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1、 机设专业机电一体化方向课程设计说明书设计题目：小幅面平板式绘图仪画笔驱动系统的设计 学院：武汉纺织大学外经贸学院班级：机设0824姓名：学号：指导老师：张志明日期：2012、12、25目 录目录1中文摘要2一、设计的目的3二、设计的任务及要求3三、总体方案的确定3四、机械传动部件的设计与选型41系统总体尺寸的设计52滚珠丝杆副的选型与计算 53.步进电机的选型与计算 84轴承的选择与验算 115联轴器以及键的选用116滚动直线导轨137密封和润滑13五、机械控制系统原理及电路设计131、设计要求132、方案分析143、单片机系统与步进电动机驱动器之间的接口方法 144、步进电动机驱动电源的选
2、用16六、设计结论18七、个人总结20 八、参考文献 21中 文 摘 要机电一体化技术是在微电子技术向机械工业领域渗透过程中逐渐形成并发展起来的一门独立的综合性交叉学科，经过20多年的发展，机电一体化的内涵和外延也在不断地丰富和拓宽。它是综合了多个学科的系统,包括机械技术、传感器技术、测试技术、电子技术和控制技术、计算机与信息技术。并且极大推动了机械工业、兵器行业及其他行业的发展。其技术结构、产品结构、技术功能与构成、生产方式和管理体系均发生了巨大的变化。使工业生产由机械电气化迈进到机电一体化为特征的数字化、自动化、高精度、微型化、智能化的时代。小幅面平板式绘图仪画笔驱动系统的课程设计是机电一
3、体化专业学习中非常重要的一个环节，是将理论知识和实践能力相统一的一个环节，是真正锻炼学生能力的一个环节。小幅面平板式绘图仪画笔驱动系统的设计是机械设计制造及其自动化专业机电一体化方向的专业综合课程设计。本设计说明书旨在说明小幅面平板式绘图仪画笔驱动系统由X驱动机构、Y驱动机构、笔架装置、机架及纸张放置平台，电机及其驱动电路等部分组成及其各部分的设计方案以及计算和校核。本设计的的目的旨在让学生综合运用并巩固所学机电一体化产品设计知识；熟悉典型数控型执行机构设计，同时也对学这三年多一来所学知识做一个综合运用以及巩固提高。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
4、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仔导轨上运动，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。一、设计目的（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）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
5、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，学习并初步树立“系统设计”的思路。同时对整个大学阶段所学专业知识的做一个综合的运用巩固和提高。（6）提高学生应用机械设计手册查阅国家标准
6、机械零部件、查阅文献资料以及撰写科技论文的能力。二、设计内容及要求1.设计内容：平板式绘图仪画笔驱动系统由X驱动机构、Y驱动机构、笔架装置、机架及纸张放置平台，电机及其驱动电路等部分组成。本课程设计许完成上述各部分的设计。2.设计的主要参数及要求：1）可绘图范围210mm297mm（A4图纸）。 2）画笔移动精度即X、Y方向的定位精度均为0.1mm。3）画笔尺寸如图：4）加工材料为碳素钢或有色金属。 5）机架用 板金 / 铸铝 / 注塑件6）外壳采用注塑件7) 传动系统采用：同步齿形带 / 钢丝 / 其他 8) X、Y电机采用步进电机9) 用Pro/E做出所有零件的三维造型及二维工程图10)
7、用Pro/E做出三维装配造型图，并生成符合国际的二维装配图11)书写设计说明书（20页）12)设计上交内容：包含8、9项的磁盘、二维装配图的打印图纸、两个典型零件的二维图纸、设计说明书三、总体方案的确定1.系统的工作原理本课设系统可分为控制部件、驱动部件、执行元件、传动和导向机构等几个部分。要求设计该系统的机械及电路的结构和参数、设计部分单片机或微机控制程序，使画笔能够左右步进，并达到技术指标所规定的精度要求。2.导轨副的选用 要设计的X-Y工作台是用来配套轻型画笔的，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，它具有摩擦系数小、不易爬行、传动效率高、机构紧凑
8、、安装预紧方便等优点。3.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0.1mm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。4.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。5.联轴器的选用由于系统的对中性要求较高，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，本次课程设
9、计拟选用套筒联轴器，它是利用公用套筒，并通过键、花键或锥销等刚性联接件，以实现两轴的联。套筒联轴器的结构简单，制造方便，成本较低，径向尺寸小，但装拆不方便，需使轴作轴向移动。短适用于低速、轻载、无冲击载荷，工作平衡和上尺寸轴的联接。最大工作转速一般不超过为25r/min。套筒联轴器不具备轴向、径向和角向补偿性能。6.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7.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
10、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、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1.系统总体尺寸的设计根据课程设计说明书要求的绘图区域范围为210mm297mm（A4图纸）和各部件所受的压力大小，设计各支撑部件基本尺寸如下：工作台面底板尺寸为800mm500mm20mm，Y
11、轴方向移动板尺寸为420mm300mm18mm，X轴方向移动板尺寸为300mm250mm15mm可绘图范围210mm297mm（A4图纸）。2滚珠丝杆副的选型与计算2.1 确定滚珠丝杆副的导程Ph：根据机械设计相关知识用于传动的螺纹有矩形螺纹、梯形螺纹和锯齿形螺纹，又由于锯齿形螺纹只能传递单向动力，所以此处选择梯形螺纹（如图所示）。 根据选择的步进电机步距角为1.8，设计要求精度为0.1mm和公式S=L*/2（其中为步距角，L为螺纹导程）可知：S=L*/2=L1.8/3600.1解得： L20mm， 取L= Ph=20mm查机械设计手册（GB/T5796.21986）取螺杆公称直径d=22mm
12、，螺距p=8mm，中经d2=18mm，小径d3=13mm，螺母的中经D2=18mm，大经D4=23mm，小径D1=14mm，螺距p=8mm，接触角=30，螺纹升角=433，选择公差等级为8e, 螺纹旋合长度为65mm。由上面计算和查机械设计手册可知螺杆选择的螺纹为五线螺纹。根据丝杆选择与之相配合的丝杆螺母。选择丝杆螺母的取连接长度为65mm。2.2 滚珠丝杆副的载荷及强度计算（1）滚珠丝杆副材料的选择滚珠丝杆副材料选用GCr15SiMn，高频淬火处理使其硬度达到60HRC。（2）滚珠丝杆副强度的计算丝杆轴向力：Fmax=KFxy+f（Fz+Wxy） 式中：K=1.15，滚动导轨摩擦系数f=0.
13、0030.005，Fx=0.5Fz,Fy=0.6Fz,计算得：Fx=215N，Fy=245N寿命值：L= 其中Ca为额定动载荷，Fa为轴向载荷，fw为运转条件系数:无冲击平稳运转时1. 01. 2 ,一般运转条件1. 21.5 ,有冲击振动运转1.53.0丝杆传递：n=200，则L=180最大动载荷Q=FX向丝杆牵引力：Px=Pz+1.414fGx=317NY向丝杆牵引力：Py=Pz+1.414fGy=382N查表，可取滚珠丝杆公称直径dn=22mm，采用五线丝杆螺纹副，支承方式为双推简支式，其额定动载荷8630。2.3 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
