專業(yè)課程設(shè)計-機電一體化系統(tǒng)設(shè)計-2014模板

1、工程學(xué)院本科生專業(yè)課程設(shè)計說明書機電一體化系統(tǒng)設(shè)計題 目： 數(shù)控銑床X-Y工作臺設(shè)計 專業(yè)班級： 機械11X 組別：第 Y 組成 員： 指導(dǎo)教師： 趙大旭 職稱： 講師 年 月 日目 錄設(shè)計任務(wù)書11 系統(tǒng)總體設(shè)計21.1總體性能要求與整體方案21.2各系統(tǒng)方案確定21.2.1機械傳動系統(tǒng)方案21.2.2控制系統(tǒng)總體方案31.3課程設(shè)計主要內(nèi)容安排32 機械系統(tǒng)設(shè)計42.1工作臺外形尺寸及重量估算42.2滾動導(dǎo)軌的參數(shù)確定42.3 滾珠絲杠的設(shè)計計算52.4 步進電機的選用52.5 齒輪傳動系統(tǒng)設(shè)計計算52.6 步進電機慣性負載的計算53 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計73.1微機系統(tǒng)選擇73.1.1單片機

2、選型73.1.2電氣接口73.2電機驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計83.2.1步進電機工作原理與驅(qū)動電路83.2.2電磁鐵驅(qū)動電路93.2.3電源電路93.2.4傳感器與人機界面94 程序設(shè)計104.1總體方案104.2程序流程圖104.2.1程序結(jié)構(gòu)104.2.2程序模塊104.2.3 XX子程序104.2.4 XX子程序104.3程序代碼104.3.1子程序1104.3.2子程序2105 設(shè)計總結(jié)115.1結(jié)論115.2心得體會115.3成員分工11參考文獻12附錄清單13學(xué)習(xí)文檔 僅供參考設(shè)計任務(wù)書題目：X-Y數(shù)控工作臺機電系統(tǒng)設(shè)計設(shè)計任務(wù)：設(shè)計一個微機控制的立式銑床X-Y工作臺，具體內(nèi)容如下：1、機械系

3、統(tǒng)設(shè)計：通過計算正確選擇傳動機構(gòu)、導(dǎo)向機構(gòu)、執(zhí)行機構(gòu)、驅(qū)動電機等，并給出計算依據(jù)，繪制機械系統(tǒng)裝配圖；2、控制系統(tǒng)設(shè)計：根據(jù)系統(tǒng)要求，選擇正確控制策略，設(shè)計合理的控制系統(tǒng)，繪制控制系統(tǒng)原理電路圖；3、主程序設(shè)計：在機械系統(tǒng)與控制系統(tǒng)設(shè)計基礎(chǔ)上，開發(fā)控制主程序，列出程序清單；4、設(shè)計說明書撰寫系統(tǒng)主要參數(shù)：1、立銑刀最大直徑d=20mm；2、立銑刀齒數(shù)Z=3；3、最大銑削寬度；4、最大背吃刀量；5、加工材料為碳素鋼；6、X、Y方向的脈沖當量/脈沖；7、X、Y方向的定位精度均為；8、工作臺尺寸600mm×700mm,加工范圍為350mm×450；9、工作臺空載最快移動速度；10

4、、工作臺進給最快移動速度；時間安排及任務(wù)：1、系統(tǒng)功能介紹，總體方案設(shè)計1天1機電一體化設(shè)計基本過程介紹；2X-Y工作臺功能介紹；3總體方案確定。2、單元功能模塊介紹和設(shè)計任務(wù)落實1天3、詳細設(shè)計8天1機械系統(tǒng)裝配圖設(shè)計；2控制系統(tǒng)原理圖設(shè)計；3控制主程序設(shè)計。1 系統(tǒng)總體設(shè)計1.1總體性能要求與整體方案X-Y數(shù)控工作臺機電系統(tǒng)被設(shè)計用于銑床數(shù)控化改造，其結(jié)構(gòu)簡單，容易實現(xiàn)。該平臺能夠在保證一定的精度前提下降低成本，是微機控制技術(shù)的簡單的應(yīng)用。本設(shè)計充分的利用了機電一體化系統(tǒng)思想，結(jié)合機械本體與電氣控制系統(tǒng)軟硬件于一體，使機床的加工范圍擴大，精度和可靠性進一步得到提高?？傮w結(jié)構(gòu)如圖1-1所示圖

5、1-1 系統(tǒng)總體方案圖1.2各系統(tǒng)方案確定1.2.1機械傳動系統(tǒng)方案1絲杠螺母副的選擇步進電動機的旋轉(zhuǎn)運動需要通過絲杠螺母副轉(zhuǎn)換成直線運動，需要滿足初選0.01mm脈沖當量，因為定位精度±0.02mm，對于機械傳動要有一定的精度損失，大約是1/3-1/2的定位精度，現(xiàn)取為1/2，即是±0.01mm和±0.02mm的定位精度，滑動絲杠副無法做到，只有選用滾珠絲桿副才能到達要求，滾珠絲桿副的傳動精度高、動態(tài)響應(yīng)快、運轉(zhuǎn)平穩(wěn)、壽命長、效率高、預(yù)緊后可消除反向間隙。同時選用內(nèi)循環(huán)的形式，因為這樣摩擦損失小，傳動效率高，且徑向尺寸結(jié)構(gòu)緊湊，軸向剛度高。由于定位精度不高，故選

6、擇的調(diào)隙方式是墊片調(diào)隙式，這種調(diào)隙方式結(jié)構(gòu)簡單，剛性好，裝卸方便。由于工作臺最快的移動速度 ，所需的轉(zhuǎn)速不高，故可以采用一般的安裝方法，即一端固定，一端游動的軸承配置形式。2導(dǎo)軌副的選用要設(shè)計數(shù)控銑床工作臺，需要承受的載荷不大，而且脈沖當量小，定位精度高，因此選用直線滾動導(dǎo)軌副，它具有摩擦系數(shù)小，不易爬行，傳動效率高，結(jié)構(gòu)緊，安裝預(yù)緊方便等優(yōu)點。3伺服電機的選用選用步進電動機作為伺服電動機后，可選開環(huán)控制，也可選閉環(huán)控制。任務(wù)書所給的精度對于步進電動機來說還是偏低，為了確保電動機在運動過程中不受切削負載和電網(wǎng)的影響而失步，決定采用開環(huán)控制，任務(wù)書初選的脈沖當量尚未到達0.001mm，定位精度也

7、未到達微米級，空載最快移動速度也只有3000mm/min,故本設(shè)計不必采用高檔次的伺服電機，因此可以選用混合式步進電機，以降低成本，提高性價比。4減速裝置的選用選擇了步進電動機和滾珠絲桿副以后，為了圓整脈沖當量，放大電動機的輸出轉(zhuǎn)矩，降低運動部件折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的轉(zhuǎn)動慣量，可能需要減速裝置，且應(yīng)有消間隙機構(gòu)，如果要選用減速裝置，則應(yīng)選用無間隙齒輪傳動減速箱。1.2.2控制系統(tǒng)總體方案1設(shè)計的X-Y工作臺準備用在數(shù)控銑床上，其控制系統(tǒng)應(yīng)該具有輪廓控制，兩坐標直線插補與圓弧插補的基本功能，所以控制系統(tǒng)設(shè)計成連續(xù)控制型。2對于步進電動機的開環(huán)控制系統(tǒng)，選用MCS-51系列的8位單片機AT89S52

8、作為控制系統(tǒng)的CPU，能夠滿足任務(wù)書給定的相關(guān)指標。3要設(shè)計一臺完整的控制系統(tǒng)，在選擇CPU之后，還要擴展程序存儲器，I/O接口電路，D/A轉(zhuǎn)換電路，串行接口電路等。4選擇合適的驅(qū)動電源，與步進電動機配套使用。1.3課程設(shè)計主要內(nèi)容安排第一章 總體設(shè)計。根據(jù)任務(wù)書明確課程設(shè)計內(nèi)容，確定總體及各子系統(tǒng)方案。第二章 機械系統(tǒng)設(shè)計。工作臺外形尺寸及重量估算，電動機選擇，機械傳動系統(tǒng)設(shè)計計算，滾珠絲杠計算選擇等。第三章 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計。單片機選擇，系統(tǒng)擴展硬件系統(tǒng)選擇。第四章 控制系統(tǒng)程序設(shè)計。控制程序編寫。第五章 對全文工作做了總結(jié)和對今后應(yīng)當繼續(xù)深入研究的工作做了展望。附錄 X-Y工作臺總裝圖與

9、控制系統(tǒng)電路圖。2 機械系統(tǒng)設(shè)計2.1工作臺外形尺寸及重量估算 X向拖板上拖板尺寸：長寬高 145×160×50重量：按重量=體積×材料比重估算NY向拖板下拖板尺寸： 重量：約90N。上導(dǎo)軌座連電機重量：夾具及工件重量：約150N 。X-Y工作臺運動部分的總重量：約287N。2.2滾動導(dǎo)軌的參數(shù)確定導(dǎo)軌是數(shù)控機床的重要部件之一，它在很大程度上決定數(shù)控機床的剛度，精度與精度保持性。目前的數(shù)控機床采用導(dǎo)軌形式的主要有：滑動導(dǎo)軌，滾動導(dǎo)軌，靜壓導(dǎo)軌三類?；瑒訉?dǎo)軌主要有：金屬對金屬，金屬對塑料，后者的化學(xué)穩(wěn)定性好，摩擦系數(shù)抵，靜摩擦系數(shù)小，耐磨損，耐腐蝕，吸振性好，比重小

10、，強度大，加工成型簡單，能在任何液體或者無潤滑條件下工作，因此較常用。其缺點是：耐熱性差，導(dǎo)熱率低，須注意散熱，剛性也比較差，吸濕性大易影響尺寸的穩(wěn)定，應(yīng)選用在水或者油中尺寸穩(wěn)定且能耐酸和弱堿的塑料。滾動導(dǎo)軌1滾動導(dǎo)軌的技術(shù)要求兩導(dǎo)軌面見的不平行度不小于3m導(dǎo)軌平面度不小于5m滾動體的直徑差一般機床全部滾動體為2m。每組滾動體為1m；精密機床全部滾動體為1m，每組滾動體為0，5m。滾柱的錐度：0，5-1m。外表粗糙度：普通機床，磨削不抵于0，40m，精密機床磨削不抵于0，20m滾動導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)形式按滾動體種類分，可有以下幾種；滾珠導(dǎo)軌。這種導(dǎo)軌的承載能力小，剛度低。導(dǎo)軌面上容易出現(xiàn)凹坑，但對加工

11、精度影響不大，其材料一般為淬火鋼。滾柱導(dǎo)軌。它的承載能力比上述的大，適合載荷較大的機床，但滾柱導(dǎo)軌對安裝的偏斜較為靈敏，易引起側(cè)移和側(cè)向滑動從而使導(dǎo)軌磨損加快或者降低精度。滾針導(dǎo)軌。這種導(dǎo)軌的特點是尺寸小，結(jié)構(gòu)緊湊。合適導(dǎo)軌受限的機床。動導(dǎo)軌的支承，在數(shù)控機床上使用的滾動導(dǎo)軌有兩種形式；滾動滑塊式滾柱導(dǎo)軌和組裝式直線滾針導(dǎo)軌。靜壓導(dǎo)軌的優(yōu)點是：工作外表完全處于純液體摩擦狀態(tài)下，所以其摩擦系數(shù)極低，能使驅(qū)動功率降低；導(dǎo)軌的運動不受負載和速度的限制，且低速時運動均勻，不出現(xiàn)爬行現(xiàn)象。使用的壽命小。抗振性好；承載能力大；摩擦發(fā)熱小，導(dǎo)軌的溫升小。它的結(jié)構(gòu)形式有開式和閉式兩種。2.3 滾珠絲杠的設(shè)計計

12、算滾珠絲杠的負荷包括銑削力及運動部件的重量所引起的進給抗力。應(yīng)按銑削時的情況計算。1最大動負載Q的計算2.4 步進電機的選用滾珠絲杠的負荷包括銑削力及運動部件的重量所引起的進給抗力。應(yīng)按銑削時的情況計算。1最大動負載Q的計算2.5 齒輪傳動系統(tǒng)設(shè)計計算因步進電機步距角，滾珠絲杠螺距 ，要實現(xiàn)脈沖當量，在傳動系統(tǒng)中應(yīng)加一對齒輪降速傳動。齒輪傳動比選 ，2.6 步進電機慣性負載的計算因步進電機步距角表2-3 齒輪尺寸 1728171914.55 283025.5517.5根據(jù)等效轉(zhuǎn)動慣量的計算公式，得式中： 折算到電機軸上的慣性負載； 步進電機轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動慣量；齒輪 的轉(zhuǎn)動慣量；齒輪 的轉(zhuǎn)動慣量；滾

13、珠絲杠的轉(zhuǎn)動慣量；M移動部件質(zhì)量。對材料為鋼的圓柱零件轉(zhuǎn)動慣量可按下式估算式中：D圓柱零件直徑cm；L零件長度cm。所以電機軸轉(zhuǎn)動慣量很小，可以忽略，則3 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計3.1微機系統(tǒng)選擇X-Y數(shù)控工作臺控制系統(tǒng)硬件主要包括CPU、傳動驅(qū)動、傳感器、人機交互界面。硬件系統(tǒng)設(shè)計時，應(yīng)注意幾點：電機運轉(zhuǎn)平穩(wěn)、響應(yīng)性能好、造價低、可維護性、人機交互界面可操作性比較好。3.1.1單片機選型隨著微電子技術(shù)水平的不斷提高，單片微型電腦有了飛躍的發(fā)展。單片機的型號很多，而目前市場上應(yīng)用MCS-51芯片及其派生的兼容芯片比較多，如目前應(yīng)用最廣的8位單片機89C51，價格低廉，而性能優(yōu)良，功能強大。在一些復(fù)雜

14、的系統(tǒng)中就不得不考慮使用16位單片機，MCS-96系列單片機廣泛應(yīng)用于伺服系統(tǒng)，變頻調(diào)速等各類要求實時處理的控制系統(tǒng)，它具有較強的運算和擴展能力。但是定位合理的單片機可以節(jié)約資源，獲得較高的性價比。3.1.2電氣接口CPU接口部分包括傳感器部分、傳動驅(qū)動部分、人機交互界面三部分。示意圖如下所示：行程開關(guān)前向通道傳動驅(qū)動電磁鐵步進電機人機界面?zhèn)鞲衅鰽T89S51鍵盤、LED后向通道 圖3-1 CPU外部接口示意圖AT89S51要完成的任務(wù)：1將行程開關(guān)的狀態(tài)讀入CPU，通過中斷進行處理，它的優(yōu)先級別最高。2通過程序?qū)崟r控制電機和電磁鐵的運行。3接受鍵盤中斷指令，并響應(yīng)指令，將當前行程開關(guān)狀態(tài)和鍵

15、盤狀態(tài)反應(yīng)到LED上，實現(xiàn)人機交互作用。由于AT89S51只有P1口和P3口是準雙向口，但P3口主要以第二功能為主，并且在系統(tǒng)中要用到第二功能的中斷口，因此要進行I/O擴展?？紤]到電路的簡便性和可實現(xiàn)性，實際中采用內(nèi)部自帶鎖存器的8155，所以AT89S51的I/O口線分配如下：1P1.0-P1.5控制X-Y兩個方向步進電機的A、B、C線圈通電，形成A-AB-B-BC-C-CA-A三相六拍正轉(zhuǎn)模式和A-AC-C-CB-B-BA-A的反轉(zhuǎn)模式。2P1.6口輸出控制電磁鐵的吸合。3P3.2和P3.3兩個中斷源中INT0優(yōu)先級最高，它讀入行程開關(guān)的狀態(tài)并觸發(fā)中斷；INT1讀入點動、復(fù)位、圓弧插補開關(guān)

16、的狀態(tài)而觸發(fā)中斷。4P0.0-P0.7外部I/O擴展的數(shù)據(jù)讀取。5P2.7和P2.6決定8155的PA、PB、PC口的地址。3.2電機驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計3.2.1步進電機工作原理與驅(qū)動電路步進電機的速度控制比較容易實現(xiàn)，而且不需要反饋電路。設(shè)計時的脈沖當量為0.01mm，步進電機每走一步，工作臺直線行進0.01mm。步進電機驅(qū)動電路中采用了光電偶合器，它具有較強的抗干擾性，而且具有保護CPU的作用，當功放電路出現(xiàn)故障時，不會將大的電壓加在CPU上使其燒壞。圖3-2 步進電機驅(qū)動電路圖該電路中的功放電路是一個單電壓功率放大電路，當A相得電時，電動機轉(zhuǎn)動一步。電路中與繞組并聯(lián)的二極管D起到續(xù)流作用，即在

17、功放管截止是，使儲存在繞組中的能量通過二極管形成續(xù)流回路泄放，從而保護功放管。與繞組W串聯(lián)的電阻為限流電阻，限制通過繞組的電流不至超過額定值，以免電動機發(fā)熱厲害被燒壞。由于步進電機采用的是三相六拍的工作方式三個線圈A、B、C，其正轉(zhuǎn)的通電順序為：A-AB-B-BC-C-CA-A，其反轉(zhuǎn)的通電順序為：A-AC-C-CB-B-BA-A。步進時鐘A相波形B相波形C相波形圖3-3 三相六拍工作方式時相電壓波形正轉(zhuǎn)3.2.2電磁鐵驅(qū)動電路該驅(qū)動電路也采用了光電偶合器，但其功放電路相對簡單。其光電偶合部分采用的是達林頓管，因為驅(qū)動電磁鐵的電流比較大。3.2.3電源電路兩電機同時工作再加上控制系統(tǒng)用電，所需

18、電源容量比較大，需要選擇大容量電源。此系統(tǒng)中用到的電源電壓為27V、12V、5V，為了便于管理和電源容量需求，就采用了標準的27V電源作為基準，通過芯片進行電壓轉(zhuǎn)換得到所需的12V和5V電壓。圖3-4 電源轉(zhuǎn)換電路圖電路中在轉(zhuǎn)換芯片的前后有兩個電容，前面電容起防止自激作用，后面電容起濾波作用。此外，在具體應(yīng)用的過程中，LM7805必須加上散熱片。3.2.4傳感器與人機界面由于步進電機不需要反饋電路，但是要注意工作臺不能超過最大行程。因此，必須在X、Y軸的方向各加上兩個行程開關(guān)。這里行程開關(guān)作用有兩個：1防止工作臺超過最大行程，使電機損壞2可以用與定位。所以這4個行程開關(guān)就充當了傳感器。4 程序設(shè)計4.1總體方案 4.2程序流程圖4.2.1程序結(jié)構(gòu) 4.2.2程序模塊 4.2.3 XX子程序 4.2.4 XX子程序4.3程序代碼4.3.1子程序14.3.2子程序25 設(shè)計總結(jié)5.1結(jié)論 5.2心得體會5.3成員分工參考文獻1 秦愛中.基于ZMP雙足的步行機器人布態(tài)規(guī)劃研究D.西北工業(yè)大學(xué)，2003 2 楊家軍機械系統(tǒng)創(chuàng)新設(shè)計M武漢：華中理工大學(xué)出版社，2000 3 楊平，廉仲機械電子工程設(shè)計M北京：國防工業(yè)出版社