機電一體化課程設(shè)計說明書XY數(shù)控工作臺機電系統(tǒng)設(shè)計

1、機電一體化課程設(shè)計說明書設(shè)計題目：xy數(shù)控工作臺機電系統(tǒng)設(shè)計學 號：姓 名： 指導(dǎo)教師： 成 績：日 期：一、課程設(shè)計的意義和目的機電一體化系統(tǒng)是綜合多個學科的系統(tǒng),包括機械技術(shù),傳感器技術(shù),測試技術(shù),電子技術(shù)和控制技術(shù),信息與計算機技術(shù)。它極大推動了機械工業(yè),兵器行業(yè)及其他行業(yè)的發(fā)展。其技術(shù)結(jié)構(gòu),產(chǎn)品結(jié)構(gòu),技術(shù)功能與構(gòu)成,生產(chǎn)方式和管理體系均發(fā)生了巨大的變化。使工業(yè)生產(chǎn)由機械電氣化邁進到機電一體化為特征的數(shù)字化,自動化,高精度,微型化,多功能化,智能化的時代。結(jié)合精密機械控制是現(xiàn)代機械的一個重要方向，它能使機械加工的精度又提高一個層次，主要技術(shù)是用微機、單片機等現(xiàn)代高科技儀器來控制步進電機，

2、再通過步進電機來實現(xiàn)精密的工作臺控制。這個由微機或單片機、或者運動控制卡、步進電機、機械工作機構(gòu)組成的十字滑臺運動控制系統(tǒng)就是一個很簡單的機電一體化的系統(tǒng)。讓我們由這樣簡單的機電一體化系統(tǒng)重新復(fù)習學過的知識, 接觸機電一體化系統(tǒng), 了解x-y運動平臺的工作原理及機械結(jié)構(gòu)組成，畫出運動控制平臺的結(jié)構(gòu)簡圖；自行完成x-y運動平臺、控制箱、pc機及mpc07型運動控制卡之間的電路設(shè)計并連接；利用已學過的visualbasic語言，針對mpc07運動控制卡進行面向單軸控制的程序設(shè)計，實現(xiàn)mpc07運動控制卡控制軸尋址、控制軸運動規(guī)劃，通過p、i、d參數(shù)設(shè)定，速度、加速度及位置參數(shù)設(shè)定，來實現(xiàn)mpc07

3、型運動控制卡兩軸聯(lián)動運動程序設(shè)計。這次課程設(shè)計是大學期間最后一次課程設(shè)計，必須以畢業(yè)設(shè)計的標準來要求來做，熟悉畢業(yè)設(shè)計的整體流程和規(guī)范，為下學期的畢業(yè)設(shè)計打下一定的基礎(chǔ),另外也是為工作作好準備。二、具體要求設(shè)計一個銑床的十字滑臺：1）立銑刀最大直徑d=10mm；2）立銑刀齒數(shù)z=3；3）最大銑削寬度ae=15mm；4）最大背吃刀量ap=10mm；5）加工材料為碳素鋼；6）x、y方向的脈沖當量x=y=0.005mm/脈沖；7）x、y方向的定位精度均為±0.01mm；8）工作臺面尺寸為230mmx230mm，加工范圍為250mmx250mm；9）工作臺空載最快移動速度vxmax=vyma

4、x=2000mm/min；10）工作臺進給最快移動速度vxmaxf=vymaxf=300mm/min。11) 每齒進給量f=0.1mm12）銑刀轉(zhuǎn)速n=250-1500r/min三、總體方案的確定 1、總體方案設(shè)計 （1） 機械傳動部件的選擇1、導(dǎo)軌副的選用 由于需承受載荷不大，但脈沖當量小、定位精度高，因此，選用直線滾動導(dǎo)軌副，它具有摩擦系數(shù)小、不易爬行、傳動效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、安裝預(yù)緊方便等優(yōu)點。2、螺旋機構(gòu)運動部件導(dǎo)向機構(gòu) 由旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)為直線運動可通過絲杠螺母副，要滿足0.005mm的脈沖當量和±0.01mm的定位精度，滑動絲杠副無能為力，故只有選用滾珠絲杠副才能達到。滾珠絲杠副

5、的傳動精度高，動態(tài)響應(yīng)快、運轉(zhuǎn)平穩(wěn)、壽命長、效率高、預(yù)緊后可消除反向間隙。3、減速裝置的選用 步進電動機和滾珠絲杠副以后，為了圓整脈沖當量，放大電動機的輸出轉(zhuǎn)矩，降低運動部件折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的轉(zhuǎn)動慣量，可能需要減速裝置，且應(yīng)有消除間隙機構(gòu)。4、電動機的選用 脈沖當量達到0.005mm，定位精度也未達到微米級，空載最快移動速度也只有2000mm/min。因此，本例設(shè)計不必采用高檔次的伺服電動機，如交流電動機或直流伺服電動機等，可選用性能好的步進電動機，如混合式步進電動機，以降低成本，提高性價比。5、檢測裝置的選用 選用半閉環(huán)系統(tǒng)，利用接近開開關(guān)設(shè)置原點和限位。（2） 控制系統(tǒng)的設(shè)計1、 控制器

6、的選擇控制器的選擇較多，如單片機與接口電路、運動動控制卡等。本例中采用pc+運動控制卡，型號為mpc07。2、整體方案框圖四、 伺服系統(tǒng)機械傳動部件設(shè)計 1、導(dǎo)軌上移動部件的重量估算按照上導(dǎo)軌上面移動部件的重量來進行估算。包括工件、夾具、工作平臺、滾珠絲杠副、導(dǎo)軌座等，估計重量約為600n。2、切削力計算 設(shè)零件的加工方式為立式銑削，采用硬質(zhì)合金立銑刀，工件的材料為碳鋼。則由查3-7表1（機電一體系統(tǒng)設(shè)計課程設(shè)計，尹志強合肥工業(yè)大學，機械工業(yè)出版社），查得立銑時的銑削力計算公式為: fc=118afd-0.73ap1.0n0.13z (1-1) 今選擇銑刀直徑d=10mm，齒數(shù)z=3，為了計算

7、最大銑削力，在不對稱銑削情況下，取最大銑削寬度ae=15mm，背吃刀量ap=10mm，每齒進給量fz=0.1mm，銑刀轉(zhuǎn)速n=300r/min。則由式（1-1）求得最大銑削力：fc=118150.850.110-0.73101.03000.1332540n采用立銑刀進行圓柱銑削時，各銑削力之間的比值可由表2-3-5查得，結(jié)合圖2，考慮逆銑時的情況，可估算三個方向的銑削力分別為：縱向進給力 ff=1.1fc2794n橫向進給力 fe=0.38fc966n垂直進給力ffn=0.25fc635n3、直線滾動導(dǎo)軌副的計算與選型(1) 滑塊承受工作載荷fmax的計算及導(dǎo)軌型號的選取 工作載荷是影響直線滾

8、動導(dǎo)軌副使用壽命的重要因素。本例中的x-y工作臺為水平布置，采用雙導(dǎo)軌、四滑塊的支撐形式?？紤]最不利的情況，即垂直于臺面的工作載荷全部由一個滑塊承擔，則單滑塊所受的最大垂直方向載荷為: fmax=g/4+f ············（1-3）其中，移動部件重量g=600n，外加載荷f=fz=966n ，代入式（1-3），得最大工作載荷fmax=1116n.選擇thk公司的產(chǎn)品，根據(jù)工作載荷fmax=1.116kn，初選直線滾動導(dǎo)軌副的型號為hsr55la 12r m型，其額定

9、動載荷ca=4.7kn，額定靜載荷coa=8.53kn。（見附表）任務(wù)書規(guī)定工作臺面尺寸為230mm x 230mm，加工范圍為250mm x 250mm，考慮工作行程應(yīng)留一定余量，按標準系列，選取導(dǎo)軌的長度為500mm。（2） 距離額定壽命l的計算 每根導(dǎo)軌上配有兩只滑塊，精度為4級，工作速度較低，載荷不大。分別取硬度系數(shù)fh=1.0、溫度系數(shù)ft=1.00、接觸系數(shù)fc=0.81、精度系數(shù)fr=0.9、載荷系數(shù)fw=1.5，代入式得距離壽命： l=遠大于期望值50km，故距離額定壽命滿足要求。4、滾動絲杠螺母副的計算與選型 （1） 最大工作載荷fm的計算 如前頁所述，在立銑時，工作臺受到進

10、給方向的載荷（與絲杠軸線平行）fx=2794n，受到橫向的載荷（與絲杠軸線垂直）fy=635n，受到垂直方向的載荷（與工作臺面垂直）fz=966n。已知移動部件重量g=600n，按矩形導(dǎo)軌進行計算，查表3-29，取顛覆力矩影響系數(shù)k=1.1，滾動導(dǎo)軌上的摩擦因數(shù)u=0.005。求得滾珠絲杠副的最大工作載荷：fm=kfx+u（fz+fy+g）=3084n(2) 最大動載荷fq的計算 設(shè)工作臺在承受最大銑削力時的最快經(jīng)給速度 v=300mm/min,初選絲杠導(dǎo)程ph=6mm，則此時絲杠轉(zhuǎn)速n=v/ph=50r/min。取滾珠絲杠的使用壽命t=15000h，代入lo=60nt/106,取絲杠壽命系數(shù)

11、lo=45（單位為：106r）取載荷系數(shù)fw=1.2，滾道硬度為60hrc時，取硬度系數(shù)fh=1.0，代入式求得最大動載荷： fq=13171n（3） 初選型號 根據(jù)計算出的最大動載荷和初選的絲杠導(dǎo)程，選擇thk公司的dik 2906-6型絲桿，為單一螺母內(nèi)壓式，其公稱直徑為28mm，導(dǎo)程為5mm，額定動載荷為23.4kn，額定靜載荷為10.5kn，負載回路數(shù)為3列×1圈。（見附表）（4） 傳動效率的計算 將公稱直徑do=28mm，導(dǎo)程ph=5mm，代入=arctanph/do，得絲杠螺旋升角=3.9°。將摩擦角代入=tan/tan（+）得傳動效率=96.0%。（5） 剛度

12、的驗算1） x-y工作臺上下兩層滾珠絲杠副的支撐均采用“單推-單推”的方式，見圖3。絲杠的兩端各采用一對推力角接觸球軸承，面對面組配，左、右支承的中心距離約為a=500mm；查得絲桿的剛性強度為k=530n/um,算得絲杠在工作載荷fm的作用下產(chǎn)生的拉/壓變形量1=fm/5300.0058mm。絲杠預(yù)緊時，取軸向預(yù)緊力fyj=fm/3=1028n。求得滾珠與螺紋滾道間的接觸變形量2=0.0019mm。因為絲杠加有預(yù)緊力，且為軸向負載的1/3，所以實際變形量可減小一半，取2=0.0009mm。將以上算出的1和2代入總=1+2，求得絲杠總變形量（對應(yīng)跨度500mm）總=0.0067mm=6.7um

13、。根據(jù)有效行程330mm，查表3-27符合要求。（6） 壓桿穩(wěn)定性校核 根據(jù)公式fk=計算失穩(wěn)時的臨界載荷fk，查表3-34，取得支承系數(shù)fk=1（單推-單推）；由絲杠低經(jīng)d2=28mm，求得截面慣性矩i=；壓桿穩(wěn)定安全系數(shù)k取3（絲杠臥式水平安裝）；滾動螺母至軸向固定處的距離a取最大值500mm。代入式fk=，得臨界載荷fk=7414n,遠大于工作載荷fm=3089n，故絲杠不會失穩(wěn)。綜上所述，初選的滾珠絲杠副滿足使用要求。6、 步進電機的計算與選型取a=1（不需要減速器），ph=5，s=0.005mm，得e=0.36°（1） 計算加在步進電動機轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動慣量jeq 已知：滾珠

14、絲杠的公稱直徑do=28mm，總長l=500mm，材料密度=7.85x10-3kg/cm3；移動部件總重力g=600n如表4-1所示，算得各個部件的轉(zhuǎn)動慣量如下：滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動慣量js=0.404kg·cm2；托板折算到絲杠上的轉(zhuǎn)動慣量jw=0.219kg·cm2 初選步進電動機型號為杭州中達110byg550ch型五相混合式電機，步距角0.36o，查得該型號電動機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量jm=11.3kg·cm2.（1g·cm·s2=9.8×10-5kg·m2 ）則加在步進電動機轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動慣量為：jeq=jm+jw+js=11.

15、92kg·cm2（2）計算加在步進電動機轉(zhuǎn)軸上的等效負載轉(zhuǎn)矩teq 分快速空載起動和承受最大工作負載兩種情況進行計算。1） 快速空載起動時電動機轉(zhuǎn)軸所承受的負載轉(zhuǎn)矩teq1由式teq1= tamax+ tf+ to可知，teq1包括三部分：一部分是快速空載起動時折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的最大加速轉(zhuǎn)矩tamax；一部分是移動部件運動時折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩tf ；還有一部分是滾珠絲杠預(yù)緊后折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的附加摩擦轉(zhuǎn)矩to。因為滾珠絲杠副傳動效率很高，根據(jù)式to可知，to相對于tamax和tf很小，可以忽略不計。則有：teq1= tamax+ tf···

16、·············（1-3）根據(jù)式tamax=jeq= ，考慮傳動鏈的總效率，計算快速空載起動時折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的最大加速轉(zhuǎn)矩： tamax=···············（1-4）式中:nm對應(yīng)空載最快移動速度的步進電動機最高速度，單位r/minta步進電動機由靜止到加速至nm轉(zhuǎn)速所需時間，單位s。 nm=

17、·············（1-5）式中vmax空載移動最快速度，任務(wù)書指定2000mm/min； 步進電動機步距角，預(yù)選電動機0.36o； 脈沖當量，本例=0.005mm/脈沖；將以上各值代入（1-5），算得nm =400r/min。 設(shè)步進電機由靜止到加速至nm轉(zhuǎn)速所需時間ta=0.4s，傳動鏈=0.85。則由式（1-4）求得： tamax=0.147n·m由式可知，移動部件運動時，折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩為： ···

18、·······（1-6）式中導(dǎo)軌摩擦因數(shù)，滾動導(dǎo)軌取0.005； fz垂直方向的銑削力，空載時取0；傳動鏈總效率，取0.85。則由式（1-6）得: 0.002n·m 最后由式（1-3），求得快速空載起動時電動機轉(zhuǎn)軸所承受的負載轉(zhuǎn)矩： teq1= tamax+ tf=0.149n·m········（1-7）2）最大工作負載狀態(tài)下電動機轉(zhuǎn)軸所承受的負載轉(zhuǎn)矩teq2 由式teq2= tt+ tf+t0可知teq2包括三部分：一部分

19、是折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的最大工作負載轉(zhuǎn)矩tt；一部分是移動部件運動時折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩tf ；還有一部分是滾珠絲杠預(yù)緊后折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的附加摩擦轉(zhuǎn)矩to，to相對與tt和tf很小，可以忽略不計。則有： teq2= tt+ tf··········（1-8） 其中，折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的最大工作負載tt由式tt=計算 。本例中在對滾珠絲杠進行計算的時候，一直沿著絲杠軸線方向的最大進給載荷fx=2794n,則有：tt=2.62n·m再由式計算垂直方向承受最大工作負載（fx=966

20、n）情況下，移動部件運動時折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩：0.003n·m最后由式（1-8），求得最大工作負載狀態(tài)下電動機轉(zhuǎn)軸的最大負載轉(zhuǎn)矩為：teq2= tt+ tf=2.623n·m經(jīng)過上述計算后，得加在步進電機轉(zhuǎn)軸上的最大等效負載轉(zhuǎn)矩為:teq= maxteq1, teq2=2.623n·m（3） 步進電動機最大靜轉(zhuǎn)矩的選定 考慮到步進電動機的驅(qū)動電源受電網(wǎng)電壓影響較大，當輸入電壓降低時，其輸出轉(zhuǎn)矩下降，可能造成丟步，甚至堵轉(zhuǎn)。因此，根據(jù)teq來選取步進電動機的最大靜轉(zhuǎn)矩時，需要考慮安全系數(shù)。本例中取安全系數(shù)k=4，則步進電動機的最大靜轉(zhuǎn)矩應(yīng)滿足:tjmax4

21、 teq10.46n·m·········（1-9）電動機保持轉(zhuǎn)矩 t=12n·m。可見，滿足式（1-9）的要求。(4) 步進電動機的性能校核1) 最快工進速度時電動機輸出轉(zhuǎn)矩校核 任務(wù)書給定工作臺最快工進速度vxmaxf=vymaxf=300mm/min ，脈沖當量x=y=0.005mm/脈沖；由式求得電動機對應(yīng)的運行頻率fmaxf=300/(60x0.005)hz999.75hz。從110byg550ch電動機的運行距頻特性曲線圖可以看出，在此頻率下，電動機的輸出轉(zhuǎn)矩tmaxf12

22、n·m，遠遠大于最大工作負載轉(zhuǎn)矩teq2=2.623n·m。2） 最快空載移動時電動機輸出轉(zhuǎn)矩校核 任務(wù)書給定工作臺最快空載移動速度vmax=2000mm/min，仿照式求出電動機對應(yīng)的運行頻率fmax=2000/(60x0.005)hz6667hz。從圖查得，在此頻率下，電動機的輸出轉(zhuǎn)矩tmax=9n·m，大于快速空載起動時的負載轉(zhuǎn)矩teq1=0.149n·m，滿足要求。3） 最快空載移動時電動機運行頻率校核 與最快空載移動速度vmax=2000mm/min對應(yīng)的電動機運行頻率fmax6667hz。查表可知110byg550ch電動機的空載運行頻率大于

23、50000hz，可見沒超出上線。4） 起動頻率的計算 已知電動機轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動慣量jeq=11.92kg·cm2，電動機轉(zhuǎn)軸上不帶任何負載時的空載起動頻率fq=3500hz。則由式fl=可以求出步進電機克服慣性負載的起動頻率：fl=2442hz上式說明，要求保證步進電動機起動時不失步 任何時候的起動頻率都必須小于2442hz。實際上，采用軟件升降頻時，起動頻率選得更低，通常只有100hz（即100脈沖/s）。綜上所述，本例中工作臺的經(jīng)給傳動選用110byg550ch步進電動機，完全滿足設(shè)計要求。五，程序設(shè)計1、程序流程圖2、軟件框圖設(shè)計名稱作用事件label1顯示控制軸label2顯

24、示進給速度combo1選擇控制軸combo2選擇進給速度clickcommand1快進mouse down/upcommand2后退mouse down/upcommand3退出程序click3、程序編寫見附件六、機械結(jié)構(gòu)圖見附件七、電氣接線圖八、設(shè)計心得為期三個星期的課程設(shè)計轉(zhuǎn)瞬即逝，通過緊張的計算和設(shè)計，我圓滿的完成了此次機電一體化系統(tǒng)設(shè)計的課程設(shè)計。機電一體化系統(tǒng)設(shè)計是一門綜合性課程，它是一門機械技術(shù)與微電子技術(shù)的交叉學科。隨著機械技術(shù)、微電子技術(shù)的飛速發(fā)展，機械技術(shù)與微電子技術(shù)的相互滲透越來越快。本次設(shè)計的數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺就是機電有機結(jié)合的產(chǎn)品。 在設(shè)計過程階段，遇到了許多困難。在老師和

25、同學的幫助下，最終把問題一一解決了。在做控制系統(tǒng)設(shè)計時遇到了較大的難題。由于以前對微機計算機控制部分知識沒有掌握扎實，所以在控制程序設(shè)計也比較困難。通過本次課程設(shè)計之后也使自己更深一步的了解程序編寫。通過本次課程設(shè)計之后，使自己對課本上的東西有更加深刻的的認識。由于自己的能力有限，設(shè)計中難免也存在不少細節(jié)上的錯誤，希望老師指出改正，并感謝老師您對我們的教九、參考文獻【1】姜培剛，蓋玉先 機電一體化系統(tǒng)設(shè)計【m】機械工業(yè)出版社，2003.9【2】楊裕根，諸世敏 現(xiàn)代工程圖學【m】 北京郵電大學出版社，2007【3】尹志強、王玉林 機電一體化系統(tǒng)設(shè)計課程設(shè)計指導(dǎo)書m 機械工業(yè)出版社，2010附件：

26、1、電機 技術(shù)參數(shù)型號 型號 型號 型號 型號 型號 型號 型號 參數(shù) / 型號110byg550ah110byg550bh110byg550ch110byg550dh110byg550eh 相電流 (a)5 步距角 ( ° )0.36/0.72 保持轉(zhuǎn)矩 (n.m)69121620 轉(zhuǎn)子慣量 (g.cm.s2 ) 5.38.2411.614.816.3 空載起動頻率 (kpps)3.5 空載運行頻率 (kpps)50 電機重量 (kg)4.65.36.98.611.6 驅(qū)動器電源輸入ac80v4.5a 驅(qū)動器型號zd-hb50510 l (mm)129140170201216 d1

27、 (mm)1616161619 d2 (mm)5656565685 鍵尺寸 (mm) 5×255×255×255×256×25 矩頻特性 引出線標記 安裝尺寸2、直線導(dǎo)軌3、軸承4、滾珠絲桿 軸端參數(shù)絲桿行程5、聯(lián)軸器 6、程序代碼option explicitdim axesnum as longdim lowspeed as doubledim highspeed as doubledim accel as doubledim dis as longprivate function setboard() as integer '初始

28、化函數(shù) dim rtn as integer rtn = auto_set() '板卡自檢 if rtn <= 0 then '若自動設(shè)置錯誤則返回0 setboard = -1 exit function end if rtn = init_board if rtn < 0 then setboard = -2 exit function end if setboard = 0end functionprivate sub getparam() axesnum = val(combo1.text) '軸號 set_maxspeed axesnum, highspeed set_conspeed axesnum, lowspeed '設(shè)置常速運動參數(shù) set_conspeed axesnum + 1, lowspeed set_profile axesnum, lowspeed, highspeed, accel '設(shè)置梯形速度運動參數(shù)end subprivate sub combo2_click() select case combo2.text case "1級" lowspeed = 100 case "2