(绘图仪)机电一体化系统设计课程设计说明书

机电一体化系统设计课程设计（武汉科技学院）-1-机电一体化系统设计课程设计说明书（小幅面平板式二维绘图仪画笔驱动系统）学院：机电工程学院班级：机设063班姓名：辜浪学号：指导老师：张智明机电一体化系统设计课程设计（武汉科技学院）-2-目录目录...................................................................................................................-2-中文摘要...................................................................................................................-3-一、课程设计的目的...............................................................................................-4-二、设计任务...........................................................................................................-4-三、总体方案的确定...............................................................................................-4-四、机械传动部件的设计与选型...........................................................................-5-1．滚珠丝杆副的选型与计算...........................................................................-5-2．电机的选型与计算.......................................................................................-7-3、轴承的选择与验算.....................................................................................-10-4．联轴器的选用.............................................................................................-11-5．滚动直线导轨选择，计算和验算.............................................................-11-6．密封和润滑.................................................................................................-12-五、机械控制系统原理及电路设计.....................................................................-12-1、设计要求.....................................................................................................-12-2、方案分析.....................................................................................................-12-3、单片机系统与步进电动机驱动器之间的接口方法.................................-12-4、步进电动机驱动电源的选用.....................................................................-14-六、设计结论.........................................................................................................-17-七、个人总结.........................................................................................................-19-八、参考文献.........................................................................................................-20-机电一体化系统设计课程设计（武汉科技学院）-3-中文摘要模块化的小幅面平板式单坐标画笔驱动系统，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。图1—1机电一体化系统设计课程设计（武汉科技学院）-4-一、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）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。二、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600mm×600mm，可绘图范围210mm×297mm（A4图纸）。X、Y方向的定位精度均为±0.2mm。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电机采用步进电机三、总体方案的确定（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，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。（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）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。机电一体化系统设计课程设计（武汉科技学院）-5-（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。（5）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．（6）控制系统的设计１）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．２）对于步进电动机的开环控制，选用MCS-51系列的ATR89C52，应该能够满足设计任务书给定的相关指标．３）要设计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。四、机械传动部件的设计与选型小幅面平板式绘图仪画笔驱动系统的设计1．滚珠丝杆副的选型与计算1.1确定滚珠丝杆副的导程Ph：根据传动关系图及传动条件选择滚珠丝杆副的导程PhPh=10mm1.2滚珠丝杆副的载荷及转速计算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f=0.005得1.225N0.0059.825fGFmin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.2008.725N0.0059.8)25(15002000G)f(F2F1Fmax3)滚珠丝杆副的当量转速nm及当量载荷Fm:120r/min20.01)](0.40.01)[(22)n(nnminmaxm1339.56N3)1.2252008.7252(3Fmin)Fmax(2Fm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fw=1.5,fa=1.0fc=1.0，由公式得：机电一体化系统设计课程设计（武汉科技学院）-6-8.2470844.00.11005.156.133922000120601006033cawMhmfffFLnCamN1.4按精度要求确定允许的滚珠丝杆的最小螺纹底径d2m1).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2F0/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：重复定位精度)4/1~3/1(0MmKF=（0.0025~0.0034）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m定位精度)5/1~4/1(。即m定位精度)5/1~4/1(=（0.004~0.005）mm以上两种方法估算的小值取做m值,即m=0.0025mm.2)、估算滚珠丝杆副的底径d2m：由滚珠丝杆副的安装方式得mmmLFELFd002039.01010式中：L—两个固定支承之间的距离（mm）=1.2×500+12×10=720mm所以mmdm16.230025.0720225.1039.021.5确定滚珠丝杆副的规格代号：根据条件amamCCdd,22得选用滚珠丝杆副的型号为3210—5，公称直径mmd7.34