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1、机电一体化课程设计 1 目的 把在机电一体化课程及其它有关先修课程中所学到的知识在实际设计中综合地加以应用 使这些知识得到巩固 加深和扩展 2 机电一体化系统 以开环控制的伺服系统为例 设计的主要步骤和方法 一 系统方案设计确定控制形式 绘制总体方案图 1 执行元件选择 2 传动机构方案的选择 3 执行机构方案的选择 4 控制系统方案的选择 二 机械系统的设计 1 执行元件参数及规格的确定 2 传动机构的具体结构及参数设计 3 执行机构的具体结构及参数设计 三 控制系统设计内容 控制系统的硬件设计和软件设计其中硬件电路设计主要包括 1 微机的选用 存储器的选用与扩展 译码电路设计 接口电路设计
2、等 2 绘制控制系统硬件电路原理图 开环伺服系统结构原理图 机械传动原理图 3 一 系统方案确定 微机 驱动器 执行元件 传动机构 执行机构 方案确定实质是对上述各构成环节的选择设计 执行元件的选择 开环伺服系统中可以采用步进电机 液压伺服阀控制的液压马达和液压缸 气压伺服阀控制的气压马达和气压缸等作为执行元件 其中步进电机应用最广泛 当负载能力不够时 考虑后者 总之 要考虑负载能力 调速范围 体积 成本等因素 传动机构实质上是执行元件和执行机构之间的一个机械接口 用于对运动和力进行变换和传递 伺服系统中执行元件以输出转速和转矩为主 而执行机构多为直线运动 将旋转运动转换为直线运动的传动机构有
3、 传动机构方案的选择 4 执行机构方案的选择 丝杠螺母传动 齿轮齿条传动 最常用 步进电机与丝杠螺母间的运动传递可能有多种形式 采用同步齿型带传动丝杠 中心距较大 通过减速器传动丝杠 减速器作用是配凑脉冲当量 转矩放大 惯量匹配等 通过联轴器直接相连 结构简单 可获得高速 对电机负载能力要求较高 执行机构是伺服系统中的被控对象 是进行实际操作的机构 执行机构中一般含有导向机构 执行机构方案的选择主要是指导向机构的选择 即 控制系统方案的选择 导轨的选择 滚动导轨 气浮导轨 液体导轨 塑料贴面滑动导轨 包括微机 步进电机控制方式 驱动电路 接口电路等的选择和设计 5 二 机械系统设计计算 1 移
4、动部件的重量估算2 外力负载的计算3 导轨副的计算 选型 效核4 丝杠螺母副的计算 选型 效核5 减速器的选用6 步进电动机的计算 选型 效核 机械传动原理图 6 确定脉冲当量 初选步进电动机 根据系统精度要求确定 对于开环伺服系统 一般取 0 005 0 01mm pulse 初选步进电机指 选择步进电机的类型和步距角 混合式 兼以上二者优点 但价格高 反应式 小 f高 价格低 功耗大 永磁式 大 f低 功耗小 断电后仍有制动力矩 按产品样本中给出的主要技术参数选用 7 确定减速传动比 传动比公式 计算出的传动比较小时 采用一级齿轮传动或同步带传动 传动比较大时 采用多级齿轮传动 齿轮传动级
5、数增加时 使齿隙和静摩擦增加 传动效率降低 故传动级数一般不超过3级 传动级数的分配原则 传动比逐级增加 或前小后大原则 使输出轴转角误差最小 计算时 按级数选择曲线和传动比分配曲线进行选择 8 图A传动级数选择曲线 9 图B传动比分配曲线 10 若不计摩擦 即TLF 0 则 上式表明 得到传动装置总传动比i的最佳值的时刻就是JL换算到电动机轴上的转动惯量JL i2正好等于电动机转子的转动惯量Jm的时刻 此时 电动机的输出转矩一半用于加速负载 一半用于加速电动机转子 达到了惯性负载和转矩的最佳匹配 电机 传动装置和负载的传动模型 11 验算惯量匹配 电机轴上的总当量负载转动惯量Jd与电机轴自身
6、的转动惯量Jm应控制在 比值太大 系统动特性受负载变化干扰 比值太小 不经济 大马拉小车 通过减速传动比i和丝杠导程l0的合理搭配 使惯量匹配趋于合理 如果验算发现Jd Jm不满足上式要求 应返回修改原设计 计算系统转动惯量 12 图7 20单片机控制系统工作原理图 图8 20 三 控制系统硬件电路设计 13 1控制电路设计由于MCS 51单片机具有较高性价比 因此用8031作为系统控制器 采用8155和2764 6264芯片作为I O和存储器扩展芯片 2764用作程序存储器 存放监控程序 6264用来扩展8031的RAM存储器 存放调试和运行的加工程序 8155用作键盘和LED显示器接口 键
7、盘主要是输入工作台方向 有 x x y y四个方向 LED显示器显示当前工作台坐标值 系统具有超程报警功能 并有越位开关和报警灯 其他的辅助电路有复位电路 时钟电路 越位报警指示电路 1 限位报警显示电路为限制工作台在规定的范围内运动 在x y向导轨的四个边界处设有限位开关 每一边界有一限位开关 当工作台碰撞到限位开关时 通过电路向单片机发出一个中断请求信号INT0 单片机接收到信号后快速响应 接通报警显示电路 红灯报警 同时控制电机停止运转 2 键盘显示电路系统显示接口用8155扩展口控制5位8段LED数码显示块实现动态显示 系统键盘用8155扩展口组成了4X8行列式键盘 能实时显示工作台的
8、当前运动位置 共5位 其中整数部分3位 小数部分2位 14 2步进电动机与单片机的接口电路设计步进电机与单片机接口电路有三部分 环行分配 光电隔离 功率放大电路 环行分配是将来自单片机的脉冲按四相八拍的通电方式分配给步进电机的四相绕组 利用专用环行分配器件YB014实现环形分配 光电隔离电路是使单片机与电机之间通弱电 隔强电 保护单片机系统 功率放大电路是将来自光电隔离电路的脉冲信号放大 使得步进电机绕组获得足够的电流和电压 15 16 17 16 7 4 图9 35控制系统原理框图 图9 36CMC80微机的组成 17 18 19 一 课程设计题目1 数控车床工作台二维运动伺服进给系统设计
9、注 这里的二维运动指的是工作台在水平面内沿横轴和纵轴的运动 2 数控铣床工作台三维运动伺服进给系统设计3 自拟题目 二 设计要求1 能用键盘输入命令控制工作台的运动方向2 能实时显示当前运动位置3 具有越程指示报警及停止功能4 参照工具书 结合实际 自己设定系统定位精度 脉冲当量 空载启动时间 最大进给速度 各个方向的运动范围 切削用量等参数 机电一体化课程设计 任务书 20 三 设计内容1 总体方案确定 1 总体方案设计 2 绘制总体方案图2 机械系统设计 1 执行元件参数及规格的确定 2 传动机构的具体结构及参数设计 3 执行机构的具体结构及参数设计 4 绘制进给传动系统示意图 3 控制系
10、统硬件电路设计 1 微机的选用 存储器的选用与扩展 译码电路设计 接口电路设计等 2 绘制控制系统原理框图4 传感器的选择 适用于半闭环控制方式和全闭环控制方式 21 四 课程设计报告书内容 不少于3000字 要求计算准确 文字通顺 书写工整 要求图纸 图面布置合理 正确清晰 1 设计题目和要求2 系统总体方案框图及分析说明3 机械系统设计计算 各部件类型选择说明及进给传动系统的示意图与说明4 控制系统工作原理框图与设计说明5 传感器的选择与设计说明 适用于半闭环控制方式和全闭环控制方式 6 课程设计总结与心得体会7 参考资料 五 主要参考书目机械原理 机械设计 电工电子技术 单片机原理与系统
11、设计 机电一体化等相关书籍 如 1 尹志强等编著 机电一体化系统课程设计指导书 北京 机械工业出版社 2007 5 2 郑堤主编 机电一体化设计基础 北京 机械工业出版社 1997 3 曾励主编 机电一体化系统设计 北京 高等教育出版社 2004 4 4 张建民等编著 机电一体化系统设计 第三版 北京 高等教育出版社 2007 7 22 设计任务总体方案确定机械系统设计控制系统设计传感器选择总结 包括心得体会 参考文献 课程设计报告书格式 23 地点 36教4楼电子与控制工程教研室 时间 15周星期五下午17 00 以班为单位统一上交课程设计报告 24 考试时间 13周 考试地点 考试形式 闭卷 题型 填空 单项选择 判断 简答 计算 分析 课程考试 25 2 伺服电机驱动系统如图所示 已知齿轮减速比i 5 丝杠螺距ts 5mm 丝杠直径d 20mm 工作台的质量m 200kg 工作台最大线速度v 0 25m s 最大加速度a 10m s2 工作台与导轨之间的摩擦系数f 0 1 传动效率 0 7 试求 1 电机的负载力矩 2 折算到电机轴上的转动惯量 3 电机的最小额定转速 26 解 1 电机的负载力矩惯性负载 摩擦负载 驱动力矩 2 折算到电机轴上的转动惯量 3 电机的最小额定转速 27
