机电一体化系统设计课程设计

机电一体化系统设计课程设计说明书

（小幅面平板式二维绘图仪画笔驱动系统）

目录

目录................................................................................................................... - 2 - 中文摘要................................................................................................................... - 4 -

一、课程设计的目的............................................................................................... - 5 -

二、设计任务........................................................................................................... - 5 -

三、总体方案的确定............................................................................................... - 5 -

四、机械传动部件的设计与选型........................................................................... - 6 -

1．滚珠丝杆副的选型与计算........................................................................... - 6 - 2．电机的选型与计算....................................................................................... - 8 -

3、轴承的选择与验算..................................................................................... - 11 -

4．联轴器的选用............................................................................................. - 12 - 5．滚动直线导轨选择，计算和验算............................................................. - 12 - 6．密封和润滑................................................................................................. - 13 -

五、机械控制系统原理及电路设计..................................................................... - 13 -

1、设计要求..................................................................................................... - 13 -

2、方案分析..................................................................................................... - 13 -

3、单片机系统与步进电动机驱动器之间的接口方法................................. - 14 -

4、步进电动机驱动电源的选用..................................................................... - 15 -

六、设计结论......................................................................................................... - 18 -

七、个人总结......................................................................................................... - 21 -

八、参考文献......................................................................................................... - 22 -

中文摘要

模块化的小幅面平板式单坐标画笔驱动系统，通常由导轨座、移动滑块、工作平台、滚珠丝杠副，以及伺服电动机等部件组成。其外观形式如图1-1所示。其中，伺服电动机作为执行元件用来驱动滚珠丝杠，滚珠丝杠的螺母带动滑块和工作平台仔导轨上运动，完成工作台在X方向的直线移动，调动画笔的高度从而实现直线的生成。导轨副、滚珠丝杠螺母副和伺服电动机等均已标准化，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，可以选用标准的工业控制计算机，也可以设计专门的微机控制系统。

图1—1

一、课程设计的目的

1）学习机电一体化系统总体设计方案拟定、分析与比较的方法。

2）通过对机械系统的设计掌握几种典型传动元件与导向元件的工作原理、设计计算方法与选用原则。齿轮同步带减速装置、蜗杆副、滚珠丝杠螺母副、直线滚动导轨副等。

3）通过对进给伺服系统的设计，掌握常用伺服电动机的工作原理、计算选择方法与控制驱动方式，学会选用典型的位移速度传感器；如交流、步进伺服进给系统，增量式旋转编码器，直线光栅等。

4）通过对控制系统的设计，掌握一些典型硬件电路的设计方法和控制软件的设计思路；如控制系统选用原则、CPU选择、存储器扩展、I/O接口扩展、A/D与D/A配置、键盘与显示电路设计等，以及控制系统的管理软件、伺服电机的控制软件等。

5）培养学生独立分析问题和解决问题的能力，学习并初步树立“系统设计”的思路。

6）锻炼提高学生应用手册和标准、查阅文献资料以及撰写科技论文的能力。

二、设计任务

题目：小幅面平板式绘图仪画笔驱动系统的设计

主要参数如下：

工作台面尺寸为300mm×300mm，可绘图范围105mm×142.5mm（A6图纸）。

X、Y方向的定位精度均为±0.2mm。

加工材料为碳素钢或有色金属。

机架用板金/ 铸铝/ 注塑件

外壳采用注塑件

传动系统采用：同步齿形带/ 钢丝/ 其他

X、Y电机采用步进电机

三、总体方案的确定

（1）导轨副的选用

要设计的X-Y工作台是用来配套轻型的画笔的，需要承受的载荷非常小，但脉冲当量小、定位精度高，因此，决定选用直线滚动导轨副，它具有摩擦系数小、不易爬行、传动效率高、机构紧凑、安装预紧方便等优点。

（2）丝杠螺母副的选用

伺服电动机的旋转运动需要通过丝杠螺母副转换成直线运动，要满足±0.2mm的定位精度，滑动丝杠副无能为力，只有选择滚珠丝杠副才能达到。滚珠丝杠副的传动精度高、动态响应快、运转平稳、寿命长、效率高，预紧后可消除反向间隙。

（3）伺服电动机的选用

任务书规定的脉冲当量尚未达到0.001mm，定位精度也未达到微米级，最快移动速度也不高。因此，本设计不必采用高档次的伺服电动机，如交流伺服电动机或直流伺服电动机等，可以选用性能好一些的步进电动机，如混合式步进电动机，以降低成本，提高性价比。