机电一体化毕业设计论文

1、 滨州职业学院毕业论文设计 题 目：数控机床工作台与控制系统设计学 号： 姓 名： 专业班级: 教学单位：电气工程学院 指导教师： 滨州职业学院毕业论文（设计）任务书 电气自动化技术 专业 级 1、毕业论文（设计）题目数控机床工作台与控制系统设计2、学生完成全部任务期限：2016年 6月10日3、任务要求：1）进程要求1）提出选题的初步设想。2）搜集、整理与毕业设计或论文有关的、充分的、准确的信息资料，扩充查阅范围。3）分析、筛选已有的信息资料，提出研究设想与计划。4）向指导教师提出开题报告（见附页）。5）构思论文框架，编写论文提纲，撰写论文初稿。6）提请指导老师审阅，并根据老师的指导意见做进

2、一步修订，装订成册。（2）成果要求1）毕业设计应提交设计图纸和相应的说明书。图纸须规范、完整、清晰、正确，格式符合国家标准的要求；说明书须规范、详实，应包括：任务书、开题报告、正文（摘要、正文内容，结语，参考文献）、附录等。书写认真、清楚，字数不少于8000字。主要包括：前言、摘要、正文内容2）毕业论文应包括：任务书、开题报告、正文（前言、摘要、关键词，正文内容、结语、参考文献）、附录等；书写认真、清楚，字数以15000字左右为宜。4、实验（调研）部分内容要求：（1）实验内容与论文题目一致，数据真实。（2）调研内容详实，调研结论应具备普遍性。5、文献查阅及翻译要求：（1）参考文献应与论文内容相

3、一致。（2）参考文献不少于8篇。（3）参考文献的格式参考滨州职业学院毕业论文格式要求。（4）翻译文献应与原文内容一致。 指 导 教 师： （签名） 学 生 ： （签名）摘 要当今世界电子技术迅速发展，微处理器、微型计算机在各技术领域得到了广泛应用，对各领域技术的发展起到了极大的推动作用。一个较完善的机电一体化系统，应包含以下几个基本要素：机械本体、动力与驱动部分、执行机构、传感测试部分、控制及信息处理部分。机电一体化是系统技术、计算机与信息处理技术、自动控制技术、检测传感技术、伺服传动技术和机械技术等多学科技术领域综合交叉的技术密集型系统工程。新一代的cnc系统这类典型机电一体化产品正朝着高性

4、能、智能化、系统化以及轻量、微型化方向发展。关键字：机电一体化的基础 基本组成要素 特点 发展趋势 目 录第一章 前言4第二章 课程设计的目的、意义及要求6第一节 课程设计的目的、意义6第二节 课程设计的要求6第三章 课程设计的内容7第一节 课程设计的内容7第二节 课程设计的内容7第四章 数控系统总体方案的确定8第五章 机械部分设计9 第一节 确定系统脉冲当量9第二节 工作台外形尺寸及重量初步估算9第三节 滚动导轨副的计算9 第四节 齿轮计算、设计13第五节 步进电机惯性负载的计算14第六节 步进电机的计算选择15第六章 机床数控系统硬件电路设计17第一节 设计内容17第二节 设计步骤17第三

5、节 机床数控系统硬件电路设计21第七章 系统控制软件设计22第八章 结束语与致谢29第九章 参考文献30第一章 绪论一、当今世界数控技术及装备发展的趋势及我国数控装备技术发展和产业化的现状装备工业的技术水平和现代化程度决定着整个国民经济的水平和现代化程度 ,数控技术及装备是发展新兴高新技术产业和尖端工业的使能技术和最基本的装备 ,又是当今先进制造技术和装备最核心的技术。数控技术是用数字信息对机械运动和工作过程进行控制的技术 ,而数控装备是以数控技术为代表的新技术对传统制造产业和新兴制造业的渗透形成的机电一体化产品 ,其技术范围覆盖很多领域。数控技术的应用不但给传统制造业带来了革命性的变化 ,使

6、制造业成为工业化的象征 ,而且随着数控技术的不断发展和应用领域的扩大 ,他对国计民生的一些重要行业 it、汽车、轻工、医疗等的发展起着越来越重要的作用。从目前世界上数控技术及其装备发展的趋势来看 ,其主要研究热点有以下几个方面:(1)、 高速、高精加工技术及装备的新趋势效率、质量是先进制造技术的主体。高速、高精加工技术可极大地提高效率 ,提高产品的质量和档次 ,缩短生产周期和提高市场竞争能力。为了实现高速、高精加工 ,与这配套的功能部件如电主轴、直线电机得到了快速的发展 ,应用领域进一步扩大。(2) 、智能化、开放式、网络化成为当代数控系统发展的主要趋势21世纪的数控装备将是具有一定智能化的系

7、统 ,数控系统开放化已经成为数控系统的未来之路。网络化数控装备是近两年国际著名机床博览会的一个新亮点。数控装备的网络化将极大地满足生产线、制造系统、制造企业对信息集成的需求 ,也是实现新的制造模式如敏捷制造、虚拟企业、全球制造的基础单元 ,反映了数控机床加工向网络化方向发展的趋势。 第 二 章 课程设计的目的、意义及要求第一节 课程设计的目的,意义1. 能够正确运用机电一体化技术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. 本设计所设

8、计的x-y工作台采用了低摩擦的直线滚动导轨和精密的丝杠，它的工作原理是通过mcs-51单片机来控制步进电机，使x-y工作台实现了数控控制。工作台的自动化能大大减轻劳动强度，提高劳动生产效率。本设计x-y数控工作台机电系统设计是一个开环控制系统，其结构简单，实现方便而且能保证一定的精度。通过微机控制技术的简单的应用，实现对机床的控制，使机床的加工范围扩大，精度和可靠性进一步提高。本设计所设计的x-y工作台不仅可用于铣床上进行数控铣削加工，而且还能够用于钻床上数控钻削加工，所以其功能远高于传统的普通工作台是新一代机电一体化的典型产品。通过对x-y工作台的设计，能够正确运用机床数控系统等课程的基本理

9、论个有关知识，学会设备数控化改造方案的拟定、比较、分析及进行必要的计算；通过对设备改造的机械部分设计，掌握数控设备典型零件的计算方法和步骤以及正确的结构设计方法；通过设备的数控系统硬件和软件设计，掌握简单的数控系统硬件及软件设计的基本方法；通过课程设计，第二节 课程设计的要求：1. 课程设计应在教师的指导下由学生独立完成，严格地要求自己，不允许相互抄袭；2. 认真阅读课程设计指导书，明确题目及具体要求； 3.认真查阅题目涉及内容的相关文献资料、手册、 第三章 课程设计的内容第一节 课程设计题目：单片机控制步进电机驱动的多用xy工作台。已知条件：设计一个数控x-y工作台及其控制系统，该工作台可安

10、装在普通钻、铣床上用于钻孔或铣削加工。系统分辨率x：0.01mm，y：0.01mm。系统分辨率x：0.01mm，y：0.01mm。设计参数如下：快速进给速度纵向x：2m/分；快速进给速度横向y：2m/分；切削进给速度：0.3m/分；时间常数： t200ms ；最大钻孔直径d=5mm；铣刀直径15mm，齿数z=3；铣削最大余量e=2mm；铣削最大深度p=2mm；工作台加工范围x=320mm，y=260mm。加工材料为铸铁；最大工件重量 80kg。第二节 课程设计的内容 1.数控装置总体方案的确定 (1).数控装置设计参数的确定； (2).方案的分析，比较，论证。 2.机械部分的设计(1).确定脉

11、冲当量；(2).机械部件的总体尺寸及重量的初步估算；(3).传动元件及导向元件的设计，计算和选用；(4).确定伺服电机；(5).绘制机械结构装配图；(6).系统等效惯量计算；(7).系统精度分析。3.数控系统的设计(1).微机及扩展芯片的选用及控制系统框图的设计；(2).i/o接口电路及伺服控制电路的设计和选用；(3).系统控制软件的设计4.编写课程设计说明书 (1).说明书是课程设计的总结性技术文件，应叙述整个设计的内容，包括总体方案的确定，系统框图的分析，机械传动设计计算，电气部分的设计说明，选用元器件参数的说明，软件设计及其说明；(2).说明书不少于84字，尽量用计算机完成。5.图纸 (

12、1).机械结构装配图，a0图纸1张。要求视图基本完整，符合标准。其中至少要有一个坐标轴的完整剖视图； 第四章 数控系统总体方案的确定数控系统总体方案设计的内容包括：系统运动方式的确定，执行机构及传动方案的确定，伺服电机类型及调速方案确定，计算机控制系统的选择。进行方案的分析、比较和论证。1. 系统运动方式的确定 由于机床既能钻削又能铣削加工，故应采用连续控制系统。定位方式采用增量坐标控制。考虑到机床加工精度要求不高，为了简化结构，降低成本，采用步进电机开环伺服系统驱动x-y工作台。钻头上下运动也由步进电机通过减速装置控制。2. 伺服系统的选择开环伺服系统在负载不大时多采用功率步进电机作为伺服电

13、机.开环控制系统由于没有检测反馈部件，因而不能纠正系统的传动误差。但开环系统结构简单，调整维修容易，在速度和精度要求不太高的场合得到广泛应用。.考虑到运动精度要求不高，为简化结构，降低成本，宜采用步进电机开环伺服系统驱动。3. 计算机系统的选择采用mcs-51系列中的8031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。4. xy工作台的传动方式为保证一定的传动精度和平稳性以

14、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。 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。系统总体框图如下:计算机光电隔离功率放大步进电机x向工作台光电隔离功率放大步进电机y向工作台 第五章 机械部分设计机械部分设计内容包括：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。第一节 确定系统脉冲当量脉冲当量p是一个进给指令时工作台的位

15、移量，应小于等于工作台的位置精度，由于定位精度为±0.01mm因此选择脉冲当量为0.01mm。第二节 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向工作台承载重量wx和wy。取x向导轨支撑钢球的中心距为410mm,y向导轨支撑钢球的中心距为400mm,设计工作台简图如下:工作台简图x向拖板(上拖板)尺寸为: 长*宽*高=420*410*50重量:按重量=体积*材料比重估算为: = y向拖板(下拖板)尺寸为: 重量=上导轨(含电机)重量为夹具及工件重量:约155nx-y工作台运动部分总重量为:第三节 滚动导轨副的计算、选择根据给定的工作载荷fz和估算的w

16、x和wy计算导轨的静安全系数fsl=c0/p，式中：c0为导轨的基本静额定载荷，kn；工作载荷p=0.5(fz+w)； fsl=1.03.0(一般运行状况)，3.05.0（运动时受冲击、振动）。根据计算结果查有关资料初选导轨：因系统受中等冲击,因此取第四节 齿轮计算、设计因步进电机步距角滚珠丝杠螺距t=5mm,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： ，初选步进电机步距角：= 1.5/step。取小齿轮齿数 则大齿轮齿数因传递的扭距较小,取模数m=1mm则:分度圆直径: 齿顶圆直径: 齿根圆直径: 齿宽: 取 中心距: 分度圆压力角: 大小齿轮均采用渐开线标准圆柱齿轮小齿

17、轮采用两片薄齿轮错齿排列以消除间隙.第六节 步进电机惯性负载的计算根据等效转动惯量的计算公式，有：（1）等效转动惯量的计算折算到步进电机轴上的等效负载转动惯量为：式中：为折算到电机轴上的惯性负载；为步进电机轴的转动惯量；为齿轮的转动惯量；为齿轮的转动惯量；为滚珠丝杠的转动惯量；为移动部件的质量。对钢材料的圆柱零件可以按照下式进行估算：式中为圆柱零件直径，为圆柱零件的长度。所以有：电机轴的转动惯量很小，可以忽略，所以有：第七节 步进电机的选用(）步进电机启动力矩的计算设步进电机的等效负载力矩为，负载力为，根据能量守恒原理，电机所做的功与负载力所做的功有如下的关系：式中为电机转角，为移动部件的相应

18、位移，为机械传动的效率。若取，则，且。所以： 式中：为移动部件负载（n），g为移动部件质量（n），为与重力方向一致的作用在移动部件上的负载力（n），为导轨摩擦系数，为步进电机的步距角（rad）,t为电机轴负载力矩（n.cm）。取=0.3（淬火钢滚珠导轨的摩擦系数），.8，=279.23。考虑到重力影响，向电机负载较大，因此1200，所以有：考虑到启动时运动部件惯性的影响，则启动转矩：取系数为.，则： 对于工作方式为三相拍的步进电机： (） 步进电机的最高工作频率为使电机不产生失步空载启动频率要大于最高运行频率,同时电机最大静转矩要足够大,查表选择两个90bf001型三相反应式步进电机.电机有关

19、参数如下:型号主要技术参数相数步距角电压(v)相电流(a)最大静转矩(n.m)空载启动频率空载运行频率分配方式90bf00140.98073.92200080004相8拍外形尺寸(mm)重量kg转子转动惯量kg.m外直径长度轴直径9014594.51764 第六章 数控系统硬件电路设计第一节 设计内容.按照总统方案以及机械结构的控制要求，确定硬件电路的方案，并绘制系统电气控制的结构框图；.选择计算机或中央处理单元的类型；.根据控制系统的具体要求设计存储器扩展电路；.根据控制对象以及系统工作要求设计扩展接口电路，检测电路，转换电路以及驱动电路等；.选择控制电路中各器件及电气元件的参数和型号；.绘

20、制出一张清晰完整的电气原理图，图中要标明各器件的型号，管脚号及参数；.说明书中对电气原理图以及各有关电路进行详细的原理说明和方案论证。第二节 设计步骤.确定硬件电路的总体方案。数控系统的硬件电路由以下几部分组成：1 主控制器。即中央处理单元cpu2 总线。包括数据总线，地址总线，控制总线。3 存储器。包括只读可编程序存储器和随机读写数据存储器。4 接口。即i/o输入输出接口。.主控制器的选择系列单片机是集中，端口及部分等为一体的功能性很强的控制器。只需增加少量外围元件就可以构成一个完整的微机控制系统，并且开发手段齐全，指令系统功能强大，编程灵活，硬件资料丰富。本次设计选用芯片作为主控芯片。.存

21、储器扩展电路设计(）程序存储器的扩展单片机应用系统中扩展用的程序存储器芯片大多采用芯片。其型号有：2716，2732，2764，27128，27258，其容量分别为k,4k,8k,16k32k。在选择芯片时要考虑与时序的匹配。所能读取的时间必须大于所要求的读取时间。此外，还需要考虑最大读出速度，工作温度以及存储器容量等因素。在满足容量要求时，尽量选择大容量芯片，以减少芯片数量以简化系统。综合以上因素，选择芯片作为本次设计的程序存储器扩展用芯片。单片机规定0口提供为位地址线，同时又作为数据线使用，所以为分时用作低位地址和数据的通道口，为了把地址信息分离出来保存，以便为外接存储器提高低位的地址信息

22、，一般采用芯片作为地址锁存器，并由发出允许锁存信号ale的下降沿，将地址信息锁存入地址锁存器中。由以上分析，采用eprom(）数据存储器的扩展由于内部只有字节，远不能满足系统的要求。需要扩展片外的数据存储器。单片机应用系统数据存储器扩展电路一般采用6116,6262静态ram数据存储器。本次设计选用芯片作为数据存储器扩展用芯片。(）译码电路在单片机应用系统中，所有外围芯片都通过总线与单片机相连。单片机数据总线分时的与各个外围芯片进行数据传送。故要进行片选控制。由于外围芯片与数据存储器采用统一编址，因此单片机的硬件设计中，数据存储器与外围芯片的地址译码较为复杂。可采用线选法和全地址译码法。线选法

23、是把单独的地址线接到外围芯片的片选端上，只要该地址线为低电平，就选中该芯片。线选法的硬件结构简单，但它所用片选线都是高位地址线，它们的权值较大，地址空间没有充分利用，芯片之间的地址不连续。对于和容量较大的应用系统，当芯片所需的片选信号多于可利用的地址线的时候，多采用全地址译码法。它将低位地址作为片内地址，而用译码器对高位地址线进行译码，译码器输出的地址选择线用作片选线。（4）存储器扩展电路设计8031单片机所支持的存储系统起程序存储器和数据存储器为独立编址。该设计选用程序存储器2764和数据存储器6264组成8031单片机的外存储器扩展电路，（5）扩展电路设计(a).通用可编程接口芯片单片机共

24、有个位并行接口，但供用户使用的只有1口及部分3 口线。因此要进行口的扩展。与微机接口较简单，是微机系统广泛使用的接口芯片。(b).键盘，显示器接口电路键盘，显示器是数控系统常用的人机交互的外部设备，可以完成数据的输入和计算机状态数据的动态显示。通常，数控系统都采用行列式键盘，即用口线组成行，列结构，按键设置在行列的交点上。(1）脉冲分配器采用集成脉冲分配器yb013。（2）光电隔离电路光电耦合器。（3）功率放大器（）的时钟电路单片机的时钟可以由两种方式产生：内部方式和外部方式。内部方式利用芯片的内部振荡电路，在xtal1,xtal2引脚上外接定时元件，如下图所示。晶体可以在.之间任意选择，耦合

25、电容在pf之间，对时钟有微调作用。采用外部时钟方式时，可将xtal1直接接地，xtal2接外部时钟源。（）复位电路单片机的复位都是靠外部电路实现。在时钟工作后，只要在引脚上出现ms以上的高电平，单片机就实现状态复位，之后便从单元开始执行程序。在实际运用中，若系统中有芯片需要其复位电平与复位要求一致时，可以直接相连。当晶振频率选用z时，复位电路中取，取，取。第三节 机床数控系统硬件电路设计该系统选用系列的作为主控制器。扩展存储电路为一片2732eprom和一片6264ram。程序存储器扩展为，数据存储器扩展为。系统的扩展i/o接口电路选用通用可编程并行输入/输出接口芯片8155。8155的片选端

26、接至译码器（74ls138）的y4的输出端，故8155控制命令寄存器及pa，pb，pc口的地址号分别为8000h及8001h，8002h，8003h。8155ram区的地址为8000h80ffh。 pb口剩余的i/o线pb4pb7分别作为工作台+x，+y，-x，-y四个方向的行程限位控制信号。在软件设计上8155的pa口，pc口设置为输出，pb口设置为输入。计算机随时巡回检测pb4pb7的电平，当某i/o线为0时，应立即停止x，y向电机的驱动，并发出报警信号。另外，光电隔离器的输出端必须采用隔离电源。隔离电源选用7805三端集成稳压器设计。第七章 系统控制软件的设计(一).系统控制软件的主要内

27、容数控系统是按照事先编好的控制程序来实现各种控制功能。按照功能可将数控系统的控制软件分为以下几个部分：1、系统管理程序。2、零件加工源程序的输入处理程序。3、插补程序。4、伺服控制程序。5、诊断程序。6、机床的自动加工及手动加工控制程序7、键盘操作和显示处理程序。(二).软件设计1.系统控制功能分析数控x-y工作台的控制功能包括：（1）、系统初始化。如对i/o接口8155，8255a进行必要的初始化工作，预置接口工作方式控制字。（2）、工作台复位。开机后工作台应该自动复位，亦可手动复位。（3）、输入和显示加工程序。（4）、监视按键，键盘及开关。如监视紧急停机键及行程开关，键盘扫描等功能。（5）

28、、工作台超程显示与处理。工作台位移超过规定值时应该立即停止工作台的运动，并显示相应的指示字符。（6）、工作台的自动控制。（7）、工作台的手动控制。（8）、工作台的联动控制。2.系统管理程序控制 管理称许是系统的主程序，开机后即进入管理程序。其主要功能是接受和执行操作者的命令。在设计管理程序时，应确定接收命令的形式，系统的各种操作功能等。数控x-y工作台的基本操作功能有：输入加工程序，自动加工，刀位控制，工作台位置控制，手动操作，紧急停机等。3.自动加工程序设计（1）机床在自动加工时的动作顺序：工作台移动到位刀具快速进给加工退刀工作台运动到下一位置；（2）计算机在加工过程中的操作：读取刀具轨迹，

29、控制机床完成加工；4.步进电机控制子程序设计步进电机的控制包括速度，转角及方向的控制。步进电机在突然启动或停止时，由于负载和惯性，会使电机失步，所以电机运行时有一个加，减速过程。步进电机控制子程序：开始中断初始化设时间常数地址指针首地址指向1000h加速减速 脉冲计数器赋初值恒速送时间常数至计数器中返回关中断？开中断启动定时器 步进电机控制中断服务程序： 中断服务程序入口送时间常数 步进电机进一步n0=0？n1=0？时间常数地址指针加1n0n0-1n1n1-1n2=0？时间常数地址指针加1关中断n2n2-15.编语言程序设计（1） 内存地址分配、（2） 加速脉冲数计数器n0地址设为20h；恒速

30、脉冲数计数器n1低8位字节地址为21h，高8位字节地址位22h；减速脉冲数计数器n2地址位23h。加速，减速，恒速脉冲总数寄存器n低位字节地址位24h，高位字节地址位25h；步进电机进给控制子程序feed首地址位0e80h。每调用一次该程序，步进电机按规定方向进给一步。 第八章 结束语与致谢 结束语整个系统采用半闭环控制系统，进给系统采用了cm系列滚珠丝杆副，其型号为：cm2005-5。以提高整个系统的精神要求。伺服系统采用了直流伺服电机通过弹性联轴器直接与滚珠丝杠连接驱动丝杠传动，而且其实轴承采用的是角接触轴承保证其主轴不窜动，采用一个深沟来保证其径向的圆跳动。用pwm脉宽调制电路来实现伺服

31、电机电压的平均值，电路中采用了阻容滞后电路，来防止h型桥式功率放大器中两对igbt功率管同时导通造成短路现象，能够有效的控制伺服电机的正转、反转及转速，同时为了保证一定的精度的要求，系统又采用了光电编码器作为位置检测器，来检测伺服电机的位置，通过单片机对光电编码器反馈信号处理来达到预期的精度要求。在设计中我们兼顾经济性，考虑满足精度的要求，因此对于设备及元件的选择都要求具有高精度，因此设计的成本较高。致 谢毕业设计是我在大学里的最后一门课程。通过这次毕业设计，我学会了如何查阅现有的技术资料、如何举一反三、如何通过改进并加入自己的想法与观点，使之成为自己的东西。并且结合生产知识，培养理论联系实际

32、以及分析和解决工程实际问题的才能，并使大学三年所学的知识得到进一步巩固、深化和扩展。在此，我对我的论文指导老师范兴隆老师表示衷心的感谢，感谢他对我的严格要求，感谢他的监督和指导。其次我要感谢这三年里给我授课的所有老师。感谢你们传给我知识。最后还要感谢参考文献中所列书籍、文章及资料的作者。 第八章 参考资料1、高钟毓机电控制工程北京：清华大学出版社，20022、刘助柏知识创新思维方法论北京：机械工业出版社，19993、宋云夺. 宋云夺. 光机电一体化产业的未来j. 光机电信息, 2003,(12).4、丁连红. 机电一体化技术发展趋势和现状分析j. 中国科技信息, 2007,(12)5、张鹏万,孙剑峰,李占平. 机电一体化中的接口技术j矿业工程, 2005,(06)6、王宝敏. 谈机电一体化技术的发展趋势j. 大众