单向滑台设计说明书

1、机电一体化课程设计学号：姓名：邹垒指导教师：甘彬老师成绩：日期：重庆理工大学目录重庆理工大学专业课程设计任务书一、总体方案的确定 31、机械传动部件的选择 32、控制系统的设计 4二、机械传动部件的计算与选型 41、导轨上移动部件的重量估算 42、直线滚动导轨副的计算与选型 53、滚珠丝杠螺母副的计算与选型 64、步进电机的选用105、步进电动机的计算和选型 106、增量式旋转编码器的选用 167、联轴器的选型及校核 168、轴承的选用及校核 172、各传动部件的预紧 20三、驱动器、单片机及电源 211、驱动器的选择212、单片机243、 82C55 和 74LS3734 、驱动器电源及单片

2、机电源选择二24四、单片机VC源程序25五、参考文献 29重庆理工大学专业课程设计任务书一、 教学目的通过课程设计培养学生综合运用所学知识和技能、提高分析和解决实际问题能力的一个重要环节，专业课程设计是建立在专业基础课和专业方向课的基础上的，是学生根据所学课程进行的工程基本训练，课程设计的目的在于：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。3、 培养学生掌握机电产品设计的一般程序和方法

3、，进行工程师基本素质的训练。4、 树立正确的设计思想及严肃认真的工作作风。二、课程设计题目：机电传动单向数控平台设计5、 1）电机驱动方式：步进电机、直流伺服电机、交流伺服电机；6、 2）机械传动方式：螺旋丝杆、滚珠丝杆、同步皮带、链传动等；7、 3）电气控制方式：单片微机控制、PLC 控制；8、 4）功能控制要求：速度控制、位置控制；9、 5）主要设计参数：单向工作行程2100mm,移动负载质量175kg,负载移动阻力150N,空载最快移动速度 6000mm/min ，进给最快移动速度1200mm/min 。速度控制精度0.5%，或实现行程（位置）控制，控制精度0.01mm。三、 课程设计的

4、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，绘制工作台进给传动机构装配图一张（ A2 一张）；（ 3）根据控制功能要求，完成电气控制设计，给出电气控制电路原理图（A2 图一张）；（ 4）根据电气控制原理图编写相关的控制程序；（ 5） 每个学生应独立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；（ 6）用计算机绘图或手工绘图，打印说明书；（ 7）设计选题分组

5、进行，每位同学采用不同方案（或参数）独立完成；四推荐参考资料1 机械原理与机械设计；2 微机原理与接口技术；3 测试技术；4 机电传动控制；5 PLC 控制技术；6 机电一体化系统设计；7 机电控制及自动化；8 机械设计手册；机电一体化技术手册、总体方案的确定1、机械传动部件的选择(1)导轨副的选用要设计的工作台是用来配套轻型的数控机床，需要承 载的载荷不大，但脉冲当量小(0.005mm/p),定位精度高 ( 0.01mn),因此，决定选用直线滚动导轨副，它具有摩 擦系数小、不易爬行、传动效率高、结构紧凑、安装预紧 方便等优点。选直线滚动导 轨副(2)丝杠螺母副的选用伺服电动机的旋转运动需要通

6、过丝杠螺母副转换成直线 运动，要满足0.005mm的脉冲当量和 0.01mm的定位精度, 只有选用滚珠丝杠副才能达到。滚珠丝杠副的传动精度高、 动态响应快、运转平稳、寿命长、效率高、预紧后可消除反 向间隙，而且滚珠丝杠已经系列化，选用非常方便，有利于 提高开发效率。选滚动丝杠螺 母副(3)伺服电动机的选用任务书规定的空载最快移动速度6000mm/min因此，本设计不必采用高档次的伺服电动机，如交流伺服电动机或直流伺服电 动机等，可以选用性能好一些的步进电动机，如混合式步进电动 机，以降低成本，提高性价比。伺服电机选步 进电机(5)检测装置的选用选用步进电动机作为伺服电动机后，可选开环控制，也可

7、选闭环控制。任务书所给 精度对于步进电动机来说还是偏高的，为了确保电动机在运转过程中不受切削负载和电 网的影响而失步，决定采用半闭环控制，并在电动机的尾部转轴上安装增量式旋转编码 器，用以检测电动机的转角与转速。检测装置的选 用：增量式旋 转编码器2、控制系统的设计(1)设计的工作台准备用在数控机床上，其控制系统应该具有单坐标定位、两坐标直线 插补与圆弧插补的基本功能，所以控制系统应该设计成连续控制型。连续控制型(2)对于步进电动机的半闭环控制，选用单片机，应该能够满足任务书给定的相关指 标。单片机(3)选择合适的驱动电源，与步进电动机配套使用。步进电机驱动 电源系统总体框图二、机械传动部件的

8、计算与选型1、导轨上移动部件的重量估算按照导轨上面移动部件的重量来进行估算。包括工作平台、滑块等，佶计重量约为 500N。G=500N2、直线滚动导轨副的计算与选型(1)滑块承受工作载荷 Fmax的计算及导轨型号的选取工作载荷是影响直线滚动导轨副使用寿命的重要因素。，作台采用水平布置，利用 双导轨、四滑块的支承形式。考虑最不利的情况，即垂直于台面的工作载荷全部由一个 滑块承担，则单滑块所受的最大垂直方向载荷为：Fmax G F2(2-2)4其中，移动部件重量 G=500N外加载荷F=FZ=1750N代入式2-2得最大工作载荷查表3-41 ,根据工作载荷Fmax=1875N初选直线滚动导轨副的型

9、号为KL系列的JSA-LG25型，其额定动载荷 Ca=7.94kN,额定静载荷 C0a=9.5kN。查表3-35,按标准系列，选取导轨长度为3000mm.表3-35 JSA型导轨长度系列导轨副的型号： KL系列的 JSA-LG25 型 导轨长度为 3000mm导轨型号导轨长度系JSA-LG15280340400460520580640700760820940JSA-LG20340400520580640760820940100011201240JSA-LG2546064080010001240136014801600184019603000JSA-LG355206008401000108012

10、4014801720220024403000JSA-LG4555065750850950125014501850205025503000JSA-LG5566078090010201260138015001980222027003000JSA-LG65820970112012701420157017202020232027703000(2)距离额定寿命L的计算上述选取的ZL系列JSA-LG25型导轨副的滚道硬度为 60HRC工作温度不超过100C,每根导轨上配有两只滑块，精度为 4级，工作速度较低，载荷不大。查表表3-36硬度系数滚道硬度(HRC)50555864fH0.530.81.0表3-3

11、7温度系数工作温度/C90%合格。(5)刚度的验算1)工作台滚珠丝杠副的支承均采用“双推-简支”的方式。丝杠的一端用深沟球轴承，另一端用深沟球与推力球轴承的组合，左、右支承的中心距离约为a=2150mim钢的弹性模量E=2.1 X105MPa查表3-31 ,得滚珠直径 D=2.175mm 丝杠底径d2=16.2mm 丝杠截面积 Sd；/4 352.8mm2。丝杠的拉伸或压缩艾形量3 1在思及形量中的比重较大，可按卜式计算：L-2Fma Ma1 (2-5)ES 2 IE式中：Fm-丝杠的最大工彳1?载何，单位为 Na丝杠两端支承间的距离，单位为 mmE丝杠材料的弹性模量，钢的E=2.1X105M

12、PaS丝杠按底往d2确je的截卸积，单位为 mmM转矩，单位为 N - mm丝杠刚度足够I 丝杠按底径d2确定的截面积惯性矩 （Id；/64）,单位为mm滚珠与螺纹滚道间的接触变形量S 2r2尢块紧时2 0.00383 2-Fm-（2-6）2D D 10Z后预紧时2 0.0013 Fm（2-7）io3/DwFyjZ2/io式中DW滚珠直径， mmZe滚珠总数量，Z1ZX圈数x列数Z单圈S珠数，Zd0/Dw （外循环），Z d0/DW 3 （内循环）Fyj预紧力，单位N由于转矩M般较小，可以忽略式2-5中的第二项，算得丝杠在工作载荷Fm作IT下产生的拉/压变形量2）根据公式Z d0/DW 3,求

13、得单圈滚珠数Z=24;该型号丝杠为单螺母，滚珠 的圈数x列数为4X2,代入公式：ZZX圈数x列数，得滚珠总数量 Zz=176。丝杠预 紧时，取轴向预紧力 FYj=Fm/3=674N。则由式2-7,滚珠与螺纹滚道间的接触变形量 2因为丝杠加有预紧力，且为轴向负载的1/3,所以实际变形量可减小一半，S2=0.0007mm。3）将以上算出的 处 和6 2代入12 0.0164 0.0007 0.0171mm 17.1 m。丝杠的有效行程为 2150mm由表3-27知，4级精度滚珠丝杠有效行程在 2150 2200mm寸，行程偏差允许达到 27可见丝杠刚度足够。（6）压杆稳定性校核滚珠丝杠是属于受轴向

14、力的细长杆，如果轴向负载过大，则可能产生失稳现象。失 稳时的临界载荷Fk应满足：Fk fk EI Fm（2-8）Ka2式中 Fk临界载荷，单位 N丝杠小会失稳fk丝杠支承系数，如表所示K 压杆稳定安全系数，一般取2.54,垂直安装时取小值；A滚珠丝杠两端支承间的距离，单位为mm表3-34丝杠支承系数方式双推-自由双推-简支双推-双推单推-单推fk0.25241查表3-34,取fk=0.25；由丝杠底径d2=16.2mm,求得截面惯性矩：, 4 , 一 , _4I d2 /64 9910.44mm ；压杆稳定系数K取3 （丝杠卧式水平安装）；滚动螺母至轴向固定处的距离取最大值1075mm代入式2

15、-8即：临界载荷Fk = 24200N,远大于工作载荷 Fm=2024N故丝杠不会失稳。a综上所述，初选的滚珠丝杠副满足使用要求。综上所述，初 选的滚珠丝杠 副满足使用要 求4、步进电机的选用已知工作台的脉冲当量=0.005mm/脉冲，滚珠丝杠导程 Ph=5mntn选步进电机步距角为1.8 ,采用五倍细分，由传动比：i3=1360因此/、需要减速机构，可以用步进电机直接驱动滚珠丝杠转动。5、步进电动机的计算和选型已知：滚珠丝杠的公称直径d0=20mm; 总长l=2354mm导程 Ph=5mm ；材料密度 p =7.85 X 10-3kg/cm3移动部件总重力G=500N（1）计算加在步进电动机

16、转轴上的等效负载转矩Teq,分快速空载启动和承受最大工作负载两种情况进行计算。1）快速空载启动时电机转轴所受的负载转矩Teq1 :Tf移动部件运动时折算到电机轴上的摩擦转矩，单位N ?m。T0滚珠丝杠预紧后折算到电机轴上的附加摩擦转矩，单位N ?m。Tf % % i(FzG% i(2-9)F摩 导轨的摩擦力，N；Ph 滚珠丝杠导程，单位 m；传动效率， 取 =0.95 ; i总传动比 i =1 ;导轨的摩擦系数(滚动导轨取0.003到0.005,这里选取0.005);Fz垂直方向工作载荷，空载时Fz=0,0.005 500 0.005由式(2-9)得：Tf 0.0021 N ? m2 3.14

17、 0.95Fyj滚珠丝杠预紧力，一般取工作载荷的1/3,单位为N;0滚珠丝杠未预紧时的传动效率，一般取00.9由于滚珠丝杠的传动效率高，所以T0值一般很小，与Tf比起，通常可以忽略不计。2)最大工作负载下电机转轴所受负载转矩Tea2eq 式中Tf和T0分别按上计算；Tt折算到电机轴上的最大工作负载转矩。丁FfPph.、1、I 2 .(2-10)式中Ff为进给方向最大工作载荷，单位N,在前面滚珠丝杠的选型计算时，已知沿丝杠轴线方向最大进给载荷Fm=2024N。_2024 0.005因此可得Tt1.70N ?m2 3.14 0.952、垂直方向承受的最大工作载荷(Fz=1875N )情况下，移动部

18、件运动时折算到电机转轴上的摩擦转矩综上计算，得到加在步进电动机转轴上的最大等效负载转矩应为：(2)步进电机静转矩的确定考虑到步进电动机的驱动电源受电网电压影响较大，当输入电压降低时，其输出转 矩会下降，可能造成丢步，甚至堵转。因此，根据Teq选择步进电动机的最大静转矩时，需要考虑安全系数。这里取安全系数K=4,则步进电动机的最大静转矩应满足：步进电机取大 静转矩要大于 6.84N.m。(3)计算加在步进电机转轴上的总转动惯量已知：滚珠丝杠的公称直径 do=20mm ; 总长l=2354mm导程 Ph=5mm ；材料密度 p =7.85 X 10-3kg/cm3移动部件总重力G=500N传动比为

19、1。滚珠丝杠折算到电机轴上的转动惯量：拖板折算到电机轴上转动惯量：总等效惯量：(4)电机型号选取综上计算可知，Jl 2.284kg ?cm2 ,Teq 1.71N?m一般要求Jm J( 得；综合考虑上面静转矩 Tj max 6.84N?m ，我们选用的步进电机为 110BF003反应式 步进电机，其参数见卜表：步进电机选为57BYG250皈应式步进电机电机型号相数步距角最大静转 矩空载启 动频率空载运行 频率转子转动 惯量57BYG250C30.9/1.8 7.84N.m1500HZ7000HZ4.6KG/ .a起动惯-频特性曲线b起动矩-频特性曲线c运行矩-频特性曲线(5)步进电机性能校核1

20、、校核脉冲当量误差因为我们选的步进电机的步距角与前面取得步距角不能，所以需要校核步进电机步距角1 1 8任务要求的脉冲当量为0.005mm/ p计算实际步距角iPh0.36 5 0.0104mm/p360i3601误差二一 100% 4% 10% 在要求范围内，满足设计要求。2、启动频率已知电动机转轴上的总转动惯量 ，电动机转子的转动惯量 Jm 4.61kgcm2,电动机转轴不带任何负载时的空载启动频率fM 1500Hz。则可以求出步进电动机克服惯性负载的启动频率：3、启动时间校核查启动矩一频特性曲线：见上面当 f=1220HZ 时，Tm 1.3N?M?Teq10.0021N ?M V 能带动

21、空载时的负载启动。”若按直线规律计算工其中nm最快的运行转速：设计s要求最快速度为6000mm/min对应的 f max 6 600 / 0.364800 Hz查表对应的Tm 1.22N ?M带入公式：远小于0.2-0.4S （机电一体化书上有）故满足启动时间的要求4、最大工进速度校验vi =1200mm/min 则 nivi i / ph 1200 /5 240r / min对应的fi 6ni / HZ查运行矩频特性曲线图（c）知道Tl2.5 N ?m故Tl1.7 N ?m 满足快速攻进速度要求。6、增量式旋转编码器的选用由于本设计采用半闭环控制，所以需要在滚珠丝杠尾部的上安装增量式旋转编码

22、 器，用以检测电动机的转角和转速。增量式旋转编码器的分辨力应与步进电机的步距角 相匹配。由步进电机的步距角等于1.8。，可以知道电动机没转动一周，需要控制系统发出360/1.8=200个步进脉冲，编码器可以选 300线。这样，控制器每发出一个步进脉 冲，电动机就转过一个步距角，编码器对应输出1.5个脉冲信号。选用K50-J 2N 100 B14编码器：增量式，空心轴，不贯穿，孔径 14mm与电动机尾部 出轴相匹配，电源电压+5V,每转输出300个A/B脉冲，信号为电源输出。生产厂家为： 上海恒祥光学电子有限公司。接线方式：选用K50-J 6C600 B10 编码器：增量式， 空心轴，不贯 穿，

23、孔径 10mm电源电 压+5V,每转输 出300个A/B 脉冲7、联轴器的选用及校核经过对十字滑台设计结构的分析，我们选用了结构比较紧凑的波纹管联轴器，其结构和选型表见下面：根据前面电机选型时计算可得电机轴上最大负载转矩T=1.71N.m考虑工作过程中的动载荷和在运转过程中的过载现象，计算转矩：TcaKaT其中Ka为工作情况系数，因十字滑台无冲击或轻微冲击，且工作情况比较好，因此取Ka 1得 TcaKaT 1.71N?m根据Tca,由选型表中参数，综合考虑，选用KB1/100，其具体参数见选型表中。联轴器选用波纹 管联轴器KB1/1008、轴承的选用及校核在前面滚珠丝杠的设计中，我们采用的是滚

24、珠丝杠“双推一一简支式”式支撑，从而我们选 用的轴承就是两对角接触轴承相对安装，能同时承受两个方向的轴向力和径向力，然后根据前面 选用的滚珠丝杠的轴径，我们选用的轴承是“深沟球轴承6302和推力球轴承 51102”。卜面我们对其进行寿命校核。双推-简支式：一端安装止推轴承与深沟球轴 承的组合，另一端仅安装深沟球轴承特点：其轴向刚度较低，使用时应注意减少丝杠热变形的影响 适用于中速、传动精度较高的长丝杠传动系统(1)、轴承受力分析根据前面滚珠丝杠的设计，我们画出了滚珠丝杠的受力示意图，我们取最极端情况，即滑台刚好走到最右边或最左边，且单边的力由一个轴承承担。因为我们的轴承结构如下图所示。(2)、

25、计算当量动载荷 P1 .采用了一组深沟球轴承，径向载荷Fr 1110N,轴向载荷Fa 181.32N,转速1200R/MIN,装轴承处的轴颈范围 19-25:查表得e最大为0.44,最小为0.22, fd=1.2,x=1,y=1 :Fa所以Fre当量动载荷 Pfd(XFr YFa) 1332N轴承的基本额定动载荷：C Pj肉滑 13.481KN查表得轴承选用 6302,其C为15.8KN,内径为15,外径为42,宽为13.C6(3)、寿命校核计算：L10 ()式中L10为单位为10 r ；对于深沟球轴承PC为轴承基本额定动载荷。C15.8 3因此L10 (_)()3 51.7P1.3根据前面计

26、算，以最大工进速度运动时，转速n=600r/min,可以计算再次条件下计算用小时表示的基本额定寿命Lh :106 C10615.8 3所以 Lh (一)()12308.6h60n P 60 70 1.3(4)、综合分析以上计算，我们取得是最大载荷，受力是在最恶劣的情况下，且以空载最快运动 速度下校核寿命为12308.6h,能达到要求。2.米用了一个推力球轴承：轴向载荷为181.32N,径向载荷可忽略不计。查表初选型号为 51102, C为14.20KN,内径为15,外径为28,宽度为9。 C 63)、寿命校核计算：L10 ()式中L10为单位为10 r ；对于推力球轴承P3C为轴承基本额定动载

27、荷。因此L010(C)(翳)3 25.7根据前面计算，以最大工进速度运动时，转速n=600r/min,可以计算再次条件下计算用小时表示的基本额定寿命Lh :,106 ,C、106 ,14.2、3 所以 Lh ( )()10308.6h60n P 60 70 2.1综合分析以上计算，我们取得是最大载荷，且以空载最快运动速度下校核寿命为10308.6h,能达到要求。9、各传动部件的调整(1)、滚珠丝杠的预紧：我们选用的滚珠丝杠是内循环固定反相器双螺母垫片式预紧，调整方法是通过调整预计片的厚度，可使两螺母产生相对位移，已达到消除间隙、产生 预紧力的目的。(2)、轴承的预紧：通过调整轴承座两边的垫片组

28、来调节轴承的预紧力。三、驱动器、单片机及电源1、驱动器的选择步进电机驱动器选用 SJ-3F130M根据前面选用的三相反应式步进电机57BYG250C ,我们选用的驱动器是与其对应的SJ-3F130M三相反应式步进电机细分驱动器，其技术参数1.1、 供电电源：交流 AC1为16V/1.0A , AC2为60-120V,必须两项供电。1.2、 驱动器适配电机：57BYG250A、57BYG250B、57BYG250C、110BF003、110BF380B、110BC380C、130BF3100、130BC3100A、130BC3100B。1.3、 驱动电流：根据不同电机，调节驱动器使输出电流与电机

29、相匹配，如果电机能够拖动负载可以调节小于电机额定电流，但不能调节大于电机额定电流，否则电机会过热。1.4、 驱动方法：正弦波恒流斩波驱动1.5、 本驱动器的输入信号共有三路，它们是：步进脉冲信号CP、方向电平信号 DIR、脱机彳t号FREE。它们在驱动器内部分别通过270欧姆的限流电阻接入光耦的负输入端，且电路形式完全相同，见下图（图 2-1） o OPTO端为三路信号的公共正端（三路光耦的正输入端），三路输入信号在驱动器内部接成共阳方式，所以 OPTO端须接外部系统的 VCC,如果 VCC是+5V则可直接接入；如果 VCC不是+5V则须外部另加限流电阻 R,保证给驱动器内部光耦提供8-15m

30、A的驱动电流，参见下图2、AT89S51单片机3.8255扩展I/O 口芯片、74LS373锁存器5、驱动器电源及单片机电源选择（1）、单片机供电电源根据原理图中相关内容来看，可知需要直流开关电源，选用的是上海沧灿自动化科技有 限公司生产的明纬开关电源，型号为HRP-75-24,其规格参数见下表；型号直流输出电压交流输入电压接地端口HRP-75-2424V （端口 4、5）85264VAC（端口 为 1、2）3号端口HPR-75-55V(端 口 4、5)85264VAC(端 口 1、2)3号端口(2)、驱动器电源:由上面驱动器选型知道，驱动器需要交流AC1为16V/1.0A、AC2为60-12

31、0V两项供电,且OPTO端为三路信号的公共正端(三路光耦的正输入端)，三路输入信号在驱动器内部接成共阳方式，所以OPTO端须接外部系统的+VCC,且VCC是+5V,我们这个电源选用的就是上面表格中的 HPR-75-5直流开关电源。 AC1和AC2则是选用的变压器，型号为 JBK5-40和 JBK5-160.四、单片机程序#includeUnsigned char code StepPhase尸0x01,0x03,0x02,0x06,0x04,0x05;三相六拍bit Direction=0;bit RunStatus=0;unsigned char StepPointer=0;#defineT

32、IMER50US20000#defineSTEPMOTORP2unsigned char SpeedGrade=0;unsigned char SpeedCount=0;/数码管显示定义与声明sfr P0M1=0x93;Sfr POM0=0x94;Code unsigned char LEDSEG尸0x3F、0x06、0x5B、0x4F、0x66、0x6D、0x7D、0x07、0x7F 0x6F、0x77、0x7C、0x39、0x5E、0x79、0x71;显不 09, AF代码表#define K1=P3.2#define K2=P3.3#define K3=P3.4#define K4=P3.5/main()主程序Void main(void) Unsigned int i;配置 P0 端口的 P0.0P0.7配置T1位定时模式，工作于方式2初始化T1定时1MS启动T0工作使