機電課程設(shè)計--數(shù)控工作臺設(shè)計

1、大學(xué) 課程設(shè)計（論文）內(nèi)容：X-Y數(shù)控進給工作臺設(shè)計院(系)部：機械工程學(xué)院學(xué)生姓名： 學(xué) 號: 專 業(yè)：機械電子工程班 級： 指導(dǎo)教師： 完成時間：2010-10-08 摘 要當(dāng)今世界電子技術(shù)迅速發(fā)展，微處理器、微型計算機在各技術(shù)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，對各領(lǐng)域技術(shù)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(yīng)包含以下幾個基本要素：機械本體、動力與驅(qū)動部分、執(zhí)行機構(gòu)、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(shù)、計算機與信息處理技術(shù)、自動控制技術(shù)、檢測傳感技術(shù)、伺服傳動技術(shù)和機械技術(shù)等多學(xué)科技術(shù)領(lǐng)域綜合交叉的技術(shù)密集型系統(tǒng)工程。新一代的CNC系統(tǒng)這類典型機電一體化產(chǎn)品正朝著

2、高性能、智能化、系統(tǒng)化以及輕量、微型化方向發(fā)展。關(guān)鍵字：機電一體化的基礎(chǔ) 基本組成要素 特點 發(fā)展趨勢目 錄第一章 課程設(shè)計的目的、意義及要求4第一節(jié) 課程設(shè)計的目的、意義4第二節(jié) 課程設(shè)計的要求4第二章 課程設(shè)計的內(nèi)容5第一節(jié) 課程設(shè)計的內(nèi)容5第二節(jié) 課程設(shè)計的內(nèi)容5第四章 數(shù)控系統(tǒng)總體方案的確定6第五章 機械部分設(shè)計7第一節(jié) 工作臺外形尺寸及重量初步估算7第二節(jié) 滾動導(dǎo)軌副的計算、選擇8第三節(jié) 滾珠絲杠計算、選擇10第四節(jié) 直流伺服電機的計算選擇12第五節(jié) 聯(lián)軸器計算、設(shè)計14第六節(jié) 限位開關(guān)的選擇15第七節(jié) 光電編碼器的選擇15第六章 機床數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設(shè)計15第一節(jié) 設(shè)計內(nèi)容17第二

3、節(jié) 設(shè)計步驟17第三節(jié) 機床數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設(shè)計21第七章 系統(tǒng)控制軟件設(shè)計23第八章 參考文獻26第一章 課程設(shè)計的目的、意義及要求第一節(jié) 課程設(shè)計的目的,意義機電一體化系統(tǒng)設(shè)計課程設(shè)計是培養(yǎng)學(xué)生設(shè)計能力的重要實踐性教學(xué)環(huán)節(jié)之一，是綜合運用所學(xué)過的機械、電子、自動控制、計算機等知識進行的基本設(shè)計訓(xùn)練。其目的是：1. 能夠正確運用機電一體化系統(tǒng)設(shè)計課程的基本理論和相關(guān)知識，掌握機電一體化系統(tǒng)（產(chǎn)品）的功能構(gòu)成、特點和設(shè)計思想、設(shè)計方法，了解設(shè)計方案的擬定、比較、分析和計算，培養(yǎng)學(xué)生分析問題和解決問題的能力，使學(xué)生具有機電一體化系統(tǒng)設(shè)計的初步能力；2. 通過機械部分設(shè)計，掌握機電一體化系統(tǒng)典型機

4、械零部件和執(zhí)行元件的計算、選型和結(jié)構(gòu)設(shè)計方法和步驟；3. 通過測試及控制系統(tǒng)方案設(shè)計，掌握機電一體化系統(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)計提高學(xué)生應(yīng)用手冊、標準及編寫技術(shù)說明書的能力，促進學(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。第二節(jié) 課程設(shè)計的要求：1. 課程設(shè)計應(yīng)在教師的指導(dǎo)下由學(xué)生獨立完成，嚴格地要求自己，不允許相互抄襲；2. 認真閱讀課程設(shè)計指導(dǎo)書，明確題目及具體要求；3. 認真查閱題目涉及內(nèi)容的相關(guān)文獻資料、手冊、標準；4. 大膽創(chuàng)新，確定合理、可行的總體設(shè)計方案；5. 機械部分和驅(qū)動部分設(shè)計思路清晰，計算結(jié)果正確，選型合理；6. 微機控

5、制系統(tǒng)方案可行，硬件選擇合理，軟件框圖正確；7. 手工或電腦繪制機械系統(tǒng)裝配圖一張（A1），控制系統(tǒng)電氣原理一張（A1），圖紙符合國家標準，布圖合理，內(nèi)容完整表達清晰； 8. 課程設(shè)計說明書一份（不少于8000字），包括：目錄，題目及要求，總體方案的確定，機械系統(tǒng)設(shè)計，控制系統(tǒng)設(shè)計，參考文獻等。設(shè)計說明書應(yīng)敘述清楚、表達正確、內(nèi)容完整、技術(shù)術(shù)語符合標準。第二章 課程設(shè)計的內(nèi)容第一節(jié) 課程設(shè)計題目：X-Y數(shù)控進給工作臺設(shè)計已知條件： X方向行程:300mm Y方向行程:200mm 工作臺面的參考尺寸:500X300mm 平均切削力:1500N 平均切削進給速度:600mm/min 最高運動速度:

6、6m/min 定位精度:0.01mm 工作壽命:每天8小時,工作8年,250天/年第二節(jié) 課程設(shè)計的內(nèi)容 1.數(shù)控裝置總體方案的確定 (1).數(shù)控裝置設(shè)計參數(shù)的確定； (2).方案的分析，比較，論證。 2.機械部分的設(shè)計 (1).機械部件的總體尺寸及重量的初步估算；(2).傳動元件及導(dǎo)向元件的設(shè)計，計算和選用；(3).確定直流電機；(4).繪制機械結(jié)構(gòu)裝配圖；(5).系統(tǒng)等效慣量計算；(6).系統(tǒng)精度分析。3.數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)計(1).微機及擴展芯片的選用及控制系統(tǒng)框圖的設(shè)計；(2).I/O接口電路及伺服控制電路的設(shè)計和選用；(3).系統(tǒng)控制軟件的設(shè)計4.編寫課程設(shè)計說明書 (1).說明書是課程設(shè)

7、計的總結(jié)性技術(shù)文件，應(yīng)敘述整個設(shè)計的內(nèi)容，包括總體方案的確定，系統(tǒng)框圖的分析，機械傳動設(shè)計計算，電氣部分的設(shè)計說明，選用元器件參數(shù)的說明，軟件設(shè)計及其說明；(2).說明書不少于84字，盡量用計算機完成。5.圖紙 (1).機械結(jié)構(gòu)裝配圖，A0圖紙1張。要求視圖基本完整，符合標準。其中至少要有一個坐標軸的完整剖視圖；第三章 數(shù)控系統(tǒng)總體方案的確定數(shù)控系統(tǒng)總體方案設(shè)計的內(nèi)容包括：系統(tǒng)運動方式的確定，執(zhí)行機構(gòu)及傳動方案的確定，伺服電機類型及調(diào)速方案確定，計算機控制系統(tǒng)的選擇。進行方案的分析、比較和論證。1. 系統(tǒng)運動方式的確定該系統(tǒng)要求工作臺沿各坐標軸的運動有精確的運動關(guān)系因此采用連續(xù)控制方式。2.

8、伺服系統(tǒng)的選擇考慮到運動精度要求不高，負載不大，適合采用開環(huán)控制方式或采用半閉環(huán)控制方式。半閉環(huán)伺服系統(tǒng)在負載不大時多采用直流電機作為伺服電機. 半閉環(huán)控制系統(tǒng)有檢測反饋部件，因而能糾正系統(tǒng)的傳動誤差。但半閉環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，目前大多數(shù)數(shù)控機床和工業(yè)機器人中的伺服系統(tǒng)都采用半閉環(huán)控制。3. 計算機系統(tǒng)的選擇采用AT89C51單片機擴展控制系統(tǒng)。該單片機的主要特點是集成度高，可靠性好，功能強，速度快，性價比高。控制系統(tǒng)由微機部分、鍵盤及顯示器、I/O接口及光電隔離電路、步進功率放大電路等組成。系統(tǒng)的工作程序和控制命令通過鍵盤操作實現(xiàn)。顯示器采用數(shù)碼管顯示加工數(shù)據(jù)和工作狀態(tài)等信息。4. XY工作臺

9、的傳動方式為保證一定的傳動精度和平穩(wěn)性以及結(jié)構(gòu)的緊湊，采用滾珠絲杠螺母傳動副。為提高傳動剛度和消除間隙，采用有預(yù)加載荷的結(jié)構(gòu)。根據(jù)機電一體化系統(tǒng)對傳動系統(tǒng)的要求：采用低摩擦系數(shù)的傳動器件：滾珠絲杠、滾動導(dǎo)軌；無間隙聯(lián)軸器 ；消除反向傳動間隙等。由于工作臺的運動部件重量和工作載荷不大，故選用滾動直線導(dǎo)軌副，從而減小工作臺的摩擦系數(shù)，提高運動平穩(wěn)性。5. 確定檢測方案半閉環(huán)系統(tǒng)采用增量式光電編碼盤檢測電機或絲杠轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)速、零位。6. 系統(tǒng)總體框圖如下:第四章 機械部分設(shè)計機械部分設(shè)計內(nèi)容包括：工作臺外形及重量的初步估算，選擇直流伺服電機，傳動及導(dǎo)向元件的設(shè)計、計算與選擇，繪制機械部分裝配圖等。第一

10、節(jié) 工作臺外形尺寸及重量初步估算根據(jù)給定的有效行程，畫出工作臺簡圖，估算X向和Y向工作臺承載重量WX和WY。取X向?qū)к壷武撉虻闹行木酁?00mm,Y向?qū)к壷武撉虻闹行木酁?00mm,設(shè)計工作臺簡圖如下:工作臺簡圖X向拖板(上拖板)尺寸為: 長*寬*高=630*185*25重量:按重量=體積*材料比重估算為: =10(=465NY向拖板(下拖板)尺寸為: 415*312*25重量:按重量=體積*材料比重估算為=10(=400N工作臺的尺寸為: 500*300*35重量為 =10()=300N夾具、工件重量約135N導(dǎo)軌(含電機)重量約700NX-Y工作臺運動部分總重量為:=465+400+3

11、00+700+135=2000 N第二節(jié) 滾動導(dǎo)軌副的計算、選擇 (1)Y方向?qū)к売伤o條件得,該導(dǎo)軌的額定工作時間為由 得則因滑座數(shù)M=4,所以每根導(dǎo)軌上使用2個滑座,由表2-15-2-18確定則由式2-9, 得 NX方向?qū)к売伤o條件得,該導(dǎo)軌的額定工作時間為由 得因滑座數(shù)M=4,所以每根導(dǎo)軌上使用2個滑座,由表2-15-2-18確定則由式2-9, 得 N選用日本THK公司的LM導(dǎo)軌的SSR-XW型導(dǎo)軌,查表,其中SSR-20XW型號的導(dǎo)軌的Ca值為19600N,能滿足八年的使用要求. 基本參數(shù)如下:額定載荷/N靜態(tài)力矩/N*M滑座重量導(dǎo)軌重量導(dǎo)軌長度動載荷靜載荷L(mm)19600234

12、001981982880.252.1700/500滑座個數(shù)單向行程長度每分鐘往復(fù)次數(shù)M4300/2001.5/1導(dǎo)軌的額定動載荷N依據(jù)使用速度v（m/min）和初選導(dǎo)軌的基本動額定載荷 (kN)驗算導(dǎo)軌的工作壽命Ln：額定行程長度壽命: 導(dǎo)軌的額定工作時間壽命: 導(dǎo)軌的工作壽命足夠.第三節(jié) 滾珠絲杠計算、選擇由技術(shù)要求,平均載荷F=1500N,絲杠工作長度L=400mm,工作壽命,傳動精度要求設(shè)導(dǎo)程P=5 mm ,則(1) 求計算載荷 =1800N 由條件,查機電一體化系統(tǒng)設(shè)計表2-6取=1.2, 查表2-6取=1.2, 表2-4取D精度, 查表2-6取=1.0,(2)計算額定動載荷計算值由式

13、(2-4)(3)根據(jù)選擇滾珠絲杠副 假設(shè)選用FC1型號,按滾珠絲杠副的額定動載荷Ca 等于或稍大于的原則,查表2-9選以下型號規(guī)格FC1-3205-2.5 Ca=10689N公稱直徑 導(dǎo)程 螺旋角 滾珠直徑按表2-1中尺寸計算滾道半徑 R=0.52=0.523.175=1.651mm偏心距0.0449 mm絲杠內(nèi)徑=32+2×0.0449-2×1.651=28.79 mm (4)穩(wěn)定性驗算1由于一端軸向固定的長絲杠在工作時可能會發(fā)生失穩(wěn),所以在設(shè)計時應(yīng)驗算其安全系數(shù)S,其值應(yīng)大于絲杠副傳動結(jié)構(gòu)允許安全系數(shù) 絲杠不會發(fā)生失穩(wěn)的最大載荷稱為臨界載荷其中 E=206Gpa L=0

14、.3m 取 則安全系數(shù)查表2-10 S=2.5-3.3 S>S 絲杠是安全的,不會失穩(wěn)2高速長絲杠工作時可能發(fā)生共振,因此需驗算其不會發(fā)生共振的最高轉(zhuǎn)速-臨界轉(zhuǎn)速,要求絲杠的最大轉(zhuǎn)速 所以絲杠不會發(fā)生共振3此外滾珠絲杠副還受值的限制,通常要求(5)剛度驗算滾珠絲杠在工作負載F(N)和轉(zhuǎn)矩T(Nm)共同作用下引起每個導(dǎo)程的變形量為式中,A為絲杠截面積,A=為絲杠的極慣性矩, G為絲杠切變模量,對鋼G=83.3GP a;T(Nm)為轉(zhuǎn)矩. 式中, 為摩擦角,其正切函數(shù)值為摩擦系數(shù); 為平均工作載荷.取摩擦系數(shù)為=0.003,則得按最不利的情況取(F=)則絲杠在工作長度上的彈性變形所引起的導(dǎo)程

15、誤差為通常要求絲杠的導(dǎo)程誤差小于其傳動精度的1/2,即該絲杠的滿足上式,所以其剛度可滿足要求.(6)效率驗算要求在90%-95%之間,所以該絲杠副合格.經(jīng)上述計算驗證,FC13205-2.5各項性能均符合題目要求,可選用.第四節(jié) 電機的選擇1. 電機類型選擇在半閉環(huán)控制的中小型伺服系統(tǒng)中,可以采用直流電機。2. 電動機軸上總當(dāng)量負載轉(zhuǎn)動慣量計算滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動慣量 其中D絲杠公稱直徑D=31.5mm L絲杠長度L=400mm滾珠絲杠折算到電機軸上的轉(zhuǎn)動慣量 其中M工作臺（包括工件）的質(zhì)量M=（300+135）/10=43.5kgS絲杠的螺距是5mm3.直流伺服電機負載轉(zhuǎn)矩的計算電動機起動時的角加

16、速度其中是電動機啟起動后的最大角速度（rad/s）; 是系統(tǒng)時間常數(shù)（s）;K是系統(tǒng)開環(huán)增益（）。 rad/s，取K=254.電動機最大轉(zhuǎn)矩的確定伺服電動機在快速起動時的負載轉(zhuǎn)矩一般比正常運行時的負載轉(zhuǎn)矩要大得多，即要求其中是電動機啟動時的負載轉(zhuǎn)矩；是電動機的最大轉(zhuǎn)矩，其中是電動機額定轉(zhuǎn)矩；是電動機的瞬時過載系數(shù)，取=8。則5.電動機額定轉(zhuǎn)矩的確定伺服電動機額定轉(zhuǎn)矩可按連續(xù)運行時作用在電動機上的負載轉(zhuǎn)矩T來確定，即要求6.電機工作功率的確定根據(jù)已經(jīng)算出的轉(zhuǎn)矩T，以及工作要求的轉(zhuǎn)速，可得功率.根據(jù)以求的額定轉(zhuǎn)載和工作功率，選擇電機為SZ系列直流伺服電機，型號為110sz51，具體參數(shù)如下表：第五

17、節(jié) 聯(lián)軸器的選擇聯(lián)軸器額定轉(zhuǎn)矩Ts可按電動機上的負載轉(zhuǎn)矩T來確定，即（）考慮到剛性和精度的要求，以及傳動的功率要求不大，因而需要選擇剛度高和可以滿足無間隙傳動的聯(lián)軸器，因而選擇波紋管聯(lián)軸器，型號為BK-L-30。該產(chǎn)品使用于編碼盤和微型電機，而且可以無間隙傳動，可以補償徑向，角向，軸向的誤差，而且滿足剛度要求，以及滿足慣量要求。其基本參數(shù)如下表：第六節(jié) 限位開關(guān)的選擇第七節(jié) 光電編碼盤的選擇光電編碼盤的測量精度較高，它或者與電機的非負載端同軸連接，或者直接安裝在電機的特定的部位。能夠準確的反應(yīng)電機的轉(zhuǎn)子的機械位置，從而間接的反映出與電機連接的機械負載的準確的機械位置，從而達到精確控制電機位置的

18、目的。根據(jù)定位精度（0.01mm）的要求，光電編碼器的分辨率要滿足（35）1000 P/R。選用上海精浦機電有限公司的歐系標準系列（4-20mA RS485輸出），能夠達到精度要求。特性參數(shù)工作電壓:1030Vdc 極性保護消耗電流:< 110mA（24Vdc） < 190mA（12Vdc） 輸出信號:420mA，RS485，（Easypro自由協(xié)議），可設(shè)定長度、角度、速度應(yīng)用輸出 輸出負載能力: 600歐姆，標準工作200-250歐姆線性分辨度:1/4096FSEasyPro:編碼器附纜線及軟件，RS485信號轉(zhuǎn)RS232或轉(zhuǎn)USB連接計算機，可EasyPro智能設(shè)定工作溫度:

19、-2580 編程時溫度范圍：070儲存溫度:-4080防護等級:外殼IP67,轉(zhuǎn)軸IP65振動沖擊:20g，102000Hz；100g，6ms允許轉(zhuǎn)速:2400轉(zhuǎn)/分 輸出刷新周期:<1ms連接電纜:1米屏蔽電纜徑向側(cè)出（其余形式可訂貨）外形特征:金屬外殼，密封雙軸承結(jié)構(gòu)（見外形尺寸附圖P16）信號調(diào)整:可4mA輸出微調(diào)，20 mA輸出微調(diào)；可方向設(shè)置；可預(yù)設(shè)位置，外部置位，例如外部置零第六章 控制系統(tǒng)部分設(shè)計該控制系統(tǒng)采用的微型機為89C51單片機。執(zhí)行元件采用直流電機。（一）面板的布置圖（二）操作面板功能介紹1.位移狀態(tài)選擇鍵設(shè)置兩個鍵分別表示手動或自動操作工作臺的移動，通過這兩個按

20、鍵來改變工作臺的移動狀態(tài)。 2.啟動開關(guān) 按下此開關(guān)機床啟動 3.停止鍵按下此鍵機床停車 4進給軸選擇按鍵按此鍵切換X/Y方向輸入 5復(fù)位鍵按下此鍵工作臺復(fù)位 6顯示器六位晶體管顯示器，顯示工作臺的位置，精確到0.01mm。 X向位置 Y向位置7.正常運行指示燈 燈亮表示機床正常工作 8.警報燈 出現(xiàn)緊急狀況的時候報警 9.加減速按鍵用于調(diào)節(jié)機床的轉(zhuǎn)速10.工進、快進按鍵在對應(yīng)的工作狀態(tài)選擇相對的速度 11.ENTER鍵用于表示一段輸入完畢 （三） 程序流程圖1 主程序流程圖2 工作模式切換流程圖3 轉(zhuǎn)速調(diào)整流程圖（四）電動機控制原理（五）光電編碼盤辨向電路四、程序;/自動進給調(diào)速/ORG 0

21、000H;/*啟動*/MOV TMOD ,#10H;選擇方式1計時SETB P0.4MOV 40H,#0D4HMOV 41H,#0D4HBEGIN:MOV A,40HADD A,#01HMOV 40H,AMOV TL1,AMOV TH1,#0FEHSETB TR1L1:JBC TF1,L2SJMP L1L2:CPL P0.4MOV A,41HSUBB A,#01HMOV 41H,AMOV TH1,#0FEHMOV TL1,41HSETB TR0L3:JBC TF1,L4SJMP L3L4:CPL P0.4MOV A,41HCJNE A,#0BBH,L5SJMP BEGIN2L5:SJMP BE

22、GIN;/正常運行/BEGIN2:MOV TH1,#0FEHMOV TH1,#0FEHMOV TL1,#0EDHSETB TR1L6:JBC TF1,L7SJMP L6L7:CPL P0.4MOV TH1,#0FEHMOV TL1,#0BBHSETB TR1L8:JBC TF1,L9SJMP L8L9:CPL P0.4MOV TH1,#0FEHMOV TL1,#0EDHMOV A,R3CJNE A,#02H,L10SJMP BEGIN3L10:SJMP BEGIN2;/減速，停止/BEGIN3:MOV TMOD,#10HSETB P0.4MOV 40H,#0EDHMOV 41H,#0BBHMOV A,40HSUBB A,#01HMOV 40H,AMOV TL1,AMOV TH1,#0FEHSETB TR1L11:JBC TF1,L12SJMP L11L12:CPL P0.4MOV A,41HADD A,#01HMOV 41H,AMOV TH1,#0FEHMOV TL1,41HSETB TR0L13:JBC TF1,L14SJMP L13L14:CPL P0.4MOV A,41HCJNE A,#0