機(jī)電專業(yè)課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書-二坐標(biāo)數(shù)控工作臺(tái)設(shè)計(jì)大學(xué)論文

1、機(jī)電專業(yè)課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書設(shè)計(jì)題目：二坐標(biāo)數(shù)控工作臺(tái)設(shè)計(jì) 學(xué) 院：機(jī)械工程與力學(xué)學(xué)院 班 級(jí)：08機(jī)電1模塊班 設(shè)計(jì)者：趙濱指導(dǎo)老師：胡利永完成日期：2012-3-8學(xué)校：寧波大學(xué)科技學(xué)院目錄一、 機(jī)電專業(yè)課程設(shè)計(jì)目的 3二、總體方案設(shè)計(jì) 3三、機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì) 41、計(jì)工作臺(tái)外形尺寸及重量估算 42、電動(dòng)機(jī)滾動(dòng)導(dǎo)軌的參數(shù)確定53、滾珠絲杠的設(shè)計(jì)計(jì)算 54、步進(jìn)電機(jī)的選用75、確定聯(lián)軸器的型號(hào) 11四、繪制裝配圖11五、電氣原理圖設(shè)計(jì)121、功率單片機(jī)的選擇122、外部程序存儲(chǔ)器的擴(kuò)展123、外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的擴(kuò)展 134、 I/O 口擴(kuò)展電路135、顯示器接口設(shè)計(jì)136、鍵盤接口電路設(shè)計(jì)137、步進(jìn)電

2、機(jī)的接口電路設(shè)計(jì)138、其他14六、參考文獻(xiàn)145、機(jī)電專業(yè)課程設(shè)計(jì)目的本課程設(shè)計(jì)是學(xué)生在完成專業(yè)課程學(xué)習(xí)后， 所進(jìn)行的機(jī)電一體化設(shè)備設(shè)計(jì)的綜合性訓(xùn)練。通過(guò)該環(huán)節(jié)達(dá)到下列目的：（1）鞏固和加深專業(yè)課所學(xué)的理論知識(shí)；（2）培養(yǎng)理論聯(lián)系實(shí)際，解決工程技術(shù)問(wèn)題的動(dòng)手能力； （3）進(jìn)行機(jī)電一體化設(shè)備設(shè)計(jì)的基本功訓(xùn)練，包括以下10方面基本功：1）查閱文獻(xiàn)資料；2）分析與選擇設(shè)計(jì)方案；3）機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；4）電氣控制原理設(shè)計(jì)；5）機(jī)電綜合分析；6）繪工程圖；7）運(yùn)動(dòng)計(jì)算和精度計(jì)算；9）撰寫設(shè)計(jì)說(shuō)明書；10）貫徹設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。二、總體方案設(shè)計(jì)2.1設(shè)計(jì)任務(wù)（1）題目：二坐標(biāo)數(shù)控工作臺(tái)設(shè)計(jì)。（2）設(shè)計(jì)內(nèi)容及要求：1

3、 ）工作臺(tái)總裝圖一張（0號(hào)）2 ）控制電氣圖一張（1號(hào)）3 ）設(shè)計(jì)說(shuō)明書一份（10-20頁(yè)）4 ）具體設(shè)計(jì)參數(shù)如下：臺(tái)面尺寸：175 170行程X： 170； 丫:120定位精度：X -0.01/300mm丫二0.013/300mm典型工藝參數(shù)：臺(tái)面速度 X: 1.1m/min，丫： 1.0m/min ；進(jìn)給抗力 X: 100N ； Y: 90N；工作物重：12Kg。2.2總體方案確定（1）系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方式與伺服系統(tǒng)由于工件在移動(dòng)的過(guò)程中受到負(fù)載力較小，為了簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，降低成本，采用 步進(jìn)電機(jī)開環(huán)伺服系統(tǒng)驅(qū)動(dòng) X-Y工作臺(tái)。（2）計(jì)算機(jī)系統(tǒng)本設(shè)計(jì)采用了與MCS-51系列的8031單片機(jī)控制系統(tǒng)。它

4、的主要特點(diǎn)是集成 度高，可靠性好，功能強(qiáng)，速度快，有較高的性價(jià)比，且易擴(kuò)展。MCS-51的程序存儲(chǔ)器空間為64K字節(jié)。對(duì)于片內(nèi)無(wú)ROM勺單片機(jī)8031，需進(jìn) 行程序存儲(chǔ)器的擴(kuò)展。本控制系統(tǒng)由由 8031型單片機(jī)、數(shù)據(jù)鎖存器74LS373存 儲(chǔ)器EPROM2764RAM6264地址譯碼器74LS138并行I/O接口 8255等集成電路 構(gòu)成（3）X-Y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，又要求結(jié)構(gòu)緊湊，所以選用絲杠螺母?jìng)鲃?dòng) 副。為提高傳動(dòng)剛度和消除間隙，采用預(yù)加負(fù)荷的結(jié)構(gòu)。由于工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)載荷不大，因此采用直線滾珠導(dǎo)軌。采用滾珠導(dǎo)軌可減少 兩個(gè)相對(duì)運(yùn)動(dòng)面的動(dòng)、靜摩擦系數(shù)之差，從而提高運(yùn)

5、動(dòng)平穩(wěn)性，減小振動(dòng)?？紤]電機(jī)步距角和絲桿導(dǎo)程只能按標(biāo)準(zhǔn)選取，為達(dá)到分辨率和結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的要 求，盡可能使傳動(dòng)比為1。三、機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.1、工作臺(tái)外形尺寸及重量估算由臺(tái)面尺寸為175X170,查課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書表 3-23，估計(jì)取工作臺(tái)厚度 30mm則重量：按重量二體積X材料比重估算175 170 30 10； 7.8 10, : 70NX向拖板（上拖板）：估計(jì)上絲桿長(zhǎng)度，由lu V le，余程le查表5-4取20mm 則絲桿長(zhǎng)度約為345。電動(dòng)機(jī)約2kg，托板和導(dǎo)軌合估計(jì)為345 170 30 107.8 10 2 10 : 157N工作物重為120N則X-Y工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)部分的總重量：約 347M3

6、.2、滾動(dòng)導(dǎo)軌的參數(shù)確定、導(dǎo)軌型式：直線滾動(dòng)導(dǎo)軌、導(dǎo)軌長(zhǎng)度錯(cuò)誤！未找到引用源。X向?qū)к墸ㄉ希┤?dòng)導(dǎo)軌長(zhǎng)度Ib =175mm動(dòng)導(dǎo)軌行程1 =170 mm余程約為le =20 mm支承導(dǎo)軌長(zhǎng)度L=Ib 1 le =365 mm計(jì)算四滑塊的載荷，工作臺(tái)重量 70N,假設(shè)重物處于臺(tái)中央，然后擴(kuò)大載荷2倍。計(jì)算需要的動(dòng)載荷F +GP=止 47.5N4擴(kuò)大后95No1C _fwP L 7fh ft fc fa 150 丿查長(zhǎng)方資料得：fh =1ft =1fc=0.81fa = 1fw =1， ， ， ， 0代入數(shù)據(jù)得 =228N，由資料3-20取滾動(dòng)導(dǎo)軌型號(hào)為：LY15AL額定動(dòng) 載荷為605N,滿足要求

7、。錯(cuò)誤！未找到引用源。丫向?qū)к墸ㄏ拢㊣b =170 mm 1 =120 mml 20 mmL 池 1 譏二31。mm取值330mm計(jì)算四滑塊的載荷，總重量347N,假設(shè)重物處于臺(tái)中央，然后擴(kuò)大載荷 2倍F GP116N4擴(kuò)大后232MCa計(jì)算需要的動(dòng)載荷fwP150丿，查長(zhǎng)方資料得:fc =0.81fw =1。代入數(shù)據(jù)得Ca =526N，由資料3-20取滾動(dòng)導(dǎo)軌型號(hào)為：LY15AL額定動(dòng)載荷為605N,滿足要求3.3、滾珠絲杠的設(shè)計(jì)計(jì)算錯(cuò)誤！未找到引用源。X絲杠（上） 由表5-3，初選滾珠絲杠的基本導(dǎo)程為5mm根據(jù)式（3-1）其中，Iv為絲杠有效行程，lu為絲杠螺紋全長(zhǎng)，le 余程，根據(jù)表5-

8、4，取余程20mm則lu=365mm滾珠絲杠副的計(jì)算軸向動(dòng)載荷為CajFe f w1z60 Lh ne 誦106其中Fe10090 .3=51.35N注1_ 2 = 30 0.005 1 _0.92 7.0057N w2 i2二 0.8 17取滾動(dòng)導(dǎo)軌的摩擦系數(shù)為丄0-03 （淬火鋼滾珠導(dǎo)軌的摩擦系數(shù)）查表:Lh = 150001100毎 _5二 220 r/mint =1fa = 1fw =0.95f h =1fk = 1代入數(shù)據(jù)，得Caj =284N,查閱工廠資料，取第2個(gè)，其額定動(dòng)載荷為8451N, 足夠用。錯(cuò)誤！未找到引用源。丫絲杠（下）由表5-3，初選滾珠絲杠的基本導(dǎo)程為5mm根據(jù)式

9、（3-1）J =lue其中,余程，根據(jù)表5-4，取余程20mml V為絲杠有效行程，u為絲杠螺紋全長(zhǎng)，e則 lu=310mm滾珠絲杠副的計(jì)算軸向動(dòng)載荷為Fe fw，Z60Lh ne 丫fhlk 106 丿1Caj其中Fe90 100 0.0346.5N2取滾動(dòng)導(dǎo)軌的摩擦系數(shù)為0.03.ne1000 = 200 r/min5查表:Lh =15000ft =1fa=1fw = 0.95f h = 1fk =1代入數(shù)據(jù)，得Caj =249N,查閱工廠資料，取第2個(gè)，其額定動(dòng)載荷為8451N, 足夠用。3.4、步進(jìn)電機(jī)的選用錯(cuò)誤！未找到引用源。丫電機(jī)（下）、脈沖當(dāng)量選擇初選五相電機(jī)，按五相十拍工作時(shí)，

10、步距角= 0.36，由于要求平臺(tái)定位精度：Y 0.013/300mm，取定位精度的3 2 ） o初定脈沖當(dāng)量:=0.005mm/P，中間齒輪傳動(dòng)比為i 二360、360 0.005（2）、等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算滾珠絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（不計(jì)傳動(dòng)效率）Js二d0V二 2 4 31 7.85 10323242= 0.3823 10 _kg mY以上平臺(tái)和工作物重總重折算到軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jw =W +G ”tsp1 =.2i347 5I2 =0.22420kg m2980 、2(W +G ”tsp :2190 0.5I980 2 丿1 0.1228 10% m2= 0.093 乞 0.5#因此，折算到電機(jī)軸上的等

11、效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Je =Jw 當(dāng)=0.4512 10% m2 i（4）、等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩計(jì)算（以下均為折算到電機(jī)軸的轉(zhuǎn)矩）由式（4-7） -（ 4-9）可知:MtFx FyU tsp2- i-0.1022N mF f tsp2- i0.03 190 0.0052 二 0.8 1=0.0057N mMoFpotspn33.3 0.0052 二 0.8 11 - 0.92 * =0.0063N m0 滾珠絲杠未預(yù)緊時(shí)的傳動(dòng)效率，取0.90上式中為絲杠預(yù)緊時(shí)的傳動(dòng)效率，取0.8 ,Fp0為預(yù)緊力,1Fx =100=33.3n maxvmax .6360取3311000.36220r / min0.005360

12、取啟動(dòng)加速時(shí)間ta = 0.03s查表，初選電動(dòng)機(jī)型號(hào)75BF006，矩頻特性如下圖所示最大靜轉(zhuǎn)矩10 *00 1000 10000M j max T.23N m求。從上可知,M c最大,M c / M j max0.11421.23滿足所需的轉(zhuǎn)矩要(5) 步進(jìn)電機(jī)動(dòng)態(tài)特性校驗(yàn)0 4512說(shuō)明慣量可以匹配。Je/Jm3.008 40.15電機(jī)帶慣量最大啟動(dòng)頻率1500,1 3.008=749.3Hzvmax60、.110060 0.005=3666.7 Hz大于fl，所以與fc對(duì)應(yīng)的最大靜轉(zhuǎn)矩校核，顯然滿足要求 綜上所述，可選該型號(hào)的步進(jìn)電機(jī)，具有一定的裕量3.5、確定聯(lián)軸器的型號(hào)由于數(shù)控平臺(tái)

13、有沖擊，且電動(dòng)機(jī)工作時(shí)經(jīng)常變速，故選用撓性聯(lián)軸器。查閱參考書表10-43選用A23型聯(lián)軸器。計(jì)算聯(lián)軸器的轉(zhuǎn)矩：由估算功率摩擦力作用很小，可忽略：P 二 Fy vy=90 - 1.5- 0.0013CW y y 60T =9550 F =9550 0.0015 =0.0096N m n1500小于聯(lián)軸器的允許轉(zhuǎn)矩.5N m，且工作速度n =1500r/min遠(yuǎn)小于允許最高轉(zhuǎn)速25000.故滿足要求四、繪制裝配圖1. 標(biāo)注裝配圖尺寸、配合與精度等級(jí)。包括特性尺寸、最大體形尺寸、安裝 尺寸和主要零件的配合尺寸。2. 寫出工作臺(tái)的技術(shù)特征。3. 編寫技術(shù)要求。4. 對(duì)所有零件進(jìn)行編號(hào)。5. 列出零件明

14、細(xì)表及標(biāo)題欄。6檢查裝配圖。五、電氣原理圖設(shè)計(jì)典型數(shù)控工作臺(tái)電氣原理圖的說(shuō)明單片機(jī)是把微型計(jì)算機(jī)的主要部分都集成在一個(gè)芯片上的單芯片微型計(jì)算 機(jī)，因而可以把它看成是一個(gè)不帶外部設(shè)備的微型計(jì)算機(jī)。不同系列的單片機(jī)共 同的特點(diǎn)是：控制功能強(qiáng)；體積??；功耗低；成本低。由于上述優(yōu)越性能，單片機(jī)已在工業(yè)、民用、軍用等工業(yè)控制領(lǐng)域得到廣泛 應(yīng)用，特別是隨著數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，它在很大程度上改變了傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。在 軟件和擴(kuò)展接口支持下，單片機(jī)可以代替以往由模擬和數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)。如電氣原理圖所示的就是通過(guò)單片機(jī)及其外圍接口實(shí)現(xiàn)的二坐標(biāo)數(shù)控工作臺(tái)電氣原理圖。它由8031型單片機(jī)、數(shù)據(jù)鎖存器74LS373存儲(chǔ)器

15、EPROM2764 RAM6264地址譯碼器74LS138并行I/O接口 8255等集成電路構(gòu)成。下面分別 說(shuō)明它們?cè)谡麄€(gè)控制部分中的功能、用法及其選擇原則。5.1、單片機(jī)的選擇設(shè)隨著微電子技術(shù)水平的不斷提高，單片微型計(jì)算機(jī)有了飛躍的發(fā)展。單片 機(jī)的型號(hào)很多，而目前市場(chǎng)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(jī)89C51，價(jià)格低廉，而性能優(yōu)良，功能強(qiáng)大。在一些復(fù)雜的系統(tǒng)中就不得不考慮使用 16位單片機(jī)，MCS-96系列單片機(jī)廣 泛應(yīng)用于伺服系統(tǒng)，變頻調(diào)速等各類要求實(shí)時(shí)處理的控制系統(tǒng)， 它具有較強(qiáng)的運(yùn) 算和擴(kuò)展能力。但是定位合理的單片機(jī)可以節(jié)約資源，獲得較高的

16、性價(jià)比。計(jì)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)，首先要設(shè)計(jì)其核心的單片機(jī)系統(tǒng)。從一開始就有一個(gè)單 片機(jī)芯片選型問(wèn)題。面對(duì)不同字長(zhǎng)，如 4位、8位、16位，各具特色的單片機(jī)芯 片如何進(jìn)行選擇呢？首先要滿足所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的功能和性能要求；其次要選擇價(jià)格較低的芯片，不要盲目追求過(guò)多功能和過(guò)高性能；另外要選擇那些在國(guó)內(nèi)有成熟 的開發(fā)系統(tǒng)和穩(wěn)定的供貨來(lái)源。如采用流行普遍使用的芯片，資料豐富，能有效 地縮短開發(fā)周期。本課程設(shè)計(jì)目的是設(shè)計(jì)一種經(jīng)濟(jì)型的二坐標(biāo)數(shù)控工作臺(tái)，其功能比較簡(jiǎn)單， 成本低。因而這里選用 MCS-51系列的8031單片機(jī)作為CPU它具有良好的性能 價(jià)格比，且易擴(kuò)展。5.2、外部程序存儲(chǔ)器的擴(kuò)展MCS-51的程序存儲(chǔ)

17、器空間為64K字節(jié)。對(duì)于片內(nèi)無(wú)ROM勺單片機(jī)（如8031）， 或當(dāng)單片機(jī)內(nèi)部程序存儲(chǔ)器容量不夠時(shí)，進(jìn)行程序存儲(chǔ)器的擴(kuò)展是必不可缺的。 半導(dǎo)體存儲(chǔ)器EPROMEEPROMROM等在原理上都可用作單片機(jī)的外部程序存儲(chǔ) 器。由于EPRO價(jià)格低廉，性能可靠，所以單片機(jī)外部擴(kuò)展的程序存儲(chǔ)器一般為 EPROMS片（紫外線可擦除、電可編程的只讀存儲(chǔ)器），掉電后信息不會(huì)丟失。 在選擇外部程序存儲(chǔ)器電路時(shí)，應(yīng)注意電路的讀取時(shí)間能否與MCS-51的PESN 信號(hào)匹配。其片選端接地。由于本設(shè)計(jì)程序容量不大，因而選用 2764作為外部程序存儲(chǔ)器。5.3、外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的擴(kuò)展對(duì)大多數(shù)控制性應(yīng)用場(chǎng)合，MCS-51系列單片

18、機(jī)內(nèi)部RAM已能滿足系統(tǒng)對(duì)數(shù) 據(jù)存儲(chǔ)的要求。對(duì)需要較大容量數(shù)據(jù)緩沖器的應(yīng)用系統(tǒng)，就需要在單片機(jī)的外部 擴(kuò)展數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。在電氣原理圖中根據(jù)設(shè)計(jì)功能要求選用一片 6264作為外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。圖 中其高5位地址線 A8A12由8031的P2.0P2.4 口線提供，低8位地址線 A0A7 接地址鎖存器74LS373輸出端。讀、寫控制信號(hào)分別接 8031的RD WE其片選 信號(hào)通過(guò)地址譯碼法進(jìn)行選通。5.4、I/O 口擴(kuò)展電路本課程設(shè)計(jì)因采用步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)裝置。為了降低成本，特采用可編程外 圍并行接口芯片8255。使其不僅完成驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的功能，同時(shí)完成與鍵盤 /顯 示器的接口操作功能。5.5、顯示器

19、接口設(shè)計(jì)電氣原理圖中，由10片共陽(yáng)極LED顯示塊拼成10位LED顯示器。為了簡(jiǎn)化 硬件電路，采用動(dòng)態(tài)顯示方式。即所有位的段選線相應(yīng)地并聯(lián)在一起，由8031的P1.0P1.7 口來(lái)控制LED顯示器的段碼，而各位的位選線分別由相應(yīng)的I/O口線控制。即PC0PC7 PB6PB7共 10個(gè)I/O 口線控制，實(shí)現(xiàn)各位的分時(shí)選通。 為了保證各位LED能夠顯示出本位相應(yīng)的顯示字符，而不出現(xiàn)閃爍，導(dǎo)致人眼看 不清，必須根據(jù)人眼視覺(jué)暫留現(xiàn)象，選擇一個(gè)合適的掃描頻率。圖中選用74LS07 進(jìn)行同相驅(qū)動(dòng)。5.6、鍵盤接口電路設(shè)計(jì)鍵盤實(shí)質(zhì)上是一組按鍵開關(guān)的集合。電氣原理圖中采用矩陣式鍵盤接口， 鍵盤接口電路通過(guò) 82

20、55 (U5)的PA0PA3 PC0PC7 PB6PB構(gòu)成行、列線。 按照逐行逐列地檢查鍵盤狀態(tài)(即掃描)來(lái)確定閉合鍵的位置。5.7、步進(jìn)電機(jī)的接口電路設(shè)計(jì)對(duì)于本課程設(shè)計(jì)中選用的步進(jìn)電機(jī)，為五相，無(wú)論它工作在什么方式，都 需要五路控制電路，并且每一路對(duì)應(yīng)于步進(jìn)電機(jī)的一相。 而每一路控制電路的結(jié) 構(gòu)是一樣的。CPU接 口部分包括傳感器部分、傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)部分、人機(jī)交互界面三部分。示意 圖如下所示：圖5-1 CPU外部接口示意圖8031要完成的任務(wù)：（1）將行程開關(guān)的狀態(tài)讀入 CPU通過(guò)中斷進(jìn)行處理，它的優(yōu)先級(jí)別最高。（2）通過(guò)程序?qū)崟r(shí)控制電機(jī)的運(yùn)行。（3）接受鍵盤中斷指令，并響應(yīng)指令，將當(dāng)前行程開關(guān)狀態(tài)和鍵盤狀態(tài)反 應(yīng)到LED上，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互作用。由于8031只有P1 口和P3 口是準(zhǔn)雙向口，但P3