機電一體化系統(tǒng)綜合課程設(shè)計-- 三坐標工作臺設(shè)計

1、<p>　　機電一體化系統(tǒng)綜合課程設(shè)計</p><p>　　課題名稱： 三坐標工作臺設(shè)計</p><p>　　學(xué) 院： 機械工程學(xué)院</p><p><b>　　班 級： </b></p><p>　　專 業(yè)： 機械設(shè)計制造及其自動化</p><p><b

2、>　　設(shè)計成員： </b></p><p><b>　　目　錄</b></p><p>　　一、總體方案設(shè)計…………………………………………………… 3</p><p>　　1.1 設(shè)計任務(wù)…………………………………………………………3</p><p>　　1.2 總體方案確定………………………………

3、……………………3</p><p>　　1.2.1 方案確定思想…………………………………………………..3</p><p>　　1.2.2 方案分析……………………………………….. ……………...4</p><p>　　1.2.3 總體方案系統(tǒng)組成…………………………………………. …5</p><p>　　二、機械系統(tǒng)設(shè)計………………

4、……………………………………. 6</p><p>　　2.1 總體方案的確定………………………………………………….6</p><p>　　2.2機械傳動部件的計算與選擇……………………………………..7</p><p>　　三、控制系統(tǒng)硬件設(shè)計……………………………………………......9</p><p>　　3.1 控制電路的設(shè)計……

5、…………………………………………... 12</p><p>　　3.2 電路的原理圖…………………………………………………...15</p><p>　　四、總結(jié)……………………………………………………………… 17</p><p>　　五、參考文獻………………………………………………………… 17</p><p><b>　　六

6、、附錄</b></p><p><b>　　一、總體方案設(shè)計</b></p><p><b>　　1.1設(shè)計任務(wù)</b></p><p>　　1）.設(shè)計三坐標運動平臺，完成機械系統(tǒng)設(shè)計、控制系統(tǒng)設(shè)計與電子電路設(shè)計，根據(jù)試驗條件進行調(diào)試，完成整個開發(fā)系統(tǒng)。</p><p>　　2）. .主

7、要技術(shù)指標</p><p>　　1.一定的規(guī)格要求（3自由度有效行程100mm，控制精度0.02mm，懸臂深200mm，梁上物件2kg）；</p><p>　　2.運動靈敏度高、低速無爬行；</p><p><b>　　3.定位精度高；</b></p><p>　　4.結(jié)構(gòu)輕便，建議機座和滑臺采用鋁合金；</p&g

8、t;<p>　　5.標準組件，獨立產(chǎn)品；</p><p><b>　　1.2總體方案確定</b></p><p>　　1.2.1方案確定思想</p><p>　　根據(jù)設(shè)計任務(wù)，參照參考資料結(jié)合實際，設(shè)定以下方案：</p><p>　　1.2.2 方案分析</p><p>　　1. 直

9、線滾動到導(dǎo)軌副具有摩擦系數(shù)小，不易爬行、傳動效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、安裝預(yù)緊方便等特點。</p><p>　　滾珠絲杠副有如下特點：①傳動效率高②系統(tǒng)剛性好③傳動精度高④使用壽命長⑤運動具有可逆性（既可將回轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運動，又可將直線運動變?yōu)榛剞D(zhuǎn)運動，且逆?zhèn)鲃有蕩缀跖c正傳動效率相同）⑥不會自鎖⑦可進行預(yù)緊和調(diào)隙。</p><p>　　步進電機：結(jié)構(gòu)簡單、價格低、轉(zhuǎn)動慣量小、動態(tài)響應(yīng)快、易起

10、停，可滿足快速移動和精度要求。</p><p>　　無隙齒輪箱減速：可消除間隙，但設(shè)計和安裝精度高。</p><p>　　閉環(huán)控制：控制精度和抑制干擾的性能都比較差，而且對系統(tǒng)參數(shù)的變動很敏感。</p><p>　　1.2.3 總體方案系統(tǒng)組成</p><p><b>　　1.機械系統(tǒng)組成</b></p>

11、<p>　　機械系統(tǒng)由三個步進電機；三個一級齒輪減速器；三個滾珠絲杠以及三個直線滾動導(dǎo)軌副作為主要的動力輸出、傳動以及機械控制部分，系統(tǒng)的組成還有其他一些機構(gòu)。</p><p><b>　　2.控制系統(tǒng)組成</b></p><p>　　控制系統(tǒng)由鍵盤輸入信號，通過3個單端—差分脈沖轉(zhuǎn)換，差分—單端脈沖轉(zhuǎn)換電路去控制3個電機的運轉(zhuǎn)，從而達到在3個方向上運動的目

12、的。</p><p><b>　　二、機械系統(tǒng)設(shè)計</b></p><p>　　2.1、總體方案的確定</p><p>　　1.機械傳動部件的選擇</p><p>　?。?） 導(dǎo)軌副的選擇</p><p>　　要設(shè)計的三坐標運動平臺是用來配合傳感器的定位的，需要承受的載荷不大，但脈沖當量小、定位精

13、度高，因此，決定選用直線滾動導(dǎo)軌副（線性滑軌HG系列），它具有摩擦系數(shù)小、不易爬行、傳動效率高、機構(gòu)緊湊、安裝預(yù)緊方便等優(yōu)點。</p><p>　?。?） 絲桿螺母副的選用</p><p>　　伺服電動機的旋轉(zhuǎn)運動需要通過絲桿螺母副轉(zhuǎn)換成直線運動，要滿足0.02mm的脈當量和±0.02mm的定位精度，滑動絲桿副無能為力，只有選用滾珠絲桿副才能達到。滾珠絲桿副的傳動精度高、動態(tài)響應(yīng)

14、快、運轉(zhuǎn)平穩(wěn)、壽命長、效率高，頂緊后可消除反向間隙。</p><p>　　（3） 減速裝置的選用</p><p>　　選擇了步進電動機和滾珠絲桿副以后，為了圓整脈沖當量，放大電動機的輸出轉(zhuǎn)矩，降低運動部件折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的轉(zhuǎn)動慣量，可能需要減速裝置，且應(yīng)有消間隙機構(gòu)。為此，采用無間隙齒輪傳動減速箱。</p><p>　?。?） 伺服電動機的選用</p>

15、<p>　　任務(wù)書規(guī)定的脈沖當量尚未達到0.001mm，定位精度也未達到的微米級，空載最快移動速度也只有。因此，可以選用性能好一些的步進電動機，如永磁感應(yīng)式步進電機，以降低成本，提高性價比。</p><p>　　2.2 機械傳動部件的計算與選擇</p><p>　　1. 導(dǎo)軌上移動部件的重量估算</p><p>　　按照下導(dǎo)軌上面的移動部件的重量來進

16、行估算。包括工件、夾具、工作平臺、上層電動、減速箱、滾珠絲桿副、直線滾動導(dǎo)軌副、導(dǎo)軌座等，估計重量為500N。</p><p>　　2. 直線滾動導(dǎo)軌副的計算與選型</p><p>　　（1） 滑塊承受工作載荷的計算及導(dǎo)軌型號的選取</p><p>　　工作載荷是影響直線滾動導(dǎo)軌副使用壽命的重要因素。設(shè)計中的三坐標工作臺為水平布置和垂直布置，采用雙導(dǎo)軌、四滑塊

17、的支承形式。考慮最不利的情況，即垂直于臺的工作載荷全部由一個滑塊承擔，則單滑塊所承受的最大垂直方向載荷為：</p><p>　　= （G+F）/4 （6-1）</p><p>　　其中，部件重500N，外加負載20N，代入式（6-1）,得最大工作負載</p><p><b>　　=0.13kN。</b></p><

18、;p>　　查線性滑軌技術(shù)手冊，根據(jù)工作負載，有效行程，選定滑軌如下：</p><p>　?。ɑ夐L度的選擇考慮到工作行程應(yīng)有一定的余量，兩滑塊之間的距離）</p><p>　?。?）距離額定壽命的計算 </p><p>　　上述選取的HGH型導(dǎo)軌副的滾道硬度為60HRC，工作溫度不超過，每根導(dǎo)軌上配有兩只滑塊，精度為4級，工作速度較低，載荷不大。查表3-36~

19、表3-40，分別取硬度系數(shù)，溫度系數(shù)、接觸系數(shù)、精度系數(shù)、載荷系數(shù)，代入式（3-33）,距離壽命：</p><p>　　遠大于期望值50km，故距離額定壽命滿足要求</p><p>　　3. 滾珠絲杠螺母副的計算與選型</p><p>　?。?） 最大工作載荷的計算</p><p>　　已知移動部件總重量G=600N，按矩形導(dǎo)軌進行計算，取

20、顛覆力矩影響系數(shù)，滾動導(dǎo)軌上的摩擦因數(shù)。求得滾珠絲杠副的最大工作載荷：</p><p>　　（2）最大動載荷的計算</p><p>　　取滾珠絲杠的使用壽，代入，得絲杠壽命系數(shù)Lo=180 （單位為：）。</p><p>　　查表3-30，取載荷系數(shù)，滾道硬度為60HRC時，取硬度系數(shù)，代入式（3-23），求得最大動載荷： </p><p>

21、<b>　　（3） 選型號</b></p><p>　　精密研磨級滾珠絲杠 FDV</p><p>　?。?）傳動效率的計算</p><p>　　將公稱直徑do=16mm，導(dǎo)程Ph=5mm，代入，得絲杠螺旋升角λ=3°38′36″ 。將摩擦角，代入，得傳動效率η=97.3％。</p><p>　　（5）壓桿穩(wěn)定

22、性校核</p><p>　　計算失穩(wěn)時的臨界載荷。查表3-34，取支承系數(shù)：由絲杠底徑d2=21.2mm，求得截面慣性矩：壓桿穩(wěn)定安全系數(shù)K取3（絲杠臥式水平安裝）；滾動螺母至軸向固定處的距離a取最大值500mm。臨界載荷，遠大于工作載荷，故絲杠不會失穩(wěn)。</p><p>　　4．步進電動機的計算與選型</p><p>　　（1） 計算加在步進電動機轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動

23、慣量 已知：滾珠絲杠的公稱直徑d=16mm，總長l=280mm，導(dǎo)程，材料密度：移動部件總重力G=500N：小齒輪寬度，直徑 ：大齒輪寬度，直徑 ：傳動比i=1。</p><p>　　如表4-1所示，算得各個零部件的轉(zhuǎn)動慣量如下（具體計算過程從略）：滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動慣量</p><p><b>　　1.365</b></p><p>　　拖板折算

24、到絲杠上的轉(zhuǎn)動慣量 0.343</p><p>　　初選步進電動機型號為ECMA C104，，二相四拍驅(qū)動時步距角為，從表4-5查得該型號電動機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量4 。</p><p>　　則加在步進電動機轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動慣量為：5.885 </p><p>　?。?）計算加在步進電動機轉(zhuǎn)軸上的等效負載轉(zhuǎn)矩 分快速空載起動和承受最大工作負載兩種情況進行計算。</p&

25、gt;<p>　　1）快速空載起動時電動機轉(zhuǎn)軸所承受的負載轉(zhuǎn)矩 由式（4-8）可知， 包括三部分：一部分是快速空載啟動時折算到電機轉(zhuǎn)軸上的最大加速度轉(zhuǎn)矩；一部分是移動部件運動折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩；還有一部分是滾珠絲桿杠頂緊后折算到電動機轉(zhuǎn)軸的附加摩擦轉(zhuǎn)矩。 因為滾珠絲桿杠副傳動效率很高， 相對于 和很小，可以忽略不計。則有：</p><p>　　考慮傳動鏈的總效率，計算快速空載起動時折算到

26、電動機轉(zhuǎn)軸上的最大加速度轉(zhuǎn)矩： </p><p>　　式中——對應(yīng)空載最快移動速度的步進電動機最高轉(zhuǎn)速，單位為;</p><p>　　——步進電動機由靜止到加速至 轉(zhuǎn)速所需的時間，單位為s。</p><p><b>　　其中： </b></p><p>　　式中—— 空載最快移動速度，任務(wù)書指定為</p&

27、gt;<p>　　—— 步進電動機步距角，預(yù)選電動機為</p><p>　　—— 脈沖當量，</p><p><b>　　將以上各值代入算的</b></p><p>　　設(shè)步進電動機由靜止奧加速至 轉(zhuǎn)速所需時間，傳動鏈總效率。求得=0.04N·m</p><p>　　移動部件運動時，折算到

28、電動機轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩為： </p><p>　　式中 ————導(dǎo)軌的摩擦因素，滾動導(dǎo)軌取0.005；</p><p>　　———— 垂直方向的銑削力，空載時取0；</p><p>　　———— 傳動鏈總效率，取。</p><p><b>　　得 </b></p><p>　　最后求

29、得快速空載起動時電動機轉(zhuǎn)軸所承受的負載轉(zhuǎn)矩：</p><p>　　2） 最大工作負載狀態(tài)下電動機轉(zhuǎn)軸所承受的負載轉(zhuǎn)矩，包括三部分： 一部分是折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的最大工作負載轉(zhuǎn)矩 ； 一部分是移動部件運功時折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩；還有一部分是滾珠絲桿杠頂緊后折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的附加摩擦轉(zhuǎn)矩 ， 相對于 和很小，可以忽略不計。則有：</p><p>　　其中，折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的最大工作

30、負載轉(zhuǎn)矩可以忽略不計。</p><p>　　計算垂直方向承受最大工作負載（）情況下，移動部件運動時折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩：</p><p>　　最后求得最大工作載荷狀態(tài)下電動機轉(zhuǎn)軸所承受的負載轉(zhuǎn)矩為：0.0055N·m</p><p>　　經(jīng)過上述計算后，得到加在步進電動機轉(zhuǎn)軸上的最大等效負載轉(zhuǎn)矩應(yīng)為：</p><p>　?。?/p>

31、3）步進電動機最大靜轉(zhuǎn)矩的選定</p><p>　　考慮到步進電動機的驅(qū)動電源受電網(wǎng)電壓影響較大，當輸入電壓降低時，其輸出轉(zhuǎn)矩會下降，可能造成丟步，甚至堵轉(zhuǎn)。因此，根據(jù) 來選擇步進電動機的最大靜轉(zhuǎn)矩時，需要考慮安全系數(shù)。本例中取安全系數(shù)K=4，則步進電動機的最大靜轉(zhuǎn)矩應(yīng)滿足：</p><p>　　0.16896 N·m</p><p>　　上述初選的步

32、進電動機型號為ECMA，由表4-5查得該型號電動機的最大靜轉(zhuǎn)矩6 N·m ?？梢?，滿足要求。</p><p>　?。?）步進電動機的性能校核</p><p>　　1）最快工作速度時電動機輸出轉(zhuǎn)矩校核</p><p>　　工作臺最快工作速度1000mm/min，脈沖當量δ=0.02mm/脈沖，求出電動機對應(yīng)的運行頻率 833HZ。從ECMA電動機的運行矩頻特

33、性曲線圖可以看出，在此頻率下，電動機的輸出轉(zhuǎn)矩5.5N·，遠大于最大工作負載轉(zhuǎn)矩0.04224N·m，滿足要求。</p><p>　　2）最快空載移動時電動機輸出轉(zhuǎn)矩校核</p><p>　　任務(wù)書給定工作臺最快空載移動速度1000mm/min，仿照式（4-16）求出電動機對應(yīng)的運行頻率833HZ。從圖6-24查得，在此頻率下，電動機的輸出轉(zhuǎn)矩，大于快速空載起動時的負載

34、轉(zhuǎn)矩，滿足要求。</p><p>　　3）最快空載移動時電動機運行頻率校核</p><p>　　與最快空載移動速度 1000mm/min對應(yīng)的電動機運行頻率為883Hz 。查表4-5可知ECMA電動機的空載運行頻率可達20000 ，可見沒有超出上限。</p><p><b>　　4）起動頻率的計算</b></p><p&g

35、t;　　已知電動機轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動慣量，電動機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量，電動機轉(zhuǎn)軸不帶任何負載時的空載起動頻率（查表4-5）。則由式（4-17）可以求出步進電動機克服慣性負載的啟動頻率：</p><p>　　上式說明，要想保證步進電動機起步時不失步，任何時候的起動頻率都必須小于709 。實際上，在采用軟件升降頓時，起動頻率選得更低，通常只有100Hz（即100脈沖/s）。</p><p>　　圖1

36、 三坐標工作臺結(jié)構(gòu)</p><p>　　三、控制系統(tǒng)硬件設(shè)計</p><p>　　3.1控制電路的設(shè)計</p><p><b>　　1.元器件介紹</b></p><p>　　SP488E和SP489E是一個低功耗的4路差分線性接收器，符合具有增強型ESD性能的RS-485和RS-422串行協(xié)議規(guī)范。它們的ESD容限已增

37、強為±15kV人體放電模式和IEC1000-4-2氣隙放電模式。它們可以很好的向后代替Sipex的SP488和SP489器件，并遵循通用工業(yè)標準。與最初的版本一樣，SP488E含有一個共用的接收器使能控制；SP489E為每對接收器單獨提供接收器使能控制。SP488E和SP489E都具有寬共模輸入范圍。接收器含有自動故障安全保護特性，可在接收器輸入懸空時，使輸出強制為邏輯“1”。兩者都采用16腳塑料DIP和SOIC封裝。<

38、/p><p>　　2. SP488E管腳配置</p><p>　　管腳1－RI1B－接收器1輸入B </p><p>　　管腳2－RI1A－接收器1輸入A </p><p>　　管腳3－RO1－接收器1輸出－如果接收器1輸出被使能，當RI1A比RI1B大200mV時，接收器1輸出為高電平。如果接收器1輸出被使能，當RI1A比RI1B小200mV

39、時，接收器1輸出為低電平。</p><p>　　管腳4－EN－接收器輸出使能。請參考SP488E的真值表(1)。</p><p>　　管腳5－RO2－接收器2輸出－如果接收器2輸出被使能，當RI2A比RI2B大200mV時，接收器2輸出為高電平。如果接收器2輸出被使能，當RI2A比RI2B小200mV時，接收器2輸出為低電平。</p><p>　　管腳6－RI2A－

40、接收器2輸入A </p><p>　　管腳7－RI2B－接收器2輸入B </p><p>　　管腳8－GND－數(shù)字地</p><p>　　管腳9－RI3B－接收器3輸入B </p><p>　　管腳10－RI3A－接收器3輸入A。</p><p>　　管腳11－RO3－接收器3輸出－如果接收器3輸出被使能，當RI3A比

41、RI3B大200mV時，接收器3輸出為高電平。如果接收器3輸出被使能，當RI3A比RI3B小200mV時，接收器3輸出為低電平。 </p><p>　　管腳12－EN－ 接收器輸出使能。請參考SP488E的真值表(1)。</p><p>　　管腳13－RO4－接收器4輸出－如果接收器4輸出被使能，當RI4A比RI4B大200mV時，接收器4輸出為高電平。如果接收器4輸出被使能，當RI4A比

42、RI4B小200mV時，接收器4輸出為低電平。</p><p>　　管腳14－RI4A－接收器4輸入A。</p><p>　　管腳15－RI4B－接收器4輸入B。</p><p>　　管腳16－電源電壓VCC－ 4.75V≤VCC≤5.25V</p><p>　　3. SP489E管腳配置</p><p>　　管腳1

43、－RI1B－接收器1輸入B </p><p>　　管腳2－RI1A－接收器1輸入A </p><p>　　管腳3－RO1－接收器1輸出－如果接收器1輸出被使能，當RI1A比RI1B大200mV時，接收器1輸出為高電平。如果接收器1輸出被使能，當RI1A比RI1B小200mV時，接收器1輸出為低電平。</p><p>　　管腳4－EN1/EN2－接收器1和2輸出使能。

44、請參考SP489E的真值表(2)。</p><p>　　管腳5－RO2－接收器2輸出－如果接收器2輸出被使能，當RI2A比RI2B大200mV時，接收器2輸出為高電平。如果接收器2輸出被使能，當RI2A比RI2B小200mV時，接收器2輸出為低電平。</p><p>　　管腳6－RI2A－接收器2輸入A </p><p>　　管腳7－RI2B－接收器2輸入B <

45、;/p><p>　　管腳8－GND－數(shù)字地</p><p>　　管腳9－RI3B－接收器3輸入B </p><p>　　管腳10－RI3A－接收器3輸入A。</p><p>　　管腳11－RO3－接收器3輸出－如果接收器3輸出被使能，當RI3A比RI3B大200mV時，接收器3輸出為高電平。如果接收器3輸出被使能，當RI3A比RI3B小200mV

46、時，接收器3輸出為低電平。</p><p>　　管腳12－EN3/EN4－接收器3和4輸出使能。請參考SP489E的真值表(2)。</p><p>　　管腳13－RO4－接收器4輸出－如果接收器4輸出被使能，當RI4A比RI4B大200mV時，接收器4輸出為高電平。如果接收器4輸出被使能，當RI4A比RI4B小200mV時，接收器4輸出為低電平。</p><p>　

47、　管腳14－RI4A－接收器4輸入A。</p><p>　　管腳15－RI4B－接收器4輸入B。</p><p>　　管腳16－電源電壓VCC－ 4.75V≤VCC≤5.25V</p><p><b>　　特性</b></p><p>　　SP488E和SP489E是低功耗的4路差分線性接收器，符合RS-485和RS-4

48、22</p><p>　　標準。SP488E具有高電平有效和低電平有效的共用接收器使能控制；SP489E為</p><p>　　每對接收器對單獨提供了高電平有效的接收器使能控制。三態(tài)輸出和－7V～＋</p><p>　　12V的共模輸入范圍允許通信總線上的器件之間存在±7V 的地偏差。</p><p>　　SP488E/SP489E

49、含有自動故障安全保護特性，可在輸入懸空時，使接收器輸出強</p><p>　　制為邏輯高電平。SP488E和SP489E支持高達10Mbps的數(shù)據(jù)傳輸速率，兩者都</p><p>　　采用16腳塑料DIP和SOIC的封裝。</p><p>　　3.2 電路的原理圖</p><p>　　1.單端-差分脈沖轉(zhuǎn)換電路</p><

50、p>　　2.差分-單端脈沖轉(zhuǎn)換</p><p><b>　　四、總結(jié)</b></p><p><b>　　五、參考文獻</b></p><p>　　[1]尹志強.機電一體化系統(tǒng)設(shè)計課程設(shè)計指導(dǎo)書[M].北京:機械工業(yè)出版社, 2007.7.</p><p>　　[2]趙松年.機電一體化機械系統(tǒng)

51、設(shè)計[M].北京: 機械工業(yè)出版社, 1997,6.</p><p>　　[3]張建民.機電一體化系統(tǒng)設(shè)計[M].北京: 北京理工大學(xué)出版社,1996,8.</p><p>　　[4]陳強,解云龍.機械系統(tǒng)的微機控制[M].北京: 清華大學(xué)出版社,1999,8.</p><p>　　[5]周佩玲.微機原理與接口技術(shù)(基于16位機) [M].北京:電子工業(yè)出版社,20

52、04.</p><p>　　[6]吳秀清.微型計算機原理與接口技術(shù)[M].北京:清華大學(xué)出版社,2003.</p><p>　　[7]沈美明.IBM-PC匯編語言程序設(shè)計[M].北京:清華大學(xué)出版社,2002.</p><p>　　[8]張偉.Protel DXP 入門與提高[M].北京:人民郵電出版社,2003.2.</p><p>　　[

53、9]錢培怡.電子電路實驗與課程設(shè)計[M].北京:地震出版社, 2002, 6.</p><p>　　[10]各類機電產(chǎn)品設(shè)計手冊.</p><p><b>　　六、附錄</b></p><p>　　1．三坐標工作臺機械solidworks裝配圖。</p><p>　　2．三坐標工作臺零部件cad圖。</p>