1、 重庆科技学院毕业设计（论文） 题目：工作台与控制系统设计 学生姓名： 专 业： 机电一体化 院 （系） ： 重庆科技学院 2012 年 6 月 10 日2 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
2、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 基本组成要素 特点 发展趋势 3 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、选择 9 第四节 滚珠丝杠计算、选择 11 第五节 齿轮计算、设计 13 第六节 步进电机惯性负载的计算
3、 14 第七节 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 4 第一章 前言 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 在我国对外开放进一步深化的新环境下 ,发展我国数控技术及装备、提高我国制造业信息化水平和国际竞争能力的重要性 ,并从战略和策略两个层面提出了发展我国数控技术及装备的几点看法。 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
4、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。 （一）、数控技术的发展趋势。 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 :
5、 (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。从 EMO2001 展会情况来看 ,高速加工中心进给速度可达 80m/ min ,甚至更高 ,空运行速度可达 100m/ min 左右。目前世界上许多汽车厂 ,包括我国的上海通用汽车公司 ,已经采用以高速加工中心组成的生产线部分替代组合机床。在加工精度方面 ,近 10 年来 ,普通级数控机床的加工精度已由 10 m 提高到 5 m ,精密级加工中心则从 3 5 m ,提 高到 1 1.5 m 并且超精密加工精度 已开始进入
6、纳米级 0.1 m 。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) 、 5 轴联动加工和复合加工机床快速发展 采用 5 轴联动对三维曲面零件的加工 ,可用刀具最佳几何形状进行切削 ,不仅光洁度高 ,而且效率也大幅度提高。但过去因 5 轴联动数控系统、主机结构复杂等原因 ,其价格要比 3 轴联动数控机床高出数倍 ,加之编程技术难度较大 ,制约了 5 轴联动机床的发展。当前由于电主轴的出现 ,使得实现 5 轴联动加工的复合主轴头结构大为 简化 ,其制造难度和成本大幅度降低 ,数控系统的价格差距缩小。因此促进了复合主轴头类型 5 轴联
7、动机床和复合加工机床 含 5 面加工机床 的发展。 (3) 、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统 ,智能化的内容包括在数控系统中的各个方面 :为追求加工效率和加工质量方面的智能化 ,如加工过程的自适应控制 ,工艺参数自动生成 ;为提高驱动性能及使用连接方便的智能化 ,如前馈控制、电机参数的自适应运算、自动识别负载自动选定模型、自整定等。数控系统开放化已经成 为数控系统的未来之路。所谓开放式数控系统就是数控系统的开发可以在统一的运行平台上 ,面向机床厂家和最终用户 ,通过改变、增加或剪裁结构对象 数控功能 ,形成系列化 ,并可方便地
8、将用户的特殊应用和技诀窍集成到控制系统中 ,快速实现不同品种、不同档次的开放式数控系统 ,形成具有鲜明个性的名牌产品。目前开放数控系统的体系结构规范、通信规范、配置规范、运行平台、数控系统功能库以及数控系统功能软件开发工具等是当前研究的核心。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、5 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。 （二）、对我国数控技术及其产业发展的基本估计 我国数控技术起步于 1958 年 ,近 50 年的发展历程大致可分为三
9、个阶段：第一阶段从 1958 年到 1979 年 ,即封闭式发展阶段。在此阶段 ,由于国外的技术封锁和我国的基础条件的制 ,数控技术的发展较为缓慢。第二阶段是在国家的“六五”、“七五”期间以及“八五”的前期 ,即引进技术 ,消化吸收 ,初步建立起国产化体 系阶段。在此阶段 ,由于改革开放和国家的重视 ,以及研究开发环境和国际环境的改善 ,我国数控技术的研究、开发以及在产品的国产化方面都取得了长足的进步。第三阶段是在国家的“八五”的后期和“九五”期间 ,即实施产业化的研究 ,进入市场竞争阶段。纵观我国数控技术近 50 年的发展历程 ,特别是经过 4 个 5 年计划的攻关 ,总体来看取得的成绩还是
10、不小。 （三）、对我国数控技术和产业化发展的战略思考 (1) 、战略考虑。我国是制造大国 ,在世界产业转移中要尽量接受前端而不是后端的转移 ,所以 ,我们应站在国家安全 战略的高度来重视数控技术和产业问题。首先从社会安全看 ,因为制造业是我国就业人口最多的行业 ,制造业发展不仅可提高人民的生活水平 ,而且还可缓解我国就业的压力 ,保障社会的稳定 ;其次从国防安全看 ,西方发达国家把高精尖数控产品都列为国家的战略物质 ,对我国实现禁运和限制 ,“东芝事件”和“考克斯报告”就是最好的例证。 (2)、发展策略。从我国基本国情的角度出发 ,以国家的战略需求和国民经济的市场需求为导向 ,以提高我国制造装
11、备业综合竞争能力和产业化水平为目标 ,用系统的方法 ,选择能够主导 21 世纪初期我 国制造装备业发展升级的关键技术以及支持产业化发展的支撑技术、配套技术作为研究开发的内容 ,实现制造装备业的跨跃式发展。强调市场需求为导向 ,即以数控终端产品为主 ,以整机如量大面广的数控车床、铣床、高速高精高性能数控机床、曲型数字化机械、重点行业关键设备等 带动数控产业的发展。重点解决数控系统和相关功能部件 数字化伺服系统与电机、高速电主轴系统和新型装备的附件等 的可靠性和生产规模问题。没有规模就不会有高可靠性的产品 ;没有规模就不会有价值低廉而富有竞争力的产品 ;当然 ,没有规模中国的数控装备最终难有出头之
12、日 。 6 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 机电一体化系统设计课程设计是 培养学生设计能力的重要实践性教学环节之一，是综合运用所学过的机械、电子、自动控制、计算机等知识进行的基本设计训练。其目的是： 1. 能够正确运用机电一体化系统设计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. 通过机械部分设计，掌握机电一体化系统典型机 械零部件和执行元件的计算、选型和结构设计方法和步骤； 3. 通过测试及控制
13、系统方案设计，掌握机电一体化系统控制系统的硬件组成、工作原理，和软件编程思想； 4. 通过课程设计提高学生应用手册、标准及编写技术说明书的能力，促进学生在科学态度、创新精神、专业技能等方面综合素质的提高。 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、标准； 4. 大胆创新，确定合理、可行的总体设计方案； 5. 机械部分和驱动部分设计思路清晰，计算结果正确，选型合理； 6. 微机控制系统方案可行，硬件选择合理，软件框图正确； 7. 手
14、工或电脑绘制机械系统装配图一张（ A1），控制系统电气原理一张（ A1），图纸符合国家标准，布图合理，内容完整表达清晰； 8. 课程设计说明书一份（不少于 8000 字），包括：目录，题目及要求，总体方案的确定，机械系统设计，控制系统设计，参考文献等。设计说明书应叙述清楚、表达正确、内容完整、技术术语符合标准。 7 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： 定位精度： 0.01mm，滚珠丝杠及导轨使用寿命： T=15000h，中等冲击 工 作 台 的 有 效 行 程 为 400Lx mm 400YL mm 快 速 进 给 速
15、度m ax 2 0 0 0 / m inxv m m m ax 2 0 0 0 / m inyv m m 和工作载荷 2000ZFN 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
16、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 (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； 8 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
17、方案的分析、比较和论证。 1. 系统运动方式的确定 该系统要求工作 台沿各坐标轴的运动有精确的运动关系因此采用连续控制方式。 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
18、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. X Y 工作台的传动方式 为保证一定的传动精度和平稳性以及结构的紧凑，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
19、 向工作台 光电隔离 功率放大 步进 电机 Y 向工作台 9 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
20、,设计工作台简图如下 : 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 : xW = 324 2 0 4 1 0 5 0 1 0 7 . 8 1 0 6 7 1 . 5 8 N Y 向拖板 (下拖板 )尺寸为 : 420 400 50 重量 YW = 324 2 0 4 0 0 5 0 1 0 7 . 8 1 0 6 5 5 . 2 N 上导轨 (含电机 )重量为 23( 9 0 0 4 8 0 8 2 8 0 0 3 5 5 0 ) 7 . 8 1 0 1 0 4 8 7 . 9 7 N 夹具及工件重量 :约 155N
21、X-Y 工作台运动部分总重量为 : 4 8 7 . 9 7 6 5 5 . 2 6 7 1 . 5 8 1 5 5 2 0 0 0WN 工作台简图 10 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 Wx 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 4.0sLf ,0 .5 ( )O S L X YX Y Z X YC f PP F W x Z XY
22、Z YO X S L XO Y S L YP = 0 . 5 ( F + W ) = 0 . 5 ( 2 0 0 0 + 6 7 1 . 5 8 ) = 1 3 3 5 . 7 9 NP = 0 . 5 ( F + W ) = 0 . 5 ( 2 0 0 0 + 6 5 5 . 2 ) = 1 3 2 7 . 6 NC = f P = 4 1 3 3 5 . 7 9 = 5 3 4 3 . 1 6 NC = f P = 4 1 3 2 7 . 6 = 5 3 1 0 . 4 N根据计算额定静载荷初选导轨 : 选择汉机江机床厂 HJG-D 系列滚动直线导轨 ,其型号为 :HJG-D25 基本参数
23、如下 : 额定载荷 /N 静态力矩 /N*M 滑座重量 导轨重量 导轨长度 动载荷 aC 静载荷 oC AT BT CT gK /gKm L (mm) 17500 26000 198 198 288 0.60 3.1 760 滑座个数 单向行程长度 每分钟往复次数 M Sl n 4 0.6 4 导轨的额定动载荷 17500aC N 依据使用速度 v（ m/min）和初选导轨的基本动额定载荷 aC (kN)验算导轨的工作寿命Ln： 额定行程长度寿命 : ()H T C aWf f f CS fFTK 20004 500MFMF 1 , 2 , 0.81 , 1 ,50oT W C HRdf f f fK
