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工程學院本科生 專業(yè)課程設計說明書 （機電一體化系統(tǒng)設計） 題 目： 數(shù)控銑床X-Y工作臺設計 專業(yè)班級： 機械11X 組別：第 Y 組 成 員： 指導教師： 趙大旭 職稱： 講師 年 月 日 目 錄 設計任務書 1 1 系統(tǒng)總體設計 2 1.1總體性能要求與整體方案 2 1.2各系統(tǒng)方案確定 2 1.2.1機械傳動系統(tǒng)方案 2 1.2.2控制系統(tǒng)總體方案 3 1.3課程設計主要內(nèi)容安排 3 2 機械系統(tǒng)設計 4 2.1工作臺外形尺寸及重量估算 4 2.2滾動導軌的參數(shù)確定 4 2.3 滾珠絲杠的設計計算 5 2.4 步進電機的選用 5 2.5 齒輪傳動系統(tǒng)設計計算 5 2.6 步進電機慣性負載的計算 5 3 控制系統(tǒng)硬件設計 7 3.1微機系統(tǒng)選擇 7 3.1.1單片機選型 7 3.1.2電氣接口 7 3.2電機驅(qū)動系統(tǒng)設計 8 3.2.1步進電機工作原理與驅(qū)動電路 8 3.2.2電磁鐵驅(qū)動電路 9 3.2.3電源電路 9 3.2.4傳感器與人機界面 9 4 程序設計 10 4.1總體方案 10 4.2程序流程圖 10 4.2.1程序結構 10 4.2.2程序模塊 10 4.2.3 XX子程序 10 4.2.4 XX子程序 10 4.3程序代碼 10 4.3.1子程序1 10 4.3.2子程序2 10 5 設計總結 11 5.1結論 11 5.2心得體會 11 5.3成員分工 11 參考文獻 12 附錄清單 13 設計任務書 題目：X-Y數(shù)控工作臺機電系統(tǒng)設計 設計任務： 設計一個微機控制的立式銑床X-Y工作臺，具體內(nèi)容如下： 1、機械系統(tǒng)設計：通過計算正確選擇傳動機構、導向機構、執(zhí)行機構、驅(qū)動電機等，并給出計算依據(jù)，繪制機械系統(tǒng)裝配圖； 2、控制系統(tǒng)設計：根據(jù)系統(tǒng)要求，選擇正確控制策略，設計合理的控制系統(tǒng)，繪制控制系統(tǒng)原理電路圖； 3、主程序設計：在機械系統(tǒng)與控制系統(tǒng)設計基礎上，開發(fā)控制主程序，列出程序清單； 4、設計說明書撰寫 系統(tǒng)主要參數(shù)： 1、立銑刀最大直徑d=20mm； 2、立銑刀齒數(shù)Z=3； 3、最大銑削寬度； 4、最大背吃刀量； 5、加工材料為碳素鋼； 6、X、Y方向的脈沖當量/脈沖； 7、X、Y方向的定位精度均為； 8、工作臺尺寸600mm700mm,加工范圍為350mm450； 9、工作臺空載最快移動速度； 10、工作臺進給最快移動速度； 時間安排及任務： 1、系統(tǒng)功能介紹，總體方案設計（1天） （1）機電一體化設計基本過程介紹； （2）X-Y工作臺功能介紹； （3）總體方案確定。 2、單元功能模塊介紹和設計任務落實（1天） 3、詳細設計（8天） （1）機械系統(tǒng)裝配圖設計； （2）控制系統(tǒng)原理圖設計； （3）控制主程序設計。 1 系統(tǒng)總體設計 1.1總體性能要求與整體方案 X-Y數(shù)控工作臺機電系統(tǒng)被設計用于銑床數(shù)控化改造，其結構簡單，容易實現(xiàn)。該平臺能夠在保證一定的精度前提下降低成本，是微機控制技術的簡單的應用。本設計充分的利用了機電一體化系統(tǒng)思想，結合機械本體與電氣控制系統(tǒng)軟硬件于一體，使機床的加工范圍擴大，精度和可靠性進一步得到提高。 總體結構如圖1-1所示 圖1-1 系統(tǒng)總體方案圖 1.2各系統(tǒng)方案確定 1.2.1機械傳動系統(tǒng)方案 （1）絲杠螺母副的選擇 步進電動機的旋轉(zhuǎn)運動需要通過絲杠螺母副轉(zhuǎn)換成直線運動，需要滿足初選0.01mm脈沖當量，因為定位精度0.02mm，對于機械傳動要有一定的精度損失，大約是1/3-1/2的定位精度，現(xiàn)取為1/2，即是0.01mm和0.02mm的定位精度，滑動絲杠副無法做到，只有選用滾珠絲桿副才能達到要求，滾珠絲桿副的傳動精度高、動態(tài)響應快、運轉(zhuǎn)平穩(wěn)、壽命長、效率高、預緊后可消除反向間隙。 同時選用內(nèi)循環(huán)的形式，因為這樣摩擦損失小，傳動效率高，且徑向尺寸結構緊湊，軸向剛度高。由于定位精度不高，故選擇的調(diào)隙方式是墊片調(diào)隙式，這種調(diào)隙方式結構簡單，剛性好，裝卸方便。由于工作臺最快的移動速度 ，所需的轉(zhuǎn)速不高，故可以采用一般的安裝方法，即一端固定，一端游動的軸承配置形式。 （2）導軌副的選用 要設計數(shù)控銑床工作臺，需要承受的載荷不大，而且脈沖當量小，定位精度高，因此選用直線滾動導軌副，它具有摩擦系數(shù)小，不易爬行，傳動效率高，結構緊，安裝預緊方便等優(yōu)點。 （3）伺服電機的選用 選用步進電動機作為伺服電動機后，可選開環(huán)控制，也可選閉環(huán)控制。任務書所給的精度對于步進電動機來說還是偏低，為了確保電動機在運動過程中不受切削負載和電網(wǎng)的影響而失步，決定采用開環(huán)控制，任務書初選的脈沖當量尚未達到0.001mm，定位精度也未達到微米級，空載最快移動速度也只有3000mm/min,故本設計不必采用高檔次的伺服電機，因此可以選用混合式步進電機，以降低成本，提高性價比。 （4）減速裝置的選用 選擇了步進電動機和滾珠絲桿副以后，為了圓整脈沖當量，放大電動機的輸出轉(zhuǎn)矩，降低運動部件折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的轉(zhuǎn)動慣量，可能需要減速裝置，且應有消間隙機構，如果要選用減速裝置，則應選用無間隙齒輪傳動減速箱。 1.2.2控制系統(tǒng)總體方案 （1）設計的X-Y工作臺準備用在數(shù)控銑床上，其控制系統(tǒng)應該具有輪廓控制，兩坐標直線插補與圓弧插補的基本功能，所以控制系統(tǒng)設計成連續(xù)控制型。 （2）對于步進電動機的開環(huán)控制系統(tǒng)，選用MCS-51系列的8位單片機AT89S52作為控制系統(tǒng)的CPU，能夠滿足任務書給定的相關指標。 （3）要設計一臺完整的控制系統(tǒng)，在選擇CPU之后，還要擴展程序存儲器，I/O接口電路，D/A轉(zhuǎn)換電路，串行接口電路等。 （4）選擇合適的驅(qū)動電源，與步進電動機配套使用。 1.3課程設計主要內(nèi)容安排 第一章 總體設計。根據(jù)任務書明確課程設計內(nèi)容，確定總體及各子系統(tǒng)方案。 第二章 機械系統(tǒng)設計。工作臺外形尺寸及重量估算，電動機選擇，機械傳動系統(tǒng)設計計算，滾珠絲杠計算選擇等。 第三章 控制系統(tǒng)硬件設計。單片機選擇，系統(tǒng)擴展硬件系統(tǒng)選擇。 第四章 控制系統(tǒng)程序設計?？刂瞥绦蚓帉憽? 第五章 對全文工作做了總結和對今后應當繼續(xù)深入研究的工作做了展望。 附錄 X-Y工作臺總裝圖與控制系統(tǒng)電路圖。 2 機械系統(tǒng)設計 2.1工作臺外形尺寸及重量估算 X向拖板（上拖板）尺寸： 長寬高 14516050 重量：按重量=體積材料比重估算 N Y向拖板（下拖板）尺寸： 重量：約90N。 上導軌座（連電機）重量： 夾具及工件重量：約150N 。 X-Y工作臺運動部分的總重量：約287N。 2.2滾動導軌的參數(shù)確定 導軌是數(shù)控機床的重要部件之一，它在很大程度上決定數(shù)控機床的剛度，精度與精度保持性。目前的數(shù)控機床采用導軌形式的主要有：滑動導軌，滾動導軌，靜壓導軌三類。 滑動導軌主要有：金屬對金屬，金屬對塑料，后者的化學穩(wěn)定性好，摩擦系數(shù)抵，靜摩擦系數(shù)小，耐磨損，耐腐蝕，吸振性好，比重小，強度大，加工成型簡單，能在任何液體或者無潤滑條件下工作，因此較常用。其缺點是：耐熱性差，導熱率低，須注意散熱，剛性也比較差，吸濕性大易影響尺寸的穩(wěn)定，應選用在水或者油中尺寸穩(wěn)定且能耐酸和弱堿的塑料。 滾動導軌 1滾動導軌的技術要求 兩導軌面見的不平行度不小于3μm 導軌平面度不小于5μm 滾動體的直徑差一般機床全部滾動體為2μm。每組滾動體為1μm；精密機床全部滾動體為1μm，每組滾動體為0，5μm。 滾柱的錐度：0，5-1μm。 表面粗糙度：普通機床，磨削不抵于0，40（μm），精密機床磨削不抵于0，20（μm） 滾動導軌的結構形式按滾動體種類分，可有以下幾種； 滾珠導軌。這種導軌的承載能力小，剛度低。導軌面上容易出現(xiàn)凹坑，但對加工精度影響不大，其材料一般為淬火鋼。 滾柱導軌。它的承載能力比上述的大，適合載荷較大的機床，但滾柱導軌對安裝的偏斜較為靈敏，易引起側移和側向滑動從而使導軌磨損加快或者降低精度。 滾針導軌。這種導軌的特點是尺寸小，結構緊湊。合適導軌受限的機床。 動導軌的支承，在數(shù)控機床上使用的滾動導軌有兩種形式；滾動滑塊式滾柱導軌和組裝式直線滾針導軌。 靜壓導軌的優(yōu)點是：工作表面完全處于純液體摩擦狀態(tài)下，所以其摩擦系數(shù)極低，能使驅(qū)動功率降低；導軌的運動不受負載和速度的限制，且低速時運動均勻，不出現(xiàn)爬行現(xiàn)象。使用的壽命小?？拐裥院?；承載能力大；摩擦發(fā)熱小，導軌的溫升小。它的結構形式有開式和閉式兩種。 2.3 滾珠絲杠的設計計算 滾珠絲杠的負荷包括銑削力及運動部件的重量所引起的進給抗力。應按銑削時的情況計算。 （1）最大動負載Q的計算 2.4 步進電機的選用 滾珠絲杠的負荷包括銑削力及運動部件的重量所引起的進給抗力。應按銑削時的情況計算。 （1）最大動負載Q的計算 2.5 齒輪傳動系統(tǒng)設計計算 因步進電機步距角，滾珠絲杠螺距 ，要實現(xiàn)脈沖當量，在傳動系統(tǒng)中應加一對齒輪降速傳動。齒輪傳動比 選 ， 2.6 步進電機慣性負載的計算 因步進電機步距角 表2-3 齒輪尺寸 17 28 17 19 14.5 5 28 30 25.5 5 17.5 根據(jù)等效轉(zhuǎn)動慣量的計算公式，得 式中： ——折算到電機軸上的慣性負載（）； ——步進電機轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動慣量（）；——齒輪 的轉(zhuǎn)動慣量（）；——齒輪 的轉(zhuǎn)動慣量（）；——滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動慣量（）；M——移動部件質(zhì)量（）。 對材料為鋼的圓柱零件轉(zhuǎn)動慣量可按下式估算 式中：D——圓柱零件直徑（cm）；L——零件長度（cm）。 所以 電機軸轉(zhuǎn)動慣量很小，可以忽略，則 3 控制系統(tǒng)硬件設計 3.1微機系統(tǒng)選擇 X-Y數(shù)控工作臺控制系統(tǒng)硬件主要包括CPU、傳動驅(qū)動、傳感器、人機交互界面。 硬件系統(tǒng)設計時，應注意幾點：電機運轉(zhuǎn)平穩(wěn)、響應性能好、造價低、可維護性、人機交互界面可操作性比較好。 3.1.1單片機選型 隨著微電子技術水平的不斷提高，單片微型計算機有了飛躍的發(fā)展。單片機的型號很多，而目前市場上應用MCS-51芯片及其派生的兼容芯片比較多，如目前應用最廣的8位單片機89C51，價格低廉，而性能優(yōu)良，功能強大。 在一些復雜的系統(tǒng)中就不得不考慮使用16位單片機，MCS-96系列單片機廣泛應用于伺服系統(tǒng)，變頻調(diào)速等各類要求實時處理的控制系統(tǒng)，它具有較強的運算和擴展能力。但是定位合理的單片機可以節(jié)約資源，獲得較高的性價比。 3.1.2電氣接口 CPU接口部分包括傳感器部分、傳動驅(qū)動部分、人機交互界面三部分。示意圖如下所示：（行程開關） 前向通道 傳動驅(qū)動 （電磁鐵） （步進電機） 人機界面 傳感器 AT89S51 （鍵盤、LED） 后向通道 圖3-1 CPU外部接口示意圖 AT89S51要完成的任務： （1）將行程開關的狀態(tài)讀入CPU，通過中斷進行處理，它的優(yōu)先級別最高。 （2）通過程序?qū)崟r控制電機和電磁鐵的運行。 （3）接受鍵盤中斷指令，并響應指令，將當前行程開關狀態(tài)和鍵盤狀態(tài)反應到LED上，實現(xiàn)人機交互作用。 由于AT89S51只有P1口和P3口是準雙向口，但P3口主要以第二功能為主，并且在系統(tǒng)中要用到第二功能的中斷口，因此要進行I/O擴展?？紤]到電路的簡便性和可實現(xiàn)性，實際中采用內(nèi)部自帶鎖存器的8155，所以AT89S51的I/O口線分配如下： （1）P1.0-P1.5控制X-Y兩個方向步進電機的A、B、C線圈通電，形成A-AB-B-BC-C-CA-A三相六拍正轉(zhuǎn)模式和A-AC-C-CB-B-BA-A的反轉(zhuǎn)模式。 （2）P1.6口輸出控制電磁鐵的吸合。 （3）P3.2和P3.3兩個中斷源中INT0優(yōu)先級最高，它讀入行程開關的狀態(tài)并觸發(fā)中斷；INT1讀入點動、復位、圓弧插補開關的狀態(tài)而觸發(fā)中斷。 （4）P0.0-P0.7外部I/O擴展的數(shù)據(jù)讀取。 （5）P2.7和P2.6決定8155的PA、PB、PC口的地址。 3.2電機驅(qū)動系統(tǒng)設計 3.2.1步進電機工作原理與驅(qū)動電路 步進電機的速度控制比較容易實現(xiàn)，而且不需要反饋電路。設計時的脈沖當量為0.01mm，步進電機每走一步，工作臺直線行進0.01mm。 步進電機驅(qū)動電路中采用了光電偶合器，它具有較強的抗干擾性，而且具有保護CPU的作用，當功放電路出現(xiàn)故障時，不會將大的電壓加在CPU上使其燒壞。 圖3-2 步進電機驅(qū)動電路圖 該電路中的功放電路是一個單電壓功率放大電路，當A相得電時，電動機轉(zhuǎn)動一步。電路中與繞組并聯(lián)的二極管D起到續(xù)流作用，即在功放管截止是，使儲存在繞組中的能量通過二極管形成續(xù)流回路泄放，從而保護功放管。與繞組W串聯(lián)的電阻為限流電阻，限制通過繞組的電流不至超過額定值，以免電動機發(fā)熱厲害被燒壞。 由于步進電機采用的是三相六拍的工作方式（三個線圈A、B、C），其正轉(zhuǎn)的通電順序為：A-AB-B-BC-C-CA-A，其反轉(zhuǎn)的通電順序為：A-AC-C-CB-B-BA-A。 步進時鐘 A相波形 B相波形 C相波形 圖3-3 三相六拍工作方式時相電壓波形（正轉(zhuǎn)） 3.2.2電磁鐵驅(qū)動電路 該驅(qū)動電路也采用了光電偶合器，但其功放電路相對簡單。其光電偶合部分采用的是達林頓管，因為驅(qū)動電磁鐵的電流比較大。 3.2.3電源電路 兩電機同時工作再加上控制系統(tǒng)用電，所需電源容量比較大，需要選擇大容量電源。此系統(tǒng)中用到的電源電壓為27V、12V、5V，為了便于管理和電源容量需求，就采用了標準的27V電源作為基準，通過芯片進行電壓轉(zhuǎn)換得到所需的12V和5V電壓。 圖3-4 電源轉(zhuǎn)換電路圖 電路中在轉(zhuǎn)換芯片的前后有兩個電容，前面電容起防止自激作用，后面電容起濾波作用。此外，在具體應用的過程中，LM7805必須加上散熱片。 3.2.4傳感器與人機界面 由于步進電機不需要反饋電路，但是要注意工作臺不能超過最大行程。因此，必須在X、Y軸的方向各加上兩個行程開關。這里行程開關作用有兩個：（1）防止工作臺超過最大行程，使電機損壞（2）可以用與定位。所以這4個行程開關就充當了傳感器。 4 程序設計 4.1總體方案 4.2程序流程圖 4.2.1程序結構 4.2.2程序模塊 4.2.3 XX子程序 4.2.4 XX子程序 4.3程序代碼 4.3.1子程序1 4.3.2子程序2 5 設計總結 5.1結論 5.2心得體會 5.3成員分工 參考文獻 [1] 秦愛中.基于ZMP雙足的步行機器人布態(tài)規(guī)劃研究[D].西北工業(yè)大學，2003 [2] 楊家軍．機械系統(tǒng)創(chuàng)新設計[M]．武漢：華中理工大學出版社，2000． [3] 楊平，廉仲．機械電子工程設計[M]．北京：國防工業(yè)出版社，2001． [4] 吳宗澤.機械設計[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. 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