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機(jī)電專業(yè)課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書
設(shè)計(jì)題目：二坐標(biāo)數(shù)控工作臺(tái)設(shè)計(jì)
學(xué) 院：
班 級(jí)：
設(shè) 計(jì) 者：
指導(dǎo)老師：
完成日期：
學(xué) 校：
目錄
一、機(jī)電專業(yè)課程設(shè)計(jì)目的…………………………………………………3
二、總體方案設(shè)計(jì)…………………………………………………………… 3
三、機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)…………………………………………………………… 4
1、計(jì)工作臺(tái)外形尺寸及重量估算………………………………………………4
2、電動(dòng)機(jī)滾動(dòng)導(dǎo)軌的參數(shù)確定…………………………………………………5
3、滾珠絲杠的設(shè)計(jì)計(jì)算 ………………………………………………………5
4、步進(jìn)電機(jī)的選用………………………………………………………………7
5、確定聯(lián)軸器的型號(hào)……………………………………………………………11
四、繪制裝配圖…………………………………………………………………11
五、電氣原理圖設(shè)計(jì)……………………………………………………………12
1、功率單片機(jī)的選擇…………………………………………………………12
2、外部程序存儲(chǔ)器的擴(kuò)展……………………………………………………12
3、外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的擴(kuò)展 ……………………………………………………13
4、I/O口擴(kuò)展電路……………………………………………………………13
5、顯示器接口設(shè)計(jì)……………………………………………………………13
6、鍵盤接口電路設(shè)計(jì)…………………………………………………………13
7、步進(jìn)電機(jī)的接口電路設(shè)計(jì)…………………………………………………13
8、其他…………………………………………………………………………14
六、參考文獻(xiàn)……………………………………………………………………14
一、機(jī)電專業(yè)課程設(shè)計(jì)目的
本課程設(shè)計(jì)是學(xué)生在完成專業(yè)課程學(xué)習(xí)后，所進(jìn)行的機(jī)電一體化設(shè)備設(shè)計(jì)的綜合性訓(xùn)練。通過(guò)該環(huán)節(jié)達(dá)到下列目的：（1）鞏固和加深專業(yè)課所學(xué)的理論知識(shí)；（2）培養(yǎng)理論聯(lián)系實(shí)際，解決工程技術(shù)問(wèn)題的動(dòng)手能力；（3）進(jìn)行機(jī)電一體化設(shè)備設(shè)計(jì)的基本功訓(xùn)練，包括以下10方面基本功：1）查閱文獻(xiàn)資料；2)分析與選擇設(shè)計(jì)方案；3）機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；4）電氣控制原理設(shè)計(jì)；5）機(jī)電綜合分析；6）繪工程圖；7）運(yùn)動(dòng)計(jì)算和精度計(jì)算；9）撰寫設(shè)計(jì)說(shuō)明書；10）貫徹設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。
二、總體方案設(shè)計(jì)
2.1 設(shè)計(jì)任務(wù)
（1）題目：二坐標(biāo)數(shù)控工作臺(tái)設(shè)計(jì)。
（2）設(shè)計(jì)內(nèi)容及要求：
1）工作臺(tái)總裝圖一張（0號(hào)）
2）控制電氣圖一張（1號(hào)）
3）設(shè)計(jì)說(shuō)明書一份（10-20頁(yè)）
4）具體設(shè)計(jì)參數(shù)如下：
臺(tái)面尺寸： 行程X：120；Y:120
定位精度：
典型工藝參數(shù)：臺(tái)面速度 X: ，Y：；
進(jìn)給抗力 X: 75N； Y: 100N；
工作物重：8。
2.2 總體方案確定
（1）系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方式與伺服系統(tǒng)
由于工件在移動(dòng)的過(guò)程中受到負(fù)載力較小，為了簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，降低成本，采用步進(jìn)電機(jī)開環(huán)伺服系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)X-Y工作臺(tái)。
（2）計(jì)算機(jī)系統(tǒng)
本設(shè)計(jì)采用了與MCS-51系列的8031單片機(jī)控制系統(tǒng)。它的主要特點(diǎn)是集成度高，可靠性好，功能強(qiáng)，速度快，有較高的性價(jià)比，且易擴(kuò)展。
MCS-51的程序存儲(chǔ)器空間為64K字節(jié)。對(duì)于片內(nèi)無(wú)ROM的單片機(jī)8031，需進(jìn)行程序存儲(chǔ)器的擴(kuò)展。本控制系統(tǒng)由由8031型單片機(jī)、數(shù)據(jù)鎖存器74LS373、存儲(chǔ)器EPROM2764、RAM6264、地址譯碼器74LS138、并行I/O接口8255等集成電路構(gòu)成
（3）X-Y工作臺(tái)的傳動(dòng)方式
為保證一定的傳動(dòng)精度和平穩(wěn)性，又要求結(jié)構(gòu)緊湊，所以選用絲杠螺母?jìng)鲃?dòng)副。為提高傳動(dòng)剛度和消除間隙，采用預(yù)加負(fù)荷的結(jié)構(gòu)。
由于工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)載荷不大，因此采用直線滾珠導(dǎo)軌。采用滾珠導(dǎo)軌可減少兩個(gè)相對(duì)運(yùn)動(dòng)面的動(dòng)、靜摩擦系數(shù)之差，從而提高運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性，減小振動(dòng)。
考慮電機(jī)步距角和絲桿導(dǎo)程只能按標(biāo)準(zhǔn)選取，為達(dá)到分辨率和結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的要求，盡可能使傳動(dòng)比為1。
三、機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)
3.1、工作臺(tái)外形尺寸及重量估算
由臺(tái)面尺寸為250×200，查課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書表3-23，估計(jì)取工作臺(tái)厚度30mm，則重量：按重量=體積×材料比重估算
X向拖板（上拖板）：估計(jì)上絲桿長(zhǎng)度，由，余程查表5-4取20mm，則絲桿長(zhǎng)度約為400。電動(dòng)機(jī)約2kg，托板和導(dǎo)軌合估計(jì)為
工作物重為8kgX10N/Kg=80N
則X-Y工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)部分的總重量：約333N。
3.2、滾動(dòng)導(dǎo)軌的參數(shù)確定
⑴、導(dǎo)軌型式：直線滾動(dòng)導(dǎo)軌
⑵、導(dǎo)軌長(zhǎng)度
①X向?qū)к墸ㄉ希?
取動(dòng)導(dǎo)軌長(zhǎng)度 mm
動(dòng)導(dǎo)軌行程 mm
余程約為 mm
支承導(dǎo)軌長(zhǎng)度 mm
計(jì)算四滑塊的載荷，工作臺(tái)重量333N，假設(shè)重物處于臺(tái)中央，然后擴(kuò)大載荷2倍。
擴(kuò)大后204N。
計(jì)算需要的動(dòng)載荷 ，
查長(zhǎng)方資料得： ，，，，。
代入數(shù)據(jù)得，由資料3-20取滾動(dòng)導(dǎo)軌型號(hào)為：LY15AL，額定動(dòng)載荷為605N，滿足要求。
② Y向?qū)к墸ㄏ拢?
mm mm mm
mm
取值330mm
計(jì)算四滑塊的載荷，總重量333N，假設(shè)重物處于臺(tái)中央，然后擴(kuò)大載荷2倍。
擴(kuò)大后216.5N。
計(jì)算需要的動(dòng)載荷 ，查長(zhǎng)方資料得：，，，，。代入數(shù)據(jù)得，由資料3-20取滾動(dòng)導(dǎo)軌型號(hào)為：LY15AL，額定動(dòng)載荷為605N，滿足要求。
3.3、滾珠絲杠的設(shè)計(jì)計(jì)算
①X絲杠（上）
由表5-3，初選滾珠絲杠的基本導(dǎo)程為5mm。
根據(jù)式（3-1） 其中，為絲杠有效行程，為絲杠螺紋全長(zhǎng)，余程，根據(jù)表5-4，取余程20mm，則=375mm。
滾珠絲杠副的計(jì)算軸向動(dòng)載荷為
其中 ,
取滾動(dòng)導(dǎo)軌的摩擦系數(shù)為（淬火鋼滾珠導(dǎo)軌的摩擦系數(shù)）
查表：，，，，，，，
代入數(shù)據(jù)，得,查閱工廠資料，取第2個(gè),其額定動(dòng)載荷為8451N,足夠用。
②Y絲杠（下）
由表5-3，初選滾珠絲杠的基本導(dǎo)程為5mm。
根據(jù)式（3-1） 其中，為絲杠有效行程，為絲杠螺紋全長(zhǎng)，余程，根據(jù)表5-4，取余程20mm。
則=310mm。
滾珠絲杠副的計(jì)算軸向動(dòng)載荷為
其中 ,
取滾動(dòng)導(dǎo)軌的摩擦系數(shù)為0.03.
查表：，，，，，，，
代入數(shù)據(jù)，得,查閱工廠資料，取第2個(gè),其額定動(dòng)載荷為8451N,足夠用。
3.4、 步進(jìn)電機(jī)的選用
①Y電機(jī)（下）
⑴、脈沖當(dāng)量選擇
初選五相電機(jī)，按五相十拍工作時(shí)，步距角，由于要求平臺(tái)定位精度： ，取定位精度的（）。初定脈沖當(dāng)量，中間齒輪傳動(dòng)比為
，
（2）、等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算
滾珠絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（不計(jì)傳動(dòng)效率）
Y以上平臺(tái)和工作物重總重折算到軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量
因此，折算到電機(jī)軸上的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量
。
（3） 、等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩計(jì)算(以下均為折算到電機(jī)軸的轉(zhuǎn)矩）
由式（4-7）-（4-9）可知：
—滾珠絲杠未預(yù)緊時(shí)的傳動(dòng)效率,取0.90
上式中 為絲杠預(yù)緊時(shí)的傳動(dòng)效率，取0.8，
為預(yù)緊力，
取
取啟動(dòng)加速時(shí)間
查表，初選電動(dòng)機(jī)型號(hào)75BF006,矩頻特性如下圖所示
最大靜轉(zhuǎn)矩
轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 , =1500Hz.
故
從上可知，最大 滿足要求。
（4) 步進(jìn)電機(jī)動(dòng)態(tài)特性校驗(yàn)
說(shuō)明慣量可以匹配。
電機(jī)帶慣量最大啟動(dòng)頻率
大于，所以與對(duì)應(yīng)的最大靜轉(zhuǎn)矩校核，顯然滿足要求。
綜上所述，可選該型號(hào)的步進(jìn)電機(jī)，具有一定的裕量。
①X電機(jī)（上）
⑴、脈沖當(dāng)量選擇
初選五相電機(jī)，按五相十拍工作時(shí)，步距角，由于要求平臺(tái)定位精度： ，取定位精度的（）。初定脈沖當(dāng)量，中間齒輪傳動(dòng)比為
，
（2）、等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算
滾珠絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（不計(jì)傳動(dòng)效率）
Y以上平臺(tái)和工作物重總重折算到軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量
因此，折算到電機(jī)軸上的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量
。
（4） 、等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩計(jì)算(以下均為折算到電機(jī)軸的轉(zhuǎn)矩）
由式（4-7）-（4-9）可知：
—滾珠絲杠未預(yù)緊時(shí)的傳動(dòng)效率,取0.90
上式中 為絲杠預(yù)緊時(shí)的傳動(dòng)效率，取0.8，
為預(yù)緊力，
取
取啟動(dòng)加速時(shí)間
查表，初選電動(dòng)機(jī)型號(hào)75BF006,矩頻特性如下圖所示
最大靜轉(zhuǎn)矩
轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 , =1500Hz.
故
從上可知， 最大， 滿足所需的轉(zhuǎn)矩要求。
（5) 步進(jìn)電機(jī)動(dòng)態(tài)特性校驗(yàn)
說(shuō)明慣量可以匹配。
電機(jī)帶慣量最大啟動(dòng)頻率
大于，所以與對(duì)應(yīng)的最大靜轉(zhuǎn)矩校核，顯然滿足要求。
綜上所述，可選該型號(hào)的步進(jìn)電機(jī)，具有一定的裕量。
3.5、確定聯(lián)軸器的型號(hào)
由于數(shù)控平臺(tái)有沖擊，且電動(dòng)機(jī)工作時(shí)經(jīng)常變速，故選用撓性聯(lián)軸器。查閱參考書表10-43
選用A23型聯(lián)軸器。
計(jì)算聯(lián)軸器的轉(zhuǎn)矩：
由估算功率摩擦力作用很小，可忽略：
小于聯(lián)軸器的允許轉(zhuǎn)矩，且工作速度遠(yuǎn)小于允許最高轉(zhuǎn)速25000.故滿足要求。
四、繪制裝配圖
1.標(biāo)注裝配圖尺寸、配合與精度等級(jí)。包括特性尺寸、最大體形尺寸、安裝尺寸和主要零件的配合尺寸。
2.寫出工作臺(tái)的技術(shù)特征。
3.編寫技術(shù)要求。
4.對(duì)所有零件進(jìn)行編號(hào)。
5.列出零件明細(xì)表及標(biāo)題欄。
6檢查裝配圖。
五、電氣原理圖設(shè)計(jì)
典型數(shù)控工作臺(tái)電氣原理圖的說(shuō)明
1.典型數(shù)控工作臺(tái)電氣原理圖的說(shuō)明
單片機(jī)是把微型計(jì)算機(jī)的主要部分都集成在一個(gè)芯片上的單芯片微型計(jì)算機(jī),因而可以把它看成是一個(gè)不帶外部設(shè)備的微型計(jì)算機(jī)。不同系列的單片機(jī)共同的特點(diǎn)是：控制功能強(qiáng)；體積??；功耗低；成本低。
由于上述優(yōu)越性能，單片機(jī)已在工業(yè)、民用、軍用等工業(yè)控制領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，特別是隨著數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，它在很大程度上改變了傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。在軟件和擴(kuò)展接口支持下，單片機(jī)可以代替以往由模擬和數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)。
如電氣原理圖所示的就是通過(guò)單片機(jī)及其外圍接口實(shí)現(xiàn)的二坐標(biāo)數(shù)控工作臺(tái)電氣原理圖。它由8031型單片機(jī)、數(shù)據(jù)鎖存器74LS373、存儲(chǔ)器EPROM2764、RAM6264、地址譯碼器74LS138、并行I/O接口8255等集成電路構(gòu)成。下面分別說(shuō)明它們?cè)谡麄€(gè)控制部分中的功能、用法及其選擇原則。
1）單片機(jī)的選擇
設(shè)計(jì)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)，首先要設(shè)計(jì)其核心的單片機(jī)系統(tǒng)。從一開始就有一個(gè)單片機(jī)芯片選型問(wèn)題。面對(duì)不同字長(zhǎng)，如4位、8位、16位，各具特色的單片機(jī)芯片如何進(jìn)行選擇。首先要滿足所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的功能和性能要求；其次要選擇價(jià)格較低的芯片，不要盲目追求過(guò)多功能和過(guò)高性能；另外要選擇那些在國(guó)內(nèi)有成熟的開發(fā)系統(tǒng)和穩(wěn)定的供貨來(lái)源。如采用流行普遍使用的芯片，資料豐富，能有效地縮短開發(fā)周期。
本課程設(shè)計(jì)目的是設(shè)計(jì)一種經(jīng)濟(jì)型的二坐標(biāo)數(shù)控工作臺(tái)，其功能比較簡(jiǎn)單，成本低。因而這里選用MCS-51系列的8031單片機(jī)作為CPU，它具有良好的性能價(jià)格比，且易擴(kuò)展。
2）外部程序存儲(chǔ)器的擴(kuò)展
MCS-51的程序存儲(chǔ)器空間為64K字節(jié)。對(duì)于片內(nèi)無(wú)ROM的單片機(jī)（如8031），或當(dāng)單片機(jī)內(nèi)部程序存儲(chǔ)器容量不夠時(shí)，進(jìn)行程序存儲(chǔ)器的擴(kuò)展是必不可缺的。半導(dǎo)體存儲(chǔ)器EPROM、EEPROM、ROM等在原理上都可用作單片機(jī)的外部程序存儲(chǔ)器。由于EPROM價(jià)格低廉，性能可靠，所以單片機(jī)外部擴(kuò)展的程序存儲(chǔ)器一般為EPROM芯片（紫外線可擦除、電可編程的只讀存儲(chǔ)器），掉電后信息不會(huì)丟失。在選擇外部程序存儲(chǔ)器電路時(shí)，應(yīng)注意電路的讀取時(shí)間能否與MCS-51的PESN信號(hào)匹配。其片選端接地。
由于本設(shè)計(jì)程序容量不大，因而選用2764作為外部程序存儲(chǔ)器。
3）外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的擴(kuò)展
對(duì)大多數(shù)控制性應(yīng)用場(chǎng)合，MCS-51系列單片機(jī)內(nèi)部RAM已能滿足系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的要求。對(duì)需要較大容量數(shù)據(jù)緩沖器的應(yīng)用系統(tǒng)，就需要在單片機(jī)的外部擴(kuò)展數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。
在電氣原理圖中根據(jù)設(shè)計(jì)功能要求選用一片6264作為外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。圖中其高5位地址線A8～A12由8031的P2.0~P2.4口線提供，低8位地址線A0~A7接地址鎖存器74LS373輸出端。讀、寫控制信號(hào)分別接8031的RD、WE。其片選信號(hào)通過(guò)地址譯碼法進(jìn)行選通。
4）I/O口擴(kuò)展電路
本課程設(shè)計(jì)因采用步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)裝置。為了降低成本，特采用可編程外圍并行接口芯片8255。使其不僅完成驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的功能，同時(shí)完成與鍵盤/顯示器的接口操作功能。
5）顯示器接口設(shè)計(jì)
電氣原理圖中，由10片共陽(yáng)極LED顯示塊拼成10位LED顯示器。為了簡(jiǎn)化硬件電路，采用動(dòng)態(tài)顯示方式。即所有位的段選線相應(yīng)地并聯(lián)在一起，由8031的P1.0~P1.7口來(lái)控制LED顯示器的段碼，而各位的位選線分別由相應(yīng)的I/O口線控制。即PC0~PC7、PB6~PB7共10個(gè)I/O口線控制，實(shí)現(xiàn)各位的分時(shí)選通。為了保證各位LED能夠顯示出本位相應(yīng)的顯示字符，而不出現(xiàn)閃爍，導(dǎo)致人眼看不清，必須根據(jù)人眼視覺(jué)暫留現(xiàn)象，選擇一個(gè)合適的掃描頻率。圖中選用74LS07進(jìn)行同相驅(qū)動(dòng)。
6）鍵盤接口電路設(shè)計(jì)
鍵盤實(shí)質(zhì)上是一組按鍵開關(guān)的集合。電氣原理圖中采用矩陣式鍵盤接口，鍵盤接口電路通過(guò)8255（U5）的PA0~PA3和PC0~PC7、PB6~PB7構(gòu)成行、列線。按照逐行逐列地檢查鍵盤狀態(tài)（即掃描）來(lái)確定閉合鍵的位置。
7）步進(jìn)電機(jī)的接口電路設(shè)計(jì)
對(duì)于本課程設(shè)計(jì)中選用的步進(jìn)電機(jī)，為五相，無(wú)論它工作在什么方式，都需要五路控制電路，并且每一路對(duì)應(yīng)于步進(jìn)電機(jī)的一相。而每一路控制電路的結(jié)構(gòu)是一樣的。
電氣原理圖中通過(guò)8255（U5）的PB0~PB4分別控制X方向步進(jìn)電機(jī)的五相。對(duì)于Y軸步進(jìn)電機(jī)通過(guò)8255（U6）的PC0~PC4分別控制Y方向步進(jìn)電機(jī)的五相。
8）其他
（1）電源 整個(gè)系統(tǒng)的供電部分由[3]圖4-11提供。
（2）限位開關(guān)及其反饋信號(hào)檢測(cè)
選擇限位開關(guān)時(shí)可根據(jù)額定電壓、額定電流、開啟頻率、觸點(diǎn)數(shù)等參數(shù)進(jìn)行。選擇行程開關(guān)，安裝于導(dǎo)軌的兩端。其作用是控制信號(hào)的通斷，然后由單片機(jī)系統(tǒng)檢測(cè)該信號(hào)的有無(wú)，實(shí)現(xiàn)控制電機(jī)的換向與否的目的。
原理圖中通過(guò)8255（U5）的PA4~PA7口檢測(cè)步進(jìn)電機(jī)是否到位，從而采取相應(yīng)的控制措施。
六、參考文獻(xiàn)：
[1] 濮良貴主編 . 機(jī)械設(shè)計(jì) . 第七版 . 北京： 高等教育出版社 ， 2001
[2] 吳宗澤主編 . 機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)手冊(cè) .第二版 .北京 .高等教育出版社 . 1999
[3] 樓應(yīng)侯、潘曉彬、鄭堤、崔玉國(guó)、胡利永等編 . 機(jī)械電子工程專業(yè)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書
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