综合课程设计指导书.docx
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综合课程设计指导书
综合课程设计
指导书
课程性质：
专业课（必修）
适用专业：
11级机械电子工程
所用时间：
三周
指导教师：
陈里里董绍江
重庆交通大学机电与汽车工程学院
2014.12
一、课程设计的目的、意义
综合课程设计是培养学生设计能力的重要实践性教学环节之一，是综合运用所学的机械、电子、自动控制、计算机等知识进行的基本设计训练。
其目的是：
1.能够正确运用《机电系统设计》课程的基本理论和相关知识，掌握机电一体化系统（产品）的功能构成、特点和设计思想、设计方法，了解设计方案的拟定、比较、分析和计算，培养学生分析问题和解决问题的能力，使学生具有机电一体化系统设计的初步能力；
2.通过机械部分设计，掌握机电一体化系统典型机械零部件和执行元件的计算、选型和结构设计方法和步骤；
3.通过测试及控制系统方案设计，掌握机电一体化系统控制系统的硬件组成、工作原理，和软件编程思想；
4.通过课程设计提高学生应用手册、标准及编写技术说明书的能力，促进学生在科学态度、创新精神、专业技能等方面综合素质的提高。
二、课程设计的题目及要求
（一）题目：
单片机控制步进电机驱动的多用XY工作台。
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）
Lx
Ly
vmax
vymax
1
350
350
1500
1500
400
2
350
350
1000
1000
300
3
400
400
2000
2000
2000
4
400
400
1000
1000
1800
5
400
600
3000
3000
2500
6
400
600
2000
2000
2000
7
450
450
2000
2000
400
8
450
450
1500
1500
300
9
500
600
2500
2500
600
10
500
600
2000
2000
450
11
550
400
2000
2000
1000
12
550
400
1800
1800
800
13
600
300
2000
1500
600
14
600
300
2000
1200
850
15
640
190
1500
1500
1800
16
640
190
1000
1000
1000
17
700
500
2000
2500
1200
18
700
500
2500
2000
1500
19
750
600
1500
1500
600
20
750
600
1800
1800
450
（二）要求：
1.课程设计应在教师的指导下由学生独立完成，严格地要求自己，不允许相互抄袭；
2.认真阅读《课程设计指导书》，明确题目及具体要求；
3.认真查阅题目涉及内容的相关文献资料、手册、标准；
4.大胆创新，确定合理、可行的总体设计方案；
5.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；
6.微机控制系统方案可行，硬件选择合理，软件框图正确；
7.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；
8.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
本课程设计要求在两周时间内完成，具体进度安排大致如下：
1.收集及阅读资料，明确设计任务1天
2.总体方案论证2天
3.机械部分设计计算3天
4.装配图绘制4天
5.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
6.软件框图，电气原理图4天
7.编写设计说明书3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。
1.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。
2.计算机系统
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、键盘及显示器、I/O接口及光电隔离电路、步进功率放大电路等。
系统的工作程序和控制命令通过键盘操作实现。
采用数码管显示加工数据和工作状态等信息。
3.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。
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。
1.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。
2.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
3.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）
4.滚珠丝杠计算、选择
初选丝杠材质：
CrWMn钢，HRC58~60，导程：
l0=5mm或6mm。
（1）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，并根据最大动载荷的数值可选择滚珠丝杠的型号。
（2）传动效率计算
丝杠螺母副的传动效率为：
式中：
φ=10’，为摩擦角；γ为丝杠螺旋升角。
（3）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的能力；fk为压杆稳定的支撑系数；E=2.1x1011Pa为钢的弹性模量；
为丝杠小径d1的截面惯性矩；ls为丝杠长度；K=2.5~4为压杆稳定安全系数。
（4）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。
5.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
6.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：
（kg·m2），
（kg·m2）
（kg·m2），
（kg·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）
7.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（MCU）的类型；
（3）根据控制系统要求设计相关扩展电路；
（4）根据控制对象及系统工作要求设计I/O接口电路、检测电路、转换电路、光电隔离电路及电机驱动电路等；
（5）选择控制电路中各器件及电气元件的参数及型号；
（6）绘制电气原理图一张（建议用Protel绘制）。
并要标明各器件的型号、管脚号及参数；
（7）说明书中对电气原理图以及各有关电路进行详细的原理说明和方案论证。
控制系统硬件框图
（四）系统控制系统软件设计
按照功能可将控制系统的控制软件分为以下几部分内容：
1.系统管理程序：
接收命令、执行命令及从命令处理程序返回到管理程序接收命令的环节，使系统处于新的等待操作状态。
2.工作台运动源程序的输入处理程序：
完成从外部I/O设备输入工作台运动源程序。
3.插补程序：
根据工作台运动源程序进行插补运算，分配进给脉冲。
4.伺服控制程序：
根据插补运算的结果或操作者的命令控制伺服电机的速度、转角及方向。
5.诊断程序：
超行程处理、紧急停机处理、系统故障诊断、查错等。
6.工作台自动与手动控制程序。
7.键盘操作和显示处理程序：
监视键盘操作、显示加工程序、工作状态、操作命令等。
要求在设计说明书中画出逐点比较法直线插补流程图。
参考文献：
[1]尹志强，机电一体化系统设计课程设计指导书，机械工业出版社，2007
[2]张军，机电一体化系统设计原理与应用，机械工业出版社，2010
[3]成大先,机械设计手册,机械工业出版社,2002.
[4]机电一体化技术手册编委会,机电一体化手册,机械工业出版社,1991.
[5]张新义,经济型数控机床系统设计,机械工业出版社,1994.
[6]http:
//www.stone-（四通电机,选择步进电机）.
[7]（南京工艺装备制造厂,选择滚动丝杠、导轨）.
图书馆及互联网上其它资源
课程设计指导方式
课程设计每周答疑2次，进行一次中期检查（时间另行通知），并给出平时成绩。
最后一周进行最终答辩并提交课程设计说明书及图纸，给出最终成绩。
课程设计考核办法和成绩评定
根据课程设计说明书、工作态度和教师检查及提问情况等方面综合评分。
各部分比例如下：
总体方案是否正确，概念是否清楚20%
机械制图是否正确30%
电气及控制部分是否正确30%
纪律表现和书面质量20%
课程设计鼓励学生创新思维，鼓励学生采用与指导书不同的机械结构、单片机及控制算法。
最终成绩将根据创新程度及正确性加分。
步进电机驱动的多用XY工作台示意图
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