機(jī)電一體化系統(tǒng)綜合課程設(shè)計(jì)三坐標(biāo)工作臺(tái)設(shè)計(jì)

1、機(jī)電一體化系統(tǒng)綜合課程設(shè)計(jì)課題名稱： 三坐標(biāo)工作臺(tái)設(shè)計(jì)學(xué) 院： 機(jī)械工程學(xué)院班 級(jí)： 專 業(yè)： 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化設(shè)計(jì)成員： 目錄一、總體方案設(shè)計(jì) 3 1.1 設(shè)計(jì)任務(wù)3 1.2 總體方案確定3 1.2.1 方案確定思想.3 1.2.2 方案分析. .4 1.2.3 總體方案系統(tǒng)組成. 5二、機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì). 6 2.1 總體方案的確定.6 2.2機(jī)械傳動(dòng)部件的計(jì)算與選擇.7三、控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì).9 3.1 控制電路的設(shè)計(jì). 12 3.2 電路的原理圖.15四、總結(jié) 17五、參考文獻(xiàn) 17六、附錄一、總體方案設(shè)計(jì)1.1設(shè)計(jì)任務(wù)1）.設(shè)計(jì)三坐標(biāo)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，完成機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與電子電路

2、設(shè)計(jì)，根據(jù)試驗(yàn)條件進(jìn)行調(diào)試，完成整個(gè)開發(fā)系統(tǒng)。2）. .主要技術(shù)指標(biāo)1.一定的規(guī)格要求（3自由度有效行程100mm，控制精度0.02mm，懸臂深200mm，梁上物件2kg）； 2.運(yùn)動(dòng)靈敏度高、低速無爬行；3.定位精度高；4.結(jié)構(gòu)輕便，建議機(jī)座和滑臺(tái)采用鋁合金；5.標(biāo)準(zhǔn)組件，獨(dú)立產(chǎn)品；1.2總體方案確定1.2.1方案確定思想根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)，參照參考資料結(jié)合實(shí)際，設(shè)定以下方案：1.2.2 方案分析1. 直線滾動(dòng)到導(dǎo)軌副具有摩擦系數(shù)小，不易爬行、傳動(dòng)效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、安裝預(yù)緊方便等特點(diǎn)。滾珠絲杠副有如下特點(diǎn)：傳動(dòng)效率高系統(tǒng)剛性好傳動(dòng)精度高使用壽命長(zhǎng)運(yùn)動(dòng)具有可逆性（既可將回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運(yùn)動(dòng)，又可將

3、直線運(yùn)動(dòng)變?yōu)榛剞D(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，且逆?zhèn)鲃?dòng)效率幾乎與正傳動(dòng)效率相同）不會(huì)自鎖可進(jìn)行預(yù)緊和調(diào)隙。2. 步進(jìn)電機(jī)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、易起停，可滿足快速移動(dòng)和精度要求。3. 無隙齒輪箱減速：可消除間隙，但設(shè)計(jì)和安裝精度高。4. 閉環(huán)控制：控制精度和抑制干擾的性能都比較差，而且對(duì)系統(tǒng)參數(shù)的變動(dòng)很敏感。1.2.3 總體方案系統(tǒng)組成 1.機(jī)械系統(tǒng)組成 機(jī)械系統(tǒng)由三個(gè)步進(jìn)電機(jī)；三個(gè)一級(jí)齒輪減速器；三個(gè)滾珠絲杠以及三個(gè)直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副作為主要的動(dòng)力輸出、傳動(dòng)以及機(jī)械控制部分，系統(tǒng)的組成還有其他一些機(jī)構(gòu)。 2.控制系統(tǒng)組成 控制系統(tǒng)由鍵盤輸入信號(hào)，通過3個(gè)單端差分脈沖轉(zhuǎn)換，差分單端脈沖轉(zhuǎn)換電路去控制3

4、個(gè)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，從而達(dá)到在3個(gè)方向上運(yùn)動(dòng)的目的。二、機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)2.1、總體方案的確定1.機(jī)械傳動(dòng)部件的選擇（1） 導(dǎo)軌副的選擇要設(shè)計(jì)的三坐標(biāo)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)是用來配合傳感器的定位的，需要承受的載荷不大，但脈沖當(dāng)量小、定位精度高，因此，決定選用直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副（線性滑軌hg系列），它具有摩擦系數(shù)小、不易爬行、傳動(dòng)效率高、機(jī)構(gòu)緊湊、安裝預(yù)緊方便等優(yōu)點(diǎn)。（2） 絲桿螺母副的選用伺服電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)需要通過絲桿螺母副轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動(dòng)，要滿足0.02mm的脈當(dāng)量和±0.02mm的定位精度，滑動(dòng)絲桿副無能為力，只有選用滾珠絲桿副才能達(dá)到。滾珠絲桿副的傳動(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，頂緊后可

5、消除反向間隙。（3） 減速裝置的選用選擇了步進(jìn)電動(dòng)機(jī)和滾珠絲桿副以后，為了圓整脈沖當(dāng)量，放大電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩，降低運(yùn)動(dòng)部件折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，可能需要減速裝置，且應(yīng)有消間隙機(jī)構(gòu)。為此，采用無間隙齒輪傳動(dòng)減速箱。（4） 伺服電動(dòng)機(jī)的選用任務(wù)書規(guī)定的脈沖當(dāng)量尚未達(dá)到0.001mm，定位精度也未達(dá)到的微米級(jí)，空載最快移動(dòng)速度也只有。因此，可以選用性能好一些的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，如永磁感應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)，以降低成本，提高性價(jià)比。2.2 機(jī)械傳動(dòng)部件的計(jì)算與選擇1. 導(dǎo)軌上移動(dòng)部件的重量估算按照下導(dǎo)軌上面的移動(dòng)部件的重量來進(jìn)行估算。包括工件、夾具、工作平臺(tái)、上層電動(dòng)、減速箱、滾珠絲桿副、直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副、導(dǎo)

6、軌座等，估計(jì)重量為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。設(shè)計(jì)中的三坐標(biāo)工作臺(tái)為水平布置和垂直布置，采用雙導(dǎo)軌、四滑塊的支承形式?？紤]最不利的情況，即垂直于臺(tái)的工作載荷全部由一個(gè)滑塊承擔(dān)，則單滑塊所承受的最大垂直方向載荷為： = （g+f）/4 （6-1）其中，部件重500n，外加負(fù)載20n，代入式（6-1）,得最大工作負(fù)載=0.13kn。查線性滑軌技術(shù)手冊(cè)，根據(jù)工作負(fù)載，有效行程，選定滑軌如下： 滑軌型號(hào)滑軌長(zhǎng)度mm額定動(dòng)負(fù)荷 kn額定靜負(fù)荷knz方向hgh15ca280 11.38 16.97

7、y方向hgh15ca 280 11.38 16.97x方向hgh25ca 340 26.48 36.49（滑軌長(zhǎng)度的選擇考慮到工作行程應(yīng)有一定的余量，兩滑塊之間的距離）（2）距離額定壽命的計(jì)算 上述選取的hgh型導(dǎo)軌副的滾道硬度為60hrc，工作溫度不超過，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3-36表3-40，分別取硬度系數(shù)，溫度系數(shù)、接觸系數(shù)、精度系數(shù)、載荷系數(shù)，代入式（3-33）,距離壽命：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） 最大工作載荷的計(jì)算已知移動(dòng)部件總重量g=600n，按矩形導(dǎo)軌進(jìn)行計(jì)算，取顛覆力矩影響系數(shù)

8、，滾動(dòng)導(dǎo)軌上的摩擦因數(shù)。求得滾珠絲杠副的最大工作載荷： （2）最大動(dòng)載荷的計(jì)算取滾珠絲杠的使用壽，代入，得絲杠壽命系數(shù)lo=180 （單位為：）。查表3-30，取載荷系數(shù)，滾道硬度為60hrc時(shí)，取硬度系數(shù)，代入式（3-23），求得最大動(dòng)載荷： （3） 選型號(hào) 精密研磨級(jí)滾珠絲杠 fdv型號(hào)公稱外徑導(dǎo)程 動(dòng)負(fù)荷 靜負(fù)荷z方向16-5b116mm 5mm 763kgf 1400kgfy方向x方向（4）傳動(dòng)效率的計(jì)算將公稱直徑do=16mm，導(dǎo)程ph=5mm，代入，得絲杠螺旋升角=3°3836 。將摩擦角，代入，得傳動(dòng)效率=97.3。（5）壓桿穩(wěn)定性校核計(jì)算失穩(wěn)時(shí)的臨界載荷。查表3-34

9、，取支承系數(shù)：由絲杠底徑d2=21.2mm，求得截面慣性矩：壓桿穩(wěn)定安全系數(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500mm。臨界載荷，遠(yuǎn)大于工作載荷，故絲杠不會(huì)失穩(wěn)。4步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的計(jì)算與選型（1） 計(jì)算加在步進(jìn)電動(dòng)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d=16mm，總長(zhǎng)l=280mm，導(dǎo)程，材料密度：移動(dòng)部件總重力g=500n：小齒輪寬度，直徑 ：大齒輪寬度，直徑 ：傳動(dòng)比i=1。如表4-1所示，算得各個(gè)零部件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量如下（具體計(jì)算過程從略）：滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量1.365拖板折算到絲杠上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 0.343初選步進(jìn)電動(dòng)機(jī)型號(hào)為ecma c104，二相四拍

10、驅(qū)動(dòng)時(shí)步距角為，從表4-5查得該型號(hào)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量4 。則加在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：5.885 （2）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 分快速空載起動(dòng)和承受最大工作負(fù)載兩種情況進(jìn)行計(jì)算。1）快速空載起動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩 由式（4-8）可知， 包括三部分：一部分是快速空載啟動(dòng)時(shí)折算到電機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大加速度轉(zhuǎn)矩；一部分是移動(dòng)部件運(yùn)動(dòng)折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩；還有一部分是滾珠絲桿杠頂緊后折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸的附加摩擦轉(zhuǎn)矩。 因?yàn)闈L珠絲桿杠副傳動(dòng)效率很高， 相對(duì)于 和很小，可以忽略不計(jì)。則有：考慮傳動(dòng)鏈的總效率，計(jì)算快速空載起動(dòng)時(shí)折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大加速度轉(zhuǎn)矩：

11、式中對(duì)應(yīng)空載最快移動(dòng)速度的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)最高轉(zhuǎn)速，單位為;步進(jìn)電動(dòng)機(jī)由靜止到加速至 轉(zhuǎn)速所需的時(shí)間，單位為s。其中： 式中 空載最快移動(dòng)速度，任務(wù)書指定為 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)步距角，預(yù)選電動(dòng)機(jī)為 脈沖當(dāng)量，將以上各值代入算的設(shè)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)由靜止奧加速至 轉(zhuǎn)速所需時(shí)間，傳動(dòng)鏈總效率。求得=0.04n·m移動(dòng)部件運(yùn)動(dòng)時(shí)，折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩為： 式中 導(dǎo)軌的摩擦因素，滾動(dòng)導(dǎo)軌取0.005； 垂直方向的銑削力，空載時(shí)取0； 傳動(dòng)鏈總效率，取。得 最后求得快速空載起動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩：2） 最大工作負(fù)載狀態(tài)下電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩，包括三部分： 一部分是折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大工作

12、負(fù)載轉(zhuǎn)矩 ； 一部分是移動(dòng)部件運(yùn)功時(shí)折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩；還有一部分是滾珠絲桿杠頂緊后折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的附加摩擦轉(zhuǎn)矩 ， 相對(duì)于 和很小，可以忽略不計(jì)。則有：其中，折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大工作負(fù)載轉(zhuǎn)矩可以忽略不計(jì)。計(jì)算垂直方向承受最大工作負(fù)載（）情況下，移動(dòng)部件運(yùn)動(dòng)時(shí)折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩：最后求得最大工作載荷狀態(tài)下電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩為：0.0055n·m經(jīng)過上述計(jì)算后，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：（3）步進(jìn)電動(dòng)機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩的選定考慮到步進(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，

13、根據(jù) 來選擇步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩時(shí)，需要考慮安全系數(shù)。本例中取安全系數(shù)k=4，則步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩應(yīng)滿足：0.16896 n·m上述初選的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)型號(hào)為ecma，由表4-5查得該型號(hào)電動(dòng)機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩6 n·m ?？梢姡瑵M足要求。（4）步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的性能校核1）最快工作速度時(shí)電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩校核工作臺(tái)最快工作速度1000mm/min，脈沖當(dāng)量=0.02mm/脈沖，求出電動(dòng)機(jī)對(duì)應(yīng)的運(yùn)行頻率 833hz。從ecma電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行矩頻特性曲線圖可以看出，在此頻率下，電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩5.5n·，遠(yuǎn)大于最大工作負(fù)載轉(zhuǎn)矩0.04224n·m，滿足要求。2）最快空載

14、移動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩校核任務(wù)書給定工作臺(tái)最快空載移動(dòng)速度1000mm/min，仿照式（4-16）求出電動(dòng)機(jī)對(duì)應(yīng)的運(yùn)行頻率833hz。從圖6-24查得，在此頻率下，電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩，大于快速空載起動(dòng)時(shí)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩，滿足要求。3）最快空載移動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行頻率校核與最快空載移動(dòng)速度 1000mm/min對(duì)應(yīng)的電動(dòng)機(jī)運(yùn)行頻率為883hz 。查表4-5可知ecma電動(dòng)機(jī)的空載運(yùn)行頻率可達(dá)20000 ，可見沒有超出上限。4）起動(dòng)頻率的計(jì)算已知電動(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)的空載起動(dòng)頻率（查表4-5）。則由式（4-17）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：上式說

15、明，要想保證步進(jìn)電動(dòng)機(jī)起步時(shí)不失步，任何時(shí)候的起動(dòng)頻率都必須小于709 。實(shí)際上，在采用軟件升降頓時(shí)，起動(dòng)頻率選得更低，通常只有100hz（即100脈沖/s）。型號(hào)額定功率額定扭矩額定轉(zhuǎn)速z方向 ecma c1050.1kw 0.32n-m 3000y方向x方向圖1 三坐標(biāo)工作臺(tái)結(jié)構(gòu)三、控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)3.1控制電路的設(shè)計(jì)1.元器件介紹sp488e和sp489e是一個(gè)低功耗的4路差分線性接收器，符合具有增強(qiáng)型esd性能的rs-485和rs-422串行協(xié)議規(guī)范。它們的esd容限已增強(qiáng)為±15kv人體放電模式和iec1000-4-2氣隙放電模式。它們可以很好的向后代替sipex的sp48

16、8和sp489器件，并遵循通用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。與最初的版本一樣，sp488e含有一個(gè)共用的接收器使能控制；sp489e為每對(duì)接收器單獨(dú)提供接收器使能控制。sp488e和sp489e都具有寬共模輸入范圍。接收器含有自動(dòng)故障安全保護(hù)特性，可在接收器輸入懸空時(shí)，使輸出強(qiáng)制為邏輯“1”。兩者都采用16腳塑料dip和soic封裝。2. sp488e管腳配置管腳1ri1b接收器1輸入b 管腳2ri1a接收器1輸入a 管腳3ro1接收器1輸出如果接收器1輸出被使能，當(dāng)ri1a比ri1b大200mv時(shí)，接收器1輸出為高電平。如果接收器1輸出被使能，當(dāng)ri1a比ri1b小200mv時(shí)，接收器1輸出為低電平。管腳4en

17、接收器輸出使能。請(qǐng)參考sp488e的真值表(1)。管腳5ro2接收器2輸出如果接收器2輸出被使能，當(dāng)ri2a比ri2b大200mv時(shí)，接收器2輸出為高電平。如果接收器2輸出被使能，當(dāng)ri2a比ri2b小200mv時(shí)，接收器2輸出為低電平。管腳6ri2a接收器2輸入a 管腳7ri2b接收器2輸入b 管腳8gnd數(shù)字地管腳9ri3b接收器3輸入b 管腳10ri3a接收器3輸入a。管腳11ro3接收器3輸出如果接收器3輸出被使能，當(dāng)ri3a比ri3b大200mv時(shí)，接收器3輸出為高電平。如果接收器3輸出被使能，當(dāng)ri3a比ri3b小200mv時(shí)，接收器3輸出為低電平。 管腳12en 接收器輸出使能。

18、請(qǐng)參考sp488e的真值表(1)。管腳13ro4接收器4輸出如果接收器4輸出被使能，當(dāng)ri4a比ri4b大200mv時(shí)，接收器4輸出為高電平。如果接收器4輸出被使能，當(dāng)ri4a比ri4b小200mv時(shí)，接收器4輸出為低電平。管腳14ri4a接收器4輸入a。管腳15ri4b接收器4輸入b。管腳16電源電壓vcc 4.75vvcc5.25v3. sp489e管腳配置管腳1ri1b接收器1輸入b 管腳2ri1a接收器1輸入a 管腳3ro1接收器1輸出如果接收器1輸出被使能，當(dāng)ri1a比ri1b大200mv時(shí)，接收器1輸出為高電平。如果接收器1輸出被使能，當(dāng)ri1a比ri1b小200mv時(shí)，接收器1輸

19、出為低電平。管腳4en1/en2接收器1和2輸出使能。請(qǐng)參考sp489e的真值表(2)。管腳5ro2接收器2輸出如果接收器2輸出被使能，當(dāng)ri2a比ri2b大200mv時(shí)，接收器2輸出為高電平。如果接收器2輸出被使能，當(dāng)ri2a比ri2b小200mv時(shí)，接收器2輸出為低電平。管腳6ri2a接收器2輸入a 管腳7ri2b接收器2輸入b 管腳8gnd數(shù)字地管腳9ri3b接收器3輸入b 管腳10ri3a接收器3輸入a。管腳11ro3接收器3輸出如果接收器3輸出被使能，當(dāng)ri3a比ri3b大200mv時(shí)，接收器3輸出為高電平。如果接收器3輸出被使能，當(dāng)ri3a比ri3b小200mv時(shí)，接收器3輸出為低電平。管腳12en3/en4接收器3和4輸出使能。請(qǐng)參考sp489e的真值表(2)。管腳13ro4接收器4輸出如果接收器4輸出被使能，當(dāng)ri4a比ri4b大200mv時(shí)，接收器4輸出為高電平。如果接收器4輸出被使能，當(dāng)ri4a比ri4b小200mv時(shí)，接收器4輸出為低電平。管腳14ri4a接收器4輸入a。管腳15ri4b接收器4輸入b。管腳16電源電壓vcc 4.75vvcc5.25v特性sp488e和sp489e是低功耗的4路差分線性接收器，符合rs-485和rs