机电一体化设计实例论文(有参考文献)

1、转工作台的设计一、设计的目的 ：1、掌握机电一体化系统的设计过程和方法，包括参数的选择、传动设计、零件计算、结构设计、计算机控制等培养系统分析及设计的能力。2、综合应用过去所学的理论知识，提高联系实际和综合分析的能力，进一步巩固、加深和拓宽所学的知识。3、训练和提高设计的基本技能，如计算，绘图，运用设计资料、标准和规，编写技术文件（说明书）等。二、设计任务及要求设计题目： 数控回转工作台的设计1. 设计容包括：总体设计，机械系统的设计与计算，计算机控制系统设计，编写设计计算说明书；2. 设计要求包括：回转角度0360°最大回转半径400 nlm；最大承载重量50kg；3. 机械部分的

2、设计：装配工作图 1（ 1 号 ） ；4. 计算机控制的设计：控制系统接口图一；5. 控制装置采用步进电机驱动， MCS-51 或单片机 FX2N-PLC 控制系统，软件环分，由键盘输入实现开环控制。三、机械系统设计在数字回转工作台机械传动部分选用蜗轮蜗杆传动,因为蜗杆传动平稳,振动 ,冲击和噪声均较小;能以单级传动获得教大的传动比,结构紧凑,有利于实现回转工作台所要求的分度的实现.故选用蜗轮蜗杆传动 .（1） 、蜗杆类型的选择 :蜗杆选择为渐开线圆柱蜗杆.因为此种蜗杆不仅可车削还可以像圆柱齿轮那样用齿轮滚刀滚削 ,并可用但面或单锥面砂磨削 .制造精度高 .是普通圆柱蜗杆传动中较理想的传动 .

3、传动效率也高 ,在动力传动和机床精密传动中应用较为广泛.（2） 、蜗杆蜗轮材料的选择:由于蜗杆传动啮合摩擦较大,且由于蜗轮滚刀的形状尺寸不可能做得和蜗杆绝对相同,被加工出的蜗轮齿形难以和蜗杆精确共轭,必须依靠运转跑合才渐趋理想 ,因此材料副的组合必须具有良好的减摩和跑合性能以及抗胶合性能。所以蜗轮通常青铜或铸铁做齿圈， 并尽可能与淬硬并经磨削的钢制蜗杆相匹配。故选择 :蜗杆材料为：渗碳钢，表面淬硬56-62HRC牌号为20GrMnTi.蜗轮材料为：铸造锡青铜，牌号为ZcuSn10Pb1（3） 、蜗杆蜗轮参数计算：1. 蜗杆传动尺寸的确定：由设计题目中要求可知：工作台回转直径最大为400mm/5

4、0千克.由齿轮手册 （上）表 6.2-3取蜗杆蜗轮中心距标准a=225mm;估取蜗杆分度圆直径:为能获得较大的传动比,取蜗杆头数为: z =1;z =90估取模数 m:m=（1.41.7）a/ z =3.6 取 m=4q=d /m=80/4=206 tan y = z /q 丫 =2.86 °2. 确定蜗轮蜗杆各参数值蜗杆尺寸 “1）蜗杆轴向齿距：p =兀m=3.14X 4=12.562）螺旋线导程:p =p z>=15.4 4=12.563）法向齿形角：对于ZI蜗杆a n=20ft分度传动中允许减小齿形角a =15 °4） 直径系数 :q= d /m=80/4=20

5、5） 蜗杆分度圆 （中圆 ）直径: d （d ）= d =qm=806）蜗杆分度圆（中圆柱）导程角：丫 =2.86 0渐开线蜗杆:基圆柱导程角:丫 cos 丫 =cos a ncos =15.264 07）基圆直径:d d = z m/tan 丫 =14.168）法向基节:p =兀 m cos 丫 =12.129）蜗杆齿轮顶高：h =h m=1 4=410) 蜗杆齿根高 :h =1.2m=4.811) 蜗杆全齿高:h = h + h =4+4.8=8.812) 顶隙 :c =0.2m=0.813)齿根圆半径：p =0.3m=1.214) 蜗杆齿顶圆直径:d =d +2 h =8815) 蜗杆齿

6、根圆直径:d = d -2 h =70.416) 蜗杆齿宽 :b =95蜗轮尺寸 :1)蜗轮中圆螺旋角：B = 丫 =2.86 02)蜗轮分度圆(节圆)直径:d =m z =4 60=240mm3) 蜗轮中圆直径:d = d =240mm4)蜗轮齿顶高：h =1 4=4mm5)蜗轮齿根高:h =1.2 4=4.8mm6) 蜗轮全齿高 :h =h =8.8mm7) 蜗轮齿顶圆直径:d =d+2ha=240+8=248mm8) 蜗轮齿根圆直径:df2= d -2h =240-9.6=230.4mm9) 蜗轮外圆直径:d = d +m=248+5=253mm10) 蜗轮齿宽 :b =80.3mm(4

7、) 、蜗轮带动工作台转动需克服的力 :滚动导轨的摩擦系数为：f=0.00250.005取:f=0.005工作台重量为：50 kg>9.8=490N摩擦力：则可知:周向力F=G?f=490X0.005=2.46N(5) 、蜗轮蜗杆的支承结构:蜗杆及蜗轮的支承通常都采用滚动轴承,蜗杆支承跨距L1 应尽量紧凑。通常 L1 = (1.31.5)a.其中 1.3用于 a05001.5用于 a>500蜗轮支承跨距 L2=(0.5-0.7)d2。 d2 为蜗轮分度圆直径，其中 0.7适用于小尺寸传动。蜗轮蜗杆具有轴向力， 当跨距小时常采用接触球轴承或圆锥滚子轴承。 轴向力不大是亦可采用向心球轴承

8、。 支承跨距较大或载荷有冲击而双向传动时， 可在一个支座上采用两个相反方向放置的角接触球轴承或圆锥滚子轴承并加以预紧， 在设计中选用圆锥滚子轴承(7306E)用于承受轴向及径向力。另一支座则采用一个 单列向心球轴承或圆柱滚子轴承（选用圆柱滚子轴承 2208）并允许针对箱体有 相对轴向游动，也可在一端采用双列调心球轴承或双列调心滚子轴承。 另一端采 用单受径向力的向心轴承。向位置和游隙的调整依靠事先磨削好的调整环或垫片组，他们可以放置在轴 承外圆和压盖圆筒之间。而垫片组也可放置在压盖端面和箱体凸缘之间。（六）回转台结构图1回转台结构四、步进电动机的选择磁阻式步进电动机由于其结构简单， 性能可靠，

9、分辨率高等优点，故选择磁阻式步进电动机。90BF006磁阻式步进电动机产品数据：相数：5步距角：0.36电压：24相电流：3A最大静转矩2.156N?M 空载起动频率：f=2400step/s 电阻：0.76 Q分配方式：五相十拍重量：2.2kg五、控制系统设计(一)系统方案设计构成本系统包括机械部分和伺服电机控制两部分。根据所给的要求，拟用开环控 制结构设计方案，其开环系统结构原理如图 1。图2开环系统结构原理具体原理：编写单片机指令，通过扫描键盘输入的数字记录需要转动的角度， 然后计算需要输出的脉冲，用软件的方法实现脉冲的输出，然后由光电耦合电路 减小外部的干扰，接着用环行分配器使各相绕组

10、按一定的顺序通电，由功率放大电路实现功率的放大，然后接步进电动机，通过联轴器把力矩传到蜗杆、 蜗轮减 速器。由于蜗轮与回转工作台以传动轴相连接， 具有相同的角速度，使得蜗轮的 转动带动回转工作台的转动。理论上，回转工作台的转动角位移精度由微机发出 的电平信号来控制。(二)、单片机的选用本设计选用8031芯片，片无ROM或者EPROM,使用时必须配置外部的程 序存储器EPROM。本设计选用了 2764扩展其空间，8031的引脚分3大功能： (1) I/O 口线P0,P1,P2,P3# 4 个八位口。(2)控制口线PSEN（片外取指控制卜ALE （地址锁存控制）、EA （片外存储器选择）、RESE

11、T （复位控制） 。（ 3）电源和时钟8031 最小应用系统。 8031 部不带 ROM ， 需要外接 EPROM 作为外部程序存储器。又因为 8031 在外接程序存储器或数据存储器时地址的低8 位信息和数据信息分时送出，故还需要采用一片 74LS373 来锁存低 8 为地址信息。这样，一片 2764EPROM 和一片 74LS373 组成了一个最小的计算机应用系统。 MCS-51 的程序存储器空间与数据存储器空间是相互独立的。用户可最多扩展到 64kb 的程序存储器几 64kb 的数据存储器， 编址为 0000HFFFFH。 片 8kb 单元地址要求地址线13根（A0A12）。它由P0和P2

12、.0P2.4组成。地址锁存器的锁存信号为ALE。程序存储器的取地址消耗为 PSENo由于程序存储器芯片只有一片，所以其片选端（31）直接接地。8031 芯片本身的连接31 必须接地来表明选择外部存储器外，还必须有复位和时钟电路。在此系统中有P1、 P3 口作为用户 I/O 口使用； 74LS373 为地址锁存器，他是一片三态输出 8D 触发器，当 OE=1 时三态门导通，输出线上为 8 为锁存器的状态。当 OE=1 时输出为高住抗转台。 G 为锁存信号输入线， G=1 时锁存器输出等于D 端输入， G 输入短跳变将输入信息锁存到 8 为锁存器中。当 8031 在访问外部程序存储器时， P2 口

13、输入高 8 为地址： P6口分时传送底8 为地址和指令字节。 在 ALE 为高电平时， P0 口输出的地址有效，并由 ALE 的下降沿锁存到地址锁存器中， 此时外部程序存储器宣统信号线 PSEN 出现低电平， 选通相应的外部。 EPROM 存储器； 相应的指令字节出现在EPROM的数据线（O0O7）上，¥&入到P0 口，CPU将指令字节读入指令寄存器。（三） 、光电耦合为了防止强电干扰及其干扰信号通过I/O控制电路进入计算机，影响其工作，通常的办法是实现采用滤波吸收， 控制干扰信号的产生， 然后采用光电隔离的办法， 使微机与强电部件不共地， 中断干扰信号的传导， 光电隔离电路

14、主要有光电耦合器的光电转换元件组成。控制输出时，微机输出的控制信号经74LS04 非门反相后，加到光电耦合器G 的发光二极管正端。当控制信号为高电平时，经过反相加到发光二极管正端的电平为低电平， 因此， 发光二极管不导通， 没有光发出。 这时光敏三极管截止， 输出信号几乎等于加在光敏三极管集电极上的电源电压。当控制信号为低电平时，发光二极管导通并发光，光敏三极管接收发光二极 管发出的光而导通，于是输出端的电平几乎等于零。(四)、环形分配器步进电动机的各相绕组必须按一定的顺序通电才能正常工作。这种使电动机 按一定规律变化的部分称为脉冲分配器。实现环形脉冲分配器功能有两种：一种 是纯软件方法，即完

15、全用软件来实现相序的分配，直接输出各相导通或截止的信号；其电路图如图co之明 q. Qs Q* Cip Y 五 CC40161 (2KTt 而 Da De EiDd cpBl 5|V| 3| 2|7+ViD110 0Q Qa Qi Qd11 12 13 14钟口 口CO23 5 6 口 CTp 11CC40161 (0 5 F r1口 m 1)0匚严1 5|20 10 0图3输出各相导通或截止信号图本设计以五相十拍电机为控制对象，它的通电方式为AB-ABC-BC-BCD-CD-CDE-DE-DEA-EA-EAB ,共有 10 个通电状态。如果 P1 口输出的控制信号中，0代表绕组通电，1代表使

16、绕组断电，则可用10个控制字 来对应这10个通电状态。这10个控制字如下表通电、犬态 P1.4(E) P1.3(D) P1.2(C) P1.1(B) P1.0(A)控制字AB11100FCHABC11000F8HBC11001F9HBCD10001F1HCD10011F3HCDE00011E3HDE00011E7HDEA00111E6HEA01110EEHEAB01100ECH在程序中， 只要依次将这10 个控制字送到 P1 口， 步进电动机就会转动一个齿距角。 每送一个空子就完成一拍， 步进电动机转过一个步距角。 程序就是根据 这个原理进行设计的。（五） 、功率放大器从计算机输出口或从环形分

17、配器输出的信号脉冲电流一般只有几个毫安， 不能直接驱动步进电动机， 必须采用功率放大器将脉冲电流进行放大， 使其增大到几至十几安培， 从而驱动电动机运转。 由于电动机各相绕组都是绕在铁心上的铁圈。所以电感较大，绕组通电时，电流上升受到限制，因而影响电动机各相绕组电流的大小。 绕组断电时， 电感中磁场的储能元件将维持绕组中已经有的电流不能突变。 在绕组断电时会产生反电动势。 为使电流尽快衰减并释放反电动势必须增加适当的续流回路。本设计采用单电压功率放大电路，如图图 4 单电压功率放大电路图步进电动机的输出转距随频率升高而下降的原因可以这样接受： 由于有绕组电感的一向， 绕组中电流的波形如上所示，

18、 电流上升需要一定的时间， 电流上升的驱动电流的时间常数 rar a =L/RaL 绕组的电感；Ra 通电回路的总电阻，包括绕组线圈电阻，限流电阻 R1 和晶体管结电阻。电流下降时放电回路的时间常数rbr b =L/RbL 绕组的电感；Rb 通电回路的总电阻，包括绕组线圈电阻，耗能电阻 R2 晶体管结电阻。本设计考虑的精度原因，选取 R1=R2=10六、程序编写键盘子程序：KEY ： LCALL KS2检查有闭合键否？JNZ MK1LJMP MK7MK1 ： LCALL DIRLCALL DIRLCALL KS2JNZ MK2LJMP MK7MK2 ： MOV P1， #F0HMOV A ，

19、P1ANL A ， #F0HCJNE A ， #FOH ， MK3LJMP MK7MK3 ： MOV R2， AORL A ， #0FHMOV P1， AMOV A ， P1ANL A ， #0FHADD A ， R2MOV R2， AMOV R3， #00HMOVDPTR ， #TRBEMOV R4， #10HMK4 ： CLR AMOVC A ， A+DPTRMOV 70H,AMOV A,R2CJNE A,70H,MK6MK5: LCALL DIRA 非 0，有键闭合则转无键闭合转返回有键闭合，则延时 12ms消抖再次检查有键闭合若无键闭合则转若无键闭合则转返回发行线全扫描信号，列线全 1

20、读入列状态保留高 4 位有键按下则转无闭合键转返回保存列值列线信号保留，行线全1从列先输出读入 P1 口状态保留行线值将行线值和列线值合并暂存与 R2 中R3 存简直指向键值表首地址查找次数送R4表中值送入A暂存与70H单元中键特征值送入 A未查到则转扫描 1 遍显示器LCALL KS2还有键闭合否？01H,02H,03H,04H,05H,06H,07H,08H09H,00H,FFH,FFH,FFH,FFH,FFH,FFHJNZ MK5LCALL DIRLCALL DIRMOV A,R3RETMK6: INC R3INC DPTRDJNE R4,MK4MK7: MOV A,#FFHRETKS2

21、: MOV P1,#FOHMOV A,P1ANL A,#FOHCPL ARETTRBE: DBDB把输入的数字转换成字节数：若键未释放，则等待若键已释放，则延时12ms消抖将键值存入 A 中返主键值加一表地址加 1未查到，反复查找无闭合键标志存入A 中返主闭合键判断子程序发全扫描信号，读入列线值 保留列线值 取反，无键按下全 0返主MOV R6,A这样高位在R7 中，低位在R6 中MOV A,30HMOV B,#64HMUL ABMOV R6,AMOV R7,AMOV A,#31HMOV B,#OAHMUL ABADD A,R6MOV A,#32H计算程序：MOV R5,#00HMOV R4,

22、#4BHDIVMOV A,R5JNZ BEGINMOV A,R4JZ OVERBEGIN: MOV A,R7JNZ BEGIN1MOV A,R6JNZ BEGIN1RETBEGIN1: CLR AMOV R2,AMOV R3,AMOV R1,#10HDIV1:CLR CMOV A,R6RLC AMOV R6,AMOV A,R7RLC AMOV R7,AMOV A,R2RLC AMOV R2,AMOV A,R3RLC A除数高8 位送 A除数非零则转BEGIN除数底8 位送 A除数为零置益出标志被除数高8 位送 A被除数非零则转BEGIN1被除数低8 位送 A被除数非零则转BEGIN1被除数为零

23、则返回清余数单元双字节除法计数器置16开始 R3R2R7R6 左移被除数低 8 位送 AR6 循环左移一位左移结果送回被除数高 8 位送 AR7 循环左移一位左移结果回送余数左移一位MOV R3,AA,R2开始部分余数减除数低 8 位先减暂存差值高 8 位相减若部分余数除数则转NEXT若部分余数 = 除数则商为 1新余数存 R3 R2DIV2 MOV A,R2SUBB A,R3MOV R0,AMOV A,R3MOV A,R5JC NEXTINC R6MOV R3,AMOV A,R0MOR R2,ANEXT: DJNZ R1,DIV1MOV A,R3JB A.7,ADD1CLR CMOV A,R

24、2RLC AMOV R2,AMOV A,R3RLC ASUBB A,R5JC NOOVERJNZ ADD1MOV A,R2SUBB A,R4JC NOOVERADD1: MOV A,R6ADD A,#01HMOV R6,AMOV A,R716位除完则返回开始四舍 5 入处理若余数最高位为 1 则进 1开始余数乘 2 处理余数低 8 位乘 2余数 8 位乘 2余数 *2- 除数若余数 * 小除数则转若够减则转进 1高 8 位相等时比较底8 位余数 *2 除数则转开始商进 1 处理ADDC A,#00H清益出标志置益出标志T1 中断入口转到 HERE 处主程序T1 工作于方式1设置计数初值CPU 开中断允许 T1 中断启动 T1 定时正转加 1如果计数器等于10 修正计数器值送A指向数据存放首地址取控制字送控制字到 P1 口MOV R7,ANOOVER:MOV OVER,#00HRETOVER: MOV OVER,#0