专业课程设计-机电一体化系统设计-2014模板.doc

工程学院本科生
专业课程设计说明书

（机电一体化系统设计）

题 目： 数控铣床X-Y工作台设计
专业班级： 机械11X 组别：第 Y 组
成 员：

指导教师： 赵大旭 职称： 讲师
年 月 日

目 录

设计任务书 1
1 系统总体设计 2
1.1总体性能要求与整体方案 2
1.2各系统方案确定 2
1.2.1机械传动系统方案 2
1.2.2控制系统总体方案 3
1.3课程设计主要内容安排 3
2 机械系统设计 4
2.1工作台外形尺寸及重量估算 4
2.2滚动导轨的参数确定 4
2.3 滚珠丝杠的设计计算 5
2.4 步进电机的选用 5
2.5 齿轮传动系统设计计算 5
2.6 步进电机惯性负载的计算 5
3 控制系统硬件设计 7
3.1微机系统选择 7
3.1.1单片机选型 7
3.1.2电气接口 7
3.2电机驱动系统设计 8
3.2.1步进电机工作原理与驱动电路 8
3.2.2电磁铁驱动电路 9
3.2.3电源电路 9
3.2.4传感器与人机界面 9
4 程序设计 10
4.1总体方案 10
4.2程序流程图 10
4.2.1程序结构 10
4.2.2程序模块 10
4.2.3 XX子程序 10
4.2.4 XX子程序 10
4.3程序代码 10
4.3.1子程序1 10
4.3.2子程序2 10
5 设计总结 11
5.1结论 11
5.2心得体会 11
5.3成员分工 11
参考文献 12
附录清单 13

设计任务书
题目：X-Y数控工作台机电系统设计
设计任务：
设计一个微机控制的立式铣床X-Y工作台，具体内容如下：
1、机械系统设计：通过计算正确选择传动机构、导向机构、执行机构、驱动电机等，并给出计算依据，绘制机械系统装配图；
2、控制系统设计：根据系统要求，选择正确控制策略，设计合理的控制系统，绘制控制系统原理电路图；
3、主程序设计：在机械系统与控制系统设计基础上，开发控制主程序，列出程序清单；
4、设计说明书撰写
系统主要参数：
1、立铣刀最大直径d=20mm；
2、立铣刀齿数Z=3；
3、最大铣削宽度；
4、最大背吃刀量；
5、加工材料为碳素钢；
6、X、Y方向的脉冲当量/脉冲；
7、X、Y方向的定位精度均为；
8、工作台尺寸600mm×700mm,加工范围为350mm×450；
9、工作台空载最快移动速度；
10、工作台进给最快移动速度；
时间安排及任务：
1、系统功能介绍，总体方案设计（1天）
（1）机电一体化设计基本过程介绍；
（2）X-Y工作台功能介绍；
（3）总体方案确定。
2、单元功能模块介绍和设计任务落实（1天）
3、详细设计（8天）
（1）机械系统装配图设计；
（2）控制系统原理图设计；
（3）控制主程序设计。

1 系统总体设计
1.1总体性能要求与整体方案
X-Y数控工作台机电系统被设计用于铣床数控化改造，其结构简单，容易实现。该平台能够在保证一定的精度前提下降低成本，是微机控制技术的简单的应用。本设计充分的利用了机电一体化系统思想，结合机械本体与电气控制系统软硬件于一体，使机床的加工范围扩大，精度和可靠性进一步得到提高。
总体结构如图1-1所示

图1-1 系统总体方案图
1.2各系统方案确定
1.2.1机械传动系统方案
（1）丝杠螺母副的选择
步进电动机的旋转运动需要通过丝杠螺母副转换成直线运动，需要满足初选0.01mm脉冲当量，因为定位精度±0.02mm，对于机械传动要有一定的精度损失，大约是1/3-1/2的定位精度，现取为1/2，即是±0.01mm和±0.02mm的定位精度，滑动丝杠副无法做到，只有选用滚珠丝杆副才能达到要求，滚珠丝杆副的传动精度高、动态响应快、运转平稳、寿命长、效率高、预紧后可消除反向间隙。
同时选用内循环的形式，因为这样摩擦损失小，传动效率高，且径向尺寸结构紧凑，轴向刚度高。由于定位精度不高，故选择的调隙方式是垫片调隙式，这种调隙方式结构简单，刚性好，装卸方便。由于工作台最快的移动速度 ，所需的转速不高，故可以采用一般的安装方法，即一端固定，一端游动的轴承配置形式。
（2）导轨副的选用
要设计数控铣床工作台，需要承受的载荷不大，而且脉冲当量小，定位精度高，因此选用直线滚动导轨副，它具有摩擦系数小，不易爬行，传动效率高，结构紧，安装预紧方便等优点。
（3）伺服电机的选用
选用步进电动机作为伺服电动机后，可选开环控制，也可选闭环控制。任务书所给的精度对于步进电动机来说还是偏低，为了确保电动机在运动过程中不受切削负载和电网的影响而失步，决定采用开环控制，任务书初选的脉冲当量尚未达到0.001mm，定位精度也未达到微米级，空载最快移动速度也只有3000mm/min,故本设计不必采用高档次的伺服电机，因此可以选用混合式步进电机，以降低成本，提高性价比。
（4）减速装置的选用
选择了步进电动机和滚珠丝杆副以后，为了圆整脉冲当量，放大电动机的输出转矩，降低运动部件折算到电动机转轴上的转动惯量，可能需要减速装置，且应有消间隙机构，如果要选用减速装置，则应选用无间隙齿轮传动减速箱。
1.2.2控制系统总体方案
（1）设计的X-Y工作台准备用在数控铣床上，其控制系统应该具有轮廓控制，两坐标直线插补与圆弧插补的基本功能，所以控制系统设计成连续控制型。
（2）对于步进电动机的开环控制系统，选用MCS-51系列的8位单片机AT89S52作为控制系统的CPU，能够满足任务书给定的相关指标。
（3）要设计一台完整的控制系统，在选择CPU之后，还要扩展程序存储器，I/O接口电路，D/A转换电路，串行接口电路等。
（4）选择合适的驱动电源，与步进电动机配套使用。
1.3课程设计主要内容安排
第一章 总体设计。根据任务书明确课程设计内容，确定总体及各子系统方案。
第二章 机械系统设计。工作台外形尺寸及重量估算，电动机选择，机械传动系统设计计算，滚珠丝杠计算选择等。
第三章 控制系统硬件设计。单片机选择，系统扩展硬件系统选择。
第四章 控制系统程序设计。控制程序编写。
第五章 对全文工作做了总结和对今后应当继续深入研究的工作做了展望。
附录 X-Y工作台总装图与控制系统电路图。

2 机械系统设计
2.1工作台外形尺寸及重量估算
X向拖板（上拖板）尺寸：
长宽高 145×160×50
重量：按重量=体积×材料比重估算
N
Y向拖板（下拖板）尺寸：
重量：约90N。
上导轨座（连电机）重量：

夹具及工件重量：约150N 。
X-Y工作台运动部分的总重量：约287N。
2.2滚动导轨的参数确定
导轨是数控机床的重要部件之一，它在很大程度上决定数控机床的刚度，精度与精度保持性。目前的数控机床采用导轨形式的主要有：滑动导轨，滚动导轨，静压导轨三类。
滑动导轨主要有：金属对金属，金属对塑料，后者的化学稳定性好，摩擦系数抵，静摩擦系数小，耐磨损，耐腐蚀，吸振性好，比重小，强度大，加工成型简单，能在任何液体或者无润滑条件下工作，因此较常用。其缺点是：耐热性差，导热率低，须注意散热，刚性也比较差，吸湿性大易影响尺寸的稳定，应选用在水或者油中尺寸稳定且能耐酸和弱碱的塑料。
滚动导轨
1滚动导轨的技术要求
两导轨面见的不平行度不小于3μm
导轨平面度不小于5μm
滚动体的直径差一般机床全部滚动体为2μm。每组滚动体为1μm；精密机床全部滚动体为1μm，每组滚动体为0，5μm。
滚柱的锥度：0，5-1μm。
表面粗糙度：普通机床，磨削不抵于0，40（μm），精密机床磨削不抵于0，20（μm）
滚动导轨的结构形式按滚动体种类分，可有以下几种；
滚珠导轨。这种导轨的承载能力小，刚度低。导轨面上容易出现凹坑，但对加工精度影响不大，其材料一般为淬火钢。
滚柱导轨。它的承载能力比上述的大，适合载荷较大的机床，但滚柱导轨对安装的偏斜较为灵敏，易引起侧移和侧向滑动从而使导轨磨损加快或者降低精度。
滚针导轨。这种导轨的特点是尺寸小，结构紧凑。合适导轨受限的机床。
动导轨的支承，在数控机床上使用的滚动导轨有两种形式；滚动滑块式滚柱导轨和组装式直线滚针导轨。
静压导轨的优点是：工作表面完全处于纯液体摩擦状态下，所以其摩擦系数极低，能使驱动功率降低；导轨的运动不受负载和速度的限制，且低速时运动均匀，不出现爬行现象。使用的寿命小。抗振性好；承载能力大；摩擦发热小，导轨的温升小。它的结构形式有开式和闭式两种。
2.3 滚珠丝杠的设计计算
滚珠丝杠的负荷包括铣削力及运动部件的重量所引起的进给抗力。应按铣削时的情况计算。
（1）最大动负载Q的计算

2.4 步进电机的选用
滚珠丝杠的负荷包括铣削力及运动部件的重量所引起的进给抗力。应按铣削时的情况计算。
（1）最大动负载Q的计算

2.5 齿轮传动系统设计计算
因步进电机步距角，滚珠丝杠螺距 ，要实现脉冲当量，在传动系统中应加一对齿轮降速传动。齿轮传动比

选 ，
2.6 步进电机惯性负载的计算
因步进电机步距角
表2-3 齿轮尺寸

17
28

17

19

14.5

5
28

30

25.5

5

17.5
根据等效转动惯量的计算公式，得

式中： ——折算到电机轴上的惯性负载（）； ——步进电机转轴的转动惯量（）；——齿轮 的转动惯量（）；——齿轮 的转动惯量（）；——滚珠丝杠的转动惯量（）；M——移动部件质量（）。
对材料为钢的圆柱零件转动惯量可按下式估算

式中：D——圆柱零件直径（cm）；L——零件长度（cm）。
所以

电机轴转动惯量很小，可以忽略，则

3 控制系统硬件设计
3.1微机系统选择
X-Y数控工作台控制系统硬件主要包括CPU、传动驱动、传感器、人机交互界面。
硬件系统设计时，应注意几点：电机运转平稳、响应性能好、造价低、可维护性、人机交互界面可操作性比较好。

3.1.1单片机选型
随着微电子技术水平的不断提高，单片微型计算机有了飞跃的发展。单片机的型号很多，而目前市场上应用MCS-51芯片及其派生的兼容芯片比较多，如目前应用最广的8位单片机89C51，价格低廉，而性能优良，功能强大。
在一些复杂的系统中就不得不考虑使用16位单片机，MCS-96系列单片机广泛应用于伺服系统，变频调速等各类要求实时处理的控制系统，它具有较强的运算和扩展能力。但是定位合理的单片机可以节约资源，获得较高的性价比。

3.1.2电气接口
CPU接口部分包括传感器部分、传动驱动部分、人机交互界面三部分。示意图如下所示：（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3-1 CPU外部接口示意图
AT89S51要完成的任务：
（1）将行程开关的状态读入CPU，通过中断进行处理，它的优先级别最高。
（2）通过程序实时控制电机和电磁铁的运行。
（3）接受键盘中断指令，并响应指令，将当前行程开关状态和键盘状态反应到LED上，实现人机交互作用。
由于AT89S51只有P1口和P3口是准双向口，但P3口主要以第二功能为主，并且在系统中要用到第二功能的中断口，因此要进行I/O扩展。考虑到电路的简便性和可实现性，实际中采用内部自带锁存器的8155，所以AT89S51的I/O口线分配如下：
（1）P1.0-P1.5控制X-Y两个方向步进电机的A、B、C线圈通电，形成A-AB-B-BC-C-CA-A三相六拍正转模式和A-AC-C-CB-B-BA-A的反转模式。
（2）P1.6口输出控制电磁铁的吸合。
（3）P3.2和P3.3两个中断源中INT0优先级最高，它读入行程开关的状态并触发中断；INT1读入点动、复位、圆弧插补开关的状态而触发中断。
（4）P0.0-P0.7外部I/O扩展的数据读取。
（5）P2.7和P2.6决定8155的PA、PB、PC口的地址。

3.2电机驱动系统设计
3.2.1步进电机工作原理与驱动电路
步进电机的速度控制比较容易实现，而且不需要反馈电路。设计时的脉冲当量为0.01mm，步进电机每走一步，工作台直线行进0.01mm。
步进电机驱动电路中采用了光电偶合器，它具有较强的抗干扰性，而且具有保护CPU的作用，当功放电路出现故障时，不会将大的电压加在CPU上使其烧坏。

图3-2 步进电机驱动电路图
该电路中的功放电路是一个单电压功率放大电路，当A相得电时，电动机转动一步。电路中与绕组并联的二极管D起到续流作用，即在功放管截止是，使储存在绕组中的能量通过二极管形成续流回路泄放，从而保护功放管。与绕组W串联的电阻为限流电阻，限制通过绕组的电流不至超过额定值，以免电动机发热厉害被烧坏。
由于步进电机采用的是三相六拍的工作方式（三个线圈A、B、C），其正转的通电顺序为：A-AB-B-BC-C-CA-A，其反转的通电顺序为：A-AC-C-CB-B-BA-A。
步进时钟
A相波形
B相波形
C相波形
图3-3 三相六拍工作方式时相电压波形（正转）

3.2.2电磁铁驱动电路
该驱动电路也采用了光电偶合器，但其功放电路相对简单。其光电偶合部分采用的是达林顿管，因为驱动电磁铁的电流比较大。

3.2.3电源电路
两电机同时工作再加上控制系统用电，所需电源容量比较大，需要选择大容量电源。此系统中用到的电源电压为27V、12V、5V，为了便于管理和电源容量需求，就采用了标准的27V电源作为基准，通过芯片进行电压转换得到所需的12V和5V电压。

图3-4 电源转换电路图
电路中在转换芯片的前后有两个电容，前面电容起防止自激作用，后面电容起滤波作用。此外，在具体应用的过程中，LM7805必须加上散热片。

3.2.4传感器与人机界面
由于步进电机不需要反馈电路，但是要注意工作台不能超过最大行程。因此，必须在X、Y轴的方向各加上两个行程开关。这里行程开关作用有两个：（1）防止工作台超过最大行程，使电机损坏（2）可以用与定位。所以这4个行程开关就充当了传感器。

4 程序设计
4.1总体方案

4.2程序流程图
4.2.1程序结构

4.2.2程序模块

4.2.3 XX子程序

4.2.4 XX子程序

4.3程序代码
4.3.1子程序1

4.3.2子程序2

5 设计总结
5.1结论

5.2心得体会

5.3成员分工

参考文献
[1] 秦爱中.基于ZMP双足的步行机器人布态规划研究[D].西北工业大学，2003
[2] 杨家军．机械系统创新设计[M]．武汉：华中理工大学出版社，2000．
[3] 杨平，廉仲．机械电子工程设计[M]．北京：国防工业出版社，2001．
[4] 吴宗泽.机械设计[M]．北京：高等教育出版社，2001
[5]　Ceres R，Pons FL，Jimenez A R．Design and imp1ementat ion of an aided fruit-harvesting Robot[J]．Industria1 Robot,1998,25(5)：337—346．
[6] Spencer S. Robot milkmaids to become a commercial reality [J]．Industrial robot,1999,26(2):112～114．

[7] 张建民，机械一体化系统设计.高等教育出版社.
[8] 任烨.基于机器视觉设施农业内移栽机器人的研究[D].浙江:浙江大学.2007,6.
[9] 方建军.移动式采摘机器人研究现状与进[J].农业工程学报,2004,
[10] 汤修映,张铁中.果蔬收获机器人研究综述[J].机器人, 2005
[11] 王建军，武秋俊.机器人在农业中的应用[J].农机化研究,2007(7):
174～176．
[12] 田素博.国内外农业机器人的研究进展[J].农业机械化与电气化，2007（2）:3～5.
[13] 张铁中,魏剑涛.蔬菜嫁接机器人视觉系统的研究(I)[J].中国农业大学学报,1999,4（4）:45～47.
[14] 李牧，陆怀民，方红根，郭秀荣.我国农林机器人的研究现状及发展趋势[J].森林工程, 2003,19(5):39～41.

附录清单
1机械本体装配图
2控制系统电路图
3控制程序源代码

附录
1、工程图纸

其中专业理论知识内容包括：保安理论知识、消防业务知识、职业道德、法律常识、保安礼仪、救护知识。作技能训练内容包括：岗位操作指引、勤务技能、消防技能、军事技能。
二．培训的及要求培训目的
安全生产目标责任书
为了进一步落实安全生产责任制，做到“责、权、利”相结合，根据我公司2015年度安全生产目标的内容，现与财务部签订如下安全生产目标：
一、目标值：
1、全年人身死亡事故为零，重伤事故为零，轻伤人数为零。
2、现金安全保管，不发生盗窃事故。
3、每月足额提取安全生产费用，保障安全生产投入资金的到位。
4、安全培训合格率为100%。
二、本单位安全工作上必须做到以下内容：
1、对本单位的安全生产负直接领导责任，必须模范遵守公司的各项安全管理制度，不发布与公司安全管理制度相抵触的指令，严格履行本人的安全职责，确保安全责任制在本单位全面落实，并全力支持安全工作。
2、保证公司各项安全管理制度和管理办法在本单位内全面实施，并自觉接受公司安全部门的监督和管理。
3、在确保安全的前提下组织生产，始终把安全工作放在首位，当“安全与交货期、质量”发生矛盾时，坚持安全第一的原则。
4、参加生产碰头会时，首先汇报本单位的安全生产情况和安全问题落实情况；在安排本单位生产任务时，必须安排安全工作内容，并写入记录。
5、在公司及政府的安全检查中杜绝各类违章现象。
6、组织本部门积极参加安全检查，做到有检查、有整改，记录全。
7、以身作则，不违章指挥、不违章操作。对发现的各类违章现象负有查禁的责任，同时要予以查处。
8、虚心接受员工提出的问题，杜绝不接受或盲目指挥；
9、发生事故，应立即报告主管领导，按照“四不放过”的原则召开事故分析会，提出整改措施和对责任者的处理意见，并填写事故登记表，严禁隐瞒不报或降低对责任者的处罚标准。
10、必须按规定对单位员工进行培训和新员工上岗教育；
11、严格执行公司安全生产十六项禁令，保证本单位所有人员不违章作业。
三、 安全奖惩：
1、对于全年实现安全目标的按照公司生产现场管理规定和工作说明书进行考核奖励；对于未实现安全目标的按照公司规定进行处罚。
2、每月接受主管领导指派人员对安全生产责任状的落

15