机电一体化课程设计

设计项目： 二自由度机械运动平台与控制 指导老师： 李 斌，杨 林 设计人员： 廖 华 伢 学 号： 07490204 校核人员： 廖 华 伢 完成时间： 2009年12月30日 设计单位：重庆交通大学机电学院机械电子二班《综合课程设计》 指 导 书目录一、 课程设计的目的 (3)二、 课程设计的内容 (3)1数控装置总体方案的确定 (3)1.1系统运动方式与伺服系统 (4)1.2控制系统 (4)1.3X—Y工作台的传动方式 (4)2 机械系统设计 (5)2.1滚珠丝杠的计算和设计 (5)3控制系统的设计 (15)3.1控制系统的设计内容 (15)3.2控制系统的设计步骤 (15)3.3 存储器扩展电路的设计 (16)3.4步进电机驱动电路设计 (20)3.5其它辅助电路设计 (22)4 控制系统硬件电路设计 (23)5 控制系统的软件设计 (25)5.1 控制系统软件的主要内容 (25)5.2 软件具体设计 (25)三、 课程设计的总结 (33)四、 课程设计参考文献 (34)五、 机械装配图和电气原理图 (34)一、 课程设计的目的《综合课程设计》是培养学生设计能力的重要实践性教学环节之一，是综合运用所学过的机械、电子、自动控制、计算机等知识进行的基本设计训练。

其目的是：1、能够正确运用《机电系统设计》课程的基本理论和相关知识，掌握机电一体化系统（产品）的功能构成、特点和设计思想、设计方法，了解设计方案的拟定、比较、分析和计算，培养学生分析问题和解决问题的能力，使学生具有机电一体化系统设计的初步能力；2、通过机械部分设计，掌握机电一体化系统典型机械零部件和执行元件的计算、选型和结构设计方法和步骤；3、通过测试及控制系统方案设计，掌握机电一体化系统控制系统的硬件组成、工作原理，和软件编程思想；4、通过课程设计提高学生应用手册、标准及编写技术说明书的能力，促进学生在科学态度、创新精神、专业技能等方面综合素质的提高。

二、课程设计的内容 1 数控装置总体方案的确定根据设计要求，采用的是单片机控制的步进电机驱动的多用XY 工作台。

控制精度为±0.01mm ；而且采用是滚珠丝杠传动，其使用寿命为T=15000h ；X 方向的有效行程是mm 600L x =，最大进给速度为min 1000mm V Xmax =；Y 方向的有效行程是mm 400L y =，最大进给速度为min 1000mm V Ymax =；承受工作载荷为N 2000F Z =，能承受中等冲击。

具体系统的运动方式和设备的选型如下： 1.1 系统运动方式与伺服系统采用连续控制系统。

考虑到运动精度要求不高，行程较短，为简化机械结构，降低设备成本，而且系统的负载不大，故采用步进电机开环伺服系统作为驱动元件，这样还可使维修容易。

具体步进电机的选型参考步进电机的选型和设计。

1.2 控制系统采用MCS-51系列中的8051单片机扩展控制系统。

MCS-51单片机的主要特点是集成度高，可靠性好，功能强，速度快，性价比高。

控制系统由微机部分、键盘及显示器、I/O 接口及光电隔离电路、步进功率放大电路等组成。

系统的工作程序和控制命令通过键盘操作实现。

显示器采用数码管显示加工数据和工作状态等信息。

1.3 X—Y 工作台的传动方式为保证一定的传动精度和平稳性以及结构的紧凑，采用滚珠丝杠螺母传动副。

为提高传动刚度和消除间隙，采用有预加载荷的结构。

由于工作台的运动部件重量和工作载荷不大，故选用滚动直线导轨副，从而减小工作台的摩擦系数，提高运动平稳性。

在设计的同时，需要考虑缩短传动链。

因为缩短传动链可以提高系统的传动刚度，减少传动误差。

考虑电机步距角和丝杠导程只能按标准选取，为达到分辨率的要求，以及考虑步进电机负载匹配，采用齿轮减速传动。

图1 系统总体框图2 机械系统的设计机械系统设计内容包括：确定系统脉冲当量，运动部件惯性的计算，选择步进电机，传动及导向元件的设计、计算与选择，绘制机械部分装配图等。

2.1 滚珠丝杠的计算和设计（1）确定系统脉冲当量脉冲当量p δ是用来表示步进电机每接受一个脉冲使对应的执行部件移动的距离，单位为mm/脉冲。

考虑到机械传动系统存在误差，因此p δ应小于等于工作台的位置精度，由于定位精度为mm 01.0 ，一般选脉冲/mm 005.0~01.0，因此在本课题设计中选脉冲当量为允许范围内的值为脉冲/01.0mm 。

（2）工作台外形尺寸及重量初步估算根据给定的有效行程，画出工作台简图，估算X 向和Y 向作台承载重量x W 和y W ；取X 向导轨支撑钢球的中心距为620mm，Y 向导轨支撑钢球的中心距为420mm，设计工作简图如下：图2 工作台简图X 向拖板（上拖板）尺寸为：50130200⨯⨯=⨯⨯高宽长X 向拖板重量：材料比重体积总重量⨯=，则估算为：N W X 4.101108.7105013020023=⨯⨯⨯⨯⨯=--Y 向拖板（上拖板）尺寸为：50300420⨯⨯=⨯⨯高宽长Y 向拖板重量：材料比重体积总重量⨯=，则估算为：N W y 4.491108.7105030042023=⨯⨯⨯⨯⨯=--上导轨（含电机）重量估算为：N 34.314108.710503562021030062023=⨯⨯⨯⨯⨯⨯+⨯⨯--）（夹具及工件重量约为155N。

则Y X -工作台运动部分总重量为：N W 14.90734.3144.4914.101=++=（3）滚动导轨副的计算和选择根据给定的工作载荷Z F 和估算的x W 、y W ，计算导轨的静安全系数P C f SL 0=，式中）（kN C 0为导轨的基本静额定载荷。

工作台的工作载荷)(5.0W f P SL +=。

0.3~0.1=SL f （一般运动状况），若是0.5~0.3（为运动时受到冲击、振动）。

根据计算结果和查相关资料初选导轨：因为系统受中等冲击，则选0.4=SL f 。

y x SL P f C ,0*= )(5.0,,y x Z y x W F P +⨯=N W F P x Z x 7.1050)4.1012000(5.0)(5.0=+⨯=+⨯=N W F P y Z y 7.1245)4.4912000(5.0)(5.0=+⨯=+⨯=N P f C x SL x 8.42027.10500.40=⨯=*=N P f C y SL y 8.49827.12450.40=⨯=*=根据计算的额定静载荷初选导轨：选择HJG-D 系列滚动直线导轨，其型号为HJG-D25。

其基本参数如下（表 1）：额定载荷/N 静态力矩/N*M滑座重量 导轨重量 导轨长度动载荷a C 静载荷0C A TB TC Tg Km K g /)(mm L17500260001981982880.63.1760滑座个数单向行程长度 每分钟往复次数M s ln 40.64导轨的额定动载荷为N C a 17500=依据使用速率min)/(m 和初选导轨的基本额定动载荷a C （KN）验算导轨的工作寿命：额定行程长度寿命：)(FC f f f f K T aW C T H s *= 50042000===M F F M ， 500==d R K 1=T f ，2=W f ，81.0=C f ，1=H f km F C f f f f K T a W C T H s 4.143164)50017500281.011(50)(3=⨯⨯⨯⨯=*= 轨道的额定寿命：h n l T T S H 3303101.4976046.02104.143164210⨯=⨯⨯⨯⨯=⨯=>h 15000故导轨的工作寿命足够。

（4）滚珠丝杠的计算和选择初选丝杠材料为CrWMn 钢，HRC58~60,导程：mm l 50= （4.1）强度计算丝杠轴向力：))((,,max N W F f KF F y x Z y x ++=，其中K=1.15，滚动导轨摩擦系数f=0.003~0.005，在运动平台工作分别承受X，Y 向力时：Z X F F )6.0~1.0(=，Z Y F F )7.0~15.0(=，可取Z X F F 5.0=，Z Y F F 6.0=计算。

取N F f Z 850,004.0==，则：N F F Z X 100020005.05.0=⨯== N F F Z Y 120020006.06.0=⨯== N W F f KF F x Z x X 4.1158)4.1012000(004.0100015.1)(max =+⨯+⨯=++=N W F f KF F y Z y Y 97.2309)4.4912000(004.0120015.1)(max =+⨯+⨯=++=寿命值：61060nTL =，其中丝杠转速min)/(0max r l n =，h T 15000=min /200510000max r l n ===180101500020060106066=⨯⨯==nT L 最大动载荷：F f f L Q W H 3=，式中W f 为载荷系数，中等冲击时为1.2~1.5; H f 为硬度系数，HRC 大于58时为1.0。

查表得2.1=W f ，0.1=H f ，则：N F f f L Q X W H X 7.78484.11582.1118033=⨯⨯⨯== N F f f L Q Y W H Y 1.1565197.23092.1118033=⨯⨯⨯==根据使用情况选择滚珠丝杠螺母的结构形式，并根据最大动载荷的数值可选择滚珠丝杠的型号为：CM 系列滚珠丝杠副，其型号为CM2506-5（滚珠外循环，插管埋入式反向器，单螺母）。

其基本参数如下：其额定动载荷19740N>Y Q 足够用，滚珠循环方式为外循环螺旋槽式，预紧方式为双螺母螺纹预紧式。

滚珠丝杠螺母副的几何参数计算如下（表 2）：（4.2）传动效率计算 丝杠螺母副的传动效率为：)(ϕγγη+=tg tg ，其中'10=ϕ，为摩擦角；λ为螺旋丝杠升角。

96.0434334)(''=︒︒=+=tg tg tg tg ϕγγη （4.3）稳定性验算丝杠两端采用止推轴承时不需要稳定性验算。

（4.4）刚度验算滚珠丝杠受工作负载引起的导程变化量为：)(01cm ESFl l ±=∆，由于Y 向受牵引力大，故用Y 向参数计算：N F Y 97.2309= cm l 5.00=)/(106.2026cm n E ⨯=)(56.8651.114.3222cm R S =⨯==π)(105.656.8106.205.097.23096601cm ES Fl l -⨯=⨯⨯⨯±=±=∆ 由此可以看出丝杠受扭矩引起的导程变化量很小，可忽略不计。