通用兩維運(yùn)動平臺設(shè)計(jì)

《通用兩維運(yùn)動平臺設(shè)計(jì)》由會員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《通用兩維運(yùn)動平臺設(shè)計(jì)（10頁珍藏版）》請?jiān)谘b配圖網(wǎng)上搜索。

課程設(shè)計(jì)說明書 題 目：通用兩維運(yùn)動平臺設(shè)計(jì) 學(xué)生姓名： 學(xué) 院： 指導(dǎo)教師： 目 錄 第一章 二維運(yùn)動平臺總體方案設(shè)計(jì) 1 第二章 二維運(yùn)動平臺進(jìn)給伺服系統(tǒng)機(jī)械部分設(shè)計(jì)計(jì)算 2 2.1 確定系統(tǒng)脈沖當(dāng)量 2 2.2 確定系統(tǒng)切削力 2 2.3直線滾動導(dǎo)軌副的計(jì)算與選型 3 2.3 滾珠絲杠螺母副的計(jì)算和選型 4 2.4 計(jì)算減速比i 6 2.5步進(jìn)電動機(jī)的計(jì)算和選型 6 第三章 微機(jī)數(shù)控硬件電路設(shè)計(jì) 11 3.1 MCS—51系列單片機(jī)簡介 12 3.1.1 MCS—51系列指令系統(tǒng)簡介 12 3.1.2 定時(shí)器/計(jì)數(shù)器 13 3.1.3 中斷系統(tǒng) 14 3.2 存儲器擴(kuò)展電路設(shè)計(jì) 14 3.2.1 程序存儲器的擴(kuò)展 14 3.2.2 數(shù)據(jù)存儲器的擴(kuò)展 15 3.2.3 譯碼電路設(shè)計(jì) 15 3.3 I/O接口電路及輔助電路設(shè)計(jì) 17 3.3.1 8155 通用可編程接口芯片 17 3.3.2 8255 通用可編程接口芯片 19 3.3.3 鍵盤顯示接口電路 21 3.3.4 電機(jī)接口及驅(qū)動電路 22 3.3.5 輔助電路 22 參考文獻(xiàn) 24 8 第一章 二維運(yùn)動平臺總體方案設(shè)計(jì) 1.1系統(tǒng)的運(yùn)動方式與伺服系統(tǒng)的選擇 為了滿足二維運(yùn)動平臺實(shí)現(xiàn)X.Y兩坐標(biāo)聯(lián)動，任意平面曲面的加工，自動換象限，越位報(bào)警和急停等功能，故選擇連續(xù)控制系統(tǒng)。考慮到工作臺的加工范圍，只對毛坯料進(jìn)行初加工，不考慮誤差補(bǔ)償，故采用開環(huán)控制系統(tǒng)，由于任務(wù)書規(guī)定的脈沖當(dāng)量尚未達(dá)到0.001mm,定位精度也未達(dá)到微米級，空載最快移動速度也只有2000，因此，本設(shè)計(jì)不必采用高檔次的伺服電動機(jī)，如交流伺服電動機(jī)或直流伺服電動機(jī)等，可以選用性能好一些的步進(jìn)電動機(jī)電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動，以降低成本，提高性價(jià)比。 1.2機(jī)械傳動方式 伺服電動機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動需要通過絲杠螺母副轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動，要滿足0.01mm的脈沖當(dāng)量和0.10mm的定位精度，滑動絲杠副無能為力，只有選用滾珠絲杠螺母副才能達(dá)到。同時(shí)，為提高傳動剛度和消除傳動間隙，采用有預(yù)加負(fù)荷的結(jié)構(gòu)。 1.3計(jì)算機(jī)系統(tǒng) 根據(jù)設(shè)計(jì)要求，采用8位微機(jī)。由于MCS—51系列單片機(jī)具有集成度高、可靠性好、功能強(qiáng)、速度快、抗干擾能力強(qiáng)，具有很高的性能價(jià)格比等特點(diǎn)，決定采用MCS—51系列的8031、80C31、8086、DSP、基于DSP的運(yùn)動控制芯片，ARM嵌入式微處理器技術(shù)。 控制系統(tǒng)由微機(jī)部分、鍵盤及顯示器、I/O接口及光電隔離電路。系統(tǒng)的加工程序和控制命令通過鍵盤操作實(shí)現(xiàn)，顯示器采用數(shù)碼管顯示加工數(shù)據(jù)及機(jī)床狀態(tài)等信息。 數(shù)控機(jī)床總體方案設(shè)計(jì)，X.Y數(shù)控工作臺總體方案設(shè)計(jì)分別見圖1.1和圖1.2 微 機(jī) 環(huán)形 分配器 環(huán)形 分配器 光電耦合 光電耦合 功率放大 功率放大 X交流伺服電機(jī) Y交流伺服電機(jī) X工作臺執(zhí)行元件 Y工作臺執(zhí)行元件 圖1.1 X.Y數(shù)控工作臺總體方案設(shè)計(jì) 第二章 二維運(yùn)動平臺進(jìn)給伺服系統(tǒng)機(jī)械部分設(shè)計(jì)計(jì)算 伺服系統(tǒng)機(jī)械部分設(shè)計(jì)計(jì)算內(nèi)容包括：確定系統(tǒng)的脈沖當(dāng)量、區(qū)定系統(tǒng)的負(fù)載、，運(yùn)動部件慣量計(jì)算，空載起動及切削力矩計(jì)算，確定伺服電機(jī)，傳動及導(dǎo)向元件的設(shè)計(jì)、計(jì)算及選用，繪制機(jī)械部分裝配圖等?，F(xiàn)分述如下： 2.1 確定系統(tǒng)脈沖當(dāng)量 一個(gè)進(jìn)給脈沖，使運(yùn)動部件產(chǎn)生的位移量，稱為脈沖當(dāng)量。脈沖當(dāng)量是衡量數(shù)控機(jī)床加工精度的一個(gè)基本技術(shù)參數(shù) 。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，二維運(yùn)動平臺采用的脈沖當(dāng)量是0.01mm/step。 2.2 確定系統(tǒng)切削力 根據(jù)設(shè)計(jì)要求，機(jī)床的切削負(fù)載為：X向1000N；Y向1200N；Z向1500N；G為1500N。 2.3直線滾動導(dǎo)軌副的計(jì)算與選型 1、滑塊承受工作載荷的計(jì)算及導(dǎo)軌型號的選取 工作載荷是影響直線滾動導(dǎo)軌使用壽命的重要因素。本課題中的X-Y工作臺為水平布置，采用雙導(dǎo)軌、四滑塊的支承形式?？紤]最不利的情況，即垂直于臺面的工作載荷全部由一個(gè)滑塊承擔(dān)，則單滑塊所受的最大垂直方向載荷為： 其中，移動部件重量G=1500N，外加載荷，代入上式，得最大工作載荷=1875N=1.875。 查《機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書》表3-41，根據(jù)工作載荷=1.875，初選直線滾動導(dǎo)軌副的型號為KL系列的JSA-LG25型，其額定動載荷=17.7，額定靜載荷=22.6。 任務(wù)書規(guī)定工作臺平面尺寸為1000800，考慮工作行程應(yīng)留有一定余量，查《機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書》表3-35，按標(biāo)準(zhǔn)系列，選取導(dǎo)軌的長度為1250。 2 距離額定壽命L的計(jì)算 上述選取的KL系列JSA-LG型導(dǎo)軌副的滾道硬度為60HRC,工作溫度不超過100,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《機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書》表3-36～表3-40，分別取硬度系數(shù)=1.0、溫度系數(shù)=1.00、接觸系數(shù)=0.81、精度系數(shù)=0.9、載荷系數(shù)=1.5，代入式，得距離壽命： 遠(yuǎn)大于期望值100km,故距離額定壽命滿足要求. 2.3 滾珠絲杠螺母副的計(jì)算和選型 1、計(jì)算最大工作載荷 查《機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書》表3-29，取顛覆力矩影響系數(shù)K=1.1，滾動導(dǎo)軌上的摩擦因數(shù)=0.005，已知G=1500N，，。求得滾珠絲杠副的最大工作載荷： 2、計(jì)算最大動負(fù)載 式中 ——滾珠絲杠導(dǎo)程，初選=5mm； ——最大切削力下的進(jìn)給速度此處=0.8m/min； ——使用壽命，按15000h； ——運(yùn)轉(zhuǎn)系數(shù)，按一般運(yùn)轉(zhuǎn)取=1.2～1.5； —— 壽命、以轉(zhuǎn)為1單位 3、滾珠絲杠螺母副的選型 根據(jù)計(jì)算出的最大動載荷和初選的絲杠導(dǎo)程，查《機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書》表3-31，選擇濟(jì)寧博特精密絲杠制造有限公司生產(chǎn)的G系列2005-3型滾珠絲杠副，為內(nèi)循環(huán)固定反向器單螺母式，其公稱直徑為25mm，導(dǎo)程為5mm,循環(huán)滾珠為3圈1列，精度等級取5級，額定動載荷為9309N，大于C，滿足要求。 4、傳動效率計(jì)算 將公稱直徑mm，導(dǎo)程，代入得絲杠螺旋升角=,將摩擦角，代入下式得； 5、剛度驗(yàn)算 先畫出此縱向進(jìn)給滾珠絲杠支承方式草圖如圖3所示。最大牽引力為1121N，由螺母裝配總長度為46mm,絲杠螺紋長度取900mm,預(yù)計(jì)支承長度為1900mm，絲杠螺母及軸承均進(jìn)行預(yù)緊，預(yù)緊力為最大軸向負(fù)載的1/3。 G J M L 圖2.1 縱向進(jìn)給系統(tǒng)計(jì)算簡圖 (1)、絲杠的拉伸或壓縮變形量 查《機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書》表3-31得，滾珠直徑,絲杠底徑，絲杠橫截面積S==352.8 ,已知=1121。將各個(gè)數(shù)據(jù)代入下式得 =0.0287mm。 （2）、滾珠與螺紋滾道間接觸變形 根據(jù)公式,求得單圈滾珠數(shù)Z=20；該型號絲杠為單螺母滾珠的圈數(shù)列數(shù)為31，代入公式：圈數(shù)列數(shù)，得滾珠總數(shù)量=60。絲杠預(yù)緊時(shí)，取軸向預(yù)緊力N,代入下式得 因?yàn)榻z杠加有預(yù)緊力，且為軸向負(fù)載的1／3，所以變形量可減小一半，取=0.00095。 （3）將以上算出的和代入=＋，求得絲杠總變形量 =0.0287＋0.00095=0.02965 本課題中，絲杠的有效行程為900，由《機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書》表3-37可知，五級精度滾珠絲杠有效行程在800～1000時(shí)，行程偏差允許達(dá)到40,可見絲杠剛度足夠，且小于1／3的開環(huán)系統(tǒng)定位精度值0.033，滿足要求。 6、穩(wěn)定性校核 查《機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書》表3-34得，取支承系數(shù)=1；由絲杠底徑，求得截面慣性矩；壓桿穩(wěn)定安全系數(shù)K取3；滾動螺母至軸向固定處的距離a取最大值1900。代入下式得 ﹥=1121N，故絲杠不會失穩(wěn)。 綜上所述。初選的滾珠絲杠副滿足使用要求。 2.4 計(jì)算減速比i 圖3.12 七段顯示器的結(jié)構(gòu) 圖3.13 鍵盤工作原理 3.3.4 電機(jī)接口及驅(qū)動電路 1、脈沖分配器 脈沖分配器又叫環(huán)型分配器，有硬件環(huán)型分配器和軟件環(huán)型分配器兩種。 2、光電隔離電路 為防止強(qiáng)電干擾，在接口電路與功率放大器之間加上隔離電路。常用的光電偶合器連線如圖3.15。 圖3.15 光電偶合器連線 圖3.16時(shí)鐘電路 圖3.17復(fù)位電路 3.3.5 輔助電路 1、87C51的時(shí)鐘電路 數(shù)控銑床單片機(jī)的時(shí)鐘電路采用內(nèi)部方式產(chǎn)生，電路圖3.16。 2、復(fù)位電路 單片機(jī)的復(fù)位都靠外部電路實(shí)現(xiàn)。單片機(jī)通常采用上電復(fù)位和按鍵復(fù)位兩種，圖3.17為二者組合電路。 3、越界報(bào)警電路 為防止工作臺越界，可分別在極限位置安裝限位開關(guān)。圖3.18為報(bào)警信號的產(chǎn)生和指示電路。 圖3.18 報(bào)警信號的產(chǎn)生和指示電路 4、掉電保護(hù)電路 避免在掉電的情況下，RAM中的信息丟失，圖1—21為其工作原理。 圖1—21掉電保護(hù)電路 參考文獻(xiàn) [1] 文懷興等. 數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005. [2] 機(jī)床設(shè)計(jì)手冊組.機(jī)床設(shè)計(jì)手冊（三分冊）[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1986. [3] 王愛玲.現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)[M].北京：兵器工業(yè)出版社，1999. [4] 尹志強(qiáng)等.機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書[M].機(jī)械工業(yè)出版社，2007.5 [5] 滾珠絲杠、線性滑軌[OL]. 漢意精工..http://www.taiwan-hsk.com [6] 滾珠絲杠、線性滑軌[OL].天津海特傳動機(jī)械有限公司.http://www.hit-lm.com.cn [7] 步進(jìn)電機(jī)及驅(qū)動器[OL].北京斯達(dá)微步控制技術(shù)有限公司.http://www.startsh.com [8] 步進(jìn)電機(jī)及驅(qū)動器、交流伺服電機(jī)及系統(tǒng)[OL].步進(jìn)機(jī)電有限公司. http://www.step-servo.com [9] 伺服電機(jī)相關(guān)技術(shù)、直線運(yùn)動產(chǎn)品、光電傳感器[OL].深圳市湘聚事業(yè)有限公司，http://www.sanet888.com [10] RORZE高精度步進(jìn)電機(jī)及驅(qū)動器[OL].北京偉恒升級團(tuán).http://www.wellforcesbj.com [11] 步進(jìn)聯(lián)軸器，編碼器聯(lián)軸器，微型電機(jī)聯(lián)軸器[OL].廣州菱科自動化設(shè)備有限公司：http://www.gzlink.com [12] 日本富士、美國Copley等交流伺服電機(jī)[OL].重慶鈞智自動化儀器控制有限公司http://www.cqservo.com [13] 山東博特精工股份有限公司：http://www.jsinfo.com.cn/index.asp [14] 陳秀寧，施高義編機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)（第二版）.浙江大學(xué)出版社，2004.12