機(jī)電一體設(shè)計(jì)說(shuō)明書

1、機(jī)電一體課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書設(shè)計(jì)題目：數(shù)控銑床X-Y工作臺(tái)設(shè)計(jì)班級(jí)： 機(jī)自0402班設(shè)計(jì)者： 111學(xué)號(hào)： 0400041024指導(dǎo)教師： 1222 江南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院2008年1月目 錄設(shè)計(jì)任務(wù)3一.系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì) 3(一)機(jī)械系統(tǒng) 3(二)接口設(shè)計(jì) 3(三)伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì) 4(四)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 4二.機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算 4(一) 滾珠絲杠的選型與計(jì)算4(二) 滾動(dòng)直線導(dǎo)軌的選型與計(jì)算7(三) 電機(jī)的選擇 8(四)光電開關(guān)的選擇10(五)限位開關(guān)的選擇 10三 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)121.操作面板的布置圖122.操作面板功能介紹123.控制系統(tǒng)原理框圖155、光電開關(guān)和限位開關(guān)信號(hào)采集原理 156、鍵盤

2、、顯示器接口電路分析 15四 程序 16五 參考文獻(xiàn)19設(shè)計(jì)任務(wù): X方向行程:300mm Y方向行程:200mm 工作臺(tái)面的參考尺寸:500X300mm 平均切削力:1500N 平均切削進(jìn)給速度:600mm/min 最高運(yùn)動(dòng)速度:6m/min 定位精度: 工作壽命:每天8小時(shí),工作8年,250天/年一.系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)由設(shè)計(jì)任務(wù)書知,本次設(shè)計(jì)可采用如下方案(一)機(jī)械系統(tǒng)1.傳動(dòng)機(jī)構(gòu)采用滾珠絲杠副2.導(dǎo)向機(jī)構(gòu)采用滾動(dòng)直線導(dǎo)軌3.執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用步進(jìn)電機(jī)(二)接口設(shè)計(jì)1.人機(jī)接口(1)采用鍵盤作為輸入(2)采用LED作為指示標(biāo)志(3)采用數(shù)碼管作為顯示器2.機(jī)電接口 采用光電耦合器作為微型機(jī)與步進(jìn)電

3、動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的接口,實(shí)現(xiàn)電氣隔離.(三)伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì) 采用開環(huán)控制(四)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)二.機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算(一)滾珠絲杠的選型與計(jì)算由技術(shù)要求,平均載荷F=1500N,絲杠工作長(zhǎng)度L=300mm,工作壽命,傳動(dòng)精度要求設(shè)導(dǎo)程P=5 mm ,則(1) 求計(jì)算載荷 由條件,查機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(jì)算額定動(dòng)載荷計(jì)算值Ca由式(2-4)(3)根據(jù)選擇滾珠絲杠副 假設(shè)選用FC1型號(hào),按滾珠絲杠副的額定動(dòng)載荷Ca 等于或稍大于的原則,查表2-9選以下型號(hào)規(guī)格FC1-2505-2.5 Ca=9610公稱直徑 導(dǎo)程 螺

4、旋角 滾珠直徑按表2-1中尺寸計(jì)算滾道半徑 R=0.52=0.523.175=1.651mm偏心距絲杠內(nèi)徑(4)穩(wěn)定性驗(yàn)算1由于一端軸向固定的長(zhǎng)絲杠在工作時(shí)可能會(huì)發(fā)生失穩(wěn),所以在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)驗(yàn)算其安全系數(shù)S,其值應(yīng)大于絲杠副傳動(dòng)結(jié)構(gòu)允許安全系數(shù) 絲杠不會(huì)發(fā)生失穩(wěn)的最大載荷稱為臨界載荷其中 E=206Gpa L=0.3m 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(huì)失穩(wěn)2高速長(zhǎng)絲杠工作時(shí)可能發(fā)生共振,因此需驗(yàn)算其不會(huì)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(huì)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(yàn)算滾珠絲杠在工作負(fù)載F(N)和

5、轉(zhuǎn)矩T(Nm)共同作用下引起每個(gè)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(duì)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,則得按最不利的情況取(F=)則絲杠在工作長(zhǎng)度上的彈性變形所引起的導(dǎo)程誤差為通常要求絲杠的導(dǎo)程誤差小于其傳動(dòng)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(yàn)算要求在90%-95%之間,所以該絲杠副合格.經(jīng)上述計(jì)算驗(yàn)證,FC1-2505-2.5各項(xiàng)性能均符合題目要求,可選用.(二)滾動(dòng)直線導(dǎo)軌的選型與計(jì)算(1)Y方向?qū)к売伤o條件得,該導(dǎo)軌的額定工作時(shí)

6、間為由 得因滑座數(shù)M=4,所以每根導(dǎo)軌上使用2個(gè)滑座,由表2-15-2-18確定則由式2-9, 得 X方向?qū)к売伤o條件得,該導(dǎo)軌的額定工作時(shí)間為由 得因滑座數(shù)M=4,所以每根導(dǎo)軌上使用2個(gè)滑座,由表2-15-2-18確定則由式2-9, 得 選用漢江機(jī)床廠的HJG-D系列滾動(dòng)直線導(dǎo)軌,查表2-13,其中HJG-D26型號(hào)的導(dǎo)軌的Ca值為17600,能滿足八年的使用要求.(三)電機(jī)的選擇1. 電機(jī)類型選擇在開環(huán)控制的中小型伺服系統(tǒng)中,可以采用步進(jìn)電機(jī)。減速器傳動(dòng)比計(jì)算選各傳動(dòng)齒輪齒數(shù)分別為=20, =40,模數(shù)m=2mm,齒寬b=20mm.。大齒輪采用雙圓柱薄片齒輪錯(cuò)齒調(diào)整。強(qiáng)度強(qiáng)度檢驗(yàn)略。2.

7、 電動(dòng)機(jī)軸上總當(dāng)量負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算初選步進(jìn)電機(jī)75BF001, =將各傳動(dòng)慣量及工作臺(tái)質(zhì)量折算到電動(dòng)機(jī)軸上，得總當(dāng)量負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。慣量匹配驗(yàn)算，滿足要求。4步進(jìn)電機(jī)負(fù)載能力校驗(yàn)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)軸上得總慣量：空載啟動(dòng)時(shí)，電動(dòng)機(jī)軸上得慣性轉(zhuǎn)矩：電動(dòng)機(jī)軸上得當(dāng)量摩擦轉(zhuǎn)矩：設(shè)滾動(dòng)絲杠螺母副得預(yù)緊力為最大軸向載荷得,則因預(yù)緊力而引起的、折算到電動(dòng)機(jī)軸上的附加摩擦轉(zhuǎn)矩為工作臺(tái)上的最大軸向載荷折算到電動(dòng)機(jī)軸上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩為于是空載啟動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)軸上的總負(fù)載轉(zhuǎn)矩為在最大外載荷下工作時(shí)，電動(dòng)機(jī)軸上的總負(fù)載轉(zhuǎn)矩為按表5-5查得空載啟動(dòng)時(shí)所需電動(dòng)機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩為按式5-39可求得在最大外載荷下工作時(shí)所需電動(dòng)機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩為 （四

8、）光電開關(guān)的選擇   產(chǎn)品簡(jiǎn)介E3R型放大器內(nèi)置型光電傳感器，低成本，小型光電傳感器，采用了耐藥品、耐油性都很優(yōu)秀的特氟龍（PFA）能夠民晶圓片洗凈槽的硫酸等高溫液體的檢測(cè)相對(duì)應(yīng)。（-40 +200），實(shí)現(xiàn)了0.5mm的高重復(fù)精度。采用了防止液體的結(jié)構(gòu)。 應(yīng)用范圍能為制造過(guò)程提供高性能的目標(biāo)探測(cè)、定位和高分辨率檢測(cè),適用于半導(dǎo)體工業(yè)中的目標(biāo)檢測(cè)等應(yīng)用產(chǎn)品性能說(shuō)明檢測(cè)方式：對(duì)射型檢出距離：5M 動(dòng)作模態(tài)：遮光時(shí)ON，入光時(shí)ON（可切換） 選擇的產(chǎn)品型號(hào)：E3R-5E4 2M BY OMC（五）接近開關(guān)的選擇選用CLJ-A系列M8*1非埋入式來(lái)源于：三、控制系統(tǒng)部分設(shè)計(jì)該控制系統(tǒng)采用的微

9、型機(jī)為80C51單片機(jī)。執(zhí)行元件采用直流電機(jī)（一）面板的布置圖圖五、面板示意圖（二）操作面板功能介紹1.位移狀態(tài)選擇開關(guān)以手動(dòng)或自動(dòng)操作工作臺(tái)的移動(dòng)時(shí)，可通過(guò)旋轉(zhuǎn)此開關(guān)來(lái)改變工作臺(tái)的移動(dòng)狀態(tài)。位移控制2啟動(dòng)開關(guān)（按下此開關(guān)機(jī)床啟動(dòng)）3停車開關(guān)（按下此開關(guān)機(jī)床停車。）4進(jìn)給軸選擇按鈕開關(guān)按下欲運(yùn)動(dòng)的軸的按鈕。被選擇的軸會(huì)以相應(yīng)的倍率進(jìn)行移動(dòng)，松開按鈕則軸停止移動(dòng)。 5回零位鍵（按下此鍵工作臺(tái)回零位）6顯示器 八位晶體管顯示器，顯示工作臺(tái)的位置，精確到0.001mm。 X向位置 Y向位置7.X零位指示燈ON表示X向工作臺(tái)回零位。OFF表示X向工作臺(tái)沒有回零位。8.X限位報(bào)警ON表示X向工作臺(tái)到達(dá)極

10、限位置，需要緊急停車。OFF表示X向工作臺(tái)沒有回零位 9.Y零位指示燈ON表示Y向工作臺(tái)回零位。OFF表示Y向工作臺(tái)沒有回零位。10.Y限位報(bào)警ON表示Y向工作臺(tái)到達(dá)極限位置，需要緊急停車。OFF表示Y向工作臺(tái)沒有回零位11.正常運(yùn)行指示燈ON表示機(jī)床正常運(yùn)行。OFF表示機(jī)床沒有正常運(yùn)行（三）控制系統(tǒng)原理框圖 圖六、控制系統(tǒng)原理框圖（四）電動(dòng)機(jī)控制原理步進(jìn)電機(jī)控制接口電路如圖八所示。 圖八、電動(dòng)機(jī)接口電路圖（六）鍵盤、顯示器接口電路分析 鍵盤、顯示器接口電路如圖十一所示。8279的SL0用來(lái)判斷顯示X向或顯示Y向位移，SL1-SL3經(jīng)兩片74LS138分成16路作為發(fā)光二極管的位選信號(hào)，OUT

11、A0-OUTA4和OUTB0-OUTB4送出段選信號(hào)。在位選信號(hào)中選出5條作為鍵盤列掃描信號(hào)。 圖十一、鍵盤、顯示器接口電路四、程序（一）步進(jìn)電機(jī)控制程序ORG 8100HROUTN2: MOV R2, COUNT ;步進(jìn)電機(jī)步數(shù)LOOP0: MOV R3, #00H MOV DPTR , #POINT ;送控制模型指針JNB 00H,LOOP2 ；反轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)LOOP2LOOP1： MOV A,R3 ;取控制模型MOVC A ,A+DPTR JZ LOOP0MOV P1,AACALL DELAY ;延時(shí) INC R3 DJNZ R2,LOOP1 ;步數(shù)未走完，繼續(xù) RETLOOP2: MOV A

12、, R3 ; ADD A,#07H MOV R3,A AJMP LOOP1（二）鍵盤程序 MOV DPTR,#7FFFH ;指向8279控制口 MOV A ,#00H ;鍵盤設(shè)置為編碼掃描，雙鍵鎖定方式 MOVX DPTR, A ;輸出控制字 MOV A ,#2FH ;置分頻數(shù)為15 MOVX DPTR , A ;輸出控制字KO: MOV 30H,#1LCALL LSLJMP KEYK1: MOV 30H,#6LCALL LSLJMP KEYK2: MOV A , #0EH MOV DPTR , #17FFH ;指向8355 C口，輸出X向電機(jī)正轉(zhuǎn)代碼 MOVX DPTR ,ALJMP KEY

13、K3: MOV 30H,#2LCALL LSLJMP KEYK4: MOV 30H,#7LCALL LSLJMP KEYK5: MOV A , #0DH MOV DPTR , #17FFH ;指向8355 C口，輸出X向電機(jī)反轉(zhuǎn)代碼 MOVX DPTR ,ALJMP KEYK6: MOV 30H,#3LCALL LSLJMP KEYK7: MOV 30H,#8LCALL LSLJMP KEYK8: 回零位K9: MOV 30H,#4LCALL LSLJMP KEYK10: MOV 30H,#9LCALL LSLJMP KEYK11: MOV A , #0BH MOV DPTR , #17FFH

14、 ;指向8255 C口，輸出Y向電機(jī)正轉(zhuǎn)代碼 MOVX DPTR ,ALJMP KEYK12: MOV 30H,#5LCALL LSLJMP KEYK13: MOV 30H,#0LCALL LSLJMP KEYK14: MOV A , #07H MOV DPTR , #17FFH ;指向8355 C口，輸出Y向電機(jī)反轉(zhuǎn)代碼 MOVX DPTR ,ALJMP KEY（三）顯示程序LS ：MOV DPTR,#7FFFH ;指向8279控制口 MOV A ,#08H ;16位顯示，左入口 MOVX DPTR, A ;輸出控制字 MOV A ,#2FH ;置分頻數(shù)為15 MOV A ,#90H MOVX DPTR , A ;輸出控制字 MOV R0 ,#30H MOV R2 ,#10H MOV DPTR,#6FFFH ;指向8279數(shù)據(jù)口AGAIN：MOV A ，R0 ;從片內(nèi)RAM中取出段選碼 MOVX DPTR,A INC R0 DJNZ R2 ,AGAIN ;16位未完，繼續(xù)五、參考文獻(xiàn)1.尤麗華主編. 測(cè)試技術(shù). 機(jī)械工業(yè)出版社, 20062. 張迎新等主編.單片機(jī)初級(jí)教程.北京航