專業(yè)課程設(shè)計-機電一體化系統(tǒng)設(shè)計-2014模板

工程學(xué)院本科生專業(yè)課程設(shè)計說明書（機電一體化系統(tǒng)設(shè)計）題 目： 數(shù)控銑床X-Y工作臺設(shè)計 專業(yè)班級： 機械11X 組別：第 Y 組成 員： 指導(dǎo)教師： 趙大旭 職稱： 講師 年 月 日目 錄設(shè)計任務(wù)書11 系統(tǒng)總體設(shè)計21.1總體性能要求與整體方案21.2各系統(tǒng)方案確定21.2.1機械傳動系統(tǒng)方案21.2.2控制系統(tǒng)總體方案31.3課程設(shè)計主要內(nèi)容安排32 機械系統(tǒng)設(shè)計42.1工作臺外形尺寸及重量估算42.2滾動導(dǎo)軌的參數(shù)確定42.3 滾珠絲杠的設(shè)計計算52.4 步進電機的選用52.5 齒輪傳動系統(tǒng)設(shè)計計算52.6 步進電機慣性負(fù)載的計算53 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計73.1微機系統(tǒng)選擇73.1.1單片機選型73.1.2電氣接口73.2電機驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計83.2.1步進電機工作原理與驅(qū)動電路83.2.2電磁鐵驅(qū)動電路93.2.3電源電路93.2.4傳感器與人機界面94 程序設(shè)計104.1總體方案104.2程序流程圖104.2.1程序結(jié)構(gòu)104.2.2程序模塊104.2.3 XX子程序104.2.4 XX子程序104.3程序代碼104.3.1子程序1104.3.2子程序2105 設(shè)計總結(jié)115.1結(jié)論115.2心得體會115.3成員分工11參考文獻12附錄清單13設(shè)計任務(wù)書題目：X-Y數(shù)控工作臺機電系統(tǒng)設(shè)計設(shè)計任務(wù)：設(shè)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(shè)計：通過計算正確選擇傳動機構(gòu)、導(dǎo)向機構(gòu)、執(zhí)行機構(gòu)、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(shè)計：根據(jù)系統(tǒng)要求，選擇正確控制策略，設(shè)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(shè)計：在機械系統(tǒng)與控制系統(tǒng)設(shè)計基礎(chǔ)上，開發(fā)控制主程序，列出程序清單；4、設(shè)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(dāng)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(wù)：1、系統(tǒng)功能介紹，總體方案設(shè)計（1天）（1）機電一體化設(shè)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(shè)計任務(wù)落實（1天）3、詳細(xì)設(shè)計（8天）（1）機械系統(tǒng)裝配圖設(shè)計；（2）控制系統(tǒng)原理圖設(shè)計；（3）控制主程序設(shè)計。1 系統(tǒng)總體設(shè)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(shè)計用于銑床數(shù)控化改造，其結(jié)構(gòu)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(shù)的簡單的應(yīng)用。本設(shè)計充分的利用了機電一體化系統(tǒng)思想，結(jié)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?？傮w結(jié)構(gòu)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(dāng)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(yīng)快、運轉(zhuǎn)平穩(wěn)、壽命長、效率高、預(yù)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(dǎo)軌副的選用要設(shè)計數(shù)控銑床工作臺，需要承受的載荷不大，而且脈沖當(dāng)量小，定位精度高，因此選用直線滾動導(dǎo)軌副，它具有摩擦系數(shù)小，不易爬行，傳動效率高，結(jié)構(gòu)緊，安裝預(yù)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(wù)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(fù)載和電網(wǎng)的影響而失步，決定采用開環(huán)控制，任務(wù)書初選的脈沖當(dāng)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(shè)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(dāng)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(yīng)有消間隙機構(gòu)，如果要選用減速裝置，則應(yīng)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(shè)計的X-Y工作臺準(zhǔn)備用在數(shù)控銑床上，其控制系統(tǒng)應(yīng)該具有輪廓控制，兩坐標(biāo)直線插補與圓弧插補的基本功能，所以控制系統(tǒng)設(shè)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(wù)書給定的相關(guān)指標(biāo)。（3）要設(shè)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(shè)計主要內(nèi)容安排第一章 總體設(shè)計。根據(jù)任務(wù)書明確課程設(shè)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(shè)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(shè)計計算，滾珠絲杠計算選擇等。第三章 控制系統(tǒng)硬件設(shè)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(shè)計。控制程序編寫。第五章 對全文工作做了總結(jié)和對今后應(yīng)當(dāng)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(shè)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NY向拖板（下拖板）尺寸： 重量：約90N。上導(dǎo)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(dǎo)軌的參數(shù)確定導(dǎo)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(dǎo)軌形式的主要有：滑動導(dǎo)軌，滾動導(dǎo)軌，靜壓導(dǎo)軌三類。滑動導(dǎo)軌主要有：金屬對金屬，金屬對塑料，后者的化學(xué)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(dǎo)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(yīng)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(dǎo)軌1滾動導(dǎo)軌的技術(shù)要求兩導(dǎo)軌面見的不平行度不小于3m導(dǎo)軌平面度不小于5m滾動體的直徑差一般機床全部滾動體為2m。每組滾動體為1m；精密機床全部滾動體為1m，每組滾動體為0，5m。滾柱的錐度：0，5-1m。表面粗糙度：普通機床，磨削不抵于0，40（m），精密機床磨削不抵于0，20（m）滾動導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)形式按滾動體種類分，可有以下幾種；滾珠導(dǎo)軌。這種導(dǎo)軌的承載能力小，剛度低。導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)軌對安裝的偏斜較為靈敏，易引起側(cè)移和側(cè)向滑動從而使導(dǎo)軌磨損加快或者降低精度。滾針導(dǎo)軌。這種導(dǎo)軌的特點是尺寸小，結(jié)構(gòu)緊湊。合適導(dǎo)軌受限的機床。動導(dǎo)軌的支承，在數(shù)控機床上使用的滾動導(dǎo)軌有兩種形式；滾動滑塊式滾柱導(dǎo)軌和組裝式直線滾針導(dǎo)軌。靜壓導(dǎo)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(dǎo)軌的運動不受負(fù)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?？拐裥院茫怀休d能力大；摩擦發(fā)熱小，導(dǎo)軌的溫升小。它的結(jié)構(gòu)形式有開式和閉式兩種。2.3 滾珠絲杠的設(shè)計計算滾珠絲杠的負(fù)荷包括銑削力及運動部件的重量所引起的進給抗力。應(yīng)按銑削時的情況計算。（1）最大動負(fù)載Q的計算2.4 步進電機的選用滾珠絲杠的負(fù)荷包括銑削力及運動部件的重量所引起的進給抗力。應(yīng)按銑削時的情況計算。（1）最大動負(fù)載Q的計算2.5 齒輪傳動系統(tǒng)設(shè)計計算因步進電機步距角，滾珠絲杠螺距 ，要實現(xiàn)脈沖當(dāng)量，在傳動系統(tǒng)中應(yīng)加一對齒輪降速傳動。齒輪傳動比選 ，2.6 步進電機慣性負(fù)載的計算因步進電機步距角表2-3 齒輪尺寸 1728171914.55 283025.5517.5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(fù)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(shè)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(shè)計時，應(yīng)注意幾點：電機運轉(zhuǎn)平穩(wěn)、響應(yīng)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(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(yīng)用MCS-51芯片及其派生的兼容芯片比較多，如目前應(yīng)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(fù)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(yīng)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(guān)）前向通道傳動驅(qū)動（電磁鐵）（步進電機）人機界面?zhèn)鞲衅鰽T89S51（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(wù)：（1）將行程開關(guān)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(yīng)指令，將當(dāng)前行程開關(guān)狀態(tài)和鍵盤狀態(tài)反應(yīng)到LED上，實現(xiàn)人機交互作用。由于AT89S51只有P1口和P3口是準(zhǔn)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(guān)的狀態(tài)并觸發(fā)中斷；INT1讀入點動、復(fù)位、圓弧插補開關(guān)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(shè)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(shè)計時的脈沖當(dāng)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(dāng)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(dāng)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(biāo)準(zhǔn)的27V電源作為基準(zhǔn)，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(yīng)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(guān)。這里行程開關(guān)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(guān)就充當(dāng)了傳感器。4 程序設(shè)計4.1總體方案 4.2程序流程圖4.2.1程序結(jié)構(gòu) 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14.3.2子程序25 設(shè)計總結(jié)5.1結(jié)論 5.2心得體會5.3成員分工參考文獻1 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Robot milkmaids to become a commercial reality JIndustrial robot,1999,26(2):1121147 張建民，機械一體化系統(tǒng)設(shè)計.高等教育出版社.8 任燁.基于機器視覺設(shè)施農(nóng)業(yè)內(nèi)移栽機器人的研究D.浙江:浙江大學(xué).2007,6.9 方建軍.移動式采摘機器人研究現(xiàn)狀與進J.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,2004,10 湯修映,張鐵中.果蔬收獲機器人研究綜述J.機器人, 200511 王建軍，武秋俊.機器人在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用J.農(nóng)機化研究,2007(7):17417612 田素博.國內(nèi)外農(nóng)業(yè)機器人的研究進展J.農(nóng)業(yè)機械化與電氣化，2007（2）:35.13 張鐵中,魏劍濤.蔬菜嫁接機器人視覺系統(tǒng)的研究(I)J.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報,1999,4（4）:4547.14 李牧，陸懷民，方紅根，郭秀榮.我國農(nóng)林機器人的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢J.森林工程, 2003,19(5):3941.附錄清單1機械本體裝配圖2控制系統(tǒng)電路圖3控制程序源代碼附錄1、工程圖紙14