37-二坐標(biāo)數(shù)控工作臺(tái)設(shè)計(jì)【CAD圖紙+word說明書】

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5、顯示器接口設(shè)計(jì)……………………………………………………………13 6、鍵盤接口電路設(shè)計(jì)…………………………………………………………13 7、步進(jìn)電機(jī)的接口電路設(shè)計(jì)…………………………………………………13 8、其他…………………………………………………………………………14 六、參考文獻(xiàn)……………………………………………………………………14 一、機(jī)電專業(yè)課程設(shè)計(jì)目的 本課程設(shè)計(jì)是學(xué)生在完成專業(yè)課程學(xué)習(xí)后，所進(jìn)行的機(jī)電一體化設(shè)備設(shè)計(jì)的綜合性訓(xùn)練。通過該環(huán)節(jié)達(dá)到下列目的：（1）鞏固和加深專業(yè)課所學(xué)的理論知識(shí)；（2）培養(yǎng)理論聯(lián)系實(shí)際，解決工程技術(shù)問題的動(dòng)手能力；（3）進(jìn)行機(jī)電一體化設(shè)備設(shè)計(jì)的基本功訓(xùn)練，包括以下10方面基本功：1）查閱文獻(xiàn)資料；2)分析與選擇設(shè)計(jì)方案；3）機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；4）電氣控制原理設(shè)計(jì)；5）機(jī)電綜合分析；6）繪工程圖；7）運(yùn)動(dòng)計(jì)算和精度計(jì)算；9）撰寫設(shè)計(jì)說明書；10）貫徹設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。 二、總體方案設(shè)計(jì) 2.1 設(shè)計(jì)任務(wù) （1）題目：二坐標(biāo)數(shù)控工作臺(tái)設(shè)計(jì)。 （2）設(shè)計(jì)內(nèi)容及要求： 1）工作臺(tái)總裝圖一張（0號(hào)） 2）控制電氣圖一張（1號(hào)） 3）設(shè)計(jì)說明書一份（10-20頁） 4）具體設(shè)計(jì)參數(shù)如下： 臺(tái)面尺寸： 行程X：170；Y:120 定位精度： 典型工藝參數(shù)：臺(tái)面速度 X: ，Y：； 進(jìn)給抗力 X: 100N； Y: 90N； 工作物重：12。 2.2 總體方案確定 （1）系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方式與伺服系統(tǒng) 由于工件在移動(dòng)的過程中受到負(fù)載力較小，為了簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，降低成本，采用步進(jìn)電機(jī)開環(huán)伺服系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)X-Y工作臺(tái)。 （2）計(jì)算機(jī)系統(tǒng) 本設(shè)計(jì)采用了與MCS-51系列的8031單片機(jī)控制系統(tǒng)。它的主要特點(diǎn)是集成度高，可靠性好，功能強(qiáng)，速度快，有較高的性價(jià)比，且易擴(kuò)展。 MCS-51的程序存儲(chǔ)器空間為64K字節(jié)。對(duì)于片內(nèi)無ROM的單片機(jī)8031，需進(jìn)行程序存儲(chǔ)器的擴(kuò)展。本控制系統(tǒng)由由8031型單片機(jī)、數(shù)據(jù)鎖存器74LS373、存儲(chǔ)器EPROM2764、RAM6264、地址譯碼器74LS138、并行I/O接口8255等集成電路構(gòu)成 （3）X-Y工作臺(tái)的傳動(dòng)方式 為保證一定的傳動(dòng)精度和平穩(wěn)性，又要求結(jié)構(gòu)緊湊，所以選用絲杠螺母?jìng)鲃?dòng)副。為提高傳動(dòng)剛度和消除間隙，采用預(yù)加負(fù)荷的結(jié)構(gòu)。 由于工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)載荷不大，因此采用直線滾珠導(dǎo)軌。采用滾珠導(dǎo)軌可減少兩個(gè)相對(duì)運(yùn)動(dòng)面的動(dòng)、靜摩擦系數(shù)之差，從而提高運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性，減小振動(dòng)。 考慮電機(jī)步距角和絲桿導(dǎo)程只能按標(biāo)準(zhǔn)選取，為達(dá)到分辨率和結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的要求，盡可能使傳動(dòng)比為1。 三、機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì) 3.1、工作臺(tái)外形尺寸及重量估算 由臺(tái)面尺寸為175×170，查課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書表3-23，估計(jì)取工作臺(tái)厚度30mm，則重量：按重量=體積×材料比重估算 X向拖板（上拖板）：估計(jì)上絲桿長(zhǎng)度，由，余程查表5-4取20mm，則絲桿長(zhǎng)度約為345。電動(dòng)機(jī)約2kg，托板和導(dǎo)軌合估計(jì)為 工作物重為120N 則X-Y工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)部分的總重量：約347N。 3.2、滾動(dòng)導(dǎo)軌的參數(shù)確定 ⑴、導(dǎo)軌型式：直線滾動(dòng)導(dǎo)軌 ⑵、導(dǎo)軌長(zhǎng)度 ①X向?qū)к墸ㄉ希? 取動(dòng)導(dǎo)軌長(zhǎng)度 mm 動(dòng)導(dǎo)軌行程 mm 余程約為 mm 支承導(dǎo)軌長(zhǎng)度 mm 計(jì)算四滑塊的載荷，工作臺(tái)重量70N，假設(shè)重物處于臺(tái)中央，然后擴(kuò)大載荷2倍。 擴(kuò)大后95N。 計(jì)算需要的動(dòng)載荷 ， 查長(zhǎng)方資料得： ，，，，。 代入數(shù)據(jù)得，由資料3-20取滾動(dòng)導(dǎo)軌型號(hào)為：LY15AL，額定動(dòng)載荷為605N，滿足要求。 ② Y向?qū)к墸ㄏ拢? mm mm mm mm 取值330mm 計(jì)算四滑塊的載荷，總重量347N，假設(shè)重物處于臺(tái)中央，然后擴(kuò)大載荷2倍。 擴(kuò)大后232N。 計(jì)算需要的動(dòng)載荷 ，查長(zhǎng)方資料得：，，，，。代入數(shù)據(jù)得，由資料3-20取滾動(dòng)導(dǎo)軌型號(hào)為：LY15AL，額定動(dòng)載荷為605N，滿足要求。 3.3、滾珠絲杠的設(shè)計(jì)計(jì)算 ①X絲杠（上） 由表5-3，初選滾珠絲杠的基本導(dǎo)程為5mm。 根據(jù)式（3-1） 其中，為絲杠有效行程，為絲杠螺紋全長(zhǎng)，余程，根據(jù)表5-4，取余程20mm，則=365mm。 滾珠絲杠副的計(jì)算軸向動(dòng)載荷為 其中 , 取滾動(dòng)導(dǎo)軌的摩擦系數(shù)為（淬火鋼滾珠導(dǎo)軌的摩擦系數(shù)） 查表：，，，，，，， 代入數(shù)據(jù)，得,查閱工廠資料，取第2個(gè),其額定動(dòng)載荷為8451N,足夠用。 ②Y絲杠（下） 由表5-3，初選滾珠絲杠的基本導(dǎo)程為5mm。 根據(jù)式（3-1） 其中，為絲杠有效行程，為絲杠螺紋全長(zhǎng)，余程，根據(jù)表5-4，取余程20mm。 則=310mm。 滾珠絲杠副的計(jì)算軸向動(dòng)載荷為 其中 , 取滾動(dòng)導(dǎo)軌的摩擦系數(shù)為0.03. 查表：，，，，，，， 代入數(shù)據(jù)，得,查閱工廠資料，取第2個(gè),其額定動(dòng)載荷為8451N,足夠用。 3.4、 步進(jìn)電機(jī)的選用 ①Y電機(jī)（下） ⑴、脈沖當(dāng)量選擇 初選五相電機(jī)，按五相十拍工作時(shí)，步距角，由于要求平臺(tái)定位精度： ，取定位精度的（）。初定脈沖當(dāng)量，中間齒輪傳動(dòng)比為 ， （2）、等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算 滾珠絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（不計(jì)傳動(dòng)效率） Y以上平臺(tái)和工作物重總重折算到軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 因此，折算到電機(jī)軸上的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 。 （3） 、等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩計(jì)算(以下均為折算到電機(jī)軸的轉(zhuǎn)矩） 由式（4-7）-（4-9）可知： —滾珠絲杠未預(yù)緊時(shí)的傳動(dòng)效率,取0.90 上式中 為絲杠預(yù)緊時(shí)的傳動(dòng)效率，取0.8， 為預(yù)緊力， 取 取啟動(dòng)加速時(shí)間 查表，初選電動(dòng)機(jī)型號(hào)75BF006,矩頻特性如下圖所示 最大靜轉(zhuǎn)矩 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 , =1500Hz. 故 從上可知，最大 滿足要求。 （4) 步進(jìn)電機(jī)動(dòng)態(tài)特性校驗(yàn) 說明慣量可以匹配。 電機(jī)帶慣量最大啟動(dòng)頻率 大于，所以與對(duì)應(yīng)的最大靜轉(zhuǎn)矩校核，顯然滿足要求。 綜上所述，可選該型號(hào)的步進(jìn)電機(jī)，具有一定的裕量。 ①X電機(jī)（上） ⑴、脈沖當(dāng)量選擇 初選五相電機(jī)，按五相十拍工作時(shí)，步距角，由于要求平臺(tái)定位精度： ，取定位精度的（）。初定脈沖當(dāng)量，中間齒輪傳動(dòng)比為 ， （2）、等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算 滾珠絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（不計(jì)傳動(dòng)效率） Y以上平臺(tái)和工作物重總重折算到軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 因此，折算到電機(jī)軸上的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 。 （4） 、等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩計(jì)算(以下均為折算到電機(jī)軸的轉(zhuǎn)矩） 由式（4-7）-（4-9）可知： —滾珠絲杠未預(yù)緊時(shí)的傳動(dòng)效率,取0.90 上式中 為絲杠預(yù)緊時(shí)的傳動(dòng)效率，取0.8， 為預(yù)緊力， 取 取啟動(dòng)加速時(shí)間 查表，初選電動(dòng)機(jī)型號(hào)75BF006,矩頻特性如下圖所示 最大靜轉(zhuǎn)矩 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 , =1500Hz. 故 從上可知， 最大， 滿足所需的轉(zhuǎn)矩要求。 （5) 步進(jìn)電機(jī)動(dòng)態(tài)特性校驗(yàn) 說明慣量可以匹配。 電機(jī)帶慣量最大啟動(dòng)頻率 大于，所以與對(duì)應(yīng)的最大靜轉(zhuǎn)矩校核，顯然滿足要求。 綜上所述，可選該型號(hào)的步進(jìn)電機(jī)，具有一定的裕量。 3.5、確定聯(lián)軸器的型號(hào) 由于數(shù)控平臺(tái)有沖擊，且電動(dòng)機(jī)工作時(shí)經(jīng)常變速，故選用撓性聯(lián)軸器。查閱參考書表10-43 選用A23型聯(lián)軸器。 計(jì)算聯(lián)軸器的轉(zhuǎn)矩： 由估算功率摩擦力作用很小，可忽略： 小于聯(lián)軸器的允許轉(zhuǎn)矩，且工作速度遠(yuǎn)小于允許最高轉(zhuǎn)速25000.故滿足要求。 四、繪制裝配圖 1.標(biāo)注裝配圖尺寸、配合與精度等級(jí)。包括特性尺寸、最大體形尺寸、安裝尺寸和主要零件的配合尺寸。 2.寫出工作臺(tái)的技術(shù)特征。 3.編寫技術(shù)要求。 4.對(duì)所有零件進(jìn)行編號(hào)。 5.列出零件明細(xì)表及標(biāo)題欄。 6檢查裝配圖。 五、電氣原理圖設(shè)計(jì) 典型數(shù)控工作臺(tái)電氣原理圖的說明 單片機(jī)是把微型計(jì)算機(jī)的主要部分都集成在一個(gè)芯片上的單芯片微型計(jì)算機(jī),因而可以把它看成是一個(gè)不帶外部設(shè)備的微型計(jì)算機(jī)。不同系列的單片機(jī)共同的特點(diǎn)是：控制功能強(qiáng)；體積??；功耗低；成本低。 由于上述優(yōu)越性能，單片機(jī)已在工業(yè)、民用、軍用等工業(yè)控制領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，特別是隨著數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，它在很大程度上改變了傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。在軟件和擴(kuò)展接口支持下，單片機(jī)可以代替以往由模擬和數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)。 如電氣原理圖所示的就是通過單片機(jī)及其外圍接口實(shí)現(xiàn)的二坐標(biāo)數(shù)控工作臺(tái)電氣原理圖。它由8031型單片機(jī)、數(shù)據(jù)鎖存器74LS373、存儲(chǔ)器EPROM2764、RAM6264、地址譯碼器74LS138、并行I/O接口8255等集成電路構(gòu)成。下面分別說明它們?cè)谡麄€(gè)控制部分中的功能、用法及其選擇原則。 5.1、單片機(jī)的選擇 設(shè)隨著微電子技術(shù)水平的不斷提高，單片微型計(jì)算機(jī)有了飛躍的發(fā)展。單片機(jī)的型號(hào)很多，而目前市場(chǎng)上應(yīng)用MCS-51芯片及其派生的兼容芯片比較多，如目前應(yīng)用最廣的8位單片機(jī)89C51，價(jià)格低廉，而性能優(yōu)良，功能強(qiáng)大。 在一些復(fù)雜的系統(tǒng)中就不得不考慮使用16位單片機(jī)，MCS-96系列單片機(jī)廣泛應(yīng)用于伺服系統(tǒng)，變頻調(diào)速等各類要求實(shí)時(shí)處理的控制系統(tǒng)，它具有較強(qiáng)的運(yùn)算和擴(kuò)展能力。但是定位合理的單片機(jī)可以節(jié)約資源，獲得較高的性價(jià)比。 計(jì)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)，首先要設(shè)計(jì)其核心的單片機(jī)系統(tǒng)。從一開始就有一個(gè)單片機(jī)芯片選型問題。面對(duì)不同字長(zhǎng)，如4位、8位、16位，各具特色的單片機(jī)芯片如何進(jìn)行選擇呢？首先要滿足所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的功能和性能要求；其次要選擇價(jià)格較低的芯片，不要盲目追求過多功能和過高性能；另外要選擇那些在國(guó)內(nèi)有成熟的開發(fā)系統(tǒng)和穩(wěn)定的供貨來源。如采用流行普遍使用的芯片，資料豐富，能有效地縮短開發(fā)周期。 本課程設(shè)計(jì)目的是設(shè)計(jì)一種經(jīng)濟(jì)型的二坐標(biāo)數(shù)控工作臺(tái)，其功能比較簡(jiǎn)單，成本低。因而這里選用MCS-51系列的8031單片機(jī)作為CPU，它具有良好的性能價(jià)格比，且易擴(kuò)展。 5.2、外部程序存儲(chǔ)器的擴(kuò)展 MCS-51的程序存儲(chǔ)器空間為64K字節(jié)。對(duì)于片內(nèi)無ROM的單片機(jī)（如8031），或當(dāng)單片機(jī)內(nèi)部程序存儲(chǔ)器容量不夠時(shí)，進(jìn)行程序存儲(chǔ)器的擴(kuò)展是必不可缺的。半導(dǎo)體存儲(chǔ)器EPROM、EEPROM、ROM等在原理上都可用作單片機(jī)的外部程序存儲(chǔ)器。由于EPROM價(jià)格低廉，性能可靠，所以單片機(jī)外部擴(kuò)展的程序存儲(chǔ)器一般為EPROM芯片（紫外線可擦除、電可編程的只讀存儲(chǔ)器），掉電后信息不會(huì)丟失。在選擇外部程序存儲(chǔ)器電路時(shí)，應(yīng)注意電路的讀取時(shí)間能否與MCS-51的PESN信號(hào)匹配。其片選端接地。 由于本設(shè)計(jì)程序容量不大，因而選用2764作為外部程序存儲(chǔ)器。 5.3、外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的擴(kuò)展 對(duì)大多數(shù)控制性應(yīng)用場(chǎng)合，MCS-51系列單片機(jī)內(nèi)部RAM已能滿足系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的要求。對(duì)需要較大容量數(shù)據(jù)緩沖器的應(yīng)用系統(tǒng)，就需要在單片機(jī)的外部擴(kuò)展數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。 在電氣原理圖中根據(jù)設(shè)計(jì)功能要求選用一片6264作為外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。圖中其高5位地址線A8～A12由8031的P2.0~P2.4口線提供，低8位地址線A0~A7接地址鎖存器74LS373輸出端。讀、寫控制信號(hào)分別接8031的RD、WE。其片選信號(hào)通過地址譯碼法進(jìn)行選通。 5.4、I/O口擴(kuò)展電路 本課程設(shè)計(jì)因采用步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)裝置。為了降低成本，特采用可編程外圍并行接口芯片8255。使其不僅完成驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的功能，同時(shí)完成與鍵盤/顯示器的接口操作功能。 5.5、顯示器接口設(shè)計(jì) 電氣原理圖中，由10片共陽極LED顯示塊拼成10位LED顯示器。為了簡(jiǎn)化硬件電路，采用動(dòng)態(tài)顯示方式。即所有位的段選線相應(yīng)地并聯(lián)在一起，由8031的P1.0~P1.7口來控制LED顯示器的段碼，而各位的位選線分別由相應(yīng)的I/O口線控制。即PC0~PC7、PB6~PB7共10個(gè)I/O口線控制，實(shí)現(xiàn)各位的分時(shí)選通。為了保證各位LED能夠顯示出本位相應(yīng)的顯示字符，而不出現(xiàn)閃爍，導(dǎo)致人眼看不清，必須根據(jù)人眼視覺暫留現(xiàn)象，選擇一個(gè)合適的掃描頻率。圖中選用74LS07進(jìn)行同相驅(qū)動(dòng)。 5.6、鍵盤接口電路設(shè)計(jì) 鍵盤實(shí)質(zhì)上是一組按鍵開關(guān)的集合。電氣原理圖中采用矩陣式鍵盤接口，鍵盤接口電路通過8255（U5）的PA0~PA3和PC0~PC7、PB6~PB7構(gòu)成行、列線。按照逐行逐列地檢查鍵盤狀態(tài)（即掃描）來確定閉合鍵的位置。 5.7、步進(jìn)電機(jī)的接口電路設(shè)計(jì) 對(duì)于本課程設(shè)計(jì)中選用的步進(jìn)電機(jī)，為五相，無論它工作在什么方式，都需要五路控制電路，并且每一路對(duì)應(yīng)于步進(jìn)電機(jī)的一相。而每一路控制電路的結(jié)構(gòu)是一樣的。 CPU接口部分包括傳感器部分、傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)部分、人機(jī)交互界面三部分。示意圖如下所示： （行程開關(guān)） 前向通道 傳動(dòng)驅(qū)動(dòng) （步進(jìn)電機(jī)） 人機(jī)界面 傳感器 8031 （鍵盤、LED） 后向通道 圖5-1 CPU外部接口示意圖 8031要完成的任務(wù)： （1）將行程開關(guān)的狀態(tài)讀入CPU，通過中斷進(jìn)行處理，它的優(yōu)先級(jí)別最高。 （2）通過程序?qū)崟r(shí)控制電機(jī)的運(yùn)行。 （3）接受鍵盤中斷指令，并響應(yīng)指令，將當(dāng)前行程開關(guān)狀態(tài)和鍵盤狀態(tài)反應(yīng)到LED上，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互作用。 由于8031只有P1口和P3口是準(zhǔn)雙向口，但P3口主要以第二功能為主，并且在系統(tǒng)中要用到第二功能的中斷口，因此要進(jìn)行I/O擴(kuò)展?？紤]到電路的簡(jiǎn)便性和可實(shí)現(xiàn)性，實(shí)際中采用內(nèi)部自帶鎖存器的8155。 電氣原理圖中通過8255（U5）的PB0~PB4分別控制X方向步進(jìn)電機(jī)的五相。對(duì)于Y軸步進(jìn)電機(jī)通過8255（U6）的PC0~PC4分別控制Y方向步進(jìn)電機(jī)的五相。 5.8、其他 1）電源 提供整個(gè)系統(tǒng)的供電部分。 2）限位開關(guān)及其反饋信號(hào)檢測(cè) 選擇限位開關(guān)時(shí)可根據(jù)額定電壓、額定電流、開啟頻率、觸點(diǎn)數(shù)等參數(shù)進(jìn)行。選擇行程開關(guān)，安裝于導(dǎo)軌的兩端。其作用是控制信號(hào)的通斷，然后由單片機(jī)系統(tǒng)檢測(cè)該信號(hào)的有無，實(shí)現(xiàn)控制電機(jī)的換向與否的目的。 原理圖中通過8255（U5）的PA4~PA7口檢測(cè)步進(jìn)電機(jī)是否到位，從而采取相應(yīng)的控制措施。 六、參考文獻(xiàn)： [1] 濮良貴主編 . 機(jī)械設(shè)計(jì) . 第七版 . 北京： 高等教育出版社 ， 2001 [2] 吳宗澤主編 . 機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)手冊(cè) .第二版 .北京 .高等教育出版社 . 1999 [3] 樓應(yīng)侯、潘曉彬、鄭堤、崔玉國(guó)、胡利永等編 . 機(jī)械電子工程專業(yè)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書 15