581.0 ，即滿足運(yùn)轉(zhuǎn)要求。 3.10 穩(wěn)定性的校驗(yàn) （ 1）由于滾珠絲桿副在工作時(shí)很可能會(huì)發(fā)生失穩(wěn)，所 以要求設(shè)計(jì)計(jì)算所達(dá)到的安全系數(shù) S，其值應(yīng)該大于絲桿傳動(dòng)結(jié)構(gòu)所允許的安全系數(shù) S。 絲桿不會(huì)發(fā)生失穩(wěn)的最大載荷稱為臨界載荷crF，并按文獻(xiàn) 1中式計(jì)算： 22acrEIFL 式中： E 為絲桿材料的彈性模量，對(duì)于鋼， GPaE 210 ； L 為絲桿的有效工作長(zhǎng)度（ m）； aI為絲桿的危險(xiǎn)截面的軸慣性矩（ 4m ）； 為長(zhǎng)度系數(shù)，查文獻(xiàn) 1表 3-6 取 =1 而 4844 101.1640 2 1 9.014.364 2 mdIa 則： NFcr 91103)15.0(101.11021014.32892 ，安全系數(shù)aFFcrS 22.7，查文獻(xiàn) 1表 3-6， 4 SS 絲桿不會(huì)失穩(wěn)。 （ 2）絲桿工作時(shí)可能發(fā)生共振，因此需要驗(yàn)算其不會(huì)發(fā)生共振的最高轉(zhuǎn)速 稱之為臨界轉(zhuǎn)速crn，要求絲桿的最大轉(zhuǎn)max crnn。 臨界轉(zhuǎn)速crn（ /minr ）可按下式計(jì)算： 機(jī)電一體化機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)計(jì)算說(shuō)明書 - 10 - 22)(9910 2Ldfn ccr 式中： cf為臨界轉(zhuǎn)速系數(shù)，查文獻(xiàn) 1表 3-6，本設(shè)計(jì)中 73.4cf，1 則： m in/1 9 4 2 2)15.0(0 2 1 9.073.49 9 1 022 rncr m in/250max rnn cr 所以絲桿工作時(shí)不會(huì)發(fā)生共振。 3.11 剛度的驗(yàn)算 (1) 估算絲杠軸向最大變形量 )4131(m重復(fù)定位精度 )5141(m定位精度 所以 1 0 . 0 1 0 . 0 0 33m mm 1 0 . 0 2 0 . 0 0 54m mm 取 1 0 . 0 1 0 . 0 0 33m mm 絲杠在工作載荷1F(N)和轉(zhuǎn)矩 T（ mN. ）作用下引起每個(gè)導(dǎo)程的變形量為： mmmEIMPES PFL mhh 003.05116.0221 式中： E 為絲杠切變模量，對(duì)于鋼 E=210aGP； M 為扭 矩， mNdFMm .924.3)t a n (2 0 ； 為摩擦升角， a r c t a n 0 . 1 7 o； I 為絲杠的極慣性矩， 機(jī)電一體化機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)計(jì)算說(shuō)明書 - 11 - 41244 102257132 0219.014.332 2 mmdI a ； S 為絲杠截面積，2642 105.3764 0219.014.34 2 mmdS ； 絲杠在 300mm 內(nèi)的彈性變形所引起的導(dǎo)程誤差為： mmmmP LLh02.001918.03003 0 0 所以該絲杠的剛度滿足要求。 3.13 效率的校核 本設(shè)計(jì)取摩擦系數(shù)為 0.003，即： tan 0 .0 0 3 ，則 0.17 ； 滾珠絲桿副的傳動(dòng)效率 K為： t a n t a n 4 . 3 0 . 9 6t a n t a n 4 . 3 0 . 1 7OK O K的要求在 90%以上，所以該絲桿副合格。 經(jīng)過(guò)上述校核驗(yàn)證，所選型號(hào)規(guī)格的滾珠絲桿副的各項(xiàng)性能均能滿足設(shè)計(jì)要求。 3.14 滾珠絲桿副的潤(rùn)滑 滾珠絲桿副一般需要用潤(rùn)滑劑來(lái)提高耐磨性和傳動(dòng)效率，潤(rùn)滑的方法有脂潤(rùn)滑和油潤(rùn)滑兩種。通常，螺母在很長(zhǎng)的絲桿上運(yùn)行，而且是進(jìn)行回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的，保持潤(rùn)滑油是十分困難的；另外可能因?yàn)槊芊獠缓?，有硬質(zhì)的灰塵回切屑等臟物落入螺紋滾道會(huì)防礙滾珠的運(yùn)轉(zhuǎn)和磨損的，因此本設(shè)計(jì)采用脂潤(rùn)滑，潤(rùn)滑劑為鋰基油脂。 機(jī)電一體化機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)計(jì)算說(shuō)明書 - 12 - 4.軸承的選擇計(jì)算 根據(jù)設(shè)計(jì)要求 滾珠絲桿副采用兩端固定支撐的安裝方式，而且要同時(shí)承受徑向載荷和軸向載荷，故根據(jù)文獻(xiàn) 8選用角接觸球軸承 7305B， 040 。采用反裝形式。 (1)求兩軸承受到的徑向載荷1rF和2rF 設(shè)左邊的軸承為軸承 1 1rF= 2rF=2F/2=2000/2=1000N (2)求兩軸承的計(jì)算軸向力1aF和2aF 查文獻(xiàn) 2表 13-5得，判斷系數(shù) e=0.68 故， NeFFFrdd 680100068.021 因?yàn)橥饧虞S向力的存在，必須滿足平衡，則必有12a a aeF F F。 所以： NFFF aeda 666 8 06 0 0 011 NFFda 68022 (3)求 軸承的當(dāng)量動(dòng)載荷 P 因?yàn)?， eFFra 68.61000668011 eFFra 6.010 0068 011 由文獻(xiàn) 2表 13-5 分別進(jìn)行查表得徑向載荷系數(shù)和軸向載荷系數(shù)為， 機(jī)電一體化機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)計(jì)算說(shuō)明書 - 13 - 對(duì)軸承 1 1X0.35， 1Y0.57 對(duì)軸承 2 2X1， 02 Y 因軸承運(yùn)轉(zhuǎn)中可能會(huì)產(chǎn)生沖擊載荷，按文獻(xiàn) 2表 13-6查得2.10.1pf ，本設(shè)計(jì)中取 0.1pf 。則： NFYFXfP arp 4158)668057.0100035.0(0.1)( 11111 NFYFXfP arp 100010000.1)( 22222 (4)驗(yàn)算軸承的壽命 因?yàn)?P2P，所以按軸承 1的受力情況進(jìn)行校驗(yàn)。 611060hCLnP 其中當(dāng)軸承為球軸承時(shí) =3，則有： hhL h 200002146841582850025060 10 6 故所選用的軸承滿足壽命要求。 第二章：步進(jìn)電機(jī)的選擇 1.脈沖當(dāng)量的選擇 初選三相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角為 0.75 /1.5 ；當(dāng)三相三拍運(yùn)行時(shí)，步距角為 075.0 ，其每轉(zhuǎn)脈沖數(shù) : rps /480360 0 機(jī)電一體化機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)計(jì)算說(shuō)明書 - 14 - 初選脈沖當(dāng)量（每輸入一個(gè)指令脈沖，步進(jìn)電動(dòng) 機(jī)驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)的移動(dòng)距離，單位 /mm p ）由于重復(fù)定位誤差為 0.01mm，故選電機(jī)的脈沖當(dāng)量為 0.01 ，由此可得中間齒輪的傳動(dòng)比 i 為 7.14 8 001.0 8 spi h 選小齒輪的齒數(shù)1 20z ， 342 z，模數(shù) 2m 2等效轉(zhuǎn)矩的計(jì)算 (1）空載時(shí)等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩LFT: mNim g PTshLF .107.47.196.02 008.01020003.02 4 (2）車削加工時(shí)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩LT mNi PFmgFTshL .6.47.196.02 008.0)2000200(003.060002 )( 21 3 系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的折算 (1）滾珠絲桿的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量sJ： mNLdJ s .1035.232 1085.7780.0)025.0(32 43440 其中，0d為公稱直徑，單位 m； L 絲桿的全長(zhǎng)，單位 m； 為材料密度，約為 337 .8 5 1 0 /kg m (2）工作臺(tái)及滑塊的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量換算到電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量wJ: 機(jī)電一體化機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)計(jì)算說(shuō)明書 - 15 - 262222.1023.117.1 12 008.02012 mNipgWJ hw 其中， W 為工作臺(tái)和滑塊的總重量，單位 N； hP為絲桿的基本導(dǎo)程，單位 m； i 為齒 輪副的傳動(dòng)比； (3） 大齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 2442422 .1064.232 7850016.068.032 mNbdJ g 其中， 2d為大齒輪的分度圓直徑，單位是 m； 2b為大齒輪的齒寬，單位是 m； (4） 小齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 2541411 .1027.432 785002.004.032 mNbdJ g 其中， 1d為小齒輪的分度圓直徑，單位是 m； 1b為大齒輪的齒寬，單位是 m； (5）因此折算到電機(jī)軸上的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量是： 242 4365221 .1023.27.1 10101010 mNi JJJJJ sgwgL 4.步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的選擇 （ 1）縱向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的負(fù)載分析 1）現(xiàn)預(yù)選電機(jī)為 130BY001，其轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為機(jī)電一體化機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)計(jì)算說(shuō)明書 - 16 - 24 .106.4 cmkgJ m ，于是有： 2121241 kjnj jkimi ikeqnnJnmJ 式中采用最不利于機(jī)床啟動(dòng)時(shí)的速度，這里選用快速進(jìn)給速度 kgmrvnnmv imk 20m i n ；/67.416360)(m i n ；/2 0 溜溜 電機(jī)（全部直線運(yùn)動(dòng)部件總質(zhì)量）； 1.245； 121 innnn zzmzr/min則有： 244522122.1034.21023.210167.1240041mNiJJJJnJszzmkmeq 2)絲桿摩擦阻力矩（smT）的計(jì)算 由于滾珠絲桿的傳動(dòng)效率很高，其摩擦阻力矩相對(duì)于其他負(fù)載力矩小得多，故一般不考慮。 3）等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩 meqT 由文獻(xiàn) 4式（ 6-8）得 mNmNnvFFT mmeq .59.4.67.4162000)62000(1416.32 102 1 溜摩縱4）啟動(dòng)慣性阻力矩（慣T）的計(jì)算 加（減）速時(shí)間為 t=4s 由于電機(jī)轉(zhuǎn)速為 16.4360/67.4162602 sn mm ，取加速曲線為等加速梯形曲線，故角加速度為： 24.1 4 546.43 st mm 則 mNJTmmeq .034.0 慣 5）電機(jī)輸出軸上的總負(fù)載轉(zhuǎn)矩 T 的計(jì)算 機(jī)電一體化機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)計(jì)算說(shuō)明書 - 17 - mNTTT meq .62.4034.059.4 慣 （ 2）步進(jìn)電機(jī)的匹配選擇 當(dāng)機(jī)械傳動(dòng)總效率 0.7 時(shí) mNTT .6.67.0/62.4/, 適當(dāng)考慮安全系數(shù) K，一般安全系 數(shù) K可在 1.2 2之間選取。若取 K=1.5,則步進(jìn)電機(jī)可按以下總負(fù)載轉(zhuǎn)矩選?。?mNmNKTT .9.9.6.65.1 若選用上述預(yù)選的電機(jī) 130BF001，其最大靜轉(zhuǎn)矩 maxjT 9.31N.m。在三相六拍驅(qū)動(dòng)兩相通電時(shí)，步距角為 075.0 。為保證帶負(fù)載能正常加速啟動(dòng)和定位停止，電機(jī)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩必須滿足 : TTq由文獻(xiàn) 4表 3-7 可知， 31.1/max jq TT則mNmNT q .9.9.196.1231.931.1 ，故選用合適。 綜上所述，所選步進(jìn)電機(jī)滿足要求，且有一定的裕量。 5.一級(jí)齒輪的設(shè)計(jì)計(jì)算 (1)本設(shè)計(jì)選用圓柱直齒輪。 本設(shè)計(jì)選用減速器主要是傳遞扭矩，因此速度并不是很高，故選用 7級(jí)精度就可以（ GB10095 88）。選擇小齒輪的材料為40Cr，進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，硬度為 280HBS；大齒輪的材料是 45 鋼，調(diào)質(zhì)處理，硬度為 240HBS，兩者的硬度差為 40HBS。 由滾珠絲桿副的計(jì)算得，小齒輪的齒數(shù) 1Z 20，大齒輪的齒數(shù) 2Z 34。取模數(shù) 2m 。 機(jī)電一體化機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)計(jì)算說(shuō)明書 - 18 - （ 2）計(jì)算大小齒輪的分度圓直徑 11 2 2 0 4 0d m z m m mmmZd 6834222 （ 3）計(jì)算齒輪寬度 根據(jù)文獻(xiàn) 2表 10-7， 6.04.0d，這里取 0.4d 1 0 . 4 4 0 1 6db d m m ， 為滿足安裝要求和制造方便進(jìn)行人為圓 整后，取mmBmmB 15,20 21 。 第三章：控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 1.控制器選型及存儲(chǔ)器擴(kuò)展分析： 系統(tǒng)采用 MCS8051 單片機(jī)作為微控制器。 8051 內(nèi)部集成了 4K 的片內(nèi)程序存儲(chǔ)器和 128 字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。由于本控制系統(tǒng)不是很復(fù)雜，其自帶的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和程序存儲(chǔ)器的容量已經(jīng)夠使用，不需要在進(jìn)行片外擴(kuò)展了。 2.系統(tǒng)功能選擇實(shí)現(xiàn)： 系統(tǒng)通過(guò)五個(gè)按鍵實(shí)現(xiàn)功能的選擇： 1.S1 控制系統(tǒng)的啟動(dòng) /停止； 2.S2 控制系統(tǒng)的工進(jìn) 前進(jìn) 3.S3 控制系統(tǒng)的工進(jìn) 后退 4.S4 控制系統(tǒng)的快進(jìn) 前進(jìn) 機(jī)電一體化機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)計(jì)算說(shuō)明書 - 19 - 5.S5 控制系統(tǒng)的快進(jìn) 后退 3.系統(tǒng)狀態(tài)顯示： 1.系統(tǒng)采用開環(huán)控制，用三個(gè) LED 顯示工作臺(tái)的行程位移（也可以修改程序來(lái)顯示轉(zhuǎn)速）； 2.LED 采用動(dòng)態(tài)掃描顯示法，用 P0 口為其提供段選碼，P1.0-P1.2 作為三個(gè) LED 顯示器的位控口； 4.系統(tǒng)端口分配方式： 1.P0 口為三個(gè) LED 顯示器提供段選碼輸出； 2.P1.0-P1.2 作為三個(gè) LED 顯示器的位控口； 3.P1.3-P1.7 作為五個(gè)按鍵的輸入端； 4.P2.0-P2.0 用于輸出控制三相步進(jìn)電機(jī)的控制脈沖信 號(hào)； 5.P2.3 用于控制繼電器以控制電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電源，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的啟?？刂?； 6.P3.2 用于響應(yīng)鍵盤按下的外部中斷輸入端。 5.軟件編程算法實(shí)現(xiàn)： 1.功能模塊描述：微型控制器 8051 主要完成如下工作： （ 1） .數(shù)碼管的動(dòng)態(tài)顯示； （ 2） .適時(shí)檢測(cè)鍵盤狀態(tài)； （ 3） .通過(guò) P2.0-P2.2 準(zhǔn)確地發(fā)出一定序列的脈沖信號(hào)。 2.功能實(shí)現(xiàn)算法： （ 1） .只有功能 2 對(duì)系統(tǒng)響應(yīng)速度才是最嚴(yán)格的，所以，機(jī)電一體化機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)計(jì)算說(shuō)明書 - 20 - 擬采用定時(shí)器中斷控制方式進(jìn)行控制，并將其優(yōu)先級(jí)設(shè)為最高級(jí)別； （ 2） .其次，鍵盤狀態(tài)的識(shí)別通過(guò)外部中斷 0 進(jìn)行 控制，當(dāng)有任一鍵按下時(shí)，激發(fā)外部中斷，使 CPU 響應(yīng)鍵盤消息； （ 3） .最后，在 CPU 空閑時(shí)，系統(tǒng)就循環(huán)執(zhí)行 LED 顯示子程序，實(shí)現(xiàn)顯示功能。 3.五路按鍵的中斷響應(yīng)問(wèn)題的解決：算法實(shí)現(xiàn)如下 （ 1） .將五路外部鍵盤的狀態(tài)通過(guò)一與門輸出到外部中斷 0。如附圖中的原理圖所示： 5 路按鍵平時(shí)通過(guò)上拉電阻拉為高電平，通過(guò)與門之后仍為高電平，外部中斷無(wú)響應(yīng)。當(dāng)有任一鍵按下時(shí)， 5條路線的狀態(tài)不全為高電平，經(jīng)過(guò)與操作后，與門輸出為 0，觸發(fā)外部中斷響應(yīng)，執(zhí)行外部中斷服務(wù)程序； （ 2） .在外部中斷服務(wù)程序中，使程序先掃描查詢 5 路按鍵的狀態(tài)，獲得具體哪一路按鍵被按下。在這一過(guò)程中可以很方便的實(shí)現(xiàn)通常鍵盤程序中所使用的消抖動(dòng)處理，提高鍵盤響應(yīng)的準(zhǔn)確性； （ 3） .查詢獲得具體哪一路鍵盤被按下后立即跳轉(zhuǎn)執(zhí)行響應(yīng)按鍵所對(duì)應(yīng)的功能子程序，執(zhí)行完了子程序后，在功能子程序中結(jié)束中斷服務(wù)程序。 CPU 繼續(xù)響應(yīng)其他動(dòng)作。 經(jīng)過(guò)上面的操作，即可實(shí)現(xiàn)由一個(gè)中斷口響應(yīng)多路外部中斷事件，使用這一算法， CPU 可以最多實(shí)現(xiàn)一個(gè)中斷口響應(yīng) 256 路外部事件的中斷響應(yīng)。 第四章：程序執(zhí)行流程 單片機(jī)得電工作后，并不會(huì)立刻驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作。而是首先進(jìn)機(jī)電一體化機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)計(jì)算說(shuō)明書 - 21 - 行一系列的初始化工作 ，如中斷狀態(tài)設(shè)置，開啟，定時(shí)器設(shè)置，定時(shí)器中斷開啟等操作。之后進(jìn)入 LED 循環(huán)掃描顯示狀態(tài)，當(dāng)然，這時(shí)顯示數(shù)字初始化為 000。并等待鍵盤輸入命令。當(dāng)鍵盤的開啟按鍵按下時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)入電機(jī)啟動(dòng)子程序。并標(biāo)記當(dāng)前為已啟動(dòng)狀態(tài)，供后續(xù)程序查詢使用。電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)后應(yīng)使定時(shí)器啟動(dòng)，定時(shí)器定時(shí)滿時(shí)，執(zhí)行定時(shí)中斷服務(wù)程序，輸出一個(gè)脈沖。 當(dāng)按鍵 2-5 按下時(shí)，在響應(yīng)的外部中斷服務(wù)程序中設(shè)置響應(yīng)的定時(shí)器定時(shí)數(shù)值，以使 CPU 能根據(jù)定時(shí)器定時(shí)間隔輸出脈沖，以達(dá)到變速的功能。另外在按鍵 2-5 中還應(yīng)設(shè)置響應(yīng)的控制時(shí)序的表首地址，以達(dá)到正反轉(zhuǎn) 運(yùn)動(dòng)功能的實(shí)現(xiàn)。 最后，要使 LED 顯示系統(tǒng)速度，則應(yīng)在鍵盤 2-5 的中斷服務(wù)程序中設(shè)置顯示數(shù)。當(dāng) CPU 空閑時(shí)，則用于循環(huán)掃描顯示。 第五章：控制流程圖 機(jī)電一體化機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)計(jì)算說(shuō)明書 - 22 - 主程序流程圖 主程序 初始化 開中斷 讀要顯示的數(shù)據(jù)的首地址 查表讀響應(yīng)段碼 查表讀相應(yīng)位碼 判斷是否顯示完數(shù)據(jù)區(qū)數(shù)據(jù) 數(shù)據(jù)顯示計(jì)數(shù)器加 1 數(shù)據(jù)地址加 1 是 否 鍵盤外部中斷 0 中斷入口 機(jī)電一體化機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)計(jì)算說(shuō)明書 - 23 - 鍵盤按鍵中斷服務(wù)流程圖 P1.3=0？ P1.4=0？ P1.5=0？ P1.6=0？ P1.7=0？ 中斷處理程序 結(jié)束返回 P1.3 服務(wù)程序 P1.4 服務(wù)程序 P1.5 服務(wù)程序 P1.6 服務(wù)程序 P1.7 服務(wù)程序 Y Y Y Y Y N N N N N 定時(shí)器中斷入口 機(jī)電一體化機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)計(jì)算說(shuō)明書 - 24 - 定時(shí)器中斷服務(wù)程序 第六章：機(jī)械進(jìn)給系統(tǒng)的建模與仿真 1.建立的要求 利用機(jī)械動(dòng)力學(xué)理論，通過(guò)對(duì)數(shù)控機(jī)械進(jìn)給系統(tǒng)的電機(jī)、軸系及進(jìn)給工作 臺(tái)的等效計(jì)算，構(gòu)建了數(shù)控機(jī)械進(jìn)給系統(tǒng)的仿真模型，利用 Matlab 對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行仿真，獲得了反映系統(tǒng)性能的讀當(dāng)前控制碼地址 DRE 讀取控制時(shí)序碼 輸出控制時(shí)序碼 （通過(guò)位操作） 當(dāng)前地址 DRE=TAB+2？ DRE=TAB 返回 Y N 機(jī)電一體化機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)計(jì)算說(shuō)明書 - 25 - 仿真曲線，仿真結(jié)果證明了系統(tǒng)模型的有效性。 2.機(jī)械進(jìn)給系統(tǒng)模型建立 為了建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，常把機(jī)械系統(tǒng)中各基本物理量折算到電機(jī)軸上，使復(fù)雜的多軸傳動(dòng)關(guān)系轉(zhuǎn)化成單一軸運(yùn)動(dòng)。 （ 1） 各基本物理量等效折算 1） 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量折算 利用動(dòng)能守恒定律，把各轉(zhuǎn)動(dòng)軸上及工作臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等效到電機(jī)軸。 23222122121 104 2 7 5 2.2)2()()( mKgLzzmzzJJJ 式中： L-絲杠導(dǎo)程 2） 粘性阻尼系數(shù)折算 工作臺(tái)均速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，與電機(jī)連接的軸的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn) 矩 2T 完全用來(lái)克服粘滯阻尼力、流體阻力以及負(fù)載阻力等的消耗。若只計(jì)工作臺(tái)導(dǎo)軌的粘性阻尼系數(shù) C，根據(jù)工作臺(tái)與絲杠之間的功平衡關(guān)系折算出粘性阻尼系數(shù) /C 。 CLzzC 2212/ )2()( 式中： /C -工作臺(tái)導(dǎo)軌折算到電機(jī)軸上的粘性阻尼系數(shù)。 代入得： /C =9.128Nm/(rad/s) 3） 軸向剛度折算 絲杠與工作臺(tái)之間的軸向彈性變形 使與電機(jī)連接的軸產(chǎn)生一個(gè)附加扭轉(zhuǎn)角，折算到電機(jī)軸的總扭轉(zhuǎn)剛度為： /212221211)(1)(11KzzKzzKK 機(jī)電一體化機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)計(jì)算說(shuō)明書 - 26 - 式中：K-折算到電機(jī)軸上的總扭轉(zhuǎn)剛度 /K -附加扭轉(zhuǎn)剛度系數(shù)； /K = 2)2( LK 代入公式得：K=137.87Nm/rad （ 2