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单向滑台设计说明书


机电一体化课程设计

学号:11204020238 姓名: 邹垒 指导教师:甘彬老师 成绩: 日期:2015.07.12

重庆理工大学

单向工作台设计

目录
重庆理工大学专业课程设计任务书 ...............................................

.............. 错误!未定义书签。 一、总体方案的确定....................................................................................................................... 3 1、机械传动部件的选择 ......................................................................................................... 3 2、控制系统的设计................................................................................................................. 4 二、机械传动部件的计算与选型 ................................................................................................... 4 1、导轨上移动部件的重量估算 ............................................................................................. 4 2、直线滚动导轨副的计算与选型 ......................................................................................... 5 3、滚珠丝杠螺母副的计算与选型 ......................................................................................... 6 4、 步进电机的选用... ...................................................................................................10

5、步进电动机的计算和选型 .............................................................................................. .10 6、增量式旋转编码器的选用 ............................................................................................. . 16 7、 联轴器的选型及校核..........................................................................................................16 8、 轴承的选用及校核.............................................................................................................17 9、各传动部件的预紧...........................................................................................................20 三、驱动器、单片机及电源..................................................................................................21 1 、驱动器的选择..................................................................................................................21 2、单片机........................................................................................................................ 24 3、82C55 和 74LS373 4、驱动器电源及单片机电源选择.................................................................................24 四、单片机 VC 源程序............................................................................................................25 五、参考文献.................................................................................................................................29

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单向工作台设计

重庆理工大学专业课程设计任务书

一、教学目的 通过课程设计培养学生综合运用所学知识和技能、 提高分析和解决实际问题能力的一个 重要环节, 专业课程设计是建立在专业基础课和专业方向课的基础上的, 是学生根据所学课 程进行的工程基本训练,课程设计的目的在于: 1、培养学生综合运用所学的基础理论和专业知识,独立进行机电控制系统 (产品)的初 步设计工作,并结合设计或试验研究课题进一步巩固和扩大知识领域。 2、培养学生搜集、阅读和综合分析参考资料,运用各种标准和工具书籍以及编写技术 文件的能力,提高计算、绘图等基本技能。

3、培养学生掌握机电产品设计的一般程序和方法,进行工程师基本素质的训练。
4. 树立正确的设计思想及严肃认真的工作作风。 二、课程设计题目:机电传动单向数控平台设计 (1)电机驱动方式:步进电机、直流伺服电机、交流伺服电机; (2)机械传动方式:螺旋丝杆、滚珠丝杆、同步皮带、链传动等; (3)电气控制方式:单片微机控制、PLC 控制; (4)功能控制要求:速度控制、位置控制; (5)主要设计参数: 单向工作行程 2100mm,移动负载质量 175kg,负载移动阻力 150N,空载最快移动速 度 6000mm/min,进给最快移动速度 1200mm/min。速度控制精度±0.5%,或实现行程(位 置)控制,控制精度 0.01mm。 三、课程设计的基本要求: (1)方案设计:根据课程设计任务的要求,在搜集、归纳、分析资料的基础上,明确系 统的主要功能,确定实现系统主要功能的原理方案,并对各种方案进行分析和评价,进行方 案选优; (2)总体设计:针对具体的原理方案,通过对动力和总体参数的选择和计算,进行总体 设计,绘制工作台进给传动机构装配图一张 (A2 一张); (3)根据控制功能要求,完成电气控制设计,给出电气控制电路原理图(A2 图一张); (4)根据电气控制原理图编写相关的控制程序; (5)每个学生应独立完成课程设计说明书一份,字数为 3000 字以上,设计图纸不少于两 张; (6)用计算机绘图或手工绘图,打印说明书; (7)设计选题分组进行,每位同学采用不同方案(或参数)独立完成; 四.推荐参考资料 1. 机械原理与机械设计; 2. 微机原理与接口技术; 3. 测试技术; 4. 机电传动控制; 5. PLC 控制技术;
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6. 机电一体化系统设计; 7. 机电控制及自动化; 8. 机械设计手册; 机电一体化技术手册

一、总体方案的确定

1、机械传动部件的选择

(1)导轨副的选用 要设计的工作台是用来配套轻型的数控机床, 需要承载 的载荷不大,但脉冲当量小(0.005mm/p),定位精度高(± 0.01mm),因此,决定选用直线滚动导轨副,它具有摩擦系 数小、不易爬行、传动效率高、结构紧凑、安装预紧方便等 优点。 (2)丝杠螺母副的选用 伺服电动机的旋转运动需要通过丝杠螺母副转换成直线 运动,要满足 0.005mm 的脉冲当量和±0.01mm 的定位精度, 只有选用滚珠丝杠副才能达到。滚珠丝杠副的传动精度高、 动态响应快、运转平稳、寿命长、效率高、预紧后可消除反 向间隙,而且滚珠丝杠已经系列化,选用非常方便,有利于 提高开发效率。 选 直 线滚 动导 轨副

选 滚 动丝 杠螺 母副

(3)伺服电动机的选用 任务书规定的空载最快移动速度 6000mm/min。因此,本设计 不必采用高档次的伺服电动机,如交流伺服电动机或直流伺服电 动机等,可以选用性能好一些的步进电动机,如混合式步进电动 机,以降低成本,提高性价比。

伺 服 电机 选步 进电机

3

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(5)检测装置的选用 选用步进电动机作为伺服电动机后,可选开环控制,也可选闭环控制。任务书所给 检 测 装置 的选 精度对于步进电动机来说还是偏高的,为了确保电动机在运转过程中不受切削负载和电 用: 增量式旋转 网的影响而失步,决定采用半闭环控制,并在电动机的尾部转轴上安装增量式旋转编码 编码器 器,用以检测电动机的转角与转速。

2、控制系统的设计

(1)设计的工作台准备用在数控机床上,其控制系统应该具有单坐标定位、两坐标直线 连续控制型 插补与圆弧插补的基本功能,所以控制系统应该设计成连续控制型。

(2) 对于步进电动机的半闭环控制, 选用单片机, 应该能够满足任务书给定的相关指标。 单片机 步 进 电机 驱动 电源

(3)选择合适的驱动电源,与步进电动机配套使用。

系统总体框图

二、机械传动部件的计算与选型

1、导轨上移动部件的重量估算

按照导轨上面移动部件的重量来进行估算。包括工作平台、滑块等,估计重量约为

G=500N

4

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500N。

2、直线滚动导轨副的计算与选型

(1)滑块承受工作载荷 Fmax 的计算及导轨型号的选取 工作载荷是影响直线滚动导轨副使用寿命的重要因素。工作台采用水平布置,利用 双导轨、四滑块的支承形式。考虑最不利的情况,即垂直于台面的工作载荷全部由一个 滑块承担,则单滑块所受的最大垂直方向载荷为:

Fmax ?

G ? F2 4

(2-2)

其中,移动部件重量 G=500N,外加载荷 F=FZ=1750N,代入式 2-2 得最大工作载荷 导轨副的型号: KL 系 列 的 查表 3-41,根据工作载荷 Fmax=1875N,初选直线滚动导轨副的型号为 KL 系列的 JSA-LG25 型 JSA-LG25 型,其额定动载荷 Ca=7.94kN,额定静载荷 C0a=9.5kN。 查表 3-35,按标准系列,选取导轨长度为 3000mm.
表 3-35 JSA 型导轨长度系列 导轨型号 JSA-LG15 JSA-LG20 JSA-LG25 JSA-LG35 JSA-LG45 JSA-LG55 JSA-LG65 280 340 460 520 550 660 820 340 400 640 600 65 780 970 400 520 800 840 750 900 1120 460 580 1000 1000 850 1020 1270 导轨长度系 520 640 1240 1080 950 1260 1420 580 760 1360 1240 1250 1380 1570 640 820 1480 1480 1450 1500 1720 700 940 1600 1720 1850 1980 2020 760 1000 1840 2200 2050 2220 2320 820 1120 1960 2440 2550 2700 2770 940 1240 3000 3000 3000 3000 3000

导轨长度为 3000mm

(2) 距离额定寿命 L 的计算 上述选取的 ZL 系列 JSA-LG25 型导轨副的滚道硬度为 60HRC, 工作温度不超过 100℃, 每根导轨上配有两只滑块,精度为 4 级,工作速度较低,载荷不大。查表
表 3-36 硬度系数 滚道硬度(HRC) fH 50 0.53 表 3-37 温度系数 55 0.8 58~64 1.0

距离寿命为
5

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工作温度/℃ fT

<100 1.00

100~150 0.90 表 3-38 接触系数

150~200 0.73

200~250 0.60

每根导轨上滑块数 fC

1 1.00

2 0.81 表 3-39 精度系数

3 0.72

4 0.66

5 0.61

44700km 远 大 于 期 望 值 50km, 故距离额 定 寿 命满 足要 求

精度等级 fR

2 1.

3 1.0 表 3-40 载荷系数

4 0.9

5 0.9

工 况 fW

无外部冲击或震动的低速 场合,速度小于 15m/min 1~1.5

无明显冲击或振动的中速 场合,速度为 15~ 60m/min 1.5~2

有外部冲击或振动的高速 场合,速度大于 60m/min 2~3.5

分别取硬度系数 fH=1.0、 温度系数 fT=1.00、 接触系数 fC =0.81、 精度系数 fR =0.9、 载荷系数 fW =1.5,代入式 2-3,得所选丝杠的距离寿命为 42600km。

? f H f T f C f R Ca ? ? ?100 L?? ? fW Fmax ? ? ?
3

3

(2-3)

? 1.0 ?1.00 ? 0.81? 0.9 ? 7.94 ? 4 即L?? ? ?100 ? 4.47 ?10 km 1.5 ? 0.757 ? ?
结论:所选导轨的距离寿命远大于期望值 50km,故距离额定寿命满足要求。

3、滚珠丝杠螺母副的计算与选型

(1)最大工作载荷 Fm 的计算 工作台受到进给方向的载荷(与丝杠轴线平行)Fx=150N,受到垂直方向的载荷(与 工作台面垂直)Fz=1875N。 已知移动部件总重量 G=500N,按矩形导轨进行计算,查表 3-29,
表 3-29 最大工作载荷 Fm 实验计算公式及参考系数 导轨类型 矩形导轨 实验公式 K 1.1 μ 0.15

Fm ? KFx ? ? (Fz ? Fy ? G)

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燕尾导轨 三角形或综合导轨

Fm ? KFx ? ? (Fz ? 2Fy ? G)
Fm ? KFx ? ? ( Fz ? G)

1.4 1.15

0.2 0.15~0. 8

注:表中摩擦因数μ 均为滑动导轨。对于贴塑导轨μ =0.03~0.05,滚动导轨μ =0.003~0.005。

表中,Fx 为进给方向载荷,Fy 为横向载荷,Fz 为垂直载荷,单位均为 N;G 为移动 最大工作载荷: 部件总重力,单位为 N;K 为颠覆力矩影响系数;μ为导轨的摩擦系数。 取移动部件总重量 G=500N,按矩形导轨进行计算,查表 3-29,取颠覆力矩影响系数 K=1.1,滚动导轨上的摩擦因素μ=0.005。求得滚珠丝杠副的最大工作载荷:

Fm ? 2024 N

Fm ? KFx ? ?(Fz ? Fy ? G) ? 1.1?150 ? 0.005? ?1875 ? 500? ? 2024N
(2)最大动载荷 FQ 的计算 工 作 台 的 最 快 进 给 速 度 v=3000mm/min , 初 选 丝 杠 导 程 Ph=5mm , 则 此 时 丝 杠 转 速 n=v/Ph=600r/min。 取滚珠丝杠的使用寿命 T=15000h,代入 L0=60nT/ 106 ,得丝杠寿命系数 L0=63(单 位为: 106 r)。 查表 3-30,取载荷系数 fW=1.2,滚道硬度为 60HRC 时,取硬度系数 fH=1.0,代入 式 2-4

FQ ? 3 L0 fW f H Fm
即: FQ ? 3 63 ?1.2 ?1.0 ? 2024 ? 9664 N

(2-4)

式中:L0——滚珠丝杠副的寿命,单位( 106 r)。L0=60nT/ 106 ,(其中 T 为使用寿命, 最 大 动 载 荷 FQ=9664N 普通机械取 T=5000~10000h,数控机床及一般机电设备取 T=15000h;n 为 丝杠每分钟转速); fW——载荷系数,由表 3-30 查得。 fH——硬度系数(≥58HRC 时,取 1.0;等于 55HRC 时,取 1.11;等于 52.5HRC 时, 取 1.35;等于 50HRC 时,取 1.56;等于 45HRC 时,取 2.40); Fm——滚珠丝杠副的最大工作载荷,单位为 N。

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单向工作台设计

表 3-30 滚珠丝杠载荷系数 运转状态 平稳或轻度冲击 中等冲击 较大冲击或振动 载荷系数 fW 1.0~1.2 1.2~1.5 1.5~2.5

(3)初选型号 根据计算出的最大动载荷和初选的丝杠导程,查附件 3 表 3-31,选择济宁博特精密 丝杠制造有限公司生产的 GD 系列 2005-4 型滚珠丝杠副, 为内循环固定反向器双螺母式, G 系列 2005-4 其公称直径为 20mm,导程为 5 mm,循环滚珠为 4 圈?2 列,精度等级取 4 级,额定动载 型滚珠丝杠副 荷为 11921N,大于 FQ,满足要求。
(4)传动效率η 的计算

将公称直径 d0=20mm ,导程 Ph=5mm ,代入 ? ? arctan[ Ph /(?d 0 )] , 得丝杠螺旋升角

? ? 95.6% >
90%,合格。

? ? 3?38? 。将摩擦角 ? ? 10? ,代入? ? tan? / tan?? ? ? ? ,得传动效率? ? 95.6% 。
效率要求大于 90%,该丝杠副合格。 (5)刚度的验算 1)工作台滚珠丝杠副的支承均采用“双推-简支”的方式。丝杠的一端用深沟球轴 承,另一端用深沟球与推力球轴承的组合,左、右支承的中心距离约为 a=2150mm;钢的 弹性模量 E=2.1?105MPa;查表 3-31,得滚珠直径 DW=2.175mm,丝杠底径 d2=16.2mm,丝
2 杠截面积 S ? ? d2 / 4 ? 352.8mm2 。

丝杠的拉伸或压缩变形量δ1 在总变形量中的比重较大,可按下式计算:

Fm a Ma 2 ?1 ? ? ? ES 2?IE
式中:Fm——丝杠的最大工作载荷,单位为 N a——丝杠两端支承间的距离,单位为 mm E——丝杠材料的弹性模量,钢的 E=2.1?105MPa S——丝杠按底径 d2 确定的截面积,单位为 mm M——转矩,单位为 N?mm
2

(2-5)

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单向工作台设计

4 I——丝杠按底径 d2 确定的截面积惯性矩( I ? ?d 2 / 64),单位为 mm4

滚珠与螺纹滚道间的接触变形量δ

2

无预紧时

1 ? Fm ? 3 ? ? ? 2 ? 0.0038 ? D? 10 Z ? ? ?

2

(2-6)

有预紧时

? 2 ? 0.0013

Fm

2 103 Dw FYJ Z ? / 10

(2-7)

式中 DW——滚珠直径,mm
Z∑——滚珠总数量,Z∑=Z?圈数?列数 Z——单圈滚珠数, Z ? ?d 0 / Dw (外循环), Z ? ??d 0 / DW ? ? 3 (内循环) FYJ——预紧力,单位 N

由于转矩 M 一般较小,可以忽略式 2-5 中的第二项,算得丝杠在工作载荷 Fm 作用下 产生的拉/压变形量

?1 ?

Fm a 2024 ? 2354 ? ? 0.0164mm ES 2.1?105 ? 352.8

2)根据公式 Z ? ??d 0 / DW ? ? 3 ,求得单圈滚珠数 Z=24;该型号丝杠为单螺母,滚珠

的圈数?列数为 4?2,代入公式:ZΣ =Z?圈数?列数,得滚珠总数量 ZΣ =176。丝杠预 紧时,取轴向预紧力 FYJ=Fm/3=674N。则由式 2-7,滚珠与螺纹滚道间的接触变形量δ 2 丝杠刚度足够

? 2 ? 0.0013

Fm
2 10 3 Dw FYJ Z ? /10

? 0.0013

2024 10 3 3.175 ? 675 ?1762 /10

? 0.0014mm

因为丝杠加有预紧力, 且为轴向负载的 1/3, 所以实际变形量可减小一半, δ 2=0.0007mm。 3)将以上算出的δ 1 和δ 2 代入

? ? ?1 ? ? 2 ? 0.0164 ? 0.0007 ? 0.0171mm ? 17.1?m 。
丝杠的有效行程为 2150mm, 由表 3-27 知, 4 级精度滚珠丝杠有效行程在 2150~2200mm 时,行程偏差允许达到 27μm,可见丝杠刚度足够。 (6)压杆稳定性校核 滚珠丝杠是属于受轴向力的细长杆,如果轴向负载过大,则可能产生失稳现象。失 稳时的临界载荷 Fk 应满足:

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单向工作台设计

f k ? 2 EI Fk ? ? Fm Ka 2
式中 Fk——临界载荷,单位 N
fk——丝杠支承系数,如表所示

(2-8)

K——压杆稳定安全系数,一般取 2.5~4,垂直安装时取小值; A——滚珠丝杠两端支承间的距离,单位为 mm。

表 3-34 丝杠支承系数 方式 fk 双推-自由 0.25 双推-简支 2 双推-双推 4 单推-单推 1

丝杠不会失稳

查表 3-34,取 fk=0.25;由丝杠底径 d2=16.2mm,求得截面惯性矩:

I ? ? d24 / 64 ? 9910.44mm4 ;
压杆稳定系数 K 取 3(丝杠卧式水平安装);滚动螺母至轴向固定处的距离 a 取最大值 1075mm。代入式 2-8 即: 临界载荷 Fk≈24200N,远大于工作载荷 Fm=2024N,故丝杠不会失稳。 综上所述,初选的滚珠丝杠副满足使用要求。 综上所述, 初选 的 滚 珠丝 杠副 满足使用要求

4、步进电机的选用

已知工作台的脉冲当量 ? =0.005mm/脉冲,滚珠丝杠导程 Ph=5mm,初选步进电机步距角为 1.8°,采用五倍细分,由传动比:

i ?1
i?

?Ph =1 360 ?

因此不需要减速机构,可以用步进电机直接驱动滚珠丝杠转动。

5、步进电动机的计算和选型

已知:滚珠丝杠的公称直径 d0=20mm;

总长 l=2354mm

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单向工作台设计

导程 Ph=5mm;

材料密度ρ=7.85?10-3kg/cm3

移动部件总重力 G=500N; (1)计算加在步进电动机转轴上的等效负载转矩 Teq ,分快速空载启动和承受最大工作 负载两种情况进行计算。 1)快速空载启动时电机转轴所受的负载转矩 Teq1 :

Teq1 ? Tf ? T0
Tf
移动部件运动时折算到电机轴上的摩擦转矩,单位 N ? m 。 滚珠丝杠预紧后折算到电机轴上的附加摩擦转矩,单位 N ? m 。

T0

Tf ?

F摩 Ph

2??i

?

? ( Fz ? G ) Ph

2??i

(2-9)

Teq1 ? 0.0021 N ?m

F摩
?

导轨的摩擦力 ,N;

Ph

滚珠丝杠导程,单位 m;

传动效率, 取? =0.95; i 总传动比

i =1;

?

导轨的摩擦系数(滚动导轨取 0.003 到 0.005,这里选取 0.005);

Fz 垂直方向工作载荷,空载时 Fz =0
由式(2-9)得: T f ?

0.005 ? 500 ? 0.005 ? 0.0021 N ? m 2 ? 3.14 ? 0.95

T0 ?

FYJ Ph 2 (1 ? ?0 ) 2??i

FYJ 滚珠丝杠预紧力,一般取工作载荷的 1/3,单位为 N;

?0 滚珠丝杠未预紧时的传动效率,一般取? ? 0.9 0
由于滚珠丝杠的传动效率高,所以

T0 值一般很小,与 T f 比起,通常

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单向工作台设计

可以忽略不计。

2)最大工作负载下电机转轴所受负载转矩 Teq 2

Teq2 ? Tt ? T f ? T0
式中 Tf 和 T0 分别按上计算; Tt 折算到电机轴上的最大工作负载转矩。

1、

Tt ?

F f Pph 2??i

(2-10)

式中 Ff 为进给方向最大工作载荷,单位 N,在前面滚珠丝杠的选型计算 时,已知沿丝杠轴线方向最大进给载荷 Fm=2024N。 因此可得 Tt ?

2024 ? 0.005 ? 1.70 N ? m 2 ? 3.14 ? 0.95

Teq ? 1.71N ? m

2、垂直方向承受的最大工作载荷(Fz=1875N)情况下,移动部件运动时折算到电机转 轴上的摩擦转矩

Tf ?

F摩 P ? ( Fz ? G) P 0.005? ( 1875? 500 ) ? 0.005 h ? ? ? 0.0048N ? m 2??i 2??i 2 ? 3.14? 0.95?1

Teq2 ? Tt ? Tf ? T0 ? Tt ? Tf ? 1.71N ? m
综上计算,得到加在步进电动机转轴上的最大等效负载转矩应为:

Teq ? max ?Teq1 , Teq 2 ? ? 1.71N ? m
(2)步进电机静转矩的确定 考虑到步进电动机的驱动电源受电网电压影响较大,当输入电压降低时,其输出转 矩会下降,可能造成丢步,甚至堵转。因此,根据 Teq 选择步进电动机的最大静转矩时, 步进电机最大 需要考虑安全系数。这里取安全系数 K=4,则步进电动机的最大静转矩应满足: 静转矩要大于 6.84N.m。

Tj max ? 4Teq ? 4 ?1.71 ? 6.84N ? m

(3)计算加在步进电机转轴上的总转动惯量

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单向工作台设计

已知:滚珠丝杠的公称直径 d0=20mm; 导程 Ph=5mm;

总长 l=2354mm

材料密度ρ=7.85?10-3kg/cm3 传动比为 1。

移动部件总重力 G=500N;

滚珠丝杠折算到电机轴上的转动惯量:

Js ?

??d 4l
32

?

3.14? 7.85?10?32.54 ? 65 ? 1.96kg ? cm2 32
J L ? 2.284kg ? cm2

拖板折算到电机轴上转动惯量:

Jw ? (
总等效惯量:

Ph 2 0.5 2 500 )mi ? ( ) ? ? 0.324 kg ? cm 2 2?? 2 ? 3.14 9.8

J L ? J s ? J w ? 1.96 ? 0.324 ? 2.284kg ? cm2
(4)电机型号选取

综上计算可知, J L ? 2.284kg ? cm2 , 一般要求 Jm ?

Teq ? 1.71N ? m

JL

4

得;

Jm ? 0.571 kg ? cm2
综合考虑上面静转矩 Tj max ? 6.84 N ? m 步进电机,其参数见下表: 电机型号 相数 步距角 最大静转 空 载 启 空载运行 转 子 转 动 矩 动频率 频率 惯量 7.84N.m 1500HZ 7000HZ 4.6KG/ cm
2

, 我们选用的步进电机为 110BF003 反应式

57BYG250C

3

0.9/1.8°

步 进电 机选为 57BYG250C 反 应式步进电机

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单向工作台设计

a 起动惯-频特性曲线

b 起动矩-频特性曲线

c 运行矩-频特性曲线

(5)步进电机性能校核 1 、校核脉冲当量误差 因为我们选的步进电机的步距角与前面取得步距角不能,所以需要校核 步进电机步距角 ?1 ? 1.8 计算实际步距角 误差= 2、启动频率 已知电动机转轴上的总转动惯量,电动机转子的转动惯量 J m ? 4.61kg.cm2 ,电 动机转轴不带任何负载时的空载启动频率 f M ? 1500Hz 。则可以求出步进电动机克服惯
?

任务要求的脉冲当量为 ? ? 0.005mm/ p

?1 ?

?Ph
360 i

?

0.36 ? 5 ? 0.0104 mm / p 360
在要求范围内,满足设计要求。

?1 ? ? ?100% ? 4% ? 10% ?

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单向工作台设计

性负载的启动频率:

fL ?

fM 1500 ? ? 1220Hz 1? J L / Jm 1 ? 2284 / 4610
1 ?f 6 L

n0 ?
3、启动时间校核

?

1 ? 0.75 ? 1220 ? 152.5r / min 6

查启动矩—频特性曲线:见上面 当 f=1220HZ 时, Tm ? 1.3 N 能带动空载时的负载启动。 若按直线规律计算

? M ? Teq1 ? 0.0021N ? M

ta ? 0.1047
其中 对

JL ? Jm (nm ? n0) Tm ? Tt


n m 最快的运行转速:设计要求最快速度为 6000mm/min


f

max ? 6 ? 600 / 0.36 ? 4800 Hz

nm ?

6000 ?1 ? 1200r / min 5
查表对应的 Tm ? 1.22 N ? M 带入公式:
ta ? 0.1047 ?
0.00046 ? 0.000228 1.22 ? 0.0021 (600 ? 152.5) ? 0.0265s

远小于 0.2-0.4S(机电一体化书上有)
4、最大工进速度校验

故满足启动时间的要求

vi =1200mm/min 则 ni ? vi ? i / ph ? 1200 / 5 ? 240r / min
对应的

fi ? 6ni / ? ? ??? HZ
?m

查运行矩频特性曲线图(c)知道 TL >2.5 N ? m 故 TL >1.7 N 满足快速攻进速度要求。

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单向工作台设计

6、增量式旋转编码器的选用
选 用 K50-J 6C600 B10 编码 器: 增量式, 空 心轴,不贯穿, 孔径 10mm,电 源电压+5V,每 选用 K50-J 2N 100 B14 编码器:增量式,空心轴,不贯穿,孔径 14mm,与电动机尾部 转输出 300 个 出轴相匹配,电源电压+5V,每转输出 300 个 A/B 脉冲,信号为电源输出。生产厂家为: A/B 脉冲 上海恒祥光学电子有限公司。 由于本设计采用半闭环控制,所以需要在滚珠丝杠尾部的上安装增量式旋转编码 器,用以检测电动机的转角和转速。增量式旋转编码器的分辨力应与步进电机的步距角 相匹配。由步进电机的步距角等于 1.8°,可以知道电动机没转动一周,需要控制系统 发出 360/1.8=200 个步进脉冲,编码器可以选 300 线。这样,控制器每发出一个步进脉 冲,电动机就转过一个步距角,编码器对应输出 1.5 个脉冲信号。
接线方式:

7、联轴器的选用及校核
经过对十字滑台设计结构的分析,我们选用了结构比较紧凑的波纹管联轴器,其结构和选型 表见下面:根据前面电机选型时计算可得电机轴上最大负载转矩 T=1.71N.m 考虑工作过程中的动载荷和在运转过程中的过载现象,计算转矩:

Tca ? K AT

其中 K A 为工作情况系数,因十字滑台无冲击或轻微冲 击,且工作情况比较好,因此取 K A ? 1 联轴器选用波 纹 管 联 轴 器 KB1/100

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单向工作台设计



Tca ? K AT ? 1.71N ? m

根据

Tca ,由选型表中参数,综合考虑,选用 KB1/100,其具体参数见选型表中。

8、轴承的选用及校核
在前面滚珠丝杠的设计中,我们采用的是滚珠丝杠“双推——简支式”式支撑,从而我

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单向工作台设计

们选用的轴承就是两对角接触轴承相对安装,能同时承受两个方向的轴向力和径向力,然后 根据前面选用的滚珠丝杠的轴径, 我们选用的轴承是 “深沟球轴承 6302 和推力球轴承 51102” 。 下面我们对其进行寿命校核。

(1)、轴承受力分析 根据前面滚珠丝杠的设计,我们画出了滚珠丝杠的受力示意图,我们取最极端情况, 即滑台刚好走到最右边或最左边,且单边的力由一个轴承承担。 因为我们的轴承结构如下图所示。

18

单向工作台设计

(2)、计算当量动载荷 P 1. 采用了一组深沟球轴承,径向载荷 Fr ? 1110N ,轴向载荷 Fa ? 181.32N ,转速 1200R/MIN,装轴承处的轴颈范围 19-25:

181.32 a e? F Fr ? 1110 ? 0.163
查表得 e 最大为 0.44,最小为 0.22, f d =1.2,

x=1,y=1:
Fa Fr

所以

?e

当量动载荷

p ? fd ( XFr ? YFa ) ? 1332N
? P?
60 nL`h 106

轴承的基本额定动载荷: C

? 13.481KN

查表得轴承选用 6302,其 C 为 15.8KN,内径为 15,外径为 42,宽为 13.

(3) 、 寿命校核计算:

C L10 ? ( )? P

6 式中 L10 为单位为 10 r ; 对于深沟球轴承 ? ? 3

C 为轴承基本额定动载荷 。 因此

C 15.8 3 L10 ? ( )? ? ( ) ? 51.7 P 1.3

根据前面计算,以最大工进速度运动时,转速 n=600r/min,可以计算再次条件下计 算用小时表示的基本额定寿命 Lh:

Lh ?

106 C ? ( ) 60n P

106 C ? 106 15.8 3 ( ) ? ( ) ? 12308 .6h 所以 Lh ? 60n P 60? 70 1.3
(4)、综合分析以上计算,我们取得是最大载荷,受力是在最恶劣的情况下,且以空载最快
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单向工作台设计

运动速度下校核寿命为 12308.6h,能达到要求。 2.采用了一个推力球轴承:轴向载荷为 181.32N,径向载荷可忽略不计。

p ? f d Fa ? 217.584

C 0 ? P?

60 nL`h 106

? 2.202KN

查表初选型号为 51102,C 为 14.20KN,内径为 15,外径为 28,宽度为 9。 3)、寿命校核计算: 承 ? ?3

C L10 ? ( )? P

6 式中 L10 为单位为 10 r ;对于推力球轴

C 为轴承基本额定动载荷 。 因此

C 14.2 3 L010 ? ( )? ? ( ) ? 25 .7 P 2. 1

根据前面计算,以最大工进速度运动时,转速 n=600r/min,可以计算再次条件下计 算用小时表示的基本额定寿命 Lh:

106 C ? Lh ? ( ) 60n P

所以 Lh ?

106 C ? 106 14.2 3 ( ) ? ( ) ? 10308 .6h 60n P 60? 70 2.1

综合分析以上计算,我们取得是最大载荷,且以空载最快运动速度下校核寿命为 10308.6h,能达到要求。 9、各传动部件的调整 (1)、滚珠丝杠的预紧:我们选用的滚珠丝杠是内循环固定反相器双螺母垫片式预紧,

调整方法是通过调整预计片的厚度,可使两螺母产生相对位移,已达到消除间隙、 产生预紧力的目的。 (2)、轴承的预紧: 通过调整轴承座两边的垫片组来调节轴承的预紧力。

20

单向工作台设计

三、驱动器、单片机及电源
1、驱动器的选择 根据前面选用的三相反应式步进电机 57BYG250C ,我们选用的驱动器是与其对应的 SJ-3F130M 三相反应式步进电机细分驱动器,其技术参数 1.1、 供电电源:交流 AC1 为 16V/1.0A,AC2 为 60-120V,必须两项供电。 1.2、 驱动器适配电机: 57BYG250A、 57BYG250B、 57BYG250C、 110BF003、 110BF380B、 110BC380C、130BF3100、130BC3100A、130BC3100B。 1.3、 驱动电流:根据不同电机,调节驱动器使输出电流与电机相匹配,如果电机能够 拖动负载可以调节小于电机额定电流, 但不能调节大于电机额定电流,否则电机会过热。 1.4、 驱动方法:正弦波恒流斩波驱动 1.5、本驱动器的输入信号共有三路,它们是:步进脉冲信号 CP、方向电平信号 DIR、 脱机信号 FREE。它们在驱动器内部分别通过 270 欧姆的限流电阻接入光耦的负输入 端,且电路形式完全相同,见下图(图 2-1) 。OPTO 端为三路信号的公共正端(三 路光耦的正输入端) , 三路输入信号在驱动器内部接成共阳方式, 所以 OPTO 端须 接 外部系统的 VCC,如果 VCC 是+5V 则可直接接入;如果 VCC 不是+5V 则须外部 另加限流电阻 R,保证给驱动器内部光耦提供 8-15mA 的驱动电流,参见下图 步进电机驱动 器 选 用 SJ-3F130M

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单向工作台设计

2、

AT89S51 单片机

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单向工作台设计

3.

8255 扩展 I/O 口芯片、74LS373 锁存器

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单向工作台设计

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单向工作台设计

5、驱动器电源及单片机电源选择 (1)、单片机供电电源 根据原理图中相关内容来看,可知需要直流开关电源,选用的是上海沧灿自动化科 技有限公司生产的明纬开关电源,型号为 HRP-75-24,其规格参数见下表; 型号 HRP-75-24 HPR-75-5 直流输出电压 交流输入电压 接地端口 3 号端口 3 号端口

24V (端口 4、 5) 85~264VAC(端口为 1、2) 5V(端口 4、5) 85~264VAC(端口 1、2)

(2)、驱动器电源: 由上面驱动器选型知道,驱动器需要交流 AC1 为 16V/1.0A、AC2 为 60-120V 两项供 电,且 OPTO 端为三路信号的公共正端(三路光耦的正输入端) ,三路输入信号在驱动器 内部接成共阳方式,所以 OPTO 端须接外部系统的 +VCC,且 VCC 是+5V,我们这个电 源选用的就是上面表格中的 HPR-75-5 直流开关电源。AC1 和 AC2 则是选用的变压器,型号 为 JBK5-40 和 JBK5-160.

四、单片机程序

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单向工作台设计

#include<REGX51.H> #define FOSC 12000000 //宏定义时钟频率 Unsigned char code StepPhase[]={0x01,0x03,0x02,0x06,0x04,0x05}; //三相六拍 bit Direction=0; bit RunStatus=0; unsigned char StepPointer=0; #define TIMER50US 20000 #define STEPMOTOR P2 unsigned char SpeedGrade=0; unsigned char SpeedCount=0; //数码管显示定义与声明 sfr P0M1=0x93; Sfr POM0=0x94; Code unsigned char LEDSEG[]={0x3F、0x06、0x5B、0x4F、0x66、0x6D、0x7D、0x07、0x7F、 0x6F、0x77、0x7C、0x39、0x5E、0x79、0x71}; //显示 0~9,A~F 代码表 #define K1=P3.2 #define K2=P3.3 #define K3=P3.4 #define K4=P3.5 //main()主程序 Void main(void) { Unsigned int i; P0M1=0x00; //配置 P0 端口的 P0.0~P0.7 P0M0=0xFF; TMOD=0x20; //配置 T1 位定时模式,工作于方式 2 TH1=(256-FOSC/12/TIMER50US); //初始化 T1 定时 1MS TL1=(256-FOSC/12/TIMER50US); TR1=1; // 启动 T0 工作 ET1=1; // 使 T0 中断 EA=1; //CPU 开中断 P0=LEDSEG[SpeedGrade]; //显示速度等级 While(1) { If(K1==0) //按键 K1 是否按下 { for(i=0;i<1000;i++); //延时去抖动 If(K1==0) //按键 K1 是否真的按下 { Direction=0;} //正向 While(K1==0);} //等待按键 K1 释放 If(K2==0) //按键 K2 是否按下 {
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单向工作台设计

for(i=0;i<1000;i++); If(K2==0) { Direction=1;} While(K2==0);} If(K3==0) { for(i=0;i<1000;i++); If(K3==0) { SpeedGrade++; If(SpeedGrade==6)SpeedGrade=0; P0=LEDSEG[SpeedGrade]; } While(K3==0);} If(K4==0) { for(i=0;i<1000;i++); If(K4==0) { If(RunStatus==0)RunStatus=1; Else RunStatus=0;} While(K4==0);} } }

//延时去抖动 //按键 K2 是否真的按下 //反向 //等待按键 K2 释放 //按键 K3 是否按下 //延时去抖动 //按键 K3 是否真的按下 //电动机速度切换

//等待按键 K3 释放 //按键 K4 是否按下 //延时去抖动 //按键 K4 是否真的按下 //启动运行 //停止 //等待按键 K4 释放

//定时器 T1 定时 50us 溢出中断服务程序 Void T1 ISR(void) interrupt 3 { If(RunStatus=1) //电机处于运行状态下 { SpeedCount ++; If(SpeedCount==(SpeedGrade+1)*2) //达到设置的速度档位 { SpeedCount=0; STEPMOTOR=(~StepPhase[StepPointer])<<1; //送出对应相位数据 If(Direction==0) //正向状态 { StepPointer ++; If(sizeof(StepPhase)==StepPointer) StepPointer=0; } Else //反向状态 { StepPointer--;
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单向工作台设计

If(0xFF==StepPointer) StepPointer=(sizeof(StepPhase)-1;} } } }

五、参考文献
[1]张建民. 机电一体化系统设计 高等教育出版社 2014.12 [2]课程设计指导书 电子版 [3]孙安青 MCS-51 单片机 C 语言编程 中国电力出版社 2015.01 [4] [5]濮良贵.机械设计 高等教育出版社 2014.05 [6]

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