机电一体化(专科)课程设计.doc
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1、第一章 绪论课程设计是机电一体化系统设计课程的重要实践环节，其目的是使学生能在传统的机电产品更新换代和新的机电一体化产品研制开发领域掌握必要的实验技能，目的在于培养学员对机电一体化产品的设计能力，另外还包括：1） 通过课程设计，理解机电一体化系统设计的基本知识。2） 掌握元部件的正确选择方法和特性参数的实验方法。机电一体化系统的硬件一般由机械主体部分、传感器、信息处理、计算机及电路部分和执行元件等构成，其设计内容和设计方法基本上可归纳为以下几个方面：1） 采用微型计算机（包括单片机）进行数据采集、处理和控制 主要考虑计算机的选择或单片机构成电路的选用、接口电路、软件编制。2） 选用驱动控制电路
2、，对执行机构进行控制 主要考虑电动机的选择及驱动力矩的计算及控制电动机电路的设计。3） 精密执行机构的设计 主要考虑数控机床工作台传动装置的设计问题。要弄清机构或机械执行的主要功能（如传递运动、动力、位置控制、微调、精密定位或高速运转等），进行力（力矩）、负载转矩、惯性（转动惯量）、加（减）速控制和误差计算。提出装配图和零件加工图。提出电动机和计算机控制要求。4） 采用传感器进行反馈控制或作为测量敏感部位。5） 学会使用手册和图表资料。本次课程设计是设计回转体数控测量装置，通过此次课程设计，学员应具有机电一体化系统设计的初步能力，初步建立了正确的设计思想，学会运用手册、标准、规范等资料，培养了
3、分析问题和解决实际问题的能力。第二章 回转体数控测量装置总体方案分析回转体数控测量装置是一种测量回转体外形轮廓的机电一体化系统，其基本工作原理利用检测光幕传感器检测位于其中的回转体。回转体一般是柱形工件，由卡盘夹紧并由电机驱动经减速器使其旋转，对于较长的工件，还要求有尾架，并在尾架上安装顶尖，支顶较长的工件。检测光幕传感器在回转轴方向（Z向）可以来回移动，能对回转体每个截面的轮廓进行测量。此次任务给定的参数如下：行程范围Z向350mmC向可正反转连续回转运动分辨率Z向由于0.01mmC向优于0.1Z向最大移动速度2200mm/minC向最大选择速度130r/min被检测工件最大尺寸（材料为钢）
4、50mm350mm外形尺寸（参考）700mm400mm320mm2.1回转体数控测量装置总体方案确定回转体数控测量装置总体方案的确定包括系统运动方式的确定、伺服系统的选择、执行机构及传动方式的确定、计算机系统的选择等。1、 系统运动方式的确定数控系统按运动方式可分为点位控制方式、点位/直线系统和连续控制系统。回转体数控测量装置要求快速定位，保证定位精度，因此选择点位控制系统。2、伺服系统的选择伺服系统可分为开环控制系统、半闭环控制系统和闭环控制系统。开环控制系统结构简单、成本低廉、容易掌握、调试和维修比较方便，因此在精度和速度要求不高、驱动力矩不大的场合得到广泛应用。开环伺服系统主要由步进电动
5、机驱动。半闭环系统系统和闭环系统造价高、结构和调试较复杂，适用于精度要求较高的场合。回转体数控测量装置由于速度不高，为了简化结构、降低成本，采用步进电动机开环控制系统。3、执行机构的结构及传动方式的确定任务给定Z向分辨率为0.01mm/脉冲，为实现所要求的分辨率，决定采用步进电动机经齿轮减速机构再传动丝杠带动检测光幕传感器在Z向移动。为保证一定的传动精度和平稳性，尽量减小摩擦力，选用滚珠丝杠螺母副。C向分辨率为0.1，为实现所要求的分辨率，同样决定采用步进电动机经齿轮减速机构带动卡盘旋转，从而带动工件旋转。为提高传动刚度和消除间隙，采用有预加负荷的结构。齿轮传动也要采用消除齿侧间隙的结构。4、
6、计算机的选择根据任务要求，决定采用8位微机。由于MCS51系列单片机具有集成度高，可靠性好、功能强、速度快、抗干扰能力强、性价比高等特点，决定采用MCS51系列的8031单片机扩展系统。控制系统由微机部分、键盘及显示器、I/O接口及光隔离电路、步进电动机功率放大电路等组成。系统控制命令通过键盘操作实现，显示器采用数码管显示加工数据及机床状态等信息。2.2总体方案框图第三章 回转体数控测量装置机械系统设计方案说明分析回转体数控测量装置的功能可知，它应该具有两个运动单元，即1） 旋转运动单元，即电机驱动减速器带动工件作旋转运动的单元；2） 旋转直线运动单元，即电机驱动减速器再通过旋转直线运动变换装
7、置带动测量光幕传感器的做直线运动的单元。每个运动单元都由不同的传动机构组成，旋转运动单元由电机和减速机构构成，旋转直线运动单元由电机、减速机构和旋转直线运动变换装置构成。围绕这两个运动单元，对机械系统结构方案进行初步确定，然后在进行细化计算。3.1电动机在第一章总体方案设计中已经选择了步进电机作为驱动装置。下面就选择步进电机作为驱动做一些必要的说明。电动机可分为直流电动机、交流电动机、步进电动机和无刷电动机等几大类，每一大类又可以分许多不同的小类，其具体分类见表3-1。表3-1 电动机分类电动机直流电动机一般直流电动机直流伺服电动机直流力矩电动机交流电动机三相异步电动机鼠笼式绕线式单相异步电动
8、机交流伺服电动机永磁同步电动机步进电动机反应式单段式多段式轴向磁路式径向磁路式永磁式永磁反应式无刷电动机选用电动机作为驱动部件的突出的特点是精度高，易于在闭环系统中获得很高的连续路径驱动。不同类型的电机有不同的应用场合，一般要从控制性、功率大小、转速、精度以及性价比等方面选择。一般，对于要求不高的开环固定转速场合应选用结构简单、廉价的交流异步电动机。对于需要连续控制且精度要求较高的场合，目前较成熟的选用直流电动机。直流电机具有扭矩惯量比大的特点，可直接带动负载，简化传动机构，避免了传动间隙，提高传动精度等优点。对于调速系统，交流电动机的变频调速成为了一种理想的选择。对于要求寿命长，严禁火花，同
9、时控制精度要求高的特殊场合，通常考虑无刷电动机。对于数字控制、精度增量控制且振动要求不高的场合，常采用步进电机。步进电机在开环数控机床、绘图机、轧钢机等控制系统中得到了广泛的应用。本次设计的回转体数控测量装置由于速度、精度等要求都不是很高，因而采用步进电动机作为驱动装置。3.2 减速机构齿轮系及蜗杆副是一种发展历史悠久、现在仍然广泛使用的一种机械传动机构。它工作可靠、传动比恒定、结构成熟，但制造复杂。齿轮系及蜗杆副可按表3-2分类。表3-2 齿轮系及蜗杆副分类传动轴平行传动轴相交传动轴交错传动轴同轴线圆柱直齿轮直齿锥齿轮交错轴斜齿轮 摆线针轮圆柱斜齿轮斜齿锥齿轮双曲线锥齿轮谐波齿轮人字齿轮弧齿
10、锥齿轮圆柱蜗杆圆弧点啮合圆周齿轮零度弧齿锥齿轮环面蜗杆行星齿轮圆弧点啮合锥齿轮齿轮齿条根据传动轴的特点，可选用不同的齿轮系及蜗杆副做减速机构。用于平行轴之间的传递运动的正齿轮易于设计制造、成本低，使用最为广泛。斜齿轮可用于高速、重载、要求噪声低的场合，但斜齿轮存在较大的轴向推力；人字齿轮则由于左右推力平衡而不产生轴向推力，其中一个齿轮的安装应有一定的轴向间隙以便安装。相交轴传动中直齿锥齿轮为线接触，传动效率较高。交错轴斜齿轮有滑动作用，传动效率低，同时为点接触，只能承受较轻负载。行星齿轮尺寸小，重量轻、效率高且能传递较大的功率，但结构复杂。蜗杆副为线接触，可传递较大的功率、传动比大、传动平稳、
11、噪声小、可自锁，但传动效率低。谐波齿轮具有传动比大、速比范围宽、传动效率高、重叠系数大、啮合好、传动平稳、噪声小、结构紧凑，质量轻、精度高、承载能力大、功率范围宽、间隙易于消除，可通过密封壁传动等优点，在高技术领域获得广泛的应用。对比上述各种齿轮系及蜗杆副的传动特点，本次设计的回转体数控测量装置选用圆柱直齿轮传动作为减速机构。3.3旋转直线运动装置能够实现旋转运动到直线运动的传动机构有螺旋传动机构、齿轮齿条传动机构等。螺旋传动结构分为普通螺旋传动机构和滚珠丝杠螺母副等。普通螺旋传动广泛的用于将旋转运动变换为直线运动，但由于螺母和螺杆之间的摩擦为滑动摩擦，在磨损和精度等方面不能满足一些高精度机电
12、一体化系统的要求，滚珠丝杠螺母副则是为了克服普通螺旋传动的缺点发展起来的一种传动机构。它用滚动摩擦螺旋取代了滑动摩擦螺旋，具有磨损小、传动效率高、传动平稳、寿命长、精度高、温升低等优点。它具有的运动摩擦小、便于消除传动间隙等优点，对于机电一体化系统性能的改善。本次设计的回转体数控测量装置主要以传递运动为主，要求有较高的传动精度并结构紧凑，因此选用滚珠丝杠螺母副来将旋转运动转变为直线运动。3.4导轨导轨用于引导运动部件的走向。它对机电一体化系统的影响通常是由摩擦特性决定的，主要影响定位精度和低速均匀性。导轨主要分为滑动导轨、滚动导轨、液体静压导轨和气浮导轨。滑动导轨结构简单，阻尼系数大，刚度大；
13、但易产生低速爬行现象，易磨损。滚动导轨的摩擦系数不大于滑动导轨的1/10，因此不存在低速爬行现象，可采用较小功率的电动机，但刚度小，阻尼系数小，可能引起振荡。液体静压导轨无磨损，无静摩擦，无低速爬行现象，阻尼系数大，但设计、制造、使用均较复杂。气浮导轨无磨损，无静摩擦，无低速爬行现象，无需回气导管，不产生污染，但刚度小，阻尼系数小，容易引起振荡。由于滚动导轨的特点，本次设计的回转体数控测量装置决定采用滚动导轨。由于采用了齿轮减速结构，从而可以克服滚动导轨滚动阻尼系数小，容易产生振荡的缺点。3.5轴承及支承方式本次设计的回转体数控测量装置决定采用滚动轴承作为轴的支承。对于旋转运动单元，只有齿轮减
14、速箱用到滚动轴承，由于没有轴向载荷，因此选用深沟球轴承作为齿轮的径向支承。对于旋转直线运动单元，其齿轮减速箱和滚珠丝杠都要采用滚动轴承支承，齿轮减速箱中的齿轮采用深沟球轴承来支承，滚珠丝杠则由于有轴向载荷，因此要对丝杠的径向和轴向都进行支承。支承方式选择两端固定的支承方式，每一端选择一个深沟球轴承和一个推力球轴承组合进行支承。第四章 回转体数控测量装置机械部分设计计算 4.1机械传动系统设计计算回转体数控测量装置共有两个运动单元，一个是旋转运动单元，一个是旋转直线运动单元，组成这个两个单元的传动机构不尽相同，因此计算的思路和步骤也不尽相同。下面就每一个运动单元分别进行设计计算。4.1.1旋转运
15、动单元传动系统设计计算旋转运动单元传动系统由步进电动机、齿轮减速箱和夹具组成，夹具采用三角自定心卡盘。旋转运动单元传动系统计算步骤大体可分为以下几步：1） 根据给定的旋转精度，初步确定步进电动机的步距角；2） 根据旋转精度和步距角，确定齿轮减速机构的传动比以及齿轮的参数；3） 计算负载转矩，选定步进电动机型号。1、 初选步进电动机步距角qb对步进电动机施加一个脉冲信号，步进电动机就转动一个固定的角度，这个角度就叫步距角。电动机的转动的角度与输入脉冲个数成正比，转动的速度与脉冲频率成正比。步进电动机步距角越小，它所能达到的位置精度越高。此次要求的旋转精度是0.1度，为不使传动比过大，齿轮级数过多
16、，因此决定初步选则步进电动机的步距角为0.36。如果选择的步距角不合适，则重新再选择。2、 计算传动比i旋转精度qp为0.1，步距角qb为0.36，则旋转运动传动系统的传动比i确定传动比i后，接下来确定齿轮传动的级数及各齿轮的参数。一般，随着齿轮传动的级数的增加，齿轮传动的总惯量减少，但传动效率要降低，齿隙和摩擦的来源也会有随之增加。因此应在传动级数和传动比的分配上综合权衡。一般，当传动比1i2时，选用一级传动；2i4时选用二级传动，此次的传动比为3.6，因此决定选用两级传动。设第一级传动比为i1=Z2/Z1，第二级传动比为i2=Z4/Z3，根据齿轮系最佳速比分配近似条件计算得由于齿轮直径不能
17、太大，故齿数不能完全根据最佳传动比来选择。为便于选择齿轮齿数，将各级传动比稍作修改为选择Z1=20，根据i1=Z2/Z1可计算出Z2=36；取整得Z3=20，则Z4=40。由于传递的功率不大，取齿轮的模数m=2。采用双层齿轮法消除齿轮间隙。齿轮有关参数参照表4-1。表4-1传动齿轮几何参数齿 数Z20362040分度圆40724080齿顶圆44764484齿根圆35673575齿 宽(610)m20202020中心距56603、 步进电动机型号选择（1） 转动惯量计算根据被检测工件最大尺寸（材料为钢）为50mm350mm，确定三角自定心卡盘的最大外径为100mm，其厚度为40mm，过渡件的外径
18、也为100mm，厚度为10mm，其材质均为钢。对于钢质圆柱体，其转动惯量其中，D圆柱体直径（cm）； L圆柱体长度（cm）。负载各部分的转动惯量如下:其中，J1、J2、J3齿轮Z1、Z2、Z3及其轴的转动惯量（kgcm2）； J4齿轮Z4的转动惯量（kgcm2）；J工工件的转动惯量（kgcm2）；J夹夹具的转动惯量（kgcm2）。负载折算到电机轴上的总的转动惯量JS（kgcm2）为(2)估算步进电动机起动转矩在此次回转体数控测量装置的旋转运动单元传动系统中，负载的加速度转矩占起动转矩的比例较大，因此根据负载的加速度转矩乘以一定的安全系数来估算步进电动机的起动转矩，然后初步选定步进电动机型号。设
19、电机起动加速到最大转速的起动加速时间ta=0.03s，则最大负载加速度转矩Tlmax（Ncm）式中， J负载折算到电机轴上的总等效转动惯量（kgcm2）； 电机最大角加速度（rad/s2)； nmax电机最大转速（r/min）； nlmax工件最大转速（r/min）； i传动比。进电动机起动转矩Tq（Ncm）由式子进行估算。其中k为安全系数，由于在计算起动转矩时没有加入电动机转子惯量，因此根据惯量匹配，选取k=1.31.5，这是比较合理的。代入数据得（3）计算最大静转矩Tjmax最大静转矩Tjmax表示步进电动机所能承受的最大静态负载转矩，与启动转矩的关系见表4-2。最大静转矩与步进电动机的通
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