機電 04 2 * 機電一體化機械系統設計課程設計計算說明書 1 機電一體化系統設計課程設計說明書 （步進電機直接驅動單軸直線伺服移動機構設計） 學 院： 機電工程學院 班 級： 04 機電（ 2）班 姓 名： 張景貴 學 號： 20040310010301 指導教師 ： * 機電 04 2 * 機電一體化機械系統設計課程設計計算說明書 2 目 錄 1 課程設計的目的 - 3 2 設計內容 - 3 3 課程設計要求 - 4 4 機電一體化系統設計 1) 確定滾珠絲桿副的導程 - 4 2) 滾珠絲桿副的載荷及轉速計算 - 4 3) 確定預期額定的載荷 - 4 4) 按精度要求確定允許的滾珠絲桿的最小螺紋底徑 - 5 5) 確定 滾珠絲桿副的規格 - 5 6) 對預緊滾珠絲桿副，確定其預緊力 - 6 7) 確定 滾珠絲桿副支承所用軸承規格 - 6 8) 滾珠絲桿副工作圖設計 - 6 9) 電機的選擇 - 6 10) 滾珠絲桿的校核 - 8 11) 滾珠絲桿副的極限轉速 nc 的校核 - 8 12) Dn 值的驗證 - 9 13) 基本軸向額定靜在和 Cu 的驗算 - 9 14) 強度驗算 - 9 15) 軸承的選擇與驗算 - 9 16) 滾動直線導軌選擇，計算和驗算 - 12 17) 機械控制系統原理及電路設計 - 14 5 附錄【 1】 HXD55 無相混合式驅動器 - 16 6 密封和潤滑 - 17 7 結論 - 18 8 參考文獻 - 21 機電 04 2 * 機電一體化機械系統設計課程設計計算說明書 3 一 課程設計的目的 ： 1.掌握機電一體化系統設計 過程和方法，包括參數的選擇，傳動的設計， 零件的計算，結構的計算，培養系統分析及設計的能力。 2.綜合應用過去所學 的理論知識，提高聯系實際和綜合分析的能力，進一步鞏固，加深和拓寬所學的知識。 3.訓練和提高設計的基本技能，如計算，繪圖，運用設計資料，標準和規范，編寫技術文件（說明書）等。 二 設計內容 主要性能參數： 負載 工進速度 （ m/min） 快進速度 （ m/min） 重復定位精度(mm) 定位精度(mm/300mm) 行程 (mm) 加減速度時間 (s) 要求壽命 (h) 絲桿直徑初定 (mm) 絲桿支撐形式 F1 (N) F2 (N) 2000 1500 2 0.4 0.01 0.02 500 2 22000 16 兩端固定 (1) 機械系統部分：完成詳細的裝配圖設計。 (2) 控制部分（計算機控制課程設計內容） 采用 MCS51 系列單片機來完成此控制系統的設計，完成控制系統原理圖和主要程序的設計清單。 完成設計計算步驟： 1. 步進電機的選擇，計算和驗算。含以下內容： 脈沖當量的確定，空載轉矩的計算， 各 傳動 部件等效轉動慣量，等效轉矩的折算 機電 04 2 * 機電一體化機械系統設計課程設計計算說明書 4 2. 滾珠絲杠的選擇，計算和驗算。 3. 滾動直線導軌選擇，計算和驗算。 三 課程設計要求完成以下工作 : 1.裝配工作圖或系統總體圖 1 張 1#手繪 . 2.設計計算說明書 1 份 (計算機打印 ,B5 紙 )8000-10000 字 . 3.控制原理設計 系統硬件原理圖設計 (包括微機的選擇 ,存儲器的擴展 ,I/O 接口設計 ,伺服驅動電路的選擇或設計 等 )2#圖手繪 . 四 機電一體化系統設計 步進電機直接驅動單軸直線伺服移動機構設計 滾珠絲桿副的參數選擇與計算 1 確定滾珠絲桿副的導程 Ph： 根據傳動關系圖 及傳動條件選擇滾珠絲桿副的導程 Ph Ph=10mm 2滾珠絲桿副的載荷及轉速計算： 1）最小載荷 Fmin 選機器空載時滾珠絲桿副的傳動力。 根據工作臺尺寸確定其質量為 25kg。 由滾動導軌副的摩擦系數 f=0.005 得 1 . 2 2 5 N0 . 0 0 59 . 825fGF m in 2)最大載荷 Fmax 選機器承受最大負荷時滾珠絲桿副的傳動力 . 2 0 0 8 . 7 2 5 N0 . 0 0 59 . 8 )25( 1 5 0 02000G ) f( F 2F1F ma x 3)滾珠絲桿副的當量轉速 nm 及當量載荷 Fm: 1 2 0 r / m i n20 . 0 1 ) ( 0 . 40 . 0 1 )(22)n(nn m i nm a xm 1 3 3 9 . 5 6 N3)1 . 2 2 52 0 0 8 . 7 2 52(3F mi n ) F ma x(2Fm 3.確定預期額定的載荷 1)按預期工作時間 Lh（小時）計算： 根據要求選取系數得 fw=1.5, fa=1.0 fc=1.0，由公式得： 機電 04 2 * 機電一體化機械系統設計課程設計計算說明書 5 8.2 4 7 0 844.00.11005.156.1 3 3 92 2 0 0 01206010060 33 cawMhm ff fFLnCa mN 4、 按精度要求確定允許的滾珠絲桿的最小螺紋底徑 d2m: 1).估算滾珠絲桿的最大允許軸向變形量m： 機床或機械裝置伺服系統精度大多早空載下檢驗。空載時用在滾珠絲桿副上的最大軸向工作載荷是靜摩擦力 F0。移動部件在 Kmin 處起啟動和反向時，由于 F0 方向變化將產生誤差 2 F0/Kmin（又稱摩擦死區誤差），它是影響重復定位精度的最主要因素，一般占重復定位精度的（ 1/22/3）。所以規定滾珠絲桿副允許的最大軸向變形： 重復定位精度 )4/13/1(0Mm KF =（ 0.00250.0034） mm 影響定位精度的最主要因素是滾珠絲桿副的精度 ,其次是滾珠絲桿滾珠絲桿本身的拉壓彈性變形 (因為這種彈性變形隨滾珠螺母在滾珠絲桿上的位置變化而變化 ), 以及滾珠絲桿副滾珠絲桿副摩擦力矩的變化等。一般估算是時m 定位精度)5/14/1(。 即m 定位精度)5/14/1(=（ 0.0040.005） mm 以上兩種方法估算的小值取做m值 ,即m=0.0025mm. 2)、估算滾珠絲桿副的 底徑 d2m： 由滾珠絲桿副的安裝方式得 mmmLFELFd 002 0 39.01010 式中： L 兩個固定支承之間的距離（ mm） =1.2 500+12 10=720mm 所以 mmdm 16.230 0 2 5.0720225.1039.02 5、確定 滾珠絲桿副的規格代號： 根據條件amam CCdd ,22得選用滾珠絲桿副的型號為 3210 5，公稱直徑為機電 04 2 * 機電一體化機械系統設計課程設計計算說明書 6 mmd 7.340 mmd 5.321 mmd 7.242 KNC a 7.39 6、 對預緊滾珠絲桿副，確定其預緊力 Fb： 由最大軸向工作載荷 Fmax確定 NFF b 575.669725.20083131 m a x 7、確定 滾珠絲桿副支承所用軸承規格型號； 由計算 8、 滾珠絲桿副工作圖設計： 1）、確定滾珠絲桿副的螺紋長度eus LLL 2Le=40mm Lu=有效行程 +螺母長度 =500+8Ph=580mm 得 mmLs 66080580 2）滾珠絲桿螺母的安裝連接尺寸： 9、電機的選擇： 1）作用在滾珠絲桿副上各種轉矩計算 外加載荷產生的摩擦力矩 TF（ N.m） 空載時 : mNFPT hF .0 0 2 2.09.014.32 01.02 2 5.120 外加徑向載荷是的摩擦力矩 : mNPFT hLFL .015.09.014.32 01.0725.82 機電 04 2 * 機電一體化機械系統設計課程設計計算說明書 7 滾珠絲桿副 預加載荷 Fb產生的預緊力矩 : NmPFT hbb 25.09.0 9.01.14.32 01.0575.6691.2 2 22 2 2）負荷轉動慣量 JL（ Kg.m2）及傳動系統轉動慣量 J（ Kg.m）的計算： LMmjjmiiLJJJnVmnnJ 22 )2()( 滾動絲桿的轉動慣量： 424224431013.725)14.3201.0(105.6.)2(.105.63272.00 3 3.0108.7mPJJmkgJhSLs由 141 lmJJ即： 4,4 1013.71078.1 mJ取 Jm=3.57 10-4 則有： 33 107.1010)13.757.3( LM JJJ 3）加速轉速 Ta 和最大加速轉矩 Tam 當電機轉速從 n1 升至 n2 時 : Nmt nnJTaa3421 102.9260 )402 0 0(14.32107.1060 )(2 當電機從靜止升速到 nmax NmtnJTaam34m a x 102.11260 2 0 014.32107.10602 4)電動機最大啟動轉矩 Tr(N.m) NmTTTTT LbFamr 815.325.09.014.32 01.02000015.0102.11 3 5)電動機連續工作的最大轉矩 : NmTTT LFM 8.379.3015.0 6)電動機的選擇 : 機電 04 2 * 機電一體化機械系統設計課程設計計算說明書 8 在選擇電動機是主要從以下幾個方面考慮 : 1. 能滿足控制精度要求 . 2. 能滿足負載轉矩的要求 . 3. 滿足 慣量匹配原則 . 上述計算均沒有考慮機械系統的傳動效率 .當選擇機械傳動總效率 =0.96 時 ,同時 ,在車削 時 ,由于材料的不均勻等因素的影響 ,會引起負載轉矩突然增大 ,為避免計算上的誤差以及負載轉矩突然增大引起步進電機丟步而引起加工誤差 ,可以適當考慮安全系數，安全系數一般可以在 1.2-2 之間選取 .如果選取安全系數 K=1.5,則步進電機可按以下總負載轉矩 為 : NmkTT m 96.55.1)96.0/815.3( 如果選上述預選的電動機 90BYG55C,其最大靜轉矩 Tjmax=6.3Nm。在五相十拍驅動時，其步矩角為 0.36( )/setp，為了保證帶負載能正常加速啟動和定位停止，電動機的起動轉矩必須滿足： Tjmax T 由 Tjmax =6.3Nm T = Nm96.5 ，故選用合適。 10.滾珠絲桿的校核 在選擇滾珠絲桿時，可根據原絲桿直徑的大小，按類比法選擇其名義直徑，因此，就需要對其負載能力進行必要的校核，如果是根據承載能力選出的則應對壓桿穩定及其剛度進行必要的校核。 下面 進行滾珠絲桿副臨界壓縮載荷 Fc 的核算（即驗算壓桿穩定性） m a x5214221 10 fLdkkFcc （其中：311 kf=21.9 42 k 730.4 ） NFFFNF C 725.2 0 0 810163.110590 7.24431 m a x552 4 摩總 所以驗證穩定性合格 . 11.滾珠絲桿副的極限轉速 nc 的校核 (避免高速運轉時產生共振 ) 3222222 10260 ccc LdfAEILkn 機電 04 2 * 機電一體化機械系統設計課程設計計算說明書 9 m a x372 m i n/105.1510590 7.249.21 nr 驗算合格 . 12.Dn 值的驗證 7 0 0 0 06 9 4 02007.34. m a x nD pw 合格 . 13.基本軸向額定靜在和 Cu 的驗算 )2(105.8245.4017725.20082.3m a x取soaoaasfCCFf 14.強度驗算 m a x2241 aFd 15.軸承的選擇與驗算 根據前面的計算 ,我們預選軸承為角接觸球軸承 .選用型號為 :7005AC, 查相關手冊 ()可得此軸承的一些相關參數 : Cr=11.2KN Cor=7.08KN d=25mm B=12mm 根據工 作臺受力分析 ,可以得到如下軸承簡化受力分析圖 ,見下圖 : 機電 04 2 * 機電一體化機械系統設計課程設計計算說明書 10 對其進行受力分析 ,如上 ,則可得 : 1307507.11662221 FF NFFrrr 由兩式連解的 : 2rF =202.23N 1rF =964.37N 取 e=0.68,則有 : NFF rd 77.65568.0 11 NFF rd 56.1 3 768.0 22 NFNFF ddae 77.6559.1 4 7 0 12 所以軸承 1 被壓緊 ,則 : 9.1 4 7 021 daea FFF NF a 56.1372 求當量動載荷 : eFFra 52.137.9 6 4 9.1 4 7 011eFFra 68.023.2 0 2 56.1 3 722則 :對軸承 1: X1=0.41 Y1=0.87 對軸承 2: X2=1 Y1=0 取 fp=1.1 則有 : NFYFXfp arp 9.1 4 7 0)56.3 0 3 087.037.96441.0(1.1)( 11111 NFYFXfp arp 53.2 2 2)023.2 0 21(1.1)(2 2222 驗算軸 承壽命 : 因為 P1P2, 所以軸承所承受的壽命計算 : hhpcnL h 2 2 0 0 07 9 9 4 6)9.1 4 7 0 105.14(2 0 060 10)1(6010 33636 故 ,軸承壽命合格 . 15.滾動直線導軌選擇，計算和驗算 . 機電 04 2 * 機電一體化機械系統設計課程設計計算說明書 11 本設計采用 滾動直線導軌 ,其最大優點是摩擦系數小 ,動 ,靜摩擦系數差很小，因此 ,運動輕便靈活 ,運動所需功率小 ,摩擦發熱少，磨損小，精度保持性好 ,低速運動平穩性好 ,移動精度和定位精度高的優點 .所采用的滾動直線導軌結構如下圖所示 : 在選擇導軌時，主要遵循以下幾條原則： 1. 精度不干涉原則：導軌的各項精度制造和使用時互不影響才易得到較 高的精度。 2. 靜，動摩擦系數相近的原則：例如選用滾動導軌或朔料導軌，由于摩擦系數小且靜，動摩擦系數相近，所以可獲得很低的運動速度和很高的重復定位精度。 3. 導軌能自動貼合原則：鑰匙導軌精度高，必須 使相互結合的導軌有自動貼合的性能。對水平位置的工作的導軌，可以靠工作臺的自重來貼合 ;其它導軌靠附加的彈簧力或者滾輪的壓力使其貼合。 4. 移動的導軌在移動過程中，能始終全部接觸的原則 ;也就是固定的導軌長，移動的導軌短。 5. 對水平安裝的導軌，以下導軌為基準，上導軌為彈性體的原則。 6. 能補償因受力變形和受熱變形的原則。 根據以上原則且 因為所設計的機械所受的力不是很大 ,所以初選導軌為GGB16AAL2P2-4 其額定靜 ,動載 07.60 acKN, ac6.8KN.查表確定各 系數1 運動件； 2 滾珠；3 承導件； 4 返回器； 5 工作滾道；6 返回滾道6A A 旋轉51243AA機電 04 2 * 機電一體化機械系統設計課程設計計算說明書 12 為 ; 2.1,1,66.0,1,1 wacth fffff從而可以確定所受的最大力為 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 所以滿足壽命的要求，合格 16.機械控制系統原理及電路設計 . (1) 設計 要求 : 采用 MCS-51 系列單片機來完成此控制系統的設計 ,完成控制系統原理圖等 . 主要包括鍵盤 ,LED 顯示 ,電動機的啟動、停止、單進控制、聯動控制 等的控制 .同時還要有一些自動錯誤處理功能 .如限位控制 ,驅動出錯處 理 ,這就需要在程序設計時提供相應的中斷處理程序。 (2)方案分析 : 由前面電動機的選擇 :選用電動機型號為 90BYG55C的步進電機 .此電機是一個五相十拍的電動機。由機電一體化可以知道步進電機的運行特性與配套的驅動電源（驅動器）由密切的關系。驅動器由脈沖發生器和功率放大器兩大部分組成的。在微機控制電機過程中，需要使電機按照一定規律變化進行運動，而控制這部分規律變化的部分叫做脈沖分配器。實現脈沖分配有兩種方法：計算機軟件和硬件電路法。當有了環形脈沖分配后，還是不夠的。由于我們的脈沖是由微機單片機 發出的，屬于低電平，是不能直接驅動電機進行運動的，這時我們可以采用功率放大電路將脈沖進行功率放大，然后驅動硬件電路。 對于復雜的電路驅動，如五相十拍電路，具有 A,B,C,D,E 無相，他的十拍工作方式為： AB-ABC-BC-BCD-CD-CDE-DE-DEA-EAB-AB- 對于這這種復雜的驅動方式，如果采用軟件編程或者硬件電路來實現驅動控制都是比較復雜的，這時我們可以采用專用驅動控制芯片，這里采用 HXD55 型五相混合式驅動器。（詳細參考見附錄【 1】） 我們采用 MCS-51 系列的 8031 型的單片機作為微機控制的主芯片。系統機電 04 2 * 機電一體化機械系統設計課程設計計算說明書 13 原理圖中，采用 74LS373 進行 P0 口的鎖存，同時擴展一片 2764 的程序存儲器和一片 6264 的數據存儲器 ，作為系統的數據處理和存儲之用。同時，我們需要擴展鍵盤和顯示，就需要擴展接口來連接。采用 8155 進行接口擴展， PA 口， PC口屬于輸出口， PB 口屬于輸入口。 PA 口的八根地址連接成 4 4 的 鍵盤接口電路， PB 口用于 LED 的八路接口，同時用 PC 口的 6 路進行 LED 的位控接口。 同時由 P2 口的 P2.5,P2.6,P2.7 進行 74LS138 的片選輸入，對 2764 和 6264 進行片選。系統原理電路圖見附圖（ A2 圖紙）。 （ 3）地址計算： 1） 8155 的地址計算： 在 8155 中，采用 P1.7 來控制 IO/M 口，進行 I/O 和 RAM 選項控制。 當 P1.7=0 時，選擇 RAM 口，其地址為： 0 1 0 所以其地址為 4000H-5FFFH（其中 P1.7 為 0） 當 P1.7=1 時，單片機選中 I/O 口，其地址為： 0 1 0 所以其地址為 4000H-5FFFH（其中 P1.7 為 1） 因此： 8155 的具體地址： 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 片選控制，地址選擇如下： 0 0 0 所以地址范 圍為： 0000H-1FFFH 3） 6264 的地址： 同樣采用 74LS138 片選控制，地址選擇如下： 機電 04 2 * 機電一體化機械系統設計課程設計計算說明書 14 0 0 1 所以地址范圍為： 2000H-3FFFH 4）芯片列表： 序號 名稱 型號 數量 1 微控制器 MCS-8031 1 2 數據存儲器 6264 1 3 程序存儲器 2764 1 4 鎖存器 74LS373 1 5 譯碼器 74LS138 1 6 接口芯片 8155 1 7 鍵盤 4x4 鍵盤 1 8 顯示器 LED 七段數碼顯示器 6 9 光電耦合器 光電耦合器 3 10 電機驅動器 HXD55 驅動器 1 11 電阻 若干 12 晶振 20KHZ 1 13 電容 若干 5）軟件流程圖 ; 機電 04 2 * 機電一體化機械系統設計課程設計計算說明書 15 啟動 速度控制 鍵盤輸入 中斷服務處理 調整定時器定時常數 脈沖輸出 控制電機 位置控制 單進 /連動 正轉 絕對位置減 1 絕對位置加 1 越界 停機 報警 步數減 1 步數 =0 停機 重裝定時常數 退出 加速 /減速控制 正轉 絕對位置減 1 絕對位置加 1 越界 停機 報警 加速 ? 加速步數減1 級步數減1 恒速 ? 級步數 =0 加速一級 計算級步數 加速步數 =0 指針指向恒速 減速步數減1 級步數減1 級步數 =0 減速一級 計算級步數 停機 恒速步數減1 恒速步數 =0 指針指向恒速 減速一級 計算級步數 減速步數 =0 重裝定時常數 退出 機電 04 2 * 機電一體化機械系統設計課程設計計算說明書 16 附錄【 1】 HXD55 無相混合式驅動器使用說明 (一 ) 主要特性： （ 1） 使用五相 混合式五出線步進電機 （ 2） 使電機扭矩保持性好，振動低 （ 3） 鎖定時相電流大小可根據需要調節為 2A,3A,4A,5A （ 4） 具有過 熱，過流報警輸出，工作電壓為 AC80V (二 ) 驅動器各部件名稱與功能 （ 1） 電機勵磁指示燈 -功放 指示燈亮時表明電機處于通電狀態，熄滅時 電機中無電流通過。 （ 2）報警指示燈 -報警 當驅動器楚湘故障時此指示燈點亮 （ 3）過熱報警指示燈 -過熱 當驅動器內部散熱片的溫度超過 85 0C 時過熱指示燈點亮，同時驅動器停止工作。 （ 4）相原點指示燈 -相原點 驅動每接受二十個脈沖信號（步進時）或十個脈沖信號（整步時）此指示燈亮有一次 （ 5）自檢開關 -自檢 將開關下撥（ ON），驅動器自動帶 動電機運行，運行頻率為 1P.P.S。 （ 6）單 /雙脈沖選擇開關 -單 /雙脈沖 可設定驅動器的工作方式為單脈沖方式（使用脈沖 CP 和方向 DIR）或者雙脈沖方式（使用正轉脈沖 CW 和反轉脈沖 CCW）。開關下撥（ ON）為雙脈沖方式。通電時請勿切換。 （ 7）步矩角切換開關 -半不 /整步 設定電機 1 脈沖當量動作角度。可設定電機為半步（ 36.0 ） 運行方式或整步（ 72.0 ）運行方式。開關下撥（ ON）為整步運行方式。 （ 8）相電流調整開關 機電 04 2 * 機電一體化機械系統設計課程設計計算說明書 17 根據所 驅動的步進電機調整與之適應的相電流。 （ 9）接線插頭 信號名稱 輸入輸出形式 功能 步進脈沖正轉輸入 光電耦合輸入： 高電平： 4-6V 低電平： 0-1V 用脈沖的邊沿觸發，每觸發一次電機步進一步 旋轉方向 /反轉脈沖輸入 單面沖工作時為方向控制信號 雙脈沖工作時為反轉脈沖信號 勵磁控制信號輸入 此信號有效時電機處于非勵磁狀態，步進系統不能正常工作 故障信號輸出 光耦開環輸出外部使用條件： DC24V以下 10m 以下 報警信號輸出 相原點信號輸出 相原點指示燈亮時光耦輸出端導通 A B C D E 電機無相輸出 接線時與電機陰險標號保持一致，當電機旋轉方向與控制信號設定方向相反時，可將 A與 E 對調， B 與 D 對調以改變電機旋轉方向 交流 80V 輸入（最大電流 5A） 交流工作電壓輸入端 17.密封和潤滑 為了阻止灰塵，水，酸氣和其雜物進入軸承并阻止潤滑劑流失。再本設計中加如了軸承的密封裝置。因為滾珠絲杠的轉速不高，所以采用接觸式密封。在透蓋與軸承 中間加入了唇形密封圈，目的是防止潤滑油的流出。在軸承的左側加入軸承端蓋，目的是阻止灰塵，水，酸氣和其雜物進入軸承。為了降低摩擦阻力，散熱，吸收振動，防止銹蝕等 ，在整個系統中加入了潤滑裝置，在此系統中滾珠絲杠和軸承都采用脂潤滑，所采用的潤滑系統如下圖所示： 機電 04 2 * 機電一體化機械系統設計課程設計計算說明書 18 結論： 在本設計中采用步進電機直接驅動滾珠絲杠來實現工作臺的水平移動，因其 無位置反饋，其精度主要取決于驅動系統和機械傳動機構的性能和精度，精度不高。一般以功率步進電機作為伺服驅動元件。 但是其有 結構簡單、工作穩定、調試方便、維修簡單、價格低廉等優點， 但是因其無減速裝置，多用 在精度和速度要求不高、驅動力矩不大的場合 。同時由公式 步進電動機的步距角（ ）； 脈沖當 量（ mm/脈沖）； h 絲杠螺距（ mm） 易知可以通過增大傳動比 i 來提高定位精度，但是因本設計采用的是 步進電機直360i h 機電 04 2 * 機電一體化機械系統設計課程設計計算說明書 19 接驅動滾珠絲杠，所以定位精度是由 步距角來確定的。 而 m 定子相數； z 轉子齒數； k 通電系數， 這就要求