机电传动单向数控平台设计【课程设计】

中国矿业大学机械电子方向课程设计题目机电传动单向数控平台设计学院机电工程学院班级学生姓名学号指导教师完成时间目录第一章、前言1第二章、课程设计具体任务121设计任务介绍及意义122设计任务明细223设计的基本要求2第三章、总体方案设计231设计基本依据232总体方案确定3第四章、机械部分设计441导轨的选择442导轨设计程序及内容443机械传动系统设计与核算644联轴器和电机选型12第五章、电气控制系统设计1551电气控制系统设计的基本原则1552步进电机简介1553单片机的选择1554放大电路高耐压、大电流复合晶体管ICULN2003简介1655人机接口设计18第六章、设计总结21参考文献22第一章、前言现代科学技术的不断发展，极大地推动了不同学科的交叉与渗透，导致了工程领域的技术革命与改造。在机械工程领域，由于微电子技术和计算机技术的迅速发展及其向机械工业的渗透所形成的机电一体化，使机械工业的技术结构、产品机构、功能与构成、生产方式及管理体系发生了巨大变化，使工业生产由“机械电气化”迈入了“机电一体化”为特征的发展阶段。数控技术及装备是发展新兴高新技术产业和尖端工业的使能技术和最基本的装备,又是当今先进制造技术和装备最核心的技术。数控技术是用数字信息对机械运动和工作过程进行控制的技术,而数控装备是以数控技术为代表的新技术对传统制造产业和新兴制造业的渗透形成的机电一体化产品,其技术范围覆盖很多领域。XY数控工作台是许多机电一体化设备的基本部件，如数控车床的纵横向进刀机构、电子元件表面贴装设备等。模块化的XY数控工作台，通常由导轨座、移动滑块、工作、丝杠螺母副，以及伺服电动机等部件构成。其中伺服电动机做执行元件用来驱动滚珠或螺旋丝杠，丝杠螺母带动滑块和工作平台在导轨上运动，完成工作台在X、Y方向的直线移动。导轨副、丝杠螺母副和伺服电动机等均已标准化，由专门厂家生产，设计时只需根据工作载荷选取即可。控制系统根据需要，可以选取用标准的工作控制计算机，也可以设计专用的微机控制系统。第二章、课程设计具体任务21设计任务介绍及意义（1）课程设计题目机电传动单向数据平台设计（2）主要内容包括机械传动结构设计电气测控系统（3）课程设计意义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。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。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。树立正确的设计思想及严肃认真的工作作风。22设计任务明细（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；（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1800、1500、1200MM；移动负载质量100、50KG；负载移动阻力50、100N；（估算值）移动速度控制3、6M/MIN；速度控制精度05或实现行程（位置）控制，控制精度001MM、01MM。23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，最后给出机械系统的控制原理图或主要部件图（A1一张）。（3）电气原理图根据控制功能要求，完成电气控制设计，给处电气控制电路原理图（A2一张）。（4）成果展示课程设计的成果最后集中表现在课程设计说明书和所绘制的设计图纸上，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。（5）绘图及说明书用计算机绘图或手工绘图，打印说明书。第三章、总体方案设计31设计基本依据（1）步进电动机是一种用电脉冲信号进行控制，并将电脉冲信号转换成相应的角位移或位移的控制电机。它的直线位移量或角位移量与电脉冲数成正比，所以电机的线速度或转速也与脉冲频率成正比，通过改变脉冲频率的高低就可以在很大的范围内调节电机的转速，并能快速启动、制动和反转，同时电机的运动方向取决于控制绕组的通电顺序。步进电动机适合于作为数字控制系统的伺服元件。混合式步进电动机步距角小，启动和运行频率较高，消耗功率小。（2）滚珠丝杆螺母副是数控机床中回转运动转换为直线运动的常用装置。它以滚珠的滚动代替丝杆螺母副中的滑动，摩擦力小，具有良好的性能。滚珠丝杆的主要工作原理是在丝杆和螺母上加工有弧形螺旋槽，当它们套装在一起时便形成螺旋管道，并在滚道内装满滚珠。而滚珠则沿滚道滚动，并经回珠管道作周而复始的循环运动。回珠管道两端还起挡滚珠的作用，以防止滚珠沿滚道掉出。特点摩擦阻力小，传动效率高（一般在90以上）；运转平稳，启动时不颤动，低速时不爬行；螺母和螺杆经调整预紧，可以得到很高的定位精度（5M/300MM）重复定位精度，并可以提高轴向刚度；工作寿命长，不易发生故障。适用于金属切削机床、测试机械、仪器的传动螺旋和调整螺旋等。（3）单片机是一种集成电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计时器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的微型计算机系统，在工业控制领域的广泛应用。单片机广泛应用于仪器仪表、家用电器、医用设备、航空航天、专用设备的智能化管理及过程控制等领域。而可编程逻辑控制器（PROGRAMMABLELOGICCONTROLLER，PLC），它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。32总体方案确定参数初设如下（1）电机驱动方式步进电机（2）机械传动方式滚珠丝杠（3）电气控制方式单片机控制（4）功能控制要求速度控制（5）主要设计参数单向工作行程1800MM；移动负载质量100KG；负载移动阻力100N；移动速度控制06MM/MIN；实现行程（位置）控制，控制精度001MM；选用矩形导轨，工作台滑动摩擦系数015；丝杠两端为固定支撑（EF），每个支座安装圆锥滚子轴承，安装时进行预拉伸。第四章、机械部分设计41导轨的选择导轨性能的好坏，直接影响机床的加工精度、承载能力和使用性能。所以，导轨要满足以下基本要求结构简单,有良好的导向精度、精度保持性、低速运动平稳性和工艺性好。导轨作为进给系统的重要环节，不同类型的机床，对导轨的要求也不同。数控机床的导轨比普通机床的导轨要求要高高速进给时不发生振动，低速进给时不出现爬行现象，灵敏度高，耐磨性好，可在长期重载下连续工作，精度保持性好等。42导轨设计程序及内容（1）根据工作条件，选择导轨类型为SVR28。（2）选择导轨的截面形状，以保证导向精度（如表1中图示）。（3）选择适当的导轨结构及尺寸，使其在给定的载荷及工作温度范围内，有足够的刚度，良好的耐磨性，以及运动轻便和平稳。（4）选择导轨的补偿及调整装置，经长期使用后，通过调整能保持需要的导向精度。（5）选择合理的润滑方法和防护装置，使导轨有良好的工作条件，以减少摩擦和磨损。（6）制订保证导轨所必须的技术条件，如选择适当的材料，以及热处理、精加工和测量方法等。表1SVR28型直线滑动矩形导轨类型直线滑动矩形导轨截面形状单位HB1W00052W0005KT结构尺寸MM283220114222575间隙调整装置镶条导轨材料与热处理灰铸铁时效处理43机械传动系统设计与核算表2滚珠丝杠及轴承设计与核算序号计算项目单位计算依据计算结果1丝杆载荷导轨摩擦力F强力切削时载荷MAX一般铣削时载荷AF精铣时载荷快移载荷ANNNNN120150598FMGMAX21085A10180218011806801802电机转速（最大）MAXN丝杠最大转速（快移）强力铣削1N一般铣削2精密铣削3R/MINR/MINR/MINR/MINR/MIN假设电机的转速最大为15001500100060801003丝杠导程HPMM移动的最大速度6M/MINMAXVMM/MIN610MAX0HVPN64当量转速MN当量负载MFR/MINN53681003312MMNF13310385初选滚珠丝杆（1）计算动载荷AJC（2）要求寿命HL（3）综合系数F（4）滚珠丝杠副的型号NH3108F642HAJMNKCF113350HL1133NK使用推荐寿命15000H；10532THAKWF查表得，12FWFT1AF，053KH由表2827选用FFZD型内循环浮动返向双螺母垫片预紧滚珠丝杠副，型号FFZD3206，额定动负载15ACKNAJ预紧力MAX1023772OAFFN115923110631500442符合要求6丝杠螺纹部分长度ULMM工作台最大行程（1800）UL螺母长度（102）两端余程（40承距离LMM支承跨距应大于LUL21008（1）临界转速核算CN（2）丝杠底径2D（3）支承方式系数2F（4）临界转速计算长度CLR/MINMM查表得2290473165CCFDNL204WDD由表2866查的273F101098284CL要求MAXCN365100272473195符合要求9压杆稳定校核两端固定支承，丝杠不受压缩，因而不必校核稳定性10预拉伸计算（1）温升引起的伸长量T（2丝杠全长伸长量TZ（3）预拉力TFMN取温升为36103982TULA6TZ5219307482TZUAEFL6541693426411轴承选择轴端结构轴承型号选择固定支承E、F型轴端轴端结构轴承型号为7602020TVPE、F型轴端结构型号为7602020TVP12主要参数和尺寸（1）预紧力的确定0F（2）疲劳强度计算额定动载荷CNN由表查得02,47,1593,1960,WADMDBZCNF预紧力MAXMAX428T因为1/31779N00由轴承负载计算公式校核314260HNKCF进给方向是可变的，负载可能是也可能是，TMTMF取其平均值4246N，因为初选7602020TVP型轴承的额定动负载小于20960N,所以改用7603020TVP型轴承，参数如下02,5,1374,240,9WADMDBZCNF预紧力5336符合要求20960满足寿命要求13定位精度校核（1）丝杠在拉压载荷下最大弹性位移MAXS（2）丝杠与螺母间的接触变形CM6MAX621040703SFLAEF快移时SMAX1807，强力铣削时SAX293F，精密铣削时MAX680,2SNCFK查表2827得326ZD滚珠丝杠的接触刚度150C所以得快移时1805CFK强力铣削时21805C精密铣削时68015CFK077937292016190059（3）轴承的接触变形B（4）丝杠系统的总位移（5）定位精度M1253036SINBWZDFK113742908N快移时1802BFK强力铣削时1802B精密铣削时6802BFKMAXBCS快移时417强力铣削时390精密铣削时252发生在螺母处于丝杠种MAXS部处，和与螺母位置无关，CB所以以上求得的位移均为MM,查表2818和2865021，取丝杠的精度为1级，任意300MM的行程公差为6。可以M满足速度控制精度05的要求0647732411571900592满足定位精度要求设计丝杠的结果如下选用丝杠副型号FFZD3206，两端支承为E、F型，轴承型号为角接触球轴承7603020TVP。44联轴器和电机选型表3联轴器及电机计算序号计算项目单位计算依据计算结果1工件最大速度MAXVM/MIN62滑动部分质量WKG1003丝杠导程PM00064丝杠长度LM19825丝杠直径DM002726联轴器质量MKG1167联轴器外径DM00808摩擦因数039加速时间ATS02510机械效率0911电动机转速MNR/MINMAXVNP100012（1）滑动部分转动惯量1J（2）滚珠丝杠转动惯量S2KGA2KGMA21061JW4437819207SLD（设滚珠丝杠的材料为铁，其40913081（3）联轴器转动惯量CJ（4）折算到电机轴上的转动惯量DJ2KGMA2KGMA密度为37810/KGM）初选联轴器直径选19MM，选用凸缘联轴器GY1，质量为116KG，外径为0080MM。22116088CJMD1DCSJ309813156013折算到电机轴上的负载转矩LTNA2LTPIGF因，故1I09380612L243414电动机轴上的加速转矩ATNMA6074189MAMDNTJT其中，为电动机的转动惯量，2KGA74189MJ15折算到电机轴上的总转矩EQTNM31489EQALMTJ321489MJ16电动机选型取安全系数K2。5，则必需转矩231489MEQMTKJ初步选定电动机型号为110BYG350CH0501，其转子惯量321560MJKGMA，则有32489137EQMTJNA35214895609MMJM110BYG350CH0501的最大静转矩（保持扭矩）为12945，满足要求，步距角O0637894517电动机的验算工件最快速度对应的电动机转速为，则对1/MINMNR应的运行频率为O360360OMF从上图的距频特性曲线上可以10000看出，此速度（或频率）时电动机的输出转矩大于，即EQT4378,故此电动机满足要求。电动机满足要求18精度校核三相异步电机，取脉冲当量01，要求360BHPI，而63，故满足要求。符合要求选用电动机及联轴器结果如下电动机型号为110BYG350CH0501，三相六拍，联轴器选用凸缘联轴器，型号为GY1。第五章、电气控制系统设计51电气控制系统设计的基本原则在电气控制系统的设计过程中，应遵循以下几个原则（1）最大限度满足机床和工艺对电气控制的要求；（2）在满足控制要求的前提下，设计方案应力求简单、经济和实用，不宜盲目追求自动化和高性能指标；（3）妥善处理机械与电气的关系。很多生产机械是采用机电结合控制方式来实现控制要求的，要从工艺要求、制造成本、机械电气结构的复杂性和使用维护等方面协调处理好二者的关系；（4）把电气系统的安全性和可靠性放在首位，确保使用安全、可靠。（5）合理的选用电器元件。52步进电机简介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。三相电动机工作原理为当电动机的三相定子绕组（各相差120度电角度），通入三相对称交流电后，将产生一个旋转磁场，该旋转磁场切割转子绕组，从而在转子绕组中产生感应电流（转子绕组是闭合通路），载流的转子导体在定子旋转磁场作用下将产生电磁力，从而在电机转轴上形成电磁转矩，驱动电动机旋转，并且电机旋转方向与旋转磁场方向相同。53单片机的选择单片机是一种集成电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计时器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的微型计算机系统。89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROMFLASHPROGRAMMABLEANDERASABLEREADONLYMEMORY）的低电压、高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的89C51是一种高效微控制器，89C2051是它的一种精简版本。89C单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。54放大电路高耐压、大电流复合晶体管ICULN2003简介（1）ULN2003A是一个7路反向器电路，即当输入端为高电平时ULN2003A输出端为低电平，当输入端为低电平时ULN2003A输出端为高电平。在自动化密集的的场合会有很多被控元件如继电器，微型电机，风机，电磁阀，空调，水处理等元件及设备，这些设备通常由CPU所集中控制，由于控制系统不能直接驱动被控元件，这需要由功率电路来扩展输出电流以满足被控元件的电流，电压。ULN2XXXX高压大电流达林顿晶体管阵列系列产品就属于这类可控大功率器件，由于这类器件功能强、应用范围语广。因此，许多公司都生产高压大电流达林顿晶体管阵列产品，从而形成了各种系列产品。其原理图如下（2）ULN2003工作电压高于工作电流大于灌电流可达500MA，并且能够在关态时承受50V的电压，输出还可以在高负载电流并行运行。ULN2003管脚图如下所示引脚1CPU脉冲输入端，端口对应一个信号输出端。引脚2CPU脉冲输入端。引脚3CPU脉冲输入端。引脚4CPU脉冲输入端。引脚5CPU脉冲输入端。引脚6CPU脉冲输入端。引脚7CPU脉冲输入端。引脚8接地。引脚9该脚是内部7个续流二极管负极的公共端，各二极管的正极分别接各达林顿管的集电极。用于感性负载时，该脚接负载电源正极，实现续流作用。如果该脚接地，实际上就是达林顿管的集电极对地接通。引脚10脉冲信号输出端对应7脚信号输入端。引脚11脉冲信号输出端对应6脚信号输入端。引脚12脉冲信号输出端对应5脚信号输入端。引脚13脉冲信号输出端对应4脚信号输入端。引脚14脉冲信号输出端对应3脚信号输入端。（3）单片机硬件接线图55人机接口设计本次电气设计中，根据对平台速度控制的设计，分为3个铣削档，铣削类型依次为快进、精密铣削、强力铣削，分别由三个按键构成，同时由一个七段译码管组成，一个输入端与一个输出端，构成一个简单的人机接口。电动机转动方向有正转和反转两种，由两个按键构成。平台两端由两个触碰开关的闭合与否判断工作台是否运行到端头。56单片机程序INCLUDESBITP1_0P10SBITP1_1P11SBITP1_2P12SBITP1_3P13SBITP1_4P14SBITP1_5P15SBITP1_6P16SBITP1_7P17SBITP0_0P00SBITP0_1P01SBITP0_2P02SBITP0_3P03SBITP0_4P04SBITP3_4P34SBITP3_5P35SBITP3_6P36SBITP3_7P37UNSIGNEDCHARIDATASTEP0/STEP为电机运转步数UNSIGNEDCHARIDATAHIGH0UNSIGNEDCHARIDATALOW0UNSIGNEDCHARIDATAMODE0/MODE为铣削模式UNSIGNEDCHARIDATADIRECT0/DIRECT为电动机运转方向VOIDMAINVOID/主程序EA1/允许外部中断EX11PX11P1_60P1_70WHILE1/引人外部中断程序VOIDOUTPUTSTEPIFSTEP252STEP0/电机运转步数为252时与电机初始状态一致IFDIRECT1BREAKCASE1P30X7FBREAKCASE2P30X5FBREAKCASE3P30XDFBREAKCASE4P30X9FBREAKCASE5P30XBFBREAKIFDIRECT0BREAKCASE1P30X9FBREAKCASE2P30XDFBREAKCASE3P30X5FBREAKCASE4P30X7FBREAKCASE5P30X3FBREAKVOIDTIME_0INTERRUPT1/计数器中断程序OUTPUTTH0HIGHTL0LOWVOIDINT_1INTERRUPT2/外部中断程序IFP0_00MODE1/1代表快进工作模式P1P1/译码管输出字符及平台左右两端开关状态HIGH0XFFLOW0X9CIFP0_10MODE2/2代表精密铣削工作模式P1P1HIGH0XFCLOW0X18IFP0_20MODE3/3代表强力铣削工作模式P1P1HIGH0XF9LOW0X7DIFP0_30DIRECT1P1_71P1_60/1代表电动机正转IFP0_40DIRECT0P1_61P1_70/0代表电动机反转TMOD1/计数器选用模式1TH0HIGHTL0LOWET01/计数器允许内部中断TR01/计数器允许启动第六章、设计总结本课程设计针对目前现场数控车床上单向数控中存在的问题，