課程設計---簡易數(shù)控x-y工作臺機電系統(tǒng)的設計

1、<p>　　《機電一體化系統(tǒng)設計》</p><p><b>　　課程設計任務書</b></p><p><b>　　目 錄</b></p><p>　　1課程設置目的、課程設計要求及注意事項……………………</p><p>　　1.1課程設置目的…………………………………………………

2、…</p><p>　　1.2課程設計要求……………………………………………………</p><p>　　1.3課程設計注意事項………………………………………………</p><p>　　2課程設計題目……………………………………………………</p><p>　　2.1課程設計題目……………………………………………………</p>&

3、lt;p>　　2.2 設計參數(shù)內(nèi)容及要求……………………………………………</p><p>　　2.3 提交材料…………………………………………………………</p><p>　　3課程設計說明書要求……………………………………………</p><p>　　4設計計算說明書封面……………………………………………</p><p>　　5考核方

4、式…………………………………………………………</p><p>　　6參考資料…………………………………………………………</p><p>　　1 課程設置目的、課程設計要求及注意事項</p><p>　　1.1 課程設置目的</p><p>　　《機電一體化系統(tǒng)設計》課程設計是大學生在完成《機電一體化系統(tǒng)設計》等專業(yè)課學習后,進行綜合性

5、實踐性教學環(huán)節(jié)，總的目的是在老師的指導下,使學生通過課程設計,對所學課程理論知識進行一次系統(tǒng)的回顧檢查復習和提高,并運用所學理論,通過調(diào)研,設計一個機電控制方面的課題,受到從理論到實踐應用的綜合訓練，培養(yǎng)學生獨立運用所學理論解決具體問題的能力,具體有以下幾點：</p><p>　　1）通過檢索查閱運用有關(guān)手冊、標準及參考資料，培養(yǎng)起學生檢索查閱資料、使用資料的方法和能力。 2）通過回顧查閱課程理論知識、運用所學的

6、基礎課,專業(yè)技術(shù)課和專業(yè)課知識，培養(yǎng)學生根據(jù)實際問題正確設計總體方案, 分析具體問題、進行工程設計的能力。</p><p>　　課程設計將機電專業(yè)課程的相關(guān)內(nèi)容有機結(jié)合起來，學生受到完整的設計訓練過程，使學生掌握機電工程設計的基本方法，提高其分析和解決實際工程問題的能力，培養(yǎng)學生的整體觀念，并將整個課程內(nèi)容有機而系統(tǒng)地結(jié)合起來。通過擬定的設計方案、結(jié)構(gòu)方案到結(jié)合生產(chǎn)和使用條件，獨立完成精密機構(gòu)部件的設計，全面考慮

7、設計內(nèi)容及過程，熟悉和運用設計資料，如國家及行業(yè)標準、設計規(guī)范等，加深對機電一體化系統(tǒng)設計的認識。</p><p><b>　　1.2課程設計要求</b></p><p>　　1、綜合地考慮使用、經(jīng)濟、工藝等方面的設計要求，確定合理設計方案；</p><p>　　2、通過分析比較吸取現(xiàn)有結(jié)構(gòu)中的優(yōu)點，并在此基礎上發(fā)揮自己的創(chuàng)造性；</p&

8、gt;<p>　　3、仔細計算和認真作圖，力求設計圖紙和計算說明書達到實際生產(chǎn)水平。</p><p>　　1.3課程設計注意事項</p><p>　　1、設計開始之前應認真研究題目，明確設計要求，參閱相關(guān)資料；</p><p>　　2、設計方案確定后，將確定的結(jié)構(gòu)方案用A4的圖紙繪制成正式的設計圖紙；</p><p>　　3、按

9、規(guī)定編制課程設計計算說明書，將設計計算說明書和圖紙交老師查閱；</p><p>　　4、認真做好準備進行答辯。</p><p>　　2課程設計說明書的內(nèi)容</p><p>　　編寫課程設計說明書是學生對課程設計的總結(jié)，主要內(nèi)容包括：</p><p>　　課程設計題目（包括設計條件和要求），設計與運動方案的確定，系統(tǒng)框圖的分析、機械運動分析，動

10、力分析及傳動設計計算、電氣執(zhí)行元件的選用說明及計算，畫出程序框圖，寫出自編程序，對機械和電氣其它部分（如傳感器反饋、測量等）的說明，表格列出必要的計算式和計算結(jié)果，繪出主要的曲線對結(jié)果進行分析和討論列出主要的參考資料并編號等。</p><p>　　課程設計說明書簡明扼要，文理通順，內(nèi)容完整，由于要求學生對所進行的設計能系統(tǒng)明確的表達，說明書一般不少于10頁。</p><p><b&g

11、t;　　2.1課程設計題目</b></p><p>　　簡易數(shù)控X-Y工作臺機電系統(tǒng)的設計</p><p>　　2.2.設計參數(shù)內(nèi)容及要求</p><p>　　設計一個數(shù)控X-Y工作臺及其控制系統(tǒng)。該工作臺可用于銑床上坐標孔的加工和臘摸、塑料、鋁合金零件的二維曲線加工，重復定位精度為±0.01mm，定位精度為0.025mm。</p>

12、<p>　　設計參數(shù)如下：負載重量G=150N；臺面尺寸C×B×H＝145mm×160mm×12mm；底座外形尺寸C1×B1×H1＝210mm×220mm×140mm；最大長度L=388mm；工作臺加工范圍X=55mm，Y=50mm；工作臺最大快移速度為1m/min。</p><p><b>　　2.3 提交材

13、料</b></p><p>　　整理課程設計說明書，準備答辯。 </p><p>　　3 課程設計說明書要求</p><p>　　課程設計說明書是項目設計的理論依據(jù)，是設計計算的整理和總結(jié)，是審核設計的技術(shù)文件之一，編寫設計計算說明是課程設計的一個重要組成部分，它按次序包括以下幾個方面內(nèi)容：</p><p>　　1）目錄

14、（標題及頁次）；</p><p><b>　　2）摘要與前言</b></p><p>　　3）課程設計的目的及意義</p><p><b>　　4）課程設計的要求</b></p><p><b>　　5）課程設計的內(nèi)容</b></p><p>　　6）課

15、程設計總體方案的設計</p><p>　　7）機械傳動部分設計計算</p><p>　　8）步進電動機的選擇計算</p><p>　　9）系統(tǒng)硬件接口電路設計</p><p>　　10系統(tǒng)軟件件電路設計</p><p>　　11）個人總結(jié)與結(jié)論</p><p><b>　　12）結(jié)束語

16、與致謝</b></p><p><b>　　13）參考文獻</b></p><p>　　4設計計算說明書封面</p><p>　　為便于統(tǒng)一整理和保存，設計計算說明書采用A4紙撰寫，字體為宋體小四。規(guī)定設計計算說明書的封面如圖（1）</p><p>　　《機電一體化系統(tǒng)設計》課程設計</p>&

17、lt;p>　　說 明 書</p><p>　　設計題目＿＿＿＿＿＿＿</p><p>　　設 計 者＿＿＿＿＿＿＿</p><p>　　考 生 號＿＿＿＿＿＿＿</p><p>　　班 級＿＿＿＿＿＿＿</p><p>　　指導老師＿＿＿＿＿＿＿</p><p>　　完成

18、時間＿＿＿＿＿＿＿</p><p>　　江西冶金職業(yè)技術(shù)學院機電工程系</p><p><b>　　圖1</b></p><p><b>　　5考核方式</b></p><p>　　考核方式詳見《機電一體化系統(tǒng)設計》考核要求。</p><p><b>　　6課程設計

19、參考書</b></p><p>　　[1] 鄭學堅,周斌.微型計算機原理及應用.清華大學出版社,2003[2] 李廣弟,朱月秀，王秀山.單片機基礎.北京航空航天大學出版社,2001[3] 房小翠.單片微型計算機與機電接口技術(shù).國防工業(yè)出版社,2002[4] 王小明. 電動機的單片機控制. 北京航空航天大學出版社,2002[5] 李建勇.機電一體化技術(shù).科學出版社.2004[6] 王愛玲，白恩

20、遠，趙學良.現(xiàn)代數(shù)控機床.國防工業(yè)出版社,2001[7] 徐灝.機械設計手冊（3）.機械工業(yè)出版社,2003[8] 張建民.機電一體化系統(tǒng)設計.北京理工出版社,2004[9] 徐灝等.機械設計手冊[M].北京:機械工業(yè)出版社,2000[10] 濮良貴 ,記名剛.機械設計[M].北京:高等教育出版社,2003[11] 吳振彪.機電綜合設計指導[M].湛江:湛江海洋大學,1999[12].楊入清.現(xiàn)代機械設計—系統(tǒng)與結(jié)構(gòu)[M].

21、上海:上海科學技術(shù)文獻出版社,2000[13].張立勛,孟慶鑫,張今瑜.機電一體化系統(tǒng)設計[M].哈爾濱:哈爾濱工程大學出版社,2000</p><p><b>　　不要寫</b></p><p>　　《機電一體化系統(tǒng)設計》課程設計</p><p>　　說 明 書</p><p>　　設計題目：簡易銑床X-

22、Y工作臺機電系統(tǒng)的設計</p><p>　　設 計 者：＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿</p><p>　　考 生 號： ＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿</p><p>　　班 級：＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿</p><p>　　指導老師：＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿</p><p>　　完成時間：＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿<

23、/p><p>　　江西冶金職業(yè)技術(shù)學院機電工程系</p><p><b>　　目錄</b></p><p>　　一、總體方案設計…………………………………………………… </p><p>　　二、機械系統(tǒng)設計…………………………………………………………………… </p><p>　　三步進電動機的選

24、擇設計……………………………………………………………</p><p>　　四、控制系統(tǒng)軟件設計……………………………………………………………</p><p>　　五、總結(jié)…………………………………………………………………… </p><p>　　六、參考文獻……………………………………………………………………… </p><p>

25、;<b>　　一、總體方案設計</b></p><p><b>　　1.1 設計任務</b></p><p>　　設計一個數(shù)控X-Y工作臺及其控制系統(tǒng)。該工作臺可用于銑床上坐標孔的加工和臘摸、塑料、鋁合金零件的二維曲線加工，重復定位精度為±0.01mm，定位精度為0.025mm。</p><p>　　設計參數(shù)如下

26、：負載重量G=150N；臺面尺寸C×B×H＝145mm×160mm×12mm；底座外形尺寸C1×B1×H1＝210mm×220mm×140mm；最大長度L=388mm；工作臺加工范圍X=55mm，Y=50mm；工作臺最大快移速度為1m/min。</p><p>　　1.2 總體方案確定</p><p>　?。?

27、）系統(tǒng)的運動方式與伺服系統(tǒng)</p><p>　　由于工件在移動的過程中沒有進行切削，故應用點位控制系統(tǒng)。定位方式采用增量坐標控制。為了簡化結(jié)構(gòu)，降低成本，采用步進電機開環(huán)伺服系統(tǒng)驅(qū)動X-Y工作臺。</p><p><b>　?。?）計算機系統(tǒng)</b></p><p>　　本設計采用了與MCS-51系列兼容的AT89S51單片機控制系統(tǒng)。它的主要

28、特點是集成度高，可靠性好，功能強，速度快，有較高的性價比。</p><p>　　控制系統(tǒng)由微機部分、鍵盤、LED、I/O接口、光電偶合電路、步進電機、電磁鐵功率放大器電路等組成。系統(tǒng)的加工程序和控制命令通過鍵盤操作實現(xiàn)。LED顯示數(shù)控工作臺的狀態(tài)。</p><p>　　（3）X-Y工作臺的傳動方式</p><p>　　為保證一定的傳動精度和平穩(wěn)性，又要求結(jié)構(gòu)緊湊，所

29、以選用絲杠螺母傳動副。為提高傳動剛度和消除間隙，采用預加負荷的結(jié)構(gòu)。</p><p>　　由于工作臺的運動載荷不大，因此采用有預加載荷的雙V形滾珠導軌。采用滾珠導軌可減少兩個相對運動面的動、靜摩擦系數(shù)之差，從而提高運動平穩(wěn)性，減小振動。</p><p>　　考慮電機步距角和絲桿導程只能按標準選取，為達到分辨率的要求，需采用齒輪降速傳動。</p><p>　　圖1-1

30、 系統(tǒng)總體框圖</p><p><b>　　二、機械系統(tǒng)設計</b></p><p>　　四、控制系統(tǒng)硬件設計</p><p>　　X-Y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。</p><p>　　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

31、比較好。</p><p><b>　　4.1 CPU板</b></p><p>　　4.1.1 CPU的選擇</p><p>　　隨著微電子技術(shù)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。<

32、;/p><p>　　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。</p><p>　　從要設計的系統(tǒng)來看，選用較老的8051單片機需要拓展程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器，無疑提高了設計價格，而選用高性能的16位MCS-96又顯得過于浪費。生

33、產(chǎn)基于51為內(nèi)核的單片機的廠家有Intel、ATMEL、Simens，其中在CMOS器件生產(chǎn)領域ATMEL公司的工藝和封裝技術(shù)一直處于領先地位。ATMEL公司的AT89系列單片機內(nèi)含F(xiàn)lash存儲器，在程序開發(fā)過程中可以十分容易的進行程序修改，同時掉電也不影響信息的保存；它和80C51插座兼容，并且采用靜態(tài)時鐘方式可以節(jié)省電能。</p><p>　　因此硬件CPU選用AT89S51，AT表示ATMEL公司的產(chǎn)品，

34、9表示內(nèi)含F(xiàn)lash存儲器，S表示含有串行下載Flash存儲器。</p><p>　　AT89S51的性能參數(shù)為：Flash存儲器容量為4KB、16位定時器2個、中斷源6個（看門狗中斷、接收發(fā)送中斷、外部中斷0、外部中斷1、定時器0和定時器1中斷）、RAM為128B、14位的計數(shù)器WDT、I/O口共有32個。</p><p>　　4.1.2 CPU接口設計</p><

35、p>　　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：</p><p>　　圖3-1 CPU外部接口示意圖</p><p>　　圖3-2 AT89S51控制系統(tǒng)圖</p><p><b>　　4.2 驅(qū)動系統(tǒng)</b></p><p>　　傳動驅(qū)動部分包括步進電機的驅(qū)動和電磁

36、鐵的驅(qū)動，步進電機須滿足快速急停、定位和退刀時能快速運行、工作時能帶動工作臺并克服外力（如切削力、摩擦力）并以指令的速度運行。在定位和退刀時電磁鐵吸合使繪筆抬起，繪圖時能及時釋放磁力使筆尖壓下。</p><p>　　4.2.1 步進電機驅(qū)動電路和工作原理</p><p>　　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

37、進0.01mm。</p><p>　　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。</p><p>　　圖3-4 步進電機驅(qū)動電路圖</p><p>　　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

38、，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。</p><p>　　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。</p><p>　　4.

39、2.2 電磁鐵驅(qū)動電路</p><p>　　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。</p><p>　　4.2.3 電源設計</p><p>　　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

40、，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。</p><p>　　4.3 X軸電機點動正轉(zhuǎn)程序流程圖</p><p>　　X+EN： CLR P1.6</p><p>　　MOV A，PA</p><p>　　MOV DPTR，A</p><p>　　MOV

41、X A，@DPTR</p><p>　　JNB ACC.0，LOOP2</p><p>　　MOTOR0： MOV DIRX，#01H</p><p>　　ACALL XMOTOR0</p><p>　　MOV A，PC</p><p>　　MOV DPTR，A</p><

42、p>　　MOV A，@DPTR</p><p>　　JNB ACC.0，MOTOR0</p><p>　　LOOP2： AJMP LOOP1</p><p>　　這是X軸電機點動正轉(zhuǎn)的程序，其他的X軸電機點動反轉(zhuǎn)、Y軸電機點動正轉(zhuǎn)、Y軸電機點動反轉(zhuǎn)依次類推。</p><p><b>　　五、總結(jié)</

43、b></p><p>　　本次課程設計是綜合大學所有學科的一次練習，是最大的一次課程設計。這次課程設計跨越機械和電氣兩大學科。在設計時要聯(lián)系機械部分和電氣控制部分作為一個有機的整體來考慮，本次設計是一個機械和電氣有機組合的系統(tǒng)是一個整體。如果單方面考慮其中一項必定是做不出來的。</p><p>　　這次課程設計時我又一次親手設計東西，與以前單純的機械設計不一樣，有了更多的收獲，體會也

44、很多。在這次設計中我也學會了很多新東西，包括一些軟件的應用。當然最重要的是學到了基于運動控制卡的幾點一體化系統(tǒng)設計的一些基本方法。加深了對機械系統(tǒng)設計的理解，初步了解了一些常用工業(yè)控制元器件和掌握它們的使用方法。知道了設計一個機電一體化的系統(tǒng)需要考慮到哪些方面，做個部分設計時應該先哪里后哪里的先后順序，讓我在以后的設計中會有一個清晰地思路，而避免走太多彎路。這次設計中那我了解了運動控制卡、驅(qū)動器、步進電機的基本特性、使用方法，以及它們之

45、間所需要的匹配關(guān)系。</p><p>　　通過這次課程設計我深刻的感到了理論和時間之間巨大的差別及其之間的聯(lián)系。平時理論知識學的很好，但是在課程設計中并不能得心應手，會遇到很多不能解決的實際問題，這就需要加強實踐能力，一個同學的知識變成多個同學的知識，多個同學的知識變成一個同學的知識，這樣才能互相促進、相互提高。另外，理論與實踐也存在必然的聯(lián)系，在老師的幫助下才能使課程設計最終成功。</p><

46、;p>　　在這里特別感謝老師對我們的悉心指導，正是應為有了你夢的指導和幫助，我的設計才能進行并順利結(jié)束。</p><p><b>　　六、參考文獻</b></p><p>　　[1] 鄭學堅,周斌.微型計算機原理及應用.清華大學出版社,2003[2] 李廣弟,朱月秀，王秀山.單片機基礎.北京航空航天大學出版社,2001[3] 房小翠.單片微型計算機與機電接口

47、技術(shù).國防工業(yè)出版社,2002[4] 王小明. 電動機的單片機控制. 北京航空航天大學出版社,2002[5] 李建勇.機電一體化技術(shù).科學出版社.2004[6] 王愛玲，白恩遠，趙學良.現(xiàn)代數(shù)控機床.國防工業(yè)出版社,2001[7] 徐灝.機械設計手冊（3）.機械工業(yè)出版社,2003[8] 張建民.機電一體化系統(tǒng)設計.北京理工出版社,2004[9] 徐灝等.機械設計手冊[M].北京:機械工業(yè)出版社,2000[10] 濮良貴