步進電機直接驅(qū)動單軸直線伺服移動機構(gòu)設(shè)計

1、畢 業(yè) 設(shè) 計（論文）（說 明 書）題 目：步進電機直接驅(qū)動單軸直線伺服移動機構(gòu)設(shè)計姓 名： 王明東 編 號： 平頂山工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 年 月 日平頂山工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢 業(yè) 設(shè) 計 （論文） 任 務(wù) 書姓名 專業(yè) 任 務(wù) 下 達 日 期 年 月 日設(shè)計（論文）開始日期 年 月 日設(shè)計（論文）完成日期 年 月 日設(shè)計（論文）題目： A·編制設(shè)計 B·設(shè)計專題（畢業(yè)論文） 指 導(dǎo) 教 師 系（部）主 任 年 月 日平頂山工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）答辯委員會記錄 系 專業(yè)，學(xué)生 于 年 月 日進行了畢業(yè)設(shè)計（論文）答辯。設(shè)計題目： 專題（論文）題目： 指導(dǎo)老師： 答辯委員

2、會根據(jù)學(xué)生提交的畢業(yè)設(shè)計（論文）材料，根據(jù)學(xué)生答辯情況，經(jīng)答辯委員會討論評定，給予學(xué)生 畢業(yè)設(shè)計（論文）成績?yōu)?。答辯委員會 人，出席 人答辯委員會主任（簽字）： 答辯委員會副主任（簽字）： 答辯委員會委員： ， ， ， ， ， ， 平頂山工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）評語第 頁共 頁學(xué)生姓名： 專業(yè) 年級 畢業(yè)設(shè)計（論文）題目： 評 閱 人： 指導(dǎo)教師： （簽字） 年 月 日成 績： 系（科）主任： （簽字） 年 月 日畢業(yè)設(shè)計（論文）及答辯評語： 目 錄第一章:設(shè)計的目的、內(nèi)容與步驟2第二章:系統(tǒng)設(shè)計4第三章:機械控制系統(tǒng)原理及電路設(shè)計13第四章:軟件流程圖17第五章:HXD55無相混合

3、式驅(qū)動器使用說明 18第六章:結(jié)論21參考文獻24第一章:設(shè)計的目的、內(nèi)容與步驟一、設(shè)計目的 1.掌握機電一體化系統(tǒng)設(shè)計過程和方法，包括參數(shù)的選擇，傳動的設(shè)計，零件的計算，結(jié)構(gòu)的計算，培養(yǎng)系統(tǒng)分析及設(shè)計的能力。2.綜合應(yīng)用過去所學(xué)的理論知識，提高聯(lián)系實際和綜合分析的能力，進一步鞏固，加深和拓寬所學(xué)的知識。3.訓(xùn)練和提高設(shè)計的基本技能，如計算，繪圖，運用設(shè)計資料，標準和規(guī)范，編寫技術(shù)文件（說明書）等。二 設(shè)計內(nèi)容主要性能參數(shù)：負載工進速度（m/min） 快進速度（m/min）重復(fù)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

4、式F1(N)F2(N)2000150020.40.010.0250022200016兩端固定(1) 機械系統(tǒng)部分：完成詳細的裝配圖設(shè)計。(2) 控制部分（計算機控制課程設(shè)計內(nèi)容）采用MCS51系列單片機來完成此控制系統(tǒng)的設(shè)計，完成控制系統(tǒng)原理圖和主要程序的設(shè)計清單。完成設(shè)計計算步驟：1. 步進電機的選擇，計算和驗算。含以下內(nèi)容：脈沖當(dāng)量的確定，空載轉(zhuǎn)矩的計算，各傳動部件等效轉(zhuǎn)動慣量，等效轉(zhuǎn)矩的折算2. 滾珠絲杠的選擇，計算和驗算。3. 滾動直線導(dǎo)軌選擇，計算和驗算。三 課程設(shè)計要求完成以下工作: 1.裝配工作圖或系統(tǒng)總體圖1張1#手繪. 2.設(shè)計計算說明書1份(計算機打印,B5紙)8000-1

5、0000字. 3.控制原理設(shè)計 系統(tǒng)硬件原理圖設(shè)計(包括微機的選擇,存儲器的擴展,I/O接口設(shè)計,伺服驅(qū)動電路的選擇或設(shè)計等)2#圖手繪.第二章:系統(tǒng)設(shè)計步進電機直接驅(qū)動單軸直線伺服移動機構(gòu)設(shè)計滾珠絲桿副的參數(shù)選擇與計算1 確定滾珠絲桿副的導(dǎo)程Ph：根據(jù)傳動關(guān)系圖及傳動條件選擇滾珠絲桿副的導(dǎo)程PhPh=10mm2滾珠絲桿副的載荷及轉(zhuǎn)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(jù)工作臺尺寸確定其質(zhì)量為25kg。由滾動導(dǎo)軌副的摩擦系數(shù)f=0.005得 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. 3)滾珠絲桿副的當(dāng)量轉(zhuǎn)速nm及當(dāng)量載荷Fm:3.確定預(yù)期額定的載荷1

6、)按預(yù)期工作時間Lh（小時）計算：根據(jù)要求選取系數(shù)得fw=1.5, fa=1.0 fc=1.0，由公式得： N4、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：機床或機械裝置伺服系統(tǒng)精度大多早空載下檢驗?？蛰d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(chǎn)生誤差2 F0/Kmin（又稱摩擦死區(qū)誤差），它是影響重復(fù)定位精度的最主要因素，一般占重復(fù)定位精度的（1/22/3）。所以規(guī)定滾珠絲桿副允許的最大軸向變形：=（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

7、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。即=（0.0040.005）mm以上兩種方法估算的小值取做值,即=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式中：L兩個固定支承之間的距離（mm）=1.2×500+12×10=720mm所以5、確定滾珠絲桿副的規(guī)格代號：根據(jù)條件得選用滾珠絲桿副的型號為32105，公稱直徑為 6、對預(yù)緊滾珠絲桿副，確定其預(yù)緊力Fb：由最大軸向工作載荷Fmax確定7、確定滾珠絲桿副支承所用軸承規(guī)格型號；由計算8、

8、滾珠絲桿副工作圖設(shè)計：1）、確定滾珠絲桿副的螺紋長度Le=40mm Lu=有效行程+螺母長度=500+8Ph=580mm得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(zhuǎn)矩計算外加載荷產(chǎn)生的摩擦力矩TF（N.m）空載時:外加徑向載荷是的摩擦力矩:滾珠絲桿副預(yù)加載荷Fb產(chǎn)生的預(yù)緊力矩:2）負荷轉(zhuǎn)動慣量JL（Kg.m2）及傳動系統(tǒng)轉(zhuǎn)動慣量J（Kg.m）的計算：滾動絲桿的轉(zhuǎn)動慣量：由即：取Jm=3.5710-4 則有：3）加速轉(zhuǎn)速Ta和最大加速轉(zhuǎn)矩Tam當(dāng)電機轉(zhuǎn)速從n1升至n2時:當(dāng)電機從靜止升速到nmax4)電動機最大啟動轉(zhuǎn)矩Tr(N.m)5)電動機連續(xù)工作的最大轉(zhuǎn)矩:

9、6)電動機的選擇: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(zhuǎn)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(tǒng)的傳動效率.當(dāng)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(zhuǎn)矩突然增大,為避免計算上的誤差以及負載轉(zhuǎn)矩突然增大引起步進電機丟步而引起加工誤差,可以適當(dāng)考慮安全系數(shù)，安全系數(shù)一般可以在1.2-2之間選取.如果選取安全系數(shù)K=1.5,則步進電機可按以下總負載轉(zhuǎn)矩為:如果選上述預(yù)選的電動機90BYG55C,其最大靜轉(zhuǎn)矩Tjmax=6.3Nm。在五相十拍驅(qū)動時，其步矩角為0.36()/setp，為了保

10、證帶負載能正常加速啟動和定位停止，電動機的起動轉(zhuǎn)矩必須滿足：Tjmax 由Tjmax =6.3Nm =，故選用合適。10.滾珠絲桿的校核在選擇滾珠絲桿時，可根據(jù)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(jù)承載能力選出的則應(yīng)對壓桿穩(wěn)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(wěn)定性）（其中： f=21.9 ）所以驗證穩(wěn)定性合格.11.滾珠絲桿副的極限轉(zhuǎn)速nc的校核(避免高速運轉(zhuǎn)時產(chǎn)生共振)驗算合格.12.Dn值的驗證合格.13.基本軸向額定靜在和Cu的驗算14.強度驗算15.軸承的選擇與驗算根據(jù)前面的計算,我們預(yù)選

11、軸承為角接觸球軸承.選用型號為:7005AC, 查相關(guān)手冊(<<機械設(shè)計指導(dǎo)>>)可得此軸承的一些相關(guān)參數(shù):Cr=11.2KN Cor=7.08KN d=25mm B=12mm根據(jù)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:對其進行受力分析,如上,則可得:由兩式連解的: =202.23N =964.37N取e=0.68,則有:所以軸承1被壓緊,則:求當(dāng)量動載荷: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:驗算軸承壽命:因為P1>P2, 所以軸承所承受的壽命計算:故,軸承壽命合格.15.滾動直線導(dǎo)軌

12、選擇，計算和驗算.本設(shè)計采用滾動直線導(dǎo)軌,其最大優(yōu)點是摩擦系數(shù)小,動,靜摩擦系數(shù)差很小，因此,運動輕便靈活,運動所需功率小,摩擦發(fā)熱少，磨損小，精度保持性好,低速運動平穩(wěn)性好,移動精度和定位精度高的優(yōu)點.所采用的滾動直線導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)如下圖所示:在選擇導(dǎo)軌時，主要遵循以下幾條原則：1. 精度不干涉原則：導(dǎo)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(shù)相近的原則：例如選用滾動導(dǎo)軌或朔料導(dǎo)軌，由于摩擦系數(shù)小且靜，動摩擦系數(shù)相近，所以可獲得很低的運動速度和很高的重復(fù)定位精度。3. 導(dǎo)軌能自動貼合原則：鑰匙導(dǎo)軌精度高，必須使相互結(jié)合的導(dǎo)軌有自動貼合的性能。對水平位置的工作的導(dǎo)軌，可

13、以靠工作臺的自重來貼合;其它導(dǎo)軌靠附加的彈簧力或者滾輪的壓力使其貼合。4. 移動的導(dǎo)軌在移動過程中，能始終全部接觸的原則;也就是固定的導(dǎo)軌長，移動的導(dǎo)軌短。5. 對水平安裝的導(dǎo)軌，以下導(dǎo)軌為基準，上導(dǎo)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(jù)以上原則且因為所設(shè)計的機械所受的力不是很大,所以初選導(dǎo)軌為GGB16AAL2P2-4其額定靜,動載KN,6.8KN.查表確定各系數(shù)為;從而可以確定所受的最大力為3.23KN，由公式： =（）=10675km按式：=27799 hh所以滿足壽命的要求，合格第三章:機械控制系統(tǒng)原理及電路設(shè)計(1) 設(shè)計要求: 采用MCS-51系列單片機來完

14、成此控制系統(tǒng)的設(shè)計,完成控制系統(tǒng)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(lián)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(qū)動出錯處理,這就需要在程序設(shè)計時提供相應(yīng)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(qū)動電源（驅(qū)動器）由密切的關(guān)系。驅(qū)動器由脈沖發(fā)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(guī)律變化進行運動，而控制這部分規(guī)律變化的部分叫做脈沖分配器。實現(xiàn)脈沖分配有兩種方法：計算機軟件和硬件電路法

15、。當(dāng)有了環(huán)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(fā)出的，屬于低電平，是不能直接驅(qū)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(qū)動硬件電路。 對于復(fù)雜的電路驅(qū)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(fù)雜的驅(qū)動方式，如果采用軟件編程或者硬件電路來實現(xiàn)驅(qū)動控制都是比較復(fù)雜的，這時我們可以采用專用驅(qū)動控制芯片，這里采用HXD55型五相混合式驅(qū)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(tǒng)原理圖中，采

16、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(shù)據(jù)存儲器，作為系統(tǒng)的數(shù)據(jù)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44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(tǒng)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

17、制。當(dāng)P1.7=0時，選擇RAM口，其地址為：010 所以其地址為4000H-5FFFH（其中P1.7為0）當(dāng)P1.7=1時，單片機選中I/O口，其地址為：010 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：4000HA 口：4001HB 口：4002HC 口：4003H低四位：4004H高四位：4005H2）2764的地址：采用74LS138片選控制，地址選擇如下：000 所以地址范圍為：0000H-1FFFH3）6264的地址：同樣采用74LS138片選控制，地址選擇如下：001 所以地址范圍為：2000H-3FFFH4）芯片列表：序號名稱型號數(shù)

18、量1微控制器MCS-803112數(shù)據(jù)存儲器626413程序存儲器276414鎖存器74LS37315譯碼器74LS13816接口芯片815517鍵盤4x4鍵盤18顯示器LED七段數(shù)碼顯示器69光電耦合器光電耦合器310電機驅(qū)動器HXD55驅(qū)動器111電阻若干12晶振20KHZ113電容若干第四章:軟件流程圖 啟動速度控制鍵盤輸入中斷服務(wù)處理調(diào)整定時器定時常數(shù)脈沖輸出控制電機位置控制單進/連動正轉(zhuǎn)絕對位置減1絕對位置加1越界停機報警步數(shù)減1步數(shù)=0停機重裝定時常數(shù)退出加速/減速控制正轉(zhuǎn)絕對位置減1絕對位置加1越界停機報警加速?加速步數(shù)減1級步數(shù)減1恒速?級步數(shù)=0加速一級計算級步數(shù)加速步數(shù)=0指

19、針指向恒速減速步數(shù)減1級步數(shù)減1級步數(shù)=0減速一級計算級步數(shù)停機恒速步數(shù)減1恒速步數(shù)=0指針指向恒速減速一級計算級步數(shù)減速步數(shù)=0重裝定時常數(shù)退出第五章:HXD55無相混合式驅(qū)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(jù)需要調(diào)節(jié)為2A,3A,4A,5A（4） 具有過熱，過流報警輸出，工作電壓為AC80V(二) 驅(qū)動器各部件名稱與功能（1）電機勵磁指示燈-功放指示燈亮?xí)r表明電機處于通電狀態(tài)，熄滅時電機中無電流通過。（2）報警指示燈-報警 當(dāng)驅(qū)動器楚湘故障時此指示燈點亮（3）過熱報警指示燈-過熱 當(dāng)驅(qū)動器內(nèi)部散熱

20、片的溫度超過85 0C時過熱指示燈點亮，同時驅(qū)動器停止工作。（4）相原點指示燈-相原點 驅(qū)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(guān)-自檢 將開關(guān)下?lián)埽∣N），驅(qū)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(guān)-單/雙脈沖 可設(shè)定驅(qū)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(zhuǎn)脈沖CW和反轉(zhuǎn)脈沖CCW）。開關(guān)下?lián)埽∣N）為雙脈沖方式。通電時請勿切換。（7）步矩角切換開關(guān)-半不/整步設(shè)定電機1脈沖當(dāng)量動作角度?？稍O(shè)定電機為半步（）運行方式或整步（）運行方式。開關(guān)下?lián)埽∣N）為整步運行方式。（8）相電

21、流調(diào)整開關(guān)根據(jù)所驅(qū)動的步進電機調(diào)整與之適應(yīng)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(zhuǎn)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(fā)，每觸發(fā)一次電機步進一步旋轉(zhuǎn)方向/反轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(tài)，步進系統(tǒng)不能正常工作故障信號輸出光耦開環(huán)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?xí)r光耦輸出端導(dǎo)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(dāng)電機旋轉(zhuǎn)方向與控制信號設(shè)定方向相反時，可將A與E對調(diào)，B與D對調(diào)以改變電機旋轉(zhuǎn)方向交流

22、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?jié)櫥瑒┝魇?。再本設(shè)計中加如了軸承的密封裝置。因為滾珠絲杠的轉(zhuǎn)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?jié)櫥偷牧鞒?。在軸承的左側(cè)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(tǒng)中加入了潤滑裝置，在此系統(tǒng)中滾珠絲杠和軸承都采用脂潤滑，所采用的潤滑系統(tǒng)如下圖所示：第六章:結(jié)論在本設(shè)計中采用步進電機直接驅(qū)動滾珠絲杠來實現(xiàn)工作臺的水平移動，因其無位置反饋，其精度主要取決于驅(qū)動系統(tǒng)和機械傳動機構(gòu)的性能和精度，

23、精度不高。一般以功率步進電機作為伺服驅(qū)動元件。但是其有結(jié)構(gòu)簡單、工作穩(wěn)定、調(diào)試方便、維修簡單、價格低廉等優(yōu)點，但是因其無減速裝置，多用在精度和速度要求不高、驅(qū)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(dāng)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(shè)計采用的是步進電機直接驅(qū)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(shù)； z轉(zhuǎn)子齒數(shù)； k通電系數(shù)，這就要求步進電動機有較小的步距角，而較小的步距角就需要較大的轉(zhuǎn)子齒數(shù)，從而大大的增加了成本。在設(shè)計中所選的是滾動直線導(dǎo)軌因其具有摩擦系數(shù)?。?.00250.005)，動、靜摩擦力相差甚微；運動輕便靈活，所需功率小，摩擦發(fā)熱小，磨損小，精度保持性好，低速運動平穩(wěn)，移動精度和定位精度都較高的優(yōu)點，所以其可以消除在低速度移動時的爬行現(xiàn)象。但是其滾動導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造成本高，抗震性差。設(shè)計中傳動部件用的是滾珠絲杠螺母機構(gòu)，其具有摩擦損