機電系統(tǒng)設計課程設計

1、GUIZHOU UNIVERSITY課程設計課程名稱:學 院:姓 名:年 級:機電系統(tǒng)設計課程設計機械學院 專業(yè)：機械設計制造及其自動化李加華學號：0908030270機電094 任課教師:蔡家斌2012年12月 30日貴州大學本科課程設計誠信責任書本人鄭重聲明：本人所呈交的課程論文（設計），是在導師的指導下獨 立進行研究所完成。課程論文（設計）中凡引用他人已經發(fā)表或未發(fā)表 的成果、數(shù)據(jù)、觀點等，均已明確注明出處。特此聲明。論文（設計）作者簽名：日期：貴州大學本科課程設計任務書學生信息學號 0908030270BBEIM專業(yè)機械設計制造及其自動化 機電094教師信息姓名職稱學歷胡月明副教授碩士

2、蔡家斌副教授碩士楊文杰副教授碩士楊綠講師碩士任務書 W11七m曰& 口 發(fā)出時間2011年12月25日化又（設計）數(shù)控技術課程設計t匕又（設計）。八1 11。曰。只口1 f） Zir 1 曰 1只口共、需Q起止時間2011年12月26日2012年主要要求： 方案擬定正確。 設計計算根據(jù)來源可靠，計算數(shù)據(jù)準確無誤。月16日周數(shù)元氣件選用正確規(guī)范符合國家頒布標準。 機械結構圖紙繪制視圖完整、符合最新國家標準，圖面整潔、質量高。 電氣部份圖紙要求符合國家標準，圖面布局合理、整潔、質量高。 機械和電氣部份圖紙總量為1.5張“0”號圖量，其中含機械裝配圖12張、電氣控制原理框圖及計算機I/O接口和驅動控

3、制電路等電氣原理主要內容：1、結合設計任務的要求擬定總體機械和電氣控制設計方案。2、根據(jù)擬定的機械設計方案進行一坐標數(shù)控工作臺的機械結構設計計算和元件的選用。3、根據(jù)擬定的電氣設計方案進行數(shù)控系統(tǒng)控制電路的框圖設計及驅動控制 電路的計算和元件選用。4、根據(jù)指定要求進行有關軟件的流程圖設計。5、對指定的軟件程序進行編寫。6、進行機械結構的工程圖和電氣原理圖的繪制。圖12張。7、課程設計說明書應闡述整個設計內容：如課題來源現(xiàn)實意義、總體方案 確定、系統(tǒng)框圖分析、電氣執(zhí)行元件的選用說明、機械傳動和驅動電路 的設計計算以及機械和電氣的其它部分。說明書要突出重點和特色，圖 文并茂、文字通暢、計算正確、字

4、跡清晰、內容完整。說明書頁數(shù)不少 于20頁預期目標：設計出合理的XY機床工作臺部分、電氣控制原理框圖、驅動控制電路及指 定軟件設計，撰寫不低于3000字左右設計論文，并附錄相關資料及設計圖紙。計劃進程:序號計劃時間進程112.311.2課題調研及資料收集，研究問題及提出初步總體方案21.31.4總體方案論證及確定31.51.9機械部分方案論證確定及計算41.101.15電氣部分方案論證確定及設計51.161.17撰寫論文及繪制相關圖紙61.18答辯主要參考文獻：成大先.機械設計手冊（單行本-機械傳動）M.北京：化學工業(yè)出版社，2004.1沈愛琴.數(shù)控技術課程設計指導書Z.貴陽：貴州工業(yè)大學機電

5、教研室，1998.9張毅剛.單片機原理及應用M.北京：高等教育出版社，2004.1機電一體化技術手冊編委會.機電一體化技術手冊M.北京：機械工業(yè)出版社，1999.9陸昆，奚大順，李之權等.電子設計技術M.北京：電子科技大學出版社，1998.10 TOC o 1-5 h z 摘要7 HYPERLINK l bookmark26 o Current Document 第一章緒論8 HYPERLINK l bookmark34 o Current Document 第二章總體方案的確定9 HYPERLINK l bookmark37 o Current Document 2.1、課程設計的任務9 H

6、YPERLINK l bookmark41 o Current Document XY十字工作臺的設置的總體方案的確定9 HYPERLINK l bookmark45 o Current Document 2.2.1、系統(tǒng)運動方式和伺服系統(tǒng)9 HYPERLINK l bookmark49 o Current Document 2.2.2、控制系統(tǒng)9 HYPERLINK l bookmark53 o Current Document 2.2.3、X-丫工作臺的傳動方式9 HYPERLINK l bookmark57 o Current Document 2.2.4、機械系統(tǒng)的設計10 HYPER

7、LINK l bookmark61 o Current Document 第三章機械結構設計11 HYPERLINK l bookmark64 o Current Document X-Y工作臺的結構簡圖11工作臺草圖的設計11 HYPERLINK l bookmark71 o Current Document 機械系統(tǒng)的機械結構草圖及簡圖11 HYPERLINK l bookmark77 o Current Document 開環(huán)控制系統(tǒng)14 HYPERLINK l bookmark83 o Current Document 3.2步進電機系統(tǒng)15 HYPERLINK l bookmark8

8、6 o Current Document 步進電機的工作原理及特點15 HYPERLINK l bookmark95 o Current Document 第四章電路控制設計17 HYPERLINK l bookmark98 o Current Document 驅動電路的設計17 HYPERLINK l bookmark101 o Current Document 控制電路面板線路的設計18 HYPERLINK l bookmark105 o Current Document 電路的接線分析18 HYPERLINK l bookmark108 o Current Document 控制電路簡

9、圖184.2.3 電氣接線簡圖194.3操作控制面板19 HYPERLINK l bookmark111 o Current Document 第五章程序21 HYPERLINK l bookmark114 o Current Document 第六章心得體會28機電系統(tǒng)設計課程設計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、

10、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。機電一體化技術和產品基本上已經席卷了整個 工業(yè)領域，新一代的CNC系統(tǒng)這類典型機電一體化產品正朝著高性能、智能化、 系統(tǒng)化以及輕量、微型化方向發(fā)展。關鍵字：機電一體化的基礎發(fā)展趨勢滾珠絲杠滾動導軌步進電機第一章緒 論現(xiàn)代科學技術的不斷發(fā)展，極大地推動了不同學科的交叉與滲透，導致了工 程領域的技術革命與改造。在機械工程領域，由于微電子技術和計算機技術的迅 速發(fā)展及其向機械工業(yè)的滲透所形成的機電一體化，使機械工業(yè)的技術結構、產 品機構、功能與構成、生產方式及管理體系發(fā)生了巨大變化，使工業(yè)生產由“機 械電氣化”邁入了“機電一體化”

11、為特征的發(fā)展階段。機電一體化課程設計是一個重要的而且十分必要的教學環(huán)節(jié)，要求學生 綜合的運用所學的理論知識，獨立進行的設計訓練，主要目的：1、通過設計，使學生全面地、系統(tǒng)地了解和掌握數(shù)控機床的基本組成及其 想關知識，學習總體的方案擬定、分析與比較的方法。2、通過對機械系統(tǒng)的設計，掌握幾種典型傳動元件與導向元件的工作原理、 設計計算及選用的方式3、通過對機械系統(tǒng)的設計，掌握常用伺服電機的工作原理、計算控制方法 與控制驅動方式4、培養(yǎng)學生獨立分析問題和解決問題的能力，學習并樹立“系統(tǒng)設計”的 思想5、鍛煉提高學生應用手冊和標準、查閱文獻資料及撰寫科技論文的能力。第二章總體方案的確定2.1、課程設計

12、的任務弄清楚XY十字工作臺的運動方式和整個工作臺的總體結構，對電氣部分進行 合理的設計，調試出程序清單。XY十字工作臺的設置的總體方案的確定根據(jù)設計要求，采用的是單片機控制的步進電機驅動的多用XYX作臺。具 體系統(tǒng)的運動方式和設備的選型按標準選取。2.2.1、系統(tǒng)運動方式和伺服系統(tǒng)采用連續(xù)控制系統(tǒng)?？紤]到運動精度不高，行程較短，簡化機械結構，降 低設備成本，而且要求系統(tǒng)的負載不大，故采用步進電機開環(huán)伺服系統(tǒng)作為系統(tǒng) 的驅動元件，這樣可以使維修簡便。具體步進電機的選型參考步進電機的選型和 設計。2.2.2、控制系統(tǒng)采用MCS-51系列中的8051單片機控制系統(tǒng)。MCS-51的主要特點是集成 度高

13、，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 示器和步進電機功率放大器電路等組成。系統(tǒng)的工作程序和控制命令通過鍵盤操 作和鼠標操作實現(xiàn)，顯示器采用數(shù)碼管加工數(shù)據(jù)和工作狀態(tài)等信息。2.2.3、X-丫工作臺的傳動方式為保證一定的傳動精度和穩(wěn)定性以及結構的緊奏，采用滾珠絲杠螺母傳動 副。為提高傳動精度和消除間歇，采用有預加載荷的結構。由于工作臺的運動部件重量和工作載荷不大，故采用滾動直線導軌副，這樣 可以減小工作臺的摩擦系數(shù)，提高運動平穩(wěn)性。在設計的同時，還要考慮縮短傳動鏈，因為縮短傳動鏈可以提高系統(tǒng)的傳動剛度，這樣可以減少系統(tǒng)的誤差?？紤]電機步距角和絲杠導程只能夠按標準來選取

14、，為達到分辨率的要求，以及考慮步進電機負載匹配，采用電機減速傳動。系統(tǒng)總體框圖如下功率放大器計算機光電隔 離器2.2.4、機械系統(tǒng)的設計機械系統(tǒng)的設計內容包括：確定系統(tǒng)的脈沖當量，運動部件慣性的計算，選 擇步進電機，傳動及導向元件的設計計算及選擇。支承座采用的是固定支承式用的是深溝球軸承和向心軸承；因為工作臺作為實驗用運動部件重量和工作載荷都很小載荷幾乎沒有，實驗 臺用的是直線滾動導軌副提高運動平穩(wěn)性和減少工作臺的摩擦系數(shù)；第三章機械結構設計X-Y工作臺的結構簡圖工作臺草圖的設計X - Y工作臺的機電一體化系統(tǒng)可以設計為開環(huán)、半閉環(huán)和閉環(huán)伺服系統(tǒng)三 種。開環(huán)的伺服系統(tǒng)采用步進電機驅動，系統(tǒng)中不

15、設置傳感與檢測設備;半閉環(huán)的 伺服系統(tǒng)中一般采用交流或直流伺服電機驅動，并在電機輸出軸端設置傳感與檢 測設備；閉環(huán)的伺服系統(tǒng)中也是采用交流或直流伺服電機驅動，但檢測與傳感設 備設置在工作臺末端。本文所設計的X - Y工作臺開環(huán)伺服系統(tǒng),通過控制器控 制步進電機的驅動，經傳動機構帶動工作臺運動，其總體框圖如下：步進電機工作臺草圖機械系統(tǒng)的機械結構草圖及簡圖繪制出所設計的十字工作臺的結構草圖，其結構草圖如下圖所示在本次十字工作臺課程設計中機械系統(tǒng)主要包括步進電動機X2,滾珠絲桿副X2,聯(lián)軸器，導軌，支撐座，軸承，其機械草圖線路及機械結構簡圖如下圖所示：XY工作臺機構簡圖圖中為保證傳動精度和平穩(wěn)性以

16、及結構的緊湊，我們用的是滾珠絲杠螺母 傳動副，而且滾珠絲杠副具有軸向剛度高能通過適當預緊可消除絲杠與螺母之間 的軸向間隙，不易磨損等優(yōu)點，運動平穩(wěn),是用壽命長等優(yōu)點；支承座采用的是固定支承式用的是深溝球軸承和向心軸承；因為工作臺作為實驗用運動部件重量和工作載荷都很小載荷幾乎沒有，實 驗臺用的是直線滾動導軌副提高運動平穩(wěn)性和減少工作臺的摩擦系數(shù)；導軌副的選用要設計數(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軌副，它具有摩擦系數(shù)小，不易爬行，傳動效率高，結 構緊，安裝預緊方便等優(yōu)點。在該工作臺中分別用兩個步進電機控制兩個絲杠副運動，分別控制X方向 和Y方向的

17、運動，控制系統(tǒng)根據(jù)用戶編制的程序的要求，發(fā)出脈沖型號控制兩個 步進電機，讓兩個工作臺運動，從而實現(xiàn)了 X-Y 一體化的功能。開環(huán)控制系統(tǒng)在實驗中我們用的數(shù)控機床工作臺伺服系統(tǒng)所用的是開環(huán)伺服系統(tǒng)；全閉 環(huán)控制系統(tǒng),結構復雜技術難度大，成本高;半閉環(huán)控制，調試比開環(huán)控制要困難, 而其結構也相對復雜;經綜合考慮要求經濟性，而且運動精度要求不高，為簡化結 構和降低成本，所以我們選用的開環(huán)伺服結構；開環(huán)控制的系統(tǒng)框圖:3.2步進電機系統(tǒng)根據(jù)本課程設計所要求的步進電機數(shù)量為兩個，一個步進電機控制X方向運 動的工作臺，另一個控制Y方向運動的工作臺。步進電機的工作原理及特點步進電機是將電脈沖信號轉變?yōu)榻俏灰?/p>

18、或線位移的開環(huán)控制元件。在非 超載的情況下，電機的轉速、停止的位置取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不 受負載變化的影響，即給電機加一個脈沖信號，電機則轉過一個步距角。這一線 性關系的存在，加上步進電機只有周期性的誤差而無累積誤差等特點。使得在速 度、位置等控制領域用步進電機來控制變的非常的簡單。雖然步進電機已被廣泛應用，但步進電機并不能象普通的直流電機，交流 電機在常規(guī)下使用。它必須由雙環(huán)形脈沖信號、功率驅動電路等組成控制系統(tǒng) 方可使用。因此用好步進電機卻非易事，它涉及到機械、電機、電子及計算機等 許多專業(yè)知識。步進電動機的轉子由軟磁材料或永磁材料制成多極的形式，定子上裝有多相 不同連接的控制

19、繞組。它的激勵信號有直流脈沖、方波、多相方波和邏輯序列多 種。步進電動機的步距和速度不受電壓波動、環(huán)境溫度和負載變化的影響，而僅 與脈沖頻率有關。改變脈沖頻率就能在很大范圍內準確調節(jié)電動機的速度。因此 步進電動機用于開環(huán)數(shù)字控制，可大大簡化控制系統(tǒng)。步進電動機配以位置檢測 元件時也可用于閉環(huán)數(shù)字控制，常用于打印機、帶讀出器、計數(shù)器、繪圖機、數(shù) 控機床、閥門執(zhí)行機構、定位平臺和數(shù)模轉換器等。步進電動機種類繁多，按運 動形式分為旋轉式步進電動機和直線式步進電動機。這就是步進電機的工作原理及分類。步進電機的特點一、過載性好其轉速不受負載大小的影響，不像普通電機，當負載加大時就會出現(xiàn)速度下降的情況，所

20、以步進電機使用在對速度和位置都有嚴格要求的場合。二、控制方便步進電機是以“步”為單位旋轉的，數(shù)字特征比較明顯，這樣就給計算機控制帶來了很大的方便，反過來，計算機的出現(xiàn)也為步進電機開辟了更為廣闊的使用市場。三、整機結構簡單傳統(tǒng)的機械速度和位置控制結構比較復雜，調整困難，使用步進電機后，使得整機的結構變得簡單和緊湊。第四章電路控制設計4.1驅動電路的設計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，工作臺直線行進給0.01mm。步進電機驅動電路中 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

21、將大的電壓加在CPU上使其燒壞。圖7步進電機驅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 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五相十拍的工作方式（五個線圈A、B、C、D、E），其正 轉時通電順序為：AB-ABC-BC-BCD-CD-CDE-DE-DEA-EA-EAB-AB控制電路面板線路的設計電路的接線分析畫出控制面板上的連接線路如下圖所示4.2. 2控制

22、電路簡圖控制電路是整個工作臺運動的核心，也是整個設計中最復雜的部分，因此在 設計中重點研究的對象是整個控制電路的接線過程，下圖就是十字工作臺的控制 電路簡圖Y工*臺，工i乍芻中,海贛人控制系統(tǒng)電器簡圖電氣接線簡圖電氣接線簡圖見附件CAD A4圖紙4.3操作控制面板操作控制面板如下：2)第五章程序編語言程序設計每調用一次程序，步進電機就按設計規(guī)定的方向運動進給。在程序中，設置加速，恒速，減速脈沖計數(shù)器，以計數(shù)器的值是否為0作為相應過程是否結束的標志，步進電機控制程序框圖如下根據(jù)運動要求編制的部分子程序清單如下/ DEMODlg.cpp : implementation file/#include

23、 stdafx.h#include DEMO.h#include DEMODlg.h#include CtrlCard.h#include BaseParaSet.h”#include IOTest.h#include adt8940a1.hCCtrlCard g_CtrlCard;#ifdef _DEBUG#define new DEBUG_NEW#undef THIS_FILEstatic char THIS_FILE = _FILE_;#endifextern int effectlogic_x;extern int effectlogic_y;extern int effectlogi

24、c_z;extern int effectlogic_a;extern int registermode;/ CDEMODlg dialogCDEMODlg:CDEMODlg(CWnd* pParent /*=NULL*/):CDialog(CDEMODlg:IDD, pParent)/AFX_DATA_INIT(CDEMODlg)m_nAddX = 0;m_nAddY = 0;m_nAddZ = 0;m_bX = FALSE;m_bY = FALSE;m_bZ = FALSE;m_nPulseX = 0;m_nPulseY = 0;m_nPulseZ = 0;m_nSpeedX = 0;m_

25、nSpeedY = 0;m_nSpeedZ = 0;m_nStartvX = 0;m_nStartvY = 0;m_nStartvZ = 0;m_bDelayStatus = FALSE;m_nDelayTime = 0;m_nSpeedA = 0;m_nStartvA = 0;m_nPulseA = 0;m_bA = FALSE;m_nAddA = 0;m_dTaccX = 0.0;m_dTaccA = 0.0;m_dTaccY = 0.0;m_dTaccZ = 0.0;m_bManualContinue = FALSE;/AFX_DATA_INIT/ Note that LoadIcon

26、does not require a subsequent DestroyIcon in Win32 m_hIcon = AfxGetApp()-LoadIcon(IDR_MAINFRAME);int i;i=g_CtrlCard.Init_Board();“ 小小小小小小小小小小小小小小*初始化 8940A1 卡*設置默認初始速度為500 *m_nStartvX = 500;m_nStartvY = 500;m_nStartvZ = 500;m_nStartvA = 500;/*設置默認驅動速度為1000*=1000;=1000;=1000;=1000;m_nSpeedXm_nSpeedYm

27、_nSpeedZm_nSpeedA /*設置默認加速度為750*m_nAddX= 750;m_nAddY= 750;m_nAddZ= 750;m_nAddA= 750;/*設置默認目標位置為100000*m_nPulseX = 150000;m_nPulseY = 150000;m_nPulseZ = 150000;m_nPulseA = 150000;/* 設置加速時間 *m_dTaccX = 0.2;m_dTaccY = 0.2;m_dTaccZ = 0.2;m_dTaccA = 0.2;* 設置延時時間為 0.1* m_nDelayTime = 0.1;UpdateData(FALSE)

28、;/* 啟動定時器 */* 聯(lián)動按鈕動作*/void CDEMODlg:OnButtonPmove()UpdateData(TRUE);long Startv=m_nStartvX,m_nStartvYm_nStart vZ, m_nStartvA; 初始速度驅/long Speed=m_nSpeedX,m_nSpeedY,m_nSpeedZ,m_nSpeedA;動速度long Add =m_nAddX,m_nAddY,m_nAddZ,m_nAddA;加速度if(m_bX)/* 速度設定 */g_CtrlCard.Setup_Speed(1, m_nStartvX, m_nSpeedX, m_

29、nAddX);/*X 軸驅動*/ g_CtrlCard.Axis_Pmove(1, m_nPulseX);if(m_bY )/*速度設定*/g_CtrlCard.Setup_Speed(2, m_nStartvY, m_nSpeedY, m_nAddY);/*Y 軸驅動*/g_CtrlCard.Axis_Pmove(2, m_nPulseY);if(m_bZ )/*速度設定*/g_CtrlCard.Setup_Speed(3, m_nStartvZ, m_nSpeedZ, m_nAddZ);/*Z 軸驅動*/g_CtrlCard.Axis_Pmove(3, m_nPulseZ); if(m_b

30、A )* 速度設定 */g_CtrlCard.Setup_Speed(4, m_nStartvA, m_nSpeedA, m_nAddA);*A 軸驅動*/ g_CtrlCard.Axis_Pmove(4, m_nPulseA);/*插補按鈕動作*/ void CDEMODlg:OnButtonInpmove()UpdateData();long Startv=m_nStartvX,m_nStartvYm_nStartvZ,m_nStartvA;/ 初始速度long Speed=m_nSpeedX,m_nSpeedY,m_nSpeedZ,m_nSpeedA;/驅動速度long Add=m_nA

31、ddX,m_nAddY,m_nAddZ,m_nAddA;加速度long Pulse=m_nPulseX,m_nPulseY,m_nPulseZ,m_nPulseA;軸的驅動脈沖數(shù)/ double Tacc=m_dTaccX,m_dTaccYm_dTaccZ,m_dTaccA;/ 加速時間停止按鈕動作各軸立即停止*/ void CDEMODlg:OnButtonStop() reset_fifo(0);/ 清除緩存for (int i = 1; i=MAXAXIS; i+) g_CtrlCard.StopRun(i,0);/* 實時獲取狀態(tài) */獲取邏輯位置、實際位置、運行速度和驅動狀態(tài)/ 讀取正負限位、stop0、stopl信號/*/ void CDEMODlg:OnTimer(UINT nIDEvent)int status4;for (int i=1; iMAXAXIS+1; i+)g_CtrlCard.Get_CurrentInf(i,log,act,spd);讀取邏輯位置、實際位置和運行速度* 顯示邏輯位置 */X軸負限位-0X軸正限位一1/X 軸 STOP0