直流电机驱动水平导轨运动位移检测设计（承重30kg）【毕业论文+CAD图纸全套】

买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 课程设计  设计题目：  直流电机驱动 水平导轨运动位移检测（承重 30 设  计  者：                                               班     级：                                                     学     号：                                                   指导教师：                                                    买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 目  录  一、设计任务书  . 1 . 1 计题目及内容  . 1 计报告的要求  . 1 计步骤  . 1 二、设计总体方案介绍  . 2 统设计  . 2 统工作原理  . 2 计系统参数  . 2 三、机械 传动部分设计  . 2 作台设计  . 2 轨设计  . 3 . 3 动导轨的主要参数设计计算与校核  . 3 杠设计  . 5 定丝杠副的导程  . 5 定额定静载荷  . 5 定预期额定动载荷  . 6 定滚珠丝杠副的轴径  . 7 定滚珠丝杠副的规格代号  . 9 旋丝杠副材料的选取  . 9 定预紧力  . 9 定滚珠丝杠副的主要尺寸  . 9 珠丝杠的主要尺寸  . 9 珠螺母的主要尺寸  . 10 道法向截形图  . 10 珠螺母安装与连接尺寸  . 10 . 11 向弹性接触变形量计算  . 11 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 杠强度的计算  . 11 定性的计算  . 11 界转速的计算  . 12 核结果  . 12 核选取  . 12 核轴承  . 错误 !未定义书签。  算当量动载荷 P . 错误 !未定义书签。  定性的计算  . 13 动力矩的计算  . 13 机的选择  . 14 速器的选择  . 14 轴器的设计  . 14 四、  硬件电路设计  . 15 机驱动电路  . 15 量电路设计  . 16 理  . 16 . 17 . 17 示电路  . 18 五、软件程序设计  . 18 流伺服电机驱动程序  . 18 位移速度测量程序  . 错误 !未定义书签。  六、课程小结  . 23 七、参考文献  . 2 错误 !未定义书签。  买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 1 一、  设计任务书  计的目的  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。  计题目及内容  本次课程设计的题目：直流电机驱动 水平导轨 运动位移检测机构（承重30。设计的 内容主要 为： 单片机组成的小型检测或控制系统设计。主要包括机构设计（机械装配图）、硬件电路设计（电路原理图）、软件程序设计。  计报告的要求  1. 提供完整的机械装配图（不小于  零件的装配关系、零件的形状要表示，装配尺寸标注。  2. 电原理图（不小于  包括传感器信号检测放大、单片机信号采集处理、信号的输出（显示输出及控制信号输出，如电机的驱动等）  3. 软件程序；  4. 并要提供文字报告（不少于  3 千字），主要内容应包括设计的目的、设计的基本思想、有关的计算、程序及说明等。  计步骤  1. 对设计任务进行分析，确定总体设计方案；  2. 根据要求，对工作台和导轨进行相应的计算与选择；  3. 对传动结构进行设计计算；  买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 2 4. 选择电动机和联轴器；  5. 绘制装配图与零件图；  6. 选择传感器；  7. 硬件选择与电路设计并绘制电路原理图；  8. 程序设计；  9. 检查并编写说明书。  二、  买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 3 设计总体方案介绍  统设计  系统框图的设计方案如下图  统工作原理  本系统由单片机控制驱动电路驱动步进电机转动，步进电机通过联轴器带动螺旋丝杠转动，从而变旋转运动为直线运动，工作台沿导轨水平移动；光栅传感器检测到工作台的位移信号并将信号传输到单片机，在传感器与单片机之间，由信号处理电路对信号进行放大、整流、滤波、细分和辨向等处理；最后经单片机内部程序处理后由显示装置显示位移与速度值；另外，控制开关可以通过单片机对步进电机进行控制。  三、  机械传动部分设计  作台设计  由已知条件得系统承重 30为一 维工作台，故选择应用为数控机床，选择 坐标工作台。下表为其具体参数：  型号  行程  载重量 (N) 精度等 级  重复定位精度  定位精 度  运行直 线度  台面运行平行度  00 300  位： 考 标准工作台，可确定以下参数：  买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 4 工作行程： 150 工作台尺寸： 1501508 轨设计  轨选择  因为滚动导轨具有以下优点：摩擦阻力小，运动轻便灵活；磨损小，能 长期保持精度；动、静摩擦系数差别小，低速时不易出现 "爬行 "现象，运动均匀平稳。所以本系统选择滚动导轨。  为保证系统做到 导向精度高，刚度大，耐磨性好，精度保持性好，运动灵活而平稳，结构简单，工艺性好。初步选择 2H 型号直线导轨。该种导轨体积小，质量轻，特别适用于小型设备使用；滑块，导轨，钢珠，保持器及其他配件均具有防锈功能；采用哥德型四点接触设计，可承受各方向的负荷，具备刚性强，精度高等特点；有钢珠保持器设计，在精度允许下具备互换性。  动导轨的主要参数设计计算与校核  1. 先确定运动件的长度 L 2作台的边长为 150作台共安装两条导轨，每条导轨安装两个滑块组， 2 150运动件的长度  承导件的长度 L为工作台边长、工作行程和结构余量之和，即15000060 2. 滚动体参数计算  在一般情况下，滚珠的直径 3于本系统机构尺寸较小，承载不大，故选用 d=3 对于一般承载的滚动体，其数量  中， F 导轨运动件承受的力；  d 滚珠直径；  4 作台承 载 式中， 承 载m 工作台所承载的重量；  工作台V 工作台的体积；   工作台的材料密度；  g 重力加速度，取 g= 289 m/s. ；  买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 5 由于工作台质量较小，故可以忽略不计。由此可以计算得：  F=300N 4=75N； z 5；  由于滚动体的尺寸和形状精度直接影响到导轨运动的直线性，故对其应提出较高的要求。一般要求直径的变化均应小于 m。本系统为精密工作台，定位精度要求为 m，故滚动体的尺寸一致性要求为小于 m。  3. 滚动体强度计算  滚动导轨的强度计算主要是滚动体与导轨面间受力后的接触强度，核算每个滚动体所承受的最大压力a 每个滚动体的许用载荷可由下面公式计算：    式中， K 假定许用应力， 表得 K= 导轨硬度修正系数，查表得 = d 滚动体的直径，  计算得最大许用压力： 1620；最大压力： M P a.=F 0000750m a x；  故满足a计满足强度要求。  4. 滚动导轨的刚度校核  滚动导轨的刚度计算，实际上就是接触变形的计算。  式中， 导轨的变形， m；  2C 滚珠柔度系数， m/N，查表得 402 .=C ；   一个滚珠所受的载荷，计算得 N=；  计算得导轨的变形： =m。由于变形较小，可以接受，故设计满足刚度要求。  5. 滚珠导轨所需要的外力  滚珠导轨所需的外力可按下式计算：   kF w c 式中，0F 滚珠与导轨接触处的预加载荷，对于精密机械一般 0N；   作用在运动件上的外载荷， N=00；  k 滚动摩擦系数；  d 滚珠直径，  ；  买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 6 z 滚珠数目， 30z= ；   ( )， =45 ；   外载荷 ( )， =90 ；  计算得： 20  即推动该导轨至少需要 120 杠设计  该系统的主要设计参数为：  工作行程 100        工作台导轨静摩擦系数  =动负载质量 30      工作台及 附件的质量 3载质量）  定丝杠副的导程  由工作台最高移动速度动机最高转速动比 i 等确定当电动机与滚珠丝杠副直联时，31i=，求出的整数。  本课程设计中，依照要求，初定丝杠导程    定额定静载荷  轴向载荷计算公式：  其中， G 负载重量 +工作台及附件的重量   滑动导轨上的滑动摩擦系数（约为 此处取 =G=330  w 66  当载荷与转速接近正比变化，各种转速使用机会均等时，可采用下列公式计算  322 m i nm a xm i nm a x        由于是恒力恒速度，所以有：  当量载荷： 6当量转速： r/  (自己选取 ) 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 7 确定预期额定动载荷  按滚珠丝杠副的预期工作时间 （h） 0 060 31  式中   当量转速（ r/ 预期工作时间 (h)见表 3 精度系数。根据初定的精度等级选取，见表 3 可靠性系数，一般情况下 1，在重要场合 ，要求一组同样的滚珠丝杠副在同样的条件下使用寿命超过希望寿命的 90%以上时，的选择见表 3 载荷性质系数，根据载荷性质选择，见表 3 查相应的机械设计手册可得下表：  滚珠丝杠副预期工作寿命  表 3械类型  预期工作时间  /h 航空机械  1000 测量机械  15000 精密机械  20000 数控机床  20000 普通机械  500010000 普通机床  1000020000 根据上表 和实际设计装置的情况取丝杠寿命为数控机床的最大寿命值：  0000  表 3度系数  精度等级  ,3 ,5  文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 8 10 据上表和实际设计装置的情况，选取精度等级为 4级，即 表 3靠性系数  可靠性（ %）   95 6 7 8 9 据上表上表和实际设计装置的情况，选取可靠性为 98%，即 = 3荷性质系数  载荷性质  平稳）  微冲击  击或震动  据上表上表和实际设计装置的情况，选取 载荷系数 ，解得  NC 598  确定滚珠丝杠副的轴径  1. 估计滚珠丝杠的最大允许轴向变形量  机械装置中移动部件处在不同位置时系统的刚性 K 是不同的，刚度最小处用表示。当滚珠丝杠副轴向 有工作载荷作用时，传动系统便产生弹性变形 ，且从而影响了系统的传动精度，而 系统受影响最大。  空载时，作用在滚珠丝杠副上的最大轴向力工作载荷是静摩擦力0F。此时规定滚珠丝杠 副允许的最大轴向变形为：  重 复复 定位精k F m 4131m i  买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 9 定位精度 m 51412  根据本设计的情况：  重复定位精度取  定位精度取 计算得：  001 67  以上两种方法估算的最小值取做 m 值，即：   m 001250  2. 估算滚珠丝杠副的底径用于高速回转；结构复杂，两端轴承均调整预紧，丝杠的温度变形可转化为轴承的预紧力；适用于对刚度和位移精度要求高及较长的丝杠的滚珠丝杠安装；轴向刚度最大。故选择两端固定的方式。  此时， 600 （为导轨静摩擦系数，取   0 03 90  式中   0F 导轨静摩擦力（ N）  估算的滚珠丝杠最大允许轴向变形量（  E 弹性模量，为 251012 /   两个固定支承之间的距离（   程.L  9 46141 0  计算得出： d m  4660 3 900  确定滚珠丝杠副的规格代号  根据计算出 ， 598及传动方式、使用情况，在保证0 ，C 的条件下，选用内循环浮动式法兰，直通双螺母型垫片预紧形式，滚珠买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 10 丝杠副的型号为 公称直径为 14称导程为 2纹旋向为右。  螺旋丝杠副材料 的选取  已知丝杠直径  d 140，移动负载质量  3 ；该丝杠为轻载、低速、精度高的传动，故：  丝杠材料为： 45 号钢；      热处理为：高、中频加热 ,表面淬火  螺母材料为： 热处理为：渗氮、淬火  返向器材料为： 60     热处理为：高、中频加热 ,表面淬火  螺纹滚道的法面截形：单圆弧  确定预紧力  本课程设计中 采用双螺母预紧的方法，把弹性变形控制在最小限度内，以减因滚珠丝杠副选择的是双螺母预紧形式，故需确定预紧力  2663131  确定滚珠丝杠副的主要尺寸  螺纹滚道的主要尺寸  基本导程 2 公称直径 14 接触角   =45；  螺纹升角    滚珠直径； .）P.（纹滚道半径  D.（w  50540；  圆弧偏心距  w 0 4 20s 滚珠丝杠的主要尺寸  丝杠大径 D. d = 丝杠小径   m mR=e += 6 丝杠接触点直径  5 o ; 丝杠牙顶圆角半径 ）D. = （ 5 0015010买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 11 滚珠螺母的主要尺寸  螺母螺纹大径   m mR= d 2 3 ; 螺母螺纹小径   m （d.= 3 滚道法向截形图  滚珠螺母安装与连接尺寸  安装尺寸为： 基本导程 2称直径 14珠螺母  安装、连接尺寸   D   L  W  A  H   B  21 23 31 40 26 6 杠副的校核  轴向弹性接触变形量计算  买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 12 当有预紧时：m 3 2 式中       F  轴向载荷； 预紧力； 滚珠直径；  Z 工作螺母的滚珠数目，且有 内循环时： 3330 41丝 杠强度的计算  由于滚动螺旋转动的丝杠所传递的转矩主要是螺纹的阻力矩，所以得传递力矩 ：  驱动力矩 a 式中v 2c   v   2 由第四强度理论可得：  M P m 72502034231221  查手册得，螺杆材料（ 45号钢）的许用应力为屈服极限 55，所以材料的许应应力 M P 15 ；可知，所以强度校核合格。  稳定性的计算  由于 441  0 264 a ， a 13  所以 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 13 其中 端固定取   l 螺杆的最大工作长度，这里取 250 i   螺杆危险截面的惯性半径；  螺杆危险截面的轴惯性矩；  A 危险截面的面积    所以得 校核合格。  临界转速的计算  对于钢制丝杠  m  1216 r/l  为了不发生共振现象，应使丝杠的转速满足下列关系式：  0其中， 1 系数，与螺杆的端部结构有关，由于是两端固定所以查表取 73041   丝杠的两支承间的最大距离， 94；  由于 m  6 8 180m  0 0 r/=n.<r/n= 校核结果  确定选用内循环滚动螺旋副的型号为 承的选取  选用的轴承为角接触球轴承，可以同时承受径向载荷和单向的轴向载荷，也可以承受单向的纯轴向载荷，因为工作平台有往返运动，故选择成对安装使用。  选用型号为 7001C 其基本尺寸为 d=12 D=28B=8核轴承  计算当量动载荷 P 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 14 根据轴端的的直径，初步在固定端选用角接触球轴承 7001C，对其进行校核，查表得其基本额定动载荷，基本额定静载荷 2550N，基本额定动载荷 5200N。由于受到的轴向载荷为 66N，所以 ，查表并插值计算得 e=因受到的径向载荷比较小 ,所以 。  查表并插值计算得， X=Y=  计算轴承的当量动载荷：    其中，为载荷系数，无冲击或轻微冲击时，在这选为  计算轴承的寿命  由设计要求可知，轴的使用寿命要求为 0000，  轴承的寿命计算为：  000021426 066010 6   于是球轴承，所以 3 ；  轴承的工作温度不高，所以 1 动力矩的计算  由于轴承的压力角为 15 ，取轴承的滚动摩擦系数为 ，所以轴承的摩擦力为：  N.8115s  0 5066s  所以轴受到的轴承的摩擦阻力矩的大小为 :   所以驱动力矩为 : 机的选择  由上面算得，系统的驱动力矩为：    5 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 15 所以得电机的最大静转矩为：   . j a 为直流伺服电机具有下列优点：转动惯量小、启动电压低、空载电流小；弃接触式换向系统，大大提高电机转速，最高转速高达 100 000刷伺服电机在执行伺服控制时，无须编码器也可实现速度、位置、扭矩等的控制；不存在电刷磨损情况，除转速高之外，还具有寿命长、噪音低、无电磁干扰等特点 0 0 额定转速： 3000定电压： 48V；  极     数： 8；  额定电流：  额定转矩： 500N  速器的选择  因为电机的额定转速为 3000计丝杠最大转速为 1000需要选择减速器。根据设计要求，选择伺服行星减速机 0系列 1级减速器。以下为其具体参数。  额定输出转矩： 7  额定输入速度： 4500均寿命     ： 20000h 轴器的设计  根据轴径的大小、转矩的大小，以及系统的工作条件来选择连轴 器。  根据常用联轴器的性能、使用条件等综合比较，选用弹性套柱销联轴器。弹性套柱销联轴器的使用条件：适用于联接载荷平稳、需正反转或起动频繁的传递中小转矩、中小功率传动轴系，工作温度在 0的场合。  弹性套柱销联轴器的优缺点：结构简单、紧凑，装配方便，不用润滑。具有一定的补偿两轴线相对偏移和减振、缓冲性能。但弹性套易摩损，寿命较短。  根据载荷条件，以及轴径，根据国家标准 4323 2002，选择 弹性套柱销联轴器：  4323动轴端： 径为 10 长度为 L=25动轴端： 径为 ,长度为 L=17 四、  硬件电路设计  机驱动电路  为了方便控制与调速，本系统采用直流伺服电机。由单片机控制驱动电路驱买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 16 动直流伺服电机转动。  利用 冲宽度调制 )可实现对电机的控制。脉冲宽度调制主要是改变脉冲信号的占空比来实现控制的。当增加脉冲的占空比，伺服直流电动机转速增加；反之，其速度降低。所以通过控制脉冲的占空比可以控制伺服直流电动机的转速。  由上流程图可知，系统先检测开关 3（正反转开关）的信号。如果是 0信号（开的状态），则发 出正转信号，电动机正转，反之电动机反转。  检测完开关 3，接下来检测开关 1（加速开关），若信号为 1（关的状态），发出加速的信号，电动机加速，若信号为 0（开的状态），速度保持不变。再检测开关 2（减速开关），若信号为 1（关的状态），发出减速的信号，电动机减速，若信号为 0（开的状态），速度保持不变。系统一直对三个开关信号循环检测，循环的执行程序。  量电路设计  买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 17 本设计选用光栅传感器作为计量元件，它具有原理简单、测量精度高、测量范围大、易于实现数字显示和自动化测量等特点。  光栅传感器由光源、透镜、光栅副（主 光栅和指示光栅）和光电接收元件组成。  光栅传感器测量原理  光栅传感器主要由标尺光栅和光栅读数头构成。其中光栅读数头由 源、透镜、指示光栅、光敏元件和驱动线路组成由于两块叠放在一起的光栅的相对移动，会产生与之同步移动的莫尔条纹信号。光栅测量就是利用光栅迭合时所形成的莫尔条纹及其变化来实现的。光栅盘上黑白刻线的相对移动，会产生光强度周期性的变化，此光信号经光电池转换成为周期性的电信号，对此电信号进行一系列处理，即可获得光栅相对移动的位移量。  测量的系统结构  本设计的硬件电路主要由单片机 89数器、细分与辨向电路、显示电路和光栅位移传感器组成。  买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 18 实验中，光栅传感器由导轨系统承载驱动。测量时，光栅传感器输出相位依次相差 90的 4 路正弦波信号，它们通过硬件电路进行滤波整形、细分，然后经过辨向和计数，由硬件电路将反映位移的计数值暂时存放在缓存器中，等待微处理器进行采集。微处理器经过数据总线采集缓存器中的计数值并送入内存，进行计算和处理，然后位移数据送 示器进行显示。  细分辨向电路  单个光电元件接收一固定点的莫尔条纹信 号，只能判别明暗的变化而不能辨别莫尔条纹的移动方向，因而就不能判别运动零件的运动方向，以致不能正确测量位移。采用辨向技术后，在相距的位置上设置两个光电元件 1 和 2，以得到两个相位互差 90的正弦信号。 正向移动时脉冲数累加，反向移动时，便从累加的脉冲数中减去反向移动所得到的脉冲数，这样光栅传感器就可辨向。  辨向原理图  采用细分技术，使光栅每移动一个栅距时输出均匀分布的 n 个脉冲，从而得到比栅距更小的分度值，是分辨率提高到 W/n。  细分辨向电路图  买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 19 显示电路  本系统的显示部分采用数码管 显示，共用 8 个 码管，其中 5 个用来显示位移值， 3 个用来显示速度值，段选由单片机的 出，位选由单片机的 出。 集接口， 机的控制。  五、软件程序设计  直流伺服电机驱动程序                            ；加速键                            ；减速键                            ；正反 键                           ；速度控制信号                            ；正反控制信号        30H                     ；调宽值，定时器所赋值        31H    0000H   文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 20    000                       ；中断 1控制周期       001                       ；中断 3控制脉宽       0030H    00H 011H              ；两个定时器都工作在方式 1 00H               ； 时  00H              ；脉宽  A                    ； 许中断                   ；允许定时器                  ；允许定时器                  ；定时器                ；高电平逆时针转，低电平顺时针转                    ；针转   F              ； 下加速  A,A,#1                   ；调宽值低 4位加 1  A,#0                   ；调宽值高 4位加 1  买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 21                ；最大值时  0                ； 下减速   A,C ,#1                   ；调宽值低 4位减 1  A,#0                   ；调宽值高 4位减 1  00H              ；最小值时      00H 00H              ；赋调宽值       10H      1 文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 22 光栅位移速度测量程序  ,  0H, A             ； 0H ,  1H, A             ； 1H，计数器数值存入数值空间  2H,#         ；码尺分辨率为 , 30H       ；判断存入的定时器值是否为负数；                     ；是，需要将其转为正数  0H,A ,31H  1H,A ；双字节除以单字节  改用双字节移位减去单字节进行计算  0 #08H            ；共八个字节  3H,30H            ；被除数放在 33H,34H 4H,31H                   ；   A,34H              A 4H,A  A,33H  A                ；所有被减数向左移一位  5H,C              ；将 5H  C    A,32H            ；进行减法运算  05H,           ；若 05，说明大于减数，转 2                 ；若 C=0，说明被减数大于减数，转  A,32H            ；若 C=1，说明被减数小于减数，加减数为余数  3H,A              ；余数存入 33H 3  A,34H            ；将商置 1，随着 34 A,#01H           ；最终商存入 34H 4H,A 3H,A 0，           ； ，不为 0，继续循环             ；调用位移计算子程序  1H,34H            ；将位移存入 41H、  1S              ；延迟 1S             ；再次调用位移计算子程序  买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 23 2H,34H         &nb