机电一体化课程设计的说明书

机电专业课程设计说明书设计题目：二坐标数控工作台设计
学院：工学院
班级：机械062
设计者：
指导老师：
完成日期：2010年3月18日
学校：
目录
一、机电专业课程设计目的 (3)
二、总体方案设计 (3)
三、机械系统设计 (4)
1、计工作台外形尺寸及重量估算 (5)
2、电动机滚动导轨的参数确定 (5)
3、滚珠丝杠的设计计算 (6)
4、步进电机的选用 (7)
四、绘制装配图 (9)
五、电气原理图设计 (10)
1、功率单片机的选择 (10)
2、外部程序存储器的扩展 (10)
3、外部数据存储器的扩展 (10)
4、I/O口扩展电路 (11)
5、显示器接口设计 (11)
6、键盘接口电路设计 (11)
7、步进电机的接口电路设计 (11)
8、其他 (11)
六、参考文献 (12)
一、机电专业课程设计目的
本课程设计是学生在完成专业课程学习后，所进行的机电一体化设备设计的综合性训练。

通过该环节达到下列目的：（1）巩固和加深专业课所学的理论知识；（2）培养理论联系实际，解决工程技术问题的动手能力；（3）进行机电一体化设备设计的基本功训练，包括以下10方面基本功：1）查阅文献资料；2)分析与选择设计方案；3）机械结构设计；4）电气控制原理设计；5）机电综合分析；6）绘工程图；7）运动计算和精度计算；9）撰写设计说明书；10）贯彻设计标准。

二、总体方案设计 2.1 设计任务
（1）题目：二坐标数控工作台设计。

（2）设计内容及要求：
1）工作台总装图一张（0号图纸） 2）控制电气图一张（1号图纸） 3）设计说明书一份（10-20页） 4）具体设计参数如下：
台面尺寸：140180⨯ 行程X ：140；Y:110 定位精度：mm X 300/013.0± mm Y 300/015.0± 典型工艺参数：台面速度 X: min /0.2m ，Y ：min /0.2m ； 进给抗力 X: 225N ； Y:150N ； 工作物重：8Kg 。

2.2 总体方案确定
（1）系统的运动方式与伺服系统
由于工件在移动的过程中受到负载力较小，为了简化结构，降低成本，采用步进电机开环伺服系统驱动X-Y 工作台。

（2）计算机系统
本设计采用了与MCS-51系列的8031单片机控制系统。

它的主要特点是集成度高，可靠性好，功能强，速度快，有较高的性价比，且易扩展。

MCS-51的程序存储器空间为64K 字节。

对于片内无ROM 的单片机8031，需进行程序存储器的扩展。

本控制系统由由8031型单片机、数据锁存器74LS373、存储器EPROM2764、RAM6264、地址译码器74LS138、并行I/O 接口8255等集成电路构成
（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，又要求结构紧凑，所以选用丝杠螺母传动副。

为提高传动刚度和消除间隙，采用预加负荷的结构。

由于工作台的运动载荷不大，因此采用直线滚珠导轨。

采用滚珠导轨可减少两个相对运动面的动、静摩擦系数之差，从而提高运动平稳性，减小振动。

考虑电机步距角和丝杆导程只能按标准选取，为达到分辨率和结构简单的要求，尽可能使传动比为1。

三、机械系统设计
3.1、工作台外形尺寸及重量估算
由台面尺寸为140180⨯，查课程设计指导书表3-23，估计取工作台厚度30mm ，则重量：按重量=体积×材料比重估算
N 98108.710301401802
3≈⨯⨯⨯⨯⨯--
X 向拖板（上拖板）：估计上丝杆长度，由e V u l l l +=，余程e l
查表5-4取20mm ，
则丝杆长度约为320。

电动机约2kg ，托板和导轨合估计为
N 210102108.710301803202
3≈⨯+⨯⨯⨯⨯⨯--
工作物重为N 80
则X-Y 工作台运动部分的总重量：约388N 。

3.2、滚动导轨的参数确定
⑴、导轨型式：直线滚动导轨 ⑵、导轨长度
错误！未找到引用源。

上导轨（X 向）
取动导轨长度 140=B l 动导轨行程 140=l 余程约为 20=e l
支承导轨长度 300=++=e B l l l L
查标准，取值340
计算四滑块的载荷，工作台重量98N ，假设重物处于台中央，然后扩大载荷2倍。

N G
F P 454≈+=
扩大后90N 。

计算需要的动载荷
10
350⎪
⎭⎫ ⎝⎛=
L f f f f P f C a
c t h w a ，
查长方资料得： 1=h f ，1=t f ，81.0=c f ，1=a f ，1=w f 。

代入数据得N C a 2700=，由长方资料取取滚动导轨型号为：HJG-DA15C ，额定动载荷为6.8KN ，满足要求。

错误！未找到引用源。

下导轨（Y 向）
180=B l 110=l 20
=e l
310=++=e B l l l L
查标准，取值340
计算四滑块的载荷，总重量388N ，假设重物处于台中央，然后扩大载荷2倍。

N G
F P 3604≈+=
扩大后720N 。

计算需要的动载荷
10
3
50⎪
⎭⎫
⎝⎛=
L f f f f P f C a c t h w a ，查长方资料得：1=h f ，1=t f ，
81.0=c f ，1=a f ，1=w f 。

代入数据得N C a 5800=，由长方资料取滚动导轨型号为：HJG-DA15C ，额定动载荷为6.8KN ，满足要求。

3.3、滚珠丝杠的设计计算
错误！未找到引用源。

上丝杠（X 向）
由表5-3，初选滚珠丝杠的基本导程为5mm 。

根据式（3-1）e u V l l l -= 其中，V l 为丝杠有效行程，u l 为丝杠螺纹全长，e
l
余程，根据表5-4，取余程20mm ，则u l =320mm 。

根据表5-5，在有效行程300mm 定位精度为13um 下，丝杠的精度等级为3T 级。

滚珠丝杠副的计算轴向动载荷为
3
161060⎪
⎭⎫
⎝⎛=
e h k a t h w e aj n L
f f f f f F C
其中
N
F e 75.114203
.0150225=⨯+=
,
取滚动导轨的摩擦系数为0.03μ=（淬火钢滚珠导轨的摩擦系数）
()min /40052
1000r n e =⨯=
查表：15000=h L ，1=t f ，1=a f ，95.0=w f ，1=h f ，，1=k f ， 代入数据，得
N
C aj 5.775=,查阅工厂资料，取HJG-S2005-3,其额定动载荷
为9022N,足够用。

错误！未找到引用源。

下丝杠（Y 向）
由表5-3，初选滚珠丝杠的基本导程为5mm 。

根据式（3-1）e u V l l l -= 其中，V l 为丝杠有效行程，u l 为丝杠螺纹全长，e
l
余程，根据表5-4，取余程20mm 。

则u l
=310mm 。

根据表5-5，在有效行程300mm 定位精度为13um 下，丝杠的精度等级为3T 级。

滚珠丝杠副的计算轴向动载荷为
3
161060⎪
⎭⎫
⎝⎛=
e h k a t h w e aj n L
f f f f f F C
其中
N
F e 375.78203
.0225150=⨯+=
,
取滚动导轨的摩擦系数为0.03.
()min /40052
1000r n e =⨯=
查表：15000=h L ，1=t f ，1=a f ，95.0=w f ，1=h f ，，1
=k f ， 代入数据，得
N
C aj 5.530=,查阅工厂资料，取HJG-S2005-3,其额定动载荷为
9022N,足够用。

3.4、 步进电机的选用
(考虑到重力影响，Y 向电机负载较大，因此确定此向电机。

) ⑴、脉冲当量选择
初选五相电机，按五相十拍工作时，步距角36.0=α，由于要求平台定位
精度：mm X 300/013.0± mm Y 300/015.0±，取定位精度的（2131-
）。

初定脉冲当量p mm /005.0=δ，中间齿轮传动比为
1005.03605
36.0360=⨯⨯==
δαsp t i ，
（2）、等效转动惯量计算
滚珠丝杠转动惯量（不计传动效率）
()2
43
44010394.032
1085.732232
m kg l d J s ⋅⨯=⨯⨯⨯=
=
--πρ
π
Y 以上平台和工作物重总重折算到轴上的转动惯量
()2622
22
1036.0126.098038812m
kg i t g
G W Jw sp
⋅⨯=⨯⎪⎭⎫ ⎝⎛=⨯⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+=
-ππ
因此，折算到电机轴上的等效转动惯量
2
42103966.0m kg i J J J s w e ⋅⨯=+
=-。

（3）、等效负载转矩计算(以下均为折算到电机轴的转矩） 由式（4-7）-（4-9）可知：
()()m
N i
t u F F
M sp x y
t ⋅=⨯⨯⨯⨯+=
+=
132.01
8.02005.022503.01502ππη
()m
N i
t F M sp f f ⋅=⨯⨯⨯⨯=
=
003.018.02005
.038803.02ππη
()()m N i t F M sp
po ⋅=-⨯⨯⨯=-=
008.09.011
8.02005
.050122
2
0πηπη
0η—滚珠丝杠未预紧时的传动效率,取0.90
上式中 η为丝杠预紧时的传动效率，取0.8，
p F 为预紧力，
取50
15031
31=⨯=y F
min /40036036
.0005.02000360
max
max r v n =⨯=
⨯
=
α
δ
取启动加速时间s t a 03.0=
查表，初选电动机型号75BF005,矩频特性如下图所示
最大静转矩m
N M j ⋅=23.1max
转动惯量 2
15.0cm kg J m ⋅= , m f =1500Hz.
故
()
()m N t n J J M a m e a ⋅=⨯⨯⨯+=+=-259.003.060833210013.03966.06024max ππ
m N M M M M f a q ⋅=++=++=2601.0008.0003.0259.00max
m N M M M M f t c ⋅=++=++=143.0008.0003.0132.00
m
N M M M f k ⋅=+=+=011.0008.0003.00
从上可知，一般情况q
M 做为初选电动机的依据，
21.023.12601
.0/max ==
j q M M
满足所需的转矩要求。

（4)步进电机动态特性校验
644.215.03966
.0/==
m e J J 小于4说明惯量可以匹配。

电机带惯量最大启动频率
Hz
J J f f m e m L 9.1242644
.212500
/1=+=+=
Hz v f q 3.333301.0602000
60max =⨯==
δ
大于l f ，所以与c f 对应的最大静转矩校核，显然满足要求。

综上所述，可选该型号的步进电机，具有一定的裕量。

3.5、确定联轴器的型号
由于数控平台有冲击，且电动机工作时经常变速，故选用挠性联轴器。

查阅参考书表10-43 选用A23型联轴器。

计算联轴器的转矩：
由估算功率摩擦力作用很小，可忽略：
KW W v F P y y 005.05602
150==⨯
=⋅=
m
N n P T ⋅===032.01500005
.095509550
小于联轴器的允许转矩m N ⋅5.0，且工作速度min /1500r n =远小于允
许最高转速25000.故满足要求。

四、绘制装配图
1.标注装配图尺寸、配合与精度等级。

包括特性尺寸、最大体形尺寸、安装尺寸和主要零件的配合尺寸。

2.写出工作台的技术特征。

3.编写技术要求。

4.对所有零件进行编号。

5.列出零件明细表及标题栏。

6检查装配图。

五、电气原理图设计
典型数控工作台电气原理图的说明
单片机是把微型计算机的主要部分都集成在一个芯片上的单芯片微型计算机,因而可以把它看成是一个不带外部设备的微型计算机。

不同系列的单片机共同的特点是：控制功能强；体积小；功耗低；成本低。

由于上述优越性能，单片机已在工业、民用、军用等工业控制领域得到广泛应用，特别是随着数字技术的发展，它在很大程度上改变了传统的设计方法。

在软件和扩展接口支持下，单片机可以代替以往由模拟和数字电路实现的系统。

如电气原理图所示的就是通过单片机及其外围接口实现的二坐标数控工作台电气原理图。

它由8031型单片机、数据锁存器74LS373、存储器EPROM2764、RAM6264、地址译码器74LS138、并行I/O接口8255等集成电路构成。

下面分别说明它们在整个控制部分中的功能、用法及其选择原则。

5.1、单片机的选择
设随着微电子技术水平的不断提高，单片微型计算机有了飞跃的发展。

单片机的型号很多，而目前市场上应用MCS-51芯片及其派生的兼容芯片比较多，如目前应用最广的8位单片机89C51，价格低廉，而性能优良，功能强大。

在一些复杂的系统中就不得不考虑使用16位单片机，MCS-96系列单片机广泛应用于伺服系统，变频调速等各类要求实时处理的控制系统，它具有较强的运算和扩展能力。

但是定位合理的单片机可以节约资源，获得较高的性价比。

计单片机应用系统，首先要设计其核心的单片机系统。

从一开始就有一个单片机芯片选型问题。

面对不同字长，如4位、8位、16位，各具特色的单片机芯片如何进行选择呢？首先要满足所设计系统的功能和性能要求；其次要选择价格较低的芯片，不要盲目追求过多功能和过高性能；另外要选择那些在国内有成熟的开发系统和稳定的供货来源。

如采用流行普遍使用的芯片，资料丰富，能有效地缩短开发周期。

本课程设计目的是设计一种经济型的二坐标数控工作台，其功能比较简单，成本低。

因而这里选用MCS-51系列的8031单片机作为CPU，它具有良好的性能价格比，且易扩展。

5.2、外部程序存储器的扩展
MCS-51的程序存储器空间为64K字节。

对于片内无ROM的单片机（如8031），或当单片机内部程序存储器容量不够时，进行程序存储器的扩展是必不可缺的。

半导体存储器EPROM、EEPROM、ROM等在原理上都可用作单片机的外部程序存储器。

由于EPROM价格低廉，性能可靠，所以单片机外部扩展的程序存储器一般为
EPROM芯片（紫外线可擦除、电可编程的只读存储器），掉电后信息不会丢失。

在选择外部程序存储器电路时，应注意电路的读取时间能否与MCS-51的PESN 信号匹配。

其片选端接地。

由于本设计程序容量不大，因而选用2764作为外部程序存储器。

5.3、外部数据存储器的扩展
对大多数控制性应用场合，MCS-51系列单片机内部RAM已能满足系统对数据存储的要求。

对需要较大容量数据缓冲器的应用系统，就需要在单片机的外部扩展数据存储器。

在电气原理图中根据设计功能要求选用一片6264作为外部数据存储器。

图中其高5位地址线A8～A12由8031的P2.0~P2.4口线提供，低8位地址线A0~A7接地址锁存器74LS373输出端。

读、写控制信号分别接8031的RD、WE。

其片选信号通过地址译码法进行选通。

5.4、I/O口扩展电路
本课程设计因采用步进电机作为驱动装置。

为了降低成本，特采用可编程外围并行接口芯片8255。

使其不仅完成驱动步进电机的功能，同时完成与键盘/显示器的接口操作功能。

5.5、显示器接口设计
电气原理图中，由10片共阳极LED显示块拼成10位LED显示器。

为了简化硬件电路，采用动态显示方式。

即所有位的段选线相应地并联在一起，由8031的P1.0~P1.7口来控制LED显示器的段码，而各位的位选线分别由相应的I/O 口线控制。

即PC0~PC7、PB6~PB7共10个I/O口线控制，实现各位的分时选通。

为了保证各位LED能够显示出本位相应的显示字符，而不出现闪烁，导致人眼看不清，必须根据人眼视觉暂留现象，选择一个合适的扫描频率。

图中选用74LS07进行同相驱动。

5.6、键盘接口电路设计
键盘实质上是一组按键开关的集合。

电气原理图中采用矩阵式键盘接口，键盘接口电路通过8255（U5）的PA0~PA3和PC0~PC7、PB6~PB7构成行、列线。

按照逐行逐列地检查键盘状态（即扫描）来确定闭合键的位置。

5.7、步进电机的接口电路设计
对于本课程设计中选用的步进电机，为五相，无论它工作在什么方式，都需要五路控制电路，并且每一路对应于步进电机的一相。

而每一路控制电路的结构是一样的。

CPU接口部分包括传感器部分、传动驱动部分、人机交互界面三部分。

示意图如下所示：
图5-1 CPU 外部接口示意图
8031要完成的任务：
（1）将行程开关的状态读入CPU ，通过中断进行处理，它的优先级别最高。

（2）通过程序实时控制电机的运行。

（3）接受键盘中断指令，并响应指令，将当前行程开关状态和键盘状态反应到LED 上，实现人机交互作用。

由于8031只有P1口和P3口是准双向口，但P3口主要以第二功能为主，并且在系统中要用到第二功能的中断口，因此要进行I/O 扩展。

考虑到电路的简便性和可实现性，实际中采用内部自带锁存器的8155。

电气原理图中通过8255（U5）的PB0~PB4分别控制X 方向步进电机的五相。

对于Y 轴步进电机通过8255（U6）的PC0~PC4分别控制Y 方向步进电机的五相。

5.8、其他
1）电源 提供整个系统的供电部分。

2）限位开关及其反馈信号检测
选择限位开关时可根据额定电压、额定电流、开启频率、触点数等参数进行。

选择行程开关，安装于导轨的两端。

其作用是控制信号的通断，然后由单片机系统检测该信号的有无，实现控制电机的换向与否的目的。

原理图中通过8255（U5）的PA4~PA7口检测步进电机是否到位，从而采取相应的控制措施。

六、参考文献：
[1] 濮良贵主编 . 机械设计 . 第七版 . 北京： 高等教育出版社 ， 2001
[2] 吴宗泽主编 . 机械设计课程设计手册 .第二版 .北京 .高等教育出版社 . 1999
[3] 楼应侯、潘晓彬、郑堤、崔玉国、胡利永等编 . 机械电子工程专业课程设计指导书 （行程开关）
前向通道 传动驱动
（步进电机） 人机界面
传感器
8031 （键盘、LED ）
后向通道。