JX04-090@二维步进单片机控制工作台机械系统设计
收藏
资源目录
压缩包内文档预览：
编号：491274
类型：共享资源
大小：878.71KB
格式：ZIP
上传时间：2015-11-07
上传人：QQ28****1120
认证信息
个人认证
孙**（实名认证）
辽宁
IP属地：辽宁
30
积分
- 关 键 词：
-
机械毕业设计全套
- 资源描述：
-
JX04-090@二维步进单片机控制工作台机械系统设计,机械毕业设计全套
- 内容简介：
-
II 摘要 本系统采用一级齿轮减速，带动丝杠传动，通过螺母的直线移动带动工作台运动。根据脉冲当量、步矩角、丝杠导程来确定齿轮的传动比，根据负载转矩的大小来校核丝杠传动的强度。 单片机控制二维工作台是众多控制机械传动方法的一种，它利用单片机发出指令控制步进电机的转角和转速，进而控制 X-Y工作台两方向的移动，实现画线，移动物体等功能，常用于试验教学。 单片机控制二维工作台主要由三部分组成：工作台及传动支撑部分，减速装置，控制部分及电机组成。 单片机控制的 X-Y 工作台系统可以设计为开环，半闭环和闭环伺服系统三种。 本设计采用开环伺服系统， 通过单片机控制步进电动机的驱动，经传动机构动带动工作台的运动。系统没有检测装置。机械结构设计首先根据工作台的最大载荷，选取导轨副，设计工作台，然后进行结构设计，受力分析，转矩计算，画出工作台的装配草图，再选择步进电动机的型号，进而设计选择滚珠丝杠，最后设计出 X-Y工作台，画出其装配图。 关键词 工作台；步进电机；脉冲当量；步距角 nts III Abstract SCM control of the XY table system can be designed for the open-loop, semi-closed-loop system and closed-loop servo three. I design is open-loop servo systems using the stepper motor driven by the stepper motor control microcontroller-driven, driven by the transmission mechanism dynamic table of the campaign. System is not detecting device. Mechanical structural design of the first table under the maximum load, select the rails of the design table, and then the structural design, mechanical analysis, torque, the assembly table to draw the draft, then select the type stepper motor, thereby Design choices ball screw, the final design XY table, draw their assembly. The system uses a gear to reduce speed transmission driven screw, nut straight through mobile workstation driven campaign. According to pulse equivalent, step moment Kok, screw lead to determine the gear transmission ratio, according to the size of load torque than the strength of the screw drive. SCM control of two-dimensional table of the many methods of control of a mechanical transmission, it issued a directive by SCM stepper motor control and the speed of rotation, thereby control the direction of the two XY table movement, and drawing a line, moving objects , And other functions, commonly used in the trial of teaching. SCM control of two-dimensional table mainly consists of three parts: transmission and support of the table, deceleration devices, motor control parts and components. Keywords table stepper motor control microcontroller-driven pulse equivalent step moment kok nts I 目录 1 绪论 . 1 1.1 课题研究的背景 . 1 1.2 工作台的分类 . 1 1.3 本设计工作台的作用和特点 . 3 1.4 步进电机的发展现状 . 3 1.5 单片机的发展现状 . 5 2 方案原理的设计 . 6 2.1 总体方案的选择和说明 . 6 2.2 总体方案实现的系统组成框图 . 7 3 各零件的设计 . 8 3.1 步进电机的设计 . 8 3.1.1 步进电机的组成及工作原理 . 8 3.1.2 步进电机的选择 . 9 3.1.3 步进电机的校核 . 9 3.2 减速器设计 . 10 3.2.1 主动 齿轮的选择与计算 . 10 3.2.2 从动 齿轮的选择与校核 . 13 3.2.3 轴的设计 . 13 3.3 轴承的设计 . 16 3.3.1 小 轴两端轴承的选择和计算 . 17 3.3.2 大 轴两端轴承的选择和计算 . 18 3.4 联轴器的设计 . 19 3.4.1 步进电机输出轴与 小 轴之间联轴器的选择与计算 . 19 3.4.2 大 轴和滚珠丝杠间联轴器的选择和计算 . 20 3.5 键的设计 . 21 3.6 丝杠的设计 . 22 3.6.1 丝杠的特点 . 22 3.6.2 丝杠的选择 . 23 3.6.3 丝杠的校核计算 . 23 3.7 导轨的设计 . 25 3.7.1 直线滚动导轨的选型 . 26 nts II 3.7.2 直线 滚动导轨的校核计算 . 27 3.8 支座的特点及材料组成 . 29 结论 . 32 致谢 . 32 参考文献 . 34 附录 . 错误 !未定义书签。 nts 1 1 绪论 1.1 课题研究的背景 本设计结合机电一体化课程教学环节需要，设计用单片机作为控制系统的 X-Y工作台。通过论述 X-Y工作台机械结构 设计 。 设计和控制电路接口设计 ,阐述了机电一体化设计中的共性和关键技术 。微型计算机控制机械传动 毕业设计是机电一体化专业的学生必须要经历的一个重要的实践环节。通过本环节的锻炼力争能把以前所学的知识融会贯通，从而达到温故而知新的目的，提高解决实际工程课题的能力。根据教学要求，结合自己的资料掌握状况，选择 基于单片机控制二维工作台 机械部分的设计 作为毕业设计课题。 单片机控制二维工作台是众多控制机械传动 方法的一种，它利用 单片机发出指令控制步进电机的转角和转速，进而控制 X-Y 工作台两方向的移动，实现画线，移动物体等功能，常用于试验教学 。 单片机控制二维工作台 主要由三部分组成： 工作台及传动支撑 部分，减速装置，控制部分及电机 组成。加工工件固定在 XY工作台上。 X、 Y两方向的运动各由一台步进电机控制。 控制 系统每发出一个信号，步进电机就走一步，并通过中间传动机构带动两方向的丝杠旋转，分别使得 X、 Y工作台进给。数控系统由单片机、键盘、变频检测系统构成，具有间隙补偿、直线插补、圆弧插补、断丝自动处理等主要功能。 1.2 工作台的分类 （ 1）纳米级微动工作台的研究现状及发展趋势 纳米级微动工作台为从事纳米科学技术研究提供一维、二维或三维的纳米级微运动，是纳米科学技术研究应必备的关键仪器设备。现代纳米科学技术的快 速发展对微动工作台提出了迫切的更高要求，即在提供大范围运动的前提下，还应具有纳米级的运动精度。在为纳米科学技术研究提供小范围纳米级精度的微运动时，最常见的是以压电陶瓷 PZT 作为驱动部件的柔性铰链机构微动工作台，要为纳米科学技术研究提供大范围纳米级精度的微运动时，柔性铰链机构、压电堆、丝杆滑动机构和气浮微动工作台等却都不能满足要求，它们不能同时实现纳米级运动精度和大运动范围。磁悬浮微动工作台由于运动平台和驱动机构采用非接触的磁悬浮驱动技术，因此，易于实现大范围纳米级微运动，并且消除了摩擦、磨损对运动精度造成的 影响。 （ 2） 纳米级微动工作台的研究现状： 柔性铰链式微动工作台 柔性铰链微动机构是近年来发展起来的一种新型的微位移机构。它的特点是结构紧凑、体积很小 ,可以做到无机械摩擦、无间隙 ， 具有较高的位移分辨率 ,可达 1 nm。使用压电或电致伸缩器件驱动 ,可以实现亚微米甚至是纳米级的精度 ,同时不产生噪音和发热 ,可适于各种介质环境工作 ,是精密机械中理想的微位移机构。已在航空、宇航、微电子工业部门、nts 2 精密测量和生物工程领域获得重要的应用。由于它的出现 ,开创了精度进入纳米的新时代。 滚动导轨式微动工作台 滚动导轨也是微动 工作台中一种常见的导轨形式 ， 它具有行程大 ， 运动灵活、结构简单、工艺性好、容易实现较高的定位精度的优点 ， 采用滚珠导轨作为微动工作台的支承和导向元件 ， 直流伺服电机传动、实现了对自动分步重复光刻机的微定位控制。 磁悬浮式微动工作台 磁悬浮式微动工作台由于运动平台和驱动机构采用非接触式的磁悬浮驱动技术 ,因此没有摩擦力和机械部件的磨损 ,易于实现高精度、大范围的要求。 纳米级微动工作台发展趋势及需要解决的问题 大范围、高精度是纳米科技对微动工作台提出的新要求 ， 然而大行程和高精度是微动技术中的一对矛盾。因此微动工作台 的未来研究方向应围绕如何解决这一对矛盾展开。 多种微运动相结合技术 :结合多种微动方法以弥补各自的不足仍然是解决以上问题的主要办法 ,比如在现有研究已经成熟的各种微动工作台基础上 ， 妥善解决好其中两种或者多种微动工作台间的兼容性 ， 解决好机械结构间的装配误差、多种平台间的定位误差 ， 采用粗动和微动相结合的方法 ， 粗动台用以完成快速大范围 ， 微动工作台实现高精度 ， 也就是说通过微动工作台对粗动工作台由于运动所带来的误差进行精度补偿 ， 以此实现大范围、高精度的要求。 新型纳米级微动工作台的研究 :运动方向间的交叉耦合严重影响纳米微 动工作台的定位精度 ， 因此需进一步研究运动导向结构 ,从运动原理上有效地消除运动方向间的交叉耦合产生的定位误差 ， 提高纳米级微动工作台的定位精度。 改进控制策略 ， 如采用建立迟滞和蠕变数学模型进行开环控制来避免因反馈而可能引起的不稳定问题 ， 采用自适应控制消除建模的误差和参数的不确定性及系统环境的变化等因数对系统精度的影响 ， 提高系统的鲁棒性。采用模糊控制、神经元网络控制等方法改善系统的非线性和不确定性。 磁悬浮微动工作台性能的进一步提高 :在现有磁悬浮微动工作台基础上 ， 充分考虑磁滞非线性、磁饱和以及高次谐波对系统精度的 影响 ， 解决运动控制和定位技术 ,从而实现纳米级精度的大范围运动。 随着微米、纳米科学技术的不断发展 ， 纳米级微动工作台的研究正日益受到国内外的重视。但因受到机械加工精度、控制精度和机构复杂性等技术水平的制约 ， 其精度和运动范围还受到一定影响 ， 随着对微动工作台的深入研究 ,结构合理、高精度和高分辨率的微动工作台必将不断问世。 旋转升降式工作台的发展趋势 多种多样的升降工作台有着广泛的应用领域。许多工业企业除了在生产线上或生产线外使用升降工作台以外 , 往往还利用升降工作台来运送较大的工件。例如在物资入库的时候 ,人们可以 利用升降工作台首先将成批的钢材运送到指定的货架处 , 然后再存放到货架nts 3 的不同规格格层中或者在室外 , 将工作台升降到合适的工作高度或者将单臂吊之类的起重设备运送到室外让它在室外工作等等。 在 2002 年的汉诺威博览会上 , Bolzoni Auramo 有限责任公司推出他们开发生产 的移动式升降工作台。该公司的设计师们设计的升降工作台带有运动装置 使升降的物体重通过运动设备的轮子传递到地面 , 从而可以使 升降工作台在任何器要它的地点发挥作用。这种移动式的结构设计也可 “ 移植 ” 到超薄型升降工作台的设计中。尤其 是在汽车制造 业中使用更为频繁。这种升降工作台不需要液压驱动系统 , 几乎不需要维护保养。早在 20 年前 , Flexlift 公司就研制开发出了机械式升降工作台。但是在今天机电一体化驱动技术取得了重大进步之后 , 才使机械式升降工作台也有了较大的发展 1。 1.3 本设计工作台的作用和特点 本课题研究的是 X-Y 工作台的机械部分，主要的任务就是通过电机实现对工作台 X-Y两方向移动的控制，包括速度等的控制。采用步进电动机驱动方式。通过单片机控制实现电机的正反转，运行出错时 候可以急停键停止，还有其他的一些操作等都可以通过键盘实现。步 进电机通过减速机构带动工作台 ，在工作台运行超过极限位置时候，安装在工作台两端的行程开关会被按下，产生电流信号，通过光电转换装置，向单片机发出信号，经单片机发出信号，蜂鸣器报警，报警的同时，电机停止转动。 通过本课题的学习与研究，使我了解工作台的工作原理，知道了 步进电机的驱动方式与减速机构的功能及对由于减速机构所带来的系统不稳定的消除 ，对步进电机的结构，工作原 理有了更进一步的理解。使我认识了很多的电子元件，懂得了许多的机械 方面的知识。 1.4 步进电机的发展现状 步进电机最早是在 二十世纪二十 年代由英国人所开发。 二十世纪五十 年代后期晶体管的发明也逐渐应用在步进电机上，对于数字化的控制变得更为容易。往后经过不断改良，使得今日步进电机已广泛运用在需要高定位精度、高分解能、高响应性、信赖性等灵活控制性高的机械系统中。在生产过程中要求自动化、省人力、效率高的机器中，我们很容易发现步进电机的踪迹，尤其以重视速度、位置控制、需要精确操作各项指令动作的灵活控制性场合步进电机用得最多。 （ 1）步进电机的分类 步进电机依其构造上的差异可分为三大类： 可变磁阻式（ VR 型）： 转子以软铁加工成齿状，当定子线圈不加激磁电压时，保 持转矩为零，故其转子惯性小、响应性佳，但其容许负荷惯性并不大。其步进角通常为 15。 永久磁铁式（ PM 型）： 转子由永久磁铁构成，其磁化方向为辐向磁化，无激磁时有保持转矩。依转子材质区nts 4 分，其步进角有 45、 90及 7.5、 11.25、 15、 18等几种。 混和式（ HB 型）： 转子由轴向磁化的磁铁制成，磁极做成复极的形式，其乃兼采可变磁阻式步进电机及永久磁铁式步进电机的优点，精确度高、转矩大、步进角度小。 （ 2）步进电机的历史 步进电机在我国已有几十 年的生产史，近几年，大规模集成电路及计算机 技术的发展，进一步推动了步进电机的技术进步和广泛应用，据统计，全世界步进电机的年产量已达一亿多台，市场销售量占世界微电机销售总量的 %左右。 步进电机的发展依赖计算机外设和办公自动化机械的发展。我国计算机工业虽然起步晚，但经过三十年的努力，已经初具规模。我国早在六十年代中期开始致力于步进电机的研究和开发， 直到 20 世纪 80 年代，一直是磁阻式步进电动机占统治地位，混合式步进电动机是 8 0 年代后期才开始发展，至今仍然是二种结构类型同时并存。尽管新的混合式步进电动机完全可能替代磁阻式电动机，但磁阻式电动机 的整机获得了长期应用，对于它的技术也较为熟悉，特别是典型的混合式步进电动机的步距角（ 0 . 9 /1.8）与典型的磁阻式电动机的步距角（ 0.75 /1.5）不一样，用户改变这种产品结构不是很容易的，这就使得两种机型并存的局面难以在较短时间内改变。这种现状对步进电动机的发展是不利的 。 （ 3）步进电机的发展趋势： 小型化、高精度 计算机外部设备趋向小型，也就要求永磁式和混合式步进电机向小机座号发展，目前直径为 39、 42 的步进电机使用就较多。 电机与线路一体化 机电一体化的步进电机更受到用户的欢迎 ，虽然控制线路的成本比较高，但与电机组成一体化产品后更便于整机使用。 多功能 新一代的磁盘与光盘需要具有两个自由度的圆柱式步进电机，直接完成横向运动和旋转运动两个功能，这种产品在日本电话电信公司已有产品。另外，美国已推出带电传感器的步进电机，能自检位置和转速。 直线小步距、高分辨率 据日本和欧美国家报道，此类步进电机已制成步距为 0.1 微米，在 40 英寸 /秒的线速度下产生 50 磅推力，分辨率达 12500 步 /英寸，定位精度为 0.001 英寸。 新结构、新材料、新技术 步进电机总的发展趋向是增大出力、提高精 度、改善动态特性，为此已出现一种盘式、轴向气隙的新结构步进电机。同时，还在研究采用如高磁能积的铁氧体、稀土、压电等新材料。 2 nts 5 1.5 单片机的发展现状 随着目前微电子技术的发展，技术工艺的不断提高，单片机技术也有了长足的进步。 单片机在最近几年中得到了极大的发展，目前世界范围内单片机发展的主要领域有 4个：一是欧美，最新开发产品及主要厂商有： National semicundutor 的 cop8系列单片机，美国的 Scenix 的八位单片机，荷兰 PHILLIPS的 51系列单片机，美国 AMD公司 186系列 16位 嵌入式微机控制器， MOTOROLA的各个系列单片机；二是日本， TOSHIBA公司开发了从 4位到 64位多系列单片机，日立公司也有从 4位到 32位多系列单片机， NEC公司的 75X、78X系列微机；三是台湾地区， 主要有 WINBOND的 W741/W516,W78/W77等系列产品微控制器；四是韩国，主要有 HYUNDAI microelectrionics的 GMS800、 GMS30系列微控制器。另外还有 LG公司也生产单片机，可见单片机发展到今天可以说种类繁多、性能各异。但目前我国的许多单片机应用单位仍停留在采用片内无 ROM等低档单片机状态。 当国内从 80 年代起开始了单片机的热潮 ,二十多年过去了 ,单片机从研究所走出来 ,成为日常生活中的一个不可缺少的部件。硬件方面日趋多样化 ,4 位、 8 位、 16 位、 32 位等型号共同并存 ,在不同的领域存在 ,如家电、玩具、工业设备、仪器、通讯等。软件方面发展主要为汇编语言、 C 语言、嵌入式操作系统。速度、稳定性特别要求的场合较多采用汇编语言和 C 语言。单片机作为微型计算机的一个重要分支 ,应用面很广 , 发展很快。自单片机诞生至今 ,已发展为上百种系列的近千个机种。目前 ,单片机正朝着高性能和多 品种方向发展趋势将是进一步向着 C M O S 化、低功耗、小体积、大容量、高性能、低价格和外围电路内装化等几个方面发展。 nts 6 2 方案原理的设计 2.1 总体方案的选择和说明 设计一台微机控制 X-Y 两坐标工作台，采用 MCS-51 单片机控制，控制方式采用步进电机开环控制，其他参数如下： 表 2.1 设计参数 脉冲当量mm/step 定位精度 mm 最大移动速度m/min 工作台尺寸 mm 进给抗力 N 工作台行程 mm 台面上最大物重质量kg X Y 0.005 0.04 1 100*150 500 320 225 60 负载质量 m=60Kg；台面尺寸 C B H 150mm 100mm 15mm；工作台最大快移速度为 1m/min。 （ 1）人机接口 采用键盘或 BCD 码盘作为输入。 采用 LED 作为电源等指示标志。 采用蜂鸣器或扬声器作为报警装置。 采用数码管作为显示器。 （ 2） 机电接口 采用光电偶合器作为微型机和步进电动机驱动电路的接口，实现电气隔离。 （ 3） 伺服系统设计 本次设计的系统精度要求不高，载荷不大，因此采用 开环控制。 （ 4） 控制系统设计： 微型机 -微型机 -功放 -执行元件 -机械传动 -执行机构 控制部分方案的选择： 控制方案不外乎三种：开环控制，半闭环控制，闭环控制。 上面位最简单的“开环控制”，若在“机械传动”机构中引出反馈给控制部分，再经过比较放大的则为“半闭环控制”。若是在“机械执行机构中引出反馈则为闭环控制”。 采用步进电机来实现驱动，一般情况下多采用开环控制。因为步进电机的输出转角与控制器提供的脉冲频率成正比。因此通常在精度要求不是很高时，采用步进电机是比较合理的。当然由 于步进电机具有高频易失步，负载能力不强的缺点。 （ 1）系统的运动方式与伺服系统 由于工件在移动的过程中没有进行切削，故应用点位控制系统。定位方式采用增量坐标控制。考虑到定位精度要求不高，为了简化结构，降低成本，采用步进电机开环伺服系统驱动 X-Y 工作台。 （ 2）计算机系统 nts 7 本设计采用了与 MCS-51 系列兼容的 AT89S51 单片机控制系统。它的主要特点是集成度高，可靠性好，功能强，速度快，有较高的性价比。 控制系统由微机部分、键盘、 LED、 I/O 接口、光电偶合电路、步进电机、电磁铁功率放大器电路等组成。系统的加 工程序和控制命令通过键盘操作实现。 LED 显示数控工作台的状态。 （ 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，又要求结构紧凑，所以选用丝杠螺母传动副。为提高传动刚度和消除间隙，采用预加负荷的结构。 由于工作台的运动载荷不大，因此采用有预加载荷的双 V 形滚珠导轨。采用滚珠导轨可减少两个相对运动面的动、静摩擦系数之差，从而提高运动平稳性，减小振动。 考虑电机步距角和丝杆导程只能按标准选取，为达到分辨率的要求，需采用齿轮降速传动。 2.2 总体方案实现的系统组成框图 图 2-1 总体方案设计 nts 8 3 零件 设计 3.1 步进电机的设计 3.1.1 步进电机的组成及工作原理 步进电机又称脉冲电动机，它是将电脉冲信号转换成机械角位移的执行元件。其特点是输入一个电脉冲就转动一步。即每当电动机绕组接受一个电脉冲，转子就转过一个相应的步矩角。转子角位移的大小及转速分别与输入的电脉冲及其频率成正比，并在时间上与输入脉冲同步，只要控制输入电脉冲的数量，频率以及电动机绕组通电相序即可获得所需的转角，转速及转向。 步进电动机具有以下特点： （ 1） 步进电动机工作状态不易受各种干扰因素。 （ 2） 步进电动机的步矩角有误差，转子转过 一定步数后也会出现累积误差，但转子转过一转后，其累积误差为 0，不会长期积累。 （ 3） 控制性能好，在启动，停止，反转时不易丢步。 步进电机的工作原理 ： 步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点。使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单。 虽然步进电机已被广泛地应用，但步进 电机并不能象普通的直流电机，交流电机在常规下使用。它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。因此用好步进电机却非易事，它涉及到机械、电机、电子及计算机等许多专业知识。 目前 ,生产步进电机的厂家的确不少，但具有专业技术人员，能够自行开发，研制的厂家却非常少，大部分的厂家只一、二十人，连最基本的设备都没有。仅仅处于一种盲目的仿制阶段。这就给用户在产品选型、使用中造成许多麻烦。签于上述情况，我们决定以广泛的感应子式步进电机为例。叙述其基本工作原理。望能对广大用户在选型、使用、及整机改进时有所帮 助。 感应子式步进电机工作原理 （ 1） 反应式步进电机原理 由于反应式步进电机工作原理比较简单。下面先叙述三相反应式步进电机原理。 结构： 电机转子均匀分布着很多小齿，定子齿有三个励磁绕阻，其几何轴线依次分别与转子齿轴线错开 。 旋转： nts 9 步进电机转子每转一步，就转动一个步距角。 由此可见：电机的位置和速度由导电次数（脉冲数）和频率成一一对应关系。而方向由导电顺序决定。 不过，出于对力矩、平稳、噪音及减少角度等方面考虑。往往采用 A-AB-B-BC C-CA-A这种导电状态 。 由于 X， Y 方向的脉冲 当量分别为： mmyx 005.0 即脉冲当量较小 ,这里选用反应式步进电机 .其特点是 :步矩角小 ,运行频率高 ,价格较低但功耗较大 2 3 。 3.1.2 步进电机的选择 初选 电机型号为 75BF003,其相关参数为 : 表 3-1 步进电机 机座号 型号 相数 电压 /V 电流 /A 步矩角 0 75 75BF003 3 30 4 1.5 外形尺寸 (轴径 ) 空载运行频率 转子转动惯量10 25 .mKg 重量 /Kg 空载启动频率 Hz 最大静转矩 N.m )8(7675 1.563 1.58 1250 0.882 3 3.1.3 步进电机的校核 f=fx=fy=3333.3r/min 图 3-1 转矩图 Tx=Ty=2.8N.m 计算减速器的传动比 : 减速器传动比 00 5.036 05.136 0 papip 初取滚珠丝杠： 表 3-2 丝杠 公称直径 /d 导程 /p 20 4 nts 10 此时3108.1 60 0 5.03 6 0 45.1 i 由于减速器的传动比 i=310 所以初取 Z1=24 Z2=80 步进电机的驱动力计算 : 典型工况下 ,步进电机的驱动力xF和yF分别为 : 2404.0 808.0.8.22212 mNZS ZTFxxxx 1172.267N500N 2404.0 808.0.8.22212 mNZSZTFyyyy 1172.267N500N 5433221 yx :1 套筒联轴器的传动效率 ,取 0.98 :2 滚动轴承副的传动效率 ,取 0.99 :3 一级圆柱直齿轮的传动效率 ,取 0.95 :4 滚珠丝杠的传动效率 ,取 0.9 :5 滚动导轨副的传动效率 ,取 0.98 驱动力远大于进给抗力 ,所以所选步进电机满足要求 由于步进电动机的负载力矩 Ml=2310)8.9(21 humFZZ 式中 F：进给方向的切削力（ N） m：工件和工作台的总质量（ Kg） u：导轨的摩擦系数，滚动导轨取 u=0.003 Z1：小齿轮齿数 Z2：大齿轮齿数 h 珠丝杠螺距（ mm） h=4mm(螺距 等于导程 ,单级 ) Ml=8.023104)62003.08.9500(103 =0.12N.m 步进电动机转矩 M=3.0Ml=0.4 N.m 步进电动机最大静转矩 Mst=866.0M=866.0 .4.0 mN=0.47N.m 小于 0.882N.m 所选步进电动机满足要求 3。 3.2 减速器设计 3.2.1 主动 齿轮的选择与计算 考虑电机步距角和丝杆导程只能按标准选取，为达到分辨率的要求，需采用齿轮降速传动。 齿轮的选择及计算 （ 1） 初步计算转矩 T=2.8N.m=2.8 310 N.mm 齿宽系数 d 由表 12.13,取 5.0d 接触疲劳极限 limH 由图 12.17C 1limH =710Mpa , mliH=580Mpa 初步计算的许用 接触应力 1H =0.9 1limH =639Mpa nts 11 2H=0.9 2limH=522Mpa 取 Ad=110 计算小齿轮直径 d1 Ad 3 2 1uuT Hd 110 3.0 =33mm 取小齿轮直径为 90mm 初步齿宽 1ddb =45mm （ 2） 较核计算 圆周速度 V=100060 11 nd= 100060 132500903.925m/s 精度等级选择 选 8 级精度 齿数 Z 和模数 m 由于齿数 Z1=24， Z2=80 模数 75.3249011 Zdm使用系数 AK 取 AK =1.5 动载系数， vK=1.1 齿间载荷分配系数 HaK 由表 先求：tF=dT2=9028002=62.22N bFK tA=45 22.625.1 =2.07N.mm100250 400 420 225 170 105 40 用于不重要及受载荷不大的轴 375 390 215 45 正火 回火 100 170217 590 295 255 140 55 应用最广泛 100300 162217 570 285 245 135 调质 200 217255 640 355 275 155 60 40Cr 调质 100 241286 735 540 355 200 70 用于载荷较大，而无很大冲击的重要轴 100300 685 490 335 185 40CrNi 调质 100 270300 900 735 430 260 75 用于很重 要 的轴 100300 240270 785 570 370 210 38SiMnMo 调质 100 229286 735 590 365 210 70 用于重要的轴，性能近于40CrNi 100300 217269 685 540 345 195 计算齿轮受力 小齿轮受力：小轮直径 mmd 901 转矩 mmNT .28001 圆周力： NdTFt 22.62211 径向力 ： NNaFF ntr 6.220c os20t a n22.62c ost a n00 画小 轴的受力图： nts 15 图 3.2 小 轴的受力图 水平面反力： NFF rR 4.4543402800432 NFFF rRR 8.226.224.4521 画水平面弯距图 图 3.3 水平面弯距图 垂直面反力： 12 RRt FFF 4043 12 RR FF 得 NF R 23.321 NFR 98.292 画垂直面受力图 图 3.4 垂直面受力图 画垂直面弯矩图： nts 16 图 3.5 垂直面弯矩图 4 5 6 合成弯矩图： 图 3.6 合成弯矩图 计算许用应力： 许用应力值：用插入法查得 MPaob 5.102 MPab 601 应力校正系数 a= 59.05.102601 ob b 当量转矩： mmNaT .1652 当量弯矩： 在小齿轮中间截面处 mmNaTMM IV .3251)( 22 较核轴径： 齿根圆直径： mmmdd 5.825.790211 轴径： mmmmd IV 5.822.8601.0 32513 3.3 轴承的设计 滚动轴承结构设计： （ 1） 精度 各种机电一体化机械的滚动轴系的精度一般根据该机械的功能要求和检验标准有所规定，如精密级加工中心主轴轴系的端部径向跳动和轴向窜动，据此来选择主轴和轴承的精度。 滚动轴承的精度分 B， C， D， E， G 五级。 B 级最高， G 级为普通级。选择精度时主nts 17 要根据载荷方向 。仅受径向载荷的深沟球轴承，主要根据内外圈的径向跳动然后考虑其他因素的影响。 （ 2） 配合 滚动轴承内外圈 往往是薄壁件，受相配的轴径箱体孔的精度和配合性质影响很大。配合性质和配合面的精度合适，不致影响轴承精度；反之则旋转精度下降，引起振动和噪声配合性质和配合面的精度合适不致影响轴承精度；反之则旋转精度下降，引起振动和噪声。配合性质和配合面的精度还影响轴承的承载能力和预紧状态。 滚动轴承外圈和箱体孔的配合采用基轴制。内圈孔与轴径的配合采用基孔制，但作为基准的轴承孔的公差带位于以公称直径为零线的下方。这样在采用相同配合的情况下，轴承孔与轴径的配合更紧些。 滚动轴承的配合的选择参照 GB-275-93，滚动轴承与轴和 外壳的配合国家标准。对于 G， E 级精度轴承配合的钢，铸铁制轴的轴径规定 17 种公差带；对钢，铸铁制箱体孔规定 16 种公差带。 轴承配合性质的选择，要考虑下列工作条件： 负荷类型：承受始终在轴承套圈滚道的某一局部，作用的局部负荷的套圈，配合应相对松些。承受依次在轴承套圈的整个滚道上作用的循环负荷的套圈，配合应相对紧些。负荷越大，配合的过盈量应大写些。承受冲击振动负荷比承受平稳负荷的配合应更紧些。 转速：一般转速越高，发热越大，轴承与运动件的配合应紧些，与静止件的配合可松些。 轴承的游隙和预紧：轴承具有基本 游隙，配合的过盈量应适中。轴承预紧，配合的过盈量应减小。 轴承的轴向限位分无轴向负荷，单轴向负荷，双轴向负荷。深沟球轴承只要把轴承内圈用轴用挡圈或轴肩螺母限位在轴上即可。双向短圆柱滚子轴承的内外圈双向定位，内圈小端单向定位 7。 3.3.1 小轴两端轴承的选择和计算 初选：采用深沟球轴承（单列）代号 60000 型 表 3-4 深沟球轴承（单列） d D B 17 354 10 19.4 32.6 0.3 22.9 29.1 0.3 6 3.25 小齿轮轴两端轴承的计算校核 计算轴承动负荷，tnhr FffC 由于： minad maxaD maxar 2d 2D minr rC orCnts 18 2.3500144 00500 33 hh Lf 345.0325003133313333 mn nfNNNC r 600035606.383345.0 2.3 可用 3.3.2 大轴两端轴承的选择和计算 初选：由于 Nd TF t 67.183 0 02 8 0 0222 初选深沟球轴承（单列） 代号 60000 型 大齿轮轴两端轴承的计算校核 计算轴承动负荷：tnhr FffC 2.350014400500 33 hh Lf 5.0250 3133313333 mn nf 1400014722305.0 2.3 NC r N 可用。 nts 19 3.4 联轴器的设计 3.4.1 步进电机输出轴与小齿轮轴之间联轴器的选择与计算 表 3-5 联轴器的性能比较： 类别 联轴器名称 转矩范围N.mm 轴径范围 mm 最高转速r/min 特点及应用说明 固定式刚性套筒联轴器 套筒联轴器（见图） 圆 锥 销0.3 4000) 4100 一般小于等200250 结构简单 毕业设计附本 二维步进单片机控制工作台 机械部分的设计 DESIGN OF MECHANICAL SYSTEM OF TWO DIMENSIONAL SINGLE-CHIP MICROCOMPUTER CONTROL WORKBENCH 学生姓名 衡永盛 学院名称 机电工程学院 专业名称 机械设计制造及其自动化 指导教师 2008 年 6 月 2 日 nts 徐州工程学院 毕业设计（论文）任务书 机电工程 学院 机械设计制造及其自动化 专业 设计（论文）题目 二 维步进单片机控制工作台 机械系统 设计 学 生 姓 名 衡永盛 班 级 04 机本（ 1） 起 止 日 期 2008 年 2 月 25 日 至 2008 年 6 月 2 日 指 导 教 师 教 研室主任 发任务书日期 2008 年 2 月 25 日 nts 1.毕业设计的背景： 毕业设计是每位毕业生的毕业总结，是对大学四年中学习过程的一个综合能力的 考核，对我们每一个毕业生都非常的重要。它是一次对所学知识的总结，也是对大家 动手能力的一次锻炼。通过这次毕业设计，培养了我们发现问题，思考问 题，解决问题的能力。为以后走上工作岗位奠定了坚实的基础。 2.毕业设计 (论文 )的内容和要求： XY 工作台 的机械 主体部份直线导轨和滚珠丝杆 ， 联轴器 ,工作台面 。 电气部份的关联 性及传动装置的保护性 , X 轴及 Y 轴两端配有高质量的缓冲器，同时可选配在工作台 的两端配有限位检测开关 ,部份工作台的配有原点检测开 ,并可提供光电编码装置以 适于闭环控制，原点开关的位置可以大距离的调节。工作台可广泛用于焊接 ， 点胶 ， 打孔 ， 包装 ， 取料等各类精密位置控制设备的应用 ， 开发，以及高等院校相关专业的 机电传动控制、机械工程控制基础以及数控技术等课程的教学实践 。 设计 XY 工作台 的总装图，设计 XY 工作台 的零件图。 XY 工作台 总装图 1 张（ 0#）， XY 零件图（合计 2.5 张 0#）开题报告 1 份，设计说明书 1 份（ 20000 字）、译文 5000 字。 3.主要参考文献： 机械设计手册 .、 机械设计 、 机电一体化系统设计 机电一体化设计基础、 画法几何及机械制图习题集 、 机械设计手册（单行本） 数控机床 等 nts 4.毕业设计 (论文 )进度计划 (以周为单位 )： 起 止 日 期 工 作 内 容 备 注 1 周 2 周 3 周 4 周 5 周 6 周 7 周 8 周 9 周 10 周 11 周 12 周 13 周 14 周 15 周 16 周 论文开题 查阅相关资料，完成外文翻译 写论文大纲，准备好相关资料 论文绪论 论文总体结构设计，查看相关资料 论文总体结构设计，查看相关资料 画装配图草图 步进电动机的设计 减速机构的设计 联轴器的设计 滚珠丝杠的设计 导轨和支座的设计 绘制总装图和各零件图图纸 论文总结 论文的初稿，检查，修改 成稿 翻译与课题相关外文资料 装配图草图的绘制 电动机，导轨等的选择和设计 装配图的绘制 教研室审查意见： 室主任 2008 年 2 月 27 日 学院审查意见： 教学院长 年 月 日 nts 徐州工程学院 毕业设计（论文）开题报告 课 题 名 称： 二 维步进单片机控制工作台 机械系统 设计 学 生 姓 名： 衡永盛 学号： 20040601144 指 导 教 师： 职称： 所 在 学 院： 机电工程学院 专 业 名 称： 机械设计制造及其自动化 徐州工程学院 2008 年 3 月 4 日 nts 说 明 1根据徐州工程学院 毕业设计 (论文 )管理规定 ，学生必须撰写 毕业设计（论文）开题报告 ，由指导教师签署意见、教研室审查，学院教学院长批准后实施。 2 开题报告是毕业设计（论文）答辩委员会对学生答辩资格审查的依据材料之一。学生应当在毕业设计（论文）工作前期内完成，开题报告不合格者不得参加答辩。 3 毕业设计开题报告各项内容要实事求是，逐条认真填写。其中的文字表达要明确、严谨，语言通顺，外来语要同时用原文和中文表达。第一次出现缩写词，须注出全称。 4本报告中，由学生本人撰写的对课题和研究工作的分析及描述，没有经过整理归纳，缺乏个人见解仅仅从网上下载材料拼凑而成的开题报告按不合格论。 5. 课题类型填：工程设计类；理论研究类；应用（实验）研究类；软件设计类；其它。 6、课题来源填：教师科研；社会生产实践；教学；其它 nts 课题 名称 二 维步进单片机控制工作台 机械系统设计 课题来源 教师科研 课题类 型 工程设计类 选题的背景及意义 当今社会，随着科技的发展，工作台的应用越来越广泛。现在的工作台广泛用于焊接 ， 点胶 ， 打孔 ， 包装 ， 取料等各类精密位置控制设备的应用 ，以及实验教学等。人们对工作台的研究从来没有停止过。为了满足不同的要求，出现了各式各样的工作台。例如，用于普通画线用的二维工作台，具有防静电功能的防静电工作台，还有回转工作台可用于分度，用于高精度的加工的纳米微动工作台等。 随着人类的进步，越来越多并且越来越好的工作台将会被制造出来，来满足生产发展的需求。 通过本课题的学习和研究，使学生对所学知识有 一个系统性的掌握和理解。培养他们发现与解决问题的能力。 研究内容拟解决的主要问题 XY 工作台的机械主体部份直线导轨和滚珠丝杆 ， 联轴器 ,工作台面 。 电气部份的关联性及传动装置的保护性 , X 轴及 Y 轴两端配有高质量的缓冲器，同时可选配在工作台的两端配有限位检测开关 ,部份工作台的配有原点检测开 ,并可提供光电编码装置以适于闭环控制，原点开关的位置可以大距离的调节。工作台可广泛用于焊接 ， 点胶 ，打孔 ， 包装 ， 取料等各类精密位置控制设备的应用 ， 开发，以及高等院校相关专业的机电传动控制、机械工程控制基础以及数控技术等课程的教 学实践 。 nts 研究方法技术路线 (1)深入研究实际生产过程中 工作台 的工作情况， 理解其传动、工作原理。 (2)根据参数选择步进电机，确定设计方案。进而进行传动系统的
- 温馨提示:
1: 本站所有资源如无特殊说明，都需要本地电脑安装OFFICE2007和PDF阅读器。图纸软件为CAD,CAXA,PROE,UG,SolidWorks等.压缩文件请下载最新的WinRAR软件解压。
2: 本站的文档不包含任何第三方提供的附件图纸等，如果需要附件，请联系上传者。文件的所有权益归上传用户所有。
3.本站RAR压缩包中若带图纸，网页内容里面会有图纸预览，若没有图纸预览就没有图纸。
4. 未经权益所有人同意不得将文件中的内容挪作商业或盈利用途。
5. 人人文库网仅提供信息存储空间，仅对用户上传内容的表现方式做保护处理，对用户上传分享的文档内容本身不做任何修改或编辑，并不能对任何下载内容负责。
6. 下载文件中如有侵权或不适当内容，请与我们联系，我们立即纠正。
7. 本站不保证下载资源的准确性、安全性和完整性, 同时也不承担用户因使用这些下载资源对自己和他人造成任何形式的伤害或损失。
人人文库网所有资源均是用户自行上传分享，仅供网友学习交流，未经上传用户书面授权，请勿作他用。
川公网安备: 51019002004831号