機(jī)電一體化大作業(yè)

三自由度平動機(jī)械手工作臺機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計科目：機(jī)電一體化班級：機(jī)械工程五班成員：羅欣201325070530盧國文201325070501趙效魯201325070509賈靜然201325070502目錄一、設(shè)計任務(wù) 31、 題目 32、 任務(wù) 33、 主參數(shù) 3二、產(chǎn)品總功能的確定 41、單坐標(biāo)定位。 42、三平面直線插補(bǔ)和圓弧插補(bǔ)。 4三、總體方案的確定 71、機(jī)械傳動部件的選擇 72、動力裝置的選擇 73、.檢測與傳感裝置的選擇 84、.控制與信息處理裝置的選擇 8四、機(jī)械傳動部件的計算與選型 91、滾珠絲杠螺母副的計算與選型 92、步進(jìn)電機(jī)的計算與選型 12五、檢測與傳感裝置的計算與選型 151、速度的檢測與傳感裝置 15、2.位移的檢測與傳感裝置 17六、控制與信息處理裝置的選擇 201、 速度控制 202、CPU的選擇 26七、工作臺系統(tǒng)的功能框圖 27八、工作臺裝配圖的繪制 27九、部分源代碼 28十、感悟與總結(jié) 32十一、參考文獻(xiàn) 32

一、設(shè)計任務(wù)題目三自由度平動機(jī)械手工作臺機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計任務(wù)設(shè)計一種適用于機(jī)械手空間平動的工作臺主參數(shù)（1）、X、Y、Z方向脈沖當(dāng)量：?x=?y=?z（2）、X、Y、Z方向的定位精度均為：±0.01mm（3）、工作臺空載最快移動速度：?xmax=?ymax=（4）、工作臺負(fù)載最快移動速度：?xmax=?ymax=（5）、工作臺空間尺寸：500mm×500mm×500mm（6）、工作臺工作空間尺寸：400mm×400mm×400mm（7）、空載啟動時間：Δt=25ms二、產(chǎn)品總功能的確定1、單坐標(biāo)定位。2、三平面直線插補(bǔ)和圓弧插補(bǔ)。本例中采用逐點比較法進(jìn)行直線和圓弧的插補(bǔ)逐點比較法插補(bǔ)的基本原理逐點比較法插補(bǔ)的基本思路是：在從起點到終點的路程中，根據(jù)機(jī)械手當(dāng)前位置與給定軌跡的偏離情況，并為消除這個偏離，在其中一個坐標(biāo)軸上走一小步，這樣一步步直到終點，每一步都是用給定軌跡對實際軌跡進(jìn)行修正。每一步作為一個插補(bǔ)計算循環(huán)。插補(bǔ)循環(huán)一般由偏差判別、坐標(biāo)進(jìn)給、偏差函數(shù)計算和終點判別四個工作節(jié)拍組成。=1\*GB3①、偏差判別首先要判斷機(jī)械手當(dāng)前點與其要求的運(yùn)動軌跡的偏離情況。具體方法是根據(jù)要求的運(yùn)動軌跡設(shè)計一個偏差函數(shù)，該偏差函數(shù)是機(jī)械手坐標(biāo)的函數(shù)，其函數(shù)值反映偏離情況。=2\*GB3②、坐標(biāo)進(jìn)給根據(jù)上面判斷的結(jié)果，發(fā)出一個進(jìn)給指令脈沖，控制機(jī)械手沿相應(yīng)坐標(biāo)軸產(chǎn)生一個脈沖當(dāng)量的位移。進(jìn)給脈沖分配給哪一個坐標(biāo)軸，正向還是負(fù)向，總的原則是用這個位移的結(jié)果糾正已有的偏離。=3\*GB3③、偏差函數(shù)計算用新的機(jī)械手位置坐標(biāo)重新計算偏差函數(shù)的值。=4\*GB3④、終點判別判斷機(jī)械手點是否到達(dá)軌跡的終點，如到達(dá)軌跡終點則插補(bǔ)結(jié)束，否則重復(fù)開始下一個插補(bǔ)循環(huán)。（2）、逐點比較法直線插補(bǔ)（注：1.本例只介紹直線插補(bǔ)的方法，圓弧插補(bǔ)原理相似2.本例插補(bǔ)平面以水平面為例）為插補(bǔ)計算方便，通常建立與工作臺坐標(biāo)系平行的插補(bǔ)坐標(biāo)系，插補(bǔ)坐標(biāo)系與工作臺坐標(biāo)系是簡單的平移變換關(guān)系。直線插補(bǔ)時，插補(bǔ)坐標(biāo)原點選在直線起點上。在直線插補(bǔ)指令中，若終點坐標(biāo)采用增量坐標(biāo)給出，則與插補(bǔ)坐標(biāo)系下坐標(biāo)一致。下面討論機(jī)械手運(yùn)動軌跡為XOY平面上第一象限直線的插補(bǔ)。如下圖所示，直線OA，起點O(0，0)，終點A(Xe,=1\*GB3①、偏差函數(shù)將直線OA的方程XY-X改寫成YXe-XY設(shè)加工時機(jī)械手位置為P(Xi,Fi=YiX則當(dāng)P點在直線上時，F(xiàn)i=0當(dāng)P點在直線上方時，F(xiàn)i>0當(dāng)P點在直線下方時，F(xiàn)i<0=2\*GB3②、進(jìn)給脈沖分配進(jìn)給脈沖分配應(yīng)使對應(yīng)的坐標(biāo)位移的結(jié)果糾正機(jī)械手位置P(Xi,Yi)已有的偏離。因此：當(dāng)P點在直線上方，即Fi>0時，向+X方向分配一個進(jìn)給脈沖，即向X軸正方向走一步（一個脈沖當(dāng)量的位移），簡記為+ΔX；當(dāng)P點在直線下方，即Fi<0時，向+Y方向分配一個進(jìn)給脈沖，即向Y軸正方向走一步，簡記為+ΔY；當(dāng)P點在直線上，即Fi=3\*GB3③、偏差函數(shù)的遞推計算由上述可知，若Fi≥0，向X軸正方向走一步，則PXi+1=Xi若Fi<0，向Y軸正方向走一步，則PXi+1=Xi采用遞推計算式（2-2）、式（2-3）代替式(2-1)計算偏差函數(shù)，既可以簡化計算，又可以縮短插補(bǔ)時間。=4\*GB3④、終點判別一般常用插補(bǔ)循環(huán)或進(jìn)給的總步數(shù)來判斷是否到達(dá)終點。設(shè)插補(bǔ)循環(huán)或進(jìn)給的總步數(shù)為E，顯然有E=X最簡單的方法是每進(jìn)行一次插補(bǔ)循環(huán)，就對E進(jìn)行一次減1運(yùn)算，當(dāng)E等于0時，表明到達(dá)終點，插補(bǔ)結(jié)束。三、總體方案的確定1、機(jī)械傳動部件的選擇（1）、絲杠螺母副的選擇根據(jù)設(shè)計及參數(shù)要求，該傳動副能將電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動，且應(yīng)滿足0.005mm的脈沖當(dāng)量和±0.01mm的定位精度。由于滾珠絲杠螺母副效率高、精度高、響應(yīng)快等特點，則應(yīng)選擇滾珠絲杠副。（2）、導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的選擇由于機(jī)械手負(fù)荷并不大，且工作臺脈沖當(dāng)量小，定位精度高，因此選用直線滾動導(dǎo)軌副。它具有摩擦阻力小、移動效率高、安裝預(yù)緊方便等特點。（3）、減速裝置的選用為圓整脈沖當(dāng)量，放大電動機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩，降低運(yùn)動部件折算到電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的轉(zhuǎn)動慣量，需要具有消隙結(jié)構(gòu)的減速裝置。因此采用無間隙齒輪傳動減速裝置。2、動力裝置的選擇由于直流伺服電動機(jī)具有響應(yīng)迅速、精度和效率高、調(diào)速范圍寬、負(fù)載能力大、控制特性好等特點。因此采用直流伺服電動機(jī)。3、.檢測與傳感裝置的選擇（1）、電機(jī)轉(zhuǎn)速檢測裝置因增量式旋轉(zhuǎn)編碼器在角度測量和角速度測量較絕對式旋轉(zhuǎn)編碼器具有更廉價和簡易的優(yōu)勢，因此采用增量式旋轉(zhuǎn)編碼器。（2）、位移檢測裝置因為光柵式傳感器量程大、精度高，廣泛應(yīng)用于程控、數(shù)控機(jī)床和三坐標(biāo)測量的機(jī)構(gòu)體，因此采用光柵式傳感器。4、.控制與信息處理裝置的選擇（1）、電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制采用晶體管脈寬調(diào)制（PWM）調(diào)速，這種調(diào)速方式有頻率高，電流脈動小，電源的功率因數(shù)高和動態(tài)硬度好等特點。（2）、控制系統(tǒng)的選用=1\*GB3①、CPU的選用為滿足任務(wù)書給定的相關(guān)參數(shù)，和對步進(jìn)電機(jī)的半閉環(huán)控制，選用MCS-51系列的8位單片機(jī)，AT89(52)作為控制系統(tǒng)的CPU。=2\*GB3②、其余輔助裝置的選用驅(qū)動器、電源開關(guān)、存儲器、I/D接口電路、A/D轉(zhuǎn)換電路等。注：由于工作臺在X、Y、Z三方向的加工范圍及工作載荷相近，為減少設(shè)計量，X、Y、Z三方向的機(jī)械傳動、檢測與傳導(dǎo)裝置、控制裝置以及電機(jī)的選用均相同。四、機(jī)械傳動部件的計算與選型1、滾珠絲杠螺母副的計算與選型已知平均工作載荷Fm=1300N，絲杠工作長度l=0.5m，平均轉(zhuǎn)速nm=100r/min，最大轉(zhuǎn)速nmax=10000r/min，使用壽命Lh?=15000h，材料為CrWMn（1）、求計算載荷Fc查表2-6——2-8得：kF=1.2，kH=1.0，k∴Fc=kFkHkAF（2）、計算額定動載荷計算值CaCa′=Fc·3（3）、根據(jù)Ca′假設(shè)選用Fc1型號，按滾珠絲杠副的額定動載荷Ca等于或稍大于Ca′原則，查表2-9，選用得絲杠副數(shù)據(jù)為：公稱直徑Do=20mm，導(dǎo)程P=5mm，螺旋角λ=4°33′，滾珠直徑d按課本表2-1中尺寸公式計算：滾道半徑R=0.52×do偏心距e=0.07×(R-do2)=0.07×(1.651-3.1752絲杠內(nèi)徑d1=Do+2e-2R=20+2×4.445×10（4）、穩(wěn)定性驗算絲杠危險截面的軸慣性矩Ia=πd1464剛彈性模量E=206GPa，μ為長度系數(shù)，即μ=2則絲杠不會發(fā)生失穩(wěn)的最大載荷即臨界載荷FcrFcr=π2E安全系數(shù)S=FcrFm（5）、剛度校核轉(zhuǎn)矩T=Fm×Do2×所以T=1300×絲杠截面積A=1絲杠的極慣性矩：J絲杠切變模量，鋼G=83.3Gp則滾珠絲杠在工作負(fù)載和轉(zhuǎn)矩共同作用下每個導(dǎo)程的變形量Δl0Δl0=PFEA+P2·T則絲杠在工作長度上的彈性變形引起的導(dǎo)程誤差為：ΔL=l×Δl0通常要求絲杠的導(dǎo)程誤差ΔL小于其傳動精度的12ΔL<12（6）、效率驗算滾珠絲杠副的傳動效率η為：η=tanλtan所以經(jīng)上述計算驗證Fc12、步進(jìn)電機(jī)的計算與選型（1）、初選步進(jìn)電機(jī)的型號根據(jù)設(shè)計任務(wù)，要求有脈沖當(dāng)量δp=0,005mm/脈沖，定位精度為±0.01mm，為滿足要求初選電機(jī)型號為57HS10042A4，步進(jìn)角α=1.8（2）、減速器傳動比計算I=αP300δp按最小慣量條件，從課本圖5-32,5-34查得減速器應(yīng)采用二級傳動。（3）、齒輪減速箱的確定傳動比可分別取為i1=2i2=2.5，選各傳動齒輪齒數(shù)分別為Z1=20，Z2=40，Z3=20，Z4（4）、電動機(jī)軸上總當(dāng)量負(fù)載轉(zhuǎn)動慣量計算取坐標(biāo)等效直徑為Φ16mmJZ1=JZ3=π×7.8×103JZ2=π×7.8×103JZ4=π×7.8×103Js=π×7.8×103×將各傳動件的轉(zhuǎn)動慣量折算到電動機(jī)軸上，得當(dāng)量負(fù)載轉(zhuǎn)動慣量：Jd=JZ1+1i2(JZ2=7.84×10-4+125×(0.0125+0.0306)+1=5.75×10-5㎏·m（4）、慣量匹配驗算電動機(jī)轉(zhuǎn)動慣量Jm=6.8×10-5㎏·Jd即滿足14≤（5）、步進(jìn)電機(jī)負(fù)載能力校驗步進(jìn)電機(jī)軸上得總慣量:J=Jm+Jd=5.75×10-5+6.8×10-5空載啟動時，電動機(jī)上的慣性轉(zhuǎn)矩：Tj=J×S=J×2πip×WmaxΔt=1.255×10電動機(jī)軸上的當(dāng)量摩擦轉(zhuǎn)矩：Tμ=P2πηi×mg·μ=0.005其中，設(shè)進(jìn)給傳動鏈的總效率η=0.8，因預(yù)緊力而引起的折算到電動機(jī)軸上的當(dāng)量摩擦轉(zhuǎn)矩為：To=P2πηi×Fo×(1-η2)=P2πηi×Fwmax2×(1-=0.020N·m，工作臺上的最大載荷折算到電動機(jī)軸上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩為：Tw=P2πηi所以空載啟動時，電動機(jī)軸上的總負(fù)載轉(zhuǎn)矩為：Tq=Tj+Tμ在最大外載荷工作時，電動機(jī)軸上的總負(fù)載轉(zhuǎn)矩為：Tl=Tw+Tμ查表5-5得恐再啟動時所需電動機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩為：Ts1=Tq在最大外載荷下工作時所需電動機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩為：Ts=Tl所選電動機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩Ts∵Ts>Ts1∴步進(jìn)電動機(jī)可不失步的正常啟動。開環(huán)工作臺機(jī)械傳動的框圖如下所示：指令指令驅(qū)動電動機(jī)減速器絲杠工作臺位置五、檢測與傳感裝置的計算與選型1、速度的檢測與傳感裝置（1）、采用增量式旋轉(zhuǎn)編碼器，組裝在電動機(jī)的尾部轉(zhuǎn)軸上，用來檢測電動機(jī)的轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)速。增量式旋轉(zhuǎn)編碼器應(yīng)與步進(jìn)電機(jī)的步矩角相匹配，所選電動機(jī)步距角α=1.8°，可知電機(jī)轉(zhuǎn)動一轉(zhuǎn)時需要控制系統(tǒng)發(fā)出360°1.8°=200個脈沖。考慮到編碼器輸出的A、本例選擇編碼器的型號為2k-A-60-05v0-10-H，盤狀空心型，孔徑10mm，電源電壓±5v，每轉(zhuǎn)輸出50個A/B脈沖，信號為電壓輸出。（2）增量式旋轉(zhuǎn)編碼器的應(yīng)用適應(yīng)帶加減計數(shù)要求的可逆計數(shù)器，形成加計數(shù)脈沖和減計數(shù)脈沖（3）、增量式旋轉(zhuǎn)編碼器檢測系統(tǒng)的組成：增量式旋轉(zhuǎn)編碼器增量式旋轉(zhuǎn)編碼器放大器整形電路四細(xì)分電路脈沖當(dāng)量變換電路計數(shù)器寄存器計算機(jī)辯向電路、2.位移的檢測與傳感裝置（1）、本例中采用光柵式傳感器來測量線位移，使用四細(xì)分技術(shù)使檢測分辨率提高四倍。所選電機(jī)的步矩角為α=1.8°，所以電機(jī)轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)需檢測系統(tǒng)發(fā)出360°1.8°=200個脈沖。因此所選的光柵式傳感器應(yīng)與所選用的電機(jī)相匹配，即選用刻線密度為50（2）透射式長光柵檢測裝置的結(jié)構(gòu)防護(hù)墊2-光柵讀數(shù)頭3-標(biāo)尺光柵1-光源2-準(zhǔn)直鏡3-指示光柵4-光敏4-防護(hù)罩元件5-驅(qū)動線路（3）透射式長光柵傳感器的工作原理莫爾條紋：嚴(yán)格來說：橫向莫爾條紋排列的方向是兩片光柵線紋夾角的平分線相垂直。莫爾條紋的特征：莫爾條紋的變化規(guī)律：兩片兩光柵相對移過一個柵距，莫爾條紋移過一個條紋間距。由于光的衍射和干涉作用，莫爾條紋的變化規(guī)律近似正（余）弦函數(shù)，變化周期數(shù)與兩光柵相對移過的柵距數(shù)同步。放大作用：莫爾條紋寬度W和光柵柵距d，柵線夾角θ之間關(guān)系：由圖可知W=dsinθ又θ很小可認(rèn)為sinθ≈θ故W=d/θ(4)莫爾條紋的細(xì)分技術(shù)（5）、光柵式傳感器檢測系統(tǒng)的組成：光柵式傳感器光柵式傳感器放大器整形電路四細(xì)分電路脈沖當(dāng)量變換電路計數(shù)器寄存器計算機(jī)辯向電路六、控制與信息處理裝置的選擇速度控制本例中采用晶體管脈寬調(diào)制PWM調(diào)速系統(tǒng)對電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制。對速度控制的要求準(zhǔn)?？刂品侄瓤刂坪憔€速度控制（2）、晶體管脈寬調(diào)制PWM調(diào)速系統(tǒng)1）直流脈寬調(diào)制功率放大器中的大功率晶體管工作在開關(guān)狀態(tài)下，開關(guān)頻率保持恒定，用調(diào)整開關(guān)周期內(nèi)晶體管導(dǎo)通時間（即改變基極調(diào)制脈沖寬度）的方法來改變輸出。從而使電機(jī)獲得脈寬受調(diào)制脈沖控制的電壓脈沖，由于頻率高及電感的作用則為波動很小的直流電壓（平均電壓）。脈寬的變化使電機(jī)電樞的直流電壓隨著變化。直流脈寬調(diào)制的基本原理脈寬調(diào)制器同向加法放大器電路圖：USr–速度指令轉(zhuǎn)化過來的直流電壓U△-三角波USC-脈寬調(diào)制器的輸出（USr+U△）調(diào)制波形圖:開關(guān)功率放大器主回路：可逆H型雙極式PWM開關(guān)功率放大器電路圖:由四個大功率晶體管（GTR）T1、T2、T3，T4及四個續(xù)流二極管組成的橋式電路。H型：又分為雙極式、單極式和受限單極式三種。Ub1、Ub2，Ub3，Ub4–為調(diào)制器輸出，經(jīng)脈沖分配、基極驅(qū)動轉(zhuǎn)換過來的脈沖電壓。分別加到T1、T2、T3、T4的基極工作原理T1和T4同時導(dǎo)通和關(guān)斷，其基極驅(qū)動電壓Ub1=Ub4。T2和T3同時導(dǎo)通和關(guān)斷，基極驅(qū)動電壓Ub2=Ub3=–Ub1。以正脈沖較寬為例，既正轉(zhuǎn)時。負(fù)載較重時：①電動狀態(tài)：當(dāng)0≤t≤t1時，Ub1、Ub4為正，T1和T4導(dǎo)通；Ub2、Ub3為負(fù)，T2和T3截止。電機(jī)端電壓UAB=US，電樞電流id=id1，由US→T1→T4→地。②續(xù)流維持電動狀態(tài)：在t1≤t≤T時，Ub1、Ub4為負(fù)，T1和T4截止；Ub2、Ub3變正，但T2和T3并不能立即導(dǎo)通，因為在電樞電感儲能的作用下，電樞電流id=id2，由D2→D3續(xù)流，在D2、D3上的壓降使T2、T3的c-e極承受反壓不能導(dǎo)通。UAB=-US。接著再變到電動狀態(tài)、續(xù)流維持電動狀態(tài)反復(fù)進(jìn)行，如上面左圖。負(fù)載較輕時：③反接制動狀態(tài)，電流反向：②狀態(tài)中，在負(fù)載較輕時，則id小，續(xù)流電流很快衰減到零，即t=t2時（見上面右圖），id=0。在t2～T區(qū)段，T2、T3在US和反電動勢E的共同作用下導(dǎo)通，電樞電流反向，id=id3由US→T3→T2→地。電機(jī)處于反接制動狀態(tài)。④電樞電感儲能維持電流反向：在T～t3區(qū)段時，驅(qū)動脈沖極性改變，T2、T3截止，因電樞電感維持電流，id=id4，由D4→D1。⑤電機(jī)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、停止：由正、負(fù)驅(qū)動電壓脈沖寬窄而定。當(dāng)正脈沖較寬時，既t1>T/2，平均電壓為正，電機(jī)正轉(zhuǎn)；當(dāng)正脈沖較窄時，既t1<T/2，平均電壓為負(fù)，電機(jī)反轉(zhuǎn)；如果正、負(fù)脈沖寬度相等，t1=T/2，平均電壓為零，電機(jī)停轉(zhuǎn)。⑥電機(jī)速度的改變：電樞上的平均電壓UAB越大，轉(zhuǎn)速越高。它是由驅(qū)動電壓脈沖寬度決定的。(6)PWM調(diào)速系統(tǒng)的特點①頻帶寬、頻率高：晶體管“結(jié)電容”小，開關(guān)頻率遠(yuǎn)高于可控（50Hz)，可達(dá)2-10KHz?？焖傩院?。電流脈動?。河捎赑WM調(diào)制頻率高，電機(jī)負(fù)載成感性對電流脈動有平滑作用，波形系數(shù)接近于1。電源的功率因數(shù)高:SCR系統(tǒng)由于導(dǎo)通角的影響，使交流電源的波形畸變、高次諧波的干擾，降低了電源功率因數(shù)。PWM系統(tǒng)的直流電源為不受控的整流輸出，功率因數(shù)高。④動態(tài)硬度好:較正瞬態(tài)負(fù)載擾動能力強(qiáng)，頻帶寬，動態(tài)硬度高。2、CPU的選擇（1）、A789（52）單片機(jī)的原理圖（2）、A789（52）單片機(jī)的作用=1\*GB3①、作為系統(tǒng)的總控制器，發(fā)出指令脈沖。=2\*GB3②、處理速度和位移傳感器的反饋信息，實現(xiàn)對系統(tǒng)的閉環(huán)控制。七、工作臺系統(tǒng)的功能框圖指令指令單片機(jī)驅(qū)動器直流步進(jìn)電機(jī)減速器絲杠工作臺增量式旋轉(zhuǎn)編碼器位置光柵傳感器八、工作臺裝配圖的繪制九、部分源代碼#include<reg52.h>sbitpls1=P1^0;sbitdir1=P1^1;sbiten1=P1^2;sbitpls2=P1^3;sbitdir2=P1^4;sbiten2=P1^5;sbitpls3=P2^0;sbitdir3=P2^1;sbiten3=P2^2;#defineN1voidmaichong(intZ,intx,inty);voiddelay(intz);voidmain(){intz=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(