机电一体化设计实例论文设计.docx
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机电一体化设计实例论文设计
回转工作台的设计
一、设计的目的:
1、掌握机电一体化系统的设计过程和方法,包括参数的选择、传动设计、零件计算、结构设计、计算机控制等培养系统分析与设计的能力。
2、综合应用过去所学的理论知识,提高联系实际和综合分析的能力,进一步巩固、加深和拓宽所学的知识。
3、训练和提高设计的根本技能,如计算,绘图,运用设计资料、标准和规,编写技术文件〔说明书〕等。
二、设计任务与要求
设计题目:
数控回转工作台的设计
1.设计容包括:
总体设计,机械系统的设计与计算,计算机控制系统设计,编写设计计算说明书;
2.设计要求包括:
回转角度0〜360°;最大回转半径400mm;最大承载重量50kg;
3.机械局部的设计:
装配工作图1〔1号〕;
4.计算机控制的设计:
控制系统接口图一;
5.控制装置采用步进电机驱动,MCS-51或单片机FX2N-PLC控制系统,软件环分,由键盘输入实现开环控制。
三、机械系统设计
在数字回转工作台机械传动局部选用蜗轮蜗杆传动,因为蜗杆传动平稳,振动,冲击和噪声均较小;能以单级传动获得教大的传动比,结构紧凑,有利丁实现回转工作台所要求的分度的实现.应当选用蜗轮蜗杆传动.
〔一〕、蜗杆类型的选择:
蜗杆选择为渐开线圆柱蜗杆.因为此种蜗杆不仅可车削还可以像圆柱齿轮那样用齿轮滚刀滚削,并可用但面或单锥面砂磨削.制造精度高.是普通圆柱蜗杆传动中较理想的传动.传动效率也高,在动力传动和机床精细传动中应用较为广泛.
〔二〕、蜗杆蜗轮材料的选择:
由丁蜗杆传动啮合摩擦较大,且由丁蜗轮滚刀的形状尺寸不可能做得和蜗杆绝对一样,被加工出的蜗轮齿形难以和蜗杆准确共轴,必须依靠运转跑合才渐趋理想,因此材料副的组合必须具有良好的减摩和跑合性能以与抗胶合性能。
所以蜗轮通常宵铜或铸铁做齿圈,并尽可能与淬硬并经磨削的钢制蜗杆相匹配。
应当选择:
蜗杆材料为:
渗碳钢,外表淬硬56-62HRC牌号为20GrMnTi.蜗轮材料为:
铸造锡宵铜,牌号为ZcuSnIOPbl
〔三〕、蜗杆蜗轮参数计算:
1.蜗杆传动尺寸确实定:
由设计题目中要求可知:
工作台回转直径最大为400mm/50千克.
由《齿轮手册》〔上〕表取蜗杆蜗轮中心距标准a=225mm;
估取蜗杆分度圆直径:
为能获得较大的传动比,取蜗杆头数为:
z=1;z=90
估取模数m:
m=(1.4~1.7)a/z=3.6取m=4
q=d/m=80/4=20
6tany=z/q此y=2.860
2.确定蜗轮蜗杆各参数值
蜗杆尺寸“
1)蜗杆轴向齿距
2)螺旋线导程
3)法向齿形角:
对丁ZI蜗杆an=20ft分度传动中允许减小齿形角a=15°
4)直径系数:
q=d/m=80/4=20
5)蜗杆分度圆(中圆)直径:
d(d)=d=qm=80
6)蜗杆分度圆(中圆柱)导程角:
X=2.86°渐开线蜗杆:
基圆柱导程角:
ycosy=cosancos育=15.2640
7)基圆直径
8)法向基节
9)蜗杆齿轮顶高:
h=hm=14=4
10蜗杆齿根高
11)蜗杆全齿高
12)顶隙
13)齿根圆半径
14)蜗杆齿顶圆直径:
d=d+2h=88
15)蜗杆齿根圆直径
16)蜗杆齿宽:
b=95
蜗轮尺寸:
1)蜗轮中圆螺旋角:
6=Y=2.860
2)蜗轮分度圆(节圆)直径:
d=mz=460=240mm
3)蜗轮中圆直径:
d=d=240mm
4)蜗轮齿顶高:
h=14=4mm
5)蜗轮齿根高
6)蜗轮全齿高
7)蜗轮齿顶圆直径:
d=d+2ha=240+8=248mm
8)蜗轮齿根圆直径
9)蜗轮外圆直径:
d=d+m=248+5=253mm
10)蜗轮齿宽
〔四〕、蜗轮带动工作台转动需克制的力:
滚动导轨的摩擦系数为〜取工作台重量为:
50kg>9.8=490N
摩擦力:
如此可知:
周向力
〔五〕、蜗轮蜗杆的支承结构:
蜗杆与蜗轮的支承通常都采用滚动轴承,蜗杆支承跨距L1应尽量紧凑。
通常L1=〔〕a.其中用丁a<500用丁a>500蜗轮支承跨距L2=〔〕d2。
d2为蜗轮分度圆直径,其中适用丁小尺寸传动。
蜗轮蜗杆具有轴向力,当跨距小时常采用接触球轴承或圆锥滚子轴承。
轴向力不
大是亦可采用向心球轴承。
支承跨距较大或载荷有冲击而双向传动时,可在一个
支座上采用两个相反方向放置的角接触球轴承或圆锥滚子轴承并加以预紧,在设
计中选用圆锥滚子轴承〔7306E〕用丁承受轴向与径向力。
另一支座如此采用一个单列向心球轴承或圆柱滚子轴承〔选用圆柱滚子轴承2208〕并允许针对箱体有相对轴向游动,也可在一端采用双列调心球轴承或双列调心滚子轴承。
另一端采用单受径向力的向心轴承。
向位置和游隙的调整依靠事先磨削好的调整环或垫片组,他们可以放置在轴承外圆和压盖圆筒之间。
而垫片组也可放置在压盖端面和箱体凸缘之间。
〔六〕回转台结构
图1回转台结构
四、步进电动机的选择
磁阻式步进电动机由丁其结构简单,性能可靠,分辨率高等优点,应当选择磁阻式步进电动机。
90BF006磁阻式步进电动机产品数据:
相数:
5
步距角:
电压:
24
相电流:
3A
最大静转矩2.156N?
M
空载起动频率:
f=2400step/s
电阻:
分配方式:
五相十拍
重量:
五、控制系统设计
〔一〕系统方案设计构成
本系统包括机械局部和伺服电机控制两局部。
根据所给的要求,拟用开环控
制结构设计方案,其开环系统结构原理如图1
图2开环系统结构原理
具体原理:
编写单片机指令,通过扫描键盘输入的数字记录需要转动的角度,然后计算需要输出的脉冲,用软件的方法实现脉冲的输出,然后由光电耦合电路减小外部的干扰,接着用环行分配器使各相绕组按一定的顺序通电,由功率放大
电路实现功率的放大,然后接步进电动机,通过联轴器把力矩传到蜗杆、蜗轮减速器。
由丁蜗轮与回转工作台以传动轴相连接,具有一样的角速度,使得蜗轮的转动带动回转工作台的转动。
理论上,回转工作台的转动角位移精度由微机发出的电平■信号来控制。
〔二〕、单片机的选用
本设计选用8031芯片,片无ROM或者EPROM,使用时必须配置外部的程序存储器EPROM。
本设计选用了2764扩展其空间,8031的引脚分3大功能:
〔1〕I/O口线
P0,P1,P2,P3#4个八位口。
〔2〕控制口线
PSEN(片外取指控制)、ALE〔地址锁存控制〕、EA〔片外存储器选择〕、RESET
〔复位控制〕。
〔3〕电源和时钟
8031最小应用系统。
8031部不带ROM,需要外接EPROM作为外部程序存储器。
乂因为8031在外接程序存储器或数据存储器时地址的低8位信息和数据信息分时送出,故还需要采用一片74LS373来锁存低8为地址信息。
这样,一片2764EPROM和一片74LS373组成了一个最小的计算机应用系统。
MCS-51的程序存储器空间与数据存储器空间是相互独立的。
用户可最多扩展到64kb的程
序存储器几64kb的数据存储器,编址为0000H~FFFFH。
片8kb单元地址要求地址线13根〔A0~A12〕。
它由P0和P2.0~P2.4组成。
地址锁存器的锁存信号为ALE。
程序存储器的取地址消耗为PSEN。
由丁程序存储器芯片只有一片,所以其片选端〔31〕直接接地。
8031芯片本身的连接31必须接地来明确选择外部存储器外,还必须有复位和时钟电路。
在此系统中有P1、P3口作为用户I/O口使
用;74LS373为地址锁存器,他是一片三态输出8D触发器,当OE=1时三态门导通,输出线上为8为锁存器的状态。
当OE=1时输出为高住抗转台。
G为锁存信号输入线,G=1时锁存器输出等丁D端输入,G输入短跳变将输入信息锁存到8为锁存器中。
当8031在访问外部程序存储器时,P2口输入高8为地址:
P6口分时传送底8为地址和指令字节。
在ALE为高电平■时,P0口输出的地址有效,并由ALE的下降沿锁存到地址锁存器中,此时外部程序存储器宣统信号线PSEN出现低电平,选通相应的外部。
EPROM存储器;相应的指令字节出现在EPROM的数据线〔O0~O7〕上,输入到P0口,CPU将指令字节读入指令存放器。
〔三〕、光电耦合
为了防止强电干扰与其干扰信号通过I/O控制电路进入计算机,影响其工作,通常的方法是实现采用滤波吸收,控制干扰信号的产生,然后采用光电隔离的方法,使微机与强电部件不共地,中断干扰信号的传导,光电隔离电路主要有光电耦合器的光电转换元件组成。
控制输出时,微机输出的控制信号经74LS04非门
反相后,加到光电耦合器G的发光二极管正端。
当控制信号为高电平时,经过反相加到发光二极管正端的电平为低电平,因此,发光二极管不导通,没有光发
出。
这时光敏三极管截止,输出信号几乎等丁加在光敏三极管集电极上的电源电压。
当控制信号为低电平时,发光二极管导通并发光,光敏三极管接收发光二极
管发出的光而导通,丁是输出端的电平几乎等丁零。
〔四〕、环形分配器
步进电动机的各相绕组必须按一定的顺序通电才能正常工作。
这种使电动机按一定规律变化的局部称为脉冲分配器。
实现环形脉冲分配器功能有两种:
一种是纯软件方法,即完全用软件来实
现相序的分配,直接输出各相导通或截止的信号;其电路图如图
11
12
10
cLBCC此161
(2)。
&十
+Vdd
D,DaDiDocfRB]5|4|3]2—1100
n
QiCTp
CC4Q161
(1)CIT
电皿四DdCrCR
13
14
10
CF
图3输出各相导通或截止信号图
本设计以五相十拍电机为控制对象,它的通电方式为
AB-ABC-BC-BCD-CD-CDE-DE-DEA-EA-EAB,共有10个通电状态。
如果P1口输出的控制信号中,0代表绕组通电,1代表使绕组断电,如此可用10个控制字来对应这10个通电状态。
这10个控制字如下表
通电状态P1.4(E)P1.3(D)P1.2(C)P1.1(B)P1.0(A)控制字
AB
1
1
1
0
0
FCH
ABC
1
1
0
0
0
F8H
BC
1
1
0
0
1
F9H
BCD
1
0
0
0
1
F1H
CD
1
0
0
1
1
F3H
CDE
0
0
0
1
1
E3H
DE
0
0
0
1
1
E7H
DEA
0
0
1
1
1
E6H
EA
0
1
1
1
0
EEH
EAB
0
1
1
0
0
ECH
在程序中,只要依次将这10个控制字送到P1口,步进电动机就会转动一个
齿距角。
每送一个空子就完成一拍,步进电动机转过一个步距角。
程序就是根据这个原理进展设计的。
〔五〕、功率放大器
从计算机输出口或从环形分配器输出的信号脉冲电流一般只有几个毫安,不
能直接驱动步进电动机,必须采用功率放大器将脉冲电流进展放大,使其增大到几至十几安培,从而驱动电动机运转。
由丁电动机各相绕组都是绕在铁心上的铁圈。
所以电感较大,绕组通电时,电流上升受到限制,因而影响电动机各相绕组电流的大小。
绕组断电时,电感中磁场的储能元件将维持绕组中已经有的电流不能突变。
在绕组断电时会产生反电动势。
为使电流尽快衰减并释放反电动势必须增加适当的续流回路。
本设计采用单电压功率放大电路,如图
图4单电压功率放大电路图
步进电动机的输出转距随频率升高而下降的原因可以这样承受:
由丁有绕组电感的一向,绕组中电流的波形如上所示,电流上升需要一定的时间,电流上升的驱动电流的时间常数ra
ra=L/Ra
L-----绕组的电感;
Ra——通电回路的总电阻,包括绕组线圈电阻,限流电阻R1和晶体管结电阻。
电流下降时放电回路的时间常数Tb
Tb=L/Rb
L-----绕组的电感;
Rb——通电回路的总电阻,包括绕组线圈电阻,耗能电阻R2晶体管结电阻。
本设计考虑的精度原因,选取R1=R2=10
六、程序编写键盘子程序:
检查有闭合键否?
KEY:
LCALLKS2
JNZMK1
A非0,有键闭合如此转
LJMPMK7
MK1:
LCALLDIR
LCALLDIR
LCALLKS2
JNZMK2
LJMPMK7
MK2:
MOVP1,#F0H
MOVA,P1
ANLA,#F0H
CJNEA,#FOH,MK3
LJMPMK7
MK3:
MOVR2,A
ORLA,#0FH
MOVP1,A
MOVA,P1
ANLA,#0FH
ADDA,R2
MOVR2,A
MOVR3,#00H
MOVDPTR,#TRBE
MOVR4,#10H
MK4:
CLRA
MOVCA,A+DPTR
MOV70H,A
MOVA,R2
CJNEA,70H,MK6
MK5:
LCALLDIR
LCALLKS2
JNZMK5
无键闭合转返回
有键闭合,如此延时12ms
消抖
再次检查有键闭合
假如无键闭合如此转
假如无键闭合如此转返回
发行线全扫描信号,列线全1
读入列状态
保存高4位
有键按下如此转
无闭合键转返回
保存列值
列线信号保存,行线全1
从歹0先输出
读入P1口状态
保存行线值
将行线值和列线值合并
暂存与R2中
R3存简直
指向键值表首地址
查找次数送R4
表中值送入A
暂存与70H单元中
键特征值送入A
未查到如此转
扫描1遍显示器
还有键闭合否?
假如键未释放,如此等待
假如键已释放,如此延时12ms
消抖
将键值存入A中
返主
键值加一
表地址加1
未查到,反复查找
无闭合键标志存入A中
返主
闭合键判断子程序
发全扫描信号,读入列线值
保存列线值
取反,无键按下全0
返主
01H,02H,03H,04H,05H,06H,07H,08H
09H,00H,FFH,FFH,FFH,FFH,FFH,FFH
LCALLDIR
LCALLDIR
MOVA,R3
RET
MK6:
INCR3
INCDPTR
DJNER4,MK4
MK7:
MOVA,#FFH
RET
KS2:
MOVP1,#FOH
MOVA,P1
ANLA,#FOH
CPLA
RET
TRBE:
DB
DB
把输入的数字转换成字节数:
MOVA,30H
MOVB,#64H
MULAB
MOVR6,A
MOVR7,A
MOVA,#31H
MOVB,#OAH
MULAB
ADDA,R6
MOVA,#32H
这样高位在R7中,低位在R6中
MOVR6,A
计算程序:
MOVR5,#00H
MOV
R4,#4BH
DIV
MOVA,R5除数高8位送A
JNZ
BEGIN
除数非零如此转BEGIN
MOV
A,R4
除数底8位送A
JZ
OVER
除数为零置益出标志
BEGIN
:
MOVA,R7
被除数高8位送A
JNZ
BEGIN1
被除数非零如此转BEGIN1
MOV
A,R6
被除数低8位送A
JNZ
BEGIN1
被除数非零如此转BEGIN1
RET
被除数为零如此返回
BEGIN1:
CLRA
活余数单元
MOV
R2,A
MOV
R3,A
MOV
R1,#10H
双5除法计数器置16
DIV1:
CLRC
开始R3R2R7R6左移
MOV
A,R6
被除数低8位送A
RLC
A
R6循环左移一位
MOV
R6,A
左移结果送回
MOV
A,R7
被除数高8位送A
RLC
A
R7循环左移一位
MOV
R7,A
左移结果回送
MOV
A,R2
余数左移一位
RLC
A
MOV
R2,A
MOV
A,R3
RLC
A
MOV
R3,A
DIV2
MOVA,R2
开始局部余数减除数
SUBB
A,R3
低8位先减
MOV
R0,A
暂存差值
MOV
A,R3
MOV
A,R5
高8位相减
JC
NEXT
假如而余数〈除数如此转NEXT
INC
R6
假如面余数〉-除数如此商为1
MOV
R3,A
某某数存R3R2
MOV
A,R0
MOR
R2,A
NEXT:
DJNZR1,DIV1
16位除完如此返回
MOV
A,R3
开始四舍5入处理
A.7,ADD1
假如余数最高位为1如此进1
CLR
C
开始余数乘2处理
MOV
A,R2
RLC
A
余数低8W2
MOV
R2,A
MOV
A,R3
RLC
A
余数8W2
SUBB
A,R5
余数*2-除数
JC
NOOVER
假如余数*小〈除数如此转
JNZ
ADD1
假如够减如此转进1
MOV
A,R2
高8位相等时比拟底8位
SUBB
A,R4
JC
NOOVER
余数*2〈除数如此转
ADD1:
MOVA,R6
开始商进1处理
ADD
A,#01H
MOV
R6,A
MOV
A,R7
ADDC
A,#00H
MOV
R7,A
NOOVER:
MOV
OVER,#00H
活益出标志
RET
OVER:
MOV
OVER,#00H
置益出标志
RET
中断、循环产生脉冲:
ORGOO1BH
T1中断入口
LJMPHERE
转至UHERE处
ORG2000H
主程序
MOVTMOD,#10HT1工作丁方式
1
MOVA,R3
设置计数初值
MOVTH1,A
MOVA,R2
MOVTL1,A
SETBEA
CPU开中断
SETBET1
允许T1中断
SETBTR1
启动T1定时
INT:
INCR0正转加
1
CJNER0,#0AH,ZZ如果计数器等丁
10修正
MOVR0,#00H
ZZ:
MOV
A,R0计数器值送A
MOVDPTR,#ABC指向数据存放首地址
MOVCA,A+DPTR取控制字
MOVP1,A
送控制字到P1
口
RET
ABC:
DB
OFCH,OF8H,OF9H,OF1H,0F3H
DB
OE3H,0E7H,0E6H,0EEH,0ECH
等待键盘再次输入:
中断就跳到在这里
HERECJNEA,#FFHKEY
七、设计心得
《机电一体化系统设计》是一门综合性课程,它是一门机械技术与微电子技术的交义学科。
随着机械技术、微电子技术的飞速开展,机械技术与微电子技术的相互渗透越来越快。
本次设计的数控回转工作台就是机电有机结合的产品。
参考文献
[1]濮良贵纪名刚主编.机械设计[M].:
高等教育,2005,11.
[2]建民等编著.机电一体化系统设计[M].:
高等教育,2001,
[3]周斌主编.机电一体化使用技术手册[M].:
兵器工业,1994,
[4]毅坤善久裘雪红编著.单片机微型计算机原理与应用[M].:
电子科技大
学,1998,8.
[5]齿轮手册编委会.齿轮手册〔上〕[M].兵器工业机械工业,1990.
[6]孔峰编著.微型计算机控制技术[M].:
大学,2003,1.
[7]轴承研究所编.滚动轴承[M].:
机械工业,1988.
[8]房小翠.单片微型计算机与机电接口技术.[M]国防工业,2001.
[9]邓星钟主编.机电传动控制[M].华中科技大学,2001,3.
[10]洪家娣,明,黄兴元.机械设计指导[M].高校,2006,7.
[11]培刚,盖玉先主编.机电一体化系统设计[M].:
机械工业,2011,06.
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