機電傳動單向數(shù)控平臺設(shè)計說明書

1.設(shè)計任務(wù)1.1設(shè)計任務(wù)介紹及意義課程設(shè)計題目機電傳動單向數(shù)控平臺設(shè)計主要設(shè)計內(nèi)容(1)機械傳動結(jié)構(gòu)設(shè)計(2)電氣控制系統(tǒng)課程設(shè)計意義：通過課程設(shè)計培養(yǎng)學(xué)生綜合運用所學(xué)知識和能力、提高分析和解決實際問題能力的一個重要環(huán)節(jié)，專業(yè)課程設(shè)計時建立的專業(yè)根底課程和專業(yè)方向課的根底上的，是學(xué)生根據(jù)所學(xué)課程進行的工程根本訓(xùn)練，課程設(shè)計的目的在于：培養(yǎng)學(xué)生綜合運用所學(xué)的根底理論和專業(yè)知識，獨立進行機電控制系統(tǒng)〔產(chǎn)品〕的初步設(shè)計工作，并結(jié)合設(shè)計或試驗研究課題進一步穩(wěn)固和擴大知識領(lǐng)域。培養(yǎng)學(xué)生搜索、閱讀和綜合分析參考資料，運用各種標(biāo)準(zhǔn)和工具書籍一集編寫技術(shù)文件的能力、提高計算、繪圖等根本能力。培養(yǎng)學(xué)生掌握機電產(chǎn)品設(shè)計的一半程序和方法，進行工程師根本素質(zhì)的訓(xùn)練。樹立正確的設(shè)計思想及嚴(yán)肅認(rèn)真的工作作風(fēng)。1.2設(shè)計任務(wù)明細電機驅(qū)動方式：步進電機。機械傳動方式：螺旋絲杠。電氣控制方式：單片微機控制。功能控制要求：速度控制。主要設(shè)計參數(shù)：單向工作行程1000mm，移動負載質(zhì)量50kg，負載移動阻力50N，移動速度控制3m/min。2.總體方案設(shè)計2.1設(shè)計的根本依據(jù)步進電機又稱脈沖電機。它是將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成機械角位移的執(zhí)行元件。每當(dāng)輸入一個電脈沖時，轉(zhuǎn)子就轉(zhuǎn)過一個相應(yīng)的步距角。轉(zhuǎn)子角位移的大小及轉(zhuǎn)速分別與輸入的電脈沖數(shù)及頻率成正比，并在時間上與輸入脈沖同步。只要控制輸入電脈沖的數(shù)量、頻率以及電機繞組通電相序即可獲得所需的轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)向。步進電動機具有以下特點：1、工作狀態(tài)不易受各種干擾因素(如電壓波動、電流大小與波形變化、溫度等)的影響；2、步進電動機的步距角有誤差，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一定步數(shù)以后也會出現(xiàn)累積誤差，但轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一轉(zhuǎn)以后，其累積誤差變?yōu)椤傲恪保?、由于可以直接用數(shù)字信號控制，與微機接口相接比擬容易；4、控制性能好,在起動、停止、反轉(zhuǎn)時不易“丟步”；5、不需要傳感器進行反應(yīng)，可以進行開環(huán)控制；6、缺點是能量效率較低。2.2總體方案本系統(tǒng)將采用ATMEL公司生產(chǎn)的MEGA-16L系列產(chǎn)品作為控制單元。通過控制單片機的引腳發(fā)送的脈沖信號控制步進電機的速度然后將步進電機產(chǎn)生的力矩通過減速器進行一級減速之后輸入螺旋絲杠端驅(qū)開工作平臺的移動。本系統(tǒng)與其他同類產(chǎn)品相比具有以下的特點：單片機控制具有較強的靈活性，可以處理多種可能發(fā)生的情況。響應(yīng)速度快，提高控制的實時性。造價比擬廉價，系統(tǒng)擴展方便。3.機械傳動系統(tǒng)設(shè)計給定參數(shù)：單向工作行程：1000mm移動負載質(zhì)量：50kg負載移動阻力：50N移動速度控制：3m/min3.1滑動螺旋傳動計算1.確定絲杠的導(dǎo)程查手冊知導(dǎo)程為10MM的絲杠其公稱直徑范圍最大，且在這個公稱直徑范圍內(nèi)的絲杠其優(yōu)先腿腳選用的導(dǎo)程也為10MM,因此，確定選用導(dǎo)程Ph=10MM的絲杠。2.絲杠的轉(zhuǎn)速3.絲杠的平均載荷N4.預(yù)期額定動載荷〔1〕按預(yù)期工作時間估計查表：輕微沖擊=1.2精度等級1-3，取=1.0可靠性96%，取=0.53：壽命=15000h得：5.絲杠副的型號根據(jù)所選定的導(dǎo)程=10mm以及動載荷選用FFZD型絲杠，型號FFZD3210，其主要參數(shù)如下：公稱直徑32mm導(dǎo)程10mm絲杠大徑30mm軸端直徑<=24mm動負荷32KN靜載荷70KN剛度1170N/um6.耐磨性計算選擇梯形螺紋ξ的值為：0.8整體式螺母的φ值在1.2-2.5之間選取φ值為1.8φ的值為：1.8許用壓強在18MPa-25MPa之間，選取[p]為22MPa許用壓強[p]為：22MPa7.驗算自鎖螺旋副摩擦系μs在0.08-0.1之間，選取螺旋摩擦系數(shù)為0.088螺旋副摩擦系數(shù)μs為：0.088根據(jù)得出螺紋升角螺紋升角為：1.658°根據(jù)得出當(dāng)量摩擦角=5.218.計算驅(qū)動轉(zhuǎn)矩、為軸承摩擦力矩驅(qū)動轉(zhuǎn)矩T為：258(N*mm)9.計算螺桿強度[]取71-118.333Mpa螺桿當(dāng)量應(yīng)力σ的值為：0.043MPa<[]合格10.螺紋牙強度計算螺桿螺母螺桿螺母螺紋牙底寬度為：5.2mm螺桿抗剪強度為：0.008MPa螺桿抗彎強度為：0.018MPa螺母抗剪強度為：0.077MPa螺母抗彎強度為：0.178MPa11.螺桿的穩(wěn)定性計算螺桿的最大工作長度l為：1300mm兩端固定長度系數(shù)μ為：0.5螺桿材料的彈性模量E為：207000MPa應(yīng)使〔不能滿足此條件應(yīng)該加大〕臨界載荷Fc的值為：326929.962N12.螺桿的剛度計算螺桿材料的切變模量G為：83000MPa軸向載荷使導(dǎo)程產(chǎn)生的變形量δLF為：0mm轉(zhuǎn)矩使導(dǎo)程產(chǎn)生的變形量δLT為：0mm導(dǎo)程的總變形量δL為：0mm13.計算橫向振動螺桿兩支承間的最大距離lc為：1000mm兩端固定的系數(shù)μ1為：4.730臨界轉(zhuǎn)速nc為：5255.678(r/min)14.計算效率軸承效率為：0.99效率為：0.266783.2電動機的選擇選用步進電機：工作機所需輸入功率：＝〔50+50N〕*3m/min=5w電機所需功率：其中，為高速級聯(lián)軸器效率，0.99為滾動軸承效率，0.99為閉式圓柱齒輪效率，0.97〔按8級精度〕為螺旋傳動效率，0.26678所以查表選電機型號為：75BF001電機參數(shù)：型號:75BF001相數(shù):3步距角(°):1.5電壓/V:24相電流/A:3最大靜轉(zhuǎn)矩/(N·m):0.392空載起動頻率/(step/s):1750空載運行頻率/(step/s):電感/mH:19電阻/Ω:0.62分配方式:三相六拍外形尺寸/mm:φ75×53質(zhì)量/kg:1.13.3軸承選擇查表采用固定式E型、F型軸承、軸承型號為7602020TVP，主要參數(shù)如下：內(nèi)徑d=20mm外徑D=47mm寬度B=14mm球徑Dw=5.953mm球數(shù)Z=15動負荷Ca=19600N預(yù)加負載F0=2300N極限轉(zhuǎn)速nm=3000r/min重量m=0.123kg3.4軸承校核〔1〕由設(shè)計條件知，負載很小G=mg=500N<19600，因此軸承承載能力能完全滿足要求。〔2〕壽命設(shè)計：=1.1=13.5潤滑與密封軸承的潤滑：根據(jù)軸頸的圓周速度,軸承可以用潤滑脂和潤滑油潤滑,由于齒輪的轉(zhuǎn)速根據(jù)以知是大于2m/s,所以潤滑可以靠機體的飛濺直接潤滑軸承。齒輪的潤滑：采用浸油潤滑，由于低速級周向速度為2.87m/s，所以浸油高度約為六分之一大齒輪半徑齒輪與軸承用同種潤滑油較為便利，考慮到該裝置用于小型設(shè)備，選用L-AN15潤滑油。密封：采用迷宮式密封件，圓周速度小于等于10m/s,環(huán)境溫度低于潤滑脂溶點4.電氣控制系統(tǒng)設(shè)計4.1控制芯片選擇本系統(tǒng)將采用ATMEL公司生產(chǎn)的AVR系列MEGA-16L產(chǎn)品作為控制單元。4.2.電機驅(qū)動芯片選擇在電機驅(qū)動芯片我選用L298n，它能驅(qū)動的最高電壓為50V，單向電流最大可達5AL298n芯片采用以下接線方式：4.3穩(wěn)壓電源芯片的選擇在穩(wěn)壓電源上我選擇三端穩(wěn)壓集成電路7805為單片機供電。電子產(chǎn)品中，常見的三端穩(wěn)壓集成電路有正電壓輸出的78××系列和負電壓輸出的79××系列。顧名思義，三端IC是指這種穩(wěn)壓用的集成電路，只有三條引腳輸出，分別是輸入端、接地端和輸出端。它的樣子象是普通的三極管，TO-220的標(biāo)準(zhǔn)封裝，也有9013樣子的TO-92封裝。用78/79系列三端穩(wěn)壓IC來組成穩(wěn)壓電源所需的外圍元件極少，電路內(nèi)部還有過流、過熱及調(diào)整管的保護電路，使用起來可靠、方便，而且價格廉價。該系列集成穩(wěn)壓IC型號中的78或79后面的數(shù)字代表該三端集成穩(wěn)壓電路的輸出電壓，如7806表示輸出電壓為正6V，7909表示輸出電壓為負9V。因為三端固定集成穩(wěn)壓電路的使用方便，電子制作中經(jīng)常采用。在實際應(yīng)用中，應(yīng)在三端集成穩(wěn)壓電路上安裝足夠大的散熱器〔當(dāng)然小功率的條件下不用〕。當(dāng)穩(wěn)壓管溫度過高時，穩(wěn)壓性能將變差，甚至損壞。當(dāng)制作中需要一個能輸出1.5A以上電流的穩(wěn)壓電源，通常采用幾塊三端穩(wěn)壓電路并聯(lián)起來，使其最大輸出電流為N個1.5A，但應(yīng)用時需注意：并聯(lián)使用的集成穩(wěn)壓電路應(yīng)采用同一廠家、同一批號的產(chǎn)品，以保證參數(shù)的一致。另外在輸出電流上留有一定的余量，以防止個別集成穩(wěn)壓電路失效時導(dǎo)致其他電路的連鎖燒毀。在78**、79**系列三端穩(wěn)壓器中最常應(yīng)用的是TO-220和TO-202兩種封裝。這兩種封裝的圖形以及引腳序號、引腳功能如附圖所示。圖中的引腳號標(biāo)注方法是按照引腳電位從高到底的順序標(biāo)注的。這樣標(biāo)注便于記憶。引腳①為最高電位，③腳為最低電位，②腳居中。從圖中可以看出，不管正壓還是負壓，②腳均為輸出端。對于78**正壓系列，輸入是最高電位，自然是①腳，地端為最低電位，即③腳，如附圖所示。對與79**負壓系列，輸入為最低電位，自然是③腳，而地端為最高電位，即①腳，如附圖所示。4.4串行通訊設(shè)計在本系統(tǒng)中我設(shè)計了串行通訊的模塊，可以使單片機接受上位電腦發(fā)送過來的數(shù)據(jù)進而控制電機的轉(zhuǎn)動，實時的通訊系統(tǒng)方便了對該平臺的控制，同時能實現(xiàn)遠程控制。在串行通訊中我設(shè)計使用的是MAX232N芯片，以下是其接線電路與引腳配置圖。4.5控制電路設(shè)計首先設(shè)計的局部是ATmega16單片機的最小外圍電路，包括：晶振電路、復(fù)位電路、ISP下載電路、供電電源電路。晶振電路圖如下：復(fù)位電路如下：穩(wěn)壓電源電路：ISP下載電路如圖：5.程序主程序：#include<iom16v.h>//頭文件定義#include<macros.h>#pragmadata:code#defineucharunsignedchar#defineuintunsignedint#include"12864.c"unsignedchardata=0;uintspeed=0;ucharturn=0;/*******************************************函數(shù)名稱:Delayus功能:延時指定微秒〔8M晶振〕參數(shù):US--延時的微秒數(shù)返回值:無/********************************************/voiddelay_us(uintUS) {uinti;US=US*10/4; for(i=0;i<US;i++);}voiddelay_ms(uintMS) {uinti,j;for(i=0;i<MS;i++)for(j=0;j<1141*2;j++); //1141是在8MHz晶振下，通過軟件仿真反復(fù)實驗得到的數(shù)值}/********************************************/voidport_init(void)////////端口初始化{ DDRA=0xFF; DDRB=0xFF; DDRC=0xFF; DDRD=0x00;}//************************************T1初始化voidtimer1_init(void){TCCR1B=0x00;//stopTCNT1H=0xFF;////////////////////setup初值TCNT1L=0x30;TCCR1A=0x00;/////////tartTimerTCCR1B=0x02;}/********************************************函數(shù)名稱:KeyPress參數(shù):掃描鍵值返回值:1，2，3，4/********************************************/unsignedcharKeyPress(){uchari=0;DDRD&=0xf0;PIND|=0xf0;PORTD=0xff; switchPIND { case0xef: { //delay_ms(1); if(PIND==0xef) { i=1; returni; break; } } case0xdf: { //delay_ms(1); if(PIND==0xdf) { i=2; returni; break; } } case0xbf: { //delay_ms(1); if(PIND==0xbf) { i=3; returni; break; } } case0x7f: { //delay_ms(1); if(PIND==0x7f) { i=4; returni; break; } } case0xff: { //delay_ms(1); if(PIND==0xff) { i=0; returni; break; } }}}voidinit_devices(){CLI();port_init();timer1_init();SEI();}voidspeedup(){speed++;}voidspeeddown(){speed--;}voidspeeddown(){CLI();}voidback(){if(turn==0)turn=1;if(turn==1)turn=0;}/********************************************/voidmain(){init_devices();while(1){write_12864(0,0,1/speed*1.5*60/360+48);write_12864(6,0,"r/min");data=KeyPress();if(data==1)speedup();if(data==2)speeddown();if(data==3)stop();if(data==4)back();}}#pragmainterrupt_handlertimer1_ovf_isr:9voidtimer1_ovf_isr(void) //TIMER1hasoverflowed{TCNT1H=speed;//reloadcounterhighvalueTCNT1L=0xF8;//reloadcounterlowvalueflag++;flag%=9;if(turn==0){switch(flag){ case0: PORTB|=BIT(0); PORTB&=~BIT(1); PORTB&=~BIT(2); case1: PORTB|=BIT(0); PORTB|=BIT(1); PORTB&=~BIT(2); case2: PORTB|=BIT(1); PORTB&=~BIT(2); PORTB&=~BIT(0); case3: PORTB|=BIT(1); PORTB|=BIT(2); PORTB&=~BIT(0); case4: PORTB|=BIT(2); PORTB&=~BIT(0); PORTB&=~BIT(1); case5: PORTB|=BIT(2); PORTB|=BIT(0); PORTB&=~BIT(1);}}if(turn==1){switch(flag){ case0: 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