专业课程设计-机电一体化系统设计-2014模板

《专业课程设计-机电一体化系统设计-2014模板》由会员分享，可在线阅读，更多相关《专业课程设计-机电一体化系统设计-2014模板（16页珍藏版）》请在装配图网上搜索。

工程学院本科生 专业课程设计说明书 （机电一体化系统设计） 题 目： 数控铣床X-Y工作台设计 专业班级： 机械11X 组别：第 Y 组 成 员： 指导教师： 赵大旭 职称： 讲师 年 月 日 目 录 设计任务书 1 1 系统总体设计 2 1.1总体性能要求与整体方案 2 1.2各系统方案确定 2 1.2.1机械传动系统方案 2 1.2.2控制系统总体方案 3 1.3课程设计主要内容安排 3 2 机械系统设计 4 2.1工作台外形尺寸及重量估算 4 2.2滚动导轨的参数确定 4 2.3 滚珠丝杠的设计计算 5 2.4 步进电机的选用 5 2.5 齿轮传动系统设计计算 5 2.6 步进电机惯性负载的计算 5 3 控制系统硬件设计 7 3.1微机系统选择 7 3.1.1单片机选型 7 3.1.2电气接口 7 3.2电机驱动系统设计 8 3.2.1步进电机工作原理与驱动电路 8 3.2.2电磁铁驱动电路 9 3.2.3电源电路 9 3.2.4传感器与人机界面 9 4 程序设计 10 4.1总体方案 10 4.2程序流程图 10 4.2.1程序结构 10 4.2.2程序模块 10 4.2.3 XX子程序 10 4.2.4 XX子程序 10 4.3程序代码 10 4.3.1子程序1 10 4.3.2子程序2 10 5 设计总结 11 5.1结论 11 5.2心得体会 11 5.3成员分工 11 参考文献 12 附录清单 13 设计任务书 题目：X-Y数控工作台机电系统设计 设计任务： 设计一个微机控制的立式铣床X-Y工作台，具体内容如下： 1、机械系统设计：通过计算正确选择传动机构、导向机构、执行机构、驱动电机等，并给出计算依据，绘制机械系统装配图； 2、控制系统设计：根据系统要求，选择正确控制策略，设计合理的控制系统，绘制控制系统原理电路图； 3、主程序设计：在机械系统与控制系统设计基础上，开发控制主程序，列出程序清单； 4、设计说明书撰写 系统主要参数： 1、立铣刀最大直径d=20mm； 2、立铣刀齿数Z=3； 3、最大铣削宽度； 4、最大背吃刀量； 5、加工材料为碳素钢； 6、X、Y方向的脉冲当量/脉冲； 7、X、Y方向的定位精度均为； 8、工作台尺寸600mm700mm,加工范围为350mm450； 9、工作台空载最快移动速度； 10、工作台进给最快移动速度； 时间安排及任务： 1、系统功能介绍，总体方案设计（1天） （1）机电一体化设计基本过程介绍； （2）X-Y工作台功能介绍； （3）总体方案确定。 2、单元功能模块介绍和设计任务落实（1天） 3、详细设计（8天） （1）机械系统装配图设计； （2）控制系统原理图设计； （3）控制主程序设计。 1 系统总体设计 1.1总体性能要求与整体方案 X-Y数控工作台机电系统被设计用于铣床数控化改造，其结构简单，容易实现。该平台能够在保证一定的精度前提下降低成本，是微机控制技术的简单的应用。本设计充分的利用了机电一体化系统思想，结合机械本体与电气控制系统软硬件于一体，使机床的加工范围扩大，精度和可靠性进一步得到提高。 总体结构如图1-1所示 图1-1 系统总体方案图 1.2各系统方案确定 1.2.1机械传动系统方案 （1）丝杠螺母副的选择 步进电动机的旋转运动需要通过丝杠螺母副转换成直线运动，需要满足初选0.01mm脉冲当量，因为定位精度0.02mm，对于机械传动要有一定的精度损失，大约是1/3-1/2的定位精度，现取为1/2，即是0.01mm和0.02mm的定位精度，滑动丝杠副无法做到，只有选用滚珠丝杆副才能达到要求，滚珠丝杆副的传动精度高、动态响应快、运转平稳、寿命长、效率高、预紧后可消除反向间隙。 同时选用内循环的形式，因为这样摩擦损失小，传动效率高，且径向尺寸结构紧凑，轴向刚度高。由于定位精度不高，故选择的调隙方式是垫片调隙式，这种调隙方式结构简单，刚性好，装卸方便。由于工作台最快的移动速度 ，所需的转速不高，故可以采用一般的安装方法，即一端固定，一端游动的轴承配置形式。 （2）导轨副的选用 要设计数控铣床工作台，需要承受的载荷不大，而且脉冲当量小，定位精度高，因此选用直线滚动导轨副，它具有摩擦系数小，不易爬行，传动效率高，结构紧，安装预紧方便等优点。 （3）伺服电机的选用 选用步进电动机作为伺服电动机后，可选开环控制，也可选闭环控制。任务书所给的精度对于步进电动机来说还是偏低，为了确保电动机在运动过程中不受切削负载和电网的影响而失步，决定采用开环控制，任务书初选的脉冲当量尚未达到0.001mm，定位精度也未达到微米级，空载最快移动速度也只有3000mm/min,故本设计不必采用高档次的伺服电机，因此可以选用混合式步进电机，以降低成本，提高性价比。 （4）减速装置的选用 选择了步进电动机和滚珠丝杆副以后，为了圆整脉冲当量，放大电动机的输出转矩，降低运动部件折算到电动机转轴上的转动惯量，可能需要减速装置，且应有消间隙机构，如果要选用减速装置，则应选用无间隙齿轮传动减速箱。 1.2.2控制系统总体方案 （1）设计的X-Y工作台准备用在数控铣床上，其控制系统应该具有轮廓控制，两坐标直线插补与圆弧插补的基本功能，所以控制系统设计成连续控制型。 （2）对于步进电动机的开环控制系统，选用MCS-51系列的8位单片机AT89S52作为控制系统的CPU，能够满足任务书给定的相关指标。 （3）要设计一台完整的控制系统，在选择CPU之后，还要扩展程序存储器，I/O接口电路，D/A转换电路，串行接口电路等。 （4）选择合适的驱动电源，与步进电动机配套使用。 1.3课程设计主要内容安排 第一章 总体设计。根据任务书明确课程设计内容，确定总体及各子系统方案。 第二章 机械系统设计。工作台外形尺寸及重量估算，电动机选择，机械传动系统设计计算，滚珠丝杠计算选择等。 第三章 控制系统硬件设计。单片机选择，系统扩展硬件系统选择。 第四章 控制系统程序设计。控制程序编写。 第五章 对全文工作做了总结和对今后应当继续深入研究的工作做了展望。 附录 X-Y工作台总装图与控制系统电路图。 2 机械系统设计 2.1工作台外形尺寸及重量估算 X向拖板（上拖板）尺寸： 长宽高 14516050 重量：按重量=体积材料比重估算 N Y向拖板（下拖板）尺寸： 重量：约90N。 上导轨座（连电机）重量： 夹具及工件重量：约150N 。 X-Y工作台运动部分的总重量：约287N。 2.2滚动导轨的参数确定 导轨是数控机床的重要部件之一，它在很大程度上决定数控机床的刚度，精度与精度保持性。目前的数控机床采用导轨形式的主要有：滑动导轨，滚动导轨，静压导轨三类。 滑动导轨主要有：金属对金属，金属对塑料，后者的化学稳定性好，摩擦系数抵，静摩擦系数小，耐磨损，耐腐蚀，吸振性好，比重小，强度大，加工成型简单，能在任何液体或者无润滑条件下工作，因此较常用。其缺点是：耐热性差，导热率低，须注意散热，刚性也比较差，吸湿性大易影响尺寸的稳定，应选用在水或者油中尺寸稳定且能耐酸和弱碱的塑料。 滚动导轨 1滚动导轨的技术要求 两导轨面见的不平行度不小于3μm 导轨平面度不小于5μm 滚动体的直径差一般机床全部滚动体为2μm。每组滚动体为1μm；精密机床全部滚动体为1μm，每组滚动体为0，5μm。 滚柱的锥度：0，5-1μm。 表面粗糙度：普通机床，磨削不抵于0，40（μm），精密机床磨削不抵于0，20（μm） 滚动导轨的结构形式按滚动体种类分，可有以下几种； 滚珠导轨。这种导轨的承载能力小，刚度低。导轨面上容易出现凹坑，但对加工精度影响不大，其材料一般为淬火钢。 滚柱导轨。它的承载能力比上述的大，适合载荷较大的机床，但滚柱导轨对安装的偏斜较为灵敏，易引起侧移和侧向滑动从而使导轨磨损加快或者降低精度。 滚针导轨。这种导轨的特点是尺寸小，结构紧凑。合适导轨受限的机床。 动导轨的支承，在数控机床上使用的滚动导轨有两种形式；滚动滑块式滚柱导轨和组装式直线滚针导轨。 静压导轨的优点是：工作表面完全处于纯液体摩擦状态下，所以其摩擦系数极低，能使驱动功率降低；导轨的运动不受负载和速度的限制，且低速时运动均匀，不出现爬行现象。使用的寿命小。抗振性好；承载能力大；摩擦发热小，导轨的温升小。它的结构形式有开式和闭式两种。 2.3 滚珠丝杠的设计计算 滚珠丝杠的负荷包括铣削力及运动部件的重量所引起的进给抗力。应按铣削时的情况计算。 （1）最大动负载Q的计算 2.4 步进电机的选用 滚珠丝杠的负荷包括铣削力及运动部件的重量所引起的进给抗力。应按铣削时的情况计算。 （1）最大动负载Q的计算 2.5 齿轮传动系统设计计算 因步进电机步距角，滚珠丝杠螺距 ，要实现脉冲当量，在传动系统中应加一对齿轮降速传动。齿轮传动比 选 ， 2.6 步进电机惯性负载的计算 因步进电机步距角 表2-3 齿轮尺寸 17 28 17 19 14.5 5 28 30 25.5 5 17.5 根据等效转动惯量的计算公式，得 式中： ——折算到电机轴上的惯性负载（）； ——步进电机转轴的转动惯量（）；——齿轮 的转动惯量（）；——齿轮 的转动惯量（）；——滚珠丝杠的转动惯量（）；M——移动部件质量（）。 对材料为钢的圆柱零件转动惯量可按下式估算 式中：D——圆柱零件直径（cm）；L——零件长度（cm）。 所以 电机轴转动惯量很小，可以忽略，则 3 控制系统硬件设计 3.1微机系统选择 X-Y数控工作台控制系统硬件主要包括CPU、传动驱动、传感器、人机交互界面。 硬件系统设计时，应注意几点：电机运转平稳、响应性能好、造价低、可维护性、人机交互界面可操作性比较好。 3.1.1单片机选型 随着微电子技术水平的不断提高，单片微型计算机有了飞跃的发展。单片机的型号很多，而目前市场上应用MCS-51芯片及其派生的兼容芯片比较多，如目前应用最广的8位单片机89C51，价格低廉，而性能优良，功能强大。 在一些复杂的系统中就不得不考虑使用16位单片机，MCS-96系列单片机广泛应用于伺服系统，变频调速等各类要求实时处理的控制系统，它具有较强的运算和扩展能力。但是定位合理的单片机可以节约资源，获得较高的性价比。 3.1.2电气接口 CPU接口部分包括传感器部分、传动驱动部分、人机交互界面三部分。示意图如下所示：（行程开关） 前向通道 传动驱动 （电磁铁） （步进电机） 人机界面 传感器 AT89S51 （键盘、LED） 后向通道 图3-1 CPU外部接口示意图 AT89S51要完成的任务： （1）将行程开关的状态读入CPU，通过中断进行处理，它的优先级别最高。 （2）通过程序实时控制电机和电磁铁的运行。 （3）接受键盘中断指令，并响应指令，将当前行程开关状态和键盘状态反应到LED上，实现人机交互作用。 由于AT89S51只有P1口和P3口是准双向口，但P3口主要以第二功能为主，并且在系统中要用到第二功能的中断口，因此要进行I/O扩展。考虑到电路的简便性和可实现性，实际中采用内部自带锁存器的8155，所以AT89S51的I/O口线分配如下： （1）P1.0-P1.5控制X-Y两个方向步进电机的A、B、C线圈通电，形成A-AB-B-BC-C-CA-A三相六拍正转模式和A-AC-C-CB-B-BA-A的反转模式。 （2）P1.6口输出控制电磁铁的吸合。 （3）P3.2和P3.3两个中断源中INT0优先级最高，它读入行程开关的状态并触发中断；INT1读入点动、复位、圆弧插补开关的状态而触发中断。 （4）P0.0-P0.7外部I/O扩展的数据读取。 （5）P2.7和P2.6决定8155的PA、PB、PC口的地址。 3.2电机驱动系统设计 3.2.1步进电机工作原理与驱动电路 步进电机的速度控制比较容易实现，而且不需要反馈电路。设计时的脉冲当量为0.01mm，步进电机每走一步，工作台直线行进0.01mm。 步进电机驱动电路中采用了光电偶合器，它具有较强的抗干扰性，而且具有保护CPU的作用，当功放电路出现故障时，不会将大的电压加在CPU上使其烧坏。 图3-2 步进电机驱动电路图 该电路中的功放电路是一个单电压功率放大电路，当A相得电时，电动机转动一步。电路中与绕组并联的二极管D起到续流作用，即在功放管截止是，使储存在绕组中的能量通过二极管形成续流回路泄放，从而保护功放管。与绕组W串联的电阻为限流电阻，限制通过绕组的电流不至超过额定值，以免电动机发热厉害被烧坏。 由于步进电机采用的是三相六拍的工作方式（三个线圈A、B、C），其正转的通电顺序为：A-AB-B-BC-C-CA-A，其反转的通电顺序为：A-AC-C-CB-B-BA-A。 步进时钟 A相波形 B相波形 C相波形 图3-3 三相六拍工作方式时相电压波形（正转） 3.2.2电磁铁驱动电路 该驱动电路也采用了光电偶合器，但其功放电路相对简单。其光电偶合部分采用的是达林顿管，因为驱动电磁铁的电流比较大。 3.2.3电源电路 两电机同时工作再加上控制系统用电，所需电源容量比较大，需要选择大容量电源。此系统中用到的电源电压为27V、12V、5V，为了便于管理和电源容量需求，就采用了标准的27V电源作为基准，通过芯片进行电压转换得到所需的12V和5V电压。 图3-4 电源转换电路图 电路中在转换芯片的前后有两个电容，前面电容起防止自激作用，后面电容起滤波作用。此外，在具体应用的过程中，LM7805必须加上散热片。 3.2.4传感器与人机界面 由于步进电机不需要反馈电路，但是要注意工作台不能超过最大行程。因此，必须在X、Y轴的方向各加上两个行程开关。这里行程开关作用有两个：（1）防止工作台超过最大行程，使电机损坏（2）可以用与定位。所以这4个行程开关就充当了传感器。 4 程序设计 4.1总体方案 4.2程序流程图 4.2.1程序结构 4.2.2程序模块 4.2.3 XX子程序 4.2.4 XX子程序 4.3程序代码 4.3.1子程序1 4.3.2子程序2 5 设计总结 5.1结论 5.2心得体会 5.3成员分工 参考文献 [1] 秦爱中.基于ZMP双足的步行机器人布态规划研究[D].西北工业大学，2003 [2] 杨家军．机械系统创新设计[M]．武汉：华中理工大学出版社，2000． [3] 杨平，廉仲．机械电子工程设计[M]．北京：国防工业出版社，2001． [4] 吴宗泽.机械设计[M]．北京：高等教育出版社，2001 [5]　Ceres R，Pons FL，Jimenez A R．Design and imp1ementat ion of an aided fruit-harvesting Robot[J]．Industria1 Robot,1998,25(5)：337—346． [6] Spencer S. Robot milkmaids to become a commercial reality [J]．Industrial robot,1999,26(2):112～114． [7] 张建民，机械一体化系统设计.高等教育出版社. [8] 任烨.基于机器视觉设施农业内移栽机器人的研究[D].浙江:浙江大学.2007,6. [9] 方建军.移动式采摘机器人研究现状与进[J].农业工程学报,2004, [10] 汤修映,张铁中.果蔬收获机器人研究综述[J].机器人, 2005 [11] 王建军，武秋俊.机器人在农业中的应用[J].农机化研究,2007(7): 174～176． [12] 田素博.国内外农业机器人的研究进展[J].农业机械化与电气化，2007（2）:3～5. [13] 张铁中,魏剑涛.蔬菜嫁接机器人视觉系统的研究(I)[J].中国农业大学学报,1999,4（4）:45～47. [14] 李牧，陆怀民，方红根，郭秀荣.我国农林机器人的研究现状及发展趋势[J].森林工程, 2003,19(5):39～41. 附录清单 1机械本体装配图 2控制系统电路图 3控制程序源代码 附录 1、工程图纸 14