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1、 机电系统课程设计设计说明书设计题目：电动位移台 设 计 者：田 峰 012006008616 刘 昌 012006008619 周自成 012006008623 高 堃 012006008625 班级：机制0612班指定教师： 完成时间：2010年03月18日 目 录一、总体方案设计1.1 设计任务1.2 确定整体方案二、机械部分设计2.1 工作台外形尺寸2.2 滚动导轨计算选择2.3 滚珠丝杠计算选择校核2.4 丝杠轴承选择2.5 联轴器选择三、控制系统硬件设计3.1 步进电机的选择3.2 控制系统3.2.1 控制器的选择3.2.2 AT89S51接口设计3.3 驱动器的选择四、控制系统软
2、件设计一、总体方案设计1.1 设计任务机械系统的设计主要包括：整体结构设计；电机、丝杆、导轨、联轴器等标准器件的选择；底板、轴承座、电机座等零件的设计。驱动控制系统设计包括：设计简单的步进电机驱动电路或根据电机选择成品驱动器；选择控制器或自行设计控制器，控制器配套软件的设计。驱动控制系统最终要完成电气原理图。1.1.1 机械系统设计要求l 结构轻巧合理：两维的组合方式自拟l 技术指标：行程mm脉冲当量mm中心负载最大速度重复定位精度2000002515kg40mm/s0.005mm1.1.2 驱动电路的设计或选择：针对所选择的电机，设计符合负载要求的驱动电路或选择驱动器。1.1.3 控制系统设
3、计要求：要求实现的功能：1电机的点动控制：电机正转、反转、停止等功能2电机的轮廓控制：直线插补功能，圆弧插补功能3电机的启停时的加减速控制：1.2 确定整体方案1.2.1 运动方式与伺服系统运动方式采用点位控制系统。点位控制系统是指数控系统只控制刀具或机床工作台，从一点准确地移动到另一点，而点与点之间运动的轨迹不需要严格控制的系统。为了减少移动部件的运动与定位时间，一般先以快速移动到终点附件，然后以低速准确移动到终点定位位置，以保证良好的定位精度。为了简化结构，降低成本，电机选用步进电机，采用步进电机开环私服系统驱动电移台。1.2.2 运动控制系统初步选用51系列单片机。51单片机是对目前所有
4、兼容Intel 8031指令系统的单片机的统称。该系列单片机的始祖是Intel的8031单片机，后来随着Flash rom技术的发展，8031单片机取得了长足的进展，成为目前应用最广泛的8位单片机之一，其代表型号是ATMEL公司的AT89系列。本设计即采用了AT89S51单片机控制系统。它的主要特点是集成度高，可靠性好，功能强，速度快，有较高的性价比。控制系统由微机部分、键盘、LED、I/O接口、光电偶合电路、步进电机、电磁铁功率放大器电路等组成。系统的加工程序和控制命令通过键盘操作实现。LED显示数控工作台的状态。1.2.3 传动方式参考过资料后，为保证一定的传动精度和平稳性，又要求结构紧凑
5、，初步选用丝杠螺母传动。为提高传动刚度和消除间隙，采用预加负荷的结构。考虑电机步距角和丝杠岛城只能按标准选取，为达到分辨率的要求，需要采用齿轮降速。由于工作台的运动载荷不大，因此采用有预加载荷的双V形滚珠导轨。采用滚珠导轨可减少两个相对运动面的动、静摩擦系数之差，从而提高运动平稳性，减小振动。总体框图如下：二、机械部分设计2.1 工作台外形尺寸电移台的外形如下图2-1：主要由电机座、轴承座、工作台、底座、电机、联轴器、丝杆和导轨组成。其中电机采用步进电机，导轨采用圆形截面滚珠导轨导轨，丝杆采用滚珠丝杆，联轴器采用弹性联轴器。电机电机座联轴器轴承座丝杆导轨工作台底座 图2-1 电移台的外形图根据
6、设计要求，确定电移台外形尺寸如下：底座尺寸（mm）： 长宽高： 40010060工作台尺寸（mm）： 长宽高： 10010060丝杠受力： G=中心载荷+工作台重量 = 150+50=200N2.2、滚动导轨的参数确定、导轨型式：直线滚珠导轨、导轨长度mm mm 350mm导轨受力：G=200N，因此本系统负载相对较小。查表后得出MGN9H型直线滚动轴承的额定动载荷为260N，大于实际动负载；因此采用MGN9H。并采用两列2个直线滚动轴承来实现滑动平台的支撑。 导轨简图如下： 图2-2 滚珠导轨外形零件图、滚动导轨刚度及预紧方法 当工作台往复移动时，工作台压在两端滚动体上的压力会发生变化，受力
7、大的滚动体变形大，受力小的滚动体变形小。当导轨在位置时，两端滚动体受力相等，工作台保持水平；当导轨移动到位置或时，两端滚动体受力不相等，变形不一致，使工作台倾斜角，由此造成误差。此外，滚动体支承工作台，若工作台刚度差，则在自重和载荷作用下产生弹性变形，会使工作台下凹（有时还可能出现波浪形），影响导轨的精度。2.3 滚珠丝杠的选择计算校核滚珠丝杠的负荷包括所受载荷及运动部件的重量所引起的进给抗力。应按受力载荷情况计算。2.3.1 初选丝杠型号根据最大中心负载Q150N，并考虑工作台重量。查表，初选滚珠丝杠公称直径，选用滚珠丝杠螺母副的型号为 SFK0801，其额定动载荷为90N。丝杠零件简图如下
8、： 图2-3 滚珠丝杠零件图2.3.2 丝杠的校核1、最大动负载Q的计算 ， 查表得系数，寿命值 。查表得使用寿命时间T=15000h，初选丝杠的导程t=1mm，工作台最大速度为2.4m/min.得丝杠转速n=(1000V)/t=(10002.4)/1=2400(r/min)所以 =(60240015000)/1000000=2160丝杠牵引力 =1.4140.01200=2.83所以最大动负荷 =36.58 N36.58（N）90N因此所选丝杠合格。丝杠参数见下表2-1，其中I：导程，Da：珠径，n：珠圈数，K：刚性（kgf/m），Ca:额定动载荷（kgf）,Coa:额定静载荷（kgf）。型
9、号dIDaDABLWHXnCaCoaKSFK0801810.8142741621183.44931737.2 表2-1 滚珠丝杠参数表2、滚珠丝杠螺母副几何参数计算见表2-2。表2-2 滚珠丝杠螺母副几何参数名 称符 号计算公式和结果螺纹滚道公称直径8螺距1接触角钢球直径0.8螺纹滚道法面半径R=0.52=0.416偏心距=0.007螺纹升角=2.284、传动效率计算=0.92式中：摩擦角；丝杠螺纹升角。2.4丝杠轴承的选用根据电移台功能需求，丝杠的轴径d=8mm，选择配套的轴承座。左端为固定端，查表选择 KF6 型轴承座，轴承座外形，尺寸，参数见下图：型号d1LHFEDg6APCDBL1T1
10、XYZFK6620713222236282853.53.46.54 表2-3 FK6型滚珠丝杠的尺寸参数 图2-4 FK6型滚珠丝杠轴承的零件图 右端为支撑端，查表选择 FF6 型轴承座，轴承座外形，尺寸，参数如下：图2-5 FF6型滚珠丝杠轴承的零件图型号d 1LHFDg6APCDBXYZFF661064223628283.46.54 表2-4 FK6型滚珠丝杠的尺寸参数2.5 选择联轴器根据设计要求，电机轴径=6.35mm，丝杠的轴径经支承座轴承后为=8-2=6mm，工作时最大转矩=2.15 Ncm，丝杠最大转速n=2400(r/min)，查表选择G1-19CH型号的弹性联轴器。联轴器零件
11、见图如下： 图2-6 联轴器零件图 联轴器的有关参数见下表2-6. 表2-5 弹性联轴器参数型 号主要外形数据(mm)规格最高转速（r/min）DLL1M标准孔径d1/d2最大孔径（mm）容许扭矩（Nm）30000G1-19CH19203.42.55 6 6.35 881三、 控制系统硬件设计电动位移工作台控制系统硬件主要包括控制系统、驱动器、人机交互界面。硬件系统设计时，应注意几点：电机运转平稳、响应性能好、造价低、可维护性、人机交互界面可操作性比较好。3.1 步进电机的选用3.1.1 步进电机的步距角由设计任务所给条件，系统脉冲当量=0.0025mm/step，初选步进电机步距角。3.1.
12、2 步进电机启动力矩的计算设步进电机等效负载力矩为T，负载力为P，根据能量守恒原理，电机所做的功与负载力做功有如下关系式中： 电机转角； 移动部件的相应位移； 机械传动效率。若取 ，则，且，所以(Ncm)式中： 移动部件负载（N）；G移动部件重量（N）； 与重量方向一致的作用在移动部件上的负载力（N）； 导轨摩擦系数；步进电机步距角（rad）；T电机轴负载力矩(Ncm)。本例中，取（淬火钢滚珠导轨的摩擦系数），=0.92，为丝杠牵引力，取= Q = 36.58。考虑到重力影响，取G =200N，所以 = 0.553(Ncm)若不考虑启动时运动部件惯性的影响，则启动力矩取安全系数为0.4，则 = 1.84(Ncm) 对于工作方式为三相六拍的三相步进电机 = 2.15 (Ncm)3.1.3 步进电机的最高工作频率 = 16000 Hz查表选用57BYG350BL-SASSML-0601型步进电机。其定位转矩为7 Ncm 2.15 Ncm。电机相关参数见下表3-1：表3-1 步进电机参数型 号主要技术数据外形尺寸重量步距角定位转距保持转矩相数电压电流外径长度轴径57BYG350BL1.20.070.45324-70657626.3553.2 控制系统该控制系统以AT89S51单片机为核心， 配以相应的软硬件而成。3.2.1 控制器的选择初步选用5
