機電傳動單向數控平臺設計課程設計

1、中國礦業(yè)大學機械電子方向課程設計題目：機電傳動單向數控平臺設計學 院： 機電工程學院 班 級： 學生姓名： 學 號: 指導教師： 完成時間： 目 錄第一章、前言1第二章、課程設計具體任務12.1設計任務介紹及意義12.2 設計任務明細22.3 設計的基本要求2第三章、總體方案設計23.1 設計基本依據23.2 總體方案確定3第四章、機械部分設計44.1 導軌的選擇44.2 導軌設計程序及內容44.3 機械傳動系統設計與核算64.4 聯軸器和電機選型12第五章、電氣控制系統設計155.1 電氣控制系統設計的基本原則155.2 步進電機簡介155.3 單片機的選擇155.4 放大電路高耐壓、大電流

2、復合晶體管ICULN2003 簡介165.5 人機接口設計18第六章、設計總結21參考文獻22第一章、前言現代科學技術的不斷發(fā)展，極大地推動了不同學科的交叉與滲透，導致了工程領域的技術革命與改造。在機械工程領域，由于微電子技術和計算機技術的迅速發(fā)展及其向機械工業(yè)的滲透所形成的機電一體化，使機械工業(yè)的技術結構、產品機構、功能與構成、生產方式及管理體系發(fā)生了巨大變化，使工業(yè)生產由“機械電氣化”邁入了“機電一體化”為特征的發(fā)展階段。數控技術及裝備是發(fā)展新興高新技術產業(yè)和尖端工業(yè)的使能技術和最基本的裝備 ,又是當今先進制造技術和裝備最核心的技術。數控技術是用數字信息對機械運動和工作過程進行控制的技術

3、,而數控裝備是以數控技術為代表的新技術對傳統制造產業(yè)和新興制造業(yè)的滲透形成的機電一體化產品 ,其技術范圍覆蓋很多領域。X-Y數控工作臺是許多機電一體化設備的基本部件，如數控車床的縱橫向進刀機構、電子元件表面貼裝設備等。模塊化的X-Y數控工作臺，通常由導軌座、移動滑塊、工作、絲杠螺母副，以及伺服電動機等部件構成。其中伺服電動機做執(zhí)行元件用來驅動滾珠或螺旋絲杠，絲杠螺母帶動滑塊和工作平臺在導軌上運動，完成工作臺在X、Y方向的直線移動。導軌副、絲杠螺母副和伺服電動機等均已標準化，由專門廠家生產，設計時只需根據工作載荷選取即可?？刂葡到y根據需要，可以選取用標準的工作控制計算機，也可以設計專用的微機控制

4、系統。第二章、課程設計具體任務2.1設計任務介紹及意義（1）課程設計題目機電傳動單向數據平臺設計（2）主要內容包括機械傳動結構設計 電氣測控系統（3）課程設計意義培養(yǎng)學生綜合運用所學的基礎理論和專業(yè)知識，獨立進行機電控制系統(產品)的初步設計工作，并結合設計或試驗研究課題進一步鞏固和擴大知識領域。培養(yǎng)學生搜集、閱讀和綜合分析參考資料，運用各種標準和工具書籍以及編寫技術文件的能力，提高計算、繪圖等基本技能。培養(yǎng)學生掌握機電產品設計的一般程序和方法，進行工程師基本素質的訓練。樹立正確的設計思想及嚴肅認真的工作作風。2.2 設計任務明細（1）電機驅動方式：步進電機、直流伺服電機、交流伺服電機；（2）

5、機械傳動方式：螺旋絲桿、滾珠絲桿、同步皮帶、鏈傳動；（3）電氣控制方式：單片微機控制、PLC 控制；（4）功能控制要求：速度控制、位置控制；（5）主要設計參數：單向工作行程1800、1500、1200 mm； 移動負載質量100、50 kg； 負載移動阻力50、100 N；（估算值） 移動速度控制3、6 m/min； 速度控制精度±0.5%或實現行程（位置）控制，控制精度±0.01mm、 ±0.1mm。2.3 設計的基本要求（1）方案設計：根據課程設計任務的要求，在搜集、歸納、分析資料的基礎上，明確系統的主要功能，確定實現系統主要功能的原理方案，并對各種方案進行分

6、析和評價，進行方案選優(yōu)。（2）總體設計：針對具體的原理方案，通過對動力和總體參數的選擇和計算，進行總體設計，最后給出機械系統的控制原理圖或主要部件圖（A1一張）。（3）電氣原理圖：根據控制功能要求，完成電氣控制設計，給處電氣控制電路原理圖（A2一張）。（4）成果展示：課程設計的成果最后集中表現在課程設計說明書和所繪制的設計圖紙上，完成課程設計說明書一份，字數為3000 字以上，設計圖紙不少于兩張。（5）繪圖及說明書：用計算機繪圖或手工繪圖，打印說明書。第三章、總體方案設計3.1 設計基本依據（1）步進電動機是一種用電脈沖信號進行控制，并將電脈沖信號轉換成相應的角位移或位移的控制電機。它的直線位

7、移量或角位移量與電脈沖數成正比，所以電機的線速度或轉速也與脈沖頻率成正比，通過改變脈沖頻率的高低就可以在很大的范圍內調節(jié)電機的轉速，并能快速啟動、制動和反轉，同時電機的運動方向取決于控制繞組的通電順序。步進電動機適合于作為數字控制系統的伺服元件?；旌鲜讲竭M電動機步距角小，啟動和運行頻率較高，消耗功率小。（2）滾珠絲桿螺母副是數控機床中回轉運動轉換為直線運動的常用裝置。它以滾珠的滾動代替絲桿螺母副中的滑動，摩擦力小，具有良好的性能。滾珠絲桿的主要工作原理是在絲桿和螺母上加工有弧形螺旋槽，當它們套裝在一起時便形成螺旋管道，并在滾道內裝滿滾珠。而滾珠則沿滾道滾動，并經回珠管道作周而復始的循環(huán)運動?；?/p>

8、珠管道兩端還起擋滾珠的作用，以防止?jié)L珠沿滾道掉出。特點：摩擦阻力小，傳動效率高（一般在90%以上）；運轉平穩(wěn)，啟動時不顫動，低速時不爬行； 螺母和螺桿經調整預緊，可以得到很高的定位精度（5 m / 300mm）重復定位精度，并可以提高軸向剛度；工作壽命長，不易發(fā)生故障。適用于金屬切削機床、測試機械、儀器的傳動螺旋和調整螺旋等。（3）單片機是一種集成電路芯片，是采用超大規(guī)模集成電路技術把具有數據處理能力的中央處理器CPU隨機存儲器RAM、只讀存儲器ROM、多種I/O口和中斷系統、定時器/計時器等功能（可能還包括顯示驅動電路、脈寬調制電路、模擬多路轉換器、A/D轉換器等電路）集成到一塊硅片上構成的

9、一個小而完善的微型計算機系統，在工業(yè)控制領域的廣泛應用。單片機廣泛應用于儀器儀表、家用電器、醫(yī)用設備、航空航天、專用設備的智能化管理及過程控制等領域。而可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC），它采用一類可編程的存儲器，用于其內部存儲程序，執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數與算術操作等面向用戶的指令，并通過數字或模擬式輸入/輸出控制各種類型的機械或生產過程。3.2 總體方案確定 參數初設如下：（1）電機驅動方式：步進電機（2）機械傳動方式：滾珠絲杠（3）電氣控制方式：單片機控制（4）功能控制要求：速度控制（5）主要設計參數：單向工作行程：1800m

10、m； 移動負載質量：100kg； 負載移動阻力：100N； 移動速度控制：06mm/min； 實現行程（位置）控制，控制精度±0.01mm； 選用矩形導軌，工作臺滑動摩擦系數 =0.15；絲杠兩端為固定支撐（E-F），每個支座安裝圓錐滾子軸承， 安裝時進行預拉伸。第四章、機械部分設計4.1 導軌的選擇導軌性能的好壞，直接影響機床的加工精度、承載能力和使用性能。所以，導軌要滿足以下基本要求：結構簡單,有良好的導向精度、精度保持性、低速運動平穩(wěn)性和工藝性好。導軌作為進給系統的重要環(huán)節(jié)，不同類型的機床，對導軌的要求也不同。數控機床的導軌比普通機床的導軌要求要高:高速進給時不發(fā)生振動，低速進

11、給時不出現爬行現象，靈敏度高，耐磨性好，可在長期重載下連續(xù)工作，精度保持性好等。4.2 導軌設計程序及內容（1） 根據工作條件，選擇導軌類型為SVR28。 （2）選擇導軌的截面形狀，以保證導向精度（如表1中圖示）。 （3）選擇適當的導軌結構及尺寸，使其在給定的載荷及工作溫度范圍內，有足夠的剛度，良好的耐磨性，以及運動輕便和平穩(wěn)。 （4）選擇導軌的補償及調整裝置，經長期使用后，通過調整能保持需要的導向精度。 （5）選擇合理的潤滑方法和防護裝置，使導軌有良好的工作條件，以減少摩擦和磨損。 （6）制訂保證導軌所必須的技術條件，如選擇適當的材料，以及熱處理、精加工和測量方法等。表1. SVR28型直線

12、滑動矩形導軌類型直線滑動矩形導軌截面形狀結構尺寸單位HB±0.005±0.005KTmm283220114222.57.5間隙調整裝置鑲條導軌材料與熱處理灰鑄鐵時效處理4.3 機械傳動系統設計與核算表2.滾珠絲杠及軸承設計與核算序號計算項目單位計算依據計算結果1絲桿載荷： 導軌摩擦力強力切削時載荷一般銑削時載荷精銑時載荷快移載荷NNNN680 1802電機轉速（最大）絲杠最大轉速（快移）強力銑削一般銑削精密銑削r/minr/minr/minr/minr/min假設電機的轉速最大為15001500100060801003絲杠導程mm移動的最大速度=6

13、m/min = mm/min 64當量轉速 當量負載r/min N133 10385 初選滾珠絲桿（1）計算動載荷（2）要求壽命（3）綜合系數（4）滾珠絲杠副的型號Nh 使用推薦壽命15000h；查表得：， ，由表2.8-27選用FFZD型內循環(huán)浮動返向雙螺母墊片預緊滾珠絲杠副，型號FFZD3206，額定動負載> 預緊力115923.110.63 0.442符合要求6絲杠螺紋部分長度mm=工作臺最大行程（1800）+螺母長度（102）+兩端余程（40）19827支承距離mm支承跨距應大于21008（1）臨界轉速核算 （2）絲杠底徑 （3）支承方式系 數（4）臨界轉速計算 長度r/minm

14、m查表得：由表2.8-66查的要求3651 0.0272 4.731.95符合要求9壓桿穩(wěn)定校核兩端固定支承，絲杠不受壓縮，因而不必校核穩(wěn)定性10預拉伸計算（1）溫升引起的伸長量（2)絲杠全長伸長量（3）預拉力N取溫升為3 65.41 69.3 426411軸承選擇軸端結構軸承型號選擇固定支承E、F型軸端軸端結構軸承型號為7602020TVPE、F型軸端結構型號為7602020TVP 12主要參數和尺寸（1）預緊力的確定（2）疲勞強度計算額定動載荷CNN由表查得：因為>1/3=1779N由軸承負載計算公式校核進給方向是可變的，負載可能是也可能是，取其平均值4246N，因為初選760202

15、0TVP型軸承的額定動負載小于20960N,所以改用7603020TVP型軸承，參數如下： 5336符合要求20960滿足壽命要求13定位精度校核（1）絲杠在拉壓載荷下最大彈性位移（2）絲杠與螺母間的接觸變形（3）軸承的接觸變形（4）絲杠系統的總位移（5）定位精度快移時強力銑削時精密銑削時查表2.8-27得滾珠絲杠的接觸剛度：所以得快移時 強力銑削時 精密銑削時 快移時 強力銑削時精密銑削時快移時 強力銑削時精密銑削時 發(fā)生在螺母處于絲杠種部處，和與螺母位置無關，所以以上求得的位移均為mm,查表2.8-18和2.8-21，取絲杠的精度為1級，任意300mm的行程公差為6。可以滿足速度控制精度&

16、#177;0.5%的要求0.779.372.92 0.161.900.590.647.732.41 1.57 19.00 5.92滿足定位精度要求 設計絲杠的結果如下： 選用絲杠副型號FFZD3206，兩端支承為E、F型，軸承型號為角接觸球軸承7603020TVP。4.4 聯軸器和電機選型表3.聯軸器及電機計算序號計算項目單位計算依據計算結果1工件最大速度m/min62滑動部分質量kg1003絲杠導程m0.0064絲杠長度m1.9825絲杠直徑m0.02726聯軸器質量kg 1.167聯軸器外徑m0.0808摩擦因數0.39加速時間s0.2510機械效率0.911電動機轉速r/min1000

17、12（1） 滑動部分轉動慣量（2）滾珠絲杠轉動慣量（3）聯軸器轉動慣量（4）折算到電機軸上的轉動慣量（設滾珠絲杠的材料為鐵，其密度為）初選聯軸器直徑選19mm，選用凸緣聯軸器GY1，質量為1.16kg，外徑為0.080mm。13折算到電機軸上的負載轉矩因 ，故2.43414電動機軸上的加速轉矩其中，為電動機的轉動慣量，15折算到電機軸上的總轉矩16電動機選型取安全系數K=2。5，則必需轉矩初步選定電動機型號為110BYG350CH-0501，其轉子慣量，則有 110BYG350CH-0501的最大靜轉矩（保持扭矩）為129.45，滿足要求，步距角3.789.4517電動機的驗算 工件最快速度對

18、應的電動機轉速為，則對應的運行頻率為從上圖的距頻特性曲線上可以看出，此速度（或頻率）時電動機的輸出轉矩大于，即4>3.78,故此電動機滿足要求。10000電動機滿足要求18 精度校核三相異步電機，取脈沖當量，要求，而，故滿足要求。符合要求 選用電動機及聯軸器結果如下： 電動機型號為110BYG350CH-0501，三相六拍，聯軸器選用凸緣聯軸器，型號為GY1。第五章、電氣控制系統設計5.1 電氣控制系統設計的基本原則 在電氣控制系統的設計過程中，應遵循以下幾個原則：（1）最大限度滿足機床和工藝對電氣控制的要求；（2） 在滿足控制要求的前提下，設計方案應力求簡單、經濟和實用，不宜盲目追求自

19、動化和高性能指標；（3）妥善處理機械與電氣的關系。很多生產機械是采用機電結合控制方式來實現控制要求的，要從工藝要求、制造成本、機械電氣結構的復雜性和使用維護等方面協調處理好二者的關系；（4）把電氣系統的安全性和可靠性放在首位，確保使用安全、可靠。（5）合理的選用電器元件。5.2 步進電機簡介步進電機是將電脈沖信號轉變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件。在非超載的情況下,電機的轉速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數,而不受負載變化的影響,即給電機加一個脈沖信號,電機則轉過一個步距角。這一線性關系的存在,加上步進電機只有周期性的誤差而無累積誤差等特點。使得在速度、位置等控制領域用步進電機來控制

20、變的非常的簡單。三相電動機工作原理為：當電動機的三相定子繞組（各相差120度電角度），通入三相對稱交流電后，將產生一個旋轉磁場，該旋轉磁場切割轉子繞組，從而在轉子繞組中產生感應電流（轉子繞組是閉合通路），載流的轉子導體在定子旋轉磁場作用下將產生電磁力，從而在電機轉軸上形成電磁轉矩，驅動電動機旋轉，并且電機旋轉方向與旋轉磁場方向相同。 5.3 單片機的選擇單片機是一種集成電路芯片，是采用超大規(guī)模集成電路技術把具有數據處理能力的中央處理器CPU隨機存儲器RAM、只讀存儲器ROM、多種I/O口和中斷系統、定時器/計時器等功能（可能還包括顯示驅動電路、脈寬調制電路、模擬多路轉換器、A/D轉換器等電路）

21、集成到一塊硅片上構成的一個小而完善的微型計算機系統。 89C51是一種帶4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器（FPEROMFlash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓、高性能CMOS8位微處理器，俗稱單片機。單片機的可擦除只讀存儲器可以反復擦除100次。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲器制造技術制造，與工業(yè)標準的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲器組合在單個芯片中，ATMEL的89C51是一種高效微控制器，89C2051是它的一種精簡版本。89C單片機為很多嵌入式控制系統提供了一種靈活性高且價廉的

22、方案。5.4 放大電路高耐壓、大電流復合晶體管ICULN2003 簡介 （1）ULN2003A是一個7路反向器電路，即當輸入端為高電平時ULN2003A輸出端為低電平，當輸入端為低電平時ULN2003A輸出端為高電平。在自動化密集的的場合會有很多被控元件如繼電器，微型電機，風機，電磁閥，空調，水處理等元件及設備，這些設備通常由CPU所集中控制，由于控制系統不能直接驅動被控元件，這需要由功率電路來擴展輸出電流以滿足被控元件的電流，電壓。ULN2XXXX高壓大電流達林頓晶體管陣列系列產品就屬于這類可控大功率器件，由于這類器件功能強、應用范圍語廣。因此，許多公司都生產高壓大電流達林頓晶體管陣列產品，

23、從而形成了各種系列產品。其原理圖如下： （2）ULN2003 工作電壓高于工作電流大于灌電流可達500mA，并且能夠在關態(tài)時承受50V 的電壓，輸出還可以在高負載電流并行運行。ULN2003 管腳圖如下所示:引腳1：CPU 脈沖輸入端，端口對應一個信號輸出端。引腳2：CPU 脈沖輸入端。引腳3：CPU 脈沖輸入端。引腳4：CPU 脈沖輸入端。引腳5：CPU 脈沖輸入端。引腳6：CPU 脈沖輸入端。引腳7：CPU 脈沖輸入端。引腳8：接地。引腳9：該腳是內部7 個續(xù)流二極管負極的公共端，各二極管的正極分別接各達林頓管的集電極。用于感性負載時，該腳接負載電源正極，實現續(xù)流作用。如果該腳接地，實際上

24、就是達林頓管的集電極對地接通。引腳10：脈沖信號輸出端?對應7 腳信號輸入端。引腳11：脈沖信號輸出端?對應6 腳信號輸入端。引腳12：脈沖信號輸出端?對應5 腳信號輸入端。引腳13：脈沖信號輸出端?對應4 腳信號輸入端。引腳14：脈沖信號輸出端?對應3 腳信號輸入端。- （3）單片機硬件接線圖：5.5 人機接口設計本次電氣設計中，根據對平臺速度控制的設計，分為3個銑削檔，銑削類型依次為快進、精密銑削、強力銑削，分別由三個按鍵構成，同時由一個七段譯碼管組成，一個輸入端與一個輸出端，構成一個簡單的人機接口。電動機轉動方向有正轉和反轉兩種，由兩個按鍵構成。平臺兩端由兩個觸碰開關的閉合與否判斷工作臺

25、是否運行到端頭。5.6 單片機程序#include<reg51.h>sbit P1_0=P10;sbit P1_1=P11;sbit P1_2=P12;sbit P1_3=P13;sbit P1_4=P14;sbit P1_5=P15;sbit P1_6=P16;sbit P1_7=P17;sbit P0_0=P00;sbit P0_1=P01;sbit P0_2=P02;sbit P0_3=P03;sbit P0_4=P04;sbit P3_4=P34;sbit P3_5=P35;sbit P3_6=P36;sbit P3_7=P37;unsigned char idata st

26、ep=0; /step為電機運轉步數unsigned char idata high=0;unsigned char idata low=0;unsigned char idata mode=0; /mode為銑削模式unsigned char idata direct=0; /direct為電動機運轉方向void main(void) /主程序EA=1; /允許外部中斷EX1=1;PX1=1;P1_6=0;P1_7=0;while(1) /引人外部中斷程序;void output()step+;if(step=252)step=0; /電機運轉步數為252時與電機初始狀態(tài) 一致if(dire

27、ct=1&&P1_5=1) /電機正轉且工作臺未到平臺右端端頭switch(step%6) /電機運行轉數case 0:P3=0x3F;break;case 1:P3=0x7F;break;case 2:P3=0x5F;break;case 3:P3=0xDF;break;case 4:P3=0x9F;break;case 5:P3=0xBF;break;if(direct=0&&P1_4=1) /電機反轉且工作臺未到平臺左端端頭switch(step%6)case 0:P3=0xBF;break;case 1:P3=0x9F;break;case 2:P3=0

28、xDF;break;case 3:P3=0x5F;break;case 4:P3=0x7F;break;case 5:P3=0x3F;break;void time_0() interrupt 1/計數器中斷程序output();TH0=high; TL0=low;void int_1() interrupt 2/外部中斷程序 if(P0_0=0) mode=1; /1代表快進工作模式P1=P1&0xF0|mode;/譯碼管輸出字符及平臺左右兩端開關 狀態(tài)high=0xFF;low=0x9C; if(P0_1=0) mode=2; /2代表精密銑削工作模式 P1=P1&0xF0|mode;high=0xFC;low=0x18; if(P0_2=0) mode=3; /3代表強力銑削工作模式P1=P1&0xF0|mode; high=0xF9;low=0x7D; if(P0_3=0) direct=1;P1_7=1;P1_6=0; /1代表電動機正轉 if(P0_4=0) direct=0;P1_6=1;P1_7=0; /0代表電動機反轉 TMOD=1; /計數器選用模式1 TH0=high; TL0=low; ET0=1; /計數器允許內部中斷 TR0=1; /計數器允許啟動第六章、設計總結本課程設計針對目前現場數控車床上單向數控中存在的問題，以