专业方向课程设计工作台类题目指导书

专业方向课程设计工作台类题目指导书一、课程设计的目的、意义《专业方向课程设计》是机械工程专业一个重要的实践环节，工作台类题目要求学生综合运用所学的机械、电子和控制等方面的知识，进行一次机电结合的设计训练，主要目的是：1）学习机电一体化系统总体设计方案拟定、分析方法，具有机电系统设计的初步能力；2）对机械系统进行设计，掌握典型传动机构和导向机构等工作原理、设计和选用。3）对驱动系统进行设计，能够对控制用电机、驱动器进行计算与选用。4）对控制系统进行设计，掌握典型硬件电路的设计方法和控制软件的设计思路。5）训练学生应用手册、标准及编写技术说明书的能力，促进学生综合素质的提高。二、课程设计的题目及要求题目：X-Y工作台机电系统设计已知条件：定位精度：±0.01mm，滚珠丝杠及导轨使用寿命：T=15000h，中等冲击，各题目的有效行程、快速进给速度和工作载荷见下表：题号有效行程(mm)快速进给速度(mm/min)工作载荷Fz(N)LxLyvmaxvymax13203501500150020002320350100010001500340040015001600250044004002000160018005400600250030005006400600150020005007450580200020005008450650120015003009500650250025005001050080012002000450115504001200200010001255040012001800900136003202000150060014600320200012008501564028020050018001664028050020012001735050020002500180018350500250020001200197506001500160060020750600180016004502190050020002500120022900500250020001500要求：认真阅读《课程设计指导书》，明确题目及具体要求；认真查阅题目涉及内容的相关文献资料、手册、标准；大胆创新，确定合理、可行的总体设计方案；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；控制系统方案可行，硬件选择合理，Proteus仿真结果正确；绘制机械系统装配图一张（A1），控制系统电气原理一张（A2），图纸符合国家标准，布图合理，内容完整表达清晰；课程设计说明书一份（不少于5000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。三、进度安排本课程设计要求在三周时间内完成，具体进度安排大致如下：收集及阅读资料，明确设计任务1天总体方案论证2天机械部分设计计算2天装配图绘制3天控制系统框图设计，单片机及扩展芯片的选用，I/O接口电路、伺服控制电路设计及选用3天电气原理图，Proteus仿真3天编写设计说明书1天四、主要设计内容（一）总体方案的确定根据设计任务确定系统的总体机械和控制系统方案：进行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。进行方案的分析、比较和论证。系统运动方式与伺服系统采用连续控制系统，开环或闭环控制方式。考虑到运动精度要求不高，为简化结构，建议大多数同学采用步进电机开环系统驱动。控制系统建议采用教科书上的MCS-51系列单片机系统。控制系统应该包括微机部分、I/O接口及光电隔离电路、步进功率放大电路等。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。计计算机光电隔离功率放大步进电机X向工作台光电隔离功率放大步进电机Y向工作台系统总体框图（二）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。确定系统脉冲当量脉冲当量δp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，一般为0.01~0.005mm。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。工作台简图滚动导轨副的计算、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=1.0~3.0(一般运行状况)，3.0~5.0（运动时受冲击、振动）。根据计算结果查有关资料初选导轨：依据使用速度v（m/min）和初选导轨的基本动额定载荷C(kN)验算导轨的工作寿命Ln：(hour)滚珠丝杠计算、选择初选丝杠材质：CrWMn钢，HRC58~60，导程：l0=5mm或6mm。强度计算丝杠轴向力：(N)式中：K=1.15，滚动导轨摩擦系数f=0.003~0005；在车床车削外圆时：Fx=(0.1~0.6)Fz，Fy=(0.15~0.7)Fz，可取Fx=0.5Fz，Fy=0.6Fz计算。寿命值：，其中丝杠转速(r/min)最大动载荷：式中：fW为载荷系数，中等冲击时为1.2~1.5；fH为硬度系数，HRC≥58时为1.0。根据使用情况选择滚珠丝杠螺母的结构形式，并根据最大动载荷选择滚珠丝杠的型号。传动效率计算丝杠螺母副的传动效率为：，φ=10’，为摩擦角；γ为丝杠螺旋升角。稳定性验算丝杠两端采用止推轴承时不需要稳定性验算。否则，按教材32页式（2.2）验算。式中：Fk为丝杠实际承受载荷能力；fk为压杆稳定支撑系数；E=2.1x1011Pa为钢的弹性模量；为丝杠小径d1截面惯性矩；ls为丝杠长度；K=2.5~4为压杆稳定安全系数。刚度验算滚珠丝杠受工作负载引起的导程变化量为：(cm)丝杠受扭矩引起的导程变化量很小，可忽略不计。导程变形总误差Δ为(104μm/m)<[Δ]，其中导程l0的单位为cm。E级精度丝杠允许的螺距误差[Δ]=15μm/m。齿轮计算、设计传动比：，初选步距角：α=0.75˚/step或1.5˚/step。根据计算的传动比，由整体结构要求初定大小齿轮齿数及模数m，从结构上采取措施消除传动间隙以提高传动精度（如下图所示）。齿轮1、2的分度圆直径分别为：d1=mz1，d2=mz2；齿宽b=20mm，分度圆压力角α=20˚；齿顶圆直径为：da1=(z1+2)m，da2=(z2+2)m；中心距a=0.5(d1+d2)。1、2--薄齿轮,3—弹簧,4、8—凸耳,5—调节螺钉,6、7—螺母双片齿轮错齿消隙结构图步进电机等效负载计算（1）等效转动惯量的计算折算到步进电机轴上的等效负载转动惯量为：(kg·cm2)式中：Jw，Jz1，Jz2和Js分别为折算到步进电机轴上的工作台、齿轮1、齿轮2和丝杠的等效转动惯量，kg·cm2。其中：(N·m2)，(N·m2)(N·m2)，(N·m2)式中：d0为丝杠的名义直径；Ls为丝杠的总长；ρs，ρz分别为丝杠和齿轮的材料密度，可取为7.85x10-3kg/cm3。（2）等效负载转矩计算空载时的摩擦转矩：(N·m)工作时的负载转矩：(N·m)式中：η=0.8，为考虑丝杠预紧时的传动效率。（3）起动惯性阻转矩计算(N·m)式中：电机转速ωm=2πnm/60，起动加速时间Δt=0.025s。（4）步进电机输出轴上总负载转矩计算(N·m)步进电机的选择为使步进电机正常起动（不失步），其起动力矩应满足：，查教材95页表3.7，如选用三相六拍工作方式，，则。步进电机的最高运行频率为：综合考虑，确定步进电机的型号。说明：为便于设计和采购，X、Y轴的电机可选择一样。（三）控制系统硬件电路设计（1）按照总体方案及机械结构的控制要求，确定硬件电路的方案，并绘制系统电气控制的结构框图；（2）选择主控制器