專業(yè)方向課程設(shè)計(jì)工作臺(tái)類題目指導(dǎo)書(shū)一、課程設(shè)計(jì)的目的、意義《專業(yè)方向課程設(shè)計(jì)》是機(jī)械工程專業(yè)一個(gè)重要的實(shí)踐環(huán)節(jié)，工作臺(tái)類題目要求學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)的機(jī)械、電子和控制等方面的知識(shí)，進(jìn)行一次機(jī)電結(jié)合的設(shè)計(jì)訓(xùn)練，主要目的是：1）學(xué)習(xí)機(jī)電一體化系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案擬定、分析方法，具有機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)的初步能力；2）對(duì)機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，掌握典型傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和導(dǎo)向機(jī)構(gòu)等工作原理、設(shè)計(jì)和選用。3）對(duì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，能夠?qū)刂朴秒姍C(jī)、驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行計(jì)算與選用。4）對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，掌握典型硬件電路的設(shè)計(jì)方法和控制軟件的設(shè)計(jì)思路。5）訓(xùn)練學(xué)生應(yīng)用手冊(cè)、標(biāo)準(zhǔn)及編寫(xiě)技術(shù)說(shuō)明書(shū)的能力，促進(jìn)學(xué)生綜合素質(zhì)的提高。二、課程設(shè)計(jì)的題目及要求題目：X-Y工作臺(tái)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)已知條件：定位精度：±0.01mm，滾珠絲杠及導(dǎo)軌使用壽命：T=15000h，中等沖擊，各題目的有效行程、快速進(jìn)給速度和工作載荷見(jiàn)下表：題號(hào)有效行程(mm)快速進(jìn)給速度(mm/min)工作載荷Fz(N)LxLyvmaxvymax13203501500150020002320350100010001500340040015001600250044004002000160018005400600250030005006400600150020005007450580200020005008450650120015003009500650250025005001050080012002000450115504001200200010001255040012001800900136003202000150060014600320200012008501564028020050018001664028050020012001735050020002500180018350500250020001200197506001500160060020750600180016004502190050020002500120022900500250020001500要求：認(rèn)真閱讀《課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書(shū)》，明確題目及具體要求；認(rèn)真查閱題目涉及內(nèi)容的相關(guān)文獻(xiàn)資料、手冊(cè)、標(biāo)準(zhǔn)；大膽創(chuàng)新，確定合理、可行的總體設(shè)計(jì)方案；機(jī)械部分和驅(qū)動(dòng)部分設(shè)計(jì)思路清晰，計(jì)算結(jié)果正確，選型合理；控制系統(tǒng)方案可行，硬件選擇合理，Proteus仿真結(jié)果正確；繪制機(jī)械系統(tǒng)裝配圖一張（A1），控制系統(tǒng)電氣原理一張（A2），圖紙符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，布圖合理，內(nèi)容完整表達(dá)清晰；課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)一份（不少于5000字），包括：目錄，題目及要求，總體方案的確定，機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)，控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，參考文獻(xiàn)等。設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)應(yīng)敘述清楚、表達(dá)正確、內(nèi)容完整、技術(shù)術(shù)語(yǔ)符合標(biāo)準(zhǔn)。三、進(jìn)度安排本課程設(shè)計(jì)要求在三周時(shí)間內(nèi)完成，具體進(jìn)度安排大致如下：收集及閱讀資料，明確設(shè)計(jì)任務(wù)1天總體方案論證2天機(jī)械部分設(shè)計(jì)計(jì)算2天裝配圖繪制3天控制系統(tǒng)框圖設(shè)計(jì)，單片機(jī)及擴(kuò)展芯片的選用，I/O接口電路、伺服控制電路設(shè)計(jì)及選用3天電氣原理圖，Proteus仿真3天編寫(xiě)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)1天四、主要設(shè)計(jì)內(nèi)容（一）總體方案的確定根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)確定系統(tǒng)的總體機(jī)械和控制系統(tǒng)方案：進(jìn)行系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方式的確定，執(zhí)行機(jī)構(gòu)及傳動(dòng)方案的確定，伺服電機(jī)類型及調(diào)速方案確定，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的選擇。進(jìn)行方案的分析、比較和論證。系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方式與伺服系統(tǒng)采用連續(xù)控制系統(tǒng)，開(kāi)環(huán)或閉環(huán)控制方式?？紤]到運(yùn)動(dòng)精度要求不高，為簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，建議大多數(shù)同學(xué)采用步進(jìn)電機(jī)開(kāi)環(huán)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)?？刂葡到y(tǒng)建議采用教科書(shū)上的MCS-51系列單片機(jī)系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)應(yīng)該包括微機(jī)部分、I/O接口及光電隔離電路、步進(jìn)功率放大電路等。X—Y工作臺(tái)的傳動(dòng)方式為保證一定的傳動(dòng)精度和平穩(wěn)性以及結(jié)構(gòu)的緊湊，采用滾珠絲杠螺母?jìng)鲃?dòng)副。為提高傳動(dòng)剛度和消除間隙，采用有預(yù)加載荷的結(jié)構(gòu)。由于工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)部件重量和工作載荷不大，故選用滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副，從而減小工作臺(tái)的摩擦系數(shù)，提高運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性?？紤]電機(jī)步距角和絲杠導(dǎo)程只能按標(biāo)準(zhǔn)選取，為達(dá)到分辨率的要求，以及考慮步進(jìn)電機(jī)負(fù)載匹配，采用齒輪減速傳動(dòng)。計(jì)計(jì)算機(jī)光電隔離功率放大步進(jìn)電機(jī)X向工作臺(tái)光電隔離功率放大步進(jìn)電機(jī)Y向工作臺(tái)系統(tǒng)總體框圖（二）機(jī)械部分設(shè)計(jì)機(jī)械部分設(shè)計(jì)內(nèi)容包括：確定系統(tǒng)脈沖當(dāng)量，運(yùn)動(dòng)部件慣性的計(jì)算，選擇步進(jìn)電機(jī)，傳動(dòng)及導(dǎo)向元件的設(shè)計(jì)、計(jì)算與選擇，繪制機(jī)械部分裝配圖等。確定系統(tǒng)脈沖當(dāng)量脈沖當(dāng)量δp是一個(gè)進(jìn)給指令時(shí)工作臺(tái)的位移量，應(yīng)小于等于工作臺(tái)的位置精度，一般為0.01~0.005mm。工作臺(tái)外形尺寸及重量初步估算根據(jù)給定的有效行程，畫(huà)出工作臺(tái)簡(jiǎn)圖，估算X向和Y向工作臺(tái)承載重量WX和WY。工作臺(tái)簡(jiǎn)圖滾動(dòng)導(dǎo)軌副的計(jì)算、選擇根據(jù)給定的工作載荷Fz和估算的Wx和Wy計(jì)算導(dǎo)軌的靜安全系數(shù)fSL=C0/P，式中：C0為導(dǎo)軌的基本靜額定載荷，kN；工作載荷P=0.5(Fz+W)；fSL=1.0~3.0(一般運(yùn)行狀況)，3.0~5.0（運(yùn)動(dòng)時(shí)受沖擊、振動(dòng)）。根據(jù)計(jì)算結(jié)果查有關(guān)資料初選導(dǎo)軌：依據(jù)使用速度v（m/min）和初選導(dǎo)軌的基本動(dòng)額定載荷C(kN)驗(yàn)算導(dǎo)軌的工作壽命Ln：(hour)滾珠絲杠計(jì)算、選擇初選絲杠材質(zhì)：CrWMn鋼，HRC58~60，導(dǎo)程：l0=5mm或6mm。強(qiáng)度計(jì)算絲杠軸向力：(N)式中：K=1.15，滾動(dòng)導(dǎo)軌摩擦系數(shù)f=0.003~0005；在車床車削外圓時(shí)：Fx=(0.1~0.6)Fz，F(xiàn)y=(0.15~0.7)Fz，可取Fx=0.5Fz，F(xiàn)y=0.6Fz計(jì)算。壽命值：，其中絲杠轉(zhuǎn)速(r/min)最大動(dòng)載荷：式中：fW為載荷系數(shù)，中等沖擊時(shí)為1.2~1.5；fH為硬度系數(shù)，HRC≥58時(shí)為1.0。根據(jù)使用情況選擇滾珠絲杠螺母的結(jié)構(gòu)形式，并根據(jù)最大動(dòng)載荷選擇滾珠絲杠的型號(hào)。傳動(dòng)效率計(jì)算絲杠螺母副的傳動(dòng)效率為：，φ=10’，為摩擦角；γ為絲杠螺旋升角。穩(wěn)定性驗(yàn)算絲杠兩端采用止推軸承時(shí)不需要穩(wěn)定性驗(yàn)算。否則，按教材32頁(yè)式（2.2）驗(yàn)算。式中：Fk為絲杠實(shí)際承受載荷能力；fk為壓桿穩(wěn)定支撐系數(shù)；E=2.1x1011Pa為鋼的彈性模量；為絲杠小徑d1截面慣性矩；ls為絲杠長(zhǎng)度；K=2.5~4為壓桿穩(wěn)定安全系數(shù)。剛度驗(yàn)算滾珠絲杠受工作負(fù)載引起的導(dǎo)程變化量為：(cm)絲杠受扭矩引起的導(dǎo)程變化量很小，可忽略不計(jì)。導(dǎo)程變形總誤差Δ為(104μm/m)<[Δ]，其中導(dǎo)程l0的單位為cm。E級(jí)精度絲杠允許的螺距誤差[Δ]=15μm/m。齒輪計(jì)算、設(shè)計(jì)傳動(dòng)比：，初選步距角：α=0.75?/step或1.5?/step。根據(jù)計(jì)算的傳動(dòng)比，由整體結(jié)構(gòu)要求初定大小齒輪齒數(shù)及模數(shù)m，從結(jié)構(gòu)上采取措施消除傳動(dòng)間隙以提高傳動(dòng)精度（如下圖所示）。齒輪1、2的分度圓直徑分別為：d1=mz1，d2=mz2；齒寬b=20mm，分度圓壓力角α=20?；齒頂圓直徑為：da1=(z1+2)m，da2=(z2+2)m；中心距a=0.5(d1+d2)。1、2--薄齒輪,3—彈簧,4、8—凸耳,5—調(diào)節(jié)螺釘,6、7—螺母雙片齒輪錯(cuò)齒消隙結(jié)構(gòu)圖步進(jìn)電機(jī)等效負(fù)載計(jì)算（1）等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算折算到步進(jìn)電機(jī)軸上的等效負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：(kg·cm2)式中：Jw，Jz1，Jz2和Js分別為折算到步進(jìn)電機(jī)軸上的工作臺(tái)、齒輪1、齒輪2和絲杠的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，kg·cm2。其中：(N·m2)，(N·m2)(N·m2)，(N·m2)式中：d0為絲杠的名義直徑；Ls為絲杠的總長(zhǎng)；ρs，ρz分別為絲杠和齒輪的材料密度，可取為7.85x10-3kg/cm3。（2）等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩計(jì)算空載時(shí)的摩擦轉(zhuǎn)矩：(N·m)工作時(shí)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩：(N·m)式中：η=0.8，為考慮絲杠預(yù)緊時(shí)的傳動(dòng)效率。（3）起動(dòng)慣性阻轉(zhuǎn)矩計(jì)算(N·m)式中：電機(jī)轉(zhuǎn)速ωm=2πnm/60，起動(dòng)加速時(shí)間Δt=0.025s。（4）步進(jìn)電機(jī)輸出軸上總負(fù)載轉(zhuǎn)矩計(jì)算(N·m)步進(jìn)電機(jī)的選擇為使步進(jìn)電機(jī)正常起動(dòng)（不失步），其起動(dòng)力矩應(yīng)滿足：，查教材95頁(yè)表3.7，如選用三相六拍工作方式，，則。步進(jìn)電機(jī)的最高運(yùn)行頻率為：綜合考慮，確定步進(jìn)電機(jī)的型號(hào)。說(shuō)明：為便于設(shè)計(jì)和采購(gòu)，X、Y軸的電機(jī)可選擇一樣。（三）控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)（1）按照總體方案及機(jī)械結(jié)構(gòu)的控制要求，確定硬件電路的方案，并繪制系統(tǒng)電氣控制的結(jié)構(gòu)框圖；（2）選擇主控制器