1、 机电一体化课程设计 学号： 11204020238 姓名： 邹垒 指导教师：甘彬老师 成绩： 日期： 2015.07.12 重庆理工大学 单向工作台设计 - 1 - 目录 重庆理工大学专业课程设计任务书 . 错误 !未定义书签。 一、总体方案的确定 . 3 1、机械传动部件的选择 . 3 2、控制系统的设计 . 4 二、机械传动部件的计算与选型 . 4 1、导轨上移动部件的重量估算 . 4 2、直线滚动导轨副的计算与选型 . 5 3、滚珠丝杠螺母副的计算与选型 . 6 4、 步进电机的选用 . .10 5、步进电动机的计算和选型 . .10 6、 增量式旋转编码器的选用 . 16 7、 联轴
2、器的选型及 校核 .16 8、 轴承的选用及校核 .17 9、 各传动部件的预紧 .20 三、驱动器、 单片机 及电源 .21 1 、驱动器的选择 .21 2、单片机 . 24 3、 82C55 和 74LS373 4、驱动器电源及单片机电 源选择 .24 四、单片机 VC 源程序 .25 五、参考文献 .29单向工作台设计 2 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
3、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，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 （ 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、链传动等； （ 3） 电气控制方式：单片微机控制 、 PLC 控制；
4、 （ 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 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
5、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； 单向工作台设计 3 6 机电一体化系统设计； 7 机电控制及自动化； 8 机械设计
6、手册； 机电一体化技术手册 一、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（ 0.01mm），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
7、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 单向工作台设计 4 （ 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，
8、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，估计重量约为 G=500N 单向工作台设计 5 500N。 2、
9、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。工作台采用水平布置，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： 2max 4 FGF (2-2) 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
10、-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 导轨型号 导轨长度系 JSA-LG15 280 340 400 460 520 580 640 700 760 820 940 JSA-LG20 340 400 520 580 640 760 820 940 1000 1120 1240 JSA-LG25 460 640 800 1000 1240 1360 1480 1600 1840 1960 3000 JSA-LG35 520 600 840 1000 1080 1240 1480 1720 2200 2440 3000 JSA-LG45 550
11、65 750 850 950 1250 1450 1850 2050 2550 3000 JSA-LG55 660 780 900 1020 1260 1380 1500 1980 2220 2700 3000 JSA-LG65 820 970 1120 1270 1420 1570 1720 2020 2320 2770 3000 导轨副的型号 : KL 系列的 JSA-LG25型 导轨长度为3000mm (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 100，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
12、。查表 表 3-36 硬度系数 滚道硬度（ HRC） 50 55 5864 fH 0.53 0.8 1.0 表 3-37 温度系数 距 离 寿 命 为单向工作台设计 6 工作温度 / 90%，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=2150mm；钢的弹性模量 E=2.1 105MPa；查表 3-31，得滚珠直径 DW=2.175mm，丝杠底径 d2=16.2mm，丝杠截面积 222 / 4 3 5 2 .8S d m m 。 丝杠的拉伸或压缩变形量 1在总变形量中
13、的比重较大，可按下式计算： IEMaESaFm 2 21 (2-5) 式中： Fm 丝杠的最大工作载荷，单位为 N a 丝杠两端支承间的距离，单位为 mm E 丝杠材料的弹性模量，钢的 E=2.1 105MPa S 丝杠按底径 d2确定的截面积，单位为 mm2 M 转矩，单位为 N mm 单向工作台设计 9 I 丝杠按底径 d2 确定的截面积惯性矩 （ 64/42dI ）， 单位为 mm4 滚珠与螺纹滚道间的接触变形量 2 无预紧时 3 22 1010 0 3 8.0 ZFD m (2-6) 有预紧时 3 22 10/100 0 1 3.0 ZFDFYJwm (2-7) 式中 DW 滚珠直径，
14、 mm Z 滚珠总数量 ， Z =Z圈数列数 Z 单圈滚珠数， wDdZ /0 （外循环） ， 3/0 WDdZ （内循环） FYJ 预紧力，单位 N 由于转矩 M一般较小，可以忽略式 2-5中的第二项，算得丝杠在工作载荷 Fm 作用下产生的拉 /压变形量 1 52 0 2 4 2 3 5 4 0 . 0 1 6 42 . 1 1 0 3 5 2 . 8mFa mmES 2） 根据公式 3/0 WDdZ ， 求得单圈滚珠数 Z=24；该型号丝杠为单螺母，滚珠的圈数列数为 4 2，代入公式： Z =Z圈数列数，得滚珠总数量 Z =176。丝杠预紧时，取轴向预紧力 FYJ=Fm/3=674N。则由
15、式 2-7，滚珠与螺纹滚道间的接触变形量 2 2 3223 20240.00 13 0.00 13 0.00 1410 / 10 10 3.17 5 675 176 / 10mw Y JF mmD F Z 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， 2=0.0007mm。 3）将以上算出的 1 和 2代入 12 0 . 0 1 6 4 0 . 0 0 0 7 0 . 0 1 7 1 1 7 . 1m m 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时，行程偏差允许达到 27 m，可见丝杠刚度足够。 丝杠刚度足够 （ 6）压杆稳定性校核 滚珠丝杠是属于受轴向力的细长杆，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：
