机电一体化系统设计课程

机电一体化系系统设计课程设计任务书书编制：丁宇宁江西冶金职业技技术学院机电电工程系二0一一年十月月目 录1课程设置目的的、课程设计计要求及注意意事项1.1课程设置置目的1.2课程设计计要求1.3课程设计计注意事项2课程设计题目目2.1课程设计计题目2.2 设计参参数内容及要求2.3 提交材材料3课程设计说明明书要求4设计计算说明明书封面5考核方式6参考资料1 课程设设置目的、课课程设计要求求及注意事项项1.1 课程设设置目的机电一体化系系统设计课课程设计是大大学生在完成成机电一体体化系统设计计等专业课课学习后,进进行综合性实实践性教学环环节，总的目目的是在老师师的指导下,使学生通过过课程设计,对所学课程程理论知识进进行一次系统统的回顾检查查复习和提高高,并运用所所学理论,通通过调研,设设计一个机电电控制方面的的课题,受到到从理论到实实践应用的综综合训练，培培养学生独立立运用所学理理论解决具体体问题的能力力,具体有以以下几点：1）通过检索查查阅运用有关关手册、标准准及参考资料料，培养起学学生检索查阅阅资料、使用用资料的方法法和能力。 2）通过回顾查查阅课程理论论知识、运用用所学的基础础课,专业技术术课和专业课课知识，培养养学生根据实实际问题正确确设计总体方方案, 分析析具体问题、进进行工程设计计的能力。课程设计将机电电专业课程的的相关内容有有机结合起来来，学生受到到完整的设计计训练过程，使学生掌握机电工程设计的基本方法，提高其分析和解决实际工程问题的能力，培养学生的整体观念，并将整个课程内容有机而系统地结合起来。通过拟定的设计方案、结构方案到结合生产和使用条件，独立完成精密机构部件的设计，全面考虑设计内容及过程，熟悉和运用设计资料，如国家及行业标准、设计规范等，加深对机电一体化系统设计的认识。1.2课程设计计要求1、综合地考虑虑使用、经济济、工艺等方方面的设计要要求，确定合合理设计方案案；2、通过分析比比较吸取现有有结构中的优优点，并在此此基础上发挥挥自己的创造造性；3、仔细计算和和认真作图，力力求设计图纸纸和计算说明明书达到实际际生产水平。1.3课程设计计注意事项1、设计开始之之前应认真研研究题目，明明确设计要求求，参阅相关关资料；2、设计方案确确定后，将确确定的结构方方案用A4的的图纸绘制成成正式的设计计图纸；3、按规定编制制课程设计计算算说明书，将将设计计算说说明书和图纸纸交老师查阅阅；4、认真做好准准备进行答辩辩。2课程设计说明明书的内容编写课程设计说说明书是学生生对课程设计的总总结，主要内内容包括：课程设计题目（包包括设计条件件和要求），设计与运动动方案的确定定，系统框图的的分析、机械运动分析析，动力分析析及传动设计计计算、电气执行元元件的选用说说明及计算，画出程序框框图，写出自自编程序，对对机械和电气气其它部分（如如传感器反馈馈、测量等）的的说明，表格列出必必要的计算式式和计算结果果，绘出主要要的曲线对结结果进行分析析和讨论列出出主要的参考考资料并编号号等。课程设计说明书书简明扼要，文文理通顺，内内容完整，由由于要求学生生对所进行的的设计能系统统明确的表达达，说明书一一般不少于110页。2.1课程设计计题目简易数控X-YY工作台机电电系统的设计2.2.设计参参数内容及要要求设计一个数控XX-Y工作台台及其控制系系统。该工作作台可用于铣铣床上坐标孔孔的加工和腊腊摸、塑料、铝铝合金零件的的二维曲线加加工，重复定定位精度为0.01mmm，定位精精度为0.0025mm。设计参数如下：负载重量GG=150NN；台面尺寸寸CBH145mm160mm12mm；底座外形尺尺寸C1B1H1210mm220mm140mmm；最大长度度L=3888mm；工作作台加工范围围X=55mm，Y=50mm；工作台最大大快移速度为为1m/miin。2.3 提交材材料整理课程设计说说明书，准备备答辩。3 课程设计说说明书要求课程设计说明书书是项目设计计的理论依据据，是设计计计算的整理和和总结，是审审核设计的技技术文件之一一，编写设计计计算说明是是课程设计的的一个重要组组成部分，它它按次序包括以以下几个方面面内容：1）目录（标题题及页次）；2）摘要与前言言3）课程设计的的目的及意义义4）课程设计的的要求5）课程设计的的内容6）课程设计总总体方案的设设计7）机械传动部部分设计计算算8）步进电动机机的选择计算算9）系统硬件接接口电路设计计10系统软件件件电路设计11）个人总结结与结论12）结束语与与致谢13）参考文献献4设计计算说明明书封面为便于统一整理理和保存，设设计计算说明明书采用A44纸撰写，字字体为宋体小小四。规定设设计计算说明明书的封面如如图（1） 机电一体体化系统设计计课程设计计 说 明 书 设计题题目 设 计计 者 考 生生 号 班 级 指导老老师 完成时时间 江江西冶金职业业技术学院机机电工程系 图15考核方式考核方式详见机机电一体化系系统设计考考核要求。6课程设计参考考书1 郑学坚坚,周斌.微微型计算机原原理及应用.清华大学出出版社,200032 李广弟,朱月秀，王秀秀山.单片机机基础.北京航航空航天大学学出版社,2200133 房小翠翠.单片微型计计算机与机电电接口技术.国防工业出版版社,200024 王小明. 电动机的单单片机控制. 北京航空空航天大学出出版社,200025 李建建勇.机电一体化化技术.科学学出版社.2200466 王爱玲玲，白恩远，赵赵学良.现代数控机机床.国防工业出版版社,200017 徐灏.机械设计手手册（3）.机械工业出版版社,200038 张建民.机电一体化化系统设计.北京理工出出版社,200499 徐灏等等.机械设计计手册M.北京:机机械工业出版版社,2000010 濮良贵 ,记名刚.机械设计M.北京京:高等教育育出版社,22003111 吴振振彪.机电综综合设计指导导M.湛湛江:湛江海海洋大学,11999112.杨入入清.现代机机械设计系系统与结构M.上海海:上海科学学技术文献出出版社,20000133.张立勋勋,孟庆鑫,张今瑜.机机电一体化系系统设计MM.哈尔滨滨:哈尔滨工工程大学出版版社,20000不要写机电一体化系系统设计课课程设计 说 明 书 设计题目：简易易铣床X-Y工工作台机电系统的设设计 设 计 者： 考 生 号号： 班 级： 指导老师： 完成时间： 江西冶金职业业技术学院机机电工程系目录一、总体方案设设计 二、机械系统设设计 三步进电动机的的选择设计四、控制系统软软件设计五、总结 六、参考文献 一、总体方案设设计1.1 设计任任务设计一个数控XX-Y工作台台及其控制系系统。该工作作台可用于铣铣床上坐标孔孔的加工和腊腊摸、塑料、铝铝合金零件的的二维曲线加加工，重复定定位精度为0.01mmm，定位精精度为0.0025mm。设计参数如下：负载重量GG=150NN；台面尺寸寸CBH145mm160mm12mm；底座外形尺尺寸C1B1H1210mm220mm140mmm；最大长度度L=3888mm；工作作台加工范围围X=55mm，Y=50mm；工作台最大大快移速度为为1m/miin。1.2 总体方方案确定（1）系统的运运动方式与伺伺服系统由于工件在移动动的过程中没没有进行切削削，故应用点点位控制系统统。定位方式式采用增量坐坐标控制。为为了简化结构构，降低成本本，采用步进进电机开环伺伺服系统驱动动X-Y工作作台。（2）计算机系系统本设计采用了与与MCS-551系列兼容容的AT899S51单片片机控制系统统。它的主要要特点是集成成度高，可靠靠性好，功能能强，速度快快，有较高的的性价比。控制系统由微机机部分、键盘盘、LED、II/O接口、光光电偶合电路路、步进电机机、电磁铁功功率放大器电电路等组成。系系统的加工程程序和控制命命令通过键盘盘操作实现。LLED显示数数控工作台的的状态。（3）X-Y工工作台的传动动方式为保证一定的传传动精度和平平稳性，又要要求结构紧凑凑，所以选用用丝杠螺母传传动副。为提提高传动刚度度和消除间隙隙，采用预加加负荷的结构构。由于工作台的运运动载荷不大大，因此采用有预预加载荷的双双V形滚珠导导轨。采用滚滚珠导轨可减减少两个相对对运动面的动动、静摩擦系系数之差，从从而提高运动动平稳性，减减小振动。考虑电机步距角角和丝杆导程程只能按标准准选取，为达达到分辨率的的要求，需采采用齿轮降速速传动。 图图1-1 系统总体体框图二、机械系统设设计设 计 计计 算 与 说 明主要结果2.1、工作台台外形尺寸及及重量估算X向拖板（上拖拖板）尺寸：长宽高 14516050重量：按重量=体积材料比重估估算NY向拖板（下拖拖板）尺寸： 重量：约90NN。上导轨座（连电电机）重量：夹具及工件重量量：约1500N 。X-Y工作台运运动部分的总总重量：约2287N。2.2、滚动导导轨的参数确确定、导轨型式：圆形截面滚滚珠导轨、导轨长度上导轨（X向向）取动导轨长度 动导轨行程 支承导轨长度 下导轨（Y向向） 选择导轨的型号号：GTA116 、直线滚动轴轴承的选型上导轨下导轨由于本系统负载载相对较小，查查表后得出LLM10UUUOP型直线线滚动轴承的的额定动载荷荷为370NN，大于实际际动负载；但但考虑到经济济性等因素最最后选择LMM16UUOOP型直线滚滚动轴承。并并采用双排两两列4个直线线滚动轴承来来实现滑动平平台的支撑。、滚动导轨刚刚度及预紧方方法 当工作台往复移移动时，工作作台压在两端端滚动体上的的压力会发生生变化，受力力大的滚动体体变形大，受受力小的滚动动体变形小。当当导轨在位置置时，两端滚滚动体受力相相等，工作台台保持水平；当导轨移动动到位置或时，两端滚滚动体受力不不相等，变形形不一致，使使工作台倾斜斜角，由此此造成误差。此此外，滚动体体支承工作台台，若工作台台刚度差，则则在自重和载载荷作用下产产生弹性变形形，会使工作作台下凹（有有时还可能出出现波浪形），影影响导轨的精精度。 2.3、滚珠丝丝杠的设计计计算滚珠丝杠的负荷荷包括铣削力力及运动部件件的重量所引起的进进给抗力。应应按铣削时的的情况计算。、最大动负载载Q的计算查表得系数，寿寿命值查表得使用寿命命时间T=115000hh，初选丝杠杠螺距t=44mm，得丝丝杠转速所以 mmX向丝杠牵引力力 Y向丝杠牵引力力所以最大动负荷荷X向 Y向 查表，取滚珠丝丝杠公称直径径 ，选用滚滚珠丝杠螺母母副 的型型号为 SSFK10004，其额定定动载荷为3390N，足足够用。、滚珠丝杠螺螺母副几何参参数计算螺纹滚道:公称称直径=100mm 螺距=44mm,接触触角=,钢球直径径=2mm 螺纹滚道道法面半径mmm 偏心距 螺纹升角角螺杆：螺杆外径径mm 螺螺杆内径mmm 螺螺杆接触直径径mm螺母：螺母螺纹纹外径mm 螺母内内径（外循环环）mm、传动效率计计算式中：摩擦擦角；丝杠螺纹纹升角。、刚度验算滚珠丝杠受工作作负载P引起起的导程的变变化量Y向所受牵引力力大，故应用用Y向参数计计算 所以 丝杠因受扭矩而而引起的导程程变化量很小小，可以忽略略。所以导程总误差差查表知E级精度度的丝杠允许许误差，故刚刚度足够。、稳定性验算算由于丝杠两端采采用止推轴承承，故不需要要稳定性验算算。三、步进电机的的选用3.1、步进电电机的步距角角取系统脉冲当量量，初选步进进电机步距角角。3.2步进电机机启动力矩的的计算设步进电机等效效负载力矩为为T，负载力力为P，根据据能量守恒原原理，电机所所做的功与负负载力做功有有如下关系式中： 电电机转角； 移动部件件的相应位移移； 机械传动动效率。若取 ，则，且且，所以式中： 移移动部件负载载（N）；GG移动部件件重量（N）； 与重量方方向一致的作作用在移动部部件上的负载载力（N）； 导轨摩擦擦系数；步进电机步步距角，（rrad）；TT电机轴负负载力矩（）本例中，取（淬淬火钢滚珠导导轨的摩擦系系数），为丝杠牵引引力，。考虑虑到重力影响响，Y向电机机负载较大，因因此取，所以以若不考虑启动时时运动部件惯惯性的影响，则则启动力矩取安全系数为00.3，则 对于工作方式为为三相六拍的的三相步进电电机 3.3步进电机机的最高工作作频率查表选用两个445BF0005-型步进电机机3.4确定齿轮轮传动比因步进电机步距距角，滚珠丝丝杠螺距 ，要要实现脉冲当当量，在传动动系统中应加加一对齿轮降降速传动。齿齿轮传动比选 ， 。3.5确定齿轮轮模数及有关关尺寸因传递的扭距较较小，取模数数，齿轮有关关尺寸见表33-3。3.6步进电机机惯性负载的的计算根据等效转动惯惯量的计算公公式，得式中： 折算到电机机轴上的惯性性负载（）； 步进电机机转轴的转动动惯量（）；齿轮 的转动惯量量（）；齿轮 的转动惯量量（）；滚珠丝杠杠的转动惯量量（）；M移动部件件质量（）。对材料为钢的圆圆柱零件转动动惯量可按下下式估算式中：D圆圆柱零件直径径（cm）；L零件长度度（cm）。所以电机轴转动惯量量很小，可以以忽略，则因为，所以惯性性匹配比较符符合要求。L=225mmmPx=3.399NPy=4.066N=0.01mmm/stepp=45i=0.6Tq=4.422N.kmJd=0.4kkg.m2四、控制系统硬硬件设计X-Y工作台控控制系统硬件件主要包括CCPU、传动动驱动、传感感器、人机交交互界面。硬件系统设计时时，应注意几几点：电机运运转平稳、响响应性能好、造造价低、可维维护性、人机机交互界面可可操作性比较较好。4.1 CPPU板4.1.1 CPU的选选择随着微电子技术术水平的不断断提高，单片片微型计算机机有了飞跃的的发展。单片片机的型号很很多，而目前前市场上应用用MCS-551芯片及其其派生的兼容容芯片比较多多，如目前应应用最广的88位单片机889C51，价价格低廉，而而性能优良，功功能强大。在一些复杂的系系统中就不得得不考虑使用用16位单片片机，MCSS-96系列列单片机广泛泛应用于伺服服系统，变频频调速等各类类要求实时处处理的控制系系统，它具有有较强的运算算和扩展能力力。但是定位位合理的单片片机可以节约约资源，获得得较高的性价价比。从要设计的系统统来看，选用用较老的80051单片机机需要拓展程程序存储器和和数据存储器器，无疑提高高了设计价格格，而选用高高性能的166位MCS-96又显得得过于浪费。生生产基于511为内核的单单片机的厂家家有Inteel、ATMMEL、Siimens，其其中在CMOOS器件生产产领域ATMMEL公司的的工艺和封装装技术一直处处于领先地位位。ATMEEL公司的AAT89系列列单片机内含含Flashh存储器，在在程序开发过过程中可以十十分容易的进进行程序修改改，同时掉电电也不影响信信息的保存；它和80CC51插座兼兼容，并且采采用静态时钟钟方式可以节节省电能。因此硬件CPUU选用AT889S51，AAT表示ATTMEL公司司的产品，99表示内含FFlash存存储器，S表表示含有串行行下载Flaash存储器器。AT89S511的性能参数数为：Flaash存储器器容量为4KKB、16位位定时器2个个、中断源66个（看门狗狗中断、接收收发送中断、外外部中断0、外外部中断1、定定时器0和定定时器1中断断）、RAMM为128BB、14位的的计数器WDDT、I/OO口共有322个。4.1.2 CPU接口口设计CPU接口部分分包括传感器器部分、传动动驱动部分、人人机交互界面面三部分。示示意图如下所所示：（行程开关）前向通道传动驱动（电磁铁）（步进电机）人机界面传感器AT89S51（键盘、LED）后向通道 图图3-1 CPU外部部接口示意图图P1.0-P1.2驱动1X步进电机驱动2Y步进电机P1.3-P1.5P1.6驱动3P3.2外部中断1P3.3外部中断2P0.0-P0.7AD0AD7P2.7CEP2.6IO/MPB 口PA口PC口AT89S51键盘电磁铁8155 图3-2 AT889S51控控制系统图4.2 驱动动系统传动驱动部分包包括步进电机机的驱动和电电磁铁的驱动动，步进电机机须满足快速速急停、定位位和退刀时能能快速运行、工工作时能带动动工作台并克克服外力（如如切削力、摩摩擦力）并以以指令的速度度运行。在定定位和退刀时时电磁铁吸合合使绘笔抬起起，绘图时能能及时释放磁磁力使笔尖压压下。4.2.1 步进电机驱驱动电路和工工作原理步进电机的速度度控制比较容容易实现，而而且不需要反反馈电路。设设计时的脉冲冲当量为0.01mm，步步进电机每走走一步，工作作台直线行进进0.01mmm。步进电机驱动电电路中采用了了光电偶合器器，它具有较较强的抗干扰扰性，而且具具有保护CPPU的作用，当当功放电路出出现故障时，不不会将大的电电压加在CPPU上使其烧烧坏。图3-4 步进电机驱驱动电路图该电路中的功放放电路是一个个单电压功率率放大电路，当当A相得电时时，电动机转转动一步。电电路中与绕组组并联的二极极管D起到续续流作用，即即在功放管截截止是，使储储存在绕组中中的能量通过过二极管形成成续流回路泄泄放，从而保保护功放管。与与绕组W串联联的电阻为限限流电阻，限限制通过绕组组的电流不至至超过额定值值，以免电动动机发热厉害害被烧坏。由于步进电机采采用的是三相相六拍的工作作方式（三个个线圈A、BB、C），其其正转的通电电顺序为：AA-AB-BB-BC-CC-CA-AA，其反转的的通电顺序为为：A-ACC-C-CBB-B-BAA-A。步进时钟A相波形B相波形C相波形图3-5 三相六拍工作方式时相电压波形（正转）4.2.2 电电磁铁驱动电电路 该驱动动电路也采用用了光电偶合合器，但其功功放电路相对对简单。其光光电偶合部分分采用的是达达林顿管，因因为驱动电磁磁铁的电流比比较大。图3-6 电磁铁驱动电路4.2.3 电源设计两电机同时工作作再加上控制制系统用电，所所需电源容量量比较大，需需要选择大容容量电源。此此系统中用到到的电源电压压为27V、112V、5VV，为了便于于管理和电源源容量需求，就就采用了标准准的27V电电源作为基准准，通过芯片片进行电压转转换得到所需需的12V和和5V电压。4.3 X轴轴电机点动正正转程序流程程图X+EN： CLRR PP1.6 MMOV A，PA MMOV DPTR，AA MMOVX A，DPPTR JJNB ACC.0，LOOOP2MOTOR0： MOV DIRRX，#011H AACALL XMOTTOR0 MMOV A，PCC MMOV DPTRR，A MMOV A，DDPTR JJNB ACCC.0，MOOTOR0LOOP2： AJMMP LLOOP1这是X轴电机点点动正转的程程序，其他的的X轴电机点点动反转、YY轴电机点动动正转、Y轴轴电机点动反反转依次类推推。五、总结本次课程设计是是综合大学所所有学科的一一次练习，是是最大的一次次课程设计。这这次课程设计计跨越机械和和电气两大学学科。在设计计时要联系机机械部分和电电气控制部分分作为一个有有机的整体来来考虑，本次次设计是一个个机械和电气气有机组合的的系统是一个个整体。如果果单方面考虑虑其中一项必必定是做不出出来的。这次课程设计时时我又一次亲亲手设计东西西，与以前单单纯的机械设设计不一样，有有了更多的收收获，体会也也很多。在这这次设计中我我也学会了很很多新东西，包包括一些软件件的应用。当当然最重要的的是学到了基基于运动控制制卡的几点一一体化系统设设计的一些基基本方法。加加深了对机械械系统设计的的理解，初步步了解了一些些常用工业控控制元器件和和掌握它们的的使用方法。知知道了设计一一个机电一体体化的系统需需要考虑到哪哪些方面，做做个部分设计计时应该先哪哪里后哪里的的先后顺序，让让我在以后的的设计中会有有一个清晰地地思路，而避避免走太多弯弯路。这次设设计中那我了了解了运动控控制卡、驱动动器、步进电电机的基本特特性、使用方方法，以及它它们之间所需需要的匹配关关系。通过这次课程设设计我深刻的的感到了理论论和时间之间间巨大的差别别及其之间的的联系。平时时理论知识学学的很好，但但是在课程设设计中并不能能得心应手，会会遇到很多不不能解决的实实际问题，这这就需要加强强实践能力，一一个同学的知知识变成多个个同学的知识识，多个同学学的知识变成成一个同学的的知识，这样样才能互相促促进、相互提提高。另外，理理论与实践也也存在必然的的联系，在老老师的帮助下下才能使课程程设计最终成成功。在这里特别感谢谢老师对我们们的悉心指导导，正是应为为有了你梦的的指导和帮助助，我的设计计才能进行并并顺利结束。六、参考文献1 郑学坚坚,周斌.微微型计算机原原理及应用.清华大学出出版社,200032 李广弟,朱月秀，王王秀山.单片片机基础.北京航航空航天大学学出版社,2200133 房小翠翠.单片微型计计算机与机电电接口技术.国防工业出版版社,200024 王小明. 电动机的单单片机控制. 北京航空空航天大学出出版社,200025 李建建勇.机电一体化化技术.科学学出版社.2200466 王爱玲玲，白恩远，赵赵学良.现代数控机机床.国防工业出版社社,200117 徐灏灏.机械设计手手册（3）.机械工业出版版社,200038 张建民.机电一体化化系统设计.北京理工出出版社,200499 徐灏等等.机械设计计手册M.北京:机机械工业出版版社,2000010 濮良贵 ,记名刚.机械设计M.北京京:高等教育育出版社,22003111 吴振振彪.机电综综合设计指导导M.湛湛江:湛江海海洋大学,11999112.杨入入清.现代机机械设计系系统与结构M.上海海:上海科学学技术文献出出版社,20000133.张立勋勋,孟庆鑫,张今瑜.机机电一体化系系统设计MM.哈尔滨滨:哈尔滨工工程大学出版版社,20000