繪圖儀機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)

1、機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)說(shuō) 明 書(shū)（小幅面平板式二維繪圖儀畫(huà)筆驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)） 目 錄目 錄2中文摘要3一、課程設(shè)計(jì)的目的4二、設(shè)計(jì)任務(wù)4三、總體方案的確定4四、機(jī)械傳動(dòng)部件的設(shè)計(jì)與選型51滾珠絲桿副的選型與計(jì)算52電機(jī)的選型與計(jì)算73、軸承的選擇與驗(yàn)算104聯(lián)軸器的選用115滾動(dòng)直線導(dǎo)軌選擇，計(jì)算和驗(yàn)算116密封和潤(rùn)滑12五、機(jī)械控制系統(tǒng)原理及電路設(shè)計(jì)121、設(shè)計(jì)要求122、方案分析123、單片機(jī)系統(tǒng)與步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器之間的接口方法124、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電源的選用14六、設(shè)計(jì)結(jié)論17七、個(gè)人總結(jié)19八、參考文獻(xiàn)20中文摘要模塊化的小幅面平板式單坐標(biāo)畫(huà)筆驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，通常由導(dǎo)軌座、移動(dòng)滑塊、工作平臺(tái)、

2、滾珠絲杠副，以及伺服電動(dòng)機(jī)等部件組成。其外觀形式如圖1-1所示。其中，伺服電動(dòng)機(jī)作為執(zhí)行元件用來(lái)驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠，滾珠絲杠的螺母帶動(dòng)滑塊和工作平臺(tái)在導(dǎo)軌上運(yùn)動(dòng)，完成工作臺(tái)在X方向的直線移動(dòng)，調(diào)動(dòng)畫(huà)筆的高度從而實(shí)現(xiàn)直線的生成。導(dǎo)軌副、滾珠絲杠螺母副和伺服電動(dòng)機(jī)等均已標(biāo)準(zhǔn)化，由專門(mén)廠家生產(chǎn)，設(shè)計(jì)時(shí)只需根據(jù)工作載荷選取即可。控制系統(tǒng)根據(jù)需要，可以選用標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，也可以設(shè)計(jì)專門(mén)的微機(jī)控制系統(tǒng)。圖11一、課程設(shè)計(jì)的目的1） 學(xué)習(xí)機(jī)電一體化系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案擬定、分析與比較的方法。2） 通過(guò)對(duì)機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì)掌握幾種典型傳動(dòng)元件與導(dǎo)向元件的工作原理、設(shè)計(jì)計(jì)算方法與選用原則。齒輪同步帶減速裝置、蝸桿副、滾

3、珠絲杠螺母副、直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副等。3） 通過(guò)對(duì)進(jìn)給伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，掌握常用伺服電動(dòng)機(jī)的工作原理、計(jì)算選擇方法與控制驅(qū)動(dòng)方式，學(xué)會(huì)選用典型的位移速度傳感器；如交流、步進(jìn)伺服進(jìn)給系統(tǒng)，增量式旋轉(zhuǎn)編碼器，直線光柵等。4） 通過(guò)對(duì)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，掌握一些典型硬件電路的設(shè)計(jì)方法和控制軟件的設(shè)計(jì)思路；如控制系統(tǒng)選用原則、CPU選擇、存儲(chǔ)器擴(kuò)展、I/O接口擴(kuò)展、A/D與D/A配置、鍵盤(pán)與顯示電路設(shè)計(jì)等，以及控制系統(tǒng)的管理軟件、伺服電機(jī)的控制軟件等。5） 培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力，學(xué)習(xí)并初步樹(shù)立“系統(tǒng)設(shè)計(jì)”的思路。6） 鍛煉提高學(xué)生應(yīng)用手冊(cè)和標(biāo)準(zhǔn)、查閱文獻(xiàn)資料以及撰寫(xiě)科技論文的能力。二、設(shè)計(jì)任務(wù)題目

4、：小幅面平板式繪圖儀畫(huà)筆驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要參數(shù)如下：工作臺(tái)面尺寸為600mm×600mm，可繪圖范圍210mm×297mm（A4圖紙）。X、Y方向的定位精度均為±0.2mm。加工材料為碳素鋼或有色金屬。機(jī)架用 板金 / 鑄鋁 / 注塑件外殼采用注塑件傳動(dòng)系統(tǒng)采用：同步齒形帶 / 鋼絲 / 其他X、Y電機(jī)采用步進(jìn)電機(jī)三、總體方案的確定（1）導(dǎo)軌副的選用 要設(shè)計(jì)的X-Y工作臺(tái)是用來(lái)配套輕型的畫(huà)筆的，需要承受的載荷非常小，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，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）絲杠螺母副的選用

5、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±0.2mm的定位精度，滑動(dòng)絲杠副無(wú)能為力，只有選擇滾珠絲杠副才能達(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。（3）伺服電動(dòng)機(jī)的選用 任務(wù)書(shū)規(guī)定的脈沖當(dāng)量尚未達(dá)到0.001mm，定位精度也未達(dá)到微米級(jí)，最快移動(dòng)速度也不高。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。（4）聯(lián)軸器的選用 由于系統(tǒng)的對(duì)中性要求較高，因此決定選用剛性聯(lián)軸器，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造成本低等優(yōu)點(diǎn)考慮到工作

6、載荷不大，擬選用套筒聯(lián)軸器，其具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造容易、徑向尺寸小的優(yōu)點(diǎn)。（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(shū)所給的精度對(duì)于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)不是很高，決定采用開(kāi)環(huán)控制（6）控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)） 設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)只有單坐標(biāo)定位，所以控制系統(tǒng)應(yīng)該設(shè)計(jì)成連續(xù)控制型） 對(duì)于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的開(kāi)環(huán)控制，選用MCS-51系列的ATR89C52，應(yīng)該能夠滿足設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)給定的相關(guān)指標(biāo)） 要設(shè)計(jì)一套完整的控制系統(tǒng)，在選擇CPU之后，還需要擴(kuò)展程序存儲(chǔ)器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、鍵盤(pán)與顯示電路、I/O接口電路、D/A轉(zhuǎn)換電路、串行接口電路等選擇合適的驅(qū)動(dòng)電源，與步進(jìn)電動(dòng)機(jī)配套使用考慮到X、Y

7、兩個(gè)方向的工作范圍額相差不大，承受的載荷也相差不多，為了減少設(shè)計(jì)工作量，X、Y兩個(gè)坐標(biāo)的導(dǎo)軌副、絲杠螺母副、伺服電動(dòng)機(jī)、檢測(cè)裝置擬采用相同的型號(hào)與規(guī)格。四、機(jī)械傳動(dòng)部件的設(shè)計(jì)與選型小幅面平板式繪圖儀畫(huà)筆驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)1滾珠絲桿副的選型與計(jì)算1.1 確定滾珠絲桿副的導(dǎo)程Ph：根據(jù)傳動(dòng)關(guān)系圖及傳動(dòng)條件選擇滾珠絲桿副的導(dǎo)程PhPh=10mm1.2 滾珠絲桿副的載荷及轉(zhuǎn)速計(jì)算1）最小載荷Fmin選機(jī)器空載時(shí)滾珠絲桿副的傳動(dòng)力。根據(jù)工作臺(tái)尺寸確定其質(zhì)量為25kg。由滾動(dòng)導(dǎo)軌副的摩擦系數(shù)f=0.005得 2)最大載荷Fmax選機(jī)器承受最大負(fù)荷時(shí)滾珠絲桿副的傳動(dòng)力. 3)滾珠絲桿副的當(dāng)量轉(zhuǎn)速nm及當(dāng)量載荷F

8、m:1.3 確定預(yù)期額定的載荷1)按預(yù)期工作時(shí)間Lh（小時(shí)）計(jì)算：根據(jù)要求選取系數(shù)得fw=1.5, fa=1.0 fc=1.0，由公式得： N1.4 按精度要求確定允許的滾珠絲桿的最小螺紋底徑d2m1).估算滾珠絲桿的最大允許軸向變形量：機(jī)床或機(jī)械裝置伺服系統(tǒng)精度大多早空載下檢驗(yàn)?？蛰d時(shí)用在滾珠絲桿副上的最大軸向工作載荷是靜摩擦力F0。移動(dòng)部件在Kmin處起啟動(dòng)和反向時(shí)，由于F0方向變化將產(chǎn)生誤差2 F0/Kmin（又稱摩擦死區(qū)誤差），它是影響重復(fù)定位精度的最主要因素，一般占重復(fù)定位精度的（1/22/3）。所以規(guī)定滾珠絲桿副允許的最大軸向變形：=（0.00250.0034）mm影響定位精度的最

9、主要因素是滾珠絲桿副的精度,其次是滾珠絲桿滾珠絲桿本身的拉壓彈性變形(因?yàn)檫@種彈性變形隨滾珠螺母在滾珠絲桿上的位置變化而變化),以及滾珠絲桿副滾珠絲桿副摩擦力矩的變化等。一般估算是時(shí)。即=（0.0040.005）mm以上兩種方法估算的小值取做值,即=0.0025mm.2)、估算滾珠絲桿副的底徑d2m：由滾珠絲桿副的安裝方式得式中：L兩個(gè)固定支承之間的距離（mm）=1.2×500+12×10=720mm所以1.5 確定滾珠絲桿副的規(guī)格代號(hào)：根據(jù)條件得選用滾珠絲桿副的型號(hào)為32105，公稱直徑 1.6 對(duì)預(yù)緊滾珠絲桿副，確定其預(yù)緊力Fb：由最大軸向工作載荷Fmax確定1.7 滾

10、珠絲桿副工作圖設(shè)計(jì)：1）、確定滾珠絲桿副的螺紋長(zhǎng)度Le=40mm Lu=有效行程+螺母長(zhǎng)度=500+8Ph=580mm得1.8 滾珠絲桿螺母的安裝連接尺寸：D1=40mm, D=66mm, D4=53mm, L=72mm, B=11mm, h=6mm。1.9 滾珠絲桿的校核在選擇滾珠絲桿時(shí)，可根據(jù)原絲桿直徑的大小，按類比法選擇其名義直徑，因此，就需要對(duì)其負(fù)載能力進(jìn)行必要的校核，如果是根據(jù)承載能力選出的則應(yīng)對(duì)壓桿穩(wěn)定及其剛度進(jìn)行必要的校核。1）下面進(jìn)行滾珠絲桿副臨界壓縮載荷Fc的核算（即驗(yàn)算壓桿穩(wěn)定性）（其中： f=21.9 ）所以驗(yàn)證穩(wěn)定性合格.2）滾珠絲桿副的極限轉(zhuǎn)速nc的校核(避免高速運(yùn)轉(zhuǎn)

11、時(shí)產(chǎn)生共振) 驗(yàn)算合格.3）Dn值的驗(yàn)證合格.4）基本軸向額定靜在和Cu的驗(yàn)算5）強(qiáng)度驗(yàn)算2電機(jī)的選型與計(jì)算2.1 作用在滾珠絲桿副上各種轉(zhuǎn)矩計(jì)算外加載荷產(chǎn)生的摩擦力矩TF（N.m）空載時(shí):外加徑向載荷是的摩擦力矩:滾珠絲桿副預(yù)加載荷Fb產(chǎn)生的預(yù)緊力矩:2.2 負(fù)荷轉(zhuǎn)動(dòng)慣量JL（Kg.m2）及傳動(dòng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J（Kg.m）的計(jì)算：滾動(dòng)絲桿的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：由即：取Jm=3.5710-4 則有：2.3 加速轉(zhuǎn)速Ta和最大加速轉(zhuǎn)矩Tam當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速?gòu)膎1升至n2時(shí):當(dāng)電機(jī)從靜止升速到nmax2.4 電動(dòng)機(jī)最大啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩Tr(N.m)2.5 電動(dòng)機(jī)連續(xù)工作的最大轉(zhuǎn)矩:2.6 電動(dòng)機(jī)的選擇:在選擇電動(dòng)機(jī)是主要從

12、以下幾個(gè)方面考慮:能滿足控制精度要求.能滿足負(fù)載轉(zhuǎn)矩的要求.滿足慣量匹配原則.上述計(jì)算均沒(méi)有考慮機(jī)械系統(tǒng)的傳動(dòng)效率.當(dāng)選擇機(jī)械傳動(dòng)總效率=0.96時(shí),同時(shí),在車削時(shí),由于材料的不均勻等因素的影響,會(huì)引起負(fù)載轉(zhuǎn)矩突然增大,為避免計(jì)算上的誤差以及負(fù)載轉(zhuǎn)矩突然增大引起步進(jìn)電機(jī)丟步而引起加工誤差,可以適當(dāng)考慮安全系數(shù)，安全系數(shù)一般可以在1.2-2之間選取.如果選取安全系數(shù)K=1.5,則步進(jìn)電機(jī)可按以下總負(fù)載轉(zhuǎn)矩為:如果選上述預(yù)選的電動(dòng)機(jī)90BYG55C,其最大靜轉(zhuǎn)矩Tjmax=6.3Nm。在五相十拍驅(qū)動(dòng)時(shí)，其步矩角為0.36()/setp，為了保證帶負(fù)載能正常加速啟動(dòng)和定位停止，電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩必須滿

13、足：Tjmax 由Tjmax =6.3Nm =，故選用合適。2.7 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的性能校核） 最快進(jìn)給速度時(shí)電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩校核設(shè)計(jì)給定工作臺(tái)最快進(jìn)給速度Vmaxf=2000mm/min，脈沖當(dāng)量=(5×0.75°/360°)mm/脈沖，得電動(dòng)機(jī)對(duì)應(yīng)的運(yùn)行頻率fmaxf=Vmaxf/(60)Hz=2000/(60×5×0.75°/360°)Hz=3200Hz從90BYG2602電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行矩頻特性曲線圖1-2可以看出，在此頻率下，電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩Tmaxf3.5 N·m，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于最大工作負(fù)載轉(zhuǎn)矩Teq1=0.06657

14、N·m，滿足設(shè)計(jì)要求） 最快移動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行頻率校核與最快移動(dòng)速度Vmaxf=2000mm/min對(duì)應(yīng)的電動(dòng)機(jī)運(yùn)行頻率為fmax=3200Hz查表4-5可知90BYG262電動(dòng)機(jī)的空載運(yùn)行頻率可達(dá)20000Hz，可見(jiàn)沒(méi)有超出上限） 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Jeq=4.437kg·cm2，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jm=4kg·cm2，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fq=1800Hz（查表4-5）則可以求出步進(jìn)電動(dòng)機(jī)克服慣性負(fù)載的起動(dòng)頻率：上式說(shuō)明，要想保證步進(jìn)大家起動(dòng)時(shí)不失步，任何時(shí)候的起動(dòng)頻率都必須小于1240Hz實(shí)際上，在采用軟件升降頻時(shí)，

15、起動(dòng)頻率選得更低，通常只有100Hz（即100脈沖/s）綜上所述，本次設(shè)計(jì)中進(jìn)給傳動(dòng)選用90BYG2602步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，完全滿足設(shè)計(jì)要求3、軸承的選擇與驗(yàn)算根據(jù)前面的計(jì)算,我們預(yù)選軸承為角接觸球軸承.選用型號(hào)為:7005AC, 查相關(guān)手冊(cè)(<<機(jī)械設(shè)計(jì)指導(dǎo)>>)可得此軸承的一些相關(guān)參數(shù):Cr=11.2KN Cor=7.08KN d=25mm B=12mm對(duì)其進(jìn)行受力分析,如上,則可得:由兩式連解的: =202.23N =964.37N取e=0.68,則有: 所以軸承1被壓緊,則:求當(dāng)量動(dòng)載荷:則:對(duì)軸承1: X1=0.41 Y1=0.87 對(duì)軸承2: X2=1 Y1=0

16、取fp=1.1則有:驗(yàn)算軸承壽命:因?yàn)镻1>P2, 所以軸承所承受的壽命計(jì)算:故,軸承壽命合格.4聯(lián)軸器的選用由上述電動(dòng)機(jī)的型號(hào)可查得輸出轉(zhuǎn)軸的直徑為14mm,于是可以選擇圓錐套筒聯(lián)軸器，其相關(guān)參數(shù)如下：（mm）d D L l C 許用轉(zhuǎn)矩 圓錐銷(2件) 14 25 45 10 0.5 16.0 4×25 5滾動(dòng)直線導(dǎo)軌選擇，計(jì)算和驗(yàn)算本設(shè)計(jì)采用滾動(dòng)直線導(dǎo)軌,其最大優(yōu)點(diǎn)是摩擦系數(shù)小,動(dòng),靜摩擦系數(shù)差很小，因此,運(yùn)動(dòng)輕便靈活,運(yùn)動(dòng)所需功率小,摩擦發(fā)熱少，磨損小，精度保持性好,低速運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性好,移動(dòng)精度和定位精度高的優(yōu)點(diǎn).所采用的滾動(dòng)直線導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)如下圖所示:在選擇導(dǎo)軌時(shí)，主要遵循

17、以下幾條原則：精度不干涉原則：導(dǎo)軌的各項(xiàng)精度制造和使用時(shí)互不影響才易得到較高的精度。動(dòng)摩擦系數(shù)相近的原則：例如選用滾動(dòng)導(dǎo)軌或朔料導(dǎo)軌，由于摩擦系數(shù)小且靜，動(dòng)摩擦系數(shù)相近，所以可獲得很低的運(yùn)動(dòng)速度和很高的重復(fù)定位精度。導(dǎo)軌能自動(dòng)貼合原則：鑰匙導(dǎo)軌精度高，必須使相互結(jié)合的導(dǎo)軌有自動(dòng)貼合的性能。對(duì)水平位置的工作的導(dǎo)軌，可以靠工作臺(tái)的自重來(lái)貼合;其它導(dǎo)軌靠附加的彈簧力或者滾輪的壓力使其貼合。移動(dòng)的導(dǎo)軌在移動(dòng)過(guò)程中，能始終全部接觸的原則;也就是固定的導(dǎo)軌長(zhǎng)，移動(dòng)的導(dǎo)軌短。對(duì)水平安裝的導(dǎo)軌，以下導(dǎo)軌為基準(zhǔn)，上導(dǎo)軌為彈性體的原則。能補(bǔ)償因受力變形和受熱變形的原則。根據(jù)以上原則且因?yàn)樗O(shè)計(jì)的機(jī)械所受的力不是很

18、大,所以初選導(dǎo)軌為GGB16AAL2P2-4其額定靜,動(dòng)載KN,6.8KN.查表確定各系數(shù)為;從而可以確定所受的最大力為3.23KN，由公式： =（）=10675km按式：=27799 hh所以滿足壽命的要求，合格6密封和潤(rùn)滑為了阻止灰塵，水，酸氣和其雜物進(jìn)入軸承并阻止?jié)櫥瑒┝魇?。再本設(shè)計(jì)中加如了軸承的密封裝置。因?yàn)闈L珠絲杠的轉(zhuǎn)速不高，所以采用接觸式密封。在透蓋與軸承中間加入了唇形密封圈，目的是防止?jié)櫥偷牧鞒?。在軸承的左側(cè)加入軸承端蓋，目的是阻止灰塵，水，酸氣和其雜物進(jìn)入軸承。為了降低摩擦阻力，散熱，吸收振動(dòng)，防止銹蝕等，在整個(gè)系統(tǒng)中加入了潤(rùn)滑裝置，在此系統(tǒng)中滾珠絲杠和軸承都采用脂潤(rùn)滑。五、

19、機(jī)械控制系統(tǒng)原理及電路設(shè)計(jì)1、設(shè)計(jì)要求 采用MCS-51系列單片機(jī)來(lái)完成此控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì),完成控制系統(tǒng)原理圖等.主要包括鍵盤(pán),LED顯示,電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)、停止、單進(jìn)控制、聯(lián)動(dòng)控制等的控制.同時(shí)還要有一些自動(dòng)錯(cuò)誤處理功能.如限位控制,驅(qū)動(dòng)出錯(cuò)處理,這就需要在程序設(shè)計(jì)時(shí)提供相應(yīng)的中斷處理程序。2、方案分析 由前面電動(dòng)機(jī)的選擇:選用電動(dòng)機(jī)型號(hào)為90BYG55C的步進(jìn)電機(jī).此電機(jī)是一個(gè)五相十拍的電動(dòng)機(jī)。由機(jī)電一體化可以知道步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行特性與配套的驅(qū)動(dòng)電源（驅(qū)動(dòng)器）由密切的關(guān)系。驅(qū)動(dòng)器由脈沖發(fā)生器和功率放大器兩大部分組成的。在微機(jī)控制電機(jī)過(guò)程中，需要使電機(jī)按照一定規(guī)律變化進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，而控制這部分規(guī)律變化的

20、部分叫做脈沖分配器。實(shí)現(xiàn)脈沖分配有兩種方法：計(jì)算機(jī)軟件和硬件電路法。當(dāng)有了環(huán)形脈沖分配后，還是不夠的。由于我們的脈沖是由微機(jī)單片機(jī)發(fā)出的，屬于低電平，是不能直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)的，這時(shí)我們可以采用功率放大電路將脈沖進(jìn)行功率放大，然后驅(qū)動(dòng)硬件電路。3、單片機(jī)系統(tǒng)與步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器之間的接口方法采用單片機(jī)系統(tǒng)對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行串行控制系統(tǒng)從CP脈沖控制線按電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)速度的要求發(fā)出相應(yīng)周期間隔的脈沖,即可使電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn).當(dāng)需要電動(dòng)機(jī)恒轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí),就發(fā)出恒定周期的脈沖串；當(dāng)需要加減速運(yùn)行時(shí)，就發(fā)出周期遞減或遞增的脈沖串；當(dāng)需要鎖定狀態(tài)時(shí)，只要停止發(fā)脈沖串就可以了由此可以方便地對(duì)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制方向電平控

21、制線可實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)方向的控制，為低電平時(shí)，環(huán)行分配器按正方向進(jìn)行脈沖分配，電動(dòng)機(jī)正向旋轉(zhuǎn)；而為高電平時(shí)，環(huán)行分配器按反方向進(jìn)行脈沖控制，電動(dòng)機(jī)反方向控制，從而可實(shí)現(xiàn)工作臺(tái)的來(lái)回運(yùn)動(dòng) 圖1-3 簡(jiǎn)單畫(huà)出串行控制方法的接線圖.圖中是采用8031的P1.0作為方向電平信號(hào),P1.1作為CP脈沖信號(hào).設(shè)正常的P1.1為高電平,CP 脈沖輸出低電平有效,產(chǎn)生CP脈沖的子程序如下：CW：CLR P1.0 ；正轉(zhuǎn)電平 CLR P1.1；輸出低電平，產(chǎn)生脈沖前沿LCALL D5µs；調(diào)延時(shí)子程序，使脈沖寬度為5µsSETB P1.0 ；輸出高電平產(chǎn)生脈沖后沿RET；返回要想電動(dòng)機(jī)反方向運(yùn)行

22、,可調(diào)用如下子程序:CW：SETB P1.0 ；輸出反轉(zhuǎn)電平CLR P1.1；輸出脈沖前沿LCALL D5µs；延時(shí)5µsSETB P1.0 ；輸出脈沖后沿RET；返回采用MCS-51系列的8031型的單片機(jī)作為微機(jī)控制的主芯片。系統(tǒng)原理圖中，采用74LS373進(jìn)行P0口的鎖存，同時(shí)擴(kuò)展一片2764的程序存儲(chǔ)器和一片6264的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，作為系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理和存儲(chǔ)之用。同時(shí)，我們需要擴(kuò)展鍵盤(pán)和顯示，就需要擴(kuò)展接口來(lái)連接。采用8155進(jìn)行接口擴(kuò)展，PA口，PC口屬于輸出口，PB口屬于輸入口。PA口的八根地址連接成44的鍵盤(pán)接口電路，PB口用于LED的八路接口，同時(shí)用PC口的6路

23、進(jìn)行LED的位控接口。同時(shí)由P2口的P2.5,P2.6,P2.7進(jìn)行74LS138的片選輸入，對(duì)2764和6264進(jìn)行片選。地址計(jì)算：1）8155的地址計(jì)算：在8155中，采用P1.7來(lái)控制IO/M口，進(jìn)行I/O和RAM選項(xiàng)控制。當(dāng)P1.7=0時(shí)，選擇RAM口，其地址為：010 所以其地址為4000H-5FFFH（其中P1.7為0）當(dāng)P1.7=1時(shí)，單片機(jī)選中I/O口，其地址為：010 所以其地址為4000H-5FFFH（其中P1.7為1）因此：8155的具體地址：命令字：4000HA 口：4001HB 口：4002HC 口：4003H低四位：4004H高四位：4005H2）2764的地址：采

24、用74LS138片選控制，地址選擇如下：000 所以地址范圍為：0000H-1FFFH3）6264的地址：同樣采用74LS138片選控制，地址選擇如下：001 所以地址范圍為：2000H-3FFFH4、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電源的選用本次設(shè)計(jì)中選用的90BYG2602型電動(dòng)機(jī)，生產(chǎn)廠家為常州寶馬集團(tuán)公司選擇ISM-202A細(xì)分驅(qū)動(dòng)器4.1特點(diǎn)）電源電壓不大于+45VDC ）斬波頻率大于35KHZ）輸入信號(hào)與TTL兼容 ）可驅(qū)動(dòng)兩相或四相混合式步進(jìn)電機(jī) ）雙極性恒流斬波方式 ）光電隔離信號(hào)輸入）細(xì)分?jǐn)?shù)可選SM-202A型：2、4、8、16、32、64或根據(jù)用戶要求設(shè)計(jì)）驅(qū)動(dòng)電流可由開(kāi)關(guān)設(shè)定10）外型尺寸

25、：85*59*1911）重量：0.11kg4.2引腳說(shuō)明）GND端為外接直流電源） A+，A-端為電機(jī)A相）B+，B-端為電機(jī)B相）+COM端為光電隔離電源公共端，典型值為+5V，高于+5V時(shí)應(yīng)在CP，DIR及FREE端串接電阻）CP端為脈沖信號(hào)，下降沿有效） DIR端為方向控制信號(hào)，電平高低決定電機(jī)運(yùn)行方向）FREE端為驅(qū)動(dòng)器使能，高電平或懸空電機(jī)可運(yùn)行低電平驅(qū)動(dòng)器無(wú)電流輸出，電機(jī)處于自由狀態(tài)4.3 電氣特性 （Tj=25）信號(hào)邏輯輸入電流10mA-25mA）下降沿脈沖時(shí)間大于5us）絕緣電阻大于500M4.4 使用環(huán)境及參數(shù)） 冷卻方式；自然冷卻或強(qiáng)制風(fēng)冷） 使用環(huán)境；盡量避免粉塵及腐蝕性

26、氣體）溫度；0°C- +50°C） 濕度；40- 89%RH4.5機(jī)械安裝如圖1-44.6 電源供給  本驅(qū)動(dòng)器可采用非穩(wěn)壓型直流電源供電，也可以采用變壓器降壓+橋式整流+電容濾波4.7 輸入接口電路如圖1-54.8 電機(jī)接線SM-202A驅(qū)動(dòng)器能驅(qū)動(dòng)四線、六線或八線的兩相/四相電機(jī)圖1-6詳細(xì)列出了4線、6線、8線步進(jìn)電機(jī)的接法：4.9驅(qū)動(dòng)器與電機(jī)的匹配4.9.1 供電電壓的選定一般來(lái)說(shuō)，供電電壓越高，電機(jī)高速時(shí)力矩越大，越能避免高速時(shí)掉步但另一方面，電壓太高可能損壞驅(qū)動(dòng)器, 而且在高電壓下工作時(shí), 低速運(yùn)動(dòng)振動(dòng)較大4.9.2 輸出電流的設(shè)定值對(duì)于同一電機(jī)，電流

27、設(shè)定值越大時(shí),電機(jī)輸出力矩越大，但電流大時(shí)電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器的發(fā)熱也比較嚴(yán)重所以一般情況是把電流設(shè)成供電機(jī)長(zhǎng)期工作時(shí)出現(xiàn)溫?zé)岬贿^(guò)熱時(shí)的數(shù)值 四線電機(jī)和六線電機(jī)高速度模式：輸出電流設(shè)成等于或略小于電機(jī)額定電流值； 六線電機(jī)高力矩模式：輸出電流設(shè)成電機(jī)額定電流的70%； 八線電機(jī)串聯(lián)接法：輸出電流設(shè)成電機(jī)額定電流的70%； 八線電機(jī)并聯(lián)接法：輸出電流可設(shè)成電機(jī)額定電流的1.4倍電流設(shè)定后請(qǐng)運(yùn)轉(zhuǎn)電機(jī)15-30分鐘，如電機(jī)溫升太高，則應(yīng)降低電流設(shè)定值如降低電流值后，電機(jī)輸出力矩不夠則請(qǐng)改善散熱條件，保證電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器均不燙手為宜4.10 驅(qū)動(dòng)器接線 一個(gè)完整的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)應(yīng)含有步進(jìn)電機(jī)、步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器、直流

28、電源以及控制器 (脈沖源)本次設(shè)計(jì)選擇與步進(jìn)電動(dòng)機(jī)90BY2602相配套的驅(qū)動(dòng)電源BD28Nb型，輸入電壓100VAC，相電流4A，分配方式為二相八拍，其與控制器的接線方式如圖1-7六、設(shè)計(jì)結(jié)論在本設(shè)計(jì)中采用步進(jìn)電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠來(lái)實(shí)現(xiàn)工作臺(tái)的水平移動(dòng)，因其無(wú)位置反饋，其精度主要取決于驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的性能和精度，精度不高。一般以功率步進(jìn)電機(jī)作為伺服驅(qū)動(dòng)元件。但是其有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作穩(wěn)定、調(diào)試方便、維修簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，但是因其無(wú)減速裝置，多用在精度和速度要求不高、驅(qū)動(dòng)力矩不大的場(chǎng)合。同時(shí)由公式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角（°）；脈沖當(dāng)量（mm/脈沖）； h絲杠螺距（mm）易知可以通

29、過(guò)增大傳動(dòng)比i來(lái)提高定位精度，但是因本設(shè)計(jì)采用的是步進(jìn)電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠，所以定位精度是由步距角來(lái)確定的。而m定子相數(shù)； z轉(zhuǎn)子齒數(shù)； k通電系數(shù)，這就要求步進(jìn)電動(dòng)機(jī)有較小的步距角，而較小的步距角就需要較大的轉(zhuǎn)子齒數(shù)，從而大大的增加了成本。在設(shè)計(jì)中所選的是滾動(dòng)直線導(dǎo)軌因其具有摩擦系數(shù)?。?.00250.005)，動(dòng)、靜摩擦力相差甚微；運(yùn)動(dòng)輕便靈活，所需功率小，摩擦發(fā)熱小，磨損小，精度保持性好，低速運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，移動(dòng)精度和定位精度都較高的優(yōu)點(diǎn)，所以其可以消除在低速度移動(dòng)時(shí)的爬行現(xiàn)象。但是其滾動(dòng)導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造成本高，抗震性差。設(shè)計(jì)中傳動(dòng)部件用的是滾珠絲杠螺母機(jī)構(gòu)，其具有摩擦損失小，傳動(dòng)效率高，可

30、達(dá)85%98%，絲桿螺母之間預(yù)緊后，可以完全消除間隙，剛度，摩擦阻力小等優(yōu)點(diǎn)，但是同時(shí)也有不能自鎖，運(yùn)動(dòng)有可逆性，即旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)直線運(yùn)動(dòng)；直線運(yùn)動(dòng)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)等缺點(diǎn)。雖然滾珠絲杠螺母副傳動(dòng)效率很高，但不能自鎖，用在垂直傳動(dòng)或水平放置的高速大慣量傳動(dòng)中，必須裝有制動(dòng)裝置。 為了減少絲杠的受熱變形，可以將絲杠制成空心，在支承法蘭處通入恒溫油進(jìn)行強(qiáng)迫冷卻循環(huán)。 滾珠絲杠必須采用潤(rùn)滑油或鋰基油脂進(jìn)行潤(rùn)滑，同時(shí)要采用防塵密封裝置。如用接觸式或非接觸密封圈，螺旋式彈簧鋼帶，或折疊式塑性人造革防護(hù)罩等。并且滾珠絲杠采用內(nèi)循環(huán)的方式，如圖所示： 這種方式具有其結(jié)構(gòu)緊湊，定位可靠，剛性好，且不易磨損，返回滾道短，不易發(fā)生滾珠堵塞，摩擦損失也小。在系統(tǒng)的控制方面，本設(shè)計(jì)采用的是開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)，其控制簡(jiǎn)圖如下圖所示：電機(jī)機(jī)械執(zhí)行部件A相、B相C相、f、n脈沖頻率f脈沖個(gè)數(shù)n換算脈沖環(huán)形分配變換功率放大其具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作穩(wěn)定、調(diào)試方便、維修簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，但是其精度較低。在步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)和控制方面，設(shè)計(jì)中采用的是專用的與步進(jìn)電機(jī)相匹配的驅(qū)動(dòng)控制器。完全可以實(shí)現(xiàn)控制的要求。 綜上所述，雖然設(shè)計(jì)中存在一些缺點(diǎn)，但是這些都不會(huì)影響控制的精度，并且都可以達(dá)到設(shè)計(jì)任務(wù)中的要求，所以上述設(shè)計(jì)是滿足設(shè)計(jì)要求的，完全