1、专业课程设计洪灵1本 科 生 专 业 课 程 设 计（ 届）学生姓名： 学 号： 专业名称： 班 级： 指导教师： 年 月 日专业课程设计洪灵2目 录专业课程设计计算说明书 3原始数据 3一、系统总体方案设计 3二、机械系统的设计计算 4三、控制系统设计 19专业课程设计洪灵3专业课程设计计算说明书原始数据设计一台微机控制 XY 两坐标工作台，采用 MCS-51 单片机控制, 控制方式采用步进电机开环控制。其他参数如下：工作台行程mm脉冲当量mm/step定位精度mm最大移动速度m/min工作台尺寸mm进给抗力NX Y台面上最大物重质量kg0.005 0.04 1 100*150 500 32
2、0 225 45一、系统总体方案设计由设计任务书知，本次设计可采用如下方案：（一）机械系统1、 传动机构采用滚珠丝杠副与齿轮或带减速。2、 导向机构采用滚动直线导轨。3、 执行机构采用步进电机。（二）接口设计1、人机接口步进电动机减速器滚珠丝杠步进电动机 减速器工作台滚珠丝杠X 方向传动机构Y 方向传动机构微型机机电接口 驱动电路人机接口专业课程设计洪灵4（1）采用键盘或 BCD 码盘作为输入。（2）采用 LED 作为电源等指示标志。（3）采用蜂鸣器或扬声器作为警报装置。（4）采用数码管作为显示器。2、机电接口采用光电偶合器作为微型机与步进电动机驱动电路的接口，实现电气隔离。（三）伺服系统设计
3、本次设计的系统精度要求不高，载荷不大，因此采用开环控制。（四）控制系统设计1、控制部分方案选择控制方案不外乎三种：开环控制、半闭环控制、闭环控制。上图为最简单的“开环控制” ，若在“ 机械传动”机构中引出反馈控制部分，再经过比较放大的则为“ 半闭环控制”。如若是在“机械执行机构中引出反馈则为闭环控制。采用步进电机来实现驱动，一般情况下多采用开环控制。因为步进电机的输出转角与控制器提供的脉冲数有着正比关系，电机转速与控制器提供的脉冲频率成正比。因此通常在精确度要求不是很高时，采用步进电机是合理的。当然，由于步进电机具有高频易失步，负载能力不强的缺点。二、机械系统的设计计算（本次设计若未作特殊说明
4、，其中的表与图均来自：由郑堤主编的机电一体化设计基础 ）（一）初选步进电动机根据已知条件：X、Y 方向的脉冲当量 分别为：yx、微型机接口电路功放电路执行元件机械传动执行机构开环控制流程图CPU光偶驱动器步进电机人机接口速度位移显示、报警开环控制原理图专业课程设计洪灵5stepmyx/05.即脉冲当量较小，因此这里选用反应式步进电动机。其特点是：步距角小，运行频率高，价格较低，但功耗较大。结论：初选步进电机型号为：90BF5-1.5，其相关参数如下：机座号 型号 相数 电压 V 电流 A 步距角90 90BF5-1.5 5 60/12 5 1.5/0.8步距角误差 空载运行频 率 转子转动惯量
5、 10-5kg.m2 重量 kg 空载启动频 率 Hz 最大静转矩 N.m10 约 12000 0.08 0.22 2500 1.96并采用单双相通电方式，因此步距角 。8.01、步进电动机的脉冲频率计算典型工况下，步进电动机的脉冲频率 分别为：yxf和 spfspvf ff yyy xxx /120/3.105.6106 / ma33 a2、步进电动机的驱动转矩计算典型工况下，步进电动机的驱动转矩 分别为：yxT和按图 5-7 查得： mNTyx8.2专业课程设计洪灵63、步进电动机的驱动力计算典型工况下，步进电动机的驱动力 分别为：yxF和 NFNZSTF xxx 506480104.32
6、)(82212 进 给 抗 力yyy .)(12 进 给 抗 力驱动力远大于进给抗力，所以所选步进电动机满足使用要求。（二）计算减速器传动比减速器传动比： pi360mp工 作 台 运 动 的 脉 冲 当 量丝 杠 导 程步 进 电 机 步 距 角初取滚珠丝杠：公称直径 导程20 4此时： 78.19605.36480pi专业课程设计洪灵7按图 5-33，选一级齿轮传动。（三）齿轮机构设计 传 动 链 效 率工 作 台 移 动 速 度工 作 台 进 给 抗 力传 递 功 率 /机械传动效率概略值（供参考）类型 V 带传动 联轴器传动 圆柱齿轮传动 一对滚动轴承 丝杠螺母副符号 v c g b
7、s效率 0.940.97 0.970.995 0.960.99 0.980.995 0.900.95初选效率为 0.8。 w4.108./650传 递 功 率可见，系统传递的功率很小，在要求不高时，以后各步的计算可省略。并采用经验法来设计各元部件。但为练习计算过程，本次设计采用分析计算来设计。1、齿轮传动机构的基本参数传递功率(w)小齿轮转速 n1 (r/min)传动比 一天运转 时间(h) 工作寿命 （年） 传动效率 转向 工况10.4 444 16/9 8 5 0.975 不变 平稳其中小齿轮转速：专业课程设计洪灵8）min/491601ripvn工 作 台2、选择材料及确定许用应力小齿轮
8、材料选择 45 钢（表面淬火） ，硬度为 45HRC大齿轮材料为 45 钢（调质）硬度为 220HBS小齿轮的接触疲劳强度极限 （淬火处理）aHMP130lim大齿轮的接触疲劳强度极限 a52li安全系数 和HSF安全系数 软齿面 硬齿面 重要的传动、渗碳淬 火齿轮或铸造齿轮HS1.01.1 1.11.2 1.3F1.31.4 1.41.6 1.62.2取安全系数 1.HSaHMPS501.2732lim21li1小齿轮的弯曲疲劳强度极限 aF41li大齿轮的弯曲疲劳强度极限 aP902lim取 3.1FS专业课程设计洪灵9aFFMPS15.463.902.8.2lim21li13、按齿面接触
9、强度设计设齿轮按 7 级精度制造。取载荷系数 1.1，齿宽系数 ，3.0amNnPT21.465.90953uKuaaH 78.15963.0519312312 取 ；大齿轮齿数：81z 28612iz模数 ；取标准值 m=0.83.078.521zam确定中心距 mzma203182.021齿宽： b= a603.取 b1;624、验算轮齿弯曲强度齿形系数 8.2;0.31FFY15.463.102.8314 62.843.22 222 21 FFF FMPaYazbmKT校验结果：安全。专业课程设计洪灵105、齿轮的圆周速度 smndv /10/3.10648.3106 选用 7 级精度是
10、安全的。为方便与电机轴的配合，对齿轮作如下修改：取 ；大齿轮齿数：21z 48279162iz中心距： mzma302.021齿宽： b= a930.取 b14;92（四）滚珠丝杠选择1、滚珠丝杠工作长度计算 余 量行 程工 作 台 llX 方向丝杠工作长度： mlX402310X 方向丝杠工作载荷： NF5Y 方向丝杠工作长度： lY395201Y 方向丝杠工作载荷： 5令两方向丝杠的工况均为：每天开机 6 小时；每年 300 个工作日；工作 8 年以上。丝杠材料：CrWMn 钢；滚道硬度为 5862HRC；丝杠传动精度为 。m04.平均转速 n=125r/min（ ）in/12540.1r
11、pvn工 作 台2、计算载荷 求解CF NFKmAH500.1.专业课程设计洪灵11查机电一体化设计基础表 2-6；2-7 ；2-8 的 ，查0.1.1.AHFKK；表 2-4 取 C 级精度。表 2-6 载荷系数载荷性质 无冲击平稳运转 一般运转 有冲击和振动运转FK11.2 1.21.5 1.52.5表 2-7 硬度系数滚道实际硬度 58 55 50 45 40HK1.0 1.11 1.56 2.4 3.85表 2-8 精度系数精度等级 C、D E、F G HAK1.0 1.1 1.25 1.433、额定动载荷计算 计算aC寿命： hLh140836 NLnFChma 3160067.14
12、257.334 4、滚珠丝杠副选择假设选用 FC1 型号，按滚珠丝杠副的额定动载荷 等于或稍大于 的原则，选汉江aCa机床厂出品的 2004-2.5， ，NCa539其参数如下：专业课程设计洪灵12mD20mp5.238滚珠直径 md381.20滚道半径 dR238.1.0.偏心距 me 20 10358.27.27. 丝杠内径 ReDd 59.7).10358.(201 5、稳定性验算1） 由于一端轴向固定的长丝杠在工作时可能会发生失稳，所以在设计时应验算其安全系数 S，其值应大于丝杠副传动结构允许安全系数S（见表 2-10）丝杠不会发生失稳的最大载荷称为临界载荷 （N ）按下式计算：crF
13、2)(lEIacr式中，E 为丝杠材料的弹性模量，对于钢，E=206GPa；l 为丝杠工作长度（m） ；I a为丝杠危险截面的轴惯性矩（m 4） ； 为长度系数，见表 2-10。依题意， 4941 107.659.01.36dIa 取 ，则/2 NlEIFaXcr 529922 10.4.03716.)( lIaYcr 529922 1038.5.03716.)( 安全系数专业课程设计洪灵132501.mcrXFS7638.mcrY查表 2-10，S=2.53.3 。SS，丝杠是安全的，不会失稳。2） 高速长丝杠工作时可能发生共振，因此需验算其不会发生共振的最高转速 。要crn求丝杠的最大转速
14、 crnmax临界转速 （r/min）：crn min/31244.0327599.1)(91022 rldfccr 该丝杠工作转速 crnrnmi/53） 滚珠丝杠副还受 值的限制，通常要求D0 min/10740rD0251n所以该丝杠副工作稳定。6、刚度验算滚珠丝杠在工作负载 F（N）和转矩 共同作用下引起每个导程的变形量mT为mL0 cGJpEAFL20式中，A 为丝杠截面积， ； 为丝杠的极惯性矩，214mdc；G 为丝杠切变模量，对钢 ； 为转矩。4132mdJc Pa3.8mNT专业课程设计洪灵14tan20DFTm式中， 为摩擦角，其正切函数值为摩擦系数； 为平均工作负载。本题
15、取摩擦系m数为 ,则 。025.tan048NT 3.0483tan13按最不利的情况取（其中 ）mFmGdTpEJTpEALc8 4922329341212017.3 01758.36075.644 则丝杠在工作长度上的弹性变形所引起的导程误差为 mpLl 40.10497.3320 通常要求丝杠的导程误差 应小于其传动精度的 1/2，即L221 ，该丝杠满足刚度要求。L7、效率验算滚珠丝杠副的传动效率 为%96)0483tan()tan( 要求在 90%95%之间，所以该丝杠副合格。（五）滚动直线导轨选择1、已知参数专业课程设计洪灵15滑座上载荷 F滑座个数 M 单向行程长度 sl每分钟往
16、复次数441N 2 个 440mm 4 次每天工作 一年工作日数 寿命6 小时 300 天 5 年NmgF418.952、导轨额定寿命计算 hTh036由公式 2-10： nLTsh2103）每 小 时 往 复 次 数 （ 次 ）工 作 单 形 成 长 度 （ ）（导 轨 额 定 行 程 长 度 寿 命 hnmks /得： knlTshs 8.190/64.09210/2 33 因滑座数 M=2，所以每根导轨上使用 1 个滑座，由表 215-218 确定5.1.wTHcff负 荷 系 数 ：温 度 系 数 ：硬 度 系 数 ：接 触 系 数 ：由式 2-9： 3FCfKTawcTHs NCkm
17、Ka额 定 动 载 荷滑 座 工 作 载 荷寿 命 系 数 ， 一 般 取50专业课程设计洪灵16得： NfKTFCCHwsa 1378.015./95.2/33 NM.041查机械电子工程专业课程设计指导书表 3-19，选 LY25AL，其基本额定载荷为：，能满足使用要求。Ca1740（六）计算系统转动惯量1、电动机轴上总当量负载转动惯量计算小齿轮转动惯量 274341 1029.320.1.08.732 mkgldJz 大齿轮转动惯量 264342 .6.5lz 丝杠转动惯量 25434 109.32.018.0.73 mkgldJs 将各传动件转动惯量及工作台质量折算到电动机轴上，得总当
18、量负载转动惯量： 26 22672221103. 459160.910.9.1mkgmipiJJszzd 2、惯量匹配验算 38.01764.5mdJ满足 的要求，惯量匹配比较合理。14mdJ专业课程设计洪灵173、步进电动机负载能力校验（1）步进电动机轴上的总惯量 2565104.273.10764. mkgJdm （2）空载启动时，电动机轴上的惯性转矩 NtvpiJtJT 045.612504.9614.235maxmax （3）电动机轴上的当量摩擦转矩 mgiFiT 04.8.9168.022其中伺服进给传动链的总效率取为 .（4）设滚动丝杠螺母副的预紧力为最大轴向载荷的 1/3，则因预
19、紧力而引起的折算到电动机轴上的附加摩擦转矩为 mNFipFipTw 014.9.1350968.2413212 20max00 （5）工作台上的最大轴向载荷折算到电动机轴上的负载转矩为 NipTww 1.05968.0242max（6）空载启动时电动机轴上的总负载转矩为 mTJq 09.1445.0（7）在最大工作载荷下电动机轴上的总负载转矩为 Nw 23.1801（8）按表 5-5 查得空载启动时所需电动机最大静转矩为 mTqs 12.089.0.1（9）按式 5-39 可求得在最大外载荷下工作时所需要电动机最大静转矩为专业课程设计洪灵18mNTs 78.046.5.0325.0312 ）（
20、）（结论：所选步进电动机启动转矩 远大于所需要的启动转矩 ，因此选择的步m1.96Ns 1sT进电机的功能不能充分发挥。 （为提高经济性，可重新选择。 ）4、系统刚度计算（1）按表 5-8 所列公式可求得丝杠最大、最小拉压刚度为 mNlEdKL /104.906.412854 8min2ax lL /5.38 812ax2in（2）假定丝杠轴向支承轴承经过预紧并忽略轴承座和螺母座刚度的影响，按表 5-9 所列公式可求得丝杠螺母机构的综合拉压刚度 NmKKNLB 8988minmin0 102.0.15.1096.2117in08.9 NmKKNLB 8988maxmax0 1037.102.4
21、.9106.12121806.（3）按式 5-45 可计算出丝杠最低扭转刚度为 radmNlGdKT /245038.0215.24max4in 5、固有频率计算（1）丝杠质量为 kgLds 92.018.740.185.041 322 （2）丝杠-工作台纵振系统的最低固有频率为专业课程设计洪灵19sradmKsnc /7.14092.3458317in0 （3）折算到丝杠轴上系统的总当量转动惯量为 25252 .107.91604. mkgJisd （4）如果忽略电动机轴及减速器中的扭转变形，则系统的最低扭振固有频率为 sradJKsdTnt /1.5637071.24min特 性 好 。均
22、 较 高 ， 说 明 系 统 动 态与 ntc6、死区误差计算设齿轮传动和丝杠螺母机构分别采取了消隙和预紧措施，则按式（5-59）可求得由摩擦力引起的最大反向死区误差为： mKmg018.108.92.452102373inax ，因此系统能满足单脉冲进给。脉 冲 当 量max7、由系统的刚度变化引起的定位误差计算按式（5-60）可求得由丝杠螺母机构综合拉压刚度的变化所引起的最大定位误差。 mKmgKFK 057.1068.21.9208.45137 3axin3maxinmax 由于系统要求的定位精度为 ，即允许定位误差为48.因而，系统刚度满足定位精度要求。K06.5107.max三、控制
23、系统设计（一）微处理器的选择根据设计要求，系统控制的主要功能是对步进电机的脉冲频率及其分配的控制。同时在实现这一主功能的基础上，附带若干协助功能，如显示、预置、时间、键盘等。专业课程设计洪灵20结论：1、系统对内存要求不高。2、系统处理的运算不是很复杂，对 CPU 的计算速度要求不高。3、为扩展键盘、显示、掉电保护等功能，要求系统提供较多的口线和完善的中断系统。考虑到上面的原因，这里可以采用市面供应充分，性能价格比较好的 AT89C52 作为系统的微处理器。其参数见下表：AT89C52 参数表型号 ROM 串行口 晶振频率 封装 RAM 说明AT89C52 8K UARK 12MHz 40DI
24、P 256 与 intel 80C32 兼容（二）系统扩展系统中采用键盘实现输入，并采用 LED显示器，它们均需要占用较多芯片口线，所以该系统是需要进行系统扩展的。可编程并行接口 8255A 是一种应用广泛的并行接口扩展器件。它具有三个 8 位并行口 PA、PB、PC 由此提供了 24 条口线。（三）键盘连接键盘采用机械式按键组成。它属于常开类型，按图（3-2）的接线，当键 K 按下时 P 口电位拉低。相反，K 未按时，P 口一直保持高电位。其中电路中电阻起限流作用，避免 CPU被过大的电流烧毁。键盘采用软件消抖。（四）时钟芯片的选择为了实现时间的显示，这里引入了时钟芯片 DS12C887。
25、（五）可靠性设计为提高系统的可靠性，在这里采用了 MAX813L。这是因为 AT89C52 芯片内部未带WATCHDOG（系统正常工作监视器） ，因此若不加外部WATCHDOG，便会造成在工作电压过低时，系统出现不正常运行，产生不良的现实后果。（六）掉电保护设计掉电保护设计的目的是在断电或复位后，待系统恢复正常时，系统能够恢复到原先状态，实现继续运转的功能。这样就要求将运行时的重要参数得到保存。保存的数据包括，预置时的“位移值” 、 “速度值” 、 “运行过D0csA139 AD0D7A2WRRD8255CPUp00p07p27p2632AD7RDWR p25图 3-1 扩展连线p KGnd4
26、00VCC8255图 3-2 单键接线图SPKGND图 3-3 报警电路连线1K9012PCPUVCC专业课程设计洪灵21程中已经走过的位移量” 。为实现这一个目的，需要在系统中引入芯片AT24C01（E 2PROM） 。（七）报警设计报警装置可以是“警报灯” 、 “声音报警” 、 “声音和灯光共用”等形式，在实验室等安静的环境中，声音报警是比较理想的方法。因此，根据实际情况，在该系统中采用“声音”报警。（八）显示模块设计系统所需显示任务是数字显示，且显示数据量不大，因此在系统中采用数码管作为显示器是能够满足任务的。系统中采用静态显示较为合理。在静态显示方式中，采用 4LS164 作为显示接口
27、是比较通用的方法，而且这种接口价格便宜，使用方便，CPU 只要提供两条口线便可以实现稳定、高亮的显示。（九）步进电机驱动电路设计步进电机的驱动电路设计主要涉及脉冲分配器的选择问题和驱动电路的选则问题。时下脉冲分配器主要有两种：一种是硬件脉冲分配器（国内主要有 YB 系列） ，另一种是软件脉冲分配器。软件脉冲分配器不需要额外的电路，相应的降低了系统的成本，虽然这种方法占用了一定的计算机运行时间，但是在该设备中计算机有足够的资源来担当脉冲分配任务。该系统采用软件来进行脉冲分配更为合理。单片机与步进电机的接口电路见图3-5步进电机的驱动电路采用斩波限流驱动方式，这种电路采用单一高压电源供电，以加快电流的上升速度，并通过对绕组电流的检测，控制功放管的开和关，使电流在控制脉冲持续期间始终保持在规定值上下，这种电路出力大，功耗小，效率高，目前应用较广。TXD/P 1、2LED4003 131、28 840074LS16474LS164TD/P图 3-4 显示模块图 3-5 单片机与步进电机的接口电路CPU 8255PC2PC1PC0R1+5V +15VR2GND
