光机电一体化课程设计

课程设计报告

名称：光机电一体化课程设计

院系：仪器科学与光电工程学院

班级：光信07-2 学号： 20070239 学生姓名：李梓霂

指导教师：陶晓杰张腾达

2010 年 12 月 5日

一．总体方案设计

1.1 设计任务

一维数控工作台是许多机电一体化系统的基本组成部分，如车、铣、钻、激光加工等各种数控设备。因此一维数控工作台对机电一体化专业的教学和科研都具有普遍的意义。

设计一个一维数控工作台及其控制系统，定位精度为<=±0.01mm，

其他设计参数如下：工作台面板150³200

承受载荷Pz = 12Kg , Px = 15Kg ,Py = 6Kg

最大移动距离300mm

最大移动速度2.5m/min

采用联轴器传动

1.2 总体方案确定

1、系统总体基本思想：

系统基本原理如上图所示，由单片机来控制步进电机的转角，电机连着丝杠，电机转动带动丝杠转动，从而使工作台移动，由单片机测的编码器的脉冲数，从而计算步进电机的转角对应的工作台移动距离。

综上，设计基本思想如下:

（1）机械设计

通过给定的参数，计算确定系统脉冲当量，计算运动部件惯性，确定步进电机，滚动丝杠螺母计算和选型，滚珠丝杆副的计算和选型，联轴器的计算与选型，在此基础上，绘制机械系统装配图。

（2）电学设计

本设计采用了与MCS-51系列兼容的SST89E58RD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。

控制系统由MCU部分、存储器扩展部分、键盘与LED显示部分、I/O接口、光电耦合电路控制、步进电机、测速部分。系统的加工程序和控制命令通过键盘操作实现。LED显示数控工作台的状态。

（3）光学设计

系统的测速部分是由光学设计部分完成，光学设计部分要求利用光栅设计一个光电传感器，利用此传感器可以测量步进电机转动的角度、线度等信息，为数控系统的闭环或半闭环控制提供参数。主要设计参数是：步进电机每转动一步（一个步距角）至少输出5个脉冲当量。

二．机械系统设计

2.1脉冲当量的选定

我们所设计的是半闭环式数控机床，目前在此种机床上常用的脉冲编码器兼做位置和速度反馈。伺服电机每转1转，传感器发出一定数量的脉冲，每个脉冲代表电机一定的转角。步进电机是一种电脉冲控制的特种电机，对于每一个电脉冲步进电机都会产生一个恒定的步进角位移，每一个脉冲或每步的转角称谓步进电机的步距角。

因此，每脉冲代表电机一定的转角，这个转角经联轴器和滚珠丝杠使工作台移动一定的距离。每个脉冲所对应的执行件的距离，称谓脉冲当量或分辨率。

应根据机床或工作台进给系统要求的定位精度来确定脉冲当量。考虑机械传动系统误差的存在，脉冲当量要小于定位精度。

根据以上确定我的脉冲当量为0.01.

2.2工作台外形尺寸及重量估算

X 向拖板尺寸：

长⨯宽⨯高 150³200³50 重量：按重量=体积³材料比重估算

3215020050107.810117--⨯⨯⨯⨯⨯≈N

工作台运动部分的总重量：约117N 。 工作台最大承重：120N 工作台总承重：237N

2.3滚动导轨的参数确定

⑴、导轨型式：滚动直线导轨副 ⑵、导轨长度 ①导轨（X 向）

工作台长 150x L mm = 最大移动距离 300L mm = 余量 20x l mm =

取导轨长度 470x x L L L l mm =++= ⑶、滚动副选择 导轨

max 237()P G N ==

查表初定导轨副型号为GTA20，额定动载荷550()a C N =，由计算公式：

3

50a H T C w C f f f L Ff ⎛⎫

= ⎪⎝⎭

式中：L 为滚动导轨副的距离额定寿命（km ）；C a 为额定动载荷）（N ）；F 为每个滑块的工

作载荷（N ）；f H 为硬度系数，58~64HRC 时，f H =1.0,为55HRC 时，f H =0.8,为50HRC 时f H =0.53；

f T 为温度系数，当工作温度不超过10O o

C 时，f T =1;f C 为接触系数，每根导轨条上装两个滑块时f C =0.81,装三个时f C =0.72，装四个时f C =0.66；fW 为载荷/速度系数，无冲击振动或V ≤15m/min 时，f W =1~1.5,轻冲击振动或15m/min ＜V ≤60m/min 时，f W =1.5~2，有冲击振动或V ＞60m/min 时，f W =2~3.5。

一般导轨的距离期望寿命定为50km ，若距离额定寿命L 大于滚动导轨的期望寿命，则满足设计要求，初选的滚动导轨副可以采用，此处我们取f H =1.0，f T =1，f C =0.81，f W =1.5，以导轨计算F=237N ，代入计算得L=98.40km ，充分满足要求。

⑷、滚动导轨刚度及预紧方法

当工作台往复移动时，工作台压在两端滚动体上的压力会发生变化，受力大的滚动体变形大，受力小的滚动体变形小。当导轨在位置Ⅰ时，两端滚动体受力相等，工作台保持水平；当导轨移动到位置Ⅱ或Ⅲ时，两端滚动体受力不相等，变形不一致，使工作台倾斜α角，由此造成误差。此外，滚动体支承工作台，若工作台刚度差，则在自重和载荷作用下产生弹性变形，会使工作台下凹（有时还可能出现波浪形），影响导轨的精度。

2.4滚珠丝杠的设计计算

滚珠丝杠的负荷包括铣削力及运动部件的重量所引起的进给抗力。应按铣削时的情况计算。

⑴、最大动负载Q 的计算

H m Q f F ω

查表得系数 1.5f ω=，1H f =，寿命值

6

6010

nT

L =

查表得使用寿命时间T=15000h ，初选丝杠螺距t=4mm ，得丝杠转速

max 10001000 2.5

625(/min)4V n r t ⨯=

== 所以 6

6062515000

562.510L ⨯⨯=

= 丝杠牵引力

1.414x x X P f G P =+当 ()f 当——当量摩擦系数

1.4140.01237150153.35()N =⨯⨯+=

所以最大动负荷