课程设计（论文）直流电机驱动水平导轨运动位移检测【全套图纸】

1、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30kg）设 计 者： 班 级： 学 号： 指导教师： 全套图纸，加153893706 目 录一、设计任务书11.1设计的目的11.2 设计题目及内容11.3 设计报告的要求11.4 设计步骤1二、设计总体方案介绍22.1 系统设计22.2 系统工作原理22.3 设计系统参数2三、机械传动部分设计23.1 工作台设计23.2 导轨设计33.2.1导轨选择33.2.2 滚动导轨的主要参数设计计算与校核33.3 丝杠设计53.3.1 确定丝杠副的导程53.3.2 确定额定静载荷53.3.3 确定预期额定动载荷63.3.4 确定滚珠丝杠副的轴

2、径7 3.3.5 确定滚珠丝杠副的规格代号93.3.6 螺旋丝杠副材料的选取93.3.7 确定预紧力93.3.8 确定滚珠丝杠副的主要尺寸93.3.9 滚珠丝杠的主要尺寸93.3.10 滚珠螺母的主要尺寸103.3.11 滚道法向截形图103.3.12 滚珠螺母安装与连接尺寸103.4丝杠副的校核113.4.1 轴向弹性接触变形量计算113.4.2 丝杠强度的计算113.4.3 稳定性的计算113.4.4 临界转速的计算123.4.5 校核结果123.5 校核选取123.6 校核轴承133.6.1 计算当量动载荷p133.6.2 稳定性的计算13 3.7 驱动力矩的计算133.8 电机的选择1

3、4 3.9 减速器的选择14 3.10 联轴器的设计14四、硬件电路设计154.1 电机驱动电路154.2 测量电路设计164.2.1光栅传感器测量原理164.2.2测量的系统结构174.2.3辨向及细分电路174.3 显示电路18五、软件程序设计185.1 直流伺服电机驱动程序185.2 栅位移速度测量程序21六、课程小结23七、参考文献23一、 设计任务书1.1设计的目的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

4、件的能力，提高计算、绘图等基本技能。1.2 设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30kg）。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。1.3 设计报告的要求1. 提供完整的机械装配图（不小于 a1）；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 a4）；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

5、想、有关的计算、程序及说明等。1.4 设计步骤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；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、 设计总体方案介绍2.1 系统设计系统框图的设计方案如下图2.2 系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

6、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3.1 工作台设计由已知条件得系统承重30kg，且为一维工作台，故选择应用为数控机床，选择dzh100单坐标工作台。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dzh100100300p40.0050.0250.0150.025单位：mm 参考dzh100型标准工作台，可确定以下参数： 工作行程：150mm；工作台尺寸：150mm150mm8mm；3.2 导

7、轨设计3.2.1 导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mgn 12h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。3.2.2 滚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 m

8、gn 12h导轨的滑块组总长度为45.4mm，工作台的边长为150mm，工作台共安装两条导轨，每条导轨安装两个滑块组，245.4mm=90.8mm150mm，故运动件的长度l满足设计要求。 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150mm+100mm+10mm=260mm。2. 滚动体参数计算在一般情况下，滚珠的直径3-6mm，由于本系统机构尺寸较小，承载不大，故选用d=3mm的滚珠。对于一般承载的滚动体，其数量z可按下式计算：式中，f导轨运动件承受的力； d滚珠直径；式中，工作台所承载的重量； 工作台的体积； 工作台的材料密度； g重力加速度，取g=；由于工作台质量较小，故可

9、以忽略不计。由此可以计算得：f=300n4=75n；z5；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0.5m。本系统为精密工作台，定位精度要求为0.25m，故滚动体的尺寸一致性要求为小于0.2m。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是否超过导轨材料接触强度所允许的最大压力，即。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，mpa，查表得k=0.6； 导轨硬度修正系数，查表得=0.30； d滚动体的直径，cm；计算得最大许用压力：；最大压力：；故满足

10、的条件，设计满足强度要求。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； 滚珠柔度系数，m/n，查表得； 一个滚珠所受的载荷，计算得；计算得导轨的变形：=1.2m。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：式中，滚珠与导轨接触处的预加载荷，对于精密机械一般f0取10n；作用在运动件上的外载荷，；滚动摩擦系数；滚珠直径，；滚珠数目，；v形槽半角，()，；外载荷fw的作用角度，()，；计算得：即推动该导轨至少需要120n的外力。3.3 丝杠设计该系统的主要设计参数为：工作行程100mm； 工作

11、台导轨静摩擦系数 =0.2移动负载质量30kg； 工作台及附件的质量3kg（空载质量）3.3.1 确定丝杠副的导程由工作台最高移动速度，电动机最高转速，传动比等确定当电动机与滚珠丝杠副直联时，求出的要取较大值，取整数。本课程设计中，依照要求，初定丝杠导程3.3.2 确定额定静载荷轴向载荷计算公式： 其中，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0.10.2），此处取=0.2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由于是恒力恒速度，所以有：当量载荷：当量转速： (自己选取)3.3.3 确定预期额定动载荷按滚珠丝杠副的预期工作时间计算式中 当量转速（

12、r/min） 预期工作时间(h)见表3-1； 精度系数。根据初定的精度等级选取，见表3-2； 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3-3； 载荷性质系数，根据载荷性质选择，见表3-4。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3-1机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：表3-2 精度系数精度等级1,2,31.04,50.97

13、0.8100.7根据上表和实际设计装置的情况，选取精度等级为4级，即表3-3 可靠性系数可靠性（%）901950.62960.53970.44980.33990.21根据上表上表和实际设计装置的情况，选取可靠性为98%，即=0.33表3-4 载荷性质系数载荷性质无冲击（很平稳）1.01.2轻微冲击1.21.5冲击或震动1.52.0根据上表上表和实际设计装置的情况，选取载荷系数，解得3.3.4 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

14、统的传动精度，而处系统受影响最大。 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。此时规定滚珠丝杠副允许的最大轴向变形为：滚珠丝杠本身的拉压弹性变形及滚珠丝杠副摩擦力矩的变化产生的弹性变形；根据本设计的情况：重复定位精度取0.005mm；定位精度取0.025mm可计算得：以上两种方法估算的最小值取做值，即：2. 估算滚珠丝杠副的底径因为两端固定的滚珠丝杠副丝杠的静态稳定性和动态稳定性最高。适用于高速回转；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， （为导轨静摩擦

15、系数，取0.2）式中 导轨静摩擦力（n） 估算的滚珠丝杠最大允许轴向变形量（mm） 弹性模量，为 两个固定支承之间的距离（mm）计算得出：3.3.5 确定滚珠丝杠副的规格代号根据计算出，及传动方式、使用情况，在保证，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，滚珠丝杠副的型号为sfk1402，其公称直径为14mm，公称导程为2mm，螺纹旋向为右。3.3.6 螺旋丝杠副材料的选取 已知丝杠直径 ，移动负载质量 ；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：zcusn10zn2 ；热处理为：渗氮、淬火 返向器材料为：

16、60mn ； 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3.3.7 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3.3.8 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2mm；公称直径14mm；接触角 =45；螺纹升角 ；滚珠直径；螺纹滚道半径 ；圆弧偏心距 3.3.9 滚珠丝杠的主要尺寸丝杠大径;丝杠小径 ;丝杠接触点直径;丝杠牙顶圆角半径3.3.10 滚珠螺母的主要尺寸螺母螺纹大径 ;螺母螺纹小径 3.3.11 滚道法向截形图3.3.12 滚珠螺母安装与连接尺寸安装尺寸为：基本导程2mm

17、；公称直径14mm滚珠螺母安装、连接尺寸212331402663.4 丝杠副的校核3.4.1 轴向弹性接触变形量计算当有预紧时：式中 轴向载荷； 预紧力； 滚珠直径； 工作螺母的滚珠数目，且有 z为一圈螺纹内的滚珠数目；j为圈数；k为列数内循环时：，3.4.2 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 式中-轴向载荷 -当量摩擦角，且 -螺纹牙型半角 -螺旋升角由第四强度理论可得：查手册得，螺杆材料（45号钢）的许用应力为屈服极限，所以材料的许应应力；可知，所以强度校核合格。3.4.3 稳定性的计算由于，所以其中-长度系数，两端固定取 螺杆的

18、最大工作长度，这里取250mm； 螺杆危险截面的惯性半径； 螺杆危险截面的轴惯性矩； 危险截面的面积所以得校核合格。3.4.4 临界转速的计算对于钢制丝杠为了不发生共振现象，应使丝杠的转速满足下列关系式：其中，系数，与螺杆的端部结构有关，由于是两端固定所以查表取 丝杠的两支承间的最大距离，；由于所以校核合格。3.4.5 校核结果确定选用内循环滚动螺旋副的型号为sfk14023.5 轴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=12mm d=28mm b=8mm

19、3.6 校核轴承3.6.1 计算当量动载荷p 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=0.396。又因受到的径向载荷比较小,所以。查表并插值计算得，x=0.44，y=1.42。 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1.1。3.6.2 计算轴承的寿命由设计要求可知，轴的使用寿命要求为，轴承的寿命计算为：-寿命指数，由于是球轴承，所以；-温度系数，因轴承的工作温度不高，所以。3.7 驱动力矩的计算由于轴承的

20、压力角为，取轴承的滚动摩擦系数为，所以轴承的摩擦力为：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:3.8 电机的选择由上面算得，系统的驱动力矩为：所以得电机的最大静转矩为：查手册，因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 000rpm；无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.选取直流伺服电机的型号为：jsf 60-40-30-df-1000。jsf 60-15-30-cf-1000直流伺服电机的技术

21、参数为：额定转速：3000rpm额定电压：48v；极 数：8；额定电流：5.5a；额定转矩：500nmm；3.9 减速器的选择因为电机的额定转速为3000rpm，设计丝杠最大转速为1000rpm。故需要选择减速器。根据设计要求，选择伺服行星减速机ps 40系列1级减速器。以下为其具体参数。额定输出转矩：额定输入速度：4500rpm平均寿命 ：20000h3.10 联轴器的设计 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

22、系，工作温度在-2070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gb/t43232002，选择tl1型弹性套柱销联轴器：gb/t4323-2002,主动轴端：z型轴孔，c型键槽，孔径为10mm；长度为l=25mm;从动轴端：j型轴孔，a型键槽，孔径为,长度为l=17mm。四、 硬件电路设计4.1 电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动直流伺服电机转动。利用pwm(脉冲宽度调制)可实现对电机的控制。脉冲宽度调制主要是改

23、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。4.2 测量电路设计本设计选用

24、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。4.2.1 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led光源、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。4.2.2

25、测量的系统结构 本设计的硬件电路主要由单片机89c51、计数器、细分与辨向电路、显示电路和光栅位移传感器组成。 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led 显示器进行显示。4.2.3 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

26、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4.3 显示电路本系统的显示部分采用数码管显示，共用8 个led 数码管，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pa0 pa7 输出，位选由单片机的pb0pb7 输出。p2 采集接口，p3 电机的控制。五、软件程序设计5.1 直流伺服电机

27、驱动程序k1 bit p1.4 ；加速键k2 bit p1.5 ；减速键k3 bit p1.6 ；正反键clk bit p0.0 ；速度控制信号zf bit p0.1 ；正反控制信号pwmh equ 30h ；调宽值，定时器所赋值pwml equ 31horg 0000hljmp mainorg 000bh ；中断1控制周期ljmp timer1org 001bh ；中断3控制脉宽ljmp timer2org 0030hmain: mov pwmh,#00h mov pwml,#0fh mov tmod,#11h ；两个定时器都工作在方式1 mov th0,#00h ；65.536mm定时 m

28、ov tl0,#00h mov th1,pwmh ；脉宽 mov tl1,pwml setb ea ；cpu允许中断 setb et0 ；允许定时器t0中断 setb et1 ；允许定时器t1中断 setb tr0 ；定时器t0计数 clr clkloop: jb k3,loopzf ；高电平逆时针转，低电平顺时针转 clr zf ；针转 ljmp loopk1loopzf: setb zfloopk1: jb k1,loopk2 ；k1按下加速 lcall delay mov a,pwml add a,#1 ；调宽值低4位加1 mov pwml,a mov a,pwmh addc a,#0

29、；调宽值高4位加1 mov pwmh,a jnc loopk2 ；最大值时 mov pwmh,#0ffhloopk2: jb k2,over ；k2按下减速 lcall delay mov a,pwml clr c subb a,#1 ；调宽值低4位减1 mov pwml,a mov a,pwmh subb a,#0 ；调宽值高4位减1 mov pwmh,a jnc over mov pwmh,#00h ；最小值时over: ljmp looptimer1: clr tr1 mov th0,#00h mov tl0,#00h mov th1,pwmh ；赋调宽值 mov tl1,pwml se

30、tb tr1 clr clk retitimer2: clr tr1 setb clk retidelay: mov r4,#10hd1: djnz r4,d1 ret end4.2.6 光栅位移速度测量程序 mov a, th0 mov 30h, a ；th0存30h mov a, tl0 mov 31h, a ；tl0存31h，计数器数值存入数值空间 mov 32h,#fah ；码尺分辨率为0.004cm=1/250=fah mov a, 30h jnb acc.7，suan ；判断存入的定时器值是否为负数； cpl a ；是，需要将其转为正数 mov 30h,a mov a,31h cp

31、l a mov 31h,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suan:mov r0 #08h ；共八个字节 mov 33h,30h ；被除数放在33h,34h mov 34h,31ht1:clr c ； mov a,34h rlc a mov 34h,a mov a,33h rlc a ；所有被减数向左移一位 mov 05h,c ；将c状态存入05h clr c subb a,32h ；进行减法运算 jb 05h,t2 ；若05h为1，说明大于减数，转t2 jnc t2 ；若c=0，说明被减数大于减数，转t2 add a,32h ；若c=1，说明被减数小于减数，加减数为余数

32、mov 33h,a ；余数存入33h ajmp t3t2:mov a,34h ；将商置1，随着34h不断向左一位 add a,#01h ；最终商存入34h mov 34h,at3:mov 33h,adjnz r0，t1 ；r0是否为0，不为0，继续循环 ret sudu:acall wei1 ；调用位移计算子程序mov 41h,34h ；将位移存入41h、acall d1s ；延迟1s ajmp wei1 ；再次调用位移计算子程序 mov 42h,34h ；将第二次位移存入42h mov a,41h ；计算两字节减法 cjne a,42h,da ；比较两数大小，41h存小数,42h存大数 da

33、:jc j1 mov a,43h mov 41h,42h mov 42h,43h j1:mov a,42h ；减法，求出10ms内的位移 clr c subb a,41h ；1s位移是acm，将单位为cm/s mov 50h,a ；速度存入50h mov a,34h ；将位移速度值转成10进制存入54h mov b,#0ah div ab mov 57h,a mov 56h,b mov a,50h mov b,#0ah div ab mov 55h,a mov 54h,b mov r1, #54h ；显示位移速度值存储首址mov r0，#60h ；显示缓冲区首址 xian:mov dptr,#tabl ；字形码初值送dptr mov a ,r1 movc a,a+dptr ；取字形码数据 mov r0, a inc r0 inc r1 cjne r0，#64h,xian ；将要显示的字形码依次存入显示缓冲区led：setb p3.5 ；开放显示器控制 mov r7，#04h ；显示位数r7 mov r0 #60h ；送最低位led1:mov a,r0 m