课程设计《小幅面平板式绘图仪画笔驱动系统的设计》.doc

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1、课程设计小幅面平板式绘图仪画笔驱动系统的设计 机电一体化系统设计课程设计（机电工程学院） 摘 要 小幅面平板式绘图仪画笔驱动系统，通常由导轨座、移动滑块、工作平台、滚珠丝杠副，以及伺服电动机等部件组成。其外观形式如图1-1所示。其中，伺服电动机作为执行元件用来驱动滚珠丝杠，滚珠丝杠的螺母带动滑块和工作平台在导轨上运动，完成工作台在X、Y方向的直线移动，调动画笔的高度从而实现直线的生成。导轨副、滚珠丝杠螺母副和伺服电动机等均已标准化，由专门厂家生产，设计时只需根据工作载荷选取即可。控制系统根据需要，可以选用标准的工业控制计算机，也可以设计专门的微机控制系统。本设计采用单片机（AT89C51）进行

2、控制。 关键词：绘图仪；伺服电动机；单片机 图 1-1 - 1 - 机电一体化系统设计课程设计（机电工程学院） Abstract Small-format flatbed plotter pen drive， usually by rail seat， move the slider， work platforms， ball screw and servo motor and other components. The appearance of the form shown in Figure 1-1. Among them， the servo motor used to drive a

3、 ball screw actuator， ball screw nut and the working platform to drive the slider on the rail movement， complete the table in X， Y direction of the straight line movement， to mobilize the height of the brush to achieve a straight line generation. Guideways， ball screw and servo motors have been vice

4、 standardized by specialized manufacturers， the design can be simply selected according to work load. Control system as needed， you can use standard industrial control computer， you can also design special computer control system. The design uses a microcontroller (AT89C51) control. Keywords: plotte

5、r; servo motor; microcontroller - 2 - 机电一体化系统设计课程设计（机电工程学院） 目 录 引言 . - 5 - 1. 课程设计的目的 . - 5 - 2. 设计任务 . - 5 - 3. 总体方案的确定 . - 6 - 3.1. 导轨副的选用 . - 6 - 3.2. 丝杠螺母副的选用 . - 6 - 3.3. 伺服电动机的选用 . - 6 - 3.4. 联轴器的选用 . - 6 - 3.5. 检测装置的选用 . - 6 - 3.6. 控制系统的设计 . - 6 - 4. 机械传动部件的设计与选型. - 6 - 4.1. 滚珠丝杆副的选型与计算 . - 6

6、 - 4.1.1.确定滚珠丝杆副的导程Ph. - 6 - 4.1.2.滚珠丝杆副的载荷及转速计算. - 7 - 4.1.3.确定预期额定的载荷. - 7 - 4.1.4.按精度要求确定允许的滚珠丝杆的最小螺纹底径. - 7 - 4.1.5.确定滚珠丝杆副的规格代号. - 8 - 4.1.6.对预紧滚珠丝杆副，确定其预紧力. - 8 - 4.1.7.滚珠丝杆副工作图设计. - 8 - 4.1.8.滚珠丝杆螺母的安装连接尺寸. - 8 - 4.1.9.滚珠丝杆的校核 . - 8 - 4.2. 电机的选型与计算 . - 9 - 4.2.1.作用在滚珠丝杆副上各种转矩计算. - 9 - 4.2.2.负

7、荷转动惯量JL及传动系统转动惯量J的计算 . - 9 - 4.2.3.加速转速Ta和最大加速转矩Tam. - 10 - 4.2.4.电动机最大启动转矩Tr . - 10 - 4.2.5.电动机连续工作的最大转矩:. - 10 - 4.2.6.电动机的选择:. - 10 - 4.3. 轴承的选择与验算 . - 12 - 4.4. 联轴器的选用 . - 12 - 4.5. 滚动直线导轨选择、计算和验算 . - 13 - 4.6. 密封和润滑 . - 14 - - 3 - 机电一体化系统设计课程设计（机电工程学院） 5. 机械控制系统原理及电路设计 . - 14 - 5.1. 设计要求 . - 14

8、 - 5.2. 方案分析 . - 14 - 5.3. 单片机系统与步进电动机驱动器之间的接口方法 . - 14 - 5.3.1.特点 . - 15 - 5.3.2.电气特性 . - 15 - 5.3.3.使用环境及参数 . - 16 - 5.3.4.机械安装 . - 16 - 5.3.5.数码管显示 . - 16 - 5.3.6.电机接线 . - 16 - 5.3.7.驱动器芯片与电机的匹配. - 17 - 5.3.8.驱动器接线 . - 17 - 6. 结论 . - 19 - 谢 辞 . - 21 - 参考文献 . - 21 - 附 录 . 错误！未定义书签。 - 4 - 机电一体化系统设计

9、课程设计（机电工程学院） 引言 在当今社会的各个领域，步进电机无处不在，应用领域涉及机器人、工业电子、自动化设备、医疗器件、广告器材、舞台灯设备、印刷设备、计算机外部应用设备等等。步进电机配合单片机使用不仅简单实用，而且价格低廉，是中小型企业的首选。小幅面平板式绘图仪画笔驱动系统的设计正是利用0的单片机和步进电机的结合，使绘图自动化、机械化，同时具有高度的精确度。本设计是基于80C51单片机的步进电机控制系统，能够有效的对步进电机的方向进行控制，同时在数码管上显示出X、Y方向的位移，使系统更趋向于人性化。 1. 课程设计的目的 1） 学习机电一体化系统总体设计方案拟定、分析与比较的方法。 2）

10、 通过对机械系统的设计掌握几种典型传动元件与导向元件的工作原理、设计计算方法与选用原则。齿轮同步带减速装置、蜗杆副、滚珠丝杠螺母副、直线滚动导轨副等。 3） 通过对进给伺服系统的设计，掌握常用伺服电动机的工作原理、计算选择方法与控制驱动方式，学会选用典型的位移速度传感器；如交流、步进伺服进给系统，增量式旋转编码器，直线光栅等。 4） 通过对控制系统的设计，掌握一些典型硬件电路的设计方法和控制软件的设计思路；如控制系统选用原则、CPU选择、存储器扩展、I/O接口扩展、A/D与D/A配置、键盘与显示电路设计等，以及控制系统的管理软件、伺服电机的控制软件等。 5） 培养学生独立分析问题和解决问题的能

11、力，学习并初步树立“系统设计”的思路。 6） 锻炼提高学生应用手册和标准、查阅文献资料以及撰写科技论文的能力。 2. 设计任务 题目：小幅面平板式绘图仪画笔驱动系统的设计 主要参数如下： 工作台面尺寸为600mm3600mm，可绘图范围210mm3149mm（A5图纸）。 X、Y方向的定位精度均为。 加工材料为碳素钢或有色金属。 机架用 板金 / 铸铝 / 注塑件 外壳采用注塑件 传动系统采用：同步齿形带 / 钢丝 / 其他 X、Y电机采用步进电机 - 5 - 机电一体化系统设计课程设计（机电工程学院） 3. 总体方案的确定 3.1. 导轨副的选用 要设计的X-Y工作台是用来配套轻型的画笔的，

12、需要承受的载荷非常小，但脉冲当量小、定位精度高，因此，决定选用直线滚动导轨副，它具有摩擦系数小、不易爬行、传动效率高、机构紧凑、安装预紧方便等优点。 3.2. 丝杠螺母副的选用 伺服电动机的旋转运动需要通过丝杠螺母副转换成直线运动，要满足0。2mm的定位精度，滑动丝杠副无能为力，只有选择滚珠丝杠副才能达到。滚珠丝杠副的传动精度高、动态响应快、运转平稳、寿命长、效率高，预紧后可消除反向间隙。 3.3. 伺服电动机的选用 任务书规定的脉冲当量尚未达到0。001mm，定位精度也未达到微米级，最快移动速度也不高。因此，本设计不必采用高档次的伺服电动机，如交流伺服电动机或直流伺服电动机等，可以选用性能好

13、一些的步进电动机，如混合式步进电动机，以降低成本，提高性价比。 3.4. 联轴器的选用 由于系统的对中性要求较高，因此决定选用刚性联轴器，具有结构简单、制造成本低等优点考虑到工作载荷不大，拟选用套筒联轴器，其具有结构简单、制造容易、径向尺寸小的优点。. 检测装置的选用 选用步进电动机作为伺服电动机后，可选开环控制，也可选闭环控制。任务书所给的精度对于步进电动机来说不是很高，决定采用开环控制。 3.6. 控制系统的设计 设计的驱动系统只有单坐标定位，所以控制系统应该设计成连续控制型。 对于步进电动机的开环控制，选用MCS-51系列的ATR89C51，应该能够满足设计任务书给定的相关指标。 要设计

14、一套完整的控制系统，在选择CPU之后，还需要扩展程序存储器、数据存储器、键盘与显示电路、I/O接口电路、D/A转换电路、串行接口电路等选择合适的驱动电源，与步进电动机配套使用。 考虑到X、Y两个方向的工作范围额相差不大，承受的载荷也相差不多，为了减少设计工作量，X、Y两个坐标的导轨副、丝杠螺母副、伺服电动机、检测装置拟采用相同的型号与规格。 4. 机械传动部件的设计与选型 4.1. 滚珠丝杆副的选型与计算 4.1.1. 确定滚珠丝杆副的导程Ph： - 6 - 机电一体化系统设计课程设计（机电工程学院） 根据传动关系图及传动条件选择滚珠丝杆副的导程Ph Ph=10mm 4.1.2. 滚珠丝杆副的

15、载荷及转速计算 （1）最小载荷Fmin 选机器空载时滚珠丝杆副的传动力。根据工作台尺寸确定其质量为25kg。由滚动导轨副的摩擦系数得 （2）最大载荷Fmax 选机器承受最大负荷时滚珠丝杆副的传动力。 （3）滚珠丝杆副的当量转速nm及当量载荷Fm: nm?(nmax?nmin)?2?(2?0.01)?(0.4?0.01)?2?120r/min 4.1.3. 确定预期额定的载荷 （1）按预期工作时间Lh（小时）计算： 根据要求选取系数得，由公式得： 4.1.4. 按精度要求确定允许的滚珠丝杆的最小螺纹底径d2m (1)估算滚珠丝杆的最大允许轴向变形量?m： 机床或机械装置伺服系统精度大多早空载下检

16、验。空载时用在滚珠丝杆副上的最大轴向工作载荷是静摩擦力F0。移动部件在Kmin处起启动和反向时，由于F0方向变化将产生误差2 F0/Kmin（又称摩擦死区误差），它是影响重复定位精度的最主要因素，一般占重复定位精度的（1/2-2/3）。所以规定滚珠丝杆副允许的最大轴向变形： ?m?F0KM?(1/31/4)?重复定位精度=（）mm 影响定位精度的最主要因素是滚珠丝杆副的精度，其次是滚珠丝杆滚珠丝杆本身的拉压弹性变形(因为这种弹性变形随滚珠螺母在滚珠丝杆上的位置变化而变化)，以及滚珠丝杆副滚珠丝杆副摩擦力矩的变化等。一般估算是时 即?m?(1/41/5)定位精度?m?(1/41/5)定位精度。

17、=（）mm ?m以上两种方法估算的小值取做 由滚珠丝杆副的安装方式得 值，即?m=0。0025mm。 (2)估算滚珠丝杆副的底径d2m： - 7 - 机电一体化系统设计课程设计（机电工程学院） d2m?10F0L?mE?0.039F0L?m 式中： L两个固定支承之间的距离（mm） =1.23500+12310=720mm 所以 4.1.5. 确定滚珠丝杆副的规格代号： 根据条件d2?d2m,Ca?Cam得选用滚珠丝杆副的型号为32105，公称直径 4.1.6. 对预紧滚珠丝杆副，确定其预紧力Fb： 由最大轴向工作载荷Fmax确定 4.1.7. 滚珠丝杆副工作图设计： 确定滚珠丝杆副的螺纹长度

18、 得Ls?580?80?660mm 4.1.8. 滚珠丝杆螺母的安装连接尺寸： D1=40mm， D=66mm， D4=53mm， L=72mm， B=11mm， h=6mm。 4.1.9. 滚珠丝杆的校核 在选择滚珠丝杆时，可根据原丝杆直径的大小，按类比法选择其名义直径，因此，就需要对其负载能力进行必要的校核，如果是根据承载能力选出的则应对压杆稳定及其刚度进行必要的校核。 (1)下面进行滚珠丝杆副临界压缩载荷Fc的核算（即验算压杆稳定性） Fc?k1k2d242Ls?Lu?2Le Le=40mm Lu=有效行程+螺母长度=500+8Ph=580mm Lc1?105?fmax 1 3 f=21

19、.9 k） 4 2（其中： 590?105?1.163?10N?F5max?F总?F摩 所以验证稳定性合格。 (2)滚珠丝杆副的极限转速nc的校核(避免高速运转时产生共振) - 8 - 机电一体化系统设计课程设计（机电工程学院） nc?k?60?2?L22EIc2?A ?10?fd2L2c2?103 3 59027?15.5?10r/min?nmax 验算合格。 (3)Dn值的验证 Dpw.nmax?34.7?200?6940?70000 合格。 (4)基本轴向额定静在和Cu的验算 fs.Famax?Coa 2?2008.725?4017.45?Coa?82.5?10 (fs取2)3 (5)强

20、度验算 ?1 4?d2?Famax2 4.2. 电机的选型与计算 4.2.1. 作用在滚珠丝杆副上各种转矩计算 外加载荷产生的摩擦力矩TF（） 空载时: 外加径向载荷是的摩擦力矩: 2滚珠丝杆副预加载荷Fb产生的预紧力矩 4.2.2. 负荷转动惯量JL（）及传动系统转动惯量J（）的计算： JL?i(ninm)?mj(2Vj2?nm)2 J?JM?JL - 9 - 机电一体化系统设计课程设计（机电工程学院） 滚动丝杆的转动惯量： Ph 2?3.14?4kg.m2JL?JS?( 1Jm Jl?()?25?7.13?102?4 由4 即：?1 ?41.78?10?J,m?7.13?10?4 ?3取J

21、m=3.57?10-4 则有：J?JM?JL?(3.57?7.13)?10?10.7?10?3 4.2.3. 加速转速Ta和最大加速转矩Tam 当电机转速从n1升至n2时: Ta?J?2?(n1?n2)60ta?10.7?10?4?2?3.14(200?40)60?2?9.2?10?3Nm 当电机从静止升速到nmax Tam?J?2?nmax60ta?10.7?10?4?2?3.14?20060?2?11.2?10?3Nm 2?3.14?0.94.2.4. 电动机最大启动转矩 4.2.5. 电动机连续工作的最大转矩: 4.2.6. 电动机的选择: 在选择电动机是主要从以下几个方面考虑: （1）

22、能满足控制精度要求； （2）能满足负载转矩的要求； （3）满足惯量匹配原则。 上述计算均没有考虑机械系统的传动效率。当选择机械传动总效率?=0。96时，同时，在车削时，由于材料的不均匀等因素的影响，会引起负载转矩突然增大，为避免计算上的误差以及负载转矩突然增大引起步进电机丢步而引起加工误差，可以适当考虑安全系数，安全系数一般可以在之间选取。如果选取安全系数K=1。5，则步进电机可按以下总负载转矩为: 如果选上述预选的电动机90BYG55C，其最大静转矩。在五相十拍驱动 - 10 - 机电一体化系统设计课程设计（机电工程学院） 时，其步矩角为/step，为了保证带负载能正常加速启动和定位停止，电

23、动机的起动转矩必须满足：Tjmax ?T? 由，故选用合适。 步进电动机的性能校核 最快进给速度时电动机输出转矩校核 设计给定工作台最快进给速度Vmaxf=2000mm/min，脉冲当量 /360)mm/脉冲，得电动机对应的运行频率 fmaxf=Vmaxf/(60/360)Hz=3200Hz从90BYG2602电动机的运行矩频特性曲线图1-2可以看出，在此频率下，电动机的输出转矩Tmaxf3.5 N2m，远远大于最大工作负载转矩，满足设计要求。 最快移动时电动机运行频率校核 与最快移动速度Vmaxf=2000mm/min对应的电动机运行频率为fmax=3200Hz。查表4-5可知90BYG26

24、2电动机的空载运行频率可达20000Hz，可见没有超出上限。 起动频率的计算 已知电动机转轴上的总转动惯量，电动机转子的转动惯量 Jm=4kg2cm2，电动机转轴不带任何负载时的空载起动频率fq=1800Hz（查表4-5）则可以求出步进电动机克服惯性负载的起动频率： 2 上式说明，要想保证步进大家起动时不失步，任何时候的起动频率都必须小于1240Hz。实际上，在采用软件升降频时，起动频率选得更低，通常只有100Hz（即100脉冲/s）。 综上所述，本次设计中进给传动选用90BYG2602步进电动机，完全满足设计要求。 - 11 - 机电一体化系统设计课程设计（机电工程学院） 4.3. 轴承的选

25、择与验算 根据前面的计算，我们预选轴承为角接触球轴承。选用型号为:7005AC， 查相关手册(<<机械设计指导>>)可得此轴承的一些相关参数: Cr=11.2KN Cor=7.08KN d=25mm B=12mm 对其进行受力分析，如上，则可得: ?Fr1?Fr2?1166.7N? F?750?F?1302?r2?F由两式连解的 取，则有: 所以轴承1被压紧，则: 求当量动载荷: Fa1Fr1 Fa2 Fr2?1470.9964.37137.56202.23?1.52?e ?0.68?e? 则:对轴承 对轴承2: X2=1 Y1=0 取 则有: 验算轴承寿命: 因为P1

26、>P2， 所以轴承所承受的寿命计算: Lh?10660n(c p1)?3106 60?200?(14.5?10 1470.93)?79946h?22000h3 故，轴承寿命合格。 4.4. 联轴器的选用 由上述电动机的型号可查得输出转轴的直径为14mm，于是可以选择圆锥套筒联轴器，其相关参数如下：（mm） - 12 - 机电一体化系统设计课程设计（机电工程学院） d D L l C 许用转矩 圆锥销(2件) 14 25 45 10 16.0 425 4.5. 滚动直线导轨选择，计算和验算 本设计采用滚动直线导轨，其最大优点是摩擦系数小，动、静摩擦系数差很小，因此，运动轻便灵活，运动所需功

27、率小，摩擦发热少，磨损小，精度保持性好，低速运动平稳性好，移动精度和定位精度高的优点。所采用的滚动直线导轨结构如下图所示: 运动件；2滚1 珠；6AA旋转1 2354A3承导件；4返回器；5工作滚道；6 返回滚道 在选择导轨时，主要遵循以下几条原则： 精度不干涉原则：导轨的各项精度制造和使用时互不影响才易得到较高的精度。 动摩擦系数相近的原则：例如选用滚动导轨或朔料导轨，由于摩擦系数小且静，动摩擦系数相近，所以可获得很低的运动速度和很高的重复定位精度。 导轨能自动贴合原则：钥匙导轨精度高，必须使相互结合的导轨有自动贴合的性能。对水平位置的工作的导轨，可以靠工作台的自重来贴合;其它导轨靠附加的弹

28、簧力或者滚轮的压力使其贴合。 移动的导轨在移动过程中，能始终全部接触的原则;也就是固定的导轨长，移动的导轨短。对水平安装的导轨，以下导轨为基准，上导轨为弹性体的原则。能补偿因受力变形和受热变形的原则。 根据以上原则且因为所设计的机械所受的力不是很大，所以初选导轨为 GGB16AAL2P2-4其额定静，动载 为，。查表确定各系数fh?1,ft?1,fc?0.66,fa?1,fw?1. 从而可以确定所受的最大力为，由公式： - 13 - 机电一体化系统设计课程设计（机电工程学院） L?(fhftfcfa fw)?K 3e=（）?50=10675km 按式：Lh?2La?n2?60=10675?10

29、 2?0.8?4?60=27799 h?22000h 所以满足寿命的要求，合格。 4.6. 密封和润滑 为了阻止灰尘，水，酸气和其杂物进入轴承并阻止润滑剂流失。再本设计中加如了轴承的密封装置。因为滚珠丝杠的转速不高，所以采用接触式密封。在透盖与轴承中间加入了唇形密封圈，目的是防止润滑油的流出。在轴承的左侧加入轴承端盖，目的是阻止灰尘，水，酸气和其杂物进入轴承。为了降低摩擦阻力，散热，吸收振动，防止锈蚀等，在整个系统中加入了润滑装置，在此系统中滚珠丝杠和轴承都采用脂润滑。 5. 机械控制系统原理及电路设计 5.1. 设计要求 采用MCS-51系列单片机来完成此控制系统的设计，完成控制系统原理图等

30、。 主要包括键盘，数码管显示，电动机的启动、停止、单进控制。同时还要有一些自动错误处理功能。如限位控制，驱动出错处理，这就需要在程序设计时提供相应的中断处理程序。 5.2. 方案分析 由前面电动机的选择:选用电动机型号为28BYJ485VDC的步进电机。此电机是一个四相八拍的电动机。由机电一体化可以知道步进电机的运行特性与配套的驱动电源（驱动器）由密切的关系。驱动器由脉冲发生器和功率放大器两大部分组成的。在微机控制电机过程中，需要使电机按照一定规律变化进行运动，而控制这部分规律变化的部分叫做脉冲分配器。实现脉冲分配有两种方法：计算机软件和硬件电路法。当有了环形脉冲分配后，还是不够的。由于我们的脉冲是由微机单片机发出的，属于低电平，是不能直接驱动电机进行运动的，这时我们可以采用功率放大电路将脉冲进行功率放大，然后驱动硬件电路。 5.3. 单片机系统与步进电动机驱动器之间的接口方法 采用单片机系统对步进电动机进行串行控制。系统从CP脉冲控