机电传动单向数控平台设计说明书.docx

1.设计任务11.1设计任务介绍及意义 课程设计题目机电传动单向数控平台设计 主要设计内容（1）机械传动结构设计（2）电气控制系统 课程设计意义：通过课程设计培养学生综合运用所学知识和能力、提高分析和解决实际问题能力的一个重要环节，专业课程设计时建立的专业根底课程和专业方向课的根底上的，是学生根据所学课程进行的工程根本训练，课程设计的目的在于：1. 培养学生综合运用所学的根底理论和专业知识，独立进行机电控制系统（产品）的初步设计工作，并结合设计或试验研究课题进一步稳固和扩大知识领域。2. 培养学生搜索、阅读和综合分析参考资料，运用各种标准和工具书籍一集编写技术文件的能力、提高计算、绘图等根本能力。3. 培养学生掌握机电产品设计的一半程序和方法，进行工程师根本素质的训练。4. 树立正确的设计思想及严肃认真的工作作风。5. 2设计任务明细1 .电机驱动方式：步进电机。2 .机械传动方式：螺旋丝杠。3 .电气控制方式：单片微机控制。4 .功能控制要求：速度控制。5 .主要设计参数：单向工作行程IOoOmm,移动负载质量50kg,负载移动阻力50N,移动速度控制3mmin<>2 .总体方案设计2.1 设计的根本依据步进电机又称脉冲电机。它是将电脉冲信号转换成机械角位移的执行元件。每当输入一个电脉冲时，转子就转过一个相应的步距角。转子角位移的大小及转速分别与输入的电脉冲数及频率成正比，并在时间上与输入脉冲同步。只要控制输入电脉冲的数量、频率以及电机绕组通电相序即可获得所需的转角、转速及转向。步进电动机具有以下特点：1、工作状态不易受各种干扰因素（如电压波动、电流大小与波形变化、温度等）的影响；2、步进电动机的步距角有误差，转子转过一定步数以后也会出现累积误差，但转子转过一转以后，其累积误差变为“零”；3、由于可以直接用数字信号控制，与微机接口相接比拟容易；4、控制性能好,在起动、停止、反转时不易“丢步”；5、不需要传感器进行反应，可以进行开环控制；6、缺点是能量效率较低。2.2 总体方案本系统将采用ATMEL公司生产的MEGA-16L系列产品作为控制单元。通过控制单片机的引脚发送的脉冲信号控制步进电机的速度然后将步进电机产生的力矩通过减速器进行一级减速之后输入螺旋丝杠端驱开工作平台的移动。本系统与其他同类产品相比具有以下的特点：1 .单片机控制具有较强的灵活性，可以处理多种可能发生的情况。2 .响应速度快，提高控制的实时性。3 .造价比拟廉价，系统扩展方便。3 .机械传动系统设计给定参数：单向工作行程：1OOOmm移动负载质量：50kg负载移动阻力：50N移动速度控制：3mmin3.1 滑动螺旋传动计算1 .确定丝杠的导程查手册知导程为IOMM的丝杠其公称直径范围最大，且在这个公称直径范围内的丝杠其优先腿脚选用的导程也为IOMM,因此，确定选用导程Ph=IOMM的丝杠。2 .丝杠的转速3 .丝杠的平均载荷Fn=mg+Ff=0.1*50*9.8+50100N4 .预期额定动载荷(1)按预期工作时间估计查表：轻微冲击力二1.2精度等级1-3,取工,=1.0可靠性96%,取力=0.53：寿命4=1500Oh得：CwW="阿五=1848wo5.丝杠副的型号根据所选定的导程弓=1Omm以及动载荷Q>Cw“选用FFZD型丝杠，型号FFZD3210,其主要参数如下：公称直径32mm导程IOmm丝杠大径30mm轴端直径<二24Inm动负荷32KN静载荷70KN刚度1170Num6 .耐磨性计算选择梯形螺纹g的值为:0.8整体式螺母的小值在1.2-2.5之间选取小值为1.86的值为：1.8许用压强在18MPa-25MPa之间，选取p为22MPa许用压强p为：22MPa7 .验算自锁螺旋副摩擦系US在0.08-0.1之间，选取螺旋摩擦系数为0.088螺旋副摩擦系数US为：0.088根据=arctan上-得出螺纹升角d1螺纹升角为：1.658°根据p=arctan上万得出当量摩擦角cos2p=5.218 .计算驱动转矩T2.7；为轴承摩擦力矩驱动转矩T为：258(N*mm)9 .计算螺杆强度取71-118.333MPa螺杆当量应力。的值为：0.043MPa合格10 .螺纹牙强度计算F=r螺杆dlbz=-螺母dbz螺杆3F4=嬴历勺司螺母螺纹牙底宽度为：5.2mm螺杆抗剪强度为：0.008MPa螺杆抗弯强度为：0.018MPa螺母抗剪强度为：0.077MPa螺母抗弯强度为：0.178MPaIL螺杆的稳定性计算螺杆的最大工作长度1为：130Omm两端固定长度系数U为：0.5螺杆材料的弹性模量E为：207000MPa应使a2.5-4（不能满足此条件应该加大d）临界载荷FC的值为：326929.962N12 .螺杆的刚度计算螺杆材料的切变模量G为：83OOOMPa轴向载荷使导程产生的变形量6LF为：Omm转矩使导程产生的变形量3LT为：Omm导程的总变形量3L为：Omm13 .计算横向振动螺杆两支承间的最大距离IC为：100Omm两端固定的系数Hl为：4.730临界转速nc为：5255.678（rmin）14 .计算效率轴承效率为：0.99效率为:0.2667815 2电动机的选择选用步进电机：工作机所需输入功率：Pw=Fv=50+50N）*3mmin=5w电机所需功率：Pi1=l=3l=48.6W其中，名为高速级联轴器效率，0.99%为滚动轴承效率，0.99%为闭式圆柱齿轮效率，097（按8级精度）“为螺旋传动效率，0.26678所以查表选电机型号为：75BF001电机参数：型号：75BFOOl相数：3步距角(。):1.5电压/V:24相电流/A:3最大静转矩/(Nm):0.392空载起动频率/(steps):1750空载运行频率/(steps):电感/mH:19电阻/Q：0.62分配方式：三相六拍外形尺寸mm:75×53质量kg:1.116 3轴承选择查表采用固定式E型、F型轴承、轴承型号为7602020TVP,主要参数如下:内径d=20mm夕卜径D=47mm宽度B=14mm球径Dw=5.953mm球数Z=15动负荷Ca=I9600N预加负载F0=2300N极限转速nm=3000rmin重量m=0.123kg3.4轴承校核(1)由设计条件知，负载很小G=mg=500N<1960(),因此轴承承载能力能完全满足要求。(2)寿命设计：fp=Ll=13. 5润滑与密封轴承的润滑：根据轴颈的圆周速度,轴承可以用润滑脂和润滑油润滑，由于齿轮的转速根据以知是大于2ms,所以润滑可以靠机体的飞溅直接润滑轴承。齿轮的润滑：采用浸油润滑，由于低速级周向速度为2.87ms,所以浸油高度约为六分之一大齿轮半径齿轮与轴承用同种润滑油较为便利，考虑到该装置用于小型设备，选用L-AN15润滑油。密封：采用迷宫式密封件，圆周速度小于等于IOms,环境温度低于润滑脂溶点4.电气控制系统设计4.1 控制芯片选择本系统将采用ATMEL公司生产的AVR系列MEGA-16L产品作为控制单元。4. 2.电机驱动芯片选择在电机驱动芯片我选用L298n,它能驱动的最高电压为50V,单向电流最大可达5AL298n芯片采用以下接线方式：4.3 稳压电源芯片的选择在稳压电源上我选择三端稳压集成电路7805为单片机供电。电子产品中，常见的三端稳压集成电路有正电压输出的78××系列和负电压输出的79系列。顾名思义，三端IC是指这种稳压用的集成电路，只有三条引脚输出，分别是输入端、接地端和输出端。它的样子象是普通的三极管，TO-220的标准封装，也有9013样子的TO-92封装。用78/79系列三端稳压IC来组成稳压电源所需的外围元件极少，电路内部还有过流、过热及调整管的保护电路，使用起来可靠、方便，而且价格廉价。该系列集成稳压IC型号中的78或79后面的数字代表该三端集成稳压电路的输出电压，如7806表示输出电压为正6V,7909表示输出电压为负9V。因为三端固定集成稳压电路的使用方便，电子制作中经常采用。在实际应用中，应在三端集成稳压电路上安装足够大的散热器（当然小功率的条件下不用）。当稳压管温度过高时，稳压性能将变差，甚至损坏。当制作中需要一个能输出1.5A以上电流的稳压电源，通常采用几块三端稳压电路并联起来，使其最大输出电流为N个1.5A,但应用时需注意：并联使用的集成稳压电路应采用同一厂家、同一批号的产品，以保证参数的一致。另外在输出电流上留有一定的余量，以防止个别集成稳压电路失效时导致其他电路的连锁烧毁。在78*、79*系列三端稳压器中最常应用的是TO220和TO-202两种封装。这两种封装的图形以及引脚序号、引脚功能如附图所示。图中的引脚号标注方法是按照引脚电位从高到底的顺序标注的。这样标注便于记忆。引脚为最高电位，脚为最低电位，脚居中。从图中可以看出，不管正压还是负压，脚均为输出端。对于78*正压系列，输入是最高电位，自然是脚，地端为最低电位，即脚，如附图所示。对与79*负压系列，输入为最低电位，自然是TO-220GND夕1.Input12.GND脚，而地端为最高电位，即脚，如附图所示。3°utpl4.4 串行通讯设计在本系统中我设计了串行通讯的模块，可以使单片机接受上位电脑发送过来的数据进而控制电机的转动，实时的通讯系统方便了对该平台的控制，同时能实现远程控制。在串行通讯中我设计使用的是MAX232N芯片，以下是其接线电路与引脚配置图。4. 5控制电路设计首先设计的局部是ATmega16单片机的最小外围电路，包括：晶振电路、复位电路、ISP下载电路、供电电源电路。晶振电路图如下：复位电路如下：稳压电源电路:ISP下载电路如图：5. 程序主程序：include<ioml6v.h>头文件定义#include<macros.h>#Pragmadata:code#defineucharunsignedchar#defineuintunsignedintinclude'T2864.c”unsignedchardata=0;uintspeed=0;ucharturn=0;函数名称：Delayus功能：延时指定微秒(8M晶振)参数：US一延时的微秒数返回值：无voiddelayus(uintUS)(uinti;US=US*10/4;for(i=0;i<US;i+);)voiddelayms(uintMS)(uinti,j;for(i=0;i<MS;i+)for(j=0;j<1141*2;j+);/1141是在8MHz晶振下,通过软件仿真反复实验得到的数值)voidPort_init(VOie!)端口初始化(DDR=OxFF;DDRB=OxFF;DDRC=OxFF;DDRD=0x00;)/*1初始化voidtimerlinit(void)(TCCRlB=0x00;/stopTCNTlH=OxFF;/setup初值TCNTlL=0x30;TCCR1=0x00;/tartTimerTCCRlB=0x02;)函数名称：KeyPress参数：扫描键值返回值：1,2,3,4unsignedcharKeyPress()(uchari=0;DDRDft=OxfO;PINDl=OxfO;PORTD=Oxff;switchPINDcaseOxef:/delay_ms(1);if(PIND=Oxef)(i=l;returni;break;)caseOxdf:(/delayms(1);if(PIND=Oxdf)(i=2;returni;break;)caseOxbf:(/delay_ms(1);if(PIND=Oxbf)i=3;returni;break;case0x7f:/delayms(1);if(PIND=0x7f)i=4;returni;break;)caseOxff:(/delayms(1);if(PIND=Oxff)(i=0;returni;break;voidinitdevices()(CLIO;port_init();timerl_init();SEI();voidspeedup()speed+;voidspeeddown()speed一；voidspeeddown()(CLIO;voidback()(if(turn=0)turn=l;if(turn=l)turn=0;voidmain()(init_devices();while(l)(write.12864(0,0,lspeed*l.5*60/360+48);write12864(6,0,"rmin");data=KeyPress();if(data=l)speedup();if(data=2)speeddown();if(data=3)stop();if(data=4)back();)#pragmainterrupthandlertimerlovfisr:9voidtimerlovfisr(void)/TIMERlhasoverflowedTCNTlH=speed;/reloadcounterhighvalueTCNTlL=0xF8;/reloadcounterlowvalueflag+;flag%=9;if(turn=0)(switch(flag)(case0:PORTBI=BIT(0);PoRTB&=BIT(1);PORTB&=BIT(2);case 1:PORTBI=BIT(0);PORTBI=BIT(I);PORTB&=BIT(2);case 2:PORTB=BIT(1);PORTB&二BIT(2);PoRTB&=BIT(O);case 3:portb=bit(i)；PORTBI=BIT(2);PORTB&="BIT(O);case 4:PORTBI=BIT(2);PoRTB&=BIT(O);PORTB="BIT(1);case 5:PORTBI=BIT(2);portb=bit(o)；PORTB&=BIT(1);if(turn=l)(switch(flag)(case0:PORTBI=BIT(O);PORTB&=BIT(1);PoRTB&=BIT(2);case 1:PORTBI=BIT(O);PORTBI=BIT(I);P0RTBft="BIT(2);case 2:PORTBI=BIT(I);PORTB&=BIT(2);PoRTB&=BIT(O);case 3:PORTBI=BIT(I);PORTBI=BIT(2);PORTB&=BIT(O);case 4:PORTBI=BIT(2);PORTB&=BIT(O);PORTB&=BIT(1);case 5:PORTBI=BIT(2);PORTBI=BIT(O);)voiduart_init(void)(UCSRB=OxOO;/disablewhilesettingbaudrateUCSR=0x00;UCSRC=BIT(URSEl)I0x06;UBRRL=0x67;/setbaudrateIoUBRRH=OxOO;/setbaudratehiUCSRB=0x98;)/tansmit串发一voiduartt(unsignedchardatax)(while(!(UCSRA&(1<<UDRE);UDR=datax;)*字符输入函数*/unsignedintuartr(void)(while(!(UCSRA&(1<<RXC);returnUDR;)6.参考文献1计时鸣，机电一体化控制技术与系统。2尹志强，机电一体化系统设计课程设计指导书。3路敦民，机电传动及控制。4龙威林，单片机应用入门：AT89S51和AVR。5董景新，控制工程根底。6程志红，机械设计。7程志红，机械设计课程上机与设计。8肖兴明，机电控制及自动化。9李朝青，单片机原理及接口技术。