机电一体化大作业.doc

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。 三自由度平动机械手工作台机电系统设计 科目：机电一体化 班级：机械工程五班 成员：罗欣201325070530 卢国文201325070501 赵效鲁201325070509 贾静然201325070502 目录 一、设计任务 3 1、 题目 3 2、 任务 3 3、 主参数 3 二、产品总功能的确定 4 1、单坐标定位。 4 2、三平面直线插补和圆弧插补。 4 三、总体方案的确定 7 1、机械传动部件的选择 7 2、动力装置的选择 7 3、.检测与传感装置的选择 8 4、.控制与信息处理装置的选择 8 四、机械传动部件的计算与选型 9 1、滚珠丝杠螺母副的计算与选型 9 2、步进电机的计算与选型 12 五、检测与传感装置的计算与选型 15 1、 速度的检测与传感装置 15 、2.位移的检测与传感装置 17 六、控制与信息处理装置的选择 20 1、 速度控制 20 2、CPU的选择 26 七、工作台系统的功能框图 27 八、工作台装配图的绘制 27 九、部分源代码 28 十、感悟与总结 32 十一、参考文献 32 一、设计任务 1、 题目 三自由度平动机械手工作台机电系统设计 2、 任务 设计一种适用于机械手空间平动的工作台 3、 主参数 （1）、X、Y、Z方向脉冲当量： ∆x= ∆y= ∆z=0.005mm/脉冲 （2）、X、Y、Z方向的定位精度均为：±0.01mm （3）、工作台空载最快移动速度： ∆xmax= ∆ymax= ∆zmax=3000mm/min （4）、工作台负载最快移动速度： ∆xmax= ∆ymax= ∆zmax=400mm/min （5）、工作台空间尺寸：500mm×500mm×500mm （6）、工作台工作空间尺寸：400mm×400mm×400mm （7）、空载启动时间：Δt=25ms 二、产品总功能的确定 1、单坐标定位。 2、三平面直线插补和圆弧插补。 本例中采用逐点比较法进行直线和圆弧的插补 （1） 逐点比较法插补的基本原理 逐点比较法插补的基本思路是：在从起点到终点的路程中，根据机械手当前位置与给定轨迹的偏离情况，并为消除这个偏离，在其中一个坐标轴上走一小步，这样一步步直到终点，每一步都是用给定轨迹对实际轨迹进行修正。每一步作为一个插补计算循环。插补循环一般由偏差判别、坐标进给、偏差函数计算和终点判别四个工作节拍组成。 ①、偏差判别 首先要判断机械手当前点与其要求的运动轨迹的偏离情况。具体方法是根据要求的运动轨迹设计一个偏差函数，该偏差函数是机械手坐标的函数，其函数值反映偏离情况。 ②、坐标进给 根据上面判断的结果，发出一个进给指令脉冲，控制机械手沿相应坐标轴产生一个脉冲当量的位移。进给脉冲分配给哪一个坐标轴，正向还是负向，总的原则是用这个位移的结果纠正已有的偏离。 ③、偏差函数计算 用新的机械手位置坐标重新计算偏差函数的值。 ④、终点判别 判断机械手点是否到达轨迹的终点，如到达轨迹终点则插补结束，否则重复开始下一个插补循环。 （2）、逐点比较法直线插补 （注：1.本例只介绍直线插补的方法，圆弧插补原理相似 2.本例插补平面以水平面为例） 为插补计算方便，通常建立与工作台坐标系平行的插补坐标系，插补坐标系与工作台坐标系是简单的平移变换关系。直线插补时，插补坐标原点选在直线起点上。在直线插补指令中，若终点坐标采用增量坐标给出，则与插补坐标系下坐标一致。 下面讨论机械手运动轨迹为XOY平面上第一象限直线的插补。如下图所示，直线OA，起点O(0，0)，终点A(Xe,Ye)，坐标单位为脉冲当量。 ①、偏差函数 将直线OA的方程 XY-XeYe=0 改写成 YXe-XYe=0 设加工时机械手位置为P(Xi,Yi)点，取偏差函数为 Fi= YiXe-XiYe (2-1) 则当P点在直线上时，Fi=0； 当P点在直线上方时，Fi>0； 当P点在直线下方时，Fi<0。 ②、进给脉冲分配 进给脉冲分配应使对应的坐标位移的结果纠正机械手位置P(Xi,Yi)已有的偏离。因此：当P点在直线上方，即Fi>0时，向+X方向分配一个进给脉冲，即向X轴正方向走一步（一个脉冲当量的位移），简记为+ΔX；当P点在直线下方，即Fi<0时，向+Y方向分配一个进给脉冲，即向Y轴正方向走一步，简记为+ΔY；当P点在直线上，即Fi=0时，为使加工继续进行，规定按P点在直线上方情况处理，即向X轴正方向走一步。 ③、偏差函数的递推计算 由上述可知，若Fi≥0，向X轴正方向走一步，则P点新的位置坐标及偏差为 Xi+1=Xi+1Yi+1=yiFi+1= YiXe-Xi+1Ye= Fi-Ye （2-2） 若Fi<0，向Y轴正方向走一步，则P点新的位置坐标及偏差为 Xi+1=XiYi+1=Yi+1Fi+1= Yi+1Xe-XiYe= Fi+Ye （2-3） 采用递推计算式（2-2）、式（2-3）代替式 (2-1)计算偏差函数，既可以简化计算，又可以缩短插补时间。 ④、终点判别 一般常用插补循环或进给的总步数来判断是否到达终点。设插补循环或进给的总步数为E，显然有 E=Xe+Ye 最简单的方法是每进行一次插补循环，就对E进行一次减1运算，当E等于0时，表明到达终点，插补结束。 三、总体方案的确定 1、机械传动部件的选择 （1）、丝杠螺母副的选择 根据设计及参数要求，该传动副能将电机的旋转运动转化为直线运动，且应满足0.005mm的脉冲当量和±0.01mm的定位精度。由于滚珠丝杠螺母副效率高、精度高、响应快等特点，则应选择滚珠丝杠副。 （2）、导向机构的选择 由于机械手负荷并不大，且工作台脉冲当量小，定位精度高，因此选用直线滚动导轨副。它具有摩擦阻力小、移动效率高、安装预紧方便等特点。 （3）、减速装置的选用 为圆整脉冲当量，放大电动机的输出转矩，降低运动部件折算到电动机转轴上的转动惯量，需要具有消隙结构的减速装置。因此采用无间隙齿轮传动减速装置。 2、动力装置的选择 由于直流伺服电动机具有响应迅速、精度和效率高、调速范围宽、负载能力大、控制特性好等特点。因此采用直流伺服电动机。 3、.检测与传感装置的选择 （1）、电机转速检测装置 因增量式旋转编码器在角度测量和角速度测量较绝对式旋转编码器具有更廉价和简易的优势，因此采用增量式旋转编码器。 （2）、位移检测装置 因为光栅式传感器量程大、精度高，广泛应用于程控、数控机床和三坐标测量的机构体，因此采用光栅式传感器。 4、.控制与信息处理装置的选择 （1）、电机转速的控制 采用晶体管脉宽调制（PWM）调速，这种调速方式有频率高，电流脉动小，电源的功率因数高和动态硬度好等特点。 （2）、控制系统的选用 ①、CPU的选用 为满足任务书给定的相关参数，和对步进电机的半闭环控制，选用MCS-51系列的8位单片机，AT89(52)作为控制系统的CPU。 ②、其余辅助装置的选用 驱动器、电源开关、存储器、I/D接口电路、A/D转换电路等。 注：由于工作台在X、Y、Z三方向的加工范围及工作载荷相近，为减少设计量，X、Y、Z三方向的机械传动、检测与传导装置、控制装置以及电机的选用均相同。 四、机械传动部件的计算与选型 1、滚珠丝杠螺母副的计算与选型 已知平均工作载荷Fm=1300N，丝杠工作长度l=0.5m，平均转速nm=100r/min，最大转速nmax=10000r/min，使用寿命Lh∙=15000h，材料为CrWMn钢，传动精度要求σ=±0.01mm。 （1）、求计算载荷Fc： 查表2-6——2-8得：kF=1.2， kH=1.0，kA=1.0， ∴Fc=kFkHkAFm=1.2×1.0×1.0×1300=1560N （2）、计算额定动载荷计算值Ca´: Ca´=Fc·3nm×Lh∙1.67×104=1560×3100×150001.67×104=7029N。 （3）、根据 Ca´选择滚珠丝杠副 假设选用Fc1型号，按滚珠丝杠副的额定动载荷Ca等于或稍大于Ca´原则，查表2-9，选用Fc1-2005-2.5，Ca=8030N。 得丝杠副数据为：公称直径 Do=20mm，导程 P=5mm，螺旋角 λ=4°33′，滚珠直径 do=3.175mm。 按课本表2-1中尺寸公式计算： 滾道半径 R=0.52× do=0.52×3.175=1.651mm， 偏心距 e=0.07×(R-do2)= 0.07×(1.651-3.1752)=4.445×10-3mm， 丝杠内径 d1=Do+2e-2R=20+2×4.445×10-3-2×1.651=16.71mm。 （4）、稳定性验算 丝杠危险截面的轴惯性矩 Ia=πd1464=3.14×(0.01671m)464=3.83×10-9m4， 刚弹性模量E=206GPa，μ为长度系数，即 μ=23。 则丝杠不会发生失稳的最大载荷即临界载荷Fcr: Fcr=π²E Ia(μl)²=π²×206×109×3.83×10-9(23×0.5)²=70011N， 安全系数 S= FcrFm= 700111300=53.85，查表2-10［S］=2.5～3.3，∵S>［S］,∴丝杠安全，不会发生失稳。 （5）、刚度校核 转矩T=Fm× Do2×tan(λ+P)，这里取tanP=0.0015，则P=8′40″。 所以 T=1300× 20×10-32×tan4°33'+8'40″=1.05N·m。 丝杠截面积 A=14πd12=219.30mm²=2.193×10-4m² 丝杠的极惯性矩： JC=π32d14=π32×0.016714=7.65×10-9m4 丝杠切变模量，钢G=83.3Gpa 则滚珠丝杠在工作负载和转矩共同作用下每个导程的变形量Δl0为： Δl0= PFEA+P²·T2πG JC= 4PFπEd12+16P²·Tπ²G d12=( 4×5×10-3×13003.14×206×10-9×0.016714+16×0,005²×1.05·3,14²×83.3×109×0.016714)m=1.505×10-8m=0.01505mm。 则丝杠在工作长度上的弹性变形引起的导程误差为： ΔL=l× Δl0P=0.5×0.01505 0.005μm=1.505μm。 通常要求丝杠的导程误差ΔL小于其传动精度的12，即： ΔL<12σ=12×0.01mm=0.005mm=5μm,所以其刚度满足条件。 （6）、效率验算 滚珠丝杠副的传动效率η为： η=tanλ tan(λ+P)=tan4°33'tan(4°33'+8'40″)=0.971 所以经上述计算验证 Fc1-2005-2.5 符合题目需求，可选用。 2、步进电机的计算与选型 （1）、初选步进电机的型号 根据设计任务，要求有脉冲当量δp=0,005mm/脉冲，定位精度为±0.01mm，为满足要求初选电机型号为57HS10042A4，步进角α=1.8°。 （2）、减速器传动比计算 I=αP300δp=1.8°×5300×0.005=5 按最小惯量条件，从课本图5-32,5-34查得减速器应采用二级传动。 （3）、齿轮减速箱的确定 传动比可分别取为 i1=2 i2=2.5，选各传动齿轮齿数分别为 Z1=20，Z2=40，Z3=20，Z4=50，模数m=2mm，齿宽b=20mm。 （4）、电动机轴上总当量负载转动惯量计算 取坐标等效直径为Φ16mm JZ1= JZ3=π×7.8×103×0.0044×0.432=7.84×10-4㎏·m2； JZ2=π×7.8×103×0.0084×0.432=0.0125㎏·m2； JZ4=π×7.8×103×0.14×0.432=0.0306㎏·m2； Js=π×7.8×103×0.0434×432=0.0105㎏·m2。 将各传动件的转动惯量折算到电动机轴上，得当量负载转动惯量： Jd = JZ1+1i2(JZ2+ JZ3)+ 1i2(JZ4+ Js)+(P2πi)2×m =7.84×10-4+125×(0.0125+0.0306)+ 125×(0.0306+0.0105)+ (0.0052π×5)2×80 =5.75×10-5㎏·m2。 （4）、惯量匹配验算 电动机转动惯量 Jm=6.8×10-5㎏·m2 Jd Jm= 5.75×10-56.8×10-5=0.84 即满足14≤ Jd Jm≤1，说明惯量匹配比较合理。 （5）、步进电机负载能力校验 步进电机轴上得总惯量: J= Jm+ Jd=5.75×10-5+6.8×10-5=1.255×10-4㎏·m2, 空载启动时，电动机上的惯性转矩： Tj=J×S=J×2πip× WmaxΔt=1.255×10-4×2π×50.005×160=1.58N·m， 电动机轴上的当量摩擦转矩： Tμ=P2πηi×mg·μ=0.0052π×0.8×5×80×9.8×0.2=0.03 N·m， 其中，设进给传动链的总效率η=0.8，因预紧力而引起的折算到电动机轴上的当量摩擦转矩为： To=P2πηi×Fo×(1-η2)= P2πηi×Fwmax2×(1-η2)= 0.0052π×0.8×5×15603×(1-0.92) =0.020 N·m， 工作台上的最大载荷折算到电动机轴上的负载转矩为： Tw= P2πηi×Fwmax=0.0052π×0.8×5×1560=0.31 N·m， 所以空载启动时，电动机轴上的总负载转矩为： Tq= Tj+Tμ+To=1.58+0.03+0.020=1.63 N·m， 在最大外载荷工作时，电动机轴上的总负载转矩为： Tl= Tw+Tμ+To=0.31+0.03+0.020=0.36 N·m， 查表5-5得恐再启动时所需电动机最大静转矩为： Ts1= Tq0.8= 1.630.8=2.01 N·m， 在最大外载荷下工作时所需电动机最大静转矩为： Ts= Tl0.3～0.5== 0.360.3～0.5=1.2～0.72 N·m， 所选电动机最大静转矩 Ts=2.5 N·m， ∵ Ts> Ts1，且Ts> Ts， ∴ 步进电动机可不失步的正常启动。 开环工作台机械传动的框图如下所示： 指令 驱动 电动机 减速器 丝杠 工作台 位置 五、检测与传感装置的计算与选型 1、 速度的检测与传感装置 （1）、采用增量式旋转编码器，组装在电动机的尾部转轴上，用来检测电动机的转角和转速。增量式旋转编码器应与步进电机的步矩角相匹配，所选电动机步距角α=1.8°，可知电机转动一转时需要控制系统发出360°1.8°=200个脉冲。考虑到编码器输出的A、B相信号，可以送到四倍频电路进行电子四细分，因此编码器的分辨率可选50线，这样控制系统每发一个步进脉冲电机转过一个步距角，编码器对应输出一个脉冲信号。 本例选择编码器的型号为2k-A-60-05v0-10-H，盘状空心型，孔径10mm，电源电压±5v，每转输出50个A/B脉冲，信号为电压输出。 （2）增量式旋转编码器的应用 适应带加减计数要求的可逆计数器，形成加计数脉冲和减计数脉冲 （3）、增量式旋转编码器检测系统的组成： 增量式旋转编码器 放大器 整形电路 四细分电路 脉冲当量变换电路 计数器 寄存器 计算机 辩向电路 、2.位移的检测与传感装置 （1）、本例中采用光栅式传感器来测量线位移，使用四细分技术使检测分辨率提高四倍。所选电机的步矩角为α=1.8°，所以电机转一转需检测系统发出360°1.8°=200个脉冲。因此所选的光栅式传感器应与所选用的电机相匹配，即选用刻线密度为50线/mm的透射式长光栅传感器。 （2）透射式长光栅检测装置的结构 1- 防护垫 2-光栅读数头 3-标尺光栅 1-光源 2-准直镜 3-指示光栅 4-光敏 4-防护罩 元件 5-驱动线路 （3）透射式长光栅传感器的工作原理 莫尔条纹： 严格来说：横向莫尔条纹排列的方向是两片光栅线纹夹角的平分线相垂直。 莫尔条纹的特征： a) 莫尔条纹的变化规律：两片两光栅相对移过一个栅距，莫尔条纹移过一个条纹间距。由于光的衍射和干涉作用，莫尔条纹的变化规律近似正（余）弦函数，变化周期数与两光栅相对移过的栅距数同步。 b) 放大作用：莫尔条纹宽度W和光栅栅距d，栅线夹角θ之间关系： 由图可知 W=d sinθ 又θ很小可认为 sinθ≈ θ 故 W=d/θ (4)莫尔条纹的细分技术 （5）、光栅式传感器检测系统的组成：光栅式传感器 放大器 整形电路 四细分电路 脉冲当量变换电路 计数器 寄存器 计算机 辩向电路 六、控制与信息处理装置的选择 1、 速度控制 本例中采用晶体管脉宽调制PWM调速系统对电机转速进行控制。 （1） 对速度控制的要求 1） 准停控制 2） 分度控制 3） 恒线速度控制 （2）、晶体管脉宽调制PWM调速系统 1）直流脉宽调制 功率放大器中的大功率晶体管工作在开关状态下，开关频率保持恒定，用调整开关周期内晶体管导通时间（即改变基极调制脉冲宽度）的方法来改变输出。从而使电机获得脉宽受调制脉冲控制的电压脉冲，由于频率高及电感的作用则为波动很小的直流电压（平均电压）。脉宽的变化使电机电枢的直流电压随着变化。 （2） 直流脉宽调制的基本原理 （3） 脉宽调制器 同向加法放大器电路图： U S r –速度指令转化过来的直流电压 U △- 三角波 USC- 脉宽调制器的输出（ U S r +U △ ） 调制波形图: （4） 开关功率放大器 主回路：可逆H型双极式PWM开关功率放大器 电路图: 由四个大功率晶体管（GTR）T 1 、T 2 、T 3，T4 及四个续流二极管组成的桥式电路。 H型： 又分为双极式、单极式和受限单极式三种。Ub1、 Ub2，Ub3，Ub4 –为调制器输出，经脉冲分配、基极驱动转换过来的脉冲电压。分别加到T1 、T2、T3 、T4的基极 (5) 工作原理 T1 和T4 同时导通和关断，其基极驱动电压Ub1= Ub4。T2和T3同时导通和关断，基极驱动电压Ub2= Ub3 = –Ub1。以正脉冲较宽为例， 既正转时。 负载较重时： ①电动状态：当0≤t ≤ t1时， Ub1、Ub4为正， T1 和T4 导通；Ub2、Ub3 为负， T2和T3截止。电机端电压UAB=US，电枢电流id= id1，由US→ T1 → T4 → 地。 ②续流维持电动状态：在t1 ≤t ≤ T时， Ub1、Ub4为负， T1 和T4截止； Ub2、Ub3 变正，但T2和T3并不能立即导通，因为在电枢电感储能的作用下，电枢电流id= id2，由D2→ D3续流，在D2、 D3 上的压降使T2 、 T3的c-e极承受反压不能导通。 UAB=-US。接着再变到电动状态、续流维持电动状态反复进行，如上面左图。 负载较轻时： ③反接制动状态，电流反向：② 状态中，在负载较轻时，则id小，续流电流很快衰减到零，即t =t2 时（见上面右图），id=0。在t2 ～ T 区段， T2 、T3 在US 和反电动势E的共同作用下导通，电枢电流反向，id= id3 由US→ T3 → T2 → 地。电机处于反接制动状态。 ④电枢电感储能维持电流反向：在T ～ t3区段时，驱动脉冲极性改变， T2 、T3截止，因电枢电感维持电流， id= id4，由D4→ D1。 ⑤电机正转、反转、停止： 由正、负驱动电压脉冲宽窄而定。 当正脉冲较宽时，既t1> T/2，平均电压为正，电机正转； 当正脉冲较窄时，既t1< T/2 ，平均电压为负，电机反转； 如果正、负脉冲宽度相等，t1=T/2 ，平均电压为零，电机停转。 ⑥电机速度的改变： 电枢上的平均电压UAB越大，转速越高。它是由驱动电压脉冲宽度决定的。 (6) PWM调速系统的特点 ①频带宽、频率高：晶体管“结电容”小，开关频率远高于可控（50Hz)，可达2-10KHz。快速性好。 ② 电流脉动小：由于PWM调制频率高，电机负载成感性对电流脉动有平滑作用，波形系数接近于1。 ③ 电源的功率因数高: SCR系统由于导通角的影响，使交流电源的波形畸变、高次谐波的干扰，降低了电源功率因数。 PWM系统的直流电源为不受控的整流输出，功率因数高。 ④动态硬度好:较正瞬态负载扰动能力强，频带宽，动态硬度高。 2、CPU的选择 （1）、A789（52）单片机的原理图 （2）、A789（52）单片机的作用 ①、作为系统的总控制器，发出指令脉冲。 ②、处理速度和位移传感器的反馈信息，实现对系统的闭环控制。 七、工作台系统的功能框图 指令 单片机 驱动器 直流步进电机 减速器 丝杠 工作台 增量式旋转编码器 位置 光栅传感器 八、工作台装配图的绘制 九、部分源代码 #include sbit pls1=P1^0; sbit dir1=P1^1; sbit en1=P1^2; sbit pls2=P1^3; sbit dir2=P1^4; sbit en2=P1^5; sbit pls3=P2^0; sbit dir3=P2^1; sbit en3=P2^2; #define N 1 void maichong(int Z,int x,int y); void delay(int z); void main() { int z=400; en1=1; en2=1; en3=1; while(1){ maichong(400,1,0); maichong(400,1,1); maichong(400,2,0); maichong(400,2,1); maichong(400,3,0); maichong(400,3,1); maichong(400,3,1); maichong(400,3,0); maichong(400,2,1); maichong(400,2,0); maichong(400,1,1); maichong(400,1,0); } } void maichong(int z,int x,int y) { switch(x) { case 1: dir1=y; while(z--) { pls1=1; delay(N); pls1=0; delay(N); } break; case 2: dir2=y; while(z--) { pls2=0; delay(N); pls2=1; delay(N); } break; case 3: dir3=y; while(z--) { pls3=0; delay(N); pls3=1; delay(N); } break; } } void delay(int z) { int x,y; for(y=z;y>0;y--) for(x=110;x>0;x--) 十、感悟与总结 我们这个工作台机电系统的设计基于我们大学生创新与创意活动项目“一种基于推拉软轴的空间柔性灵巧机械手机械手”。刚开始接触完全不懂得怎么去设计电系统，就连让电机转动我们都不会。后来我们就查找各种资料，向优秀的学长老师请教，慢慢的就学会了把课本的知识和实际应用结合起来。由于我们的进度问题，工作台本是六自由度，现在只展示了三自由度平动的设计，另外三自由度转动我们采用的电机是舵机，还在调试和研究中。尽管浏览全文，我们工作台的机电一体化设计还存在很多缺点，比如光栅传感器的选型问题和脉宽调制技术PWM的应用程序等问题，但是我们会努力学习，把所学知识和实践紧密结合，争取把六自由度的工作台和机械手的控制完成。 十一、参考文献 《微型计算机原理与应用》 杨有军 《MCS-51/98单片机原理及应用》 赵长德 《机电一体化设计基础》 郑堤 《机电一体化产品设计》 赵松年  THANKS !!! 致力为企业和个人提供合同协议，策划案计划书，学习课件等等 打造全网一站式需求 欢迎您的下载，资料仅供参考 -可编辑修改-