机电传动同步带设计.docx

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机电传动同步带设计

机电传动单向数控

平台设计

——机械工程及自动化专业专业课程设计说明书

专业：

机械工程及其自动化

班级：

机自11-8班

学生姓名：

学号：

指导老师：

2014年12月12日

1设计任务

1.1设计任务介绍及意义

1.2设计任务明细

1.3设计的基本要求

2总体方案设计

2.1设计的基本依据

2.2总体方案的确定

3机械传动系统设计

3.1机械传动装置的组成及原理

3.2主要部件的结构设计计算

4电气控制系统设计

4.1控制系统的基本组成

4.2电器元件的选型

4.3电气控制电路的设计

4.4控制程序的设计及说明

5结束语

6参考文献

机械部分CAD图纸下载：

电控部分CAD图纸下载：

1.设计任务

1.1设计任务介绍及意义

◆课程设计题目

机电传动单向数控平台设计

◆主要设计内容

（1）机械传动结构设计

（2）电气控制系统

◆课程设计意义：

⑴培养学生综合运用所学的基础理论和专业知识，独立进行机电控制系统（产品）的初步设计工作。

⑵培养学生搜集、阅读和综合分析参考资料，运用各种标准和工具书籍以及编写技术文件的能力，提高计算、绘图等基本技能。

⑶培养学生掌握机电产品设计的一般程序和方法，进行工程师基本素质的训练。

⑷树立正确的设计思想及严肃认真的工作作风。

1.2设计任务明细：

机电传动单向数控平台设计：

1.21电机驱动方式：

步进电机、直流伺服电机、交流伺服电机；

1.22机械传动方式：

螺旋丝杆、滚珠丝杆、同步皮带、链传动等；

1.23电气控制方式：

单片微机控制、PLC控制；

1.24功能控制要求：

速度控制、位置控制；

1.25主要设计参数：

单向工作行程——1800、1500、1200mm；

移动负载质量——100、50kg；

负载移动阻力——100、50N；

移动速度控制——3、6m/min；

1.3设计的基本要求

（1）方案设计：

根据课程设计任务的要求，在搜集、归纳、分析资料的基础上，明确系统的主要功能，确定实现系统主要功能的原理方案，并对各种方案进行分析和评价，进行方案选优。

（2）总体设计：

针对具体的原理方案，通过对动力和总体参数的选择和计算，进行总体设计，最后给出机械系统的控制原理图或主要部件图（A2图一张）。

（3）电气控制线路图：

根据控制功能要求，完成电气控制设计，给处电气控制电路原理图（A2图一张）。

（4）成果展示：

课程设计的成果最后集中表现在课程设计说明书和所绘制的设计图纸上，每个学生应独立完成课程设计说明书一份，字数为3000字以上，设计图纸不少于两张。

（5）绘图及说明书：

用计算机绘图，打印说明书；

（6）设计选题：

分组进行，每位同学采用不同方案（或参数）独立完成。

2．总体方案设计

2.1设计基本依据

步进电机又称脉冲电机。

它是将电脉冲信号转换成机械角位移的执行元件。

每当输入一个电脉冲时，转子就转过一个相应的步距角。

转子角位移的大小及转速分别与输入的电脉冲数及频率成正比，并在时间上与输入脉冲同步。

只要控制输入电脉冲的数量、频率以及电机绕组通电相序即可获得所需的转角、转速及转向。

步进电动机具有以下特点：

1、工作状态不易受各种干扰因素（如电压波动、电流大小与波形变化、温度等）的影响；

2、步进电动机的步距角有误差，转子转过一定步数以后也会出现累积误差，但转子转过一转以后，其累积误差变为“零”；

3、由于可以直接用数字信号控制，与微机接口比较容易；

4、控制性能好,在起动、停止、反转时不易“丢步”；

5、不需要传感器进行反馈，可以进行开环控制；

6、缺点是能量效率较低。

同步带是一种综合了带、链传动优点的新型传动。

如图所示，它在带的工作面及带轮外圆周上均制成齿形，通过带轮与带齿相啮合，作无滑移的啮合传动。

同时，带内采用了承载后无弹性伸长的材料作强力层，以保持带的节距不变，使主、从带轮作无滑差的同步运动。

图1同步带

与一般传动带相比，同步带传动具有以下特点：

1．工作时无滑动，有准确的传动比

同步带传动是一种啮合传动，虽然同步带是弹性体，但由于其中承受负载的承载绳具有在拉力作用下不伸长的特性，故能保持带节距不变，使带与轮齿槽能正确啮合，实现无滑差的同步传动，获得精确的传动比。

2．传动效率高，节能效果好

由于同步带作无滑动的同步传动，故有较高的传动效率，一般可达0.98。

它与三角带传动相比，有明显的节能效果。

3．传动比范围大，结构紧凑

同步带传动的传动比一般可达到10左右，而且在大传动比情况下，其结构比三角带传动紧凑。

因为同步带传动是啮合传动，其带轮直径比依靠摩擦力来传递动力的三角带带轮要小得多，此外由于同步带不需要大的张紧力，使带轮轴和轴承的尺寸都可减小。

所以与三角带传动相比，在同样的传动比下，同步带传动具有较紧凑的结构。

4．维护保养方便，运转费用低

由于同步带中承载绳采用伸长率很小的玻璃纤维、钢丝等材料制成，故在运转过程中带伸长很小，不需要像三角带、链传动等需经常调整张紧力。

此外，同步带在运转中也不需要任何润滑，所以维护保养很方便，运转费用比三角带、链、齿轮要低得多。

5．恶劣环境条件下仍能正常工作

尽管同步带传动与其它传动相比有以上优点，但它对安装时的中心距要求等方面极其严格，同时制造工艺复杂、制造成本高。

单片机是一种集成电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU、随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计数器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的微型计算机系统，在工业控制领域广泛应用。

从上世纪80年代，由当时的4位、8位单片机，发展到现在的300M的高速单片机。

单片机渗透到我们生活的各个领域，几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹。

导弹的导航装置，飞机上各种仪表的控制，计算机的网络通讯与数据传输，工业自动化过程的实时控制和数据处理，广泛使用的各种智能IC卡，民用豪华轿车的安全保障系统，录像机、摄像机、全自动洗衣机的控制，以及程控玩具、电子宠物等等，这些都离不开单片机。

更不用说自动控制领域的机器人、智能仪表、医疗器械以及各种智能机械了。

因此，单片机的学习、开发与应用将造就一批计算机应用与智能化控制的科学家、工程师。

单片机广泛应用于仪器仪表、家用电器、医用设备、航空航天、专用设备的智能化管理及过程控制等领域。

硬件特性:

1、主流单片机包括CPU、4KB容量的RAM、128KB容量的ROM、2个16位定时/计数器、4个8位并行口、全双工串口行口、ADC/DAC、SPI、I2C、ISP、IAP。

2、系统结构简单，使用方便，实现模块化；

3、单片机可靠性高，可工作到10^6~10^7小时无故障；

4、处理功能强，速度快。

5、低电压，低功耗，便于生产便携式产品

6、控制功能强

7、环境适应能力强。

2.2可行性方案比较

本平台主要用于小巧灵活且精度不高的场合，可以使用步进电机和伺服电机，由于步进电机相对价格较低，且控制容易所以选步进电机。

滚珠丝杠虽然精度高，但价格贵，不如同步带合适。

达到简单控制功能的前提下，PLC的价格比单片微机高很多，所以选单片机。

2.3总体方案的确定

参数初设如下：

（1）电机驱动方式：

步进电机

⑵机械传动方式：

同步皮带

⑶电气控制方式：

单片机控制

⑷功能控制要求：

位置控制、速度控制

⑸主要设计参数：

单向最大工作行程——1200mm；

移动负载质量——10kg；

负载移动阻力——0N；

移动速度控制——6

选用矩形导轨；

工作台滑动摩擦系数

；

本平台设计用于便携式火焰切割机，所以移动负载质量选择10kg,负载阻力为零

3.机械传动系统设计及核算

3.1机械传动装置的组成及原理

组成：

步进电机、同步带轮、同步皮带、滑动导轨

主要采用同步皮带和同步轮的简单传动方式，同步带在带的工作面及带轮外圆周上均制成齿形，通过带轮与带齿相啮合，作无滑移的啮合传动。

同时，带内采用了承载后无弹性伸长的材料作强力层，以保持带的节距不变，使主、从带轮作无滑差的同步运动。

3.2主要部件的结构设计计算

计算及说明

结果

3.2同步皮带的设计及核算

3.2.1导轨动载荷的计算

作用在滑块上的力

F∑=（m1+m2）g=10*9.8=98N

滑动导轨上的摩擦阻力

Ff=μF∑=0.1*98=9.8N

3.2.2同步带传动设计计算

1）传递的功率：

P=Ffv=9.8×0.1=0.98W

2）功率：

Pd=KAP

KA———工况系数，查表B&C-6

Pd=KAP=1.2×0.98=1.176W

3）按功率初选电机空载启动转速为225r/min的57BYG450E步进电机,电机直接连接皮带轮

按运行速度的要求，由表B&C初选带轮的参数为

XL型

Pb=5.082mm

Z=28

d=45.28mm

da=44.77mm

应设计要求，主带轮直径等于从带轮直径

3）运行速度验算：

当步进电机频率为280Hz时

v=2πn*d/2*60=0.0996m/s

所以能符合速度要求

4）初定轴间距

a0≥L+d+Lh+2*Ly=1395.28mm

取a0=1395.28mm

5）求带长：

L0=2a0+π*（d1+d2）/2+（d2-d1）2/4a0=2932.8mm

查表B&C-3得Lp=3048mm

6）实际轴间距a=a0+（LP-L0）/2=1453mm

7）基本额定功率

查表B&C-12得Ta=50.17N，m=0.022kg/m

P0=（Ta-mv2）v/1000=0.005kW

8）带宽

=2.67mm

取带宽为9.5mm

9）作用在轴上的力

Fr=1000Pd/v=11.76N

10）预紧力查表B&C-13

取F0=60N

3.2.3步进电机选型计算

已知参数：

工作台与负载重量G=10x9.8N=98N

工作台与导轨间摩擦系数u=0.15

定位精度0.5毫米

3.2.3.1脉冲当量的选择

脉冲当量：

一个指令脉冲使步进电动机驱动拖动的移动距离

α=0.90/1.80

=2πα*d/（2*360）=0.356mm

符合定位精度要求

3.2.3.2等效负载转矩的计算

空载时的摩擦转矩TLF

1）稳定运行时的转矩M1：

M1=Ff*（d1/2）*10-3=9.8*（45.28/2）*10-3=0.222N·m

2）电机轴上的总转矩：

带轮用塑料材质，带轮转动惯量Jd=0.164*10-3kg·m2折算到电机轴上的转动惯量J1，估算带轮质量为0.090kg

J1=2*Jd*（wm/w）2=2*Jd/i2=0.328*10-3kg·m2

负载和工作台折算到电机轴上的转动惯量J2，取负载和工作台质量为10kg

J2=m*（v/w）2=10*（d1/2）2=5.13*10-3kg•m2

同步带折算到电机轴上的转动惯量J3

估算同步带的单位长度密度为m0=0.05kg/m

J3=m*（v/w）2=m0*Lp*（d1/2）2=0.256*10-3kg•m2

折算到电机轴上的总转矩为J

J=J1+J2+J3=5.714*10-3kg·m2

3.2.3.3初选步进电动机型号

根据稳定运行时转距M1=0.222N·m和电动机总转动惯量JL=5.714*10-3kg·m2,选定电动型号57BYG450E为步进电动机。

该电动机的最大静扭距Tmax=1N·m，转子转动惯量Jm=1.5*10-5kg·m2

为了使步进电动机具有良好的起动能力:

Tmax/M1=1/0.222=4.5>2

所以该电机带惯性负载时能够起动

且负载启动时间符合要求

以上计算，选57BYG450E型号步进电动机，能满足设计要求。

3.2.4滚动轴承的选用与校核

根据工作情况以及滚珠丝杠的受力，初选轴承为深沟球轴承，型号为6000

基本额定载荷为：

C0=4.58KN，C0r=1.98KN

因为轴承只受径向力

Fr为径向外载荷Fr=71.76N

Fa为轴向外载荷Fa=0

计算当量动载荷：

P=fpFr=1.2*71.76N=86.112N

计算轴承的寿命:

取温度系数ft=1

故

因为Ln>12000所以轴承符合要求

6000深沟球轴承基本尺寸

内圈直径d=10mm

外圈直径D=26mm

轴承宽度B=8mm

静载荷C0=4.58KN

动载荷C0r=1.98KN

图2深沟球滚珠轴承

3.2.5键的选择与校核

键许用挤压应力，查表3.2得

带轮轴上的键

根据该处轴的直径d=8mm，取b×h=2×2

采用B型键，根据GB/T1095-2003,GB/T1096-2003

暂选：

键B2×6GB/T1096-2003

T=uGr=0.333N·m

所以键符合要求

3.2.6润滑与密封装置

由已知条件选择脂润滑，密封装置为毛毡圈。

F∑=98N

μ=0.15

Ff=9.8N

P=0.98W

KA=1.2

Pd=1.176W

选L

Pb=5.082mm

z1=28

d1=45.28mm

z2=28

d2=45.28mm

n=42.17r/min

v=0.1m/s

a0=1395.28mm

L0=2932.8mm

LP=3048mm

a=1453mm

Ta=245N

m=0.022kg•m-1

P0=0.005kW

bs0=9.5mm

bs=9.5mm

Fr=11.76N

F0=60N

TLF=0.034N·m

M1=0.222N•m

J1=0.328*10-3kg·m2

J2=5.12*10-3kg•m2

J3=0.256*10-3kg•m2

J=5.714*10-3kg·m2

C0=4.58KN

C0r=1.98KN

Fr=71.76N

Fa=0

P=86.112N

ft=1

n=42.17r/min

Ln=5.9*107h

键B2×6

T=uGr=0.333N•m

符合要求

4.电气控制系统设计

4.1控制系统的基本组成

图3开环电机单向数控平台控制系统组成

4.2电器元件的选型

步进电机是一种特殊的机电元件,不能直接接到交直流电源上工作,必须使用专用的驱动器。

步进电动机转速的高低、升速或降速、启动或停止都完全取决于CP脉冲的有无或频率。

环形分配器用来接受来自控制器的CP脉冲信号，并按步进电动机工作方式要求的各相脉冲信号状态顺序产生各相导通或截止的信号，但是环形分配器的输出电流很小，不能直接驱动步进电动机，因此需要功率放大器实现对脉冲分配回路输出的弱信号进行放大，产生电机脉冲信号工作所需的激磁电流。

其控制流程如下图所示：

图4步进电机控制系统图

AT89C51是一种带4K字节FLASH存储器（FPEROM—FlashProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低电压、高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。

AT89C2051是一种带2K字节闪存可编程可擦除只读存储器的单片机。

单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除1000次。

该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。

由于将多功能8位CPU和闪速存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，AT89C2051是它的一种精简版本。

AT89C51单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。

对于本小型系统此芯片功能、容量、价格都合适。

ULN2803，八路NPN达林顿连接晶体管阵系列特别适用于低逻辑电平数字电路（诸如TTL,CMOS或PMOS/NMOS）和较高的电流/电压要求之间的接口，广泛应用于计算机，工业用和消费类产品中的灯、继电器、打印锤或其它类似负载中。

所有器件具有集电极开路输出和续流箱位二极管，用于抑制跃变。

ULN2803的设计与标准TTL系列兼容，而ULN2804最适于6至15伏高电平CMOS或PMOS。

此晶体管用作功率放大器，驱动步进电机。

驱动脉冲由微机软件控制输出步进脉冲。

373为三态输出的八D锁存器，共有54S373和74LS373两种线路。

八D锁存器（3S,锁存允许输入有回环特性）,当三态允许控制端OE为低电平时，Q0～Q7为正常逻辑状态，可用来驱动负载或总线。

当OE为高电平时，Q0～Q7呈高阻态，即不驱动总线，也不为总线的负载，但锁存器内部的逻辑操作不受影响。

当锁存允许端LE为高电平时，Q随数据D而变。

当LE为低电平时，D被锁存在已建立的数据电平。

当LE端施密特触发器的输入滞后作用，使交流和直流噪声抗扰度被改善400mV。

用于扫描输出显示。

4.3电气控制电路的设计

表1I/O口分配

输入针脚

控制功能

P3.0

开始

P3.1

暂停

P3.2

复位

P3.3

显示转换

P3.4

速度A/位移+

P3.5

速度B/位移-

P3.6

左行程开关

P3.7

右行程开关

图5电气控制简图

4.4控制程序的设计及说明

设计框图

开始

初始化

是否开始

右行走

是否复位

左行走

是否回到初始位置

暂停扫描

暂停扫描

N

Y

Y

N

N

是否到达最右端位置

N

Y

程序：

ORG0000H

LJMPMAIN;主程序跳转

ORG001BH

LJMPCP;跳转到步进电机的步进脉冲函数

ORG0100H

MAIN:

MOVP0,#00H;P0口清零

MOVP1,#00H;P1口清零

MOVP2,#00H;P2口清零

MOVP3,#0FCH;P3口写1，用作输入I/O口，P3.1置0表示程序开始时处暂停状态

MOV33H,#00H;33H-30H存放A档速度的BCD码

MOV32H,#09H

MOV31H,#09H

MOV30H,#06H

MOV43H,#01H;43H-40H存放B档速度的BCD码

MOV42H,#09H

MOV41H,#09H

MOV40H,#02H

MOVTMOD,#10H;设置定时器1工作在模式1、定时方式、软件控制启停

MOVTL1,#06H

MOVTH1,#0F9H

MOVIE,#88H;开放CPU和定时器1的中断

MOV2FH,#00H;2FH中的位寄存器7FH,7EH,7DH分别作为显示标志位（0速度，1位移）、左右移动标志位（0右、1左）、AB档速标志位（0A、1B）

MOV2EH,#00H;2EH中存放P3口的扫描结果。

P3.0开始键、P3.1暂停键、P3.2复位键、P3.3显示转换键、P3.4（A档速/位移+）

;P3.5（B档速/位移-）、P3.6左行程开关、P3.7右行程开关

A1:

MOV2EH,P3;将P3口的值存入2EH

JNB70H,START;70H存放P3.0的值，开启键

A2:

JNB71H,STOP;71H存放P3.1的值，暂停键

ACALLRESET;调用复位子程序

ACALLCHANGE;调用显示转换子程序

JNB76H,STOP;76H为左行程开关

JNB77H,STOP;77H为右行程开关

ACALLOUTPUT;调用数码管显示子程序1

MOV2EH,P3

SJMPA2;循环扫描

/*开始子程序*/

START:

SETBTR1;开始计时

MOVP3,#0FFH;将P3口处于输入状态

SJMPA2;跳转

/*暂停子程序*/

STOP:

CLRTR1;暂停计时

MOV27H,#25H;27H用于扫描计数

STOP1:

MOV2EH,P3

ACALLCHANGE;调用显示转换子程序

ACALLOUTPUT2;调用数码管显示子程序2

DJNZ27H,STOP3;27H为零则调用P3.4和P3.5口的操作函数

MOV27H,#25H

STOP2:

ACALLZJ;调用P3.4和P3.5口的操作函数

STOP3:

ACALLRESET;调用复位子程序

JB70H,STOP1;开始键按下则开始，否则循环扫描

SJMPSTART;跳转到开始子程序

/*复位子程序*/

RESET:

JNB72H,RESET0;判断P3.2复位键是否按下,有跳转，没有返回

RET;返回

RESET0:

MOVP3,#0FFH;复位键按下，将P3口处于输入状态

MOV54H,#00H;54H-52H存放目标位置，52H存放十分位小数的BCD码，53H和52H存放整数部分，位16进制

MOV53H,#00H

MOV52H,#00H

SETB7EH;左移

RESET1:

ACALLOUTPUT;显示输出

MOV2EH,P3

JB76H,RESET1;判断是否到达最左边，即起始位置，是继续执行，否跳转

RESET2:

MOVR0,#57H;到达起始位置后，目标位置清零

;57H-55H存放当前位置，55H存放十分位小数的BCD码，57H和56H存放整数部分，位16进制

MOVR1,#03H

RESET3:

MOV@R0,#00H

DECR0

DJNZR1,RESET3

CLR7EH;标志位改为右移

CLRTR1;开始计时

RET

/*显示转换子程序*/

CHANGE:

JNB73H,CHANGE0;显示转换子程序，P3.3按下则跳转，否则返回

RET;返回

CHANGE0:

CPL7FH;转换显示，显示速度或位置

RET

/*共阴极数码管字型编码表*/

L1:

DB3FH,06H,5BH,4FH,66H,6DH,7DH,07H,7FH,6FH

/*共阴极数码管带小数点的字型编码表*/

L2:

DB0BFH,86H,0DBH,0CFH,0E6H,0EDH,0FDH,87H,0FFH,0EFH

/*数码管显示子程序1*/

OUTPUT:

JB7FH,B1;判断显示标志位，速度时顺序执行，否则跳转

JB7DH,B2;判断显示档速

/*速度显示输出*/

MOVR0,#33H;33H为A档速BCD码起始寄存器地址

AJMPC2

B2:

MOVR0,#43H;43H为B档速BCD码起始寄存器地址

C2:

MOVR2,#0FEH;数码管最高位开始显示

MOVA,R2

MOVDPTR,#L1

LP0:

MOVP2,A

MOVA,@R0

MOVCA,@A+DPTR

MOVP0,A

ACALLDI