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1、机电一体化系统设计课程设计（武汉科技学院）机电一体化系统设计课程设计说 明 书（小幅面平板式二维绘图仪画笔驱动系统） 学院：机电工程学院班级：机设 063 班姓名：辜 浪学号：指导老师：张智明目 录目 录2中文摘要3一、课程设计的目的4二、设计任务4三、总体方案的确定4四、机械传动部件的设计与选型51滚珠丝杆副的选型与计算52电机的选型与计算73、轴承的选择与验算104联轴器的选用115滚动直线导轨选择，计算和验算116密封和润滑12五、机械控制系统原理及电路设计121、设计要求122、方案分析123、单片机系统与步进电动机驱动器之间的接口方法124、步进电动机驱动电源的选用14六、设计结论1
2、7七、个人总结19八、参考文献20中文摘要模块化的小幅面平板式单坐标画笔驱动系统，通常由导轨座、移动滑块、工作平台、滚珠丝杠副，以及伺服电动机等部件组成。其外观形式如图1-1所示。其中，伺服电动机作为执行元件用来驱动滚珠丝杠，滚珠丝杠的螺母带动滑块和工作平台在导轨上运动，完成工作台在X方向的直线移动，调动画笔的高度从而实现直线的生成。导轨副、滚珠丝杠螺母副和伺服电动机等均已标准化，由专门厂家生产，设计时只需根据工作载荷选取即可。控制系统根据需要，可以选用标准的工业控制计算机，也可以设计专门的微机控制系统。图11一、课程设计的目的1） 学习机电一体化系统总体设计方案拟定、分析与比较的方法。2）
3、通过对机械系统的设计掌握几种典型传动元件与导向元件的工作原理、设计计算方法与选用原则。齿轮同步带减速装置、蜗杆副、滚珠丝杠螺母副、直线滚动导轨副等。3） 通过对进给伺服系统的设计，掌握常用伺服电动机的工作原理、计算选择方法与控制驱动方式，学会选用典型的位移速度传感器；如交流、步进伺服进给系统，增量式旋转编码器，直线光栅等。4） 通过对控制系统的设计，掌握一些典型硬件电路的设计方法和控制软件的设计思路；如控制系统选用原则、CPU选择、存储器扩展、I/O接口扩展、A/D与D/A配置、键盘与显示电路设计等，以及控制系统的管理软件、伺服电机的控制软件等。5） 培养学生独立分析问题和解决问题的能力，学习
4、并初步树立“系统设计”的思路。6） 锻炼提高学生应用手册和标准、查阅文献资料以及撰写科技论文的能力。二、设计任务题目：小幅面平板式绘图仪画笔驱动系统的设计主要参数如下：工作台面尺寸为600mm600mm，可绘图范围210mm297mm（A4图纸）。X、Y方向的定位精度均为0.2mm。加工材料为碳素钢或有色金属。机架用 板金 / 铸铝 / 注塑件外壳采用注塑件传动系统采用：同步齿形带 / 钢丝 / 其他X、Y电机采用步进电机三、总体方案的确定（1）导轨副的选用 要设计的X-Y工作台是用来配套轻型的画笔的，需要承受的载荷非常小，但脉冲当量小、定位精度高，因此，决定选用直线滚动导轨副，它具有摩擦系数
5、小、不易爬行、传动效率高、机构紧凑、安装预紧方便等优点。（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0.2mm的定位精度，滑动丝杠副无能为力，只有选择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。（3）伺服电动机的选用 任务书规定的脉冲当量尚未达到0.001mm，定位精度也未达到微米级，最快移动速度也不高。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。（4）联轴器的选用 由于系统的对中性要求较
6、高，因此决定选用刚性联轴器，具有结构简单、制造成本低等优点考虑到工作载荷不大，拟选用套筒联轴器，其具有结构简单、制造容易、径向尺寸小的优点。（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的精度对于步进电动机来说不是很高，决定采用开环控制（6）控制系统的设计） 设计的驱动系统只有单坐标定位，所以控制系统应该设计成连续控制型） 对于步进电动机的开环控制，选用MCS-51系列的ATR89C52，应该能够满足设计任务书给定的相关指标） 要设计一套完整的控制系统，在选择CPU之后，还需要扩展程序存储器、数据存储器、键盘与显示电路、I/O接口电路、D/A转换电路
7、、串行接口电路等选择合适的驱动电源，与步进电动机配套使用考虑到X、Y两个方向的工作范围额相差不大，承受的载荷也相差不多，为了减少设计工作量，X、Y两个坐标的导轨副、丝杠螺母副、伺服电动机、检测装置拟采用相同的型号与规格。四、机械传动部件的设计与选型小幅面平板式绘图仪画笔驱动系统的设计1滚珠丝杆副的选型与计算1.1 确定滚珠丝杆副的导程Ph：根据传动关系图及传动条件选择滚珠丝杆副的导程PhPh=10mm1.2 滚珠丝杆副的载荷及转速计算1）最小载荷Fmin选机器空载时滚珠丝杆副的传动力。根据工作台尺寸确定其质量为25kg。由滚动导轨副的摩擦系数f=0.005得 2)最大载荷Fmax选机器承受最大
8、负荷时滚珠丝杆副的传动力. 3)滚珠丝杆副的当量转速nm及当量载荷Fm:1.3 确定预期额定的载荷1)按预期工作时间Lh（小时）计算：根据要求选取系数得fw=1.5, fa=1.0 fc=1.0，由公式得： N1.4 按精度要求确定允许的滚珠丝杆的最小螺纹底径d2m1).估算滚珠丝杆的最大允许轴向变形量：机床或机械装置伺服系统精度大多早空载下检验。空载时用在滚珠丝杆副上的最大轴向工作载荷是静摩擦力F0。移动部件在Kmin处起启动和反向时，由于F0方向变化将产生误差2 F0/Kmin（又称摩擦死区误差），它是影响重复定位精度的最主要因素，一般占重复定位精度的（1/22/3）。所以规定滚珠丝杆副允
9、许的最大轴向变形：=（0.00250.0034）mm影响定位精度的最主要因素是滚珠丝杆副的精度,其次是滚珠丝杆滚珠丝杆本身的拉压弹性变形(因为这种弹性变形随滚珠螺母在滚珠丝杆上的位置变化而变化),以及滚珠丝杆副滚珠丝杆副摩擦力矩的变化等。一般估算是时。即=（0.0040.005）mm以上两种方法估算的小值取做值,即=0.0025mm.2)、估算滚珠丝杆副的底径d2m：由滚珠丝杆副的安装方式得式中：L两个固定支承之间的距离（mm）=1.2500+1210=720mm所以1.5 确定滚珠丝杆副的规格代号：根据条件得选用滚珠丝杆副的型号为32105，公称直径 1.6 对预紧滚珠丝杆副，确定其预紧力F
10、b：由最大轴向工作载荷Fmax确定1.7 滚珠丝杆副工作图设计：1）、确定滚珠丝杆副的螺纹长度Le=40mm Lu=有效行程+螺母长度=500+8Ph=580mm得1.8 滚珠丝杆螺母的安装连接尺寸：D1=40mm, D=66mm, D4=53mm, L=72mm, B=11mm, h=6mm。1.9 滚珠丝杆的校核在选择滚珠丝杆时，可根据原丝杆直径的大小，按类比法选择其名义直径，因此，就需要对其负载能力进行必要的校核，如果是根据承载能力选出的则应对压杆稳定及其刚度进行必要的校核。1）下面进行滚珠丝杆副临界压缩载荷Fc的核算（即验算压杆稳定性）（其中： f=21.9 ）所以验证稳定性合格.2）
11、滚珠丝杆副的极限转速nc的校核(避免高速运转时产生共振) 验算合格.3）Dn值的验证合格.4）基本轴向额定静在和Cu的验算5）强度验算2电机的选型与计算2.1 作用在滚珠丝杆副上各种转矩计算外加载荷产生的摩擦力矩TF（N.m）空载时:外加径向载荷是的摩擦力矩:滚珠丝杆副预加载荷Fb产生的预紧力矩:2.2 负荷转动惯量JL（Kg.m2）及传动系统转动惯量J（Kg.m）的计算：滚动丝杆的转动惯量：由即：取Jm=3.5710-4 则有：2.3 加速转速Ta和最大加速转矩Tam当电机转速从n1升至n2时:当电机从静止升速到nmax2.4 电动机最大启动转矩Tr(N.m)2.5 电动机连续工作的最大转矩
12、:2.6 电动机的选择:在选择电动机是主要从以下几个方面考虑:能满足控制精度要求.能满足负载转矩的要求.满足惯量匹配原则.上述计算均没有考虑机械系统的传动效率.当选择机械传动总效率=0.96时,同时,在车削时,由于材料的不均匀等因素的影响,会引起负载转矩突然增大,为避免计算上的误差以及负载转矩突然增大引起步进电机丢步而引起加工误差,可以适当考虑安全系数，安全系数一般可以在1.2-2之间选取.如果选取安全系数K=1.5,则步进电机可按以下总负载转矩为:如果选上述预选的电动机90BYG55C,其最大静转矩Tjmax=6.3Nm。在五相十拍驱动时，其步矩角为0.36()/setp，为了保证带负载能正
13、常加速启动和定位停止，电动机的起动转矩必须满足：Tjmax 由Tjmax =6.3Nm =，故选用合适。2.7 步进电动机的性能校核） 最快进给速度时电动机输出转矩校核设计给定工作台最快进给速度Vmaxf=2000mm/min，脉冲当量=(50.75/360)mm/脉冲，得电动机对应的运行频率fmaxf=Vmaxf/(60)Hz=2000/(6050.75/360)Hz=3200Hz从90BYG2602电动机的运行矩频特性曲线图1-2可以看出，在此频率下，电动机的输出转矩Tmaxf3.5 Nm，远远大于最大工作负载转矩Teq1=0.06657Nm，满足设计要求） 最快移动时电动机运行频率校核与
14、最快移动速度Vmaxf=2000mm/min对应的电动机运行频率为fmax=3200Hz查表4-5可知90BYG262电动机的空载运行频率可达20000Hz，可见没有超出上限） 起动频率的计算已知电动机转轴上的总转动惯量Jeq=4.437kgcm2，电动机转子的转动惯量Jm=4kgcm2，电动机转轴不带任何负载时的空载起动频率fq=1800Hz（查表4-5）则可以求出步进电动机克服惯性负载的起动频率：上式说明，要想保证步进大家起动时不失步，任何时候的起动频率都必须小于1240Hz实际上，在采用软件升降频时，起动频率选得更低，通常只有100Hz（即100脉冲/s）综上所述，本次设计中进给传动选用90BYG2602步进电动机，完全满足设计要求3、轴承的选择与验算根据前面的计算,我们预选轴承为角接触球轴承.选用型号为:7005AC, 查相关手册()可得此轴承的一些相关参数:Cr=11.2KN Cor=7.08KN d=25mm B=12mm对其进行受力分析,如上,则可得:由两式连解的: =202.23N =964.37N取e=0.68,则有: 所以轴承1被压紧,则:求当量动载荷:则:对轴承1: X1=0.41
