2014綜合課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書

1、綜合課程設(shè)計(jì)指 導(dǎo) 書課程性質(zhì)：專業(yè)課(必修)適用專業(yè)：11級(jí)機(jī)械電子工程所用時(shí)間：三周指導(dǎo)教師：陳里里 董紹江重慶交通大學(xué)機(jī)電與汽車工程學(xué)院2014.12一、課程設(shè)計(jì)的目的、意義綜合課程設(shè)計(jì)是培養(yǎng)學(xué)生設(shè)計(jì)能力的重要實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)之一，是綜合運(yùn)用所學(xué)的機(jī)械、電子、自動(dòng)控制、計(jì)算機(jī)等知識(shí)進(jìn)行的基本設(shè)計(jì)訓(xùn)練。其目的是：1. 能夠正確運(yùn)用機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程的基本理論和相關(guān)知識(shí)，掌握機(jī)電一體化系統(tǒng)（產(chǎn)品）的功能構(gòu)成、特點(diǎn)和設(shè)計(jì)思想、設(shè)計(jì)方法，了解設(shè)計(jì)方案的擬定、比較、分析和計(jì)算，培養(yǎng)學(xué)生分析問題和解決問題的能力，使學(xué)生具有機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)的初步能力；2. 通過機(jī)械部分設(shè)計(jì)，掌握機(jī)電一體化系統(tǒng)典型機(jī)械零

2、部件和執(zhí)行元件的計(jì)算、選型和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法和步驟；3. 通過測(cè)試及控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)，掌握機(jī)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(shè)計(jì)提高學(xué)生應(yīng)用手冊(cè)、標(biāo)準(zhǔn)及編寫技術(shù)說明書的能力，促進(jìn)學(xué)生在科學(xué)態(tài)度、創(chuàng)新精神、專業(yè)技能等方面綜合素質(zhì)的提高。二、課程設(shè)計(jì)的題目及要求（一）題目：單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的多用XY工作臺(tái)。已知條件：定位精度：±0.01mm，滾珠絲杠及導(dǎo)軌使用壽命：T=15000h，中等沖擊，各題目的有效行程、快速進(jìn)給速度和工作載荷見下表：題號(hào)有效行程(mm)快速進(jìn)給速度(mm/min)工作載荷Fz (N)LxLyvmaxvymax1350350

3、150015004002350350100010003003400400200020002000440040010001000180054006003000300025006400600200020002000745045020002000400845045015001500300950060025002500600105006002000200045011550400200020001000125504001800180080013600300200015006001460030020001200850156401901500150018001664019010001000100017700

4、5002000250012001870050025002000150019750600150015006002075060018001800450（二）要求：1. 課程設(shè)計(jì)應(yīng)在教師的指導(dǎo)下由學(xué)生獨(dú)立完成，嚴(yán)格地要求自己，不允許相互抄襲；2. 認(rèn)真閱讀課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書，明確題目及具體要求；3. 認(rèn)真查閱題目涉及內(nèi)容的相關(guān)文獻(xiàn)資料、手冊(cè)、標(biāo)準(zhǔn)；4. 大膽創(chuàng)新，確定合理、可行的總體設(shè)計(jì)方案；5. 機(jī)械部分和驅(qū)動(dòng)部分設(shè)計(jì)思路清晰，計(jì)算結(jié)果正確，選型合理；6. 微機(jī)控制系統(tǒng)方案可行，硬件選擇合理，軟件框圖正確；7. 繪制機(jī)械系統(tǒng)裝配圖一張（A1），控制系統(tǒng)電氣原理一張（A2），圖紙符合國家標(biāo)準(zhǔn)，布圖合理，

5、內(nèi)容完整表達(dá)清晰； 8. 課程設(shè)計(jì)說明書一份（不少于5000字），包括：目錄，題目及要求，總體方案的確定，機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)，控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，參考文獻(xiàn)等。設(shè)計(jì)說明書應(yīng)敘述清楚、表達(dá)正確、內(nèi)容完整、技術(shù)術(shù)語符合標(biāo)準(zhǔn)。三、進(jìn)度安排本課程設(shè)計(jì)要求在兩周時(shí)間內(nèi)完成，具體進(jìn)度安排大致如下：1. 收集及閱讀資料，明確設(shè)計(jì)任務(wù) 1天2. 總體方案論證 2天3. 機(jī)械部分設(shè)計(jì)計(jì)算 3天4. 裝配圖繪制 4天5. 控制系統(tǒng)框圖設(shè)計(jì)，單片機(jī)及擴(kuò)展芯片的選用，I/O接口電路、伺服控制電路設(shè)計(jì)及選用 3天6. 軟件框圖，電氣原理圖 4天7. 編寫設(shè)計(jì)說明書 3天四、主要設(shè)計(jì)內(nèi)容（一）總體方案的確定根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)確定系統(tǒng)的總體機(jī)

6、械和控制系統(tǒng)方案：進(jìn)行系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方式的確定，執(zhí)行機(jī)構(gòu)及傳動(dòng)方案的確定，伺服電機(jī)類型及調(diào)速方案確定，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的選擇。進(jìn)行方案的分析、比較和論證。1. 系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方式與伺服系統(tǒng)采用連續(xù)控制系統(tǒng)，開環(huán)或閉環(huán)控制方式。考慮到運(yùn)動(dòng)精度要求不高，為簡化結(jié)構(gòu)，建議大多數(shù)同學(xué)采用步進(jìn)電機(jī)開環(huán)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)。2. 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)建議采用教科書上的MCS-51系列單片機(jī)系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)應(yīng)該包括微機(jī)部分、鍵盤及顯示器、I/O接口及光電隔離電路、步進(jìn)功率放大電路等。系統(tǒng)的工作程序和控制命令通過鍵盤操作實(shí)現(xiàn)。采用數(shù)碼管顯示加工數(shù)據(jù)和工作狀態(tài)等信息。3. XY工作臺(tái)的傳動(dòng)方式為保證一定的傳動(dòng)精度和平穩(wěn)性以及結(jié)構(gòu)的緊湊，采用滾珠絲杠

7、螺母傳動(dòng)副。為提高傳動(dòng)剛度和消除間隙，采用有預(yù)加載荷的結(jié)構(gòu)。由于工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)部件重量和工作載荷不大，故選用滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副，從而減小工作臺(tái)的摩擦系數(shù)，提高運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性?？紤]電機(jī)步距角和絲杠導(dǎo)程只能按標(biāo)準(zhǔn)選取，為達(dá)到分辨率的要求，以及考慮步進(jìn)電機(jī)負(fù)載匹配，采用齒輪減速傳動(dòng)。計(jì)算機(jī)光電隔離功率放大步進(jìn)電機(jī)X向工作臺(tái)光電隔離功率放大步進(jìn)電機(jī)Y向工作臺(tái)系統(tǒng)總體框圖（二）機(jī)械部分設(shè)計(jì)機(jī)械部分設(shè)計(jì)內(nèi)容包括：確定系統(tǒng)脈沖當(dāng)量，運(yùn)動(dòng)部件慣性的計(jì)算，選擇步進(jìn)電機(jī)，傳動(dòng)及導(dǎo)向元件的設(shè)計(jì)、計(jì)算與選擇，繪制機(jī)械部分裝配圖等。1. 確定系統(tǒng)脈沖當(dāng)量脈沖當(dāng)量p是一個(gè)進(jìn)給指令時(shí)工作臺(tái)的位移量，應(yīng)小于等于工作臺(tái)的位置精度，一般為

8、0.010.005mm。2. 工作臺(tái)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(tái)簡圖，估算X向和Y向工作臺(tái)承載重量WX和WY。工作臺(tái)簡圖3. 滾動(dòng)導(dǎo)軌副的計(jì)算、選擇根據(jù)給定的工作載荷Fz和估算的Wx和Wy計(jì)算導(dǎo)軌的靜安全系數(shù)fSL=C0/P，式中：C0為導(dǎo)軌的基本靜額定載荷，kN；工作載荷P=0.5(Fz+W)； fSL=1.03.0(一般運(yùn)行狀況)，3.05.0（運(yùn)動(dòng)時(shí)受沖擊、振動(dòng)）。根據(jù)計(jì)算結(jié)果查有關(guān)資料初選導(dǎo)軌： 依據(jù)使用速度v（m/min）和初選導(dǎo)軌的基本動(dòng)額定載荷C(kN)驗(yàn)算導(dǎo)軌的工作壽命Ln：(hour)4. 滾珠絲杠計(jì)算、選擇初選絲杠材質(zhì)：CrWMn鋼，HRC5860，

9、導(dǎo)程：l0=5mm或6mm。（1） 強(qiáng)度計(jì)算絲杠軸向力：(N)式中：K=1.15，滾動(dòng)導(dǎo)軌摩擦系數(shù)f=0.0030005；在車床車削外圓時(shí)：Fx=(0.10.6)Fz，F(xiàn)y=(0.150.7)Fz，可取Fx=0.5Fz，F(xiàn)y=0.6Fz計(jì)算。壽命值：，其中絲杠轉(zhuǎn)速(r/min)最大動(dòng)載荷：式中：fW為載荷系數(shù)，中等沖擊時(shí)為1.21.5；fH為硬度系數(shù)，HRC58時(shí)為1.0。根據(jù)使用情況選擇滾珠絲杠螺母的結(jié)構(gòu)形式，并根據(jù)最大動(dòng)載荷的數(shù)值可選擇滾珠絲杠的型號(hào)。（2） 傳動(dòng)效率計(jì)算絲杠螺母副的傳動(dòng)效率為：式中：=10，為摩擦角；為絲杠螺旋升角。（3） 穩(wěn)定性驗(yàn)算絲杠兩端采用止推軸承時(shí)不需要穩(wěn)定性驗(yàn)算

10、。否則，按教材32頁式（2.2）驗(yàn)算。式中：Fk為絲杠實(shí)際承受載荷的能力；fk為壓桿穩(wěn)定的支撐系數(shù)；E=2.1x1011Pa為鋼的彈性模量；為絲杠小徑d1的截面慣性矩；ls為絲杠長度；K=2.54為壓桿穩(wěn)定安全系數(shù)。（4） 剛度驗(yàn)算滾珠絲杠受工作負(fù)載引起的導(dǎo)程變化量為：(cm)絲杠受扭矩引起的導(dǎo)程變化量很小，可忽略不計(jì)。導(dǎo)程變形總誤差為 (104m/m)< ，其中導(dǎo)程l0的單位為cm。E級(jí)精度絲杠允許的螺距誤差 =15m/m。5. 齒輪計(jì)算、設(shè)計(jì)傳動(dòng)比： ，初選步距角：=0.75/step或1.5/step。根據(jù)計(jì)算的傳動(dòng)比，由整體結(jié)構(gòu)要求初定大小齒輪齒數(shù)及模數(shù)m，從結(jié)構(gòu)上采取措施消除傳

11、動(dòng)間隙以提高傳動(dòng)精度（如下圖所示）。齒輪1、2的分度圓直徑分別為：d1=mz1，d2=mz2；齒寬b=20mm，分度圓壓力角=20；齒頂圓直徑為：da1=(z1+2)m，da2=(z2+2)m；中心距a=0.5(d1+ d2)。1、2-薄齒輪, 3彈簧, 4、8凸耳, 5調(diào)節(jié)螺釘, 6、7螺母雙片齒輪錯(cuò)齒消隙結(jié)構(gòu)圖6. 步進(jìn)電機(jī)等效負(fù)載計(jì)算（1）等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算折算到步進(jìn)電機(jī)軸上的等效負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：(kg·cm2)式中：Jw，Jz1，Jz2和Js分別為折算到步進(jìn)電機(jī)軸上的工作臺(tái)、齒輪1、齒輪2和絲杠的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，kg·cm2。其中： (kg·m2)， (kg

12、·m2) (kg·m2)， (kg·m2)式中：d0為絲杠的名義直徑；Ls為絲杠的總長；s，z分別為絲杠和齒輪的材料密度，可取為7.85x10-3kg/cm3。（2）等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩計(jì)算空載時(shí)的摩擦轉(zhuǎn)矩： (N·m)工作時(shí)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩：(N·m)式中：=0.8，為考慮絲杠預(yù)緊時(shí)的傳動(dòng)效率。（3）起動(dòng)慣性阻轉(zhuǎn)矩計(jì)算(N·m)式中：電機(jī)轉(zhuǎn)速m=2nm/60，起動(dòng)加速時(shí)間t=0.025s。（4）步進(jìn)電機(jī)輸出軸上總負(fù)載轉(zhuǎn)矩計(jì)算(N·m)7. 步進(jìn)電機(jī)的選擇為使步進(jìn)電機(jī)正常起動(dòng)（不失步），其起動(dòng)力矩應(yīng)滿足：，查教材95頁表3.7，如選用三相

13、六拍工作方式，則。步進(jìn)電機(jī)的最高運(yùn)行頻率為：綜合考慮，確定步進(jìn)電機(jī)的型號(hào)。說明：為便于設(shè)計(jì)和采購，X、Y軸的電機(jī)可選擇一樣。（三）控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)（1）按照總體方案及機(jī)械結(jié)構(gòu)的控制要求，確定硬件電路的方案，并繪制系統(tǒng)電氣控制的結(jié)構(gòu)框圖；（2）選擇主控制器（MCU）的類型；（3）根據(jù)控制系統(tǒng)要求設(shè)計(jì)相關(guān)擴(kuò)展電路；（4）根據(jù)控制對(duì)象及系統(tǒng)工作要求設(shè)計(jì)I/O接口電路、檢測(cè)電路、轉(zhuǎn)換電路、光電隔離電路及電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路等；（5）選擇控制電路中各器件及電氣元件的參數(shù)及型號(hào)；（6）繪制電氣原理圖一張（建議用Protel繪制）。并要標(biāo)明各器件的型號(hào)、管腳號(hào)及參數(shù)；（7）說明書中對(duì)電氣原理圖以及各有關(guān)電路進(jìn)行

14、詳細(xì)的原理說明和方案論證。CPUI/O接口信號(hào)變換接口控制對(duì)象接口存儲(chǔ)器RAMROM外設(shè)控制系統(tǒng)硬件框圖（四）系統(tǒng)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)按照功能可將控制系統(tǒng)的控制軟件分為以下幾部分內(nèi)容：1. 系統(tǒng)管理程序：接收命令、執(zhí)行命令及從命令處理程序返回到管理程序接收命令的環(huán)節(jié)， 使系統(tǒng)處于新的等待操作狀態(tài)。2. 工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)源程序的輸入處理程序：完成從外部I/O設(shè)備輸入工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)源程序。3. 插補(bǔ)程序：根據(jù)工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)源程序進(jìn)行插補(bǔ)運(yùn)算，分配進(jìn)給脈沖。4. 伺服控制程序：根據(jù)插補(bǔ)運(yùn)算的結(jié)果或操作者的命令控制伺服電機(jī)的速度、轉(zhuǎn)角及方向。5. 診斷程序：超行程處理、緊急停機(jī)處理、系統(tǒng)故障診斷、查錯(cuò)等。6. 工作臺(tái)自

15、動(dòng)與手動(dòng)控制程序。7. 鍵盤操作和顯示處理程序：監(jiān)視鍵盤操作、顯示加工程序、工作狀態(tài)、操作命令等。要求在設(shè)計(jì)說明書中畫出逐點(diǎn)比較法直線插補(bǔ)流程圖。參考文獻(xiàn)：1 尹志強(qiáng)，機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書，機(jī)械工業(yè)出版社，20072 張軍，機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理與應(yīng)用，機(jī)械工業(yè)出版社，20103 成大先, 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè), 機(jī)械工業(yè)出版社, 2002.4 機(jī)電一體化技術(shù)手冊(cè)編委會(huì), 機(jī)電一體化手冊(cè), 機(jī)械工業(yè)出版社, 1991.5 張新義, 經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)設(shè)計(jì), 機(jī)械工業(yè)出版社, 1994.6 http:/www.stone- (四通電機(jī), 選擇步進(jìn)電機(jī)).7 (南京工藝裝備制造廠, 選擇滾動(dòng)絲杠、導(dǎo)軌).圖書館及互聯(lián)網(wǎng)上其它資源課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)方式課程設(shè)計(jì)每周答疑2次，進(jìn)行一次