专业课程设计机电一体化专业系统设计模板.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：

指导老师： 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总体性能要求和整体方案 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课程设计关键内容安排 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滚动导轨参数确定 4
2.3 滚珠丝杠设计计算 5
2.4 步进电机选择 5
2.5 齿轮传动系统设计计算 5
2.6 步进电机惯性负载计算 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步进电机工作原理和驱动电路 8
3.2.2电磁铁驱动电路 9
3.2.3电源电路 9
3.2.4传感器和人机界面 9
4 程序设计 10
4.1总体方案 10
4.2程序步骤图 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组员分工 11
参考文件 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：
设计一个微机控制立式铣床X-Y工作台，具体内容以下：
1、机械系统设计：经过计算正确选择传动机构、导向机构、实施机构、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：依据系统要求，选择正确控制策略，设计合理控制系统，绘制控制系统原理电路图；
3、主程序设计：在机械系统和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
系统关键参数：
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方向脉冲当量/脉冲；
7、X、Y方向定位精度均为；
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、系统功效介绍，总体方案设计（1天）
（1）机电一体化设计基础过程介绍；
（2）X-Y工作台功效介绍；
（3）总体方案确定。
2、单元功效模块介绍和设计任务落实（1天）
3、具体设计（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总体性能要求和整体方案
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，轻易实现。该平台能够在确保一定精度前提下降低成本，是微机控制技术简单应用。本设计充足利用了机电一体化系统思想，结合机械本体和电气控制系统软硬件于一体，使机床加工范围扩大，精度和可靠性深入得到提升。
总体结构图1-1所表示

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）丝杠螺母副选择
步进电动机旋转运动需要经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精度损失，大约是1/3-1/2定位精度，现取为1/2，即是±0.01mm和±0.02mm定位精度，滑动丝杠副无法做到，只有选择滚珠丝杆副才能达成要求，滚珠丝杆副传动精度高、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。
同时选择内循环形式，因为这么摩擦损失小，传动效率高，且径向尺寸结构紧凑，轴向刚度高。因为定位精度不高，故选择调隙方法是垫片调隙式，这种调隙方法结构简单，刚性好，装卸方便。因为工作台最快移动速度 ，所需转速不高，故能够采取通常安装方法，即一端固定，一端游动轴承配置形式。
（2）导轨副选择
要设计数控铣床工作台，需要承受载荷不大，而且脉冲当量小，定位精度高，所以选择直线滚动导轨副，它含有摩擦系数小，不易爬行，传动效率高，结构紧，安装预紧方便等优点。
（3）伺服电机选择
选择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影响而失步，决定采取开环控制，任务书初选脉冲当量还未达成0.001mm，定位精度也未达成微米级，空载最快移动速度也只有3000mm/min,故本设计无须采取高级次伺服电机，所以能够选择混合式步进电机，以降低成本，提升性价比。
（4）减速装置选择
选择了步进电动机和滚珠丝杆副以后，为了圆整脉冲当量，放大电动机输出转矩，降低运动部件折算到电动机转轴上转动惯量，可能需要减速装置，且应有消间隙机构，假如要选择减速装置，则应选择无间隙齿轮传动减速箱。
1.2.2控制系统总体方案
（1）设计X-Y工作台准备用在数控铣床上，其控制系统应该含有轮廓控制，两坐标直线插补和圆弧插补基础功效，所以控制系统设计成连续控制型。
（2）对于步进电动机开环控制系统，选择MCS-51系列8位单片机AT89S52作为控制系统CPU，能够满足任务书给定相关指标。
（3）要设计一台完整控制系统，在选择CPU以后，还要扩展程序存放器，I/O接口电路，D/A转换电路，串行接口电路等。
（4）选择适宜驱动电源，和步进电动机配套使用。
1.3课程设计关键内容安排
第一章 总体设计。依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以后应该继续深入研究工作做了展望。
附录 X-Y工作台总装图和控制系统电路图。

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工作台运动部分总重量：约287N。
2.2滚动导轨参数确定
导轨是数控机床关键部件之一，它在很大程度上决定数控机床刚度，精度和精度保持性。现在数控机床采取导轨形式关键有：滑动导轨，滚动导轨，静压导轨三类。
滑动导轨关键有：金属对金属，金属对塑料，后者化学稳定性好，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，能在任何液体或无润滑条件下工作，所以较常见。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稳定，应选择在水或油中尺寸稳定且能耐酸和弱碱塑料。
滚动导轨
1滚动导轨技术要求
两导轨面见不平行度大于3μm
导轨平面度大于5μm
滚动体直径差通常机床全部滚动体为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。
滚柱锥度：0，5-1μm。
表面粗糙度：一般机床，磨削不抵于0，40（μm），精密机床磨削不抵于0，20（μm）
滚动导轨结构形式按滚动体种类分，可有以下多个；
滚珠导轨。这种导轨承载能力小，刚度低。导轨面上轻易出现凹坑，但对加工精度影响不大，其材料通常为淬火钢。
滚柱导轨。它承载能力比上述大，适合载荷较大机床，但滚柱导轨对安装偏斜较为灵敏，易引发侧移和侧向滑动从而使导轨磨损加紧或降低精度。
滚针导轨。这种导轨特点是尺寸小，结构紧凑。适宜导轨受限机床。
动导轨支承，在数控机床上使用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；导轨运动不受负载和速度限制，且低速时运动均匀，不出现爬行现象。使用寿命小。抗振性好；承载能力大；摩擦发烧小，导轨温升小。它结构形式有开式和闭式两种。
2.3 滚珠丝杠设计计算
滚珠丝杠负荷包含铣削力及运动部件重量所引发进给抗力。应按铣削时情况计算。
（1）最大动负载Q计算

2.4 步进电机选择
滚珠丝杠负荷包含铣削力及运动部件重量所引发进给抗力。应按铣削时情况计算。
（1）最大动负载Q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
依据等效转动惯量计算公式，得

式中： ——折算到电机轴上惯性负载（）； ——步进电机转轴转动惯量（）；——齿轮 转动惯量（）；——齿轮 转动惯量（）；——滚珠丝杠转动惯量（）；M——移动部件质量（）。
对材料为钢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，能够忽略，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关键包含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很好。

3.1.1单片机选型
伴随微电子技术水平不停提升，单片微型计算机有了飞跃发展。单片机型号很多，而现在市场上应用MCS-51芯片及其派生兼容芯片比较多，如现在应用最广8位单片机89C51，价格低廉，而性能优良，功效强大。
在部分复杂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控制系统，它含有较强运算和扩展能力。不过定位合理单片机能够节省资源，取得较高性价比。

3.1.2电气接口
CPU接口部分包含传感器部分、传动驱动部分、人机交互界面三部分。示意图以下所表示：（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要完成任务：
（1）将行程开关状态读入CPU，经过中止进行处理，它优先等级最高。
（2）经过程序实时控制电机和电磁铁运行。
（3）接收键盘中止指令，并响应指令，将目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。
因为AT89S51只有P1口和P3口是准双向口，但P3口关键以第二功效为主，而且在系统中要用到第二功效中止口，所以要进行I/O扩展。考虑到电路简便性和可实现性，实际中采取内部自带锁存器8155，所以AT89S51I/O口线分配以下：
（1）P1.0-P1.5控制X-Y两个方向步进电机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反转模式。
（2）P1.6口输出控制电磁铁吸合。
（3）P3.2和P3.3两个中止源中INT0优先级最高，它读入行程开关状态并触发中止；INT1读入点动、复位、圆弧插补开关状态而触发中止。
（4）P0.0-P0.7外部I/O扩展数据读取。
（5）P2.7和P2.6决定8155PA、PB、PC口地址。

3.2电机驱动系统设计
3.2.1步进电机工作原理和驱动电路
步进电机速度控制比较轻易实现，而且不需要反馈电路。设计时脉冲当量为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取了光电偶合器，它含有较强抗干扰性，而且含有保护CPU作用，当功放电路出现故障时，不会将大电压加在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。电路中和绕组并联二极管D起到续流作用，即在功放管截止是，使储存在绕组中能量经过二极管形成续流回路泄放，从而保护功放管。和绕组W串联电阻为限流电阻，限制经过绕组电流不至超出额定值，以免电动机发烧厉害被烧坏。
因为步进电机采取是三相六拍工作方法（三个线圈A、B、C），其正转通电次序为：A-AB-B-BC-C-CA-A，其反转通电次序为：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 三相六拍工作方法时相电压波形（正转）

3.2.2电磁铁驱动电路
该驱动电路也采取了光电偶合器，但其功放电路相对简单。其光电偶合部分采取是达林顿管，因为驱动电磁铁电流比较大。

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。此系统中用到电源电压为27V、12V、5V，为了便于管理和电源容量需求，就采取了标准27V电源作为基准，经过芯片进行电压转换得到所需12V和5V电压。

图3-4 电源转换电路图
电路中在转换芯片前后有两个电容，前面电容起预防自激作用，后面电容起滤波作用。另外，在具体应用过程中，LM7805必需加上散热片。

3.2.4传感器和人机界面
因为步进电机不需要反馈电路，不过要注意工作台不能超出最大行程。所以，必需在X、Y轴方向各加上两个行程开关。这里行程开关作用有两个：（1）预防工作台超出最大行程，使电机损坏（2）能够用和定位。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程序步骤图
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组员分工

参考文件
[1] 秦爱中.基于ZMP双足步行机器人布态计划研究[D].西北工业大学，
[2] 杨家军．机械系统创新设计[M]．武汉：华中理工大学出版社，．
[3] 杨平，廉仲．机械电子工程设计[M]．北京：国防工业出版社，．
[4] 吴宗泽.机械设计[M]．北京：高等教育出版社，
[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研究[D].浙江:浙江大学.,6.
[9] 方建军.移动式采摘机器人研究现实状况和进[J].农业工程学报,,
[10] 汤修映,张铁中.果蔬收获机器人研究综述[J].机器人,
[11] 王建军，武秋俊.机器人在农业中应用[J].农机化研究,(7):
174～176．
[12] 田素博.中国外农业机器人研究进展[J].农业机械化和电气化，（2）:3～5.
[13] 张铁中,魏剑涛.蔬菜嫁接机器人视觉系统研究(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.中国农林机器人研究现实状况及发展趋势[J].森林工程, ,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