机电一体化课程设计课件

1、机电一体化课程设计机电一体化课程设计 目的: 把在机电一体化课程及其它有关先把在机电一体化课程及其它有关先修课程中所学到的知识在实际设计中综修课程中所学到的知识在实际设计中综合地加以应用合地加以应用,使这些知识得到巩固、使这些知识得到巩固、加深和扩展。加深和扩展。机电一体化系统（以开环控制的伺服系统为例）设计的机电一体化系统（以开环控制的伺服系统为例）设计的主要步骤和方法主要步骤和方法：一一.系统方案设计系统方案设计 确定控制形式，绘制总体方案图。确定控制形式，绘制总体方案图。 （1）执行元件选择；）执行元件选择；（2）传动机构方案的选择；）传动机构方案的选择；（3）执行机构方案的选择；）执行

2、机构方案的选择；（4）控制系统方案的选择。）控制系统方案的选择。二二.机械系统的设计机械系统的设计（1）执行元件参数及规格的确定；）执行元件参数及规格的确定；（2）传动机构的具体结构及参数设计；）传动机构的具体结构及参数设计；（3）执行机构的具体结构及参数设计。）执行机构的具体结构及参数设计。三三.控制系统设计控制系统设计 内容：控制系统的硬件设计和软件设计内容：控制系统的硬件设计和软件设计 其中硬件电路设计主要包括：其中硬件电路设计主要包括： （1）微机的选用、存储器的选用与扩展、译码电路设计、接口电路设计等）微机的选用、存储器的选用与扩展、译码电路设计、接口电路设计等 （2）绘制控制系统硬

3、件电路原理图）绘制控制系统硬件电路原理图开环伺服系统结构原理图机械传动原理图一、系统方案确定一、系统方案确定微机驱动器执行元件传动机构执行机构方案确定实质是对上述各构成环节的选择设计 执行元件的选择执行元件的选择 开环伺服系统中可以采用步进电机、液压伺服阀控制的液压马达和液压缸、气压伺服阀控制的气压马达和气压缸等作为执行元件，其中步进电机应用最广泛，当负载能力不够时，考虑后者。 总之，要考虑负载能力、调速范围、运行精度、可控性、可靠性以及体积、成本等因素。 传动机构实质上是执行元件和执行机构之间的一个机械接口，用于对运动和力进行变换和传递。 伺服系统中执行元件以输出转速和转矩为主，而执行机构多

4、为直线运动，将旋转运动转换为直线运动的传动机构有： 传动机构方案的选择传动机构方案的选择 执行机构方案的选择执行机构方案的选择丝杠螺母传动齿轮齿条传动最常用步进电机与丝杠螺母间的运动传递可能有多种形式：采用同步齿型带传动丝杠：中心距较大通过减速器传动丝杠：减速器作用是配凑脉冲当量、转矩放大、 惯量匹配等通过联轴器直接相连：结构简单，可获得高速，对电机负载能 力要求较高 执行机构是伺服系统中的被控对象，是进行实际操作的机构，执行机构中一般含有导向机构，执行机构方案的选择主要是指导向机构的选择，即 控制系统方案的选择控制系统方案的选择导轨的选择：滚动导轨气浮导轨、液体导轨塑料贴面滑动导轨包括微机、

5、步进电机控制方式、驱动电路等的选择和设计 二、机械系统设计计算二、机械系统设计计算.移动部件的重量估算移动部件的重量估算.外力负载的计算外力负载的计算.导轨副的计算，选型，效核导轨副的计算，选型，效核.丝杠螺母副的计算，选型，效核丝杠螺母副的计算，选型，效核.减速器的选用减速器的选用.步进电动机的计算，选型，效核步进电动机的计算，选型，效核机械传动原理图确定脉冲当量确定脉冲当量 ，初选步进电动机，初选步进电动机 根据系统精度要求确定，对于开环伺服系统，一般取 =0.005-0.01mm/pulse 初选步进电机指：选择步进电机的类型和步距角混合式：兼以上二者优点，但价格高反应式： 小、f 高、

6、价格低，功耗大永磁式： 大、f 低，功耗小，断电后仍有制动力矩按产品样本中给出的主要技术参数选用2.2.确定减速传动比确定减速传动比传动比公式：计算出的传动比较小时，采用一级齿轮传动或同步带传动传动比较大时，采用多级齿轮传动齿轮传动级数增加时，使齿隙和静摩擦增加，传动效率降低，故传动级数一般不超过3级。 传动级数的分配原则：传动比逐级增加（或前小后大原则），使输出轴转角误差最小。计算时，按级数选择曲线和传动比分配曲线进行选择360hPi 图图A 传动级数选择曲线传动级数选择曲线图图B 传动比分配曲线传动比分配曲线n若不计摩擦若不计摩擦,即即TLF0, 则则 2/12mLmLFmLFJJTTTT

7、imLmLJiJJJi2或上式表明上式表明:得到传动装置总传动比得到传动装置总传动比i的最佳值的时刻就是的最佳值的时刻就是JL换算换算到电动机轴上的转动惯量到电动机轴上的转动惯量JL/i2正好等于电动机转子的转动惯量正好等于电动机转子的转动惯量Jm的时刻的时刻,此时此时,电动机的输出转矩一半用于加速负载电动机的输出转矩一半用于加速负载,一半用于一半用于加速电动机转子加速电动机转子,达到了惯性负载和转矩的最佳匹配。达到了惯性负载和转矩的最佳匹配。JmiJLMGLmLTLF电机、传动装置和负载的传动模型电机、传动装置和负载的传动模型4.4.验算惯量匹配验算惯量匹配电机轴上的总当量负载转动惯量Jd与

8、电机轴自身的转动惯量Jm应控制在：比值太大，系统动特性受负载变化干扰；比值太小，不经济，大马拉小车。通过减速传动比i和丝杠导程l0的合理搭配，使惯量匹配趋于合理。141mdJJ如果验算发现Jd/Jm不满足上式要求,应返回修改原设计。3.3.计算系统转动惯量计算系统转动惯量5.5.步进电动机匹配选择步进电动机匹配选择如若不能正常启动，或者重选电动机，或者将启动时间延长如若不能正常启动，或者重选电动机，或者将启动时间延长6. 6. 滚珠丝杠的校核滚珠丝杠的校核图7.20 单片机控制系统工作原理图图8.20三、控制系统硬件电路设计三、控制系统硬件电路设计1 控制电路设计控制电路设计 由于由于MCS-

9、51单片机具有较高性价比，因此用单片机具有较高性价比，因此用8031作为系统控制器，作为系统控制器，采用采用8155和和2764、6264芯片作为芯片作为I/O和存储器扩展芯片。和存储器扩展芯片。2764用作程序存用作程序存储器，存放监控程序；储器，存放监控程序；6264用来扩展用来扩展8031的的RAM存储器，存放调试和运存储器，存放调试和运行的加工程序；行的加工程序；8155用作键盘和用作键盘和LED显示器显示器接口；接口；键盘主要是输入工作台键盘主要是输入工作台方向，有方向，有+x,-x,+y,-y四个方向；四个方向；LED显示器显示当前工作台坐标值显示器显示当前工作台坐标值; 系统具系

10、统具有超程报警功能，并有越位开关和报警灯；其他的辅助电路有复位电路、有超程报警功能，并有越位开关和报警灯；其他的辅助电路有复位电路、时钟电路、越位报警指示电路。时钟电路、越位报警指示电路。1) 限位报警显示电路限位报警显示电路 为限制工作台在规定的范围内运动，在为限制工作台在规定的范围内运动，在x,y向导轨的四个边界处设有向导轨的四个边界处设有限位开关，每一边界有一限位开关。当工作台碰撞到限位开关时，通过限位开关，每一边界有一限位开关。当工作台碰撞到限位开关时，通过电路向单片机发出一个中断请求信号电路向单片机发出一个中断请求信号INT0 ，单片机接收到信号后快速响，单片机接收到信号后快速响应，

11、接通报警显示电路，红灯报警，同时控制电机停止运转。应，接通报警显示电路，红灯报警，同时控制电机停止运转。2) 键盘显示电路键盘显示电路 系统显示接口用系统显示接口用8155扩展口控制扩展口控制5位位8段段LED数码显示块实现动态显数码显示块实现动态显示，系统键盘用示，系统键盘用8155扩展口组成了扩展口组成了4X8行列式键盘。能实时显示工作台的行列式键盘。能实时显示工作台的当前运动位置，共当前运动位置，共5位，其中整数部分位，其中整数部分3位，小数部分位，小数部分2位。位。2 步进电动机与单片机的接口电路设计步进电动机与单片机的接口电路设计 步进电机与单片机接口电路有三部分步进电机与单片机接口

12、电路有三部分:环行分配、光电隔离、功率放环行分配、光电隔离、功率放大电路。大电路。环行分配环行分配是将来自单片机的脉冲按四相八拍的通电方式分配给步进电机的是将来自单片机的脉冲按四相八拍的通电方式分配给步进电机的四相绕组，利用专用环行分配器件四相绕组，利用专用环行分配器件YB014实现环形分配。实现环形分配。光电隔离电路光电隔离电路是使单片机与电机之间通弱电、隔强电，保护单片机系统。是使单片机与电机之间通弱电、隔强电，保护单片机系统。功率放大电路功率放大电路是将来自光电隔离电路的脉冲信号放大，使得步进电机绕组是将来自光电隔离电路的脉冲信号放大，使得步进电机绕组获得足够的电流和电压。获得足够的电流

13、和电压。171674图9.35 控制系统原理框图图9.36 CMC80微机的组成一一.课程设计题目课程设计题目1.数控车床工作台二维运动伺服进给系统设计数控车床工作台二维运动伺服进给系统设计（注：这里的二维运动指的是工作台在水平面内沿横轴和纵轴的运动）（注：这里的二维运动指的是工作台在水平面内沿横轴和纵轴的运动）2. 数控铣床工作台三维运动伺服进给系统设计数控铣床工作台三维运动伺服进给系统设计3自拟题目自拟题目二二.设计要求设计要求1.能用键盘输入命令控制工作台的运动方向能用键盘输入命令控制工作台的运动方向2.能实时显示当前运动位置能实时显示当前运动位置3.具有越程指示报警及停止功能具有越程指

14、示报警及停止功能4.参照工具书，结合实际参照工具书，结合实际，自己设定系统定位精度，脉冲当量，空载启动时，自己设定系统定位精度，脉冲当量，空载启动时 间，最大进给速度，各个方向的运动范围，切削用量等参数间，最大进给速度，各个方向的运动范围，切削用量等参数机电一体化课程设计机电一体化课程设计任务书任务书三三.设计内容设计内容1、 总体方案确定总体方案确定（1）总体方案设计）总体方案设计（2）绘制总体方案图）绘制总体方案图2、机械系统设计、机械系统设计（1）执行元件参数及规格的确定；）执行元件参数及规格的确定；（2）传动机构的具体结构及参数设计；）传动机构的具体结构及参数设计；（3）执行机构的具体

15、结构及参数设计。）执行机构的具体结构及参数设计。（4）绘制进给传动系统示意图。）绘制进给传动系统示意图。3、控制系统硬件电路设计、控制系统硬件电路设计（1）微机的选用、存储器的选用与扩展、译码电路设计、接口电路设计等）微机的选用、存储器的选用与扩展、译码电路设计、接口电路设计等（2）绘制控制系统原理框图）绘制控制系统原理框图4、传感器的选择（适用于半闭环控制方式和全闭环控制方式）、传感器的选择（适用于半闭环控制方式和全闭环控制方式）四四.课程设计报告书内容课程设计报告书内容（不少于（不少于3000字，要求计算准确、文字通顺、书写工整。字，要求计算准确、文字通顺、书写工整。要求图纸、图面布置合理

16、、正确清晰。）要求图纸、图面布置合理、正确清晰。）1.设计题目和要求设计题目和要求2.系统总体方案框图及分析说明系统总体方案框图及分析说明3.机械系统设计计算、各部件类型选择说明及进给传动系统的示意图与说明机械系统设计计算、各部件类型选择说明及进给传动系统的示意图与说明4.控制系统工作原理框图与设计说明控制系统工作原理框图与设计说明5.传感器的选择与设计说明传感器的选择与设计说明（适用于半闭环控制方式和全闭环控制方式）（适用于半闭环控制方式和全闭环控制方式）6.课程设计总结与心得体会课程设计总结与心得体会7.参考资料参考资料五五.主要参考书目主要参考书目机械原理、机械设计、电工电子技术、单片机

17、原理与系统设计、机电一体化机械原理、机械设计、电工电子技术、单片机原理与系统设计、机电一体化等相关书籍，如：等相关书籍，如：1 尹志强等编著尹志强等编著.机电一体化系统课程设计指导书机电一体化系统课程设计指导书.北京北京:机械工业出版社机械工业出版社.2007.5 2 郑堤主编郑堤主编.机电一体化设计基础机电一体化设计基础.北京北京:机械工业出版社机械工业出版社.1997 3 曾励主编曾励主编.机电一体化系统设计机电一体化系统设计.北京北京:高等教育出版社，高等教育出版社，2004.44 张建民等编著张建民等编著.机电一体化系统设计（第三版）机电一体化系统设计（第三版）.北京北京:高等教育出版社