机电传动单向数控平台设计(矿大版)

1 设计任务1.1设计任务介绍及意义1、课程设计题目机电传动单向数控平台设计2、课程设计内容（1）机械传动结构设计（2）电气测控系统3、课程设计意义（1）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，并结合设计或实验研究课题进一步巩固和扩大知识领域。

（2）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。

（3）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。

（4）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）电机驱动方式：步进电机、直流伺服电机、交流伺服电机；（2）机械传动方式：螺旋丝杠、滚珠丝杠、同步皮带、链传动等；（3）电气控制方式：单片微机控制、PLC控制；（4）功能控制要求：速度控制、位置控制；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；（估算值）移动速度控制——0～3、0～6 m/min；速度控制精度±0.5%或实现行程（位置）控制，控制精度±0.01mm,±0.1mm1.3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（A1一张）。

（3）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（A3一张）。

（4）课程设计的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，每个学生完成课程设计说明书一份，字数为3000 字以上，设计图纸不少于两张。

（5）用计算机绘图或手工绘图，打印说明书。

（6）设计选题分组进行，每位同学采取不同方案（或参数）独立完成。

2 总体方案设计2.1设计的基本依据步进电机是一种将电脉冲信号转换成机械角位移（或线位移）的执行元件。

只要控制输入脉冲的数量、频率和电动机绕组的通电顺序，便可获得所需的转角、速度以及转动方向，而不受负载变化的影响，所以很容易用微机控制。

当无脉冲输入时，在绕组电流的激励下，步进电动机可以锁相。

（1）步距值不受各种干扰因素（如电压的波动、电流的数值和波形、温度的变化等）的影响，只要在它们的大小未引起步进电动机产生“丢步”现象之前，就不影响其正常工作。

（2）步进电动机的步距角有误差，转子转过一定的步数，也会有一定的累积误差，但是每转一圈的累积误差为零，所以步距误差不长期积累。

（3）控制性能好，转子转动惯量小、动态响应快、易于启停、正反转和变速控制。

（4）低速时转矩大、速度控制比较简单、外形尺寸小，所以广泛应用于打印机、绘图机、复印机等机电一体化产品及各类机床、切割机、轻工、包装、医疗器械、机器人等自动控制设备中。

滚珠丝杠螺母副是数控机床中回转运动转换为直线运动的常用装置。

它以滚珠的滚动代替丝杠螺母副中的滑动，摩擦力小，具有良好的性能。

滚珠丝杠的主要工作原理是在丝杠和螺母上加工有弧形螺旋槽，当它们套装在一起时便形成螺旋管道，并在滚道内装满滚珠。

而滚珠则沿滚道滚动，并经回珠管道作周而复始的循环运动。

回珠管道两端还起挡滚珠的作用，以防止滚珠沿滚道掉出。

特点如下：（1）传动效率高，滚珠丝杠的传动效率高达95%~98%。

（2）运动平稳滚珠丝杠副在工作过程中摩擦阻力小，灵敏度高，而且摩擦系数几乎与运动速度无关，启动摩擦力矩与运动时的摩擦力矩的差别很小。

所以滚珠丝杠副运动平稳，启动时无颤动，低速时无爬行。

（3）传动可逆性与滑动丝杠副相比，滚动丝杠副突出的特点是具有运动的可逆性。

（4）可以预紧通过对螺母施加预紧力能消除滚珠丝杠副的间隙，提高轴向接触刚度，但摩擦力矩却增加不大。

（5）定位精度和重复定位精度高由于滚珠丝杠副具有传动效率高、运动平稳、可以预紧等特点，所以滚珠丝杠副在工作过程中温升较小，无爬行。

并可以消除轴向间隙和对丝杠进行预拉伸以补偿热膨胀，能获得较高的定位精度和重复定位精度。

（6）同步性好用几套相同的滚珠丝杠副同时驱动相同的部件或装置时，由于反应灵敏，无阻滞，无滑移，其启动的同时性、运行中的速度和位移等，都具有准确的一致性，这就是所谓同步性好。

（7）使用寿命长滚珠丝杠和螺母的材料均为合金钢，螺纹滚道经过热处理，并淬硬到HRC58~62，经磨削达到所需的精度和表面粗糙度。

实践证明，滚珠丝杠副的使用寿命比普通滑动丝杠副高5~6倍。

（8）使用可靠，润滑简单，维修方便与液压传动相比，滚动丝杠副在正常使用条件下故障率低，维修保养也极为方便；通常只需进行一般的润滑与防尘。

在特殊使用场合，如核反应堆中的滚珠丝杠副，可在无润滑状态下正常工作。

89C51单片机价格低廉，系统扩展方便，可以使用C语言编写程序，内部有可电改写的存储器FlashROM，给开发及应用带来了很大的方便。

单片机是典型的嵌入式系统，能很好地满足面对控制对象、应用系统的嵌入、现场的可靠运行，且响应速度快，提高控制的实时性，具有较强的灵活性，可以处理多种可能发生的情况。

滚动导轨的特点（1）摩擦系数小（0.003~0.005），动、静摩擦系数基本相同，因而启动阻力小，且不易发生爬行（2）可以预紧，刚度高；（3）抗振和抗冲击能力差，对灰尘屑末较敏感，寿命长；（4）精度高，定位精度可达0.1~0.2μm，重复精度可达0.2μm2.2总体方案的确定综上所述，总体方案及参数初步设置如下：（1）电机驱动方式：步进电机（2）机械传动方式：滚珠丝杠（3）电气控制方式：单片机（4）功能控制要求：速度控制（5）主要设计参数：单向工作行程——1200mm移动负载质量——100kg负载移动阻力——50N(估算值)移动速度控制——0～6m/min；速度控制精度±0.5% 丝杠两端为固定支撑（E-F），每个支座安装角接触球轴承。

3 机械传动系统设计3.1机械传动装置的组成3.2主要部件的结构设计计算 1、导轨的选择（1）根据长度需求暂选直线滚动导轨副GGA40参数如下（2）直线运动滚动支承的摩擦力计算2、滚珠丝杠的选择计算3、步进电机的选择计算f=n×36060×θ=500×36060×0.36=8333.3Hz从图上可以看出，此速度时的电动机的输出最大转矩大于T eq4 电气控制系统设计4.1控制系统的基本组成机电传动数控平台的速度控制，可通过控制步进电机的运行速度控制。

而控制步进电机的运行速度，实际上就是控制系统发出的CP脉冲的频率或者换相的周期。

这里采用89C51单片机定时器产生中断的方法，控制驱动器的输出脉冲和方向来控制步进电机运行速度和方向。

因为专门厂家生产的驱动器包括环形分配器和功率放大器，运行平稳，可靠性高，所以选择北京和利时电机技术有限公司生产的SH50806B。

具体如下：4.2电气控制电路的设计五相混合式步进电机驱动器SH50806B简介如下：拨下第6位开关选择0.36°的步距角，拨下第7为开关选择单脉冲控制模式，脉冲信号端输入的脉冲信号控制电机运行，方向信号端输入端输入的电平信号的高低控制电机转向。

4.3控制程序的设计及说明系统启动，需按下开始键，由AT89C51单片机定时器0中断控制步进电机加速启动，初始方向为正方向。

通过滑块压下行程开关，实现不停地往返运动。

启动后，运行指示灯亮。

停止键按下后，会自动回到原点并停止。

主程序流程图定时器0中断5 结论综上所述，主要零件选型为：步进电机：90BYG550B-0301型五相混合式步进电机滚珠丝杠：南京工艺装备制造厂FFZD3210-3型内循环浮动式垫片预紧滚珠丝杠单片机：AT89C51单片机联轴器：凸缘联轴器YL1轴承：7602020TVP导轨：滚动导轨设计感想：本次课程设计，由于时间仓促，在各个步骤可能存在不足甚至是错误，望老师包涵。

在前期方面，我主要进行了资料整理，包括从网络、图书馆、教材、请教同学等方面，进行了初步的方案设定，同时相应复习以前相关专业知识；中期主要进行说明书的编写等工作；后期方面，主要进行机械图和电气图的绘制，在此期间，机械方面通过应用了CAD、电子机械设计手册等设计软件进行设计，单片机编程则主要通过查资料与询问同学的方式。

这次课程设计再次锻炼了我的分析处理问题的能力。

最后，感谢指导老师和同学在此次课程设计中给予我的巨大帮助！6 参考文献1、杨黎明主编，机电一体化系统设计手册，国防工业出版社，19972、李爱军、曾维鑫主编，画法几何及机械制图，中国矿业大学出版社，20083、程志红主编,机械设计，东南大学出版社,2006；4、程志红、唐大放主编，机械设计课程上机与设计，东南大学出版社，20065、张建民等主编，机电一体化系统设计（修订版），北京理工大学出版社，20076、于永，戴佳，刘波主编，51单片机C语言常用模块与综合系统设计实例精讲（第2版），电子工业出版社，20087、李朝青主编，单片机原理及接口技术（第3版），北京航空航天大学出版社，20057 附录#include<reg51.h>sbit P2_1=P2^1;sbit P2_0=P2^0;unsigned char mode=0;int point=0;unsigned char speedtable[]={0xf7,0x52,//f=900Hz0xf8,0x30,//f=1000Hz0xf9,0x7d,//f=1200Hz0xfa,0x6b,//f=1400Hz0xfb,0x1e,//f=1600Hz0xfb,0xa9;//f=1800Hz0xfc,0x18;//f=2000Hz0xfc,0x73;//f=2200Hz0xfc,0xbf;//f=2400Hz0xfc,0xff;//f=2600Hz0xfd,0x36;//f=2800Hz0xfd,0x65;//f=3000Hz0xfd,0x8f;//f=3200Hz0xfd,0xb4;//f=3400Hz0xfd,0xd4;//f=3600Hz0xfd,0xf2;//f=3800Hz0xfe,0x0c;//f=4000Hz0xfe,0x24;//f=4200Hz0xfe,0x39;//f=4400Hz0xfe,0x4d;//f=4600Hz0xfe,0x5f;//f=4800Hz0xfe,0x70;//f=5000Hz0xfe,0x7f;//f=5200Hz0xfe,0x8e;//f=5400Hz0xfe,0x9b;//f=5600Hz0xfe,0xa7;//f=5800Hz0xfe,0xb3;//f=6000Hz0xfe,0xbd;//f=6200Hz0xfe,0xca;//f=6400Hz0xfe,0xd2;//f=6600Hz0xfe,0xda;//f=6800Hz0xfe,0xe2;//f=7000Hz0xfe,0xea;//f=7200Hz0xfe,0xf2;//f=7400Hz0xfe,0xf9;//f=7600Hz0xff,0x00;//f=7800Hz0xff,0x06;//f=8000Hz0xff,0x0c;//f=8200Hz0xff,0x12;//f=8400Hz0xff,0x17;//f=8600Hz0xff,0x1d;//f=8800Hz0xff,0x22;//f=9000Hz0xff,0x27;//f=9200Hz0xff,0x2b;//f=9400Hz0xff,0x30;//f=9600Hz0xff,0x34;//f=9800Hz0xff,0x38;//f=10000Hz };void time_0() interrupt 1{P2_0!=P2_0;if(point==0){TR0=0;}switch(mode){case 1:point+=2;break;case 2:case 3:case 4:point-=2;break;default:;}TH0=speedtable[point];TL0=speedtable[point+1];if(point==0){TR0=0;}}void main(){TMOD=1;TH0=speedtable[0];TL0=speedtable[1];ET0=1;switch(P1&0x0F){case 14:mode=1;P2_1=1;TR0=1;break;case 13:mode=2;P2_1=0;TR0=1;break;case 11:mode=3;P2_1=1;TR0=1;break;case 7:mode=4;P2_1=0;TR0=1;break;default:break;}}。