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1、目录第一章 设计任务2题目：机电传动单向数控平台设计2任务：2主要参数：2设计任务明细：2第二章 总体方案设计32.1 电机驱动方式的选择32.2 机械传动方式的选择42.3 电气控制方式选择5第三章 机械传动系统设计73.1 同步带传动设计计算73.2 直流伺服电机选型83.3滚动轴承选型设计113.4联轴器的选型设计123.5滑动导轨的选择12第四章 电气控制系统设计124.1单片机与PWM功放器的接口124.2速度反馈及接口14主程序流程图15中断子程序流程图16第五章 结论18参考书目：19第一章 设计任务题目：机电传动单向数控平台设计任务：1、电机驱动方式：直流伺服电机 2、机械传动
2、方式：同步皮带 3、电气控制要求：单片机控制 4、功能控制要求：速度控制主要参数：单向工作行程500mm；移动负载质量100kg;负载移动阻力100N；移动速度控制0.5m/s;控制精度要求1/1000。设计任务明细：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（A2一张）。3）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（A3图一张）。第二
3、章 总体方案设计2.1 电机驱动方式的选择直流伺服电机是用直流电信号控制的私服电机，其转子的机械运动受输入电信号的控制作快速反应，多作为执行元件，应用非常广泛。直流伺服电机的原理： 根据电磁学基本知识可知， 载流导体在磁场中要受到电磁力的作用。 如果导体在磁场中的长度为l, 其中流过的电流为i， 导体所在处的磁通密度为B， 那末导体受到的电磁力的值为： F=Bli 式中， F的单位为牛顿(N)； B的单位为韦伯/米2(Wb/m2); l的单位为米(m); i的单位为安培(A)； 力F的方向用左手定则来确定。作出图中N、 S极下各根导体所受电磁力的方向， 如图中箭头所示。 电磁力对转轴形成顺时针
4、方向的转矩， 驱动转子而使其旋转。 由于每个磁极下元件中电流方向不变， 故此转矩方向恒定， 称为直流电动机的电磁转矩。 如果电机轴上带有负载， 它便输出机械能， 可见直流电动机是一种将电能转换成机械能的电气装置。2.2 机械传动方式的选择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。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
5、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，
6、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。2.3 电气控制方式选择伺服系统是一个闭环的自动控制系统，在伺服控制系统中，单片机除了要控制系统的功率主回路外，同时还要实时监测系统的状态。典型的伺服系统如图1所示。对于单片机而言，除了对PWM功放电路进行控制外，还要接受速度变
7、化信号、位置变化信号，并对这些信号进行处理，再产生信号去控制PWM功率放大器工作，驱动伺服电机运行在给定的状态。控制系统是以单片机为控制器，以测速发电机为速度反馈元件，驱动装置为大功率晶体管PWM功率放大器，执行电机为直流伺服电机。其硬件原理框图为图2。速度检测元件采用测速发电机，测速发电机有输出电压与转速线性的特点，它把转速转换成电压后，再由AD转换器ADC080转换成数字信号，送人单片机。测速发电机由直流伺服电机带动的。单片机处理给定量与上面检测元件的测量量的偏差，处理后，输出控制信号，经DA转换器0832后，把数字信号转变为模拟电压，再经放大器放大后，去控制PWM功率放大器工作，进而控制
8、直流电机向着预定的方向转动。第三章 机械传动系统设计3.1 同步带传动设计计算序号计算项目计算依据计算结果1传递的功率Pm：主动轮转速n1从动轮转速n2Pm=fv=0.05kW电机直接驱动主动轮，初选电机转速为2000r/min主带轮直径等于从带轮直径Pm=0.05kWn1=2000r/minn2=2000r/min2带的设计功率Pd:Pd=K1(1+K2)(1+K3)Pm=2Pm=0.1kWPd=0.1kW3选择带型和节距选定带型为XL型，节距Pb=5.08mmPb=5.08mm4小带轮齿数Z1小带轮节圆直径d1小带轮最少齿数为12个Z1=125同步带传动速度v：6大轮节圆直径d27同步带节
9、线长度Lp同步带齿数Zb中心距CC初选为500mm取Lp=1524mm8小带轮的啮合齿数9许用圆周力Ta单位长度质量m允许传递的功率Ta=50.17NTa=50.17N10基准带宽啮合系数同步带宽度11齿宽系数带的工作能力工作能力满足要求3.2 直流伺服电机选型（1） 稳定运行时的转矩M1（2） 加速运行时转矩M2带轮折算到电机轴上的转动惯量，取带轮质量为2kg负载和工作台折算到电机轴上的转动惯量,取工作台质量为20kg同步带折算到电机轴上的转动惯量折算到电机轴上的总转矩为加速时产生的转矩（3） 减速运行时的转矩M3（4） 运行过程电机的等效转矩电机运行图：电机力矩周期图：（5） 加速功率（6
10、） 电机额定运行功率考虑到直流伺服电机的过载系数，设为则： 电机额定运行功率 （7） 电机稳定运行时的转速为：根据电机的额定运行功率和稳定运行时的转速选取直流伺服电动机的型号为：130额定功率为：额定转速为：滚动轴承选型设计序号计算项目计算依据计算结果当量载荷根据轴的内径暂选深沟球轴承额定动载荷为，额定静载荷为轴向力为，径向载荷轴承有轻微载荷，载荷系数为轴承寿命轴承温度不高，温度系数为符合要求联轴器的选型设计选取凸缘联轴器，根据轴径选取型号为：许用转矩为：联轴器的计算转矩为：符合要求。滑动导轨的选择滑动导轨组合形式采用矩形三角形组合，她兼有导向性好、制造方便和刚度高的优点。承载能力优于双三角组
11、合，导向性优于双矩形组合，工艺性介于两者之间，应用广泛。第四章 电气控制系统设计 伺服系统是一个闭环的自动控制系统。在单片机控制的伺服系统中，单片机除了要控制系统的功率回路外，还要实时监测伺服系统的状态。系统包括PWM功率放大器以及速度负反馈等环节。单片机的作用是对PWM功率放大器进行控制，接受速度变化信号，并对其进行处理，产生的控制信号控制PWM功率放大器工作，使伺服电机运行在给定的状态。单片机与PWM功放器的接口用单片机控制伺服电动机，最简单的方法是控制系统先求出控制量，将这个控制数据送到D/A转换器DAC0832中，将数字量转换为模拟电压，控制PWM功放器工作，如图所示： 将单片机的数据
12、总线D0-D7和DAC0832的数据输入端DI0-DI7相连。单片机写信号WR直接与DAC0832的控制端WR1、WR2、传送控制端XFER相连。单片机的高位地址AD15用于选择ADC0809，当AD15=1时，DAC0832被选中。 D/A转换器DAC0832和运放器IC（ADOP-07）组成一个完整的转换电路，它可以将数字转换为的模拟信号电压。和之间采用一种特殊的链接方法，运放器是一个放大倍数为的放大器，其放大倍数为，如果希望运算放大器的输出变化范围增大，只需改变的放大倍数，即与的比值。如果伺服系统仅进行单向旋转，亦可省去，只用输出的信号控制功放器。是以电流开关方式进行转换的，其转换结果以
13、电流形式在、端输出。、接到运放器的两个输入端，该放大器的输出接反馈电阻，即由运放器把的输出、的信号转换为电压信号输出。运放器输出信号的极性和大小与的端外接电压有关。运放器的输出电压为：式中：为单片机送入的数据。如果以开关方式进行转换，转换器的参考电压必须接在、端（接地、接正电压），的转换结果以电压形式在端输出。、端的参考电压是，故端的输出电压为：运算放大器的负输入端由电阻和稳压管组成的稳压源，正输入端接入的输出的电压。运算放大器的放大系数，当时，的输出为；在时，的输出，将和结合起来，输出为：图中，的稳压，单片机送入的数据从时，的输出电压从变化。单片机经过转换器和运算放大器之后，可产生和控制数据
14、对应的控制电压，控制功放器，使伺服电机实现正转、反转、定位停止。速度反馈及接口用测速发电机作速度监测元件时，测速发电机电枢电压与转速的关系为式中：为负载电阻；为电枢电阻；为每极磁通；为电势常数；为测速发电机转子转速。对测速发电机来说，、是常数，只要保持不变，输出电压和转速为线性关系，即：下图为速度反馈接口电路：测速发电机与伺服电动机之间没有减速装置，故他们的转速相同，测速发电机输出电压经过组成的滤波环节后，滤去由转向器、电刷、加工误差引起的波纹，这样电位器RP两端将是稳定的直流电机，调节W的位置，可得测速发电机在最大转速时，所取得的电压为5V。R1的作用是防止过大的电流流入DAC0832的模拟
15、输入端INO。 测速发电机的模拟电压信号经ADC0809转换为数字信号。单片机与ADC0809采用常规连接方法。当时，选中ADC0809由WR信号启动A/D转换。ADC0809的接地，只用模拟输入端INO工作。ADC0809在转换完毕后，发转换结束信号EOC到单片机的中断请求端INT，单片机响应中断后立即取ADC0809的转换结果，再发信号RD到ADC0809的OE端，使ADC0809的转换结果从送入单片机ADC0809所用的时钟信号CLK为500KHz。单片机控制流程图：主程序流程图中断子程序流程图第五章 结论同步带传动是利用齿形带的齿形与带轮的轮齿相啮合传递运动和动力的。它兼有带传动、齿轮
16、传动和链传动的特点，能方便的实现较远中心距地传动，具有传动比准确、无相对滑动、传动效率高、传动平稳、能吸收震动、噪声小、无需特别张进、无需润滑、维护保养方便等优点，利用于数控平台的传动有很大的优势。 用单片机作为控制器的数字伺服控制系统，有体积小、可靠性高、经济性好等明显优点。利用单片机灵活的编程及接口设计可以方便地实现直流伺服电机的速度设定、反馈及PWM输出控制，从而实现一种经济实用的直流伺服电机PWM控制系统。本课程设计对数控平台动系统采用了同步带传动，对控制系统采用了单片机控制，使数控平台具有精度高，控制简单等优点。本课程设计主要完成了一下工作：1、 根据机电一体化技术手册，选定手册推荐
17、的设计方案，并通过对同步带、轴承、直流伺服电机、联轴器等进行一系列的选择、校核、完成机械传动系统及主要部件结构设计，并画出装配图一张，零件去两张。2、 根据系统控制要求，采用单片机控制直流伺服电机PWM控制系统，参考相关书目，完成了电气控制部分的选型和控制电路的设计，并画出电气图一张。参考书目：1 杨黎明主编.电一体化系统设计手册.国防工业出版社,20052 程志红,唐大放主编.机械设计课程上机与设计.东南大学出版社.20063 李爱军,曾维鑫主编.画法几何及机械制图.中国矿业大学出版社,20034 李朝青主编.单片机原理及接口技术.北京航空航天大学出版社，20075谢桂林，黄章主编.电力拖动与控制.中国矿业大学出版社，20046林述温主编.机电装备设计.机械工业出版社，20027赵先仲主编.机电系统设计.机械工业出版社，20048.
