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機電專業(yè)課程設計說明書
設計題目：二坐標數(shù)控工作臺設計
學 院：
班 級：
設 計 者：
指導老師：
完成日期：
學 校：
目錄
一、機電專業(yè)課程設計目的…………………………………………………3
二、總體方案設計…………………………………………………………… 3
三、機械系統(tǒng)設計…………………………………………………………… 4
1、計工作臺外形尺寸及重量估算………………………………………………4
2、電動機滾動導軌的參數(shù)確定…………………………………………………5
3、滾珠絲杠的設計計算 ………………………………………………………5
4、步進電機的選用………………………………………………………………7
5、確定聯(lián)軸器的型號……………………………………………………………11
四、繪制裝配圖…………………………………………………………………11
五、電氣原理圖設計……………………………………………………………12
1、功率單片機的選擇…………………………………………………………12
2、外部程序存儲器的擴展……………………………………………………12
3、外部數(shù)據(jù)存儲器的擴展 ……………………………………………………13
4、I/O口擴展電路……………………………………………………………13
5、顯示器接口設計……………………………………………………………13
6、鍵盤接口電路設計…………………………………………………………13
7、步進電機的接口電路設計…………………………………………………13
8、其他…………………………………………………………………………14
六、參考文獻……………………………………………………………………14
一、機電專業(yè)課程設計目的
本課程設計是學生在完成專業(yè)課程學習后，所進行的機電一體化設備設計的綜合性訓練。通過該環(huán)節(jié)達到下列目的：（1）鞏固和加深專業(yè)課所學的理論知識；（2）培養(yǎng)理論聯(lián)系實際，解決工程技術問題的動手能力；（3）進行機電一體化設備設計的基本功訓練，包括以下10方面基本功：1）查閱文獻資料；2)分析與選擇設計方案；3）機械結構設計；4）電氣控制原理設計；5）機電綜合分析；6）繪工程圖；7）運動計算和精度計算；9）撰寫設計說明書；10）貫徹設計標準。
二、總體方案設計
2.1 設計任務
（1）題目：二坐標數(shù)控工作臺設計。
（2）設計內容及要求：
1）工作臺總裝圖一張（0號）
2）控制電氣圖一張（1號）
3）設計說明書一份（10-20頁）
4）具體設計參數(shù)如下：
臺面尺寸： 行程X：120；Y:120
定位精度：
典型工藝參數(shù)：臺面速度 X: ，Y：；
進給抗力 X: 75N； Y: 100N；
工作物重：8。
2.2 總體方案確定
（1）系統(tǒng)的運動方式與伺服系統(tǒng)
由于工件在移動的過程中受到負載力較小，為了簡化結構，降低成本，采用步進電機開環(huán)伺服系統(tǒng)驅動X-Y工作臺。
（2）計算機系統(tǒng)
本設計采用了與MCS-51系列的8031單片機控制系統(tǒng)。它的主要特點是集成度高，可靠性好，功能強，速度快，有較高的性價比，且易擴展。
MCS-51的程序存儲器空間為64K字節(jié)。對于片內無ROM的單片機8031，需進行程序存儲器的擴展。本控制系統(tǒng)由由8031型單片機、數(shù)據(jù)鎖存器74LS373、存儲器EPROM2764、RAM6264、地址譯碼器74LS138、并行I/O接口8255等集成電路構成
（3）X-Y工作臺的傳動方式
為保證一定的傳動精度和平穩(wěn)性，又要求結構緊湊，所以選用絲杠螺母傳動副。為提高傳動剛度和消除間隙，采用預加負荷的結構。
由于工作臺的運動載荷不大，因此采用直線滾珠導軌。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。
考慮電機步距角和絲桿導程只能按標準選取，為達到分辨率和結構簡單的要求，盡可能使傳動比為1。
三、機械系統(tǒng)設計
3.1、工作臺外形尺寸及重量估算
由臺面尺寸為250×200，查課程設計指導書表3-23，估計取工作臺厚度30mm，則重量：按重量=體積×材料比重估算
X向拖板（上拖板）：估計上絲桿長度，由，余程查表5-4取20mm，則絲桿長度約為400。電動機約2kg，托板和導軌合估計為
工作物重為8kgX10N/Kg=80N
則X-Y工作臺運動部分的總重量：約333N。
3.2、滾動導軌的參數(shù)確定
⑴、導軌型式：直線滾動導軌
⑵、導軌長度
①X向導軌（上）
取動導軌長度 mm
動導軌行程 mm
余程約為 mm
支承導軌長度 mm
計算四滑塊的載荷，工作臺重量333N，假設重物處于臺中央，然后擴大載荷2倍。
擴大后204N。
計算需要的動載荷 ，
查長方資料得： ，，，，。
代入數(shù)據(jù)得，由資料3-20取滾動導軌型號為：LY15AL，額定動載荷為605N，滿足要求。
② Y向導軌（下）
mm mm mm
mm
取值330mm
計算四滑塊的載荷，總重量333N，假設重物處于臺中央，然后擴大載荷2倍。
擴大后216.5N。
計算需要的動載荷 ，查長方資料得：，，，，。代入數(shù)據(jù)得，由資料3-20取滾動導軌型號為：LY15AL，額定動載荷為605N，滿足要求。
3.3、滾珠絲杠的設計計算
①X絲杠（上）
由表5-3，初選滾珠絲杠的基本導程為5mm。
根據(jù)式（3-1） 其中，為絲杠有效行程，為絲杠螺紋全長，余程，根據(jù)表5-4，取余程20mm，則=375mm。
滾珠絲杠副的計算軸向動載荷為
其中 ,
取滾動導軌的摩擦系數(shù)為（淬火鋼滾珠導軌的摩擦系數(shù)）
查表：，，，，，，，
代入數(shù)據(jù)，得,查閱工廠資料，取第2個,其額定動載荷為8451N,足夠用。
②Y絲杠（下）
由表5-3，初選滾珠絲杠的基本導程為5mm。
根據(jù)式（3-1） 其中，為絲杠有效行程，為絲杠螺紋全長，余程，根據(jù)表5-4，取余程20mm。
則=310mm。
滾珠絲杠副的計算軸向動載荷為
其中 ,
取滾動導軌的摩擦系數(shù)為0.03.
查表：，，，，，，，
代入數(shù)據(jù)，得,查閱工廠資料，取第2個,其額定動載荷為8451N,足夠用。
3.4、 步進電機的選用
①Y電機（下）
⑴、脈沖當量選擇
初選五相電機，按五相十拍工作時，步距角，由于要求平臺定位精度： ，取定位精度的（）。初定脈沖當量，中間齒輪傳動比為
，
（2）、等效轉動慣量計算
滾珠絲杠轉動慣量（不計傳動效率）
Y以上平臺和工作物重總重折算到軸上的轉動慣量
因此，折算到電機軸上的等效轉動慣量
。
（3） 、等效負載轉矩計算(以下均為折算到電機軸的轉矩）
由式（4-7）-（4-9）可知：
—滾珠絲杠未預緊時的傳動效率,取0.90
上式中 為絲杠預緊時的傳動效率，取0.8，
為預緊力，
取
取啟動加速時間
查表，初選電動機型號75BF006,矩頻特性如下圖所示
最大靜轉矩
轉動慣量 , =1500Hz.
故
從上可知，最大 滿足要求。
（4) 步進電機動態(tài)特性校驗
說明慣量可以匹配。
電機帶慣量最大啟動頻率
大于，所以與對應的最大靜轉矩校核，顯然滿足要求。
綜上所述，可選該型號的步進電機，具有一定的裕量。
①X電機（上）
⑴、脈沖當量選擇
初選五相電機，按五相十拍工作時，步距角，由于要求平臺定位精度： ，取定位精度的（）。初定脈沖當量，中間齒輪傳動比為
，
（2）、等效轉動慣量計算
滾珠絲杠轉動慣量（不計傳動效率）
Y以上平臺和工作物重總重折算到軸上的轉動慣量
因此，折算到電機軸上的等效轉動慣量
。
（4） 、等效負載轉矩計算(以下均為折算到電機軸的轉矩）
由式（4-7）-（4-9）可知：
—滾珠絲杠未預緊時的傳動效率,取0.90
上式中 為絲杠預緊時的傳動效率，取0.8，
為預緊力，
取
取啟動加速時間
查表，初選電動機型號75BF006,矩頻特性如下圖所示
最大靜轉矩
轉動慣量 , =1500Hz.
故
從上可知， 最大， 滿足所需的轉矩要求。
（5) 步進電機動態(tài)特性校驗
說明慣量可以匹配。
電機帶慣量最大啟動頻率
大于，所以與對應的最大靜轉矩校核，顯然滿足要求。
綜上所述，可選該型號的步進電機，具有一定的裕量。
3.5、確定聯(lián)軸器的型號
由于數(shù)控平臺有沖擊，且電動機工作時經(jīng)常變速，故選用撓性聯(lián)軸器。查閱參考書表10-43
選用A23型聯(lián)軸器。
計算聯(lián)軸器的轉矩：
由估算功率摩擦力作用很小，可忽略：
小于聯(lián)軸器的允許轉矩，且工作速度遠小于允許最高轉速25000.故滿足要求。
四、繪制裝配圖
1.標注裝配圖尺寸、配合與精度等級。包括特性尺寸、最大體形尺寸、安裝尺寸和主要零件的配合尺寸。
2.寫出工作臺的技術特征。
3.編寫技術要求。
4.對所有零件進行編號。
5.列出零件明細表及標題欄。
6檢查裝配圖。
五、電氣原理圖設計
典型數(shù)控工作臺電氣原理圖的說明
1.典型數(shù)控工作臺電氣原理圖的說明
單片機是把微型計算機的主要部分都集成在一個芯片上的單芯片微型計算機,因而可以把它看成是一個不帶外部設備的微型計算機。不同系列的單片機共同的特點是：控制功能強；體積小；功耗低；成本低。
由于上述優(yōu)越性能，單片機已在工業(yè)、民用、軍用等工業(yè)控制領域得到廣泛應用，特別是隨著數(shù)字技術的發(fā)展，它在很大程度上改變了傳統(tǒng)的設計方法。在軟件和擴展接口支持下，單片機可以代替以往由模擬和數(shù)字電路實現(xiàn)的系統(tǒng)。
如電氣原理圖所示的就是通過單片機及其外圍接口實現(xiàn)的二坐標數(shù)控工作臺電氣原理圖。它由8031型單片機、數(shù)據(jù)鎖存器74LS373、存儲器EPROM2764、RAM6264、地址譯碼器74LS138、并行I/O接口8255等集成電路構成。下面分別說明它們在整個控制部分中的功能、用法及其選擇原則。
1）單片機的選擇
設計單片機應用系統(tǒng)，首先要設計其核心的單片機系統(tǒng)。從一開始就有一個單片機芯片選型問題。面對不同字長，如4位、8位、16位，各具特色的單片機芯片如何進行選擇。首先要滿足所設計系統(tǒng)的功能和性能要求；其次要選擇價格較低的芯片，不要盲目追求過多功能和過高性能；另外要選擇那些在國內有成熟的開發(fā)系統(tǒng)和穩(wěn)定的供貨來源。如采用流行普遍使用的芯片，資料豐富，能有效地縮短開發(fā)周期。
本課程設計目的是設計一種經(jīng)濟型的二坐標數(shù)控工作臺，其功能比較簡單，成本低。因而這里選用MCS-51系列的8031單片機作為CPU，它具有良好的性能價格比，且易擴展。
2）外部程序存儲器的擴展
MCS-51的程序存儲器空間為64K字節(jié)。對于片內無ROM的單片機（如8031），或當單片機內部程序存儲器容量不夠時，進行程序存儲器的擴展是必不可缺的。半導體存儲器EPROM、EEPROM、ROM等在原理上都可用作單片機的外部程序存儲器。由于EPROM價格低廉，性能可靠，所以單片機外部擴展的程序存儲器一般為EPROM芯片（紫外線可擦除、電可編程的只讀存儲器），掉電后信息不會丟失。在選擇外部程序存儲器電路時，應注意電路的讀取時間能否與MCS-51的PESN信號匹配。其片選端接地。
由于本設計程序容量不大，因而選用2764作為外部程序存儲器。
3）外部數(shù)據(jù)存儲器的擴展
對大多數(shù)控制性應用場合，MCS-51系列單片機內部RAM已能滿足系統(tǒng)對數(shù)據(jù)存儲的要求。對需要較大容量數(shù)據(jù)緩沖器的應用系統(tǒng)，就需要在單片機的外部擴展數(shù)據(jù)存儲器。
在電氣原理圖中根據(jù)設計功能要求選用一片6264作為外部數(shù)據(jù)存儲器。圖中其高5位地址線A8～A12由8031的P2.0~P2.4口線提供，低8位地址線A0~A7接地址鎖存器74LS373輸出端。讀、寫控制信號分別接8031的RD、WE。其片選信號通過地址譯碼法進行選通。
4）I/O口擴展電路
本課程設計因采用步進電機作為驅動裝置。為了降低成本，特采用可編程外圍并行接口芯片8255。使其不僅完成驅動步進電機的功能，同時完成與鍵盤/顯示器的接口操作功能。
5）顯示器接口設計
電氣原理圖中，由10片共陽極LED顯示塊拼成10位LED顯示器。為了簡化硬件電路，采用動態(tài)顯示方式。即所有位的段選線相應地并聯(lián)在一起，由8031的P1.0~P1.7口來控制LED顯示器的段碼，而各位的位選線分別由相應的I/O口線控制。即PC0~PC7、PB6~PB7共10個I/O口線控制，實現(xiàn)各位的分時選通。為了保證各位LED能夠顯示出本位相應的顯示字符，而不出現(xiàn)閃爍，導致人眼看不清，必須根據(jù)人眼視覺暫留現(xiàn)象，選擇一個合適的掃描頻率。圖中選用74LS07進行同相驅動。
6）鍵盤接口電路設計
鍵盤實質上是一組按鍵開關的集合。電氣原理圖中采用矩陣式鍵盤接口，鍵盤接口電路通過8255（U5）的PA0~PA3和PC0~PC7、PB6~PB7構成行、列線。按照逐行逐列地檢查鍵盤狀態(tài)（即掃描）來確定閉合鍵的位置。
7）步進電機的接口電路設計
對于本課程設計中選用的步進電機，為五相，無論它工作在什么方式，都需要五路控制電路，并且每一路對應于步進電機的一相。而每一路控制電路的結構是一樣的。
電氣原理圖中通過8255（U5）的PB0~PB4分別控制X方向步進電機的五相。對于Y軸步進電機通過8255（U6）的PC0~PC4分別控制Y方向步進電機的五相。
8）其他
（1）電源 整個系統(tǒng)的供電部分由[3]圖4-11提供。
（2）限位開關及其反饋信號檢測
選擇限位開關時可根據(jù)額定電壓、額定電流、開啟頻率、觸點數(shù)等參數(shù)進行。選擇行程開關，安裝于導軌的兩端。其作用是控制信號的通斷，然后由單片機系統(tǒng)檢測該信號的有無，實現(xiàn)控制電機的換向與否的目的。
原理圖中通過8255（U5）的PA4~PA7口檢測步進電機是否到位，從而采取相應的控制措施。
六、參考文獻：
[1] 濮良貴主編 . 機械設計 . 第七版 . 北京： 高等教育出版社 ， 2001
[2] 吳宗澤主編 . 機械設計課程設計手冊 .第二版 .北京 .高等教育出版社 . 1999
[3] 樓應侯、潘曉彬、鄭堤、崔玉國、胡利永等編 . 機械電子工程專業(yè)課程設計指導書
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