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東華理工大學(xué)長江學(xué)院
畢業(yè)設(shè)計開題報告
畢業(yè)設(shè)計題目 基于單片機控制X-Y工作臺機電系統(tǒng)設(shè)計
學(xué)生姓名： 歐陽昌馳
學(xué) 號： 08315114
專 業(yè)： 機械電子工程
系 別： 機電工程系
指導(dǎo)教師： 萬智輝
教學(xué)科研部
二○一一年 九月
1、課題研究的意義、國內(nèi)外有關(guān)本課題的研究動態(tài)和自己的見解
隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，極大地推動了不同學(xué)科的滲透，促進(jìn)了工程領(lǐng)域的技術(shù)改革。由于計算機技術(shù)和微電子技術(shù)的迅速發(fā)展并被機械工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用從而形成了機電一體化，使得機械工業(yè)的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、技術(shù)結(jié)構(gòu)、功能和生產(chǎn)管理體系發(fā)生了巨大的變化，也使得工業(yè)生產(chǎn)從“機械電氣化”邁進(jìn)了“機電一體化”的發(fā)展階段。
X-Y數(shù)控工作臺是很多機電一體化設(shè)備的基本部件，比如數(shù)控銑床、數(shù)控鉆床的X-Y工作臺。X-Y數(shù)控工作臺通常是由導(dǎo)軌座、移動滑塊、滾珠絲桿螺母副及伺服電動機等部件構(gòu)成。伺服電動機主要是用于驅(qū)動滾珠絲桿，滾珠絲桿螺母驅(qū)動滑塊和工作臺在指定的導(dǎo)軌上運動，從而完成工作臺在XY兩個方向的直線運動。
現(xiàn)在大部分使用的數(shù)控銑床都是集機械制造、自動控制、電子技術(shù)、傳感技術(shù)、計算機技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)于一體的典型機電一體化產(chǎn)品。
2.國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r
數(shù)控技術(shù)的應(yīng)用不但給傳統(tǒng)制造業(yè)帶來了革命性的變化,使制造業(yè)成為工業(yè)化的象征,而且隨著數(shù)控技術(shù)的不斷發(fā)展和應(yīng)用領(lǐng)域的擴大,它對國計民生的一些重要行業(yè)IT、汽車、輕工、醫(yī)療等的發(fā)展起著越來越重要的作用。從目前世界上數(shù)控技術(shù)及其裝備發(fā)展的趨勢來看 ,其主要研究熱點有以下幾個方面:
(1)高速、高精加工技術(shù)及裝備的新趨勢
效率、質(zhì)量是先進(jìn)制造技術(shù)的主體。高速、高精加工技術(shù)可極大地提高效率,提高產(chǎn)品的質(zhì)量和檔次 ,縮短生產(chǎn)周期和提高市場競爭能力。從 EMO2001 展會情況來看,高速加工中心進(jìn)給速度可達(dá) 80m/min ,甚至更高,空運行速度可達(dá)100m/min左右。目前世界上許多汽車廠,包括我國的上海通用汽車公司,已經(jīng)采用以高速加工中心組成的生產(chǎn)線部分替代組合機床。在加工精度方面,近 10 年來,普通級數(shù)控機床的加工精度已由10提高到5,精密級加工中心則從3～5,提高到1～1.5并且超精密加工精度已開始進(jìn)入納米級0.1。為了實現(xiàn)高速、高精加工,與這配套的功能部件如電主軸、直線電機得到了快速的發(fā)展 ,應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)一步擴大。
(2) 智能化、開放式、網(wǎng)絡(luò)化成為當(dāng)代數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展的主要趨勢
21世紀(jì)的數(shù)控裝備將是具有一定智能化的系統(tǒng),智能化的內(nèi)容包括在數(shù)控系統(tǒng)中的各個方面:為追求加工效率和加工質(zhì)量方面的智能化,如加工過程的自適應(yīng)控制,工藝參數(shù)自動生成;為提高驅(qū)動性能及使用連接方便的智能化,如前饋控制、電機參數(shù)的自適應(yīng)運算、自動識別負(fù)載自動選定模型、自整定等。數(shù)控系統(tǒng)開放化已經(jīng)成為數(shù)控系統(tǒng)的未來之路。所謂開放式數(shù)控系統(tǒng)就是數(shù)控系統(tǒng)的開發(fā)可以在統(tǒng)一的運行平臺上,面向機床廠家和最終用戶,通過改變、增加或剪裁結(jié)構(gòu)對象 數(shù)控功能 ,形成系列化,并可方便地將用戶的特殊應(yīng)用和技訣竅集成到控制系統(tǒng)中 ,快速實現(xiàn)不同品種、不同檔次的開放式數(shù)控系統(tǒng),形成具有鮮明個性的名牌產(chǎn)品。目前開放數(shù)控系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)規(guī)范、通信規(guī)范、配置規(guī)范、運行平臺、數(shù)控系統(tǒng)功能庫以及數(shù)控系統(tǒng)功能軟件開發(fā)工具等是當(dāng)前研究的核心。網(wǎng)絡(luò)化數(shù)控裝備是近兩年國際著名機床博覽會的一個新亮點。數(shù)控裝備的網(wǎng)絡(luò)化將極大地滿足生產(chǎn)線、制造系統(tǒng)、制造企業(yè)對信息集成的需求,也是實現(xiàn)新的制造模式如敏捷制造、虛擬企業(yè)、全球制造的基礎(chǔ)單元 ,反映了數(shù)控機床加工向網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展的趨勢。
3.本課題要研究的問題
X-Y數(shù)控工作臺機電系統(tǒng)設(shè)計是一個開環(huán)控制系統(tǒng),其結(jié)構(gòu)簡單.實現(xiàn)方便而且能夠保證一定的精度.降低成本,是單片機控制技術(shù)的最簡單的應(yīng)用.它充分的利用了單片機的軟件硬件功能以實現(xiàn)對機床的控制;使機床的加工范圍擴大,精度和可靠性進(jìn)一步得到提高。本課題研究涉及機械原理、機械設(shè)計、機械制圖、機電一體化、單片機工作原理、數(shù)控技術(shù)等方面的相關(guān)內(nèi)容。
3、課題的設(shè)計方案
3.1設(shè)計方案比較
①數(shù)控機床導(dǎo)軌類型分為：滑動導(dǎo)軌、滾動導(dǎo)軌、靜壓導(dǎo)軌等類型。
在本設(shè)計中采用滾動導(dǎo)，其原因是：
a.靈敏度高，運動平穩(wěn)，低速移動時不易出現(xiàn)爬行現(xiàn)象；
b.定位精度高；
c.摩擦阻力小，移動輕便，磨損小，精度保持性好，壽命長。
②在傳動方面有齒輪傳動和滾珠絲桿傳動等類型。
在本設(shè)計中采用滾珠絲桿傳動，因為采用滾珠絲桿有一下優(yōu)點：
a.承載?。?
b.移動速度快；
c.噪音低；
d.定位精度高等。
③驅(qū)動系統(tǒng)有直線電動機、伺服電動機、步進(jìn)電動機、開關(guān)磁阻電動機等，在經(jīng)濟數(shù)控機床上，考慮其成本和性能，通常采用開環(huán)步進(jìn)電機，所以在本設(shè)計中選擇步進(jìn)電機。
④在控制系統(tǒng)方面，可采用單片機和PLC進(jìn)行控制，在本設(shè)計中采用的是MCS-51系列單片機，因為它價格低廉、性能優(yōu)越，完全能滿足本設(shè)計的要求。
3.2選型分析
①系統(tǒng)運動方式的確定
該系統(tǒng)要求工作臺沿各坐標(biāo)軸的運動有精確的運動關(guān)系因此采用連續(xù)控制方式。
②伺服系統(tǒng)的選擇
開環(huán)伺服系統(tǒng)在負(fù)載不大時多采用功率步進(jìn)電機作為伺服電機.開環(huán)控制系統(tǒng)由于沒有檢測反饋部件，因而不能糾正系統(tǒng)的傳動誤差。但開環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)整維修容易，在速度和精度要求不太高的場合得到廣泛應(yīng)用。
閉環(huán)伺服系統(tǒng)具有裝在機床移動部件上的檢測反饋元件來檢測實際位移量，能補償系統(tǒng)的傳動誤差。因而伺服控制精度高。閉環(huán)系統(tǒng)多采用直流伺服電動機或交流伺服電動機驅(qū)動。閉環(huán)系統(tǒng)造價高，結(jié)構(gòu)和調(diào)試較復(fù)雜，多用于精度要求高的場合。
. 考慮到運動精度要求不高，為簡化結(jié)構(gòu)，降低成本，宜采用步進(jìn)電機開環(huán)伺服系統(tǒng)驅(qū)動。
③計算機系統(tǒng)的選擇
采用MCS-51系列中的8051單片機擴展控制系統(tǒng)。MCS-51單片機的主要特點是集成度高，可靠性好，功能強，速度快，性價比高。控制系統(tǒng)由微機部分、鍵盤及顯示器、I/O接口及光電隔離電路、步進(jìn)功率放大電路等組成。系統(tǒng)的工作程序和控制命令通過鍵盤操作實現(xiàn)。
④X—Y工作臺的傳動方式
為保證一定的傳動精度和平穩(wěn)性以及結(jié)構(gòu)的緊湊，采用滾珠絲杠螺母傳動副。為提高傳
動剛度和消除間隙，采用有預(yù)加載荷的結(jié)構(gòu)。
由于工作臺的運動部件重量和工作載荷不大，故選用滾動直線導(dǎo)軌副，從而減小工作臺
的摩擦系數(shù)，提高運動平穩(wěn)性。
考慮電機步距角和絲杠導(dǎo)程只能按標(biāo)準(zhǔn)選取，為達(dá)到分辨率0.01mm的要求，以及考慮步進(jìn)電機負(fù)載匹配，采用齒輪減速傳動。
4、課題研究準(zhǔn)備情況（查閱參考文獻(xiàn)目錄、完成任務(wù)所具備的條件等）
學(xué)院擁有一支高素質(zhì)、高水平的教師隊伍?，F(xiàn)有專任教師366人，教師中有教授、副教授120人，外籍教師11人，中青年教師中具有博士學(xué)位13人、碩士學(xué)位132人。學(xué)院擁有各類實驗室51個，工程訓(xùn)練中心1個，校外實習(xí)基地22個, 并擁有眾多的高精尖儀器設(shè)備，如日本電子JXA8100電子探針，德國MAT253質(zhì)譜儀和多種型號的數(shù)控機床等。學(xué)院下設(shè)信息工程系、經(jīng)濟管理系、外語與文法系、機電工程系、資源與環(huán)境工程系，共21個本科專業(yè)，實現(xiàn)了以理工為主，文、管、經(jīng)、法、體、教多學(xué)科的協(xié)調(diào)發(fā)展。圖書館館舍面積達(dá)到19079平方米, 閱覽座位822個,周開館時間近100小時,館內(nèi)藏書328363冊(圖書為325850冊,光盤為2513張),年訂閱現(xiàn)刊412種,報紙66種;各種數(shù)據(jù)庫14個：萬方數(shù)據(jù)資源、重慶維普數(shù)據(jù)庫、人大光盤復(fù)印報刊資料、中國學(xué)術(shù)期刊、超星數(shù)字圖書館、世界科學(xué)、Springer、EBSCO、中圖鏈接、化學(xué)通報、資治法典、教育管理與執(zhí)法、多媒體教學(xué)、英語聽力和眾多免費數(shù)據(jù)庫。平均日接待讀者980人次,日圖書流通量達(dá)到1850本。
綜上所述，可以看到學(xué)校擁有雄厚的師資力量和教學(xué)資源，完全滿足我們課題設(shè)計研究的要求。
5、畢業(yè)設(shè)計（論文）總體安排和進(jìn)度
進(jìn) 度 安 排
序號
設(shè)計（論文）工作內(nèi)容
時間（起止周數(shù)）
1
調(diào)研，資料收集及整理；
2011.9.25---2011.10.1
2
分析文獻(xiàn)資料，準(zhǔn)備開題；
2011.10.2---2011.10.26
3
X-Y工作臺總體方案構(gòu)思；
2011.10.27---2011.11.5
4
確定X-Y工作臺的設(shè)計方案；
2011.11.6---2011.11.16
5
X-Y工作臺主要部件的選型和驗算；
2011.11.17---2011.11.23
6
X-Y工作臺控制系統(tǒng)的設(shè)計；
2011.11.24---2011.11.30
7
X-Y工作臺裝配圖及電氣原理圖的繪制；
2011.11.30---2011.12.30
8
資料、數(shù)據(jù)整理, 并修改畢業(yè)論文；
2011.12.31---2012.3.15
9
定稿, 準(zhǔn)備答辯。
2012.3.16---2012.6.4
學(xué)生簽名：歐陽昌馳
2011年 9月 24日
6、指導(dǎo)教師意見與建議
指導(dǎo)老師簽名：
年 月 日