機(jī)電傳動單向數(shù)控平臺設(shè)計(jì)

1、機(jī)械工程及自動化專業(yè)課程設(shè)計(jì)目錄 機(jī)械工程及自動化專業(yè)課程設(shè)計(jì)說明書11、設(shè)計(jì)任務(wù)41.1設(shè)計(jì)任務(wù)介紹及意義41.2設(shè)計(jì)任務(wù)明細(xì)42、總體方案設(shè)計(jì)42.1設(shè)計(jì)的基本依據(jù)42.2可行性方案的比較52.3總體方案的確定63、機(jī)械傳動系統(tǒng)設(shè)計(jì)63.1機(jī)械傳動裝置的組成及原理63.2主要部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算74、電器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)204.1控制系統(tǒng)基本組成204.2電器元件的選型計(jì)算224.3電氣控制電路的設(shè)計(jì)244.4控制程序的設(shè)計(jì)及說明275、結(jié)論35參考書目36前言現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，極大地推動了不同學(xué)科的交叉與滲透，導(dǎo)致了工程領(lǐng)域的技術(shù)革命與改造。在機(jī)械工程領(lǐng)域，由于微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅

2、速發(fā)展及其向機(jī)械工業(yè)的滲透所形成的機(jī)電一體化，使機(jī)械工業(yè)的技術(shù)結(jié)構(gòu)、產(chǎn)品機(jī)構(gòu)、功能與構(gòu)成、生產(chǎn)方式及管理體系發(fā)生了巨大變化，使工業(yè)生產(chǎn)由“機(jī)械電氣化”邁入了“機(jī)電一體化”為特征的發(fā)展階段。 數(shù)控技術(shù)及裝備是發(fā)展新興高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)和尖端工業(yè)的使能技術(shù)和最基本的裝備 ,又是當(dāng)今先進(jìn)制造技術(shù)和裝備最核心的技術(shù)。數(shù)控技術(shù)是用數(shù)字信息對機(jī)械運(yùn)動和工作過程進(jìn)行控制的技術(shù) ,而數(shù)控裝備是以數(shù)控技術(shù)為代表的新技術(shù)對傳統(tǒng)制造產(chǎn)業(yè)和新興制造業(yè)的滲透形成的機(jī)電一體化產(chǎn)品 ,其技術(shù)范圍覆蓋很多領(lǐng)域。X-Y數(shù)控工作臺是許多機(jī)電一體化設(shè)備的基本部件，如數(shù)控車床的縱橫向進(jìn)刀機(jī)構(gòu)、電子元件表面貼裝設(shè)備等。模塊化的X-Y數(shù)控工作

3、臺，通常由導(dǎo)軌座、移動滑塊、工作、絲杠螺母副，以及伺服電動機(jī)等部件構(gòu)成。其中伺服電動機(jī)做執(zhí)行元件用來驅(qū)動滾珠或螺旋絲杠，絲杠螺母帶動滑塊和工作平臺在導(dǎo)軌上運(yùn)動，完成工作臺在X、Y方向的直線移動。導(dǎo)軌副、絲杠螺母副和伺服電動機(jī)等均已標(biāo)準(zhǔn)化，由專門廠家生產(chǎn)，設(shè)計(jì)時(shí)只需根據(jù)工作載荷選取即可?？刂葡到y(tǒng)根據(jù)需要，可以選取用標(biāo)準(zhǔn)的工作控制計(jì)算機(jī)，也可以設(shè)計(jì)專用的微機(jī)控制系統(tǒng)。圖 一軸數(shù)控平臺1、設(shè)計(jì)任務(wù)1.1設(shè)計(jì)任務(wù)介紹及意義（1）課程設(shè)計(jì)題目：機(jī)電傳動單向數(shù)控平臺設(shè)計(jì)（2）主要設(shè)計(jì)內(nèi)容：機(jī)械傳動結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和電氣控制系統(tǒng)電機(jī)驅(qū)動方式步進(jìn)電機(jī)、直流伺服電機(jī)、交流伺服電機(jī) 機(jī)械傳動方式螺旋絲杠、滾珠絲杠、同步皮

4、帶、鏈傳動等電氣控制方式單片微機(jī)控制、PLC控制功能控制要求速度控制、位置控制主要設(shè)計(jì)參數(shù)單向工作行程1800、1500、1200 mm移動負(fù)載質(zhì)量100、50 kg 負(fù)載移動阻力100、50 N 移動速度控制3、6 m/min（3）課程設(shè)計(jì)意義： 通過課程設(shè)計(jì)，培養(yǎng)綜合運(yùn)用所學(xué)知識和能力，提高分析和解決實(shí)際問題的能力。專業(yè)課程設(shè)計(jì)是建立在專業(yè)基礎(chǔ)課程和專業(yè)方向課的基礎(chǔ)之上，根據(jù)所學(xué)課程進(jìn)行工程基本訓(xùn)練。 1.2設(shè)計(jì)任務(wù)明細(xì)（1）方案設(shè)計(jì)：根據(jù)課程設(shè)計(jì)任務(wù)的要求，在搜集、歸納、分析資料的基礎(chǔ)上，明確系統(tǒng)的 主要功能，確定實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)主要功能的原理方案，并對各種方案進(jìn)行分析評價(jià)，進(jìn)行方案選優(yōu)；（2）

5、總體設(shè)計(jì)：針對具體的原理方案，通過對動力和總體參數(shù)的選擇和計(jì)算，進(jìn)行總體設(shè)計(jì)， 最后給出機(jī)械系統(tǒng)的控制原理圖或主要部件圖（A2 圖紙一張）； （3）電氣控制線路圖：根據(jù)控制功能的要求，完成電氣控制設(shè)計(jì)，給出電氣控制電路原理圖 （A2 圖紙一張）； （4） 成果展示：課程設(shè)計(jì)的成果最后集中表現(xiàn)在課程設(shè)計(jì)說明書和所繪制的設(shè)計(jì)圖紙上，應(yīng) 保證獨(dú)立完成課程設(shè)計(jì)說明書一份，字?jǐn)?shù)為 3000 字以上，設(shè)計(jì)圖紙不少于兩張；（5）繪圖及說明書：用計(jì)算機(jī)繪圖，打印說明書； （6）設(shè)計(jì)分組：設(shè)計(jì)選題分組進(jìn)行，每位同學(xué)采用不同方案（或參數(shù)）獨(dú)立完成。2、總體方案設(shè)計(jì)2.1設(shè)計(jì)的基本依據(jù)機(jī)電傳動單向數(shù)控平臺是機(jī)電一體

6、化的典型產(chǎn)品，是集機(jī)床、計(jì)算機(jī)、電動機(jī)及拖動控制、檢測等技術(shù)為一體的自動化設(shè)備。其基本組成包括機(jī)械傳動系統(tǒng)、數(shù)控裝置、伺服系統(tǒng)、反饋系統(tǒng)等。機(jī)械傳動系統(tǒng)的主傳動在數(shù)控平臺上一般采用絲桿螺母機(jī)構(gòu)。它是將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動變換為直線運(yùn)動，也可以將直線運(yùn)動變換為螺旋運(yùn)動。絲桿螺母機(jī)構(gòu)有滑動摩擦機(jī)構(gòu)和滾動摩擦機(jī)構(gòu)之分?；瑒幽Σ翙C(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單，加工方便，制造成本低，具有自鎖功能，但其摩擦阻力打，傳動效率低。滾珠絲桿機(jī)構(gòu)雖然結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造成本高，但最大優(yōu)點(diǎn)是摩擦阻力小，傳動效率高。數(shù)控裝置是數(shù)控平臺的核心。其功能是接受輸入裝置輸入的數(shù)控程序中的加工信息，經(jīng)過數(shù)控裝置的系統(tǒng)軟件或邏輯電路進(jìn)行譯碼、運(yùn)算和邏輯處理后，發(fā)出

7、相應(yīng)的脈沖送給伺服系統(tǒng)，使伺服系統(tǒng)帶動機(jī)床的各個(gè)運(yùn)動部件按數(shù)控程序預(yù)定要求動作。一般由輸入輸出裝置、控制器、運(yùn)算器、各種接口電路、CRT顯示器等硬件以及相應(yīng)的軟件組成。數(shù)控裝置作為數(shù)控機(jī)床“指揮系統(tǒng)”，能完成信息的輸入、存儲、變換、插補(bǔ)運(yùn)算以及實(shí)現(xiàn)各種控制功能。伺服系統(tǒng)由伺服驅(qū)動電動機(jī)和伺服驅(qū)動裝置組成，它是數(shù)控系統(tǒng)的執(zhí)行部分。驅(qū)動機(jī)床執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動的驅(qū)動部件，包括主軸驅(qū)動單元（主要是速度控制）、進(jìn)給驅(qū)動單元（主要有速度控制和位置控制）、主軸電動機(jī)和進(jìn)給電動機(jī)等。一般來說，數(shù)控平臺的伺服驅(qū)動系統(tǒng)，要求有好的快速響應(yīng)性能，以及能靈敏且準(zhǔn)確地跟蹤指令功能。數(shù)控機(jī)床的伺服系統(tǒng)有步進(jìn)電動機(jī)伺服系統(tǒng)、直流

8、伺服系統(tǒng)和交流伺服系統(tǒng)，現(xiàn)在常用的是后兩者，都帶有感應(yīng)同步器、編碼器等位置檢測元件，而交流伺服系統(tǒng)正在取代直流伺服系統(tǒng)。反饋裝置是閉環(huán)（半閉環(huán)）數(shù)控機(jī)床的檢測環(huán)節(jié)，該裝置可以包括在伺服系統(tǒng)中，它由檢測元件和相應(yīng)的電路組成，其作用是檢測數(shù)控機(jī)床坐標(biāo)軸的實(shí)際移動速度和位移，并將信息反饋到數(shù)控裝置或伺服驅(qū)動中，構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)。檢測裝置的安裝、檢測信號反饋的位置，決定于數(shù)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式。無測量反饋裝置的系統(tǒng)稱為開環(huán)系統(tǒng)。由于先進(jìn)的伺服系統(tǒng)都采用了數(shù)字式伺服驅(qū)動技術(shù)（稱為數(shù)字伺服），伺服驅(qū)動和數(shù)控裝置間一般都采用總線進(jìn)行連接。反饋信號在大多數(shù)場合都是與伺服驅(qū)動進(jìn)行連接，并通過總線傳送到數(shù)控裝置，只有

9、在少數(shù)場合或采用模擬量控制的伺服驅(qū)動（稱為模擬伺服）時(shí)，反饋裝置才需要直接和數(shù)控裝置進(jìn)行連接。伺服電動機(jī)內(nèi)裝式脈沖編碼器、旋轉(zhuǎn)變壓器、感應(yīng)同步器、測速機(jī)、光柵和磁尺2.2可行性方案的比較（1）電機(jī)驅(qū)動方式的選擇直流伺服電機(jī)主要靠脈沖來定位，伺服電機(jī)接收到1個(gè)脈沖，就會旋轉(zhuǎn)1個(gè)脈沖對應(yīng)的角度，從而實(shí)現(xiàn)位移，因?yàn)?，伺服電機(jī)本身具備發(fā)出脈沖的功能，所以伺服電機(jī)每旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度，都會發(fā)出對應(yīng)數(shù)量的脈沖，這樣，和伺服電機(jī)接受的脈沖形成了呼應(yīng)，或者叫閉環(huán)，如此一來，系統(tǒng)就會知道發(fā)了多少脈沖給伺服電機(jī)，同時(shí)又收了多少脈沖回來，這樣，就能夠很精確的控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動，從而實(shí)現(xiàn)精確的定位，可以達(dá)到0.001mm。步進(jìn)

10、電機(jī)是開環(huán)控制，沒輸入一個(gè)脈沖，轉(zhuǎn)過一個(gè)角度，精度較低，有時(shí)會發(fā)生丟步現(xiàn)象。啟動較慢，不具備過載能力。綜上所述，電機(jī)選擇直流伺服電機(jī)。（2）機(jī)械傳動方式選擇螺旋絲桿（本設(shè)計(jì)中選定為梯形絲桿）是將回轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動，或?qū)⒅本€運(yùn)動轉(zhuǎn)化為回轉(zhuǎn)運(yùn)動的理想的產(chǎn)品。它的功能是將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)化成直線運(yùn)動，效率低、速度低、精度也低，但剛性好、具有自鎖功能，用于重載荷。滾珠絲杠是工具機(jī)和精密機(jī)械上最常使用的傳動元件，其主要功能是將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)換成線性運(yùn)動，或?qū)⑴ぞ剞D(zhuǎn)換成軸向反覆作用力，同時(shí)兼具高精度、可逆性和高效率的特點(diǎn)。由于本系統(tǒng)的負(fù)載阻力不是很高，同時(shí)考慮到經(jīng)濟(jì)的問題，選擇螺旋絲桿。（3）電氣控制方式的選擇

11、單片機(jī)是一種可編程的集成芯片，系統(tǒng)設(shè)計(jì)要從底層開發(fā)，設(shè)計(jì)較繁瑣。應(yīng)用系統(tǒng)廣泛，開發(fā)成本低，開發(fā)周期短，可靠性高。PLC（可編程邏輯控制器）實(shí)質(zhì)是一種專用于工業(yè)控制的計(jì)算機(jī)，是單片機(jī)的特例，采用模塊化設(shè)計(jì)，使用方便，編程簡單，可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)。本例中采用單片機(jī)控制。2.3總體方案的確定（1）電機(jī)驅(qū)動方式直流伺服電機(jī) （2）機(jī)械傳動方式螺旋絲杠（3）電氣控制方式單片微機(jī)控制（4）功能控制要求速度控制（5）主要設(shè)計(jì)參數(shù)單向工作行程1200 mm移動負(fù)載質(zhì)量150 kg 負(fù)載移動阻力50 N 移動速度控制3m/min壽命要求：每天開機(jī)8h，一年按300個(gè)工作日，壽命5年以上。定位精度0.01mm

12、圖2.1系統(tǒng)原理圖3、機(jī)械傳動系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.1機(jī)械傳動裝置的組成及原理機(jī)械傳動裝置主要包括螺旋絲桿，工作平臺，直線導(dǎo)軌，聯(lián)軸器，軸承等。其中電機(jī)與聯(lián)軸器、絲桿與聯(lián)軸器均為鍵聯(lián)接。原理如下圖：圖3.1機(jī)械傳動原理圖3.2主要部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算3.2.1、導(dǎo)軌的選擇表格 A計(jì)算項(xiàng)目設(shè)計(jì)計(jì)算過程計(jì)算結(jié)果已知條件本設(shè)計(jì)采用螺旋絲桿，2根導(dǎo)軌，4個(gè)滑座數(shù)，工作平臺和滑塊的質(zhì)量假定為50kg。1、額定工作時(shí)間壽命=h2、額定行程長度壽命2160h3、額定動載荷額定動載荷是指滾動直線導(dǎo)軌的額定長度壽命t=50km時(shí)，作用在滑座上大小的方向均不變化的載荷。其值可以按下式計(jì)算：作用在滑塊上的力則單個(gè)滑座受力K 壽

13、命系數(shù) K=50硬度系數(shù) =1溫度系數(shù) =1接觸系數(shù) =0.81負(fù)荷系數(shù) =1.5則動載荷有=1730N4、選擇導(dǎo)軌由動載荷可以選擇導(dǎo)軌：鋼球間隔保持器型LM滾動導(dǎo)軌 微型 SRS型。型號：SRS12MC1+1340LHM。導(dǎo)軌長1340mm，4個(gè)滑塊，基本額定動載荷，基本額定靜載荷。圖3.2直線滾動導(dǎo)軌3.2.2、螺旋絲桿的選擇及校核(1)螺旋絲桿初選表格 B計(jì)算項(xiàng)目設(shè)計(jì)計(jì)算過程計(jì)算結(jié)果1、工作載荷通過查閱相關(guān)資料，工作載荷是指絲桿副在驅(qū)動工作臺時(shí)承受的軸向力，也叫做進(jìn)給牽引力，它包括絲桿的走刀方式與移動體重力作用在導(dǎo)軌上的其他切削分力相關(guān)的摩擦力，因?yàn)檫x擇的導(dǎo)軌為矩形截面，所以計(jì)算公式如下

14、：=其中，、分別為工作臺進(jìn)給方向載荷、垂直載荷和橫向載荷；G為移動部件的重力；K和分別為考慮顛覆力矩影響的試驗(yàn)參數(shù)和導(dǎo)軌的摩擦系數(shù)，取K=1.1，=0.15. 則=202N2、計(jì)算螺旋絲桿的動載荷動載荷計(jì)算公式為其中，L為絲桿的壽命系數(shù)，單位為轉(zhuǎn)，L=60nT/T為使用壽命時(shí)間，本設(shè)計(jì)中取T=12000hn為絲桿轉(zhuǎn)速：n=v/p=600r/min得為載荷系數(shù)，取=1.1計(jì)算可得動載荷為 3、選擇螺旋類型螺旋副的螺紋種類主要有梯形螺紋、鋸齒形螺紋、圓螺紋、矩形螺紋、三角形螺紋。結(jié)合受力情況和使用場合等多種因素考慮，選用梯形螺紋。選用梯形螺紋（2）螺旋絲桿的計(jì)算校核表格 C計(jì)算項(xiàng)目設(shè)計(jì)計(jì)算過程計(jì)算

15、結(jié)果1、耐磨性（1）螺紋中徑（mm）為軸向載荷， 螺紋副許用壓強(qiáng)，螺紋副的材料取鋼對耐磨鑄鐵，得=4.3MPa為螺母長度L與螺桿中徑，選整體式螺母，故=1.5故（2）公稱直徑d和螺距P根據(jù)上式計(jì)算出的按螺紋的標(biāo)準(zhǔn)基本尺寸系列選取相應(yīng)的d和P，經(jīng)查表可以選出：公稱直徑：d=20mm；螺距：p=4mm，取材料選擇：絲桿材料40CrMn，軸頸處可局部熱傳動螺母采用ZCuSn10Zn2（3）導(dǎo)程S選取線數(shù)Z=1，因?yàn)槁菥郟=4mm，故導(dǎo)程S=ZP=4mm（4）螺母高度HH=1.518=27mm（5）旋合圈數(shù)mm=H/P=27/4=6.75（6）螺紋的工作高度（7）工作壓強(qiáng)12.44mm=8，說明校核合

16、格，設(shè)計(jì)正確。2、驗(yàn)算自鎖（1）螺旋升角（2）當(dāng)量摩擦角通過查表，滑動摩擦系數(shù)（定期潤滑）：=0.10牙型角=故，滿足自鎖條件3、螺桿強(qiáng)度（1）螺桿傳動的轉(zhuǎn)矩T（2）當(dāng)量應(yīng)力其中故（3）強(qiáng)度條件螺桿材料為：45鋼調(diào)質(zhì)，查表得：材料的屈服極限為，選278；則螺桿的許用應(yīng)力為故<<，校核合格，符合強(qiáng)度條件4、螺紋牙強(qiáng)度（1）螺紋牙底寬度因?yàn)槭翘菪温菁y，故（2）螺桿和螺母的抗剪強(qiáng)度螺桿剪切應(yīng)力為：螺母剪切應(yīng)力為：螺桿許用剪切應(yīng)力螺母許用剪切應(yīng)力可見，校核通過。（3）螺桿和螺母的抗彎強(qiáng)度螺桿的彎曲應(yīng)力：螺母的彎曲應(yīng)力：螺桿許用彎曲應(yīng)力螺母許用彎曲應(yīng)力可見，校核通過。綜上所述，螺紋牙強(qiáng)度足夠

17、。說明螺紋牙強(qiáng)度足夠。5、螺桿的穩(wěn)定性（1）柔度，其中長度系數(shù)（兩端固定），工作行程=1200mm，故>90(2)臨界載荷,其中E為螺桿材料的彈性模量,取 ,螺桿危險(xiǎn)截面的軸慣性矩,故(3)穩(wěn)定性判定說明穩(wěn)定性合格.>4,證明穩(wěn)定性合格.6.螺桿的剛度（1）軸向載荷使導(dǎo)程產(chǎn)生的變形（2）轉(zhuǎn)矩使導(dǎo)程產(chǎn)生的變形（3）導(dǎo)程的總變形量，軸向載荷與運(yùn)動方向相反時(shí)取正號。則（4）單位長度變形量在本設(shè)計(jì)中，取精度等級為7級，故可知，螺桿剛度合格。，螺桿剛度合格7、螺桿的橫向振動（1）臨界轉(zhuǎn)速，其中為螺桿兩支承間的距離，取=1200mm；為支承系數(shù)，取=4.730（兩端固定）；則（2）工作轉(zhuǎn)速的校

18、核按=1500計(jì)算，滿足要求，合格。，滿足轉(zhuǎn)速要求。8、效率0.3959、螺旋絲桿選型通過螺紋外徑和螺距選擇30度梯形絲杠(兩端臺階型)，型號為MTSBLW20-1200-F25-V15-S25-Q15圖3.3 螺旋絲桿3.2.3直流伺服電機(jī)的選型已知參數(shù)：工作臺重量工作臺與導(dǎo)軌間的摩擦系數(shù)工作臺行進(jìn)時(shí)動載荷螺旋絲桿導(dǎo)程螺旋絲桿節(jié)圓直徑螺旋絲桿總長螺旋絲桿傳動效率表格 D計(jì)算項(xiàng)目設(shè)計(jì)計(jì)算過程計(jì)算結(jié)果1、動作模式的決定其中，工作平臺移動速度工作行程行程時(shí)間加減速時(shí)間定位精度2、等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩電機(jī)與螺旋絲桿間的傳動比i，為使結(jié)構(gòu)簡單，提高精度，取i=1.（1）空載時(shí)的摩擦轉(zhuǎn)矩(2)車削加工時(shí)的負(fù)載轉(zhuǎn)

19、矩3、等效轉(zhuǎn)動慣量（1）螺旋絲桿轉(zhuǎn)動慣量（2）工作臺的轉(zhuǎn)動慣量（3）聯(lián)軸器的轉(zhuǎn)動慣量根據(jù)螺旋絲桿和電機(jī)輸出軸直徑，選擇MCSLCWK40-12-15聯(lián)軸器（兩端帶鍵槽），轉(zhuǎn)動慣量為圖3.4聯(lián)軸器（4）換算到電機(jī)軸上的等效轉(zhuǎn)動慣量為4、轉(zhuǎn)速計(jì)算電機(jī)轉(zhuǎn)速5、直流伺服電機(jī)初步選定根據(jù)車削時(shí)負(fù)載轉(zhuǎn)矩，電機(jī)等效轉(zhuǎn)動慣量和電機(jī)轉(zhuǎn)速1500，初步選定為巨風(fēng)牌稀土永磁直流伺服電機(jī)，型號為85SZD，額定轉(zhuǎn)速為=1500，額定轉(zhuǎn)矩為=1.6，峰值轉(zhuǎn)矩為=10，轉(zhuǎn)動慣量為=80.6。圖3.5直流伺服電機(jī)為了使電機(jī)具有良好的起動能力和較快的響應(yīng)速度，應(yīng)有：6、加減速轉(zhuǎn)矩加減速轉(zhuǎn)矩7、瞬時(shí)最大轉(zhuǎn)矩及有效轉(zhuǎn)矩（1）必要

20、的瞬時(shí)最大轉(zhuǎn)矩故=（2）有效轉(zhuǎn)矩圖3.6電機(jī)動作模式及合成轉(zhuǎn)矩8、電機(jī)其它參數(shù)校驗(yàn)（1）有效轉(zhuǎn)矩=1.41<=1.6（2）瞬時(shí)最大轉(zhuǎn)矩=<=10（3）編碼器分辨率R所要求的編碼器分辨率為即所選編碼器分辨率必須大于。3.2.4、軸承選擇及校核根據(jù)工作情況以及滾珠絲桿的受力，初選軸承為角接觸球軸承，其，采用面對面安裝，其軸向載荷分析如下：圖3.7 軸承軸向載荷分析圖表格 E計(jì)算項(xiàng)目設(shè)計(jì)計(jì)算過程計(jì)算結(jié)果1、徑向外載荷9802、軸向外載荷2023、軸承支反力4904、軸承派生軸向力3435、軸承所受的軸向載荷因?yàn)?，則軸承1受力為軸承2受力為3435456、軸承所受當(dāng)量動載荷因?yàn)檩S承工作時(shí)有

21、中等沖擊，查表得載荷系數(shù)因?yàn)橛?gt;=0.68,>=0.68,且<，故當(dāng)量動載荷為9227、基本額定動載荷其中為軸承預(yù)期計(jì)算壽命，取=15000h為壽命系數(shù)，取=3為溫度系數(shù)，取=1.00則101898、選用軸承根據(jù)額定動載荷，查表，選用7302AW，d=15mm,D=42mm,B=13mm,基本額定動載荷為C=13400N，基本額定靜載荷為7100N型號7302AW，d=15mm,D=42mm,B=13mm，C=13400N9、計(jì)算壽命34120符合壽命要求軸承合格3.2.5鍵的校核表格 F計(jì)算項(xiàng)目設(shè)計(jì)計(jì)算過程計(jì)算結(jié)果1、電機(jī)與聯(lián)軸器上鍵的校核（1）選擇A型普通平鍵。根據(jù)軸徑d

22、=12mm,確定b=5mm,h=5mm,L=14mm。（2）鍵的強(qiáng)度校核驗(yàn)算其擠壓強(qiáng)度，查表得鍵的工作長度則<符合強(qiáng)度要求。鍵5142、聯(lián)軸器與螺旋絲桿上鍵的校核（1）選擇A型普通平鍵根據(jù)軸徑d=15mm，確定b=5mm,h=5mm,L=14mm。（2）鍵的強(qiáng)度校核驗(yàn)算其擠壓強(qiáng)度，查表得鍵的工作長度則<符合強(qiáng)度要求。鍵5144、電器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)4.1控制系統(tǒng)基本組成4.1.1總體方案確定本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)的工作過程為：系統(tǒng)開機(jī)，電機(jī)正轉(zhuǎn)，工作平臺正向移動，默認(rèn)速度3m/min，完成工作行程之后，觸碰右限位開關(guān)，電機(jī)反轉(zhuǎn)，工作平臺返回，依此循環(huán)。速度控制采用PWM調(diào)節(jié)，有3m/mi

23、n和6m/min兩個(gè)設(shè)定速度。傳感器檢測的速度在LCD上顯示。4.1.2電器控制系統(tǒng)原理及組成（1）控制系統(tǒng)原理圖如下：圖4.1電器控制系統(tǒng)原理圖（2）控制流程圖如下：圖4.2主程序流程圖圖4.3 PWM流程圖圖4.4 顯示程序4.2電器元件的選型計(jì)算4.2.1控制芯片選擇89C51是一種帶4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器（FPEROMFalsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓、高性能CMOS8位微處理器，俗稱單片機(jī)。單片機(jī)的可擦除只讀存儲器可以反復(fù)擦除100次。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的M

24、CS-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲器組合在單個(gè)芯片中，ATMEL的89C51是一種高效微控制器，89C2051是它的一種精簡版本。89C單片機(jī)為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價(jià)廉的方案。圖4.5 89C51管腳圖4.2.2電機(jī)驅(qū)動芯片選擇由于單片機(jī)P3口輸出的電壓最高才有5V，難以直接驅(qū)動直流電機(jī)。所以我們需要使用恒壓恒流橋式2A驅(qū)動芯片L298N來驅(qū)動電機(jī)。L298N可接受標(biāo)準(zhǔn)TTL邏輯電平信號VSS，VSS可接4.57V電壓。4腳VS接電源電壓，VS電壓范圍VIH為2.546V。輸出電流可達(dá)2.5A，可驅(qū)動電感性負(fù)載。1腳和15腳下管的發(fā)射極分別單獨(dú)

25、引出以便接入電流采樣電阻，形成電流傳感信號。L298可驅(qū)動2個(gè)電動機(jī)，OUT1，OUT2和OUT3，OUT4之間可分別接電動機(jī)，本系統(tǒng)我們選用驅(qū)動一臺電動機(jī)。5，7，10，12腳接輸入控制電平，控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。ENA，ENB接控制使能端，控制電機(jī)的停轉(zhuǎn)。同時(shí)需要加四個(gè)二極管在電機(jī)的兩端，防止電機(jī)反轉(zhuǎn)的時(shí)候產(chǎn)生強(qiáng)大的沖擊電流燒壞電機(jī)。圖4.6 L298管腳圖4.2.3旋轉(zhuǎn)式編碼器選擇（1）增量式或絕對式選擇增量式只能記住自己走的步數(shù)，開機(jī)后會回到原點(diǎn)；而絕對式上電后就能知道所處的位置，但其需要更多的線數(shù)，成本更高，不如增量式經(jīng)濟(jì)。綜上所述，選擇增量式編碼器。（2）分辨率精度根據(jù)電機(jī)選型時(shí)確定的

26、最小分辨率400，保證編碼器分辨率不小于400.（3）容許最大旋轉(zhuǎn)數(shù)由上可知，電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速為1500r/min，保證容許最大旋轉(zhuǎn)數(shù)不低于此值。（4）最高響應(yīng)頻率數(shù)最大響應(yīng)頻率=（旋轉(zhuǎn)數(shù)/60）×分辨率=（1500/60）×600=15kHz根據(jù)以上參數(shù)，選擇歐姆龍生產(chǎn)的增量式旋轉(zhuǎn)式編碼器E6C2-C。圖4.7旋轉(zhuǎn)式編碼器4.2.4顯示器選擇圖4.8 LCD1602顯示器選擇LCD1602，可顯示16*2個(gè)字符，芯片工作電壓為4.55.5V，工作電流為2.0mA（5.0V時(shí)）。接口說明信號如下：4.3電氣控制電路的設(shè)計(jì)4.3.1單片機(jī)最小系統(tǒng)單片機(jī)最小系統(tǒng)：所謂最小系統(tǒng)就是

27、指由單片機(jī)和一些基本的外圍電路所組成的一個(gè)可以工作的單片機(jī)系統(tǒng)。一般來說，它包括單片機(jī)，晶振電路和復(fù)位電路。（1）晶振電路設(shè)計(jì)高頻率的時(shí)鐘有利于程序更快的運(yùn)行，也有可以實(shí)現(xiàn)更高的信號采樣率，從而實(shí)現(xiàn)更多的功能。但是告訴對系統(tǒng)要求較高，而且功耗大，運(yùn)行環(huán)境苛刻?？紤]到單片機(jī)本身用在控制，并非高速信號采樣處理，所以選取合適的頻率即可。合適頻率的晶振對于選頻信號強(qiáng)度準(zhǔn)確度都有好處，本次設(shè)計(jì)選取12.0MHz無源晶振接入XTAL1和XTAL2引腳。并聯(lián)2個(gè)30pF陶瓷電容幫助起振。圖4.9 晶振電路（2）復(fù)位電路復(fù)位電路通常分為兩種：上電復(fù)位和手動復(fù)位，如下圖所示。 圖4.10 上電復(fù)位 圖4.11手

28、動復(fù)位 有時(shí)系統(tǒng)在運(yùn)行過程中出現(xiàn)程序跑飛的情況，在程序開發(fā)過程中，經(jīng)常需要手動復(fù)位。所以本次設(shè)計(jì)選用手動復(fù)位。圖4.12 復(fù)位電路4.3.2直流電機(jī)驅(qū)動電路設(shè)計(jì)由單片機(jī)轉(zhuǎn)換成PWM信號，并由P3.0、P3.1輸出，經(jīng)驅(qū)動電路輸出給電機(jī)，從而控制電機(jī)得電與失電。P3.0為高電平實(shí)現(xiàn)電機(jī)正轉(zhuǎn)，P3.1為高電平時(shí)實(shí)現(xiàn)電機(jī)反轉(zhuǎn)。通過調(diào)節(jié)脈沖的占空比，實(shí)現(xiàn)速度的調(diào)節(jié)。電路設(shè)計(jì)如下：圖4.13驅(qū)動電路4.3.3顯示電路設(shè)計(jì)圖4.14顯示電路4.3.4鍵盤電路設(shè)計(jì)圖4.15鍵盤電路4.4控制程序的設(shè)計(jì)及說明4.4.1PWM基本原理（1）Tt1t2最大值Vmax平均值Vd最小值VminPWM是通過控制固定電壓

29、的直流電源開關(guān)頻率，從而改變負(fù)載兩端的電壓，進(jìn)而達(dá)到控制要求的一種電壓調(diào)整方法。PWM可以應(yīng)用在許多方面，如電機(jī)調(diào)速、溫度控制、壓力控制等。在PWM驅(qū)動控制的調(diào)整系統(tǒng)中，按一個(gè)固定的頻率來接通和斷開電源，并根據(jù)需要改變一個(gè)周期內(nèi)“接通”和“斷開”時(shí)間的長短。通過改變直流電機(jī)電樞上電壓的“占空比”來改變平均電壓的大小，從而控制電動機(jī)的轉(zhuǎn)速。因此，PWM又被稱為“開關(guān)驅(qū)動裝置”。如圖1所示，在脈沖作用下，當(dāng)電機(jī)通電時(shí)，速度增加；電機(jī)斷電時(shí)，速度逐漸減少。只要按一定規(guī)律，改變通、斷電的時(shí)間，即可讓電機(jī)轉(zhuǎn)速得到控制。圖4.16 PWM控制原理設(shè)電機(jī)始終接通電源時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速最大為，占空比為，則電機(jī)的平均

30、速度為式中，電機(jī)的平均速度；電機(jī)全通電時(shí)的速度(最大)； 占空比。由公式(2)可見，當(dāng)我們改變占空比時(shí)，就可以得到不同的電機(jī)平均速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。嚴(yán)格地講，平均速度與占空比并不是嚴(yán)格的線性關(guān)系，在一般的應(yīng)用中，可以將其近似地看成線性關(guān)系。一般可以采用定寬調(diào)頻、調(diào)寬調(diào)頻、定頻調(diào)寬三種方法改變占空比的值，但是前兩種方法在調(diào)速時(shí)改變了控制脈寬的周期，當(dāng)控制脈沖的頻率與系統(tǒng)的固有頻率接近時(shí)將會引起振蕩，因此常采用定頻調(diào)寬法改變占空比的值，從而改變直流電動機(jī)電樞兩端電壓。定頻調(diào)寬法的頻率一般在800HZ-1000HZ之間比較合適。（2）實(shí)現(xiàn)方法PWM信號的產(chǎn)生通常有兩種方法：一種是軟件的方法；另

31、一種是硬件的方法。硬件方法的實(shí)現(xiàn)已有很多文章介紹，這里不做贅述。本文主要介紹采用定頻調(diào)寬法來利用51單片機(jī)產(chǎn)生PWM信號的軟件實(shí)現(xiàn)方法。MCS-51系列典型產(chǎn)品805l具有兩個(gè)定時(shí)器T0和T1。通過控制定時(shí)器初值，從而可以實(shí)現(xiàn)從8051的任意輸出口輸出不同占空比的脈沖波形。由于PWM信號軟件實(shí)現(xiàn)的核心是單片機(jī)內(nèi)部的定時(shí)器，而不同單片機(jī)的定時(shí)器具有不同的特點(diǎn)，即使是同一臺單片機(jī)由于選用的晶振不同，選擇的定時(shí)器工作方式不同，其定時(shí)器的定時(shí)初值與定時(shí)時(shí)間的關(guān)系也不同。因此，首先必須明確定時(shí)器的定時(shí)初值與定時(shí)時(shí)間的關(guān)系。如果單片機(jī)的時(shí)鐘頻率為f，定時(shí)器計(jì)數(shù)器為n位，則定時(shí)器初值與定時(shí)時(shí)間的關(guān)系為：式中

32、，表示定時(shí)時(shí)間；表示定時(shí)器的位數(shù)； 表示定時(shí)器的計(jì)數(shù)初值； 表示單片機(jī)一個(gè)機(jī)器周期需要時(shí)鐘數(shù)，8051需要12個(gè)時(shí)鐘； 表示單片機(jī)晶振頻率。隨著機(jī)型的不同而不同。在應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)具體的機(jī)型給出相應(yīng)的值。這樣，我們可以通過設(shè)定不同的定時(shí)初值，從而改變占空比D，進(jìn)而達(dá)到控制電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。4.4.2速度反饋原理速度編碼器通過編碼，輸出的是標(biāo)準(zhǔn)脈沖，由其分辨率為600P/R可知，每一個(gè)脈沖可以使電機(jī)軸轉(zhuǎn)1/600轉(zhuǎn)。通過計(jì)算1s的輸出脈沖值，乘以1/600，就可以得到電機(jī)軸的實(shí)際轉(zhuǎn)速，通過與額定轉(zhuǎn)速（25r/s）比較，得出差值，再進(jìn)行調(diào)速，即可完成速度的反饋控制。4.4.3單片機(jī)I/O口分配P0.0

33、P0.7：LCD1602數(shù)據(jù)I/O口P1.0：電機(jī)急停開關(guān)P1.1：電機(jī)正轉(zhuǎn)開關(guān)（接左限位開關(guān)）P1.2：電機(jī)反轉(zhuǎn)開關(guān)（接右限位開關(guān)）P1.3：電機(jī)速度調(diào)節(jié)開關(guān)（3m/min）P1.4：電機(jī)速度調(diào)節(jié)開關(guān)（6m/min）P2.0：LCD1602數(shù)據(jù)/命令選擇端P2.1：LCD1602讀/寫選擇端P2.2：LCD1602使能信號端P2.7：傳感器讀數(shù)據(jù)端P3.0：直流伺服電機(jī)接入端P3.1：直流伺服電機(jī)接入端P3.7：L298n使能端4.4.4程序設(shè)計(jì)#include<at89x51.h>#include <intrins.h>#define uchar unsigned

34、char#define uint unsigned intsbit TX=P26;sbit RS=P20;/寄存器選擇位，將RS位定義為P2.0引腳sbit RW=P21;/讀寫選擇位，將RW位定義為P2.1引腳sbit E=P22;/使能信號位，將E位定義為P2.2引腳/初使化顯示數(shù)組定義uchar dis1="Speed "uchar dis2=" mm/s"uchar code ASCII='0','1','2','3','4','5','6&#

35、39;,'7','8','9','.','-','M'uint count;void lcdshow();/顯示程序void keyscan();/鍵盤掃描程序void delay();/延時(shí)程序void forward();/電機(jī)前進(jìn)程序void backward();/電機(jī)后退程序void stop();/電機(jī)急停程序void speed1();/速度3m/minvoid speed2();/速度6m/minfloat count(float s);/計(jì)算傳感器1s輸出的脈沖數(shù)void spee

36、dcontrol();/速度反饋控制void delay() unsigned char i,j; for(i=20;i>0;i-) for(j=248;j>0;j-); /延時(shí)10msvoid keyscan() uchar temp=0; P1=0xff; if(P1&0x1f)!=0x1f) delay(); if(P1&0x1f)!=0x1f) temp=P1&0x1f; switch(temp) case 0x1e; stop();break; case 0x1d; forward();break; case 0x1b; backward();br

37、eak; case 0x17; speed1();break; case 0x0f; speed2();break; while(P1&0x1f)!=0x1f);float count(s) s=count/600; shi=(s/10)+48; ge=(s%10)+48; return s;uchar lcd_busy() bit result; RS=0; RW=1; E=1; _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); result=(bit)(P0&0x80); E=0; return result;void lcd_wcmd(uchar c

38、md) while(lcd_busy(); RS=0; RW=0; E=0; _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); E=1; _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); E=0;void lcd_pos(uchar pos) lcd_wcmd(pos|0x80);void lcd_wdat(uchar dat) while(lcd_busy(); RS=1; RW=0; E=0; P0=dat; _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); E=1; _nop_(); _nop_(); _nop_(); _

39、nop_(); E=0;void lcd_init() void delay(); lcd_wcmd(0x38); void delay(); lcd_wcmd(0x38); void delay(); lcd_wcmd(0x38); void delay(); lcd_wcmd(0x0c); void delay(); lcd_wcmd(0x06); void delay(); lcd_wcmd(0x01); void delay();void lcdshow() int i=0; lcd_init(); lcd_pos(0x02); while(dis1i!='/0') l

40、cd_wdat(dis1i); i+;lcd_pos(0x40);i=0;while(dis2i!='/0') lcd_wdat(dis2i); i+; ; while(1) count(s); lcd_pos( 0x4A); lcd_wdat(shi); lcd_pos(0x4B); lcd_wdat(ge);/反饋速度顯示 void forward() P3_0=1; P3_1=0;void backward() P3_0=0; P3_1=1;void stop() P3_0=0; P3_1=0;void speed1() TMOD=0x01; TH0=(65536-40000)/256; TL0