机电一体化课程设计

设计项目： 二自由度机械运动平台与控制 指导老师： 李 斌，杨 林 设计人员： 廖 华 伢 学 号： 07490204 校核人员： 廖 华 伢 完成时间： 2009年12月30日 设计单位：重庆交通大学机电学院机械电子二班

《综合课程设计》 指 导 书

目录

一、 课程设计的目的 (3)

二、 课程设计的内容 (3)

1数控装置总体方案的确定 (3)

1.1系统运动方式与伺服系统 (4)

1.2控制系统 (4)

1.3X—Y工作台的传动方式 (4)

2 机械系统设计 (5)

2.1滚珠丝杠的计算和设计 (5)

3控制系统的设计 (15)

3.1控制系统的设计内容 (15)

3.2控制系统的设计步骤 (15)

3.3 存储器扩展电路的设计 (16)

3.4步进电机驱动电路设计 (20)

3.5其它辅助电路设计 (22)

4 控制系统硬件电路设计 (23)

5 控制系统的软件设计 (25)

5.1 控制系统软件的主要内容 (25)

5.2 软件具体设计 (25)

三、 课程设计的总结 (33)

四、 课程设计参考文献 (34)

五、 机械装配图和电气原理图 (34)

一、 课程设计的目的

《综合课程设计》是培养学生设计能力的重要实践性教学环节之一，是综合运用所学过的机械、电子、自动控制、计算机等知识进行的基本设计训练。其目的是：

1、能够正确运用《机电系统设计》课程的基本理论和相关知识，掌握机电一体化系统（产品）的功能构成、特点和设计思想、设计方法，了解设计方案的拟定、比较、分析和计算，培养学生分析问题和解决问题的能力，使学生具有机电一体化系统设计的初步能力；

2、通过机械部分设计，掌握机电一体化系统典型机械零部件和执行元件的计算、选型和结构设计方法和步骤；

3、通过测试及控制系统方案设计，掌握机电一体化系统控制系统的硬件组成、工作原理，和软件编程思想；

4、通过课程设计提高学生应用手册、标准及编写技术说明书的能力，促进学生在科学态度、创新精神、专业技能等方面综合素质的提高。

二、课程设计的内容 1 数控装置总体方案的确定

根据设计要求，采用的是单片机控制的步进电机驱动的多用XY 工作台。控制精度为±0.01mm ；而且采用是滚珠丝杠传动，其使用寿命为T=15000h ；X 方向的有效行程是mm 600L x =，最大进给速度为

min 1000mm V Xmax =；Y 方向的有效行程是mm 400L y =，最大进给速度

为min 1000mm V Ymax =；承受工作载荷为N 2000F Z =，能承受中等冲击。具体系统的运动方式和设备的选型如下： 1.1 系统运动方式与伺服系统

采用连续控制系统。考虑到运动精度要求不高，行程较短，为简化机械结构，降低设备成本，而且系统的负载不大，故采用步进电机开环伺服系统作为驱动元件，这样还可使维修容易。具体步进电机的选型参考步进电机的选型和设计。 1.2 控制系统

采用MCS-51系列中的8051单片机扩展控制系统。MCS-51单片机的主要特点是集成度高，可靠性好，功能强，速度快，性价比高。控制系统由微机部分、键盘及显示器、I/O 接口及光电隔离电路、步进功率放大电路等组成。系统的工作程序和控制命令通过键盘操作实现。显示器采用数码管显示加工数据和工作状态等信息。 1.3 X—Y 工作台的传动方式

为保证一定的传动精度和平稳性以及结构的紧凑，采用滚珠丝杠螺母传动副。为提高传动刚度和消除间隙，采用有预加载荷的结构。

由于工作台的运动部件重量和工作载荷不大，故选用滚动直线导轨副，从而减小工作台的摩擦系数，提高运动平稳性。

在设计的同时，需要考虑缩短传动链。因为缩短传动链可以提高系统的传动刚度，减少传动误差。

考虑电机步距角和丝杠导程只能按标准选取，为达到分辨率的要求，以及考虑步进电机负载匹配，采用齿轮减速传动。

图1 系统总体框图

2 机械系统的设计

机械系统设计内容包括：确定系统脉冲当量，运动部件惯性的计算，选择步进电机，传动及导向元件的设计、计算与选择，绘制机械部分装配图等。

2.1 滚珠丝杠的计算和设计

（1）确定系统脉冲当量

脉冲当量p δ是用来表示步进电机每接受一个脉冲使对应的执行部件移动的距离，单位为mm/脉冲。考虑到机械传动系统存在误差，因此p δ应小于等于工作台的位置精度，由于定位精度为mm 01.0 ，一般选脉冲/mm 005.0~01.0，因此在本课题设计中选脉冲当量为允许范围内的值为脉冲/01.0mm 。

（2）工作台外形尺寸及重量初步估算

根据给定的有效行程，画出工作台简图，估算X 向和Y 向作台承载重量x W 和y W ；

取X 向导轨支撑钢球的中心距为620mm，Y 向导轨支撑钢球的中心距为420mm，设计工作简图如下：

图2 工作台简图

X 向拖板（上拖板）尺寸为：

50130200⨯⨯=⨯⨯高宽长

X 向拖板重量：材料比重体积总重量⨯=，则估算为：

N W X 4.101108.7105013020023=⨯⨯⨯⨯⨯=--

Y 向拖板（上拖板）尺寸为：

50300420⨯⨯=⨯⨯高宽长

Y 向拖板重量：材料比重体积总重量⨯=，则估算为：

N W y 4.491108.7105030042023=⨯⨯⨯⨯⨯=--

上导轨（含电机）重量估算为：

N 34.314108.710503562021030062023=⨯⨯⨯⨯⨯⨯+⨯⨯--）（

夹具及工件重量约为155N。 则Y X -工作台运动部分总重量为：

N W 14.90734.3144.4914.101=++=

（3）滚动导轨副的计算和选择