机电一体化专业本科毕业论文

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1、1前言在我国对外开放进一步深化的新环境下 ,发展我国数控技术及装备、提高我国制造业 信息化水平和国际竞争能力的重要性 ,并从战略和策略两个层面提出了发展我国数控技 术及装备的几点看法。装备工业的技术水平和现代化程度决定着整个国民经济的水平和现代化程度 ,数控 技术及装备是发展新兴高新技术产业和尖端工业的使能技术和最基本的装备 ,又是当今 先进制造技术和装备最核心的技术。数控技术是用数字信息对机械运动和工作过程进行控 制的技术 ,而数控装备是以数控技术为代表的新技术对传统制造产业和新兴制造业的渗 透形成的机电一体化产品,其技术范围覆盖很多领域。(一) 数控技术的发展趋势。数控技术的应用不但给传统

2、制造业带来了革命性的变化 ,使制造业成为工业化的象 征 ,而且随着数控技术的不断发展和应用领域的扩大 ,他对国计民生的一些重要行业 IT、汽车、轻工、医疗等的发展起着越来越重要的作用。从目前世界上数控技术及其装备 发展的趋势来看 ,其主要研究热点有以下几个方面:(1) 高速、高精加工技术及装备的新趋势效率、质量是先进制造技术的主体。高速、高精加工技术可极大地提高效率 ,提高产 品的质量和档次 ,缩短生产周期和提高市场竞争能力。从 EMO2001 展会情况来看 ,高速 加工中心进给速度可达80m/ min，甚至更高，空运行速度可达100m/ mi左右。目前世界上 许多汽车厂,包括我国的上海通用汽

3、车公司,已经采用以高速加工中心组成的生产线部分 替代组合机床。在加工精度方面，近10年来，普通级数控机床的加工精度已由10ym提高 到5pm ,精密级加工中心则从35pm ,提高到11.5pm并且超精密加工精度已开始进入 纳米级0.1pm。为了实现高速、高精加工，与这配套的功能部件如电主轴、直线电机得到 了快速的发展，应用领域进一步扩大。(2) 5 轴联动加工和复合加工机床快速发展采用 5 轴联动对三维曲面零件的加工，可用刀具最佳几何形状进行切削，不仅光洁度 高，而且效率也大幅度提高。但过去因5轴联动数控系统、主机结构复杂等原因，其价格要 比 3 轴联动数控机床高出数倍，加之编程技术难度较大，

4、制约了 5 轴联动机床的发展。当 前由于电主轴的出现，使得实现 5 轴联动加工的复合主轴头结构大为简化，其制造难度和 成本大幅度降低，数控系统的价格差距缩小。因此促进了复合主轴头类型 5 轴联动机床和 复合加工机床含5面加工机床的发展。(3) 智能化、开放式、网络化成为当代数控系统发展的主要趋势21世纪的数控装备将是具有一定智能化的系统，智能化的内容包括在数控系统中的各 个方面:为追求加工效率和加工质量方面的智能化，如加工过程的自适应控制，工艺参数自 动生成;为提高驱动性能及使用连接方便的智能化，如前馈控制、电机参数的自适应运算、 自动识别负载自动选定模型、自整定等。数控系统开放化已经成为数控

5、系统的未来之路。 所谓开放式数控系统就是数控系统的开发可以在统一的运行平台上,面向机床厂家和最终 用户,通过改变、增加或剪裁结构对象数控功能,形成系列化,并可方便地将用户的特殊应 用和技诀窍集成到控制系统中,快速实现不同品种、不同档次的开放式数控系统,形成具有 鲜明个性的名牌产品。目前开放数控系统的体系结构规范、通信规范、配置规范、运行平 台、数控系统功能库以及数控系统功能软件开发工具等是当前研究的核心。网络化数控装 备是近两年国际著名机床博览会的一个新亮点。数控装备的网络化将极大地满足生产线、 制造系统、制造企业对信息集成的需求,也是实现新的制造模式如敏捷制造、虚拟企业、 全球制造的基础单元

6、,反映了数控机床加工向网络化方向发展的趋势。(二) 对我国数控技术及其产业发展的基本估计我国数控技术起步于 1958 年,近 50 年的发展历程大致可分为三个阶段：第一阶段 从 1958 年到 1979 年,即封闭式发展阶段。在此阶段 ,由于国外的技术封锁和我国的基 础条件的制 ,数控技术的发展较为缓慢。第二阶段是在国家的“六五”、“七五”期间以及 “八五”的前期 ,即引进技术 ,消化吸收 ,初步建立起国产化体系阶段。在此阶段 ,由于 改革开放和国家的重视 ,以及研究开发环境和国际环境的改善 ,我国数控技术的研究、开 发以及在产品的国产化方面都取得了长足的进步。第三阶段是在国家的“八五”的后期

7、和 “九五”期间 ,即实施产业化的研究 ,进入市场竞争阶段。纵观我国数控技术近 50 年的 发展历程 ,特别是经过 4 个 5 年计划的攻关 ,总体来看取得的成绩还是不小。(三) 对我国数控技术和产业化发展的战略思考(1) 战略考虑。我国是制造大国 ,在世界产业转移中要尽量接受前端而不是后端的转 移 ,所以 ,我们应站在国家安全战略的高度来重视数控技术和产业问题。首先从社会安全 看 ,因为制造业是我国就业人口最多的行业 ,制造业发展不仅可提高人民的生活水平 , 而且还可缓解我国就业的压力 ,保障社会的稳定;其次从国防安全看 ,西方发达国家把高 精尖数控产品都列为国家的战略物质,对我国实现禁运和

8、限制 ,“东芝事件”和“考克斯 报告”就是最好的例证。(2) 发展策略。从我国基本国情的角度出发 ,以国家的战略需求和国民经济的市场需 求为导向 ,以提高我国制造装备业综合竞争能力和产业化水平为目标 ,用系统的方法 , 选择能够主导 21 世纪初期我国制造装备业发展升级的关键技术以及支持产业化发展的 支撑技术、配套技术作为研究开发的内容 ,实现制造装备业的跨跃式发展。强调市场需求 为导向 ,即以数控终端产品为主 ,以整机如量大面广的数控车床、铣床、高速高精高性能 数控机床、曲型数字化机械、重点行业关键设备等 带动数控产业的发展。重点解决数控 系统和相关功能部件 数字化伺服系统与电机、高速电主轴

9、系统和新型装备的附件等的可 靠性和生产规模问题。没有规模就不会有高可靠性的产品;没有规模就不会有价值低廉而 富有竞争力的产品;当然 ,没有规模中国的数控装备最终难有出头之日。2 课程设计的目的、意义及要求2.1 课程设计的目的、意义机电一体化系统设计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， 是综合运用所学过的机械、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. 能够正确运用机电一体化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

10、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。2.2 课程设计的要求：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

11、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手工或电脑绘制机械系统装配图一张（A1）,控制系统电气原理一张（A1）,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8000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。3 课程设计的内容3.1 课程设计题目：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

12、等冲击工作台的有效行程为Lx=400mmL二400mm快速进给速度Yv = 2000mm/min v= 2000mm/min 和工作载荷 F = 2000Nx maxy maxZ3.2 课程设计的内容3.2.1 数控装置总体方案的确定(1) .数控装置设计参数的确定；(2) .方案的分析，比较，论证。3.2.2 机械部分的设计(1) .确定脉冲当量；(2) .机械部件的总体尺寸及重量的初步估算；(3) .传动元件及导向元件的设计，计算和选用；(4) .确定伺服电机；(5) .绘制机械结构装配图；(6) .系统等效惯量计算；(7) .系统精度分析。3.2.3 数控系统的设计(1) .微机及扩展芯

13、片的选用及控制系统框图的设计；(2) .I/O 接口电路及伺服控制电路的设计和选用；(3) .系统控制软件的设计3.2.4 编写课程设计说明书(1) .说明书是课程设计的总结性技术文件，应叙述整个设计的内容，包括总体方案的确 定，系统框图的分析，机械传动设计计算，电气部分的设计说明，选用元器件参数 的说明，软件设计及其说明；(2) .说明书不少于 84 字，尽量用计算机完成。3.2.5 图纸(1).机械结构装配图，A0图纸1张。要求视图基本完整，符合标准。其中至少要有一 个坐标轴的完整剖视图；4 数控系统总体方案的确定数控系统总体方案设计的内容包括：系统运动方式的确定，执行机构及传动方案的确

14、定，伺服电机类型及调速方案确定，计算机控制系统选择。进行方案的分析、比较和论证。4.1 系统运动方式的确定该系统要求工作台沿各坐标轴的运动有精确的运动关系因此采用连续控制方式。4.2 伺服系统的选择 开环伺服系统在负载不大时多采用功率步进电机作为伺服电机 .开环控制系统由于没 有检测反馈部件，因而不能纠正系统的传动误差。但开环系统结构简单，调整维修容易， 在速度和精度要求不太高的场合得到广泛应用。.考虑到运动精度要求不高，为简化结构，降低成本，宜采用步进电机开环伺服系统驱动。 4.3 计算机系统的选择采用MCS-51系列中的8031单片机扩展控制系统。MCS-51单片机的主要特点是集成 度高，

15、可靠性好，功能强，速度快，性价比高。控制系统由微机部分、键盘及显示器、1/0 接口及光电隔离电路、步进功率放大电路等组成。系统的工作程序和控制命令通过键盘操 作实现。显示器采用数码管显示加工数据和工作状态等信息。4.5 XY 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。系统总体框图如图 1:图

16、1 系统总体框图5 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。5.1 确定系统脉冲当量脉冲当量g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，由于定位精度为土0.01mm因此选择脉冲当量为0.01mm。5.2 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。取X向导轨支撑钢球的中心距为410mm,Y向导轨支撑钢球的中心距为400mm,设计工作台简图如图 2:图 2 设计工作台简图X 向拖板(上拖板)尺寸为 :长*宽*高=420*410*50重量:按