机电一体化课程设计说明书

机电一体化系统设计课程设计说明书

（步进电机直接驱动单轴直线伺服移动机构设计）

学 院： 机电工程学院

班 级： 姓 名： 学 号： 指导教师 ：

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机械电子工程06-1 ...《机电一体化系统设计》课程设计计算说明书

目 录

一、课程设计的目的--------------------------------------3

二、设计题目及参数--------------------------------------3

三、设计内容--------------------------------------------3

四、机电一体化系统设计----------------------------------4

1、滚珠丝杠副的选择 ------------------------------------4 2、轴承选择---------------------------------------------6 3、滚珠丝杠副的校核-------------------------------------7 4、导轨副的选择 ----------------------------------------8 5、电机的选择-------------------------------------------8 6、联轴器的选择-----------------------------------------11 7、机械控制系统原理及电路设计---------------------------11 8、机械系统建模及仿真-----------------------------------12

五、心得体会--------------------------------------------14

六、参考文献------------------------------------------15

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一、课程设计的目的

1、掌握机电一体化系统设计过程和方法，包括参数的选择，传动的设计，零件的计算，结构的计算，培养系统分析及设计的能力。

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、训练和提高设计的基本技能，如计算，绘图，运用设计资料，标准和规范，编写技术文件（说明书）等。 二、设计题目及参数

步进电机直接驱动单轴直线伺服移动机构 1、主要性能参数：

负载:F1=6000N F2=3000N 快进速度=1m/min 工进速度=0.2m/min 重复定位精度=0.01mm 定位精度(mm/300mm)=0.02 行程=700mm 加减速度时间(相对空载、快进)=2s 要求寿命=24000h 丝杆直径初定:25mm 丝杆支撑形式: 两端固定 2、要求：开环控制，采用单片机控制 三、设计内容

1、机械系统部分：完成详细的装配图设计。

采用滚动丝杠副，双滚动直线导轨副作导轨，移动机构水平安装 2、控制部分

采用MCS-51系列单片机来完成此控制系统的设计（要求：扩展存储器、I/O、键盘、LE等），完成控制系统原理图。 3、机械系统数学模型建立及仿真：

建立机械系统的传递函数，仿真输出函数图形。 4、完成设计计算步骤：

1. 步进电机的选择，计算和验算。含以下内容：

脉冲当量的确定，空载转矩的验算，各传动部件等效转动惯量，

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等效转矩的折算等。

2. 滚珠丝杠的选择，计算和验算。 3. 滚动直线导轨选择，计算和验算。 四、机电一体化系统设计 1、滚珠丝杠副的选择

托板尺寸：长´宽´高=300mm创300mm托板重量：W=300创30030创10-330mm-2

211N7.8?10

导轨副与托板连接部分重量估算为：100N（双导轨） 夹具及工件重量约为：400N 工作台运动部分总重：G初选滚珠丝杠副导程Ph=211+100+400=711N

=10mm

=KFx+m(Fz+Fy+G)

采用矩形滚动导轨工作载荷等效公式：Fm其中：K=1.1 m=0.005

因采用步进电机直接驱动则： 工进时转速：n1工作载荷：

Fm1=KF1+m(F2+G)=1.1?60000.005(3000+711)=6619N=v1ph=0.20.01=20r/min

Fz+Fy等效为：F2==3000N

=100r/min快进时转速：n2工作载荷：Fm2v2ph=10.01

=mG=0.005?7114N

按工进时间占总时间的90%，快进时间占总时间的10%计算： 确定当量载荷：Fm=3Fm1n1t1+Fm2n2t2n1t1+n2t233=5713N

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n1t1+n2t2t1+t220?90100 10确定当量转速：nm预期额定动载荷

==90+100=28r/min

按预期工作时间计算：使用寿命Lh滚珠丝杠副寿命L0最大动载荷：FQ==24000h

=60nmLh/1036（106r）

L0fwfHFm

查《机电一体化系统设计课程设计指导书》以下简称《指导书》表3-30取载荷系数

FQ=23508Nfw=1.2，硬度系数fH=1.0（³58HRC）代入上式得

拟采用预紧滚珠丝杠副，按最大负载Fmax计算

查《机电一体化系统设计及实践》表3-25以下简称《实践》 重载荷取得FQ¢=fe=3.4 Fmax=F1=6000N

feFmax=20400N

取以上结果最大值Cm=23508N确定允许的最小螺纹小径 估算丝杠允许的最大轴向变形量

已知：重复定位精度10mm，定位精度20mm

dmdm=（1/41/3)重复定位精度=3mm =（1/51/4)定位精度=6mm

取最小值dm=3mm 估算最小螺纹底径

丝杆要求预拉伸，采用两端固定的支承形式，已知行程为700mm， W=3000+711=3711N 静摩擦系数m0=0.09

d2m=am0WLdm

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查《实践》表3-26 a=0.039 L=1.1行程+（1014）Ph=900mm

d2m=0.039m0WLdm=12.3mm 确定滚珠丝杠副的规格代号

选内循环浮动式法兰，直筒双螺母型垫片预紧形式。 由Ph、Cm、d2m选择相应规格的滚珠丝杠副FFZD3210-3

Ca=25700N>Cm=23508N d2=27.3>d2m

Coa=50200N>(23)Fm=17139N

确定预紧力：Fp行程补偿值：

C=11.8Dtlu?10=13Fmax=2000N

-311.8创2.5(700+12创10)10-3=24mm

预拉伸力：

Ft=1.95Dtd2=1.95创2.5227.3=3633N2

2、轴承选择

按照滚珠丝杠副相关要求初步选定滚动角接触球轴承B型背对背安装，受力如下图：

1 F2 2 Fd1 Fd2 F1 Fr1 Fr2 径向力：Fr1=Fr2=F2/2=1500N

派生轴向力：Fd1=Fd2=1.41F2/2=2115NFa1=F1+Fd2=8115N Fa2=Fd2=2115N取载荷系数

fp=1.2

Fa1/Fr1=5.41>1.14

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径向当量动载荷：

P1=fp(0.35Fr1+0.57Fa1)=1.2创(0.351500+0.57?8115)6181N

Fa2/Fr2=1.14

径向当量动载荷：

P1=fpFr=1.2?15001800N

求轴承具有的基本额定动载荷：

C=P1360nmLh106=21195N

根据所选滚珠丝杠副及轴承寿命要求选择 滚动轴承7305 B GB/T292

Cr=26200N>C=21195N

所选轴承满足设计要求。 3、滚珠丝杠副的校核 轴承接触角b=400，滚珠丝杠副主要参数dQ=7.144，单圈滚珠数

Z=(pd0/dQ)-3=11

验算系统刚度

Ks=660d2lu2=660?27.37002703n/mm

776N/mmKb=2KB0=2?4.683dQZFamaxsinbR=772N/mmK=1/(1Ks25

1+1R)=250?1.6F0重复定位精度N/mm+Kb

验算临界压缩载荷

Fc=K1K2d2Lcl24?1051/3创490027.324?10591433?Famax6000N

验算临界转速

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机械电子工程06-1 ...《机电一体化系统设计》课程设计计算说明书 fd2Lc22nc=?10721.9´27.39002=7381>nmax=100r/min

校核d0值

d0nmax=3200 70000

验算额定静载荷

fsFamax=2.5?600015000?Coa50200N

验算丝杆抗拉强度

sppd242=110创3.14427.32=356?Famax6000N

4、导轨副的选择

查《指导书》公式3-35小时额定寿命：Lh距离额定寿命L公式3-33

=2nS´60Lh103=L´1032nS´60

=2创40.7创60100024000=80km骣ffffCHTCRa滚动体为球时：L=ççççfWF桫÷÷ 50÷÷

Ca=3fWFL骣çççfHfTfCfR50ç桫÷÷=÷÷380骣1.2´3378÷ç÷=27241Nç桫50ç1创10.81 1÷

其中F按所给力参数折算到四滑块上中的最大值。 查表3-42选择JSA-LG35型直线滚动导轨副

Ca=32500>27241N所选导轨满足要求。

5、步进电机的选择

加到电机转轴上的总转动惯量Jeq 丝杆转动惯量：Js=plrd0324=3.14创907.8创1032-33.24=7.223kg cm2

工作台折算到丝杆上的转动惯量：

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22骣ph骣1711÷÷çJ=çm=?÷÷ççiçç桫桫2p÷2p÷10h1=tanltan(l+j)1.801kg cm2滚珠丝杠副传递效率

0 l

=arctan(ph/(pd0)=5.6835

j=10¢ h1=0.97电机与丝杠间用联轴器连接：传递效率h2h=h1h2=0.95=0.98 总传递效率

根据负载情况初选南京南数数控设备有限公司步进电机130BYG3503为三相混合式，采用单-双6拍驱动时步距角为0.60，查其参数得转子的转动惯量Jm=30kg cm2。

=Jm+Js+J=39.02kg cm2加到电机转轴上的总转动惯量为：Jeq加到电机转轴上的等效负载转矩Teq

快速空载启动时电机转轴所承受的负载转矩Teq1 取脉冲当量d=nm=vmaxa360d=0.005mm/脉冲

1000´0.6360´0.005=333r/min-4Tamax=2pJeqnm60tah==2p创39.0260创20.0110 3330.95=0.072N mTf=mGPh2ph0.005创7112p´0.95=0.006N m

Teq1=Tamax+Tf=0.078N m

最大负载状态下电机转轴所承受的负载转矩Teq2

Tt=FtPh2ph=6000´0.012p´0.95=10.057N m

Tf=m(F2+G)Ph2ph=0.005?(3000711) 0.012p´0.95=0.0311N m

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Teq2=Tt+Tf=10.09N m

加到电机转轴上的最大等效负载转矩为：

Teq=max{Teq1,Teq2}=10.09N m

电机最大静转矩的选定

考虑到步进电机的驱动电源受电网电压影响较大，当输入电压降低时，其输出转矩会下降，可能造成失步，甚至堵转。并采用开环控制，需考虑安全系数。取K=3.5，则步进电机的最大静转矩应满足：

Tjmax?3Teq30.27N m

×m查初选电机130BYG3503的最大静转矩为36N步进电动机的性能校核

最快工进速度时电机输出转矩校核

vmaxfmaxf。所选电机满足要求。

=200mm/min，脉冲当量d=z0.005mm/脉冲，电机相应运行频率

f=[200/(60?0.005)]H667Hz查其频率特性表可以看出在此频率，远大于最大工作负载转矩

下，电动机输出转矩TmaxfTeq2=10.09N m蛔15.2Nm，满足要求。

最快空载移动时电机输出转矩校核

vmax=1000mm/min，电机相应运行频率

zfmax=[1000/(60?0.005)]HTmax蛔12.5Nm3333Hz查得在此频率下，电动机输出转矩

=0.111N m，远大于最大工作负载转矩Teq1，满足要求。

最快空载移动时电机运行频率校核 最快空载速度对应的电机运行频率

fmax=3333Hz。查得所选电机空载运

行频率可达25000Hz，没有超出上限。 启动频率计算

电机不带任何负载时的空载启动频率

fq=1600Hz。步进电机克服惯性负

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载的启动频率：

fL=fq1+Jeq/Jm=16001+39.02/30=1055Hz

上式说明，要想保证步进电机启动时不失步，任何时候的启动频率都必须小于1055Hz。

综上所述，选择的 130BYG3503型步进电动机完全满足设计要求。 6、联轴器的选择 传动轴上的公称转矩

T=9550Pn=9550´2pTeq(60´10)=1.53=9550创2p10.09/(60?10)310.1N m

取工作情况系数KA计算转矩Tca

15.15N m=KAT=1.5?10.1

J19´30J19´30根据所选电机输出轴、丝杠大小及计算转矩选择：YL2联轴器

15.15,所选联轴器满足要求。

7、机械控制系统原理及电路设计

对工作台的控制要求如下：1、步进电机选用三相六拍，其脉冲当量为0.005mm/step；2、能用键盘输入命令，控制工作台的直线运动及实现其它功能，其运动范围为0700mm；3、能显示工作台的当前运动位置；4、具有越程指示报警及停止功能；5、采用硬件进行环形分配，字符发生及键盘扫描由软件实现。

单片机控制系统的硬件构成：考虑到8031单片机芯片性价比较高故采用其作为主芯片。他有P0、P1、P2、P3四个八位口，P0口可以驱动8个TTL门电路，16根地址总线由它经地址锁存器（74LS373）提供8位A0而高8位A8A13A7，

由P2口直接提供。数据总线由P0口直接提供。控制总线

由P3口的第二功能状态和4根的控制线RESET、EA、ALE、PSEN组成。

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仅剩P1口可供控制外设。不能满足所需控制要求，因8031无ROM，128字节的RAM也不够用，所以需要进行扩展。采用8155和27、62芯片作为I/O口和存储器扩展芯片。显示器采用LED数码显示，从控制要求需6位数码显示，整数、小数位各三位，把符号及前带字母考虑进去也便于扩展采用8位显示。其它辅助电路有复位电路、时钟电路、越位报警指示电路。延时可用8155的定时器/计数器的引脚TMRIN和TMROUT。 工作原理图详见“控制系统工作原理图”。 地址分配如下： 27：0000H~1FFFH 62：2000H~3FFFH 8155（I/O端口)： 命令口：4000H A口：4001H B口：4002H C口：4003H

定时器低八位：4004H 定时器高八位：4005H 8、机械系统建模及仿真 转动惯量的折算

由前述可知等效到电机轴上的转动惯量

JS=Jeq=Jm+Js+J=39.02kg?cm20.0039kg m2

粘性阻尼系数折算

骣骣Lh÷10÷ç¢C=çC=ç÷÷?0.1ççç桫桫2p÷2p÷221.624

总扭转刚度折算

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4410电机：Km丝杆：Ks=pdmG32lmpdsG32ls4=p创0.0198.1 1032´0.2p创0.0324=5182N m/rad

==8.1 101032´1.2=6949N m/rad

工作台的压缩刚度：

K=Epds4ls4=p创0.03222.1 10114´1.22=1.4醋10Nm/rad8

骣骣Lh÷0.01÷ç附加扭转刚度：K¢=çK=创1.4÷÷çç÷÷çç桫2p桫2p210=3.6N m/rad8

折算后的总扭转刚度：KS=11Km+1Ks+1K¢=316.76N m/rad

系统建模

根据动平衡原理有：

JSdqdt22+C¢dqdt+KSq=KSXi式中q=（22pLh）Xo

Lh2p动力平衡关系：JSdXdt2o+C¢dXdto+KSXo=（）KSXi

系统传递函数为：

X(s)（=Lh2p）KS=（Lh2pwn2G(s)=oXi(s)2JSs+C¢s+KS）22s+2xwns+wn

式中：wn=KS/JS x=C¢/2(JSKS)

代入数据得：

G(s)=Xo(s)Xi(s)=504.140.0039s+1.624s+316.762=129140.6s+514.42s+81220.52

仿真程序：

g=tf(504.14,[0.0039 1.624 316.76])

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[y t]=step(g) y=2*pi*y plot(t,y) grid on 仿真结果：

从图中分析出在步进电机为2p的阶跃输入条件下，工作台直线位移10mm，且仅有不大于10%的超调量，颤动很小，调整时间约为0.025s，响应速度很快。阻尼比为0.73，系统在周期信号激励下没有谐振，且阻尼比在理想参数0.707附近，说明静态设计是有效的、准确的。 五、心得体会

机电一体化的机械系统要求精度高、运动平稳、工作可靠，这不仅是静态设计所能解决的问题，还需对系统的动态性能进行分析，调节相关的

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机械性能参数，达到优化系统性能的目的。

在仿真过后对其体会颇深，主要如下：系统结构要尽量紧凑；各部件要尽量轻便，标准件要选取惯量尽量小的；在条件允许的情况下对已有设计做局部调整；对系统影响最大的是滚珠丝杠副、联轴器、电机，对其选择要综合考虑主要考虑减小惯量。

机电一体化设计是训练我们学习能力，以及对我们专业素质的一次充分的检验，设计中既按部就班的计算又有一般性的推导和分析选择的过程，它为我们即将进行的毕业设计奠定了基础，提供了方法。我相信有了今天的踏实勤奋才会有今后的发展成就。

在此特别感谢指导老师在课设期间对我们孜孜不倦的教导和启发，让我们发现问题并解决问题，让我们更仔细，考虑问题更全面，对一些问题有了全新的认识，再次感谢老师的帮助！ 六、参考文献

[1]于金主编.机电一体化系统设计及实践.北京：化学工业出版社，2008. [2]张建民主编.机电一体化系统设计（第二版）.北京：高等教育出版社，2001.

[3]尹志强主编.机电一体化系统设计课程设计指导书.北京：机械工业出版社，2009.

[4]洪家姊主编.机械设计指导.江西：江西高校出版社，2001

[5]洛阳轴承研究所编.滚动轴承产品样本.北京：机械工业出版社，2000. [6]郑阿奇主编.MATLAB实用教程.北京：电子工业出版社，2007. [7]杨叔子主编.机械工程控制基础（第五版）.武汉：华中科技大学出版社，2005.

[8]张毅坤主编.单片微型计算机原理及应用.西安：西安电子科技大学出版社，1998.

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