機電課程設計XY數(shù)控進給工作臺設計

1、大學 課程設計（論文）內(nèi)容：x-y數(shù)控進給工作臺設計院(系)部：機械工程學院學生姓名： 學 號: 專 業(yè)：機械電子工程班 級： 指導教師： 完成時間：2010-10-08 摘 要當今世界電子技術迅速發(fā)展，微處理器、微型計算機在各技術領域得到了廣泛應用，對各領域技術的發(fā)展起到了極大的推動作用。一個較完善的機電一體化系統(tǒng)，應包含以下幾個基本要素：機械本體、動力與驅動部分、執(zhí)行機構、傳感測試部分、控制及信息處理部分。機電一體化是系統(tǒng)技術、計算機與信息處理技術、自動控制技術、檢測傳感技術、伺服傳動技術和機械技術等多學科技術領域綜合交叉的技術密集型系統(tǒng)工程。新一代的cnc系統(tǒng)這類典型機電一體化產(chǎn)品正朝著

2、高性能、智能化、系統(tǒng)化以及輕量、微型化方向發(fā)展。關鍵字：機電一體化的基礎 基本組成要素 特點 發(fā)展趨勢目 錄第一章 課程設計的目的、意義及要求4第一節(jié) 課程設計的目的、意義4第二節(jié) 課程設計的要求4第二章 課程設計的內(nèi)容5第一節(jié) 課程設計的內(nèi)容5第二節(jié) 課程設計的內(nèi)容5第四章 數(shù)控系統(tǒng)總體方案的確定6第五章 機械部分設計7第一節(jié) 工作臺外形尺寸及重量初步估算7第二節(jié) 滾動導軌副的計算、選擇8第三節(jié) 滾珠絲杠計算、選擇10第四節(jié) 直流伺服電機的計算選擇12第五節(jié) 聯(lián)軸器計算、設計14第六節(jié) 限位開關的選擇15第七節(jié) 光電編碼器的選擇15第六章 機床數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設計15第一節(jié) 設計內(nèi)容17第二

3、節(jié) 設計步驟17第三節(jié) 機床數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設計21第七章 系統(tǒng)控制軟件設計23第八章 參考文獻26第一章 課程設計的目的、意義及要求第一節(jié) 課程設計的目的,意義機電一體化系統(tǒng)設計課程設計是培養(yǎng)學生設計能力的重要實踐性教學環(huán)節(jié)之一，是綜合運用所學過的機械、電子、自動控制、計算機等知識進行的基本設計訓練。其目的是：1. 能夠正確運用機電一體化系統(tǒng)設計課程的基本理論和相關知識，掌握機電一體化系統(tǒng)（產(chǎn)品）的功能構成、特點和設計思想、設計方法，了解設計方案的擬定、比較、分析和計算，培養(yǎng)學生分析問題和解決問題的能力，使學生具有機電一體化系統(tǒng)設計的初步能力；2. 通過機械部分設計，掌握機電一體化系統(tǒng)典型機

4、械零部件和執(zhí)行元件的計算、選型和結構設計方法和步驟；3. 通過測試及控制系統(tǒng)方案設計，掌握機電一體化系統(tǒng)控制系統(tǒng)的硬件組成、工作原理，和軟件編程思想；4. 通過課程設計提高學生應用手冊、標準及編寫技術說明書的能力，促進學生在科學態(tài)度、創(chuàng)新精神、專業(yè)技能等方面綜合素質的提高。第二節(jié) 課程設計的要求：1. 課程設計應在教師的指導下由學生獨立完成，嚴格地要求自己，不允許相互抄襲；2. 認真閱讀課程設計指導書，明確題目及具體要求；3. 認真查閱題目涉及內(nèi)容的相關文獻資料、手冊、標準；4. 大膽創(chuàng)新，確定合理、可行的總體設計方案；5. 機械部分和驅動部分設計思路清晰，計算結果正確，選型合理；6. 微機控

5、制系統(tǒng)方案可行，硬件選擇合理，軟件框圖正確；7. 手工或電腦繪制機械系統(tǒng)裝配圖一張（a1），控制系統(tǒng)電氣原理一張（a1），圖紙符合國家標準，布圖合理，內(nèi)容完整表達清晰； 8. 課程設計說明書一份（不少于8000字），包括：目錄，題目及要求，總體方案的確定，機械系統(tǒng)設計，控制系統(tǒng)設計，參考文獻等。設計說明書應敘述清楚、表達正確、內(nèi)容完整、技術術語符合標準。第二章 課程設計的內(nèi)容第一節(jié) 課程設計題目：x-y數(shù)控進給工作臺設計已知條件： x方向行程:300mm y方向行程:200mm 工作臺面的參考尺寸:500x300mm 平均切削力:1500n 平均切削進給速度:600mm/min 最高運動速度:

6、6m/min 定位精度:0.01mm 工作壽命:每天8小時,工作8年,250天/年第二節(jié) 課程設計的內(nèi)容 1.數(shù)控裝置總體方案的確定 (1).數(shù)控裝置設計參數(shù)的確定； (2).方案的分析，比較，論證。 2.機械部分的設計 (1).機械部件的總體尺寸及重量的初步估算；(2).傳動元件及導向元件的設計，計算和選用；(3).確定直流電機；(4).繪制機械結構裝配圖；(5).系統(tǒng)等效慣量計算；(6).系統(tǒng)精度分析。3.數(shù)控系統(tǒng)的設計(1).微機及擴展芯片的選用及控制系統(tǒng)框圖的設計；(2).i/o接口電路及伺服控制電路的設計和選用；(3).系統(tǒng)控制軟件的設計4.編寫課程設計說明書 (1).說明書是課程設

7、計的總結性技術文件，應敘述整個設計的內(nèi)容，包括總體方案的確定，系統(tǒng)框圖的分析，機械傳動設計計算，電氣部分的設計說明，選用元器件參數(shù)的說明，軟件設計及其說明；(2).說明書不少于84字，盡量用計算機完成。5.圖紙 (1).機械結構裝配圖，a0圖紙1張。要求視圖基本完整，符合標準。其中至少要有一個坐標軸的完整剖視圖；第三章 數(shù)控系統(tǒng)總體方案的確定數(shù)控系統(tǒng)總體方案設計的內(nèi)容包括：系統(tǒng)運動方式的確定，執(zhí)行機構及傳動方案的確定，伺服電機類型及調速方案確定，計算機控制系統(tǒng)的選擇。進行方案的分析、比較和論證。1. 系統(tǒng)運動方式的確定該系統(tǒng)要求工作臺沿各坐標軸的運動有精確的運動關系因此采用連續(xù)控制方式。2.

8、伺服系統(tǒng)的選擇考慮到運動精度要求不高，負載不大，適合采用開環(huán)控制方式或采用半閉環(huán)控制方式。半閉環(huán)伺服系統(tǒng)在負載不大時多采用直流電機作為伺服電機. 半閉環(huán)控制系統(tǒng)有檢測反饋部件，因而能糾正系統(tǒng)的傳動誤差。但半閉環(huán)系統(tǒng)結構較復雜，目前大多數(shù)數(shù)控機床和工業(yè)機器人中的伺服系統(tǒng)都采用半閉環(huán)控制。3. 計算機系統(tǒng)的選擇采用at89c51單片機擴展控制系統(tǒng)。該單片機的主要特點是集成度高，可靠性好，功能強，速度快，性價比高?？刂葡到y(tǒng)由微機部分、鍵盤及顯示器、i/o接口及光電隔離電路、步進功率放大電路等組成。系統(tǒng)的工作程序和控制命令通過鍵盤操作實現(xiàn)。顯示器采用數(shù)碼管顯示加工數(shù)據(jù)和工作狀態(tài)等信息。4. xy工作臺

9、的傳動方式為保證一定的傳動精度和平穩(wěn)性以及結構的緊湊，采用滾珠絲杠螺母傳動副。為提高傳動剛度和消除間隙，采用有預加載荷的結構。根據(jù)機電一體化系統(tǒng)對傳動系統(tǒng)的要求：采用低摩擦系數(shù)的傳動器件：滾珠絲杠、滾動導軌；無間隙聯(lián)軸器 ；消除反向傳動間隙等。由于工作臺的運動部件重量和工作載荷不大，故選用滾動直線導軌副，從而減小工作臺的摩擦系數(shù)，提高運動平穩(wěn)性。5. 確定檢測方案半閉環(huán)系統(tǒng)采用增量式光電編碼盤檢測電機或絲杠轉角、轉速、零位。6. 系統(tǒng)總體框圖如下:第四章 機械部分設計機械部分設計內(nèi)容包括：工作臺外形及重量的初步估算，選擇直流伺服電機，傳動及導向元件的設計、計算與選擇，繪制機械部分裝配圖等。第一

10、節(jié) 工作臺外形尺寸及重量初步估算根據(jù)給定的有效行程，畫出工作臺簡圖，估算x向和y向工作臺承載重量wx和wy。取x向導軌支撐鋼球的中心距為300mm,y向導軌支撐鋼球的中心距為200mm,設計工作臺簡圖如下:工作臺簡圖x向拖板(上拖板)尺寸為: 長*寬*高=630*185*25重量:按重量=體積*材料比重估算為: =10(=465ny向拖板(下拖板)尺寸為: 415*312*25重量:按重量=體積*材料比重估算為=10(=400n工作臺的尺寸為: 500*300*35重量為 =10()=300n夾具、工件重量約135n導軌(含電機)重量約700nx-y工作臺運動部分總重量為:=465+400+3

11、00+700+135=2000 n第二節(jié) 滾動導軌副的計算、選擇 (1)y方向導軌由所給條件得,該導軌的額定工作時間為由 得則因滑座數(shù)m=4,所以每根導軌上使用2個滑座,由表2-15-2-18確定則由式2-9, 得 nx方向導軌由所給條件得,該導軌的額定工作時間為由 得因滑座數(shù)m=4,所以每根導軌上使用2個滑座,由表2-15-2-18確定則由式2-9, 得 n選用日本thk公司的lm導軌的ssr-xw型導軌,查表,其中ssr-20xw型號的導軌的ca值為19600n,能滿足八年的使用要求. 基本參數(shù)如下:額定載荷/n靜態(tài)力矩/n*m滑座重量導軌重量導軌長度動載荷靜載荷l(mm)19600234

12、001981982880.252.1700/500滑座個數(shù)單向行程長度每分鐘往復次數(shù)m4300/2001.5/1導軌的額定動載荷n依據(jù)使用速度v（m/min）和初選導軌的基本動額定載荷 (kn)驗算導軌的工作壽命ln：額定行程長度壽命: 導軌的額定工作時間壽命: 導軌的工作壽命足夠.第三節(jié) 滾珠絲杠計算、選擇由技術要求,平均載荷f=1500n,絲杠工作長度l=400mm,工作壽命,傳動精度要求設導程p=5 mm ,則(1) 求計算載荷 =1800n 由條件,查機電一體化系統(tǒng)設計表2-6取=1.2, 查表2-6取=1.2, 表2-4取d精度, 查表2-6取=1.0,(2)計算額定動載荷計算值由式

13、(2-4)(3)根據(jù)選擇滾珠絲杠副 假設選用fc1型號,按滾珠絲杠副的額定動載荷ca 等于或稍大于的原則,查表2-9選以下型號規(guī)格fc1-3205-2.5 ca=10689n公稱直徑 導程 螺旋角 滾珠直徑按表2-1中尺寸計算滾道半徑 r=0.52=0.523.175=1.651mm偏心距0.0449 mm絲杠內(nèi)徑=32+20.0449-21.651=28.79 mm (4)穩(wěn)定性驗算1由于一端軸向固定的長絲杠在工作時可能會發(fā)生失穩(wěn),所以在設計時應驗算其安全系數(shù)s,其值應大于絲杠副傳動結構允許安全系數(shù) 絲杠不會發(fā)生失穩(wěn)的最大載荷稱為臨界載荷其中 e=206gpa l=0.3m 取 則安全系數(shù)查

14、表2-10 s=2.5-3.3 ss 絲杠是安全的,不會失穩(wěn)2高速長絲杠工作時可能發(fā)生共振,因此需驗算其不會發(fā)生共振的最高轉速-臨界轉速,要求絲杠的最大轉速 所以絲杠不會發(fā)生共振3此外滾珠絲杠副還受值的限制,通常要求(5)剛度驗算滾珠絲杠在工作負載f(n)和轉矩t(nm)共同作用下引起每個導程的變形量為式中,a為絲杠截面積,a=為絲杠的極慣性矩, g為絲杠切變模量,對鋼g=83.3gp a;t(nm)為轉矩. 式中, 為摩擦角,其正切函數(shù)值為摩擦系數(shù); 為平均工作載荷.取摩擦系數(shù)為=0.003,則得按最不利的情況取(f=)則絲杠在工作長度上的彈性變形所引起的導程誤差為通常要求絲杠的導程誤差小于

15、其傳動精度的1/2,即該絲杠的滿足上式,所以其剛度可滿足要求.(6)效率驗算要求在90%-95%之間,所以該絲杠副合格.經(jīng)上述計算驗證,fc13205-2.5各項性能均符合題目要求,可選用.第四節(jié) 電機的選擇1. 電機類型選擇在半閉環(huán)控制的中小型伺服系統(tǒng)中,可以采用直流電機。2. 電動機軸上總當量負載轉動慣量計算滾珠絲杠的轉動慣量 其中d絲杠公稱直徑d=31.5mm l絲杠長度l=400mm滾珠絲杠折算到電機軸上的轉動慣量 其中m工作臺（包括工件）的質量m=（300+135）/10=43.5kgs絲杠的螺距是5mm3.直流伺服電機負載轉矩的計算電動機起動時的角加速度其中是電動機啟起動后的最大角

16、速度（rad/s）; 是系統(tǒng)時間常數(shù)（s）;k是系統(tǒng)開環(huán)增益（）。 rad/s，取k=254.電動機最大轉矩的確定伺服電動機在快速起動時的負載轉矩一般比正常運行時的負載轉矩要大得多，即要求其中是電動機啟動時的負載轉矩；是電動機的最大轉矩，其中是電動機額定轉矩；是電動機的瞬時過載系數(shù)，取=8。則5.電動機額定轉矩的確定伺服電動機額定轉矩可按連續(xù)運行時作用在電動機上的負載轉矩t來確定，即要求6.電機工作功率的確定根據(jù)已經(jīng)算出的轉矩t，以及工作要求的轉速，可得功率.根據(jù)以求的額定轉載和工作功率，選擇電機為sz系列直流伺服電機，型號為110sz51，具體參數(shù)如下表：第五節(jié) 聯(lián)軸器的選擇聯(lián)軸器額定轉矩t

17、s可按電動機上的負載轉矩t來確定，即（）考慮到剛性和精度的要求，以及傳動的功率要求不大，因而需要選擇剛度高和可以滿足無間隙傳動的聯(lián)軸器，因而選擇波紋管聯(lián)軸器，型號為bk-l-30。該產(chǎn)品使用于編碼盤和微型電機，而且可以無間隙傳動，可以補償徑向，角向，軸向的誤差，而且滿足剛度要求，以及滿足慣量要求。其基本參數(shù)如下表：第六節(jié) 限位開關的選擇第七節(jié) 光電編碼盤的選擇光電編碼盤的測量精度較高，它或者與電機的非負載端同軸連接，或者直接安裝在電機的特定的部位。能夠準確的反應電機的轉子的機械位置，從而間接的反映出與電機連接的機械負載的準確的機械位置，從而達到精確控制電機位置的目的。根據(jù)定位精度（0.01mm

18、）的要求，光電編碼器的分辨率要滿足（35）1000 p/r。選用上海精浦機電有限公司的歐系標準系列（4-20ma rs485輸出），能夠達到精度要求。特性參數(shù)工作電壓:1030vdc 極性保護消耗電流: 110ma（24vdc） 190ma（12vdc） 輸出信號:420ma，rs485，（easypro自由協(xié)議），可設定長度、角度、速度應用輸出 輸出負載能力: 600歐姆，標準工作200-250歐姆線性分辨度:1/4096fseasypro:編碼器附纜線及軟件，rs485信號轉rs232或轉usb連接計算機，可easypro智能設定工作溫度:-2580 編程時溫度范圍：070儲存溫度:-40

19、80防護等級:外殼ip67,轉軸ip65振動沖擊:20g，102000hz；100g，6ms允許轉速:2400轉/分 輸出刷新周期:1ms連接電纜:1米屏蔽電纜徑向側出（其余形式可訂貨）外形特征:金屬外殼，密封雙軸承結構（見外形尺寸附圖p16）信號調整:可4ma輸出微調，20 ma輸出微調；可方向設置；可預設位置，外部置位，例如外部置零第六章 控制系統(tǒng)部分設計該控制系統(tǒng)采用的微型機為89c51單片機。執(zhí)行元件采用直流電機。（一）面板的布置圖（二）操作面板功能介紹1.位移狀態(tài)選擇鍵設置兩個鍵分別表示手動或自動操作工作臺的移動，通過這兩個按鍵來改變工作臺的移動狀態(tài)。 2.啟動開關 按下此開關機床啟

20、動 3.停止鍵按下此鍵機床停車 4進給軸選擇按鍵按此鍵切換x/y方向輸入 5復位鍵按下此鍵工作臺復位 6顯示器六位晶體管顯示器，顯示工作臺的位置，精確到0.01mm。 x向位置 y向位置7.正常運行指示燈 燈亮表示機床正常工作 8.警報燈 出現(xiàn)緊急狀況的時候報警 9.加減速按鍵用于調節(jié)機床的轉速10.工進、快進按鍵在對應的工作狀態(tài)選擇相對的速度 11.enter鍵用于表示一段輸入完畢 （三） 程序流程圖1 主程序流程圖2 工作模式切換流程圖3 轉速調整流程圖（四）電動機控制原理（五）光電編碼盤辨向電路四、程序;/自動進給調速/org 0000h;/*啟動*/mov tmod ,#10h;選擇方

21、式1計時setb p0.4mov 40h,#0d4hmov 41h,#0d4hbegin:mov a,40hadd a,#01hmov 40h,amov tl1,amov th1,#0fehsetb tr1l1:jbc tf1,l2sjmp l1l2:cpl p0.4mov a,41hsubb a,#01hmov 41h,amov th1,#0fehmov tl1,41hsetb tr0l3:jbc tf1,l4sjmp l3l4:cpl p0.4mov a,41hcjne a,#0bbh,l5sjmp begin2l5:sjmp begin;/正常運行/begin2:mov th1,#0fe

22、hmov th1,#0fehmov tl1,#0edhsetb tr1l6:jbc tf1,l7sjmp l6l7:cpl p0.4mov th1,#0fehmov tl1,#0bbhsetb tr1l8:jbc tf1,l9sjmp l8l9:cpl p0.4mov th1,#0fehmov tl1,#0edhmov a,r3cjne a,#02h,l10sjmp begin3l10:sjmp begin2;/減速，停止/begin3:mov tmod,#10hsetb p0.4mov 40h,#0edhmov 41h,#0bbhmov a,40hsubb a,#01hmov 40h,amov tl1,amov th1,#0fehsetb tr1l11:jbc tf1,l12sjmp l11l12:cpl p0.4mov a,41hadd a,#01hmov 41h,amov th1,#0fehmov tl1,41hsetb tr0l13:jbc tf1,l14sjmp l13l14:cpl p0.4mov a,41hcjne a,#0d