机电传动单向数控平台设计

机电传动单向数控

平台设计

说明书

专业：机械工程及其自动化

目录1设计任务

1.1设计任务介绍及意义

1.2 设计任务明细

1.3 设计的基本要求

2总体方案设计

2.1设计的基本依据

2.2 总体方案的确定

3机械传动系统设计

3.1滚动导轨副的设计计算

3.2滚动轴承的选用校核

3.3螺旋传动副的设计计算

3.4键的选用与校核

3.5联轴器的校核

3.6直流伺服电机的选择与校核

4电气控制系统设计

4.1控制系统的基本组成

4.2 电器元件的选型与电路设计

4.3控制程序的设计及说明

5 结论

6参考文献

1.设计任务

1.1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：设计内容必须包括一个模拟量控制

◆课程设计意义：

⑴培养学生综合运用所学的基础理论和专业知识，独立进行机电控

制系统(产品)的初步设计工作。

⑵培养学生搜集、阅读和综合分析参考资料，运用各种标准和工具

书籍以及编写技术文件的能力，提高计算、绘图等基本技能。

⑶培养学生掌握机电产品设计的一般程序和方法，进行工程师基本

素质的训练。

⑷树立正确的设计思想及严肃认真的工作作风。

1.2设计任务明细：

机电传动单向数控平台设计：

1.21电机驱动方式：步进电机、直流伺服电机、交流伺服电机；

1.22机械传动方式：螺旋丝杆、滚珠丝杆、同步皮带、链传动等；

1.23电气控制方式：单片微机控制、PLC控制；

1.24功能控制要求：速度控制、位置控制；

1.25主要设计参数：

单向工作行程——1800、1500、1200 mm；

移动负载质量——100、50 kg；

负载移动阻力——100、50 N；

移动速度控制——3、6 m/min；

1.3设计的基本要求

（1）方案设计：根据课程设计任务的要求，在搜集、归纳、分析资料的基

础上，明确系统的主要功能，确定实现系统主要功能的原理方案，并对各种方案进行分析和评价，进行方案选优。

（2）总体设计：针对具体的原理方案，通过对动力和总体参数的选择和计算，进行总体设计，最后给出机械系统的控制原理图或主要部件图（A2图一张）。

（3）电气控制线路图：根据控制功能要求，完成电气控制设计，给出电气控制电路原理图（A2图一张）。

（4）成果展示：课程设计成果最后集中表现在课程设计说明书和所绘制的设计图纸上，每个学生应独立完成课程设计说明书一份，设计图纸不少于两张。

（5）绘图及说明书：用计算机绘图，打印说明书；

（6）设计选题：分组进行，每位同学采用不同方案（或参数）独立完成。

2．总体方案设计

2.1设计基本依据

直流伺服电机为直流供电，通过电刷和换向器产生的整流作用，使磁场磁动势和电枢电流磁动势正交，从而产生转矩。直流伺服电机具有较高的响应速度、精度和频率，优良的控制特性等优点。为调节电动机转速和方向，需要对其直流电压的大小和方向进行控制。

宽调速直流伺服电机是目前机电一体化闭环伺服系统中应用广泛的一种控制用电动机。其主要特点是调速范围广、低速运行平稳；负载特性硬、过载能力强，在一定的速度范围内可以做到恒力距输出，反应速度快，动态响应特性好。

螺旋传动机构主要用来将旋转运动转换为直线运动或将直线运动转换为旋转运动。滑动丝杠螺母机构结构简单加工方便、制造成本低、具有自锁功能。滑动螺旋传动机构选用梯形螺纹。其工艺性较好、效率相对较高。本系统中所用螺旋传动机构示意图如下图所示，丝杠传动、螺母移动。该传动形式需要限制螺母转动，故需导向装置。特点是结构紧凑、丝杆刚性较好。适用于工作行程较大的场合。

螺旋传动机构原理示意图

单片机控制直流电机要使用PWM（脉宽调制）控制电机的转速，因此选用带PWM口的单片机。本系统选用89C51单片机，它带有PWM功能和捕捉功能。单片机控制系统有以下优点：

（1）电路结构简单。模拟电路为了实现控制逻辑需要许多电子元件，而采用单片机后，绝大多数控制逻辑可通过软件实现。

（2）可以实现较复杂的控制。单片扭具有更强的逻辑功能。运算速度快、精度高、存储容量大，以此有能力实现复杂的控制。

（3）提高控制的灵活性和适应性。单片机的控别方式是由软件完成的。如果需要修改控制规律一般不必改变系统的硬件电路，只须修改程序即可。在系统调试和升级时.可以不断尝试，选择最优参数。

（4）无零点漂移，控制精度高。数值控制不会出现模拟电路中经常遇到的零点漂移问题，无论被控制量是大还是小，都可保证足够的控制精度。

2.2总体方案的确定

参数初设如下：

⑴电机驱动方式：直流伺服电机

⑵机械传动方式：螺旋丝杠

⑶电气控制方式：单片机控制

⑷功能控制要求：速度控制

⑸主要设计参数：单向最大工作行程——1200mm；

移动负载质量——100kg；

负载移动阻力——50N；

m;

进给速度——3/min

返回速度——6 m/min;

工作台尺寸——200*200*20mm;

工作台质量——50kg。

3.机械传动系统设计及核算

机械传动系统主要包括螺旋传动机构、联轴器、轴承、直流伺服电机等几个部分。下面一一进行设计计算。

3.1滚动轴承选用、校核

螺旋丝杠副在安装时需要两端固定。因为需要承受双向的轴向载荷，故选用圆锥滚子轴承，。根据螺杆中径d=44mm ，初选轴承型号为31307。其主要参数为：轴承内径d=35mm , 轴承外径D=80mm,轴承宽度B=21mm,基本额定静载荷C0=76800N ,基本额定动载荷C=65800N。

3.2螺旋传动副的设计计算

螺旋传动机构主要用来将旋转运动转换为直线运动。它是本系统主要的执行机构。本系统选用梯形螺纹的螺旋传动副。为了满足数控平台的进给速度、定位精度、高平稳性和快速相应的要求，必须合理选择螺旋丝杠副，并进行必要的校核计算。

3.3键的选用与校核

由于运用用了凸缘联轴器，故可选用平键连接。

3.4联轴器的校核

电机输出轴与滚珠丝杠之间需要用联轴器连接，根据联轴器特性及系统转矩特点，选用凸缘联轴器。

3.5直流伺服电动机的选择与校核

直流伺服电机具有响应迅速、精度和效率高、高速范围宽、负载能力强、控制特性优良等优点，同时由于直流伺服电机的机械特性较软，被广泛应用在闭环控制的伺服系统中。直流伺服电机的选择要满足惯量匹配和容量匹配原则。

4.电气控制系统设计

4.1控制系统基本组成

闭环伺服系统的构成如下图所示。闭环系统是负反馈控制系统。检测元件将执行部件的位移、转角、速度等量变换为电信号，反馈到系统的输入端并与指令进行比较，得出误差信号的大小，然后按照减小误差大小的方向控制驱动电路，直到误差减小到零为止。反馈检测元件一般精度比较高，系统传动链的误差、闭环内各元件的误差以及运动中造成的误差都可以得到补偿，从而大大提高了系统的跟随精度和定位精度。闭环系统的定位精度可以达到+0.001-+0.003mm。位置检测元件直接安装在最后的移动部件上，形成全闭环系统。

闭环伺服系统结构示意图

伺服系统通常是位置环、速度环、电流环联合的反馈系统。因此，选择检测元件就是选择位置传感器和速度传感器。在本系统中，被测量为直线位移，即应该选择直线位移传感器，如光栅尺、磁尺、直线感应同步器等。在位置伺服系统中，为了获得良好性能，还要对执行元件的速度进行反馈控制，因此还要选用速度传感器。直流伺服电机系统常用测速传感器为测速发电机。测速发电机是一种测量转速的微型发电机，他把输入的机械转速变换为电压信号输出，并要求输出电压信号与转速成正比。其绕组和磁路经过精确设计，输出电动势E和转速n成线性关系，即E=kn，其中k是常数。改变旋转方向时，输出电动势的极性即相应改变。当被测机构与测速发电机同轴连接时，只要检测出输出电动势，即可以获得被测机构的转速，所以测速发电机又称速度传感器。测速发电机广泛应用于各种速度或者位置控制系统，在自动控制系统中作为检测速度的元件，以调节电动机转速或者通过反馈来提高系统稳定性和精度。

4.2 电器元件的选型与电路设计

直流电机的硬件电路调速系统以为组成复杂，速度调整困难，控制灵活性低，已逐步被淘汰。本系统选用带有PWM口的8051单片机构成的调速系统，实现对电机转速的检测和控制。PWM直流调速，是利用晶体管的开关工作特性，调制恒定电压的直流源，按一个固定的频率来接通与断开放大器，并根据外加控制信号来改变一个周期接通和断开时间的长短，使加在电动机电枢的占空比改变，即改变电枢两端平均电压大小，从而达到控制电动机转速的目的。由于选用了自带PWM口的单片机，可通过单片机的初始化设置，使其自动产生占空比可变的脉冲

波，该方法控制电机转速简单、可靠。

4.2.1 PWM的基本原理与信号发生电路

PWM（脉冲宽度调制）是通过控制固定电压的直流电源开关频率，改变负载两端的电压，从而达到控制要求的一种电压调整方法。

在PWM驱动控制的调整系统中，按一个固定的频率来接通和断开电源，并且根据需要改变一个周期内“接通”和“断开”时间的长短。通过改变直流电机电枢上电压的“占空比”来达到改变平均电压大小的目的，从而来控制电动机的转速。也正因为如此，PWM又被称为“开关驱动装置”。如图所示：

设电机始终接通电源时，电机转速最大为V

max

，设占空比为D= t1 / T，则

电机的平均速度为V

a = V

max

* D，其中V

a

指的是电机的平均速度；V

max

是指电机在

全通电时的最大速度；D = t1 / T是指占空比。可见，当改变占空比D = t1 / T 时，就可以得到不同的电机平均速度V

d

，从而达到调速的目的。

PWM波可以由具有PWM输出的单片机通过编程来得以产生，也可以采用PWM专用芯片来实现。当PWM波的频率太高时，它对直流电机驱动的功率管要求太高，而当它的频率太低时，其产生的电磁噪声就比较大，在实际应用中，当PWM波的频率在18KHz左右时，效果最好。在本系统内，采用了两片4位数值比较器4585和一片12位串行计数器4040组成了PWM信号发生电路。信号发生电路如下所示：

4.2.2单片机选择及其扩展电路

系统采用89C51控制输出数据，由PWM信号发生电路产生PWM信号，送到直流电机，直流电机通过测速电路，滤波电路，和A/D转换电路将数据重新送回单片机，进行PI运算，从而实现对电机速度和转向的控制，达到直流电机调速的目的。其CPU及部分部件的功能介绍如下：

中央处理器CPU：它是单片机的核心，完成运算和控制功能。

内部数据存储器：8051芯片中共有256个RAM单元，能作为存储器使用的只是前128个单元，其地址为00H—7FH。

内部程序存储器：8051芯片内部共有4K个单元，用于存储程序、原始数据或表格，简称内部ROM。

定时器：8051片内有2个16位的定时器，用来实现定时或者计数功能，并且以其定时或计数结果对计算机进行控制。

中断控制系统：该芯片共有5个中断源，即外部中断2个，定时/计数中断2个和串行中断1个。

单片机系统中所用其他芯片选型情况为：采用74LS373作为地址锁存器，采用16KB的27128作为程序存储器扩展芯片，采用容量8KB的6264作为数

据存储器扩展芯片。

单片机扩展电路如下：

4.2.3主电路设计

产生高压侧门极驱动电压的前提是低压侧必须有开关的动作，在高压侧截止期间低压侧必须导通，才能够给自举电容提供充电的通路。因此在这个电路中，Q1、Q4或者Q2、Q3是不可能持续、不间断的导通的。我们可以采取双PWM信号来控制直流电机的正转以及它的速度。

在HIN为高电平期间，Q1、Q4导通，在直流电机上加正向的工作电压。其具体步骤为：当IC1的LO为低电平而HO为高电平的时候，Q2截止，C1上的电压经过VB、IC内部电路和HO端加在Q1的栅极上，从而使得Q1导通。同理，此时IC2的HO为低电平而LO为高电平，Q3截止，C3上的电压经过VB、IC内部电路和HO端加在Q4的栅极上，从而使得Q4导通。

电源经Q1至电动机的正极经过整个直流电机后再通过Q4到达零电位，完成整个的回路。此时直流电机正转。

在HIN为低电平期间，LIN端输入高电平，Q2、Q3导通，在直流电机上加反向工作电压。其具体步骤为：当IC1的LO为高电平而HO为低电平的时候，Q2

导通且Q1截止。此时Q2的漏极近乎于零电平，Vcc通过D1向C1充电，为Q1的又一次导通作准备。同理可知，IC2的HO为高电平而LO为低电平，Q3导通且Q4截止，Q3的漏极近乎于零电平，此时Vcc通过D2向C3充电，为Q4的又一次导通作准备。

电源经Q3至电动机的负极经过整个直流电机后再通过Q2到达零电位，完成整个的回路。此时，直流电机反转。

同时，利用IR2110芯片的完善设计可以实现延时保护电路。IR2110使它自身可对输入的两个通道信号之间产生合适的延时，保证了加到被驱动的逆变桥中同桥臂上的两个功率MOS器件的驱动信号之间有一互琐时间间隔，因而防止了被驱动的逆变桥中两个功率MOS器件同时导通而发生直流电源直通路的危险。

系统主电路

4.3控制程序的设计及说明

主程序是一个循环程序，其主要思路是，先设定好速度初始值，这个初始值与测速电路送来的值相比较得到一个误差值，然后用PI算法输出控制系数给PWM 发生电路改变波形的占空比，进而控制电机的转速。软件由1个主程序、1个中断子程序和1个PI控制算法子程序。部分程序如下：

（1）延时程序

void dealy()

{

uchar i;

for(i=0;i<100;i++);

}

void t0(void) interrupt 1 using 0 //定时T0中断服务函数

{

tcnt++; //每过250ust tcnt 加一

if(tcnt==40) //计满40 次（1/100 秒）时

{

tcnt=0; //重新再计

sec++;

if(sec==10) //定时0.1 秒，在从零开始计时

{

sec=0;

TH0=0x06; //对TH0 TL0 赋值

TL0=0x06;

miaoshu=count;

count=0;

}

}

}

(2)主程序

void main()

{

P1=0x00;

P3=0x00;

TMOD=0x01; //定时器0方式1

TH0=0xfc; //定时器装载初值

TL0=0x18;

ET0=1; //开定时器0中断

TR0=1; //启动定时器0

while(1)

{

if(P1_0==1)

P1=0xff;

if(P1_1==1)

EA=0; //关CPU中断

if(P1_2==1)

{

dir=~dir; //转向控制

while(P1_2!=0)

{};

}

if(P1_3==1)

{

high++;

if(high==30)

high=0;

while(P1_3!=0)

{};

}

}

}

5、结论

本系统用单片机8051作为直流电机调速系统的控制核心，利用转速发电机测量直流电机的转速，用PWM调速方式控制直流电机转动的速度，以及停止转动，采用PID自动调节速度至预先设定的速度。而机械部分是通过丝杠螺母把电机的旋转运动转化为平台的水平直线往返运动。

本次课程设计让我们把以前学习过的内容系统的联系在一起，是对我们综合应用知识的能力的一次考察，同时提高了我们知识运用能力，团队合作能力，为我们以后的工作提供了经验，对我们自身也是一次大的提高。