机电一体化课程设计-500x400步进电机驱动、单片机控制的XY两维工作台设计

1、全套图纸加153893706 重庆交通大学机电一体化课程设计X-Y工作台设计说 明 书姓 名：学 号：指导老师：目录：一、课程设计目的2二、课程设计要求.3三、课程设计内容.4四、课程设计总结.22五、参考文献.23一、课程设计的目的机电系统设计课程设计是培养学生设计能力的重要实践性教学环节之一，是综合运用所学过的机械、电子、自动控制、计算机等知识进行的基本设计训练。其目的是：1. 能够正确运用机电系统设计课程的基本理论和相关知识，掌握机电一体化系统（产品）的功能构成、特点和设计思想、设计方法，了解设计方案的拟定、比较、分析和计算，培养学生分析问题和解决问题的能力，使学生具有机电一体化系统设计的初步能力；2. 培养学生机电一体化系统方案设计与分析的能力、机械电子伺服系统设计与分析的能力、创造性提出并解决关键问题的能力。3. 通过机械部分设计，掌握机电一体化系统典型机械零部件和执行元件的计 算、选型和结构设计方法和步骤；4. 通过测试及控制系统方案设计，掌握机电一体化系统控制系统的硬件组成、工作原理，和软件编程思想；5. 通过课程设计提高学生应用手册、标准及编写技术说明书的能力，促进学

2、生在科学态度、创新精神、专业技能等方面综合素质的提高。二、课程设计要求1. 课程设计应在教师的指导下由学生独立完成，严格地要求自己，不允许相互抄袭；2. 认真阅读课程设计指导书，明确题目及具体要求；3. 认真查阅题目涉及内容的相关文献资料、手册、标准；3. 大胆创新，确定合理、可行的总体设计方案；4. 机械部分和驱动部分设计思路清晰，计算结果正确，选型合理；5. 微机控制系统方案可行，硬件选择合理；6. 手工或电脑绘制机械系统装配图一张（A1），控制系统电气原理一张（A1或A2），图纸符合国家标准，布图合理，内容完整表达清晰；7. 编写课程设计说明书（不少于8000字，电脑打印），应包括以下内容：（1）封面（2）设计题目（3）目录（4）正文（总体方案设计，机械系统设计计算，电气控制方案等）（5）设计总结（6）参考文献三、课程设计的内容1. 总体方案设计（1）收集题目的相关资料，进行调查和研究：了解该题目的国内外发展状况、发展趋势，充分收集与题目有关的各种资料，包括产品的各项技术参数和技术性能指标、产品的生产工艺过程、制作材料、使用条件等。为设计做好资料准备，同时加深对本课程设计目的意义

3、的了解。（2）明确设计任务：在充分收资、调研的基础上明确开发产品的总体功能要求以及其它各项参数指标。（3）原理方案设计：根据总目标，明确产品的总功能，然后依据产品的加工工艺过程对总功能进行分解，分解到子功能，直至功能元，找出完成每个功能元的方法（从原理和结构两方面），最后形成许多种系统解决方案。（4）方案分析：比较各方案的优缺点，选择并最终确定一个最佳方案（选择控制系统，驱动系统，传动系统，导向系统，位置和位移检测等）（5）总体方案设计：确定系统的机械部分和控制驱动部分的总体设计方案，绘制总体方案草图。2机械传动系统设计（1）设计计算：根据工况确定负载，进行电机的选择计算、滚珠丝杠的选择计算和校核、齿轮的参数计算和校核等。（2）结构机械部分装配图。3控制驱动部分设计（1）确定系统组成，选择元器件。（2）绘制控制驱动系统电气原理图。（一）、总体方案的确定根据设计任务确定系统的总体机械和控制系统方案：进行系统运动方式的确定，执行机构及传动方案的确定，伺服电机类型及调速方案确定，计算机控制系统的选择。进行方案的分析、比较和论证。1. 系统运动方式与伺服系统采用连续控制系统。考虑到运动精度要求

4、不高，为简化结构，降低成本，宜采用步进电机开环伺服系统驱动。2. 计算机系统采用MCS-51系列中的8031单片机扩展控制系统。MCS-51单片机的主要特点是集成度高，可靠性好，功能强，速度快，性价比高。控制系统由微机部分、键盘及显示器、I/O接口及光电隔离电路、步进功率放大电路等组成。系统的工作程序和控制命令通过键盘操作实现。显示器采用数码管显示加工数据和工作状态等信息。3. X-Y工作台的传动方式为保证一定的传动精度和平稳性以及结构的紧凑，采用滚珠丝杠螺母传动副。为提高传动刚度和消除间隙，采用有预加载荷的结构。由于工作台的运动部件重量和工作载荷不大，故选用滚动直线导轨副，从而减小工作台的摩擦系数，提高运动平稳性。考虑电机步距角和丝杠导程只能按标准选取，为达到分辨率的要求，以及考虑步进电机负载匹配，采用齿轮减速传动。计算机光电隔离功率放大步进电机X向工作台光电隔离功率放大步进电机Y向工作台控制系统组成方案（参考）设计参数：定位精度：0.01mm，滚珠丝杠及导轨使用寿命：T=15000h，中等冲击，各题目的有效行程、快速进给速度和工作载荷见下表（一人一题）：题号有效行程(mm)快速进给

5、速度(mm/min)工作载荷Fz (N)LxLyvmaxvymax16500400100010001600根据设计参数，设计一台步进电机驱动、单片机控制的XY两维工作台，包括机械系统设计、选型及控制系统方案设计，完成工作台装配图、控制系统电气原理图和课程设计说明书。（二）机械部分设计机械部分设计内容包括：确定系统脉冲当量，运动部件惯性的计算，选择步进电机，传动及导向元件的设计、计算与选择，绘制机械部分装配图等。1、 确定系统脉冲当量脉冲当量p是一个进给指令时工作台的位移量，应小于等于工作台的位置精度，一般为0.010.005mm。在这取2、 工作台外形尺寸及重量初步估算画出工作台简图，估算X向和Y向工作台承载重量WX和WY。工作台简图初步确定X轴托板尺寸：重量：按重量=体积材料比重估算：X向导轨座初选尺寸：重量(含电机重量)：按重量=体积材料比重估算：上导轨尺寸：重量：按重量=体积材料比重估算：初步确定Y轴托板尺寸：重量：按重量=体积材料比重估算：Y向导轨座初选尺寸：重量(含电机重量)：按重量=体积材料比重估算：下导轨尺寸为：重量：按重量=体积材料比重估算：得出：3、 滚动导轨副的计算

6、、选择根据给定的工作载荷Fz和估算的Wx和Wy计算导轨的静安全系数fSL=C0/P，式中：C0为导轨的基本静额定载荷，kN；工作载荷P=0.5(Fz+W)； fSL=1.03.0(一般运行状况)，3.05.0（运动时受冲击、振动）。P=1622.5N，取受冲击时的fSL=4.0，则根据计算结果查有关资料初选导轨为中国艺工生产的型号为GGB16AA的四方受力均衡滚珠导轨，其额定静载荷为额定动载荷为依据使用速度v（m/min）和初选导轨的基本动额定载荷C(kN)验算导轨的工作寿命Ln：符合要求。4、 滚珠丝杠计算、选择 滚珠丝杆的主要优点有： （1）滚动摩擦系数小，传动效率高，其效率可达90%以上，摩擦系数f= 0.0020.005；（2）摩擦系数与速度的关系不大，故起动扭矩接近运转扭矩，工作较平稳；（3）磨损小且寿命长，可用调整装置调整间隙，传动精度与刚度均得到提高；（4）不具有自锁性，可将直线运动变为回转运动。滚珠丝杆的缺点有：（1）结构复杂，制造困难；（2）在需要防止逆转的机构中，要加自锁机构；（3）承受能力不如滑动螺旋传动大。初选丝杠材质：CrWMn钢，HRC5860，导程：l0=

7、5mm。（1） 强度计算丝杠轴向力：(N)式中：K=1.15，滚动导轨摩擦系数f=0.0030005；在车床车削Fx=(0.10.6)Fz，Fy=(0.150.7)Fz，可取Fx=0.5Fz，Fy=0.6Fz计算。寿命值：，其中丝杠转速(r/min)最大动载荷：式中：fW为载荷系数，中等冲击时为1.21.5，取1.5.fH为硬度系数，HRC58时为1.0。初选滚珠丝杠，采用中国艺工生产的型号为FF2505-3。公称直径，丝杆外径，丝杆底径，额定动载荷，额定静载荷符合要求。（2） 传动效率计算丝杠螺母副的传动效率为：式中：=10，为摩擦角；为丝杠螺旋升角。（3） 稳定性验算丝杠两端采用止推轴承时不需要稳定性验算。否则，按教材32页式（2.2）验算。式中：Fk为丝杠实际承受载荷的能力；fk为压杆稳定的支撑系数；E=2.1x1011Pa为钢的弹性模量；为丝杠小径d1的截面惯性矩；ls为丝杠长度；K=2.54为压杆稳定安全系数。（4） 刚度验算滚珠丝杠受工作负载引起的导程变化量为：(cm)丝杠受扭矩引起的导程变化量很小，可忽略不计。导程变形总误差为 (104m/m) ，其中导程l0的单位为cm

8、。E级精度丝杠允许的螺距误差 =15m/m。5、 齿轮计算、设计传动比：，初选步距角：= 1.5/step。根据计算的传动比，由整体结构要求初定大小齿轮齿数及模数m，从结构上采取措施消除传动间隙以提高传动精度（如下图所示）。齿轮1、2的分度圆直径分别为：d1=mz1，d2=mz2；齿宽b=20mm，分度圆压力角=20；齿顶圆直径为：da1=(z1+2)m，da2=(z2+2)m；中心距a=0.5(d1+ d2)。1、2-薄齿轮, 3弹簧, 4、8凸耳, 5调节螺钉, 6、7螺母双片齿轮错齿消隙结构图若取Z1=24，则Z2=50。模数m=1mm 齿轮尺寸：Z2450(mm)2450(mm)2652(mm)21.547.5(mm)376、 步进电机等效负载计算（1）等效转动惯量的计算折算到步进电机轴上的等效负载转动惯量为：(kgcm2)式中：Jw，Jz1，Jz2和Js分别为折算到步进电机轴上的工作台、齿轮1、齿轮2和丝杠的等效转动惯量，kgcm2。其中： (kgm2)， (kgm2)式中：d0为丝杠的名义直径；Ls为丝杠的总长；s，z分别为丝杠和齿轮的材料密度，可取为7.85x10-3kg/cm3。（2）等效负载转矩计算空载时的摩擦转矩： (Nm)工作时的负载转矩： 式中：=0.8，为考虑丝杠预紧时的传动效率。（3）起动惯性阻转矩计算(Nm)式中：电机转速m=2nm/60，起动加速时间t=0.025s。（4）步进电机输出轴上总负载转矩计算(Nm)7、 步进电机的选择为使步进电机正常起动（不失步），其起动力矩应满足：，取0.4。查教材95页表3.7，如选用三相六拍工作方式，则。步进电机的最高运行频率为：初

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