机电系统设计课程设计

1、GUIZHOU UNIVERSITY课程设计课程名称:学 院:姓 名:年 级:机电系统设计课程设计机械学院 专业：机械设计制造及其自动化李加华学号：0908030270机电094 任课教师:蔡家斌2012年12月 30日贵州大学本科课程设计诚信责任书本人郑重声明：本人所呈交的课程论文（设计），是在导师的指导下独 立进行研究所完成。课程论文（设计）中凡引用他人已经发表或未发表 的成果、数据、观点等，均已明确注明出处。特此声明。论文（设计）作者签名：日期：贵州大学本科课程设计任务书学生信息学号 0908030270BBEIM专业机械设计制造及其自动化 机电094教师信息姓名职称学历胡月明副教授硕士

2、蔡家斌副教授硕士杨文杰副教授硕士杨绿讲师硕士任务书 W11七m曰& 口 发出时间2011年12月25日化又（设计）数控技术课程设计t匕又（设计）。八1 11。曰。只口1 f） Zir 1 曰 1只口共、需Q起止时间2011年12月26日2012年主要要求： 方案拟定正确。 设计计算根据来源可靠，计算数据准确无误。月16日周数元气件选用正确规范符合国家颁布标准。 机械结构图纸绘制视图完整、符合最新国家标准，图面整洁、质量高。 电气部份图纸要求符合国家标准，图面布局合理、整洁、质量高。 机械和电气部份图纸总量为1.5张“0”号图量，其中含机械装配图12张、电气控制原理框图及计算机I/O接口和驱动控

3、制电路等电气原理主要内容：1、结合设计任务的要求拟定总体机械和电气控制设计方案。2、根据拟定的机械设计方案进行一坐标数控工作台的机械结构设计计算和元件的选用。3、根据拟定的电气设计方案进行数控系统控制电路的框图设计及驱动控制 电路的计算和元件选用。4、根据指定要求进行有关软件的流程图设计。5、对指定的软件程序进行编写。6、进行机械结构的工程图和电气原理图的绘制。图12张。7、课程设计说明书应阐述整个设计内容：如课题来源现实意义、总体方案 确定、系统框图分析、电气执行元件的选用说明、机械传动和驱动电路 的设计计算以及机械和电气的其它部分。说明书要突出重点和特色，图 文并茂、文字通畅、计算正确、字

4、迹清晰、内容完整。说明书页数不少 于20页预期目标：设计出合理的XY机床工作台部分、电气控制原理框图、驱动控制电路及指 定软件设计，撰写不低于3000字左右设计论文，并附录相关资料及设计图纸。计划进程:序号计划时间进程112.311.2课题调研及资料收集，研究问题及提出初步总体方案21.31.4总体方案论证及确定31.51.9机械部分方案论证确定及计算41.101.15电气部分方案论证确定及设计51.161.17撰写论文及绘制相关图纸61.18答辩主要参考文献：成大先.机械设计手册（单行本-机械传动）M.北京：化学工业出版社，2004.1沈爱琴.数控技术课程设计指导书Z.贵阳：贵州工业大学机电

5、教研室，1998.9张毅刚.单片机原理及应用M.北京：高等教育出版社，2004.1机电一体化技术手册编委会.机电一体化技术手册M.北京：机械工业出版社，1999.9陆昆，奚大顺，李之权等.电子设计技术M.北京：电子科技大学出版社，1998.10 TOC o 1-5 h z 摘要7 HYPERLINK l bookmark26 o Current Document 第一章绪论8 HYPERLINK l bookmark34 o Current Document 第二章总体方案的确定9 HYPERLINK l bookmark37 o Current Document 2.1、课程设计的任务9 H

6、YPERLINK l bookmark41 o Current Document XY十字工作台的设置的总体方案的确定9 HYPERLINK l bookmark45 o Current Document 2.2.1、系统运动方式和伺服系统9 HYPERLINK l bookmark49 o Current Document 2.2.2、控制系统9 HYPERLINK l bookmark53 o Current Document 2.2.3、X-丫工作台的传动方式9 HYPERLINK l bookmark57 o Current Document 2.2.4、机械系统的设计10 HYPER

7、LINK l bookmark61 o Current Document 第三章机械结构设计11 HYPERLINK l bookmark64 o Current Document X-Y工作台的结构简图11工作台草图的设计11 HYPERLINK l bookmark71 o Current Document 机械系统的机械结构草图及简图11 HYPERLINK l bookmark77 o Current Document 开环控制系统14 HYPERLINK l bookmark83 o Current Document 3.2步进电机系统15 HYPERLINK l bookmark8

8、6 o Current Document 步进电机的工作原理及特点15 HYPERLINK l bookmark95 o Current Document 第四章电路控制设计17 HYPERLINK l bookmark98 o Current Document 驱动电路的设计17 HYPERLINK l bookmark101 o Current Document 控制电路面板线路的设计18 HYPERLINK l bookmark105 o Current Document 电路的接线分析18 HYPERLINK l bookmark108 o Current Document 控制电路简

9、图184.2.3 电气接线简图194.3操作控制面板19 HYPERLINK l bookmark111 o Current Document 第五章程序21 HYPERLINK l bookmark114 o Current Document 第六章心得体会28机电系统设计课程设计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、

10、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。机电一体化技术和产品基本上已经席卷了整个 工业领域，新一代的CNC系统这类典型机电一体化产品正朝着高性能、智能化、 系统化以及轻量、微型化方向发展。关键字：机电一体化的基础发展趋势滚珠丝杠滚动导轨步进电机第一章绪 论现代科学技术的不断发展，极大地推动了不同学科的交叉与渗透，导致了工 程领域的技术革命与改造。在机械工程领域，由于微电子技术和计算机技术的迅 速发展及其向机械工业的渗透所形成的机电一体化，使机械工业的技术结构、产 品机构、功能与构成、生产方式及管理体系发生了巨大变化，使工业生产由“机 械电气化”迈入了“机电一体化”

11、为特征的发展阶段。机电一体化课程设计是一个重要的而且十分必要的教学环节，要求学生 综合的运用所学的理论知识，独立进行的设计训练，主要目的：1、通过设计，使学生全面地、系统地了解和掌握数控机床的基本组成及其 想关知识，学习总体的方案拟定、分析与比较的方法。2、通过对机械系统的设计，掌握几种典型传动元件与导向元件的工作原理、 设计计算及选用的方式3、通过对机械系统的设计，掌握常用伺服电机的工作原理、计算控制方法 与控制驱动方式4、培养学生独立分析问题和解决问题的能力，学习并树立“系统设计”的 思想5、锻炼提高学生应用手册和标准、查阅文献资料及撰写科技论文的能力。第二章总体方案的确定2.1、课程设计

12、的任务弄清楚XY十字工作台的运动方式和整个工作台的总体结构，对电气部分进行 合理的设计，调试出程序清单。XY十字工作台的设置的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XYX作台。具 体系统的运动方式和设备的选型按标准选取。2.2.1、系统运动方式和伺服系统采用连续控制系统。考虑到运动精度不高，行程较短，简化机械结构，降 低设备成本，而且要求系统的负载不大，故采用步进电机开环伺服系统作为系统 的驱动元件，这样可以使维修简便。具体步进电机的选型参考步进电机的选型和 设计。2.2.2、控制系统采用MCS-51系列中的8051单片机控制系统。MCS-51的主要特点是集成 度高

13、，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 示器和步进电机功率放大器电路等组成。系统的工作程序和控制命令通过键盘操 作和鼠标操作实现，显示器采用数码管加工数据和工作状态等信息。2.2.3、X-丫工作台的传动方式为保证一定的传动精度和稳定性以及结构的紧奏，采用滚珠丝杠螺母传动 副。为提高传动精度和消除间歇，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，故采用滚动直线导轨副，这样 可以减小工作台的摩擦系数，提高运动平稳性。在设计的同时，还要考虑缩短传动链，因为缩短传动链可以提高系统的传动刚度，这样可以减少系统的误差。考虑电机步距角和丝杠导程只能够按标准来选取

14、，为达到分辨率的要求，以及考虑步进电机负载匹配，采用电机减速传动。系统总体框图如下功率放大器计算机光电隔 离器2.2.4、机械系统的设计机械系统的设计内容包括：确定系统的脉冲当量，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及选择。支承座采用的是固定支承式用的是深沟球轴承和向心轴承；因为工作台作为实验用运动部件重量和工作载荷都很小载荷几乎没有，实验 台用的是直线滚动导轨副提高运动平稳性和减少工作台的摩擦系数；第三章机械结构设计X-Y工作台的结构简图工作台草图的设计X - Y工作台的机电一体化系统可以设计为开环、半闭环和闭环伺服系统三 种。开环的伺服系统采用步进电机驱动，系统中不

15、设置传感与检测设备;半闭环的 伺服系统中一般采用交流或直流伺服电机驱动，并在电机输出轴端设置传感与检 测设备；闭环的伺服系统中也是采用交流或直流伺服电机驱动，但检测与传感设 备设置在工作台末端。本文所设计的X - Y工作台开环伺服系统,通过控制器控 制步进电机的驱动，经传动机构带动工作台运动，其总体框图如下：步进电机工作台草图机械系统的机械结构草图及简图绘制出所设计的十字工作台的结构草图，其结构草图如下图所示在本次十字工作台课程设计中机械系统主要包括步进电动机X2,滚珠丝杆副X2,联轴器，导轨，支撑座，轴承，其机械草图线路及机械结构简图如下图所示：XY工作台机构简图图中为保证传动精度和平稳性以

16、及结构的紧凑，我们用的是滚珠丝杠螺母 传动副，而且滚珠丝杠副具有轴向刚度高能通过适当预紧可消除丝杠与螺母之间 的轴向间隙，不易磨损等优点，运动平稳,是用寿命长等优点；支承座采用的是固定支承式用的是深沟球轴承和向心轴承；因为工作台作为实验用运动部件重量和工作载荷都很小载荷几乎没有，实 验台用的是直线滚动导轨副提高运动平稳性和减少工作台的摩擦系数；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。在该工作台中分别用两个步进电机控制两个丝杠副运动，分别控制X方向 和Y方向的

17、运动，控制系统根据用户编制的程序的要求，发出脉冲型号控制两个 步进电机，让两个工作台运动，从而实现了 X-Y 一体化的功能。开环控制系统在实验中我们用的数控机床工作台伺服系统所用的是开环伺服系统；全闭 环控制系统,结构复杂技术难度大，成本高;半闭环控制，调试比开环控制要困难, 而其结构也相对复杂;经综合考虑要求经济性，而且运动精度要求不高，为简化结 构和降低成本，所以我们选用的开环伺服结构；开环控制的系统框图:3.2步进电机系统根据本课程设计所要求的步进电机数量为两个，一个步进电机控制X方向运 动的工作台，另一个控制Y方向运动的工作台。步进电机的工作原理及特点步进电机是将电脉冲信号转变为角位移

18、或线位移的开环控制元件。在非 超载的情况下，电机的转速、停止的位置取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不 受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。这一线 性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点。使得在速 度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单。虽然步进电机已被广泛应用，但步进电机并不能象普通的直流电机，交流 电机在常规下使用。它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统 方可使用。因此用好步进电机却非易事，它涉及到机械、电机、电子及计算机等 许多专业知识。步进电动机的转子由软磁材料或永磁材料制成多极的形式，定子上装有多相 不同连接的控制

19、绕组。它的激励信号有直流脉冲、方波、多相方波和逻辑序列多 种。步进电动机的步距和速度不受电压波动、环境温度和负载变化的影响，而仅 与脉冲频率有关。改变脉冲频率就能在很大范围内准确调节电动机的速度。因此 步进电动机用于开环数字控制，可大大简化控制系统。步进电动机配以位置检测 元件时也可用于闭环数字控制，常用于打印机、带读出器、计数器、绘图机、数 控机床、阀门执行机构、定位平台和数模转换器等。步进电动机种类繁多，按运 动形式分为旋转式步进电动机和直线式步进电动机。这就是步进电机的工作原理及分类。步进电机的特点一、过载性好其转速不受负载大小的影响，不像普通电机，当负载加大时就会出现速度下降的情况，所

20、以步进电机使用在对速度和位置都有严格要求的场合。二、控制方便步进电机是以“步”为单位旋转的，数字特征比较明显，这样就给计算机控制带来了很大的方便，反过来，计算机的出现也为步进电机开辟了更为广阔的使用市场。三、整机结构简单传统的机械速度和位置控制结构比较复杂，调整困难，使用步进电机后，使得整机的结构变得简单和紧凑。第四章电路控制设计4.1驱动电路的设计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，工作台直线行进给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

21、将大的电压加在CPU上使其烧坏。图7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五相十拍的工作方式（五个线圈A、B、C、D、E），其正 转时通电顺序为：AB-ABC-BC-BCD-CD-CDE-DE-DEA-EA-EAB-AB控制电路面板线路的设计电路的接线分析画出控制面板上的连接线路如下图所示4.2. 2控制

22、电路简图控制电路是整个工作台运动的核心，也是整个设计中最复杂的部分，因此在 设计中重点研究的对象是整个控制电路的接线过程，下图就是十字工作台的控制 电路简图Y工*台，工i乍刍中,海赣人控制系统电器简图电气接线简图电气接线简图见附件CAD A4图纸4.3操作控制面板操作控制面板如下：2)第五章程序编语言程序设计每调用一次程序，步进电机就按设计规定的方向运动进给。在程序中，设置加速，恒速，减速脉冲计数器，以计数器的值是否为0作为相应过程是否结束的标志，步进电机控制程序框图如下根据运动要求编制的部分子程序清单如下/ DEMODlg.cpp : implementation file/#include

23、 stdafx.h#include DEMO.h#include DEMODlg.h#include CtrlCard.h#include BaseParaSet.h”#include IOTest.h#include adt8940a1.hCCtrlCard g_CtrlCard;#ifdef _DEBUG#define new DEBUG_NEW#undef THIS_FILEstatic char THIS_FILE = _FILE_;#endifextern int effectlogic_x;extern int effectlogic_y;extern int effectlogi

24、c_z;extern int effectlogic_a;extern int registermode;/ CDEMODlg dialogCDEMODlg:CDEMODlg(CWnd* pParent /*=NULL*/):CDialog(CDEMODlg:IDD, pParent)/AFX_DATA_INIT(CDEMODlg)m_nAddX = 0;m_nAddY = 0;m_nAddZ = 0;m_bX = FALSE;m_bY = FALSE;m_bZ = FALSE;m_nPulseX = 0;m_nPulseY = 0;m_nPulseZ = 0;m_nSpeedX = 0;m_

25、nSpeedY = 0;m_nSpeedZ = 0;m_nStartvX = 0;m_nStartvY = 0;m_nStartvZ = 0;m_bDelayStatus = FALSE;m_nDelayTime = 0;m_nSpeedA = 0;m_nStartvA = 0;m_nPulseA = 0;m_bA = FALSE;m_nAddA = 0;m_dTaccX = 0.0;m_dTaccA = 0.0;m_dTaccY = 0.0;m_dTaccZ = 0.0;m_bManualContinue = FALSE;/AFX_DATA_INIT/ Note that LoadIcon

26、does not require a subsequent DestroyIcon in Win32 m_hIcon = AfxGetApp()-LoadIcon(IDR_MAINFRAME);int i;i=g_CtrlCard.Init_Board();“ 小小小小小小小小小小小小小小*初始化 8940A1 卡*设置默认初始速度为500 *m_nStartvX = 500;m_nStartvY = 500;m_nStartvZ = 500;m_nStartvA = 500;/*设置默认驱动速度为1000*=1000;=1000;=1000;=1000;m_nSpeedXm_nSpeedYm

27、_nSpeedZm_nSpeedA /*设置默认加速度为750*m_nAddX= 750;m_nAddY= 750;m_nAddZ= 750;m_nAddA= 750;/*设置默认目标位置为100000*m_nPulseX = 150000;m_nPulseY = 150000;m_nPulseZ = 150000;m_nPulseA = 150000;/* 设置加速时间 *m_dTaccX = 0.2;m_dTaccY = 0.2;m_dTaccZ = 0.2;m_dTaccA = 0.2;* 设置延时时间为 0.1* m_nDelayTime = 0.1;UpdateData(FALSE)

28、;/* 启动定时器 */* 联动按钮动作*/void CDEMODlg:OnButtonPmove()UpdateData(TRUE);long Startv=m_nStartvX,m_nStartvYm_nStart vZ, m_nStartvA; 初始速度驱/long Speed=m_nSpeedX,m_nSpeedY,m_nSpeedZ,m_nSpeedA;动速度long Add =m_nAddX,m_nAddY,m_nAddZ,m_nAddA;加速度if(m_bX)/* 速度设定 */g_CtrlCard.Setup_Speed(1, m_nStartvX, m_nSpeedX, m_

29、nAddX);/*X 轴驱动*/ g_CtrlCard.Axis_Pmove(1, m_nPulseX);if(m_bY )/*速度设定*/g_CtrlCard.Setup_Speed(2, m_nStartvY, m_nSpeedY, m_nAddY);/*Y 轴驱动*/g_CtrlCard.Axis_Pmove(2, m_nPulseY);if(m_bZ )/*速度设定*/g_CtrlCard.Setup_Speed(3, m_nStartvZ, m_nSpeedZ, m_nAddZ);/*Z 轴驱动*/g_CtrlCard.Axis_Pmove(3, m_nPulseZ); if(m_b

30、A )* 速度设定 */g_CtrlCard.Setup_Speed(4, m_nStartvA, m_nSpeedA, m_nAddA);*A 轴驱动*/ g_CtrlCard.Axis_Pmove(4, m_nPulseA);/*插补按钮动作*/ void CDEMODlg:OnButtonInpmove()UpdateData();long Startv=m_nStartvX,m_nStartvYm_nStartvZ,m_nStartvA;/ 初始速度long Speed=m_nSpeedX,m_nSpeedY,m_nSpeedZ,m_nSpeedA;/驱动速度long Add=m_nA

31、ddX,m_nAddY,m_nAddZ,m_nAddA;加速度long Pulse=m_nPulseX,m_nPulseY,m_nPulseZ,m_nPulseA;轴的驱动脉冲数/ double Tacc=m_dTaccX,m_dTaccYm_dTaccZ,m_dTaccA;/ 加速时间停止按钮动作各轴立即停止*/ void CDEMODlg:OnButtonStop() reset_fifo(0);/ 清除缓存for (int i = 1; i=MAXAXIS; i+) g_CtrlCard.StopRun(i,0);/* 实时获取状态 */获取逻辑位置、实际位置、运行速度和驱动状态/ 读取正负限位、stop0、stopl信号/*/ void CDEMODlg:OnTimer(UINT nIDEvent)int status4;for (int i=1; iMAXAXIS+1; i+)g_CtrlCard.Get_CurrentInf(i,log,act,spd);读取逻辑位置、实际位置和运行速度* 显示逻辑位置 */X轴负限位-0X轴正限位一1/X 轴 STOP0