毕业设计8步进电机直接驱动单轴直线伺服移动机构设计

机电 04 2 * 机电一体化机械系统设计课程设计计算说明书 1 机电一体化系统设计 说明书 （步进电机直接驱动单轴直线伺服移动机构设计） 机电 04 2 * 机电一体化机械系统设计课程设计计算说明书 2 目 录 1 课程设计的目的 - 3 2 设计内容 - 3 3 课程设计要求 - 4 4 机电一体化系统设计 1) 确定滚珠丝杆副的导程 - 4 2) 滚珠丝杆副的载荷及转速计算 - 4 3) 确定预期额定的载荷 - 4 4) 按精度要求确定允许的滚珠丝杆的最小螺纹底 径 - 5 5) 确定 滚珠丝杆副的规格 - 5 6) 对预紧滚珠丝杆副，确定其预紧力 - 6 7) 确定 滚珠丝杆副支承所用轴承规格 - 6 8) 滚珠丝杆副工作图设计 - 6 9) 电机的选择 - 6 10) 滚珠丝杆的校核 - 8 11) 滚珠丝杆副的极限转速 nc 的校核 - 8 12) Dn 值的验证 - 9 13) 基本轴向额定静在和 Cu 的验算 - 9 14) 强度验算 - 9 15) 轴承的选择与验算 - 9 16) 滚动直线导轨选择，计算和验算 - 12 17) 机械控制系统原理及电路设计 - 14 5 附录【 1】 HXD55 无相混合式驱动器 - 16 6 密封和润滑 - 17 7 结论 - 18 8 参考文献 - 21 机电 04 2 * 机电一体化机械系统设计课程设计计算说明书 3 一 课程设计的目的 ： 1.掌握机电一体化系统设计 过程和方法，包括参数的选择，传动的设计， 零件的计算，结构的计算，培养系统分析及设计的能力。 2.综合应用过去所学的理论知识，提高联系实际和综合分析的能力，进一步巩固，加深和拓宽所学的知识。 3.训练和提高设计的基本技能，如计算，绘图，运用设计资料，标准和规范，编写技术文件（说明书）等。 二 设计内容 主要性能参数： 负载 工进速度 （ m/min） 快进速度 （ m/min） 重复定位精度(mm) 定位精度(mm/300mm) 行程 (mm) 加减速度时间 (s) 要求寿命 (h) 丝杆直径初定 (mm) 丝杆支撑形式 F1 (N) F2 (N) 2000 1500 2 0.4 0.01 0.02 500 2 22000 16 两端固定 (1) 机械系统部分：完成详细的装配图设计。 (2) 控制部分（计算机控制课程设计内容） 采用 MCS51 系列单片机来完成此控制系统的设计，完成控制系统原理图和主要程序的设计清单。 完成设计计算步 骤： 1. 步进电机的选择，计算和验算。含以下内容： 脉冲当量的确定，空载转矩的计算， 各 传动 部件等效转动惯量，等效转矩的折算 2. 滚珠丝杠的选择，计算和验算。 机电 04 2 * 机电一体化机械系统设计课程设计计算说明书 4 3. 滚动直线导轨选择，计算和验算。 三 课程设计要求完成以下工作 : 1.装配工作图或系统总体图 1 张 1#手绘 . 2.设计计算说明书 1 份 (计算机打印 ,B5 纸 )8000-10000 字 . 3.控制原理设计 系统硬件原理图设计 (包括微机的选择 ,存储器的扩展 ,I/O 接口设计 ,伺服驱动电路的选择或设计 等 )2#图手绘 . 四 机电一体化系统 设计 步进电机直接驱动单轴直线伺服移动机构设计 滚珠丝杆副的参数选择与计算 1 确定滚珠丝杆副的导程 Ph： 根据传动关系图 及传动条件选择滚珠丝杆副的导程 Ph Ph=10mm 2滚珠丝杆副的载荷及转速计算： 1）最小载荷 Fmin 选机器空载时滚珠丝杆副的传动力。 根据工作台尺寸确定其质量为 25kg。 由滚动导轨副的摩擦系数 f=0.005 得 1 . 2 2 5 N0 . 0 0 59 . 825fGF m in 2)最大载荷 Fmax 选机器承受最大负荷时滚珠丝杆副的传动力 . 2 0 0 8 . 7 2 5 N0 . 0 0 59 . 8 )25( 1 5 0 02000G ) f( F 2F1F m a x 3)滚珠丝杆副 的当量转速 nm 及当量载荷 Fm: 1 2 0 r / m i n20 .0 1 ) ( 0 .40 .0 1 )(22)n(nn m i nmaxm 1 3 3 9 . 5 6 N3)1 . 2 2 52 0 0 8 . 7 2 52(3F m i n ) F m a x(2Fm 3.确定预期额定的载荷 1)按预期工作时间 Lh（小时）计算： 根据要求选取系数得 fw=1.5, fa=1.0 fc=1.0，由公式得： 8.2 4 7 0 844.00.11005.156.13392 2 0 0 01206010060 33 cawMhm ff fFLnC a mN 机电 04 2 * 机电一体化机械系统设计课程设计计算说明书 5 4、 按精度要求确定允许的滚珠丝杆的最小螺纹底径 d2m: 1).估算滚珠丝杆的最大允许轴向变形量m： 机床或机械装置伺服系统精度大多早空载下检 验。空载时用在滚珠丝杆副上的最大轴向工作载荷是静摩擦力 F0。移动部件在 Kmin 处起启动和反向时，由于 F0 方向变化将产生误差 2 F0/Kmin（又称摩擦死区误差），它是影响重复定位精度的最主要因素，一般占重复定位精度的（ 1/22/3）。所以规定滚珠丝杆副允许的最大轴向变形： 重复定位精度 )4/13/1(0Mm KF =（ 0.00250.0034） mm 影响定位精度的最主要因素是滚珠丝杆副的精度 ,其次是滚珠丝杆滚珠丝杆本身的拉压弹性变形 (因为这种弹性变形随滚珠螺母在滚珠丝杆上的位置变化而变化 ), 以及滚珠 丝杆副滚珠丝杆副摩擦力矩的变化等。一般估算是时m 定位精度)5/14/1(。 即m 定位精度)5/14/1(=（ 0.0040.005） mm 以上两种方法估算的小值取做m值 ,即m=0.0025mm. 2)、估算滚珠丝杆副的 底径 d2m： 由滚珠丝杆副的安装方式得 mmmLFELFd 002 039.01010 式中： L 两个固定支承之间的距离（ mm） =1.2 500+12 10=720mm 所以 mmdm 16.230 0 2 5.0720225.1039.02 5、确定 滚珠丝杆副的规格代号： 根据条件amam CCdd ,22得选用滚珠丝杆副的型号为 3210 5，公称直径为mmd 7.340 mmd 5.321 mmd 7.242 KNC a 7.39 机电 04 2 * 机电一体化机械系统设计课程设计计算说明书 6 6、 对预紧滚珠丝杆副，确 定其预紧力 Fb： 由最大轴向工作载荷 Fmax确定 NFF b 575.669725.20083131 m a x 7、确定 滚珠丝杆副支承所用轴承规格型号； 由计算 8、 滚珠丝杆副工作图设计： 1）、确定滚珠丝杆副的螺纹长度eus LLL 2Le=40mm Lu=有效行程 +螺母长度 =500+8Ph=580mm 得 mmLs 66080580 2）滚珠丝杆螺母的安装连接尺寸： 9、电机的选择： 1）作用在滚珠丝杆副上各种转矩计算 外加载荷产生的摩擦力 矩 TF（ N.m） 空载时 : mNFPT hF .0022.09.014.32 01.0225.120 外加径向载荷是的摩擦力矩 : mNPFT hLFL .015.09.014.32 01.0725.82 滚珠丝杆副 预加载荷 Fb产生的预紧力矩 : 机电 04 2 * 机电一体化机械系统设计课程设计计算说明书 7 NmPFT hbb 25.09.0 9.01.14.32 01.0575.6691.2 2 22 2 2）负荷转动惯量 JL（ Kg.m2）及传动系统转动惯量 J（ Kg.m）的计算： LMmjjmiiLJJJnVmnnJ 22 )2()( 滚动丝杆的转动惯量： 424224431013.725)14.3201.0(105.6.)2(.105.63272.0033.0108.7mPJJmkgJhSLs由 141 lmJJ即： 4,4 1013.71078.1 mJ取 Jm=3.57 10-4 则有： 33 107.1010)13.757.3( LM JJJ 3）加速转速 Ta 和最大加速转矩 Tam 当电机转速从 n1 升至 n2 时 : Nmt nnJTaa3421 102.9260 )40200(14.32107.1060 )(2 当电机从静止升速到 nmax NmtnJTaam34m a x 102.11260 20014.32107.10602 4)电动机最大启动转矩 Tr(N.m) NmTTTTT LbFamr 815.325.09.014.32 01.02000015.0102.11 3 5)电动机连续工作的 最大转矩 : NmTTT LFM 8.379.3015.0 6)电动机的选择 : 在选择电动机是主要从以下几个方面考虑 : 机电 04 2 * 机电一体化机械系统设计课程设计计算说明书 8 1. 能满足控制精度要求 . 2. 能满足负载转矩的要求 . 3. 满足 惯量匹配原则 . 上述计算均没有考虑机械系统的传动效率 .当选择机械传动总效率 =0.96 时 ,同时 ,在车削时 ,由于材料的不均匀等因素的影响 ,会引起负载转矩突然增大 ,为避免计算上的误差以及负载转矩突然增大引起步进电机丢步而引起加工误差 ,可以适当考虑安全系数，安全系数一般可以在 1.2-2 之间选取 .如果选取安全系数 K=1.5,则步进电机可按以下总负载转矩 为 : NmkTT m 96.55.1)96.0/815.3( 如果选上述预选的电动机 90BYG55C,其最大静转矩 Tjmax=6.3Nm。在五相十拍驱动时，其步矩角为 0.36( )/setp，为了保证带负载能正常加速启动和定位停止，电动机的起动转矩必须满足： Tjmax T 由 Tjmax =6.3Nm T = Nm96.5 ，故选用合适。 10.滚珠丝杆的校核 在选择滚珠丝杆时，可根据原丝杆直径的大小，按类比法选择其名义直径，因此，就需要对其负载能力进行必要的校核，如果是根据承载能力选出的则应对压杆稳定及其刚度进行必要的校核。 下面进行滚珠丝杆副临界压缩载荷 Fc 的核算（即验算压杆稳定性） m a x5214221 10 fLdkkFcc （其中：311 kf=21.9 42 k 730.4 ） NFFFNF C 725.200810163.110590 7.24431 m a x552 4 摩总 所以验证稳定性合格 . 11.滚珠丝杆副的极限转速 nc 的校核 (避免高速运转时产生共振 ) 3222222 10260 ccc LdfAEILkn 机电 04 2 * 机电一体化机械系统设计课程设计计算说明书 9 m a x372 m i n/105.1510590 7.249.21 nr 验算合格 . 12.Dn 值的验证 7000069402007.34. m ax nD pw 合格 . 13.基本轴向额定静在和 Cu 的验算 )2(105.8245.4017725.20082.3m a x取soaoaasfCCFf 14.强度验算 m ax2241 aFd 15.轴承的选择与验算 根据前面的计算 ,我们预选轴承为角接触球轴承 .选用型号为 :7005AC, 查相关手册 ()可得此轴承的一些相关参数 : Cr=11.2KN Cor=7.08KN d=25mm B=12mm 根据工作台受力分析 ,可以得到如下轴承简化受力分析图 ,见下图 : 机电 04 2 * 机电一体化机械系统设计课程设计计算说明书 10 对其进行受力分析 ,如上 ,则可得 : 1307507.1 1 6 62221 FF NFFrrr 由两式连解的 : 2rF =202.23N 1rF =964.37N 取 e=0.68,则有 : NFF rd 77.6 5 568.0 11 NFF rd 56.13768.0 22 NFNFF ddae 77.6559.1470 12 所以轴承 1 被压紧 ,则 : 9.147021 daea FFF NFa 56.1372 求当量动载荷 : eFFra 52.137.964 9.147011eFFra 68.023.202 56.13722则 :对轴承 1: X1=0.41 Y1=0.87 对轴承 2: X2=1 Y1=0 取 fp=1.1 则有 : NFYFXfp arp 9.1470)56.303087.037.96441.0(1.1)( 11111 NFYFXfp arp 53.222)023.2021(1.1)(2 2222 验算轴承寿命 : 因为 P1P2, 所以轴承所承受的寿命计算 : hhpcnL h 2 2 0 0 07 9 9 4 6)9.1470 105.14(20060 10)1(6010 33636 故 ,轴承寿命合格 . 15.滚动直线导轨选择，计算和验算 . 机电 04 2 * 机电一体化机械系统设计课程设计计算说明书 11 本设计采用 滚动直线导轨 ,其最大优点是摩擦系数小 ,动 ,静摩擦系数差很小，因此 ,运动轻便灵活 ,运动所需功率小 ,摩擦发热少，磨损小，精度保持性好 ,低速运动平稳性好 ,移动精度和定位精度高的优点 .所采用的滚动直线导轨结构如下图所示 : 在选择导轨时，主要遵循以下几条原则： 1. 精度不干涉原则：导轨的各项精度制造和使用时互不影响才易得到较高的精度。 2. 静，动摩擦系数相近的原则：例如选用滚动导轨或朔料导轨，由于摩擦系数小且静，动摩擦系数相近，所以可获得很低的运动速度和很高的重复定位精度。 3. 导 轨能自动贴合原则：钥匙导轨精度高，必须 使相互结合的导轨有自动贴合的性能。对水平位置的工作的导轨，可以靠工作台的自重来贴合 ;其它导轨靠附加的弹簧力或者滚轮的压力使其贴合。 4. 移动的导轨在移动过程中，能始终全部接触的原则 ;也就是固定的导轨长，移动的导轨短。 5. 对水平安装的导轨，以下导轨为基准，上导轨为弹性体的原则。 6. 能补偿因受力变形和受热变形的原则。 根据以上原则且 因为所设计的机械所受的力不是很大 ,所以初选导轨为GGB16AAL2P2-4 其额定静 ,动载 07.60 acKN, ac6.8KN.查表确定各 系数1 运动件； 2 滚珠；3 承导件； 4 返回器； 5 工作滚道；6 返回滚道6A A 旋转51243AA机电 04 2 * 机电一体化机械系统设计课程设计计算说明书 12 为 ; 2.1,1,66.0,1,1 wacth fffff从而可以确定所受的最大力为 3.23KN，由公式： KL ef ffff w acth )(=（23.3 1.352.1 166.011 ） 50 =10675km 按式：602 102 3 nLLh aL=6048.02 1010675 3 =27799 h 22000 h 所以满足寿命的要求，合格 16.机械控制系统原理及电路设计 . (1) 设计 要求 : 采用 MCS-51 系列单片机来完成此控制系统的设计 ,完成控制系统原理图等 . 主要包括键盘 ,LED 显示 ,电动机的启动、停止、单进控制、联动控制 等的控制 .同时还要有一些自动错误处理功能 .如限位控制 ,驱动出错处理 ,这就需要在程序设计时提供相应的中断处理程序。 (2)方案分析 : 由前面电动机的选择 :选用电动机型号为 90BYG55C的步进电机 .此电机是一个五相十拍的电动机。由机电一体化可以知道步进电机的运行特性与配套的驱动电源（驱动器）由密切的关系。驱动器由脉冲发生器和功率放大器两大部分组成的。在微机控制电机过程中，需要使电机按照一定规律变化进行运动，而控制这部分规律变化的部分叫做脉冲分配器。实现脉冲分配有两种方法：计算机软件和硬件电路法。当有了环形脉冲分配后，还是不够的。由于我们的脉冲是由微机单片机发出的，属于低电平，是不能直接驱动电机进行运动的，这时我们可以采用功率放大电路将脉冲进行功率放大，然后驱动硬件电路。 对于复杂的电路 驱动，如五相十拍电路，具有 A,B,C,D,E 无相，他的十拍工作方式为： AB-ABC-BC-BCD-CD-CDE-DE-DEA-EAB-AB- 对于这这种复杂的驱动方式，如果采用软件编程或者硬件电路来实现驱动控制都是比较复杂的，这时我们可以采用专用驱动控制芯片，这里采用 HXD55 型五相混合式驱动器。（详细参考见附录【 1】） 我们采用 MCS-51 系列的 8031 型的单片机作为微机控制的主芯片。系统机电 04 2 * 机电一体化机械系统设计课程设计计算说明书 13 原理图中，采用 74LS373 进行 P0 口的锁存，同时扩展一片 2764 的程序存储器和一片 6264 的数据 存储器 ，作为系统的数据处理和存储之用。同时，我们需要扩展键盘和显示，就需要扩展接口来连接。采用 8155 进行接口扩展， PA 口， PC口属于输出口， PB 口属于输入口。 PA 口的八根地址连接成 4 4 的 键盘接口电路， PB 口用于 LED 的八路接口，同时用 PC 口的 6 路进行 LED 的位控接口。 同时由 P2 口的 P2.5,P2.6,P2.7 进行 74LS138 的片选输入，对 2764 和 6264 进行片选。系统原理电路图见附图（ A2 图纸）。 （ 3）地址计算： 1） 8155 的地址计算： 在 8155 中， 采用 P1.7 来控制 IO/M 口，进行 I/O 和 RAM 选项控制。 当 P1.7=0 时，选择 RAM 口，其地址为： 0 1 0 所以其地址为 4000H-5FFFH（其中 P1.7 为 0） 当 P1.7=1 时，单片机选中 I/O 口，其地址为： 0 1 0 所以其地址为 4000H-5FFFH（其中 P1.7 为 1） 因此： 8155 的具体地址： 命令字： 4000H A 口： 4001H B 口： 4002H C 口： 4003H 低四位： 4004H 高四位： 4005H 2） 2764 的地址： 采用 74LS138 片选控制，地址选择如下： 0 0 0 所以地址范围为： 0000H-1FFFH 3） 6264 的地址： 同样采用 74LS138 片选控制，地址选择如下： 机电 04 2 * 机电一体化机械系统设计课程设计计算说明书 14 0 0 1 所以地址范围为： 2000H-3FFFH 4）芯片列表： 序号 名称 型号 数量 1 微控制器 MCS-8031 1 2 数据存储器 6264 1 3 程序存储器 2764 1 4 锁存器 74LS373 1 5 译码器 74LS138 1 6 接口芯片 8155 1 7 键盘 4x4 键盘 1 8 显示器 LED 七段数码显示器 6 9 光电耦合器 光电耦合器 3 10 电机 驱动器 HXD55 驱动器 1 11 电阻 若干 12 晶振 20KHZ 1 13 电容 若干 5）软件流程图 ; 机电 04 2 * 机电一体化机械系统设计课程设计计算说明书 15 启动 速度控制 键盘输入 中断服务处理 调整定时器定时常数 脉冲输出 控制电机 位置控制 单进 /连动 正转 绝对位置减 1 绝对位置加 1 越界 停机 报警 步数减 1 步数 =0 停机 重装定时常数 退出 加速 /减速控制 正转 绝对位置减 1 绝对位置加 1 越界 停机 报警 加速 ? 加速步数减1 级 步数减1 恒速 ? 级步数 =0 加速一级 计算级步数 加速步数 =0 指针指向恒速 减速步数减1 级步数减1 级步数 =0 减速一级 计算级步数 停机 恒速步数减1 恒速步数 =0 指针指向恒速 减速一级 计算级步数 减速步数 =0 重装定时常数 退出 机电 04 2 * 机电一体化机械系统设计课程设计计算说明书 16 附录【 1】 HXD55 无相混合式驱动器使用说明 (一 ) 主要特性： （ 1） 使用五相 混合式五出线步进电机 （ 2） 使电机扭矩保持性好，振动低 （ 3） 锁定时相电流大小可根据需要调节为 2A,3A,4A,5A （ 4） 具有过热，过流报警输出，工作电压为 AC80V (二 ) 驱动器各部件名称与功能 （ 1） 电机励磁指示灯 -功放 指示灯亮时表 明电机处于通电状态，熄灭时 电机中无电流通过。 （ 2）报警指示灯 -报警 当驱动器楚湘故障时此指示灯点亮 （ 3）过热报警指示灯 -过热 当驱动器内部散热片的温度超过 85 0C 时过热指示灯点亮，同时驱动器停止工作。 （ 4）相原点指示灯 -相原点 驱动每接受二十个脉冲信号（步进时）或十个脉冲信号（整步时）此指示灯亮有一次 （ 5）自检开关 -自检 将开关下拨（ ON），驱动器自动带动电机运行，运行频率为 1P.P.S。 （ 6）单 /双脉冲选择开关 -单 /双脉冲 可设定驱动器的工作方 式为单脉冲方式（使用脉冲 CP 和方向 DIR）或者双脉冲方式（使用正转脉冲 CW 和反转脉冲 CCW）。开关下拨（ ON）为双脉冲方式。通电时请勿切换。 （ 7）步矩角切换开关 -半不 /整步 设定电机 1 脉冲当量动作角度。可设定电机为半步（ 36.0 ） 运行方式或整步（ 72.0 ）运行方式。开关下拨（ ON）为整步运行方式。 （ 8）相电流调整开关 机电 04 2 * 机电一体化机械系统设计课程设计计算说明书 17 根据所驱动的步进电机调整与之适应的相电流。 （ 9）接线插头 信号名称 输入输出形式 功能 步进脉冲正 转输入 光电耦合输入： 高电平： 4-6V 低电平： 0-1V 用脉冲的边沿触发，每触发一次电机步进一步 旋转方向 /反转脉冲输入 单面冲工作时为方向控制信号 双脉冲工作时为反转脉冲信号 励磁控制信号输入 此信号有效时电机处于非励磁状态，步进系统不能正常工作 故障信号输出 光耦开环输出外部使用条件： DC24V以下 10m 以下 报警信号输出 相原点信号输出 相原点指示灯亮时光耦输出端导通 A B C D E 电机无相输出 接线时与电机阴险标号保持一致，当电机旋转方向与控制信号设定方向相反时，可将 A与 E 对调， B 与 D 对调以改变电机旋转方向 交流 80V 输入（最大电流 5A） 交流工作电压输入端 17.密封和润滑 为了阻止灰尘，水，酸气和其杂物进入轴承并阻止润滑剂流失。再本设计中加如了轴承的密封装置。因为滚珠丝杠的转速不高，所以采用接触式密封。在透盖与轴承 中间加入了唇形密封圈，目的是防止润滑油的流出。在轴承的左侧加入轴承端盖，目的是阻止灰尘，水，酸气和其杂物进入轴承。为了降低摩擦阻力，散热，吸收振动，防止锈蚀等，在整个系统中加入了润滑装置，在此系统中滚珠丝杠和轴承都采用脂润滑，所采用的润滑系统如下图所示： 机电 04 2 * 机电一体化机械系统设计课程设计计算说明书 18 结论： 在本设计中采用步进电机直接驱动滚珠丝杠来实现工作台的水平移动，因其 无位置反馈，其精度主要取决于驱动系统和机械传动机构的性能和精度，精度不高。一般以功率步进电机作为伺服驱动元件。 但是其有 结构简单、工作稳定、调试方便、维修简单、价格低廉等优点， 但是因其无减速装置，多用 在精度和速度要求不高、驱动力矩不大的场合 。同时由公式 步进电动机的步距角（ ）； 脉冲当量（ mm/脉冲）； h 丝杠螺距（ mm） 易知可以通过增大传动比 i 来提高定位精度，但 是因本设计采用的是 步进电机直360i h 机电 04 2 * 机电一体化机械系统设计课程设计计算说明书 19 接驱动滚珠丝杠，所以定位精度是由 步距角来确定的。 而 m 定子相数； z 转子齿数； k 通电系数， 这就要求步进电动机有较小的步距角，