機電一體化技術(shù)模塊五 典型機電一體化系統(tǒng)

模塊導(dǎo)學(xué)本模塊內(nèi)容為三個單獨的機電一體化系統(tǒng)例子，學(xué)生主要從機電如何結(jié)合方面來分析三個典型系統(tǒng)，從而找出機電結(jié)合的方法，關(guān)鍵在于機電接口。項目一為認識3D打印機，項目二為三坐標(biāo)測量機，項目三為小型繪圖機。模塊5第1頁/共47頁項目5-1

認識3D打印機模塊5項目思考3D打印有什么影響？

認識3D打印機

3D打印可能應(yīng)用領(lǐng)域？3D打印對材料特殊要求？

3D打印定義3D打印機原理3D打印機起源

3D打印機工作步驟項目知識項目實踐知識分布網(wǎng)絡(luò)3D打印添加劑制造技術(shù)3D打印機打印過程知識拓展3D打印機技術(shù)特性3D打印機工作過程及特點性第2頁/共47頁模塊55.1.1項目思考（思）3D打印機是近年來得到應(yīng)用領(lǐng)域的青睞，本項目通過對3D打印機的了解、認識，進一步清楚地了解3D打印機的產(chǎn)品設(shè)計思維的變化、如何打印工作、可能的應(yīng)用領(lǐng)域、新材料的革新與應(yīng)用、未來發(fā)展趨勢等。問題思考：從三個方面去思考：1、3D打印機逐層打印的方式改變了傳統(tǒng)制造方法，既不同于傳統(tǒng)的切削加工，又不同于傳統(tǒng)的粉末冶金加工，是一種全新的制造理念，這種制造方法，對我們的傳統(tǒng)設(shè)計理念和方法會有什么影響？2、3D打印機可能的應(yīng)用領(lǐng)域有哪些？3、3D打印機對材料的特殊要求，它對產(chǎn)品綜合要求的局限性？第3頁/共47頁模塊55.1.2項目知識（學(xué)）知識點13D打印定義：3D打印（3D

printing），即快速成型技術(shù)的一種，它是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構(gòu)造物體的技術(shù)。知識點23D打印機原理：3D打印機的原理是：把數(shù)據(jù)和原料放進3D打印機中，機器會按照程序把產(chǎn)品一層層造出來。打印出的產(chǎn)品，可以即時使用。說的簡單一點，打印時實質(zhì)上是斷層掃描的逆過程，斷層掃描是把某個東西“切”成無數(shù)疊加的片，3D打印機工作時就是一片一片的打印，然后疊加到一起，成為一個立體物體。第4頁/共47頁模塊5知識點33D打印機起源：上世紀80年代已有雛形，其學(xué)名為“快速成型”。在20世紀80年代中期，選擇性激光燒結(jié)（Selecting

Laser

Sintering，SLS）在美國得克薩斯州大學(xué)奧斯汀分校的卡爾德卡德博士開發(fā)出來并獲得專利。1995年，麻省理工創(chuàng)造了“三維打印”一詞，當(dāng)時的畢業(yè)生Jim

Bredt和TimAnderson修改了噴墨打印機方案，變?yōu)榘鸭s束溶劑擠壓到粉末床的解決方案，而不是把墨水?dāng)D壓在紙張上的方案。圖5-1最早的3D打印機應(yīng)用領(lǐng)域：該技術(shù)可用于模具、工業(yè)設(shè)計、航空航天、汽車、牙科和醫(yī)療、珠寶、鞋類、建筑、工程和施、教育、地理信息系統(tǒng)和許多其它領(lǐng)域。第5頁/共47頁模塊55.1.3項目實踐（做）項目要求1、認識3D打印機，掌握其工作步驟；2、熟悉3D打印機技術(shù)特性、工作過程；3、熟悉3D打印機材料使用類型，特點。項目實施1.3D打印機工作步驟先通過計算機建模軟件建模，如果有現(xiàn)成的模型也可以，然后通過SD卡或者U盤把它拷貝到3D打印機中，進行打印設(shè)置后，打印機就可以把它們打印出來。2.3D打印機三維設(shè)計先通過計算機建模軟件建模，再將建成的三維模型“分區(qū)”成逐層的截面，即切片，從而指導(dǎo)打印機逐層打印。第6頁/共47頁模塊53D打印機打印過程3D打印機通過讀取文件中的橫截面信息，用液體狀、粉狀或片狀的材料將這

些截面逐層地打印出來，再將各層截面以各種方式粘合起來從而制造出一個實體。3D打印機分辨率打印機打出的截面的厚度（即Z方向）以及平面方向即X-Y方向的分辨率是以dpi（像素每英寸）或者微米來計算的。3D與2D打印機區(qū)別3D打印機和2D打印機的區(qū)別在于多了一個維度。日常見到的普通打印機通過

XY（X軸是噴頭移動方向，Y軸是介質(zhì)前后移動方向）兩個座標(biāo)軸點確保打印圖像的成像位置和電腦中設(shè)計的圖紙位置保持一致，Z軸實際上是噴頭與介質(zhì)之間的間距上下移動方向。圍繞XYZ三點完成機械、電路、驅(qū)動程序的相關(guān)設(shè)計即可。第7頁/共47頁模塊53D打印機制作方法三維打印機要獲得更高分辨率的物品可以通過如下方法：先用當(dāng)前的三維打印機打出稍大一點的物體，再稍微經(jīng)過表面打磨即可得到表面光滑的“高分辨率”物品。3D打印機產(chǎn)品目前，世上最小的3D打印機來自維也納技術(shù)大學(xué)，由其化學(xué)研究員和機械工程師研制。華中科技大學(xué)史玉升科研團隊經(jīng)過十多年努力，實現(xiàn)重大突破，研發(fā)的3D打印機可加工零件長寬最大尺寸均達到1.2米。如今，該設(shè)備被國內(nèi)外200多家用戶購買使用，每臺價格從幾十萬元到200多萬元不等。由大連理工大學(xué)參與研發(fā)的最大加工尺寸達1.8米的激光3D打印機進入調(diào)試階段，其采用“輪廓線掃描”的獨特技術(shù)路線，可以制作大型工業(yè)樣件及結(jié)構(gòu)復(fù)雜的鑄造模具。第8頁/共47頁模塊53D打印機技術(shù)特性3D打印機的不同之處在于以不同層構(gòu)建創(chuàng)建部件，并且以可用的材料的方式。一般來說，3D打印機主要的考慮因素是打印的速度和成本，三維打印機的價格，物體原型的成本，還有材料以及色彩的選擇和成本。3D打印機工作過程及特點熔融沉積快速成型（Fused

Deposition

Modeling，F(xiàn)DM）熔融沉積又叫熔絲沉積，它是將絲狀熱熔性材料加熱融化，通過帶有一個微細噴嘴的噴頭擠噴出來。熱熔材料融化后從噴嘴噴出，沉積在制作面板或者前一層已固化的材料上，溫度低于固化溫度后開始固化，通過材料的層層堆積形成最終成品。光固化成型（Stereo

Lithigraphy

Apparatus，SLA）光固化技術(shù)是最早發(fā)展起來的快速成型技術(shù)，也是研究最深入、技術(shù)最成熟、應(yīng)用最廣泛的快速成型技術(shù)之一。光固化技術(shù)，主要使用光敏樹脂為材料，通過紫外光或者其他光源照射凝固成型，逐層固化，最終得到完整的產(chǎn)品。第9頁/共47頁模塊5三維粉末粘接（Three

Dimensional

Printing

and

Gluing，3DP）3DP技術(shù)由美國麻省理工大學(xué)開發(fā)成功，原料使用粉末材料，3DP技術(shù)工作原理是，先鋪一層粉末，然后使用噴嘴將粘合劑噴在需要成型的區(qū)域，讓材料粉末粘接，形成零件截面，然后不斷重復(fù)鋪粉、噴涂、粘接的過程，層層疊加，獲得最終打印出來的零件。選擇性激光燒結(jié)（Selecting

Laser

Sintering，SLS）SLS利用粉末材料在激光照射下燒結(jié)的原理，由計算機控制層層堆結(jié)成型。

SLS技術(shù)同樣是使用層疊堆積成型，所不同的是，它首先鋪一層粉末材料，將材料預(yù)熱到接近熔化點，再使用激光在該層截面上掃描，使粉末溫度升至熔化點，然后燒結(jié)形成粘接，接著不斷重復(fù)鋪粉、燒結(jié)的過程，直至完成整個模型成型。第10頁/共47頁模塊5項目總結(jié)3D打印領(lǐng)域發(fā)展迅猛，從巨型的房屋打印機到微型的納米級細胞打印機，各種新技術(shù)層出不窮，但是主要還是集中在專業(yè)領(lǐng)域，民用市場還是以簡單架構(gòu)的FDM為主，無論效果還是精度都差強人意，我們期待著隨著技術(shù)發(fā)展和成本降低，桌面級3D打印機也能夠真正實現(xiàn)所見即所得的打印效果，那時候3D打印改變世界將不再是一個夢想。1.創(chuàng)新突破的體現(xiàn)（1）3D打印應(yīng)用領(lǐng)域擴展延伸（2）3D打印速度、尺寸及技術(shù)日新月異設(shè)計平臺革新色彩絢爛形態(tài)逼真未來趨勢3D打印機發(fā)展制約因素價格因素原材料限制成像精細度也就是分辨率太低社會風(fēng)險成本整個行業(yè)沒有標(biāo)準，難以形成產(chǎn)業(yè)鏈。意料之外的工序：3D打印前所需的準備工序，打印后的處理工序缺乏殺手锏產(chǎn)品及設(shè)計第11頁/共47頁模塊5項目評價第12頁/共47頁表5-1項目評價表項目目標(biāo)分值評分得分敘述3D打印機原理能正確全面說明20不完整，每處扣2分說明3D打印機應(yīng)用領(lǐng)域在各領(lǐng)域需舉一例說明20不完整，每處扣2分分析3D打印機中機電一體化技術(shù)應(yīng)用分析全面、正確、詳盡40不完整，每處扣4分描繪3D打印機未來發(fā)展能發(fā)揮想像能力，不設(shè)標(biāo)準20不完整，每處扣2分總分100模塊55.1.4知識拓展（拓）3D打印是添加劑制造技術(shù)的一種形式，在添加劑制造技術(shù)中三維對象是通過連續(xù)的物理層創(chuàng)建出來的。3D打印機相對于其他的添加劑制造技術(shù)而言，具有速度快，價格便宜，高易用性等優(yōu)點。3D打印技術(shù)在珠寶首飾、鞋類、工業(yè)設(shè)計、建筑、汽車、航天、牙科及醫(yī)療方面都能得到廣泛的應(yīng)用，每一層的打印過程分為兩步，首先在需要成型的區(qū)域噴灑一層特殊膠水，膠水液滴本身很小，且不易擴散。打印耗材由傳統(tǒng)的墨水、紙張轉(zhuǎn)變?yōu)槟z水、粉末，當(dāng)然膠水和粉末都是經(jīng)過處理的特殊材料，不僅對固化反應(yīng)速度有要求，對于模型強度以及“打印”分辨率都有直接影響。目前的3D打印技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)600dpi分辨率，每層厚度只有0.01毫米，即使模型表面有文字或圖片也能夠清晰打印。第13頁/共47頁模塊5項目5-2三坐標(biāo)測量機項目思考對制造業(yè)發(fā)展的影響？三坐標(biāo)測量機高精度如何保證？測量機與反求工程關(guān)系？三坐標(biāo)測量機三坐標(biāo)測量機原理三坐標(biāo)測量機主要特征

熟悉三坐標(biāo)測量機參數(shù)項目知識項目實踐知識分布網(wǎng)絡(luò)三坐標(biāo)測量日常保養(yǎng)知識拓展熟悉三坐標(biāo)測量機應(yīng)用3D打印機技術(shù)特性熟悉三坐標(biāo)測量使用方法

3D打印機工作過程及特點性三坐標(biāo)測量注意事項第14頁/共47頁模塊55.2.1項目思考（思）三坐標(biāo)測量儀簡稱CMM，自六十年代中期第一臺三坐標(biāo)測量儀問世以來，隨著計算機技術(shù)的進步以及電子控制系統(tǒng)、檢測技術(shù)的發(fā)展，為測量機向高精度、高速度方向發(fā)展提供了強有力的技術(shù)支持。本項目主要在于要求掌握三坐標(biāo)測量機的原理、應(yīng)用，了解其主要參數(shù)及特征。問題思考：1、三坐標(biāo)測量機對制造業(yè)發(fā)展的影響？2、三坐標(biāo)測量機的高精度如何保證和體現(xiàn)？3、三坐標(biāo)測量機在反求工程中的地位，以及對產(chǎn)品設(shè)計、制造流程的影響？第15頁/共47頁模塊55.2.2項目知識（學(xué)）知識點1三坐標(biāo)測量機：三坐標(biāo)測量機(Coordinate

Measuring

Machine,CMM)是指在一個六面體的空間范圍內(nèi)，能夠表現(xiàn)幾何形狀、長度及圓周分度等測量能力的儀器，通常配有計算機進行數(shù)據(jù)處理和控制操作，又稱為三坐標(biāo)測量儀或三次元。圖5-2

三坐標(biāo)測量機第16頁/共47頁模塊5知識點2三坐標(biāo)測量機原理：將被測物體置于三坐標(biāo)測量空間，可獲得被測物體上各測點的坐標(biāo)位置，根據(jù)這些點的空間坐標(biāo)值，經(jīng)計算求出被測物體的幾何尺寸，形狀和位置。圖5-3三坐標(biāo)測量軟件界面第17頁/共47頁模塊5知識點3三坐標(biāo)測量機主要特征：三軸大多采用天然高精密花崗巖導(dǎo)軌，保證了整體具有相同的熱力學(xué)性能，避免由于三軸材質(zhì)不同熱膨脹系數(shù)不同所造成的機器精度誤差。三軸導(dǎo)軌（上海歐潼）采用全天然花崗巖四面全環(huán)抱式矩形結(jié)構(gòu)，配上高精度自潔式預(yù)應(yīng)力氣浮軸承，是確保機器精度長期穩(wěn)定的基礎(chǔ)，同時軸承受力沿軸向方向，受力穩(wěn)定均衡，有利于保證機器硬件壽命。大多廠家采用小孔出氣技術(shù)，耗氣量為30L/Min左右，在軸承間隙形成冷凝區(qū)域，抵消軸承運動摩擦帶來的熱量，增加設(shè)備整體熱穩(wěn)定性。三軸均采用鍍金光柵尺，分辨率為0.1um；同時采用一端固定，一端自由伸縮的方式安裝，減少了光柵尺的變形。傳動系統(tǒng)采用國際先進的設(shè)計，無任何導(dǎo)軌受力變形，最大程度保證機器精度和穩(wěn)定性。第18頁/共47頁模塊5知識點4三坐標(biāo)測量機發(fā)展史：第一代：世界上第一臺測量機是英國的FERRANTI公司于1959年研制成功，當(dāng)時的測量方式是測頭接觸工件后，靠腳踏板來記錄當(dāng)前坐標(biāo)值，然后使用計算器來計算元素間的位置關(guān)系。第二代：隨著計算機的飛速發(fā)展，測量機技術(shù)進入了CNC控制機時代，完成了復(fù)雜機械零件的測量和空間自由曲線曲面的測量，測量模式增加和完善了自學(xué)習(xí)功能，改善了人機界面，使用專門測量語言，提高了測量程序的開發(fā)效率。第三代：從90年代開始，隨著工業(yè)制造行業(yè)向集成化、柔性化和信息化發(fā)展，產(chǎn)品的設(shè)計、制造和檢測趨向一體化，這就對作為檢測設(shè)備的三坐標(biāo)測量機提出了更高的要求，從而提出了第三代測量機的概念。第19頁/共47頁模塊55.2.3項目實踐（做）項目要求1、熟悉三坐標(biāo)測量機主要參數(shù)；2、熟悉三坐標(biāo)測量機主要應(yīng)用；3、熟悉三坐標(biāo)測量機主要使用方法。項目實施三坐標(biāo)測量機主要參數(shù)：機型案例

EUROTONEX152510測量行程：X軸2500

mmY軸1500

mmZ軸1000

mm結(jié)構(gòu)型式：三軸花崗巖、四面全環(huán)抱的德式活動橋式結(jié)構(gòu)傳動方式：直流伺服系統(tǒng)+預(yù)載荷高精度空氣軸承長度測量系統(tǒng)：RENISHAW開放式光柵尺，分辨率為0.1μm測頭系統(tǒng)：雷尼紹控制器、雷尼紹測頭、雷尼紹測針機臺：高精度（00級）花崗巖平臺使用環(huán)境：溫度（20±2）℃，濕度40%-70%，溫度梯度1℃/m，溫度變化1℃/h空氣壓力：0.4

MPa-0.6

Mpa

空氣流量：30

L/min–50

L/min整機尺寸（LWH）：3.7m×2.7m×3.3m機臺承重：3500

kg，整機重量：9000

Kg長度精度MPEe：≤2.1+L/350（μm)探測球精度MPEp：≤2.1μm第20頁/共47頁模塊51.應(yīng)用案例主要用于機械、汽車、航空、軍工、家具、工具原型、機器等中小型配件、模具等行業(yè)中的箱體、機架、齒輪、凸輪、蝸輪、蝸桿、葉片、曲線、曲面等的測量，還可用于電子、五金、塑膠等行業(yè)中。三坐標(biāo)測量機在模具行業(yè)中的應(yīng)用三坐標(biāo)測量機在汽車行業(yè)的應(yīng)用三坐標(biāo)測量機在發(fā)動機制造中的應(yīng)用第21頁/共47頁模塊5使用方法CMM按測量方式可分為接觸測量和非接觸測量以及接觸和非接觸并用式測量，接觸測量常于測量機械加工產(chǎn)品以及壓制成型品、金屬膜等。本章以接觸式測量機為例來說明幾種掃描物體表面，以獲取數(shù)據(jù)點的幾種方法，數(shù)據(jù)點結(jié)果可用于加工數(shù)據(jù)分析，也可為逆向工程技術(shù)提供原始信息。數(shù)據(jù)管理數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的任務(wù)和要求：將測量數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)化為CAD軟件可識別的IGES格式，合并后以產(chǎn)品名稱或用戶指定的名稱分類保存。不同產(chǎn)品、不同屬性、不同定位、易于混淆的數(shù)據(jù)應(yīng)存放在不同的文件中，并在IGES文件中分層分色。2)重定位整合應(yīng)用背景重定位整合原理第22頁/共47頁模塊5項目總結(jié)目前社會經(jīng)濟發(fā)展迅速，很多精密機械行業(yè)都在逐步使用三坐標(biāo)測量機，主要以測量工件的三維數(shù)據(jù)為主，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中的各個領(lǐng)域。三坐標(biāo)測量機不僅僅在單獨的工作，還要有夾具的配合。三坐標(biāo)夾具使用在三坐標(biāo)測量機上，利用其模塊化的支持和參考裝置，完成對所測工件的柔性固定。三坐標(biāo)測量機測量精度的好壞，關(guān)鍵還是在于測針，有什么精度需要，就選擇什么材質(zhì)的測針，根據(jù)自己所需去選擇。項目評價表5-2

項目評價表項目目標(biāo)分值評分得分敘述三坐標(biāo)機工作原理能正確全面說明20不完整，每處扣2分說明三坐標(biāo)機在反求求工程中應(yīng)用需舉二例說明20每例10分；不完整，每處扣2分列出三坐標(biāo)機測量方法，有條件的實地操作列出全面、正確、詳盡40不完整，每處扣4分描繪三坐標(biāo)測量應(yīng)用前景能發(fā)揮想像能力，不設(shè)標(biāo)準20不完整，每處扣2分總分第23頁/共14007頁模塊55.2.4知識拓展（拓）注意事項正確使用三坐標(biāo)測量儀對其使用壽命、精度起到關(guān)鍵作用，應(yīng)注意以下幾個問題：工件吊裝前，要將探針退回坐標(biāo)原點，為吊裝位置預(yù)留較大的空間；工件吊裝要平穩(wěn)，不可撞擊三坐標(biāo)測量儀的任何構(gòu)件。正確安裝零件，安裝前確保符合零件與測量機的等溫要求。建立正確的坐標(biāo)系，保證所建的坐標(biāo)系符合圖紙的要求，才能確保所測數(shù)據(jù)準確。當(dāng)編好程序自動運行時，要防止探針與工件的干涉，故需注意要增加拐點。對于一些大型較重的模具、檢具，測量結(jié)束后應(yīng)及時吊下工作臺，以避免工作臺長時間處于承載狀態(tài)。日常保養(yǎng)一般在環(huán)境比較好的精測間中的測量機，我們推薦每三個月進行一次常規(guī)保養(yǎng)，而如果用戶的使用環(huán)境中灰塵比較多，測量間的溫度濕度不能完全滿足測量機使用環(huán)境要求，那應(yīng)該每月進行一次常規(guī)保養(yǎng)。測量機導(dǎo)軌的保護測量機氣路的保養(yǎng)測量機調(diào)整與保護測量機溫度控制第24頁/共47頁模塊5項目5-3

小型智能繪圖機5.3.1項目思考（思）小型智能繪圖機是典型的機電一體化系統(tǒng)產(chǎn)品，其包括機械設(shè)計、電子控制設(shè)計兩部分。以小型筆式繪圖機為例，模塊化的小幅面平板式畫筆驅(qū)動系統(tǒng)，通常由導(dǎo)軌座、移動滑塊、工作平臺、滾珠絲杠副，以及伺服電動機等部件組成。其外觀形式如圖5-4所示。其中，伺服電動機作為執(zhí)行元件用來驅(qū)動滾珠絲杠，滾珠絲杠的螺母帶動滑塊和工作平臺仔導(dǎo)軌上運動，完成工作臺在X方向的直線移動，調(diào)動畫筆的高度從而實現(xiàn)直線的生成。導(dǎo)軌副、滾珠絲杠螺母副和伺服電動機等均已標(biāo)準化，由專門廠家生產(chǎn)，設(shè)計時只需根據(jù)工作載荷選取即可。控制系統(tǒng)根據(jù)需要，可以選用標(biāo)準的工業(yè)控制計算機，也可以設(shè)計專門的微機控制系統(tǒng)。學(xué)生需思考的是：采用什么控制方法來保證繪圖機的繪圖精度，以及控制裝置的選擇。此項為實踐項目，列出詳盡的設(shè)計過程，有條件的學(xué)校可以購買相應(yīng)的制作配件進行設(shè)計制作。問題思考：從三個方面去思考：1、小型智能繪圖機作為一個系統(tǒng)，總體設(shè)計方案制定的比較與分析，為什么選擇此方案？你的初步樹立“系統(tǒng)設(shè)計”的思路是什么？2、機電一體化系統(tǒng)的機械傳動設(shè)計與傳統(tǒng)機械傳動設(shè)計有何不同？小型智能繪圖機使用何種傳動部件才能保證傳動精度？3、在控制方式上，如何選擇電機才能保證控制精度滿足要求，步進電機和伺服電機的區(qū)別，單片機控制的原理和方式是什么？第25頁/共47頁模塊55.3.2項目知識（學(xué)）知識點1繪圖機：繪圖機是一種自動化繪圖的設(shè)備。繪圖儀一般是由驅(qū)動電機、插補器、控制電路、繪圖臺、筆架、機械傳動等部分組成。繪圖儀除了必要的硬設(shè)備之外，還必須配備豐富的繪圖軟件。知識點2繪圖機種類：繪圖儀的種類很多，按結(jié)構(gòu)和工作原理可以分為滾筒式和平臺式兩大類：1、滾筒式繪圖儀。2、平臺式繪圖儀。第26頁/共47頁模塊5知識點3繪圖機發(fā)展史：在六十年代初，出現(xiàn)了世界上第一臺最大的繪圖機，它的繪圖臺的尺寸為長7英尺、寬6英尺。而后，隨著計算機技術(shù)、數(shù)控技術(shù)和軟件研究的迅速發(fā)展，繪圖機的發(fā)展也進入了新的階段。具有高速處理大量數(shù)據(jù)能力的計算機配上高精度的繪圖機械，組成了一種新型計算機繪圖系統(tǒng)?，F(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展和軍事工程的需要，又使繪圖機的品種愈來愈多，而且也相應(yīng)地發(fā)展了更豐富的軟件。在國外，繪圖機的研制，以美國較為先進。日本在自動繪圖機的研制和生產(chǎn)方面也比較先進，日本的繪圖機制造業(yè)是以引進美國技術(shù)為基礎(chǔ)而發(fā)展起來的，它共有十多家工廠生產(chǎn)繪圖機。目前，世界上知名品牌的繪圖儀有惠普、愛普生、施樂等。第27頁/共47頁模塊55.3.3項目實踐（做）項目要求題目：小型繪圖儀驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計主要設(shè)計參數(shù)如下：工作臺面尺寸為600mm×600mm，可繪圖范圍210mm×297mm（A4圖紙）。X、Y方向的定位精度均為±0.2mm。1、學(xué)習(xí)機電一體化系統(tǒng)總體設(shè)計方案擬定、分析與比較的方法。2、通過對機械系統(tǒng)的設(shè)計掌握幾種典型傳動元件與導(dǎo)向元件的工作原理、設(shè)計計算方法與選用原則。3、通過對進給伺服系統(tǒng)的設(shè)計，掌握常用伺服電動機的工作原理、計算選擇方法與控制驅(qū)動方式，學(xué)會選用典型的位移速度傳感器。4、通過對控制系統(tǒng)的設(shè)計，掌握一些典型硬件電路的設(shè)計方法和控制軟件的設(shè)計思路。5、培養(yǎng)學(xué)生獨立分析問題和解決問題的能力，學(xué)習(xí)并初步樹立“系統(tǒng)設(shè)計”的思路。6、鍛煉提高學(xué)生應(yīng)用手冊和標(biāo)準、查閱文獻資料以及撰寫科技論文的能力。圖5-4

小型繪圖儀驅(qū)動系統(tǒng)第28頁/共47頁模塊5項目實施方案制定導(dǎo)軌副選用要設(shè)計的X-Y工作臺是用來配套輕型的畫筆的，需要承受的載荷非常小，但脈沖當(dāng)量小、定位精度高，因此，決定選用直線滾動導(dǎo)軌副。絲杠螺母副選用伺服電動機的旋轉(zhuǎn)運動需要通過絲杠螺母副轉(zhuǎn)換成直線運動，要滿足±0.2mm的定位精度，滑動絲杠副無能為力，只有選擇滾珠絲杠副才能達到。伺服電動機選用項目規(guī)定的脈沖當(dāng)量尚未達到0.001mm，定位精度也未達到微米級，最快移動速度也不高。因此，本設(shè)計可以選用性能好一些的步進電動機。聯(lián)軸器的選用由于系統(tǒng)的對中性要求較高，因此決定選用剛性聯(lián)軸器，具有結(jié)構(gòu)簡單、制造成本低等優(yōu)點．考慮到工作載荷不大，擬選用套筒聯(lián)軸器，其具有結(jié)構(gòu)簡單、制造容易、徑向尺寸小的優(yōu)點。檢測裝置的選用選用步進電動機作為伺服電動機后，任務(wù)書所給的精度對于步進電動機來說不是很高，決定采用開環(huán)控制．第29頁/共47頁模塊5（6）控制系統(tǒng)的設(shè)計設(shè)計的驅(qū)動系統(tǒng)只有單坐標(biāo)定位，所以控制系統(tǒng)應(yīng)該設(shè)計成連續(xù)控制型。對于步進電動機的開環(huán)控制，選用MCS-51系列的AT89C51。機械傳動設(shè)計滾珠絲桿副的選型與計算電機的選型與計算滾動直線導(dǎo)軌選擇，計算和驗算第30頁/共47頁模塊5控制系統(tǒng)設(shè)計設(shè)計要求采用MCS-51系列單片機來完成該控制系統(tǒng)及系統(tǒng)框圖的設(shè)計。方案分析本系統(tǒng)的主要執(zhí)行元件是步進電機，步進電機是一種將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成直線或角位移的執(zhí)行元件，它不能直接接到交直流電源上，而必須使用專用設(shè)備步進電機控制驅(qū)動器，典型步進電機控制系統(tǒng)如圖5-7所示。AT89C51環(huán)形分配器功率放大器輔助電路步進電機顯示模塊按鍵模塊圖5-7

系統(tǒng)框圖第31頁/共47頁模塊53．單片機與步進電機驅(qū)動器接口采用單片機系統(tǒng)對步進電動機進行串行控制，系統(tǒng)從CP脈沖控制端按電動機旋轉(zhuǎn)速度的要求發(fā)出相應(yīng)周期間隔的脈沖，即可使電動機旋轉(zhuǎn)。圖5-8簡單畫出串行控制方法的接線圖。圖中是采用AT89C51單片機的P1.0作為方向電平信號，P1.1作為CP脈沖信號。設(shè)正常的P1.1為高電平，CP脈沖輸出低電平有效，產(chǎn)生CP脈沖的子程序如下：圖5-8

串行控制示意圖第32頁/共47頁模塊5步進電動機驅(qū)動電源選用本項目設(shè)計中選用的90BYG2602型電動機．選擇SM-202A細分驅(qū)動器，如圖5-9所示。特點１）電源電壓不大于+40VDC２）斬波頻率大于35KHZ３）輸入信號與TTL兼容４）可驅(qū)動兩相或四相混合式步進電機

５）雙極性恒流斬波方式７）光電隔離信號輸入８）細分數(shù)可選SM-202A型：2、4、8、16、32、64或根據(jù)用戶要求設(shè)計９）驅(qū)動電流可由開關(guān)設(shè)定

10）外型尺寸：85×59×1911）重量：0.11kg圖5-9 SM-202A驅(qū)動器第33頁/共47頁模塊5引腳說明１）GND端為外接直流電源

２）A+、A-端為電機A相３）B+、B-端為電機B相４）+COM端為光電隔離電源公共端，典型值為+5V，高于+5V時應(yīng)在CP，DIR及FREE端串接電阻５）CP端為脈沖信號，下降沿有效６）DIR端為方向控制信號，電平高低決定電機運行方向７）FREE端為驅(qū)動器使能，高電平或懸空電機可運行，低電平驅(qū)動器無電流輸出，電機處于自由狀態(tài)電氣特性（Tj=25℃）１）信號邏輯輸入電流10mA-25mA２）下降沿脈沖時間大于5us３）絕緣電阻大于500MΩ使用環(huán)境及參數(shù)１）冷卻方式：自然冷卻或強制風(fēng)冷２）使用環(huán)境：盡量避免粉塵及腐蝕性氣體

３）溫度；0°C~+50°C４）濕度；40-89%RH第34頁/共47頁模塊54.5機械安裝如圖5-10：圖5-10機械安裝尺寸圖4.6電源供給本驅(qū)動器可采用非穩(wěn)壓型直流電源供電，也可以采用變壓器降壓+橋式整流+電容濾波。第35頁/共47頁模塊54.7輸入接口電路如圖5-11。圖5-11輸入接口電路第36頁/共47頁模塊54.8電機接線SM-202A驅(qū)動器能驅(qū)動四線、六線或八線的兩相/四相電機。圖5-12詳細列出了4線、6線、8線步進電機的接法：圖5-12

電線接線第37頁/共47頁模塊5驅(qū)動器與電機的匹配供電電壓的選定一般來說，供電電壓越高，電機高速時力矩越大，越能避免高速時掉步。但另一方面，電壓太高可能損壞驅(qū)動器，而且在高電壓下工作時，低速運動振動較大。輸出電流的設(shè)定值對于同一電機，電流設(shè)定值越大時，電機輸出力矩越大，但電流大時電機和驅(qū)動器的發(fā)熱也比較嚴重。所以一般情況是把電流設(shè)成供電機長期工作時出現(xiàn)溫