基于单片机控制步进电机的简易数控平台系统设计.zip

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基于单片机控制步进电机的简易数控平台系统设计 基于 单片机 控制 节制 步进 电机 机电 简易 数控 平台 系统 设计
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机电系统课程设计机电系统课程设计设计说明书设计说明书 设计题目:设计题目: 一维水平数控滑台 班 级:班 级:机械设计制造及其自动化 2007 级 指定教师: 指定教师: 完成时间:完成时间: 二零一一年三月十号 目录目录机电系统课程设计 . 1 设计说明书 . 1 一、设计任务书. 3 1、设计内容. 3 2、 设计要求 . 3 3、 设计任务 . 3 二、设计说明书. 4 1、引言. 4 2、总体方案设计. 5 3、机械系统设计. 6 4、控制部分设计. 15 5、控制部分设计. 25 6、设计总结. 26 7、参考文献. 26 一、设计任务书一、设计任务书 一维水平数控滑台 1、设计内容、设计内容:随着近年来机械工业的发展,在原有的机械滑台基础上,演变出数控机械滑台,即在原来机械滑台的基础上。把普通丝杠更换成滚珠丝杠,在铸铁的导轨面上镶嵌直线导轨。把变速箱电机更换成伺服电机,使滑台可以快速进退。利用滚珠丝杠和线轨,它具有的特点有精度高、效率高、寿命长、磨损小、节能低耗、磨擦系数小、结构紧凑、通用性强等。 2、 设计要求设计要求: A机械系统设计要求 1)结构轻巧合理 2)技术指标 行程 mm 脉冲当量 mm 中心负载 最大速度 重复定位精度150200 0005 15kg 40mm/s 0.005mm B控制系统设计要求 1)电机的点动控制:电机正转、反转、停止等功能 2)电机的轮廓控制:直线插补功能,圆弧插补功能 3)电机的启停时的加减速控制 3、 设计任务设计任务: A 总体方案设计,收集资料,明确设计任务、方案的设计及选择 B机械部分设计,具体任务包括结构设计、设计计算、零件图绘制、装配图绘制 C电气部分设计,包括驱动电路设计或选择,控制器软硬件设计或选择,强电部分设计,电器原理图绘制 二、设计说明书二、设计说明书 1、引言、引言随着近年来机械工业的发展,在原有的机械滑台基础上,演变出数控机械滑台,即在原来机械滑台的基础上。把普通丝杠更换成滚珠丝杠,在铸铁的导轨面上镶嵌直线导轨。把变速箱电机更换成伺服电机,使滑台可以快速进退。利用滚珠丝杠和线轨,它具有的特点有精度高、效率高、寿命长、磨损小、节能低耗、磨擦系数小、结构紧凑、通用性强等。 X-Y 数控工作台是许多机电一体化设备的基本部件, 如数控车床的纵横向进刀机构、数控铣床和数控钻床的 X-Y 工作台、激光加工设备的工作台、电子元件表面贴装设备等。 模块化的 X-Y 数控工作台,通常由导轨座、移动滑块、工作、滚珠丝杠螺母副,以及伺服电动机等部件构成。其中伺服电动机做执行元件用来驱动滚珠丝杠,滚珠丝杠螺母带动滑块和工作平台在导轨上运动,完成工作台在 X、Y 方向的直线移动。导轨副、滚珠丝杠螺母副和伺服电动机等均以标准化,由专门厂家生产,设计时只需根据工作载荷选取即可。控制系统根据需要,可以选取用标准的工作控制计算机,也可以设计专用的微机控制系统。 图 1. EUROMA 精密直线滑台 图 2. 数控滑台 UA14CNC 2、总体方案设计总体方案设计2.1 设计任务 设计一个数控 X-Y 工作台及其控制系统。 设计参数如下:中心负载 M=15kg;工作台行程 X=150,Y=200;工作台最大速度 V=2.4m/min;脉冲当量 S=0.005mm;传动方式:丝杠直连。 2.2 总体方案确定 此系统要求实现两个电机的协调运动,以及一定的正转反转停止等控制功能,采用单片机来控制步进电机,实现了软件与硬件相结合的控制方法。用软件代替环形分配器,达到了对步进电机的最佳控制。系统中采用单片机接口线直接去控制步进电机各相驱动线路。由于单片机的强大功能,还可设计大量的外围电路,键盘作为一个外部中断源,设置了步进电机正转、反转、档次、停止等功能,采用中断和查询相结合的方法来调用中断服务程序,完成对步进电机的最佳控制,显示器及时显示正转、反转速度等状态。环形分配器其功能由单片机系统实现,采用软件编程的办法实现脉冲的分配。 本方案有以下优点:(1)整个机构简单可靠,能实现较高精度运动; (1)单片机软件编程可以使复杂的控制过程实现自动控制和精确控制,避免了失步、振荡等对控制精度的影响;(2)用软件代替环形分配器,通过对单片机的设定,用同一种电路实现了多相步进电机的控制和驱动, 大大提高了接口电路的灵活性和通用性;(3)单片机的强大功能使显示电路、键盘电路、复位电路等外围电路有机的组合,大大提高系统的交互性。 基于以上优点,本次设计采用基于单片机的控制方案。选用用单片机、步进电机驱动芯片、数码管 LED 和键盘阵列,构建了集步进电机控制器和驱动器为一体的步进电机控制系统。 二维工作台作为被控对象通过步进电机驱动滚珠丝杆在X/Y 轴方向联动。 图 3 3、机械系统设计机械系统设计3.1 导轨的选择或设计 导轨是用金属或其它材料制成的槽或脊,可承受、固定、引导移动装置或设备并减少其摩擦的一种装置。导轨表面上的纵向槽或脊,用于导引、固定机器部件、专用设备、仪器等。导轨又称滑轨、线性导轨、线性滑轨,用于直线往复运动场合,拥有比直线轴承更高的额定负载, 同时可以承担一定的扭矩,可在高负载的情况下实现高精度的直线运动。 导轨按摩擦性质分为滑动摩擦导轨和滚动摩擦导轨。 滑动导轨运动件与承导件直线接触。它的优点是结构简单、接触刚度大;缺点是摩擦阻力大、磨损快、低速运动时易产生爬行现象。 滚动导轨在运动件和承导件之间放置滚动体(滚珠、滚柱、滚动轴承等) 。它的特点有摩擦系数小、运动灵便,不易出现爬行现象;定位精度高;磨损较小,寿命长,润滑方便;结构较为复杂,加工较困难,成本较高;对脏物及导轨面的误差比较敏感。 3.1.1X 向导轨选用 为了达到较高的精度,X 向导轨选用滚动导轨,参照 MISUMI 公司的产品,下面确定导轨的型号。 1)导轨的工作条件 静载荷:中心负载115mkg 安装方向:水平安装 导轨数目:2 滑块数目:2 使用环境:工作环境为一般环境,必须进行润滑,无需对导轨进行防锈、防锈处理。 2)导轨受力分析 静态载荷:121273.5PPm gN 根据所受静态载荷,选定导轨的型号为:SSEL2BLZ。 基本静额定载荷13.5oaCkN,基本动额定载荷7.2CkN。 3)导轨的额定寿命计算 额定寿命的计算公式:350HTCwCf f fCLfP 其中,L:额定寿命(km) ;C:基本动额定载荷(N) ;CP:负荷计算值(N) ;Hf:硬度系数,取值为1;Tf:温度系数,取值为1;Cf:接触系数,取值为1;wf:取值为1。 则,74.7 10L km 3.1.2 Y向导轨选用 Y向导轨为根据机床设计手册自行设计, 导轨数目为2, 一边为三角形导轨,另一边为矩形导轨。 三角形导轨的特点是导向精度高, 无间隙, 可自动补偿磨损;矩形导轨的特点为制造简单,承载能力大,不易变形,需调整间隙,不能补偿磨损,导向精度低。将两者相结合,既能够保证精度,又能降低制造成本。 导轨的具体设计参数见零件图。 3.2 滚珠丝杠的选择(以THK公司产品为例) 滚珠丝杠由螺杆、螺母和滚珠组成。它的功能是将旋转运动转化成直线运动,这是滚珠螺丝的进一步延伸和发展, 这项发展的重要意义就是将轴承从滚动动作变成滑动动作。由于具有很小的摩擦阻力,滚珠丝杠被广泛应用于各种工业设备和精密仪器。 3.2.1滚珠丝杠的特点 1)驱动扭矩仅为滑动丝杠的三分之一 滚珠丝杠中的钢球在丝杠轴与螺母间滚动,因此能获得高效率。与过去的滑动丝杠相比,所需驱动扭矩仅为前者的三分之一(参照图3和图4) 。从而,不仅可以将旋转运动变为直线运动,也易将直线运动变为旋转运动。 图3. 正效率(旋转直线) 图4. 反效率(直线旋转) 2)保证高精度 滚珠丝杠在温度控制极为严格的工厂里,用最高水平的机器设备进行研磨,直到组装、检查,都实行彻底的质量管理,以保证其精度。 3)能微量进给 滚珠丝杠由于钢球做滚动运动,起动扭矩极小,不会产生类似滑动运动中易出现的粘滞滑动现象,所以能进行正确的微量进给。 4)没有无效行程、高刚性 由于滚珠丝杠能够接受予压,轴向间隙能降为零以下,从而因予压而获得高刚性。在图5中,如往正()方向上施加轴向负荷,工作台向()侧位移。反之,往负()方向上施加轴向负荷,工作台向()侧位移。轴向负荷与轴向变位量的关系如图6所示。由图6可知,如果改变轴向负荷的方向,轴向间隙就会以位移量的形式表现出来。另外,如果轴向间隙为零时对滚珠丝杠施加予压,则刚性变大,轴向变位量变小。 图5 图6. 由于轴向负载引起的轴向变位量 5)能高速进给 因滚珠丝杠效率高,发热低,从而能进行高速进给。 6)高可靠性 与其它传动机械,液压传动相比,滚珠丝杠传动系统故障率很低,维修保养也较简单,只需进行一般的润滑和防尘。在特殊场合可在无润滑状态下工作。 7)高耐用性 钢球滚动接触处均经硬化(HRC5863)处理,并经精密磨削,循环体系过程纯属滚动,相对对磨损甚微,故具有较高的使用寿命和精度保持性。 3.2.2滚珠丝杠的选型和校核 因为,工作台行程范围较小,选用MDK(微型)滚珠丝杠。 1)导程精度 过去,为了获得高的定位精度,主要通过提高滚珠丝杠副本身的精度来实现,因此,对滚珠丝杠的导程累积误差要求很高,一般要求导程精度1 31 4n重复定位精度,给滚珠丝杠副的制造带来困难,使滚珠丝杠副的生产成本加大。特别是高精度滚珠丝杠副, 只有通过数控螺纹磨床或激光反馈螺纹磨床加工才能达到。随着科学技术的不断发展,人们掌握了数控补偿技术,因而,不需要很高精度的滚珠丝杠副,也能获得高的定位精度。 因此,导程精度不再成为滚珠丝杠选型的限制条件。 2)选择导程 根据导程计算公式360SPh=E A,可得Ph=2。 其中,E:马达和驱动器所需要的步进角(),取0.9;S:最小进给量(mm)(单位脉冲进给量) ;Ph:滚珠丝杠的导程(mm);A:减速比,取1。 3)选择轴径 将轴径选为14,则选用公称型号为MDK 1402-3 225LA的滚珠丝杠。基本额定载荷C1.8akN,4.3CoakN。 4)选择丝杠轴的安装方法 考虑到滚珠丝杠的刚性,选用两端固定的支撑方式。根据丝杠轴外径,选择支撑单元的型号为EK10,轴承的型号为7000。 5)静态安全系数 通常,基本静额定负荷等于滚珠丝杠的容许轴向负荷。根据使用条件,对于计算负荷有必要考虑以下静态安全系数。滚珠丝杠在静止或运动中,由于冲击或启动停止所产生的惯性力等,会有意想不到的外力作用,务必注意。 表1 静态安全系数 使用机械 负荷条件 fs的下限 一般工业机械 无震动或冲击时 11.3 有震动或冲击时 23 工具机 无震动或冲击时 11.5 有震动或冲击时 2.57 轴向负荷的最大值计算公式:maxFa=mgfm 其中,:导向面上的摩擦系数;m:运送质量(kg),为整个上托板的质量加中心负载质量, 为21.9kg;f: 导向面的阻力 (无负荷时)(N), 为简化计算取0f ;为加速度(2m s) ,max=t ,t为加速时间,取0.1s。 静态安全系数计算公式:max=FaCoafs 因为,X方向的受力显然小于Y方向的受力,因此,仅对Y方向进行计算,以下也是如此。 计算结果,max10.9FaN,3941fs 6)工作寿命的计算 滚珠丝杠承受外部负荷运动时,在滚动面或钢球上连续地承受循环应力的作用。当应力达到某个限度时, 滚动面就出现疲劳破损, 一部分表面产生鱼鳞状的剥落。这种现象称为表面剥落。滚珠丝杠的寿命是指,在滚动面或钢球的任何一方,由于材料的滚动疲劳而产生的最初的表面剥落出现时为止, 滚珠丝杠所旋转的总转数。 关于滚珠丝杠的工作寿命, 即使同样方法制造出来的滚珠丝杠在相同运动条件下使用,其寿命也会有较大的差别。因此,作为滚珠丝杠寿命的基准,使用以下定义的额定寿命。所谓额定寿命是指,一批相同的滚珠丝杠在相同条件下分别运行时,其中的90%不产生表面剥落(金属表面的鳞片状剥落)所能达到的总转数。 额定寿命(总转数)的计算公式:3610C
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