机电一体化大作业资料讲解

机电一体化大作业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 (8)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 (28)九、部分源代码 (28)十、感悟与总结 (32)十一、参考文献 (33)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(X e,Y e)，坐标单位为脉冲当量。

①、偏差函数将直线OA的方程X Y -X eY e=0改写成Y X e-X Y e=0设加工时机械手位置为P(X i,Y i)点，取偏差函数为F i= Y i X e-X i Y e (2-1)则当P点在直线上时，F i=0；当P点在直线上方时，F i>0；当P点在直线下方时，F i<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(X i,Y i)已有的偏离。

因此：当P点在直线上方，即F i>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F i<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F i=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F i≥0，向X轴正方向走一步，则P点新的位置坐标及偏差为{X i+1=X i+1Y i+1=y iF i+1=Y i X e−X i+1Y e=F i−Y e（2-2）若F i<0，向Y轴正方向走一步，则P点新的位置坐标及偏差为{X i+1=X i Y i+1=Y i+1F i+1=Y i+1X e−X i Y e=F i+Y e（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=X e+Y e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F m=1300N，丝杠工作长度l=0.5m，平均转速n m=100r/min，最大转速n max=10000r/min，使用寿命L h∙=15000h，材料为C r WMn钢，传动精度要求σ=±0.01mm。

（1）、求计算载荷F c：查表2-6——2-8得：k F=1.2，k H=1.0，k A=1.0，∴F c=k F k H k A F m=1.2×1.0×1.0×1300=1560N（2）、计算额定动载荷计算值C a ´:C a ´=F c ·√n m ×L h 1.67×1043=1560×√100×150001.67×1043=7029N 。

（3）、根据 C a ´选择滚珠丝杠副假设选用F c1型号，按滚珠丝杠副的额定动载荷C a 等于或稍大于C a ´原则，查表2-9，选用F c1-2005-2.5，C a =8030N 。

得丝杠副数据为：公称直径 D o =20mm ，导程 P=5mm ，螺旋角 λ=4°33′，滚珠直径 d o =3.175mm 。

按课本表2-1中尺寸公式计算：滾道半径 R=0.52× d o =0.52×3.175=1.651mm ，偏心距 e=0.07×(R-d o2)= 0.07×(1.651-3.1752)=4.445×10−3mm ，丝杠内径 d 1=D o +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 I a =πd 1464=3.14×(0.01671m)464=3.83×10−9m 4，刚弹性模量E=206G P a ，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F cr : F cr =π²E I a (μl)²=π²×206×109×3.83×10−9(23×0.5)²=70011N ，安全系数 S=F cr F m=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=F m× D o2×tan(λ+P)，这里取tan P=0.0015，则P=8′40″。

所以 T=1300×20×10−32×tan(4°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：J C=π32d14=π32×0.016714=7.65×10−9m4丝杠切变模量，钢G=83.3G p a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·T 2πG J C = 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。