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東華理工大學(xué)長(zhǎng)江學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)開(kāi)題報(bào)告 畢業(yè)設(shè)計(jì)題目 基于單片機(jī)控制 X Y 工作臺(tái)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì) 學(xué)生姓名 歐陽(yáng)昌馳 學(xué) 號(hào) 08315114 專(zhuān) 業(yè) 機(jī)械電子工程 系 別 機(jī)電工程系 指導(dǎo)教師 萬(wàn)智輝 教學(xué)科研部 二 一一年 九月 1 課題研究的意義 國(guó)內(nèi)外有關(guān)本課題的研究動(dòng)態(tài)和自己的見(jiàn)解 隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展 極大地推動(dòng)了不同學(xué)科的滲透 促進(jìn)了工程領(lǐng)域的技 術(shù)改革 由于計(jì)算機(jī)技術(shù)和微電子技術(shù)的迅速發(fā)展并被機(jī)械工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用從而形成了機(jī)電 一體化 使得機(jī)械工業(yè)的產(chǎn)品結(jié)構(gòu) 技術(shù)結(jié)構(gòu) 功能和生產(chǎn)管理體系發(fā)生了巨大的變化 也使得工業(yè)生產(chǎn)從 機(jī)械電氣化 邁進(jìn)了 機(jī)電一體化 的發(fā)展階段 X Y 數(shù)控工作臺(tái)是很多機(jī)電一體化設(shè)備的基本部件 比如數(shù)控銑床 數(shù)控鉆床的 X Y 工作臺(tái) X Y 數(shù)控工作臺(tái)通常是由導(dǎo)軌座 移動(dòng)滑塊 滾珠絲桿螺母副及伺服電動(dòng)機(jī)等部 件構(gòu)成 伺服電動(dòng)機(jī)主要是用于驅(qū)動(dòng)滾珠絲桿 滾珠絲桿螺母驅(qū)動(dòng)滑塊和工作臺(tái)在指定的 導(dǎo)軌上運(yùn)動(dòng) 從而完成工作臺(tái)在 XY 兩個(gè)方向的直線運(yùn)動(dòng) 現(xiàn)在大部分使用的數(shù)控銑床都是集機(jī)械制造 自動(dòng)控制 電子技術(shù) 傳感技術(shù) 計(jì)算 機(jī)技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)于一體的典型機(jī)電一體化產(chǎn)品 2 國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r 數(shù)控技術(shù)的應(yīng)用不但給傳統(tǒng)制造業(yè)帶來(lái)了革命性的變化 使制造業(yè)成為工業(yè)化的象征 而且隨著數(shù)控技術(shù)的不斷發(fā)展和應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)大 它對(duì)國(guó)計(jì)民生的一些重要行業(yè) IT 汽車(chē) 輕工 醫(yī)療等的發(fā)展起著越來(lái)越重要的作用 從目前世界上數(shù)控技術(shù)及其裝備發(fā)展的趨勢(shì) 來(lái)看 其主要研究熱點(diǎn)有以下幾個(gè)方面 1 高速 高精加工技術(shù)及裝備的新趨勢(shì) 效率 質(zhì)量是先進(jìn)制造技術(shù)的主體 高速 高精加工技術(shù)可極大地提高效率 提高產(chǎn)品 的質(zhì)量和檔次 縮短生產(chǎn)周期和提高市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力 從 EMO2001 展會(huì)情況來(lái)看 高速加工 中心進(jìn)給速度可達(dá) 80m min 甚至更高 空運(yùn)行速度可達(dá) 100m min 左右 目前世界上許多 汽車(chē)廠 包括我國(guó)的上海通用汽車(chē)公司 已經(jīng)采用以高速加工中心組成的生產(chǎn)線部分替代組 合機(jī)床 在加工精度方面 近 10 年來(lái) 普通級(jí)數(shù)控機(jī)床的加工精度已由 10 提高到 5 精um 密級(jí)加工中心則從 3 5 提高到 1 1 5 并且超精密加工精度已開(kāi)始進(jìn)入納米級(jí) 0 1umu 為了實(shí)現(xiàn)高速 高精加工 與這配套的功能部件如電主軸 直線電機(jī)得到了快速的發(fā)um 展 應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)一步擴(kuò)大 2 智能化 開(kāi)放式 網(wǎng)絡(luò)化成為當(dāng)代數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展的主要趨勢(shì) 21 世紀(jì)的數(shù)控裝備將是具有一定智能化的系統(tǒng) 智能化的內(nèi)容包括在數(shù)控系統(tǒng)中的各 個(gè)方面 為追求加工效率和加工質(zhì)量方面的智能化 如加工過(guò)程的自適應(yīng)控制 工藝參數(shù)自動(dòng) 生成 為提高驅(qū)動(dòng)性能及使用連接方便的智能化 如前饋控制 電機(jī)參數(shù)的自適應(yīng)運(yùn)算 自 動(dòng)識(shí)別負(fù)載自動(dòng)選定模型 自整定等 數(shù)控系統(tǒng)開(kāi)放化已經(jīng)成為數(shù)控系統(tǒng)的未來(lái)之路 所 謂開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)就是數(shù)控系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)可以在統(tǒng)一的運(yùn)行平臺(tái)上 面向機(jī)床廠家和最終用戶 通 過(guò)改變 增加或剪裁結(jié)構(gòu)對(duì)象 數(shù)控功能 形成系列化 并可方便地將用戶的特殊應(yīng)用和技 訣竅集成到控制系統(tǒng)中 快速實(shí)現(xiàn)不同品種 不同檔次的開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng) 形成具有鮮明個(gè) 性的名牌產(chǎn)品 目前開(kāi)放數(shù)控系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)規(guī)范 通信規(guī)范 配置規(guī)范 運(yùn)行平臺(tái) 數(shù) 控系統(tǒng)功能庫(kù)以及數(shù)控系統(tǒng)功能軟件開(kāi)發(fā)工具等是當(dāng)前研究的核心 網(wǎng)絡(luò)化數(shù)控裝備是近 兩年國(guó)際著名機(jī)床博覽會(huì)的一個(gè)新亮點(diǎn) 數(shù)控裝備的網(wǎng)絡(luò)化將極大地滿足生產(chǎn)線 制造系 統(tǒng) 制造企業(yè)對(duì)信息集成的需求 也是實(shí)現(xiàn)新的制造模式如敏捷制造 虛擬企業(yè) 全球制造 的基礎(chǔ)單元 反映了數(shù)控機(jī)床加工向網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展的趨勢(shì) 3 本課題要研究的問(wèn)題 X Y數(shù)控工作臺(tái)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)是一個(gè)開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng) 其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 實(shí)現(xiàn)方便而且能夠保證 一定的精度 降低成本 是單片機(jī)控制技術(shù)的最簡(jiǎn)單的應(yīng)用 它充分的利用了單片機(jī)的軟件硬 件功能以實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)床的控制 使機(jī)床的加工范圍擴(kuò)大 精度和可靠性進(jìn)一步得到提高 本課 題研究涉及機(jī)械原理 機(jī)械設(shè)計(jì) 機(jī)械制圖 機(jī)電一體化 單片機(jī)工作原理 數(shù)控技術(shù)等方面的相關(guān)內(nèi)容 3 課題的設(shè)計(jì)方案 3 1 設(shè)計(jì)方案比較 數(shù)控機(jī)床導(dǎo)軌類(lèi)型分為 滑動(dòng)導(dǎo)軌 滾動(dòng)導(dǎo)軌 靜壓導(dǎo)軌等類(lèi)型 在本設(shè)計(jì)中采用滾動(dòng)導(dǎo) 其原因是 a 靈敏度高 運(yùn)動(dòng)平穩(wěn) 低速移動(dòng)時(shí)不易出現(xiàn)爬行現(xiàn)象 b 定位精度高 c 摩擦阻力小 移動(dòng)輕便 磨損小 精度保持性好 壽命長(zhǎng) 在傳動(dòng)方面有齒輪傳動(dòng)和滾珠絲桿傳動(dòng)等類(lèi)型 在本設(shè)計(jì)中采用滾珠絲桿傳動(dòng) 因?yàn)椴捎脻L珠絲桿有一下優(yōu)點(diǎn) a 承載小 b 移動(dòng)速度快 c 噪音低 d 定位精度高等 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)有直線電動(dòng)機(jī) 伺服電動(dòng)機(jī) 步進(jìn)電動(dòng)機(jī) 開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)等 在經(jīng)濟(jì)數(shù)控機(jī)床上 考慮其成本和性能 通常采用開(kāi)環(huán)步進(jìn)電機(jī) 所以在本設(shè) 計(jì)中選擇步進(jìn)電機(jī) 在控制系統(tǒng)方面 可采用單片機(jī)和 PLC 進(jìn)行控制 在本設(shè)計(jì)中采用的是 MCS 51 系列單片機(jī) 因?yàn)樗鼉r(jià)格低廉 性能優(yōu)越 完全能滿足本設(shè)計(jì)的要求 3 2 選型分析 系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方式的確定 該系統(tǒng)要求工作臺(tái)沿各坐標(biāo)軸的運(yùn)動(dòng)有精確的運(yùn)動(dòng)關(guān)系因此采用連續(xù)控制 方式 伺服系統(tǒng)的選擇 開(kāi)環(huán)伺服系統(tǒng)在負(fù)載不大時(shí)多采用功率步進(jìn)電機(jī)作為伺服電機(jī) 開(kāi)環(huán)控制 系統(tǒng)由于沒(méi)有檢測(cè)反饋部件 因而不能糾正系統(tǒng)的傳動(dòng)誤差 但開(kāi)環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 簡(jiǎn)單 調(diào)整維修容易 在速度和精度要求不太高的場(chǎng)合得到廣泛應(yīng)用 閉環(huán)伺服系統(tǒng)具有裝在機(jī)床移動(dòng)部件上的檢測(cè)反饋元件來(lái)檢測(cè)實(shí)際位移量 能補(bǔ)償系統(tǒng)的傳動(dòng)誤差 因而伺服控制精度高 閉環(huán)系統(tǒng)多采用直流伺服電動(dòng) 機(jī)或交流伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng) 閉環(huán)系統(tǒng)造價(jià)高 結(jié)構(gòu)和調(diào)試較復(fù)雜 多用于精度 要求高的場(chǎng)合 考慮到運(yùn)動(dòng)精度要求不高 為簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu) 降低成本 宜采用步進(jìn)電機(jī)開(kāi)環(huán) 伺服系統(tǒng)驅(qū)動(dòng) 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的選擇 采用 MCS 51 系列中的 8051 單片機(jī)擴(kuò)展控制系統(tǒng) MCS 51 單片機(jī)的主要特點(diǎn)是集成度 高 可靠性好 功能強(qiáng) 速度快 性價(jià)比高 控制系統(tǒng)由微機(jī)部分 鍵盤(pán)及顯示器 I O 接口及光電隔離電路 步進(jìn)功率放大電路等組成 系統(tǒng)的工作程序和控制命令通過(guò)鍵盤(pán)操 作實(shí)現(xiàn) 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)性以及結(jié)構(gòu)的緊湊 采用滾珠絲杠螺母?jìng)鲃?dòng)副 為提高 傳 動(dòng)剛度和消除間隙 采用有預(yù)加載荷的結(jié)構(gòu) 由于工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)部件重量和工作載荷不大 故選用滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副 從而減小工作 臺(tái) 的摩擦系數(shù) 提高運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性 考慮電機(jī)步距角和絲杠導(dǎo)程只能按標(biāo)準(zhǔn)選取 為達(dá)到分辨率 0 01mm 的要求 以及考慮 步進(jìn)電機(jī)負(fù)載匹配 采用齒輪減速傳動(dòng) 4 課題研究準(zhǔn)備情況 查閱參考文獻(xiàn)目錄 完成任務(wù)所具備的條件 等 學(xué)院擁有一支高素質(zhì) 高水平的教師隊(duì)伍 現(xiàn)有專(zhuān)任教師366人 教師中有 教授 副教授120人 外籍教師11人 中青年教師中具有博士學(xué)位13人 碩士學(xué) 位132人 學(xué)院擁有各類(lèi)實(shí)驗(yàn)室51個(gè) 工程訓(xùn)練中心1個(gè) 校外實(shí)習(xí)基地22個(gè) 并擁有眾多的高精尖儀器設(shè)備 如日本電子JXA8100電子探針 德國(guó)MAT253質(zhì)譜 儀和多種型號(hào)的數(shù)控機(jī)床等 學(xué)院下設(shè)信息工程系 經(jīng)濟(jì)管理系 外語(yǔ)與文法系 機(jī)電工程系 資源與環(huán)境工程系 共21個(gè)本科專(zhuān)業(yè) 實(shí)現(xiàn)了以理工為主 文 管 經(jīng) 法 體 教多學(xué)科的協(xié)調(diào)發(fā)展 圖書(shū)館館舍面積達(dá)到19079平方米 閱覽座 位822個(gè) 周開(kāi)館時(shí)間近100小時(shí) 館內(nèi)藏書(shū)328363冊(cè) 圖書(shū)為325850冊(cè) 光盤(pán)為 2513張 年訂閱現(xiàn)刊412種 報(bào)紙66種 各種數(shù)據(jù)庫(kù)14個(gè) 萬(wàn)方數(shù)據(jù)資源 重慶維 普數(shù)據(jù)庫(kù) 人大光盤(pán)復(fù)印報(bào)刊資料 中國(guó)學(xué)術(shù)期刊 超星數(shù)字圖書(shū)館 世界科 學(xué) Springer EBSCO 中圖鏈接 化學(xué)通報(bào) 資治法典 教育管理與執(zhí)法 多 媒體教學(xué) 英語(yǔ)聽(tīng)力和眾多免費(fèi)數(shù)據(jù)庫(kù) 平均日接待讀者980人次 日?qǐng)D書(shū)流通 量達(dá)到1850本 綜上所述 可以看到學(xué)校擁有雄厚的師資力量和教學(xué)資源 完全滿足我們 課題設(shè)計(jì)研究的要求 5 畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 總體安排和進(jìn)度 進(jìn) 度 安 排 序號(hào) 設(shè)計(jì) 論文 工作內(nèi)容 時(shí)間 起止周數(shù) 1 調(diào)研 資料收集及整理 2011 9 25 2011 10 1 2 分析文獻(xiàn)資料 準(zhǔn)備開(kāi)題 2011 10 2 2011 10 26 3 X Y 工作臺(tái)總體方案構(gòu)思 2011 10 27 2011 11 5 4 確定 X Y 工作臺(tái)的設(shè)計(jì)方案 2011 11 6 2011 11 16 5 X Y 工作臺(tái)主要部件的選型和驗(yàn)算 2011 11 17 2011 11 23 6 X Y 工作臺(tái)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 2011 11 24 2011 11 30 7 X Y 工作臺(tái)裝配圖及電氣原理圖的繪制 2011 11 30 2011 12 30 8 資料 數(shù)據(jù)整理 并修改畢業(yè)論文 2011 12 31 2012 3 15 9 定稿 準(zhǔn)備答辯 2012 3 16 2012 6 4 學(xué)生簽名 歐陽(yáng)昌馳 2011 年 9 月 24 日 6 指導(dǎo)教師意見(jiàn)與建議 指導(dǎo)老師簽名 年 月 日