机电一体化专业课程设计项目说明指导书完整版.doc
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1、机电一体化系统综合课程设计课题名称:数控工作台设计阐明书学 院: 机械工程学院专 业: 机械设计制造及其自动化设计成员: 指引教师:季国顺 金成柱 聂欣日 期: 1月7日 设计组号: 7 课题号: 14 目录1、总体方案设计31.1 设计任务41.2 总体方案拟定4 2、机械系统设计52.1 工作台外形尺寸及重量估算6 2.2 导轨参数拟定7 2.3 滚珠丝杆设计计算8 2.4 步进电机选型与计算 10 2.5 机械系统构造设计12 3、控制系统硬件设计 133.1 控制系统硬件构成133.2 控制系统硬件选型153.3 控制系统硬件接口电路设计173.4 驱动系统设计184、控制系统软件设计
2、194.1 控制系统软件总体方案设计214.2 主流程设计224.3 中断服务流程设计234.4 软件调试255、总结26参照文献271、总体方案设计1.1 设计任务题目:两坐标X-Y数控工作台设计任务:设计两轴联动数控X-Y运动平台,完毕机械系统设计、控制系统设计与相应软件编程,依照实验条件进行调试,完毕整个开发系统;每组一题,分别由34位同窗合伙完毕。其重要技术指标如下:1) 工作台型号为HXY-4030;2) 行程规定X=400mm,Y=300mm;3) 工作台面尺寸为CBH240mm254mm15mm;4) 底座外形尺寸为C1B1H1650mm550mm184mm;5) 工作台最大长度
3、L=778mm;6) 工作台负载重量N=500N;7) 工作台最快移动速度vxmax=vymax=1m/min8) X,Y方向重复定位精度为0.02mm;9) X,Y方向定位精度为0.04mm;10) 工作台切削负载小、运动敏捷度高、低速无爬行;11) 定位精度高;12) 构造轻便,建议机座和滑台采用铝合金;13) 原则组件,独立产品;14) 可直接应用于小型钻、铣床。1.2 总体方案拟定1.2.1 方案拟定思想该工作台设计重要分为机械系统部件和控制系统部件,其中机械系统部件重要涉及导轨副、丝杠螺母副、减速装置、伺服电动机和检测装置等,控制系统部件则涉及CPU控制电路、电源设计电路、输入信号电
4、路、输出信号电路、步进电机驱动控制电路等。因X向和Y向机械构造基本相似,故只绘制X向机械系统某些构造简图,如下:考虑在满足设计规定前提下,应尽量采用简洁轻便构造设计和便宜实用可选材料,符合绿色环保当代机械设计理念,由此来拟定最后方案。1.2.2 方案对比分析与拟定(1)方案对比1) 方案一动力源:采用原则工业电源;执行元件:选用混合式步进电机,其特点为输出转矩大、动态性能好、步距角小、驱动电源电流小、功耗低,但构造稍复杂,成本相对较高;导向支承部件:选用直线滚动导轨副,其特点是摩擦因数小,不易爬行,便于安装和预紧,构造紧凑;传动部件:选用滚珠丝杠副,其特点是传动效率高,运动平稳,使用寿命长,运
5、用广泛;减速装置:不使用减速箱,在满足脉冲当量需求时,可以有效简化系统构造,缩小机械尺寸,节约生产成本;检测装置:增量式旋转编码器;系统微控制器:选用MCS-51系列8位单片机AT89C52;2) 方案二动力源:采用原则工业电源;执行元件:选用永磁式步进电机,其特点为不需要太大电流,绕组断电时具备自锁能力,长处是动态性能好、输出转矩大、驱动电流小、电动机不易发热,但制导致本高,步距角较大,配套驱动电源要具备细分功能;导向支承部件:选用滚柱交叉导轨副,其特点是具备较高承载能力和较高刚性,可以获得较高敏捷度和高性能平面直线运动,导向性好,自动定心,滚动摩擦阻力低;传动部件:选用滚珠丝杠副;减速装置
6、:选用无间隙齿轮传动减速箱;检测装置:增量式旋转编码器;系统微控制器:选用可编程程序控制器(PLC);3) 方案三动力源:采用原则工业电源;执行元件:选用反映式步进电动机,其特点为步矩角可达115,甚至更小,精度容易保证,起动和运营频率较高,但功耗较大,效率较低;导向支承部件:选用静压导轨副,其特点是需要将一定压力油或气体介质通入导轨运动件和导向支撑部件之间,使运动件浮在压力油或气体薄膜上,摩擦阻力很小;传动部件:选用滑动丝杠副,其特点是构造简朴,容易制造,减速传动比大,摩擦力大,具备自锁性,但低速或微调时也许浮现爬行现象;减速装置:选用无间隙齿轮传动减速箱;系统微控制器:选用AVR系列Atm
7、ega16;(2)选取分析对比以上三个方案,其重要区别在于步进电动机、导轨副、丝杠螺母副、系统微控制器选取和与否有必要使用减速箱。综合考虑设计任务和方案拟定思想,因系统定位精度和最快移动速度相对并不是很高,故选用性能较好而性价比较高混合式步进电动机已经足够;为了避免爬行现象,同步节约生产成本,且因该设计载荷较低,故选用直线滚动导轨副;滑动丝杠副在低速或微调时也许产生爬行显现,且为了可以满足0.02mm重复定位精度和0.04mm定位精度,故选用滚珠丝杠副;控制系统选用AT89C52单片机,足以满足设计规定且较为便宜;由于本设计中规定系统构造紧凑,且依托步进电动机和滚珠丝杠副已经可以达到所需脉冲当
8、量,因而可以不使用减速箱。综上所述,本设计选用方案一作为合理总体方案。1.2.3 总体方案系统构成(1)机械系统构成1)导轨副选用该设计课题中所规定X-Y工作台规定可直接应用于小型钻、铣床,需要承受载荷不大,但脉冲当量小、定位精度高,因而,决定选用直线滚动导轨副。它具备摩擦系数小、不易爬行、传动效率高、构造紧凑、安装预紧以便等长处。2) 丝杠螺母副选用伺服电动机旋转运动需要通过丝杠螺母副转换成直线运动,要满足0.02mm重复定位精度和0.04mm定位精度,滑动丝杠副无能为力,只有选用滚珠丝杠副才干达到。滚珠丝杠副传动精度高、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。3) 减速
9、装置选用选取了步进电动机和滚珠丝杠副后来,为了圆整脉冲当量,放大电动机输出转矩,减少运动部件折算到电动机转轴上转动惯量,也许需要减速装置,且应有消间隙机构。但本设计中规定系统构造紧凑,且依托步进电动机和滚珠丝杠副已经可以达到所需脉冲当量,因而不使用减速箱。4) 伺服电动机选用任务书规定X,Y方向重复定位精度为0.02mm,由此可以取脉冲当量为0.01mm,则其定位精度未达到微米级,最快移动速度也只规定为1000mm/min。因而,不必采用高档次伺服电动机,只需要选用性能较好步进电动机即可,故在本设计中选用混合式步进电动机,以减少成本,提高性价比。5) 检测装置选用选用步进电动机作为伺服电动机后
10、,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高,为了保证电动机在运转过程中不受切削负载和电网影响而失步,决定采用半闭环控制,拟在电动机尾部转轴上安装增量式旋转编码器,用以检测电动机转角与转速。增量式旋转编码器辨别率应与步进电动机步距角相匹配。考虑到X、Y两个方向加工范畴相似,承受工作载荷相差不大,为了减少设计工作量,X、Y两个坐标导轨副、丝杠螺母副、减速装置、伺服电动机以及检测装置拟采用相似型号与规格。(2)控制系统构成1)设计X-Y工作台规定可直接应用于小型钻、铣床,其控制系统应当具备单坐标定位、两坐标直线插补与圆弧插补基本功能,因此控制系统应当设计成持续控制型。2)
11、对于步进电动机半闭环控制,选用MCS-51系列8位单片机AT89C52作为控制系统CPU,应当可以满足任务书给定有关指标。3)鉴于此系统只考虑步进电机控制,CPU自身资源已经足够,不需要外部引入其他接口扩展电路。考虑控制电路与输出信号电平不一致以及减少干扰等因素,在输入和输出信号之间加入光电耦合器构成信号输入输出电路。4)选取适当驱动电源,与步进电动机配套使用。(3)系统总体框图依照已拟定总体方案绘制系统总体框图如下:2、机械系统设计2.1 工作台外形尺寸及重量估算按照下导轨之上移动部件重量来进行估算。涉及工件、夹具、工作平台、上层电动机、减速箱、滚珠丝杠副、直线滚动导轨副、导轨座等,预计重量
12、约为1200N。2.2 导轨参数拟定(1)滑块承受工作载荷计算及导轨型号选用工作载荷是影响直线滚动导轨副使用寿命重要因素。本例中X-Y工作台为水平布置,采用双导轨、四滑块支承形式。考虑最不利状况,即垂直于台面工作载荷所有由一种滑块承担,则单滑块所受最大垂向载荷为:=1200N/4+500N=800N (2-1)其中移动部件重量1200N,最大外加载荷=500N,故得到单滑块所受最大垂向载荷=800N=0.8kN。查机电一体化系统设计课程设计指引书(下略)表3-41,依照工作载荷=0.7kN,初选直线滚动导轨副型号为KL系列JSA-LG15型,其额定动载荷=7.94 kN,额定静载荷=9.5kN
13、。任务书规定工作台面尺寸CB240mm254mm,行程规定X=400mm,Y=300mm。查表3-35,考虑滑块在工作台底部安装位置,在保证工作行程应留有一定余量前提下,按原则系列选用导轨长度为640mm。(2) 距离额定寿命L计算 上述选用KL系列JSA-LG15型导轨副滚道硬度为60HRC,工作温度不超过100,每根导轨上配有两只滑块,精度为4级,工作速度较低,载荷不大。查表3-36表3-40,分别取硬度系数=1.0,温度系数=1.00,接触系数=0.81,精度系数=0.9,载荷系数=1.5, 代入得距离寿命:5611km(2-2)远不不大于常用球导轨距离盼望寿命50km,故初选型号满足设
14、计规定。2.3 滚珠丝杆设计计算(1) 最大工作载荷计算依照任务书规定不考虑工作台受到铣削力,即=0,受到垂直载荷=500N。已知移动部件总重量G=800N,按矩形导轨进行计算,查表3-29,取颠覆力矩影响系数K=1.1,滚动导轨上摩擦因数=0.005。求得滚珠丝杠副最大工作载荷=1.10+0.005(500+1200)N=8.5N(2-3)(2) 最大动载荷计算依照任务规定,工作台在承受最大铣削力时最快进给速度=1000mm/min,初选丝杠导程=4mm,则此时丝杠转速= 250 r/min。取滚珠丝杠使用寿命T=15000 h,代入,得丝杠寿命系数=225(单位为:106 r)。查表3-3
15、0,取载荷系数=1.2,滚道硬度为60HRC时,取硬度系数=1.0,代入得最大动载荷:42.5N (2-4)(3) 初选型号依照计算出最大动载荷和初选丝杠导程,查表3-32,选取CM系列-5型滚珠丝杠副,为内循环固定反向器单螺母式,其公称直径为20 mm,导程为4 mm,循环滚珠为22.5,精度级别取4级,额定动载荷为9197 N,不不大于,满足规定。 (4)传动效率计算将公称直径=20mm,导程=4mm,代入,得丝杠螺旋升角=433。将摩擦角=10,代入,得传动效率=96.4%。(5) 刚度验算1)X-Y工作台上下两层滚珠丝杠副支承均采用“单推-单推”方式。丝杠两端各采用一对推力角接触球轴承
16、,面对面组配,左、右支承中心距离约为=500mm;钢弹性模量2.1105 Mpa;查表3-32,得滚珠直径=3.175mm,丝杠底径=16.2mm,丝杠截面积=206.12mm2。当丝杠拉伸或压缩变形量在总变形量中所占比重较大时,按进行计算,忽视式中第二项,算得丝杠在工作载荷作用下产生拉/压变形量=6.5440/(2.1105 229.66)mm7.4910-5 mm2) 依照公式,求得单圈滚珠数=20;该型号丝杠为单螺母,滚珠圈数列数为31,代入公式:圈数列数,得滚珠总数量=60。丝杠预紧时,取轴向预紧力=2.17 N。则可求得滚珠与螺纹滚道间接触变形量6.16510-5 mm。由于丝杠加有
17、预紧力,且为轴向负载1/3,因此实际变形量可减小一半,取=3.0810-5 mm。3) 将和代入,求得丝杠总变形量=10.5710-5 mm=0.1057m。查表3-27可知,4级精度滚珠丝杠在有效行程在315mm时,行程偏差为25,可见丝杆刚度足够。(6) 压杆稳定性校核滚珠丝杠属于受轴向力细长杆,失稳时临界载荷应满足。查表3-31,取支承系数=1;由丝杠底径=16.2mm,求得截面惯性矩3380.88mm4;压杆稳定安全系数取3(丝杠卧式水平安装);滚动螺母至轴向固定处距离取最大值500mm),得临界载荷 9343N,远不不大于工作载荷=6.5N,故丝杠不会失稳。综上所述,初选滚珠丝杠副满
18、足使用规定。2.4 步进电机选型与计算(1) 计算加在步进电动机转轴上总转动惯量已知滚珠丝杠公称直径=20mm,总长=440mm,导程=4mm,材料密度=7.8510-3 kg/cm3;移动部件总重量G=1200N。参照表4-1,算得各个零部件转动惯量:滚珠丝杠转动惯量=0.543kgcm2,拖板折算到丝杠上转动惯量=0.331kgcm2。因系统脉冲当量为0.01mm/脉冲,系统传动比为1,滚珠丝杠导程为4mm,故初选步进电动机型号为90BYG2502,二相四拍驱动时步距角为0.9,从表4-5查得该型号电动机转子转动惯量=4kgcm2。则加在步进电动机转轴上总转动惯量为:=4+(0.331+0
19、.543)/1kgcm2=4.874kgcm2(2) 计算加在步进电动机转轴上等效负载转矩分迅速空载起动和承受最大工作负载两种状况进行计算。1) 迅速空载起动时电动机转轴所承受负载转矩涉及三某些:一某些是迅速空载起动时折算到电动机转轴上最大加速转矩;一某些是移动部件运动时折算到电动机转轴上摩擦转矩;尚有一某些是滚珠丝杠预紧后折算到电动机转轴上附加摩擦转矩。由于滚珠丝杠副传动效率很高,相对于和很小,可以忽视不计。则有: (2-5)考虑传动链总效率,计算迅速空载起动时折算到电动机转轴上最大加速转矩:其中,为相应空载最快移动速度步进电动机最高转速,单位为r/min:已知空载最快移动速度=1000mm
20、/min,步进电动机步距角=0.9,脉冲当量=0.01mm/脉冲,代入以上各值得=250r/min。设步进电动机由静止到加速至转速所需时间=0.4s,传动链总效率=0.7。则可求得:Nm0.0456Nm移动部件运动时,折算到电动机转轴上摩擦转矩为: (2-6)其中,已知滚动导轨摩擦因数=0.005,空载时垂直方向铣削力=0,得:Nm3.63810-3Nm故求得迅速空载起动时电动机转轴所承受负载转矩:=0.0492Nm2)最大工作负载状态下电动机转轴所承受负载转矩也涉及三某些:一某些是折算到电动机转轴上最大工作负载转矩;一某些是移动部件运动时折算到电动机转轴上摩擦转矩;尚有一某些是滚珠丝杠预紧后
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