1、完整版机械电子毕业课程设计机械电子课程设计题目：数控平台设计 机械部分设计任务2总体方案设计3导轨的选用4滚珠丝杠、轴承的选用及核算5步进电机、联轴器的选择与校核13电气部分步进电机简介16高耐压、大电流复合晶体管ICULN2003简介16单片机硬件接线图以及IO分配20单片机程序20设计感想24参考文献25 一、设计任务1.1设计任务介绍及意义（一）课程设计题目机电传动单向数据平台设计（二）主要内容包括(1)机械传动结构设计(2)电气测控系统（三）课程设计意义：培养学生综合运用所学的基础理论和专业知识，独立进行机电控制系统(产品)的初步设计工作，并结合设计或试验研究课题进一步巩固和扩大知识领
2、域。 培养学生搜集、阅读和综合分析参考资料，运用各种标准和工具书籍以及编写技术文件的能力，提高计算、绘图等基本技能。培养学生掌握机电产品设计的一般程序和方法，进行工程师基本素质的训练。树立正确的设计思想及严肃认真的工作作风。1.2设计任务明细：电机驱动方式；步进电机、直流伺服电机、交流伺服电机机械传动方式：螺旋丝杆、滚珠丝杆、同步皮带、链传动；电气控制方式：单片微机控制、PLC控制；功能控制要求：速度控制，位置控制；主要设计参数：单向工作行程1800、1500、1200 mm；移动负载质量100、50 kg；负载移动阻力50、100 N；移动速度控制6、12 mmin1.3设计的基本要求方案设
3、计：根据课程设计任务的要求，在搜集、归纳、分析资料的基础上，明确系统的主要功能，确定实现系统主要功能的原理方案，并对各种方案进行分析和评价，进行方案选优。总体设计：针对具体的原理方案，通过对动力和总体参数的选择和计算，进行总体设计，最后给出机械系统的控制原理图或主要部件图（A2一张）。电气原理图：根据控制功能要求，完成电气控制设计，给处电气控制电路原理图（A3图一张）。成果展示：课程设计的成果最后集中表现在课程设计说明书和所绘制的设计图纸上，完成课程设计说明书一份，字数为3000字以上，设计图纸不少于两张。5 绘图及说明书：用计算机绘图或手工绘图，打印说明书。二、总体方案设计2.1设计基本依据
4、步进电动机是一种用电脉冲信号进行控制，并将电脉冲信号转换成相应的角位移或位移的控制电机。它的直线位移量或角位移量与电脉冲数成正比，所以电机的线速度或转速也与脉冲频率成正比，通过改变脉冲频率的高低就可以在很大的范围内调节电机的转速，并能快速启动、制动和反转，同时电机的运动方向取决于控制绕组的通电顺序。步进电动机适合于作为数字控制系统的伺服元件。混合式步进电动机步距角小，启动和运行频率较高；消耗功率小。滚珠丝杆螺母副是数控机床中回转运动转换为直线运动的常用装置。它以滚珠的滚动代替丝杆螺母副中的滑动，摩擦力小，具有良好的性能。滚珠丝杆的主要工作原理是在丝杆和螺母上加工有弧形螺旋槽，当它们套装在一起时
5、便形成螺旋管道，并在滚道内装满滚珠。而滚珠则沿滚道滚动，并经回珠管道作周而复始的循环运动。回珠管道两端还起挡滚珠的作用，以防止滚珠沿滚道掉出。特点：摩擦阻力小，传动效率高（一般在90%以上）；运转平稳，启动时不颤动，低速时不爬行；螺母和螺杆经调整预紧，可以得到很高的定位精度（）重复定位精度（）并可以提高轴向刚度工作寿命长，不易发生故障。适用于金属切削机床、测试机械、仪器的传动螺旋和调整螺旋等。可编程序控制器PLC可靠性高、抗干扰能力强，能抗诸如电噪声、电源波动、振动、电磁干扰等的干扰，能抗1000V、1脉冲的干扰，能在高温、高湿以及空气中存有各种强腐蚀物质粒子的恶劣环境下可靠地工作，PLC能够
6、承受电网电压的变化，即使在电源瞬时断电的情况下，仍可以正常工作。另外PLC是通过软件实现控制的，其控制程序编在软件中，实现程序软件化，因而对于不同的控制对象都可以采用相同的硬件配置。PLC 提供标准通信接口，可以方便地进行网络通信。而且PLC体积小、能耗低、便于机电一体化。通过PLC可以实现对步进电动机的控制，实际上控制时电动机的转动受脉冲控制。利用PLC产生高速脉冲串，调节脉冲频率，从而实现步进电动机启动加速、恒速运行、减速停止过程。2.2总体方案确定，参数初设如下：电机驱动方式：步进电机机械传动方式：滚珠丝杠电气控制方式：单片机控制功能控制要求：速度控制主要设计参数：单向最大工作行程150
7、0mm 移动负载质量100kg；定位精度0.01mm 负载移动阻力100N；移动速度控制6 空载移动速度12mmin; 选用矩形导轨；工作台滑动摩擦系数； 丝杠两端为固定支撑（F-F），每个支座安装圆锥滚子轴承，三、导轨的选用导轨设计要求导轨是机床的关键部件之一，其性能好坏，将直接影响机床的加工精度、承载能力和使用寿命。导轨设计应满足：导向精度、耐磨性、低速运动平稳性、刚度、结构简单、工艺性好、便于间隙调整、具有良好的润滑和防护等要求。导轨设计程序及内容1）根据机床的工作条件、性能特点，选择导轨的结构类型、截面形状和结构尺寸。2）计算导轨面的平均压强和最大压强，选择导轨材料、表面精加工方法和热
8、处理方法，以及摩擦表面的硬度匹配。3)设计导轨间隙调整装置。4）设计导轨的润滑系统及防护装置。5）确定导轨的精度和技术要求。类型 直线滑动矩形导轨截面形状 结构尺寸单位HBB1Ahh1b2060161601219.56间隙调整装置 镶条导轨材料与热处理灰铸铁时效处理安装，进行预拉伸。四、机械传动系统设计及核算 滚珠丝杠、轴承的选用及核算序号计算项目单位计算依据计算结果1丝杠载荷：导轨摩擦力切削时载荷移动阻力NN=1001502502电机转速丝杠最大转速rminrmin初步选择电机转速为1000rmin初步设电机与丝杠之间没有减速器，转速不变100010003丝杠导程mm工作台最大速度：124当
9、量转速当量负荷rminrmin不考虑强力切削、精铣、一般铣等情况下转速的区别10002505确定预期额定动载荷（1） 按寿命计算NN预期寿命精度系数可靠度系数载荷系数额定动载荷150000.9112682（2）按最大轴向载荷计算预期额定动载荷N预加载荷系数167526826估算丝杠最大允许轴向变形量定位精度为0.01mm27估算滚珠丝杠副的底径196814.988样本选取考虑长径比选取FFZD4006滚珠丝杠1圈2列FFZD40061圈2列9材料及热处理丝杠材料：42CrMo高、中频加热，表面淬火螺母材料：ZCuSn0Zn2高、中频加热，表面淬火42CrMoZCuSn0Zn210滚珠丝杠副的主
10、要几何尺寸螺距： 公称直径： 滚珠直径： 偏心距： 螺杆大径： 螺杆小径12403.9692.18290.140339.206235.914811确定预紧滚珠丝杠副的预紧力83.3312预拉伸滚珠丝杠副 （1） 行程补偿（2） 预拉伸力N行程补偿：温度变化： 线胀系数： 有效行程： 行程补偿： 预拉伸力：316200.0573754513螺纹丝杆螺纹长度长度余程： 螺纹长度：为加工方便取=1720481716172014支撑长度支撑跨距应大于180015寿命校核基本额定动载荷 查表： 寿命系数： 转速系数： 载荷系数： 硬度影响系数 因材料的硬度为60故查表得： 短行程系数：查表得163003
11、.10720.3217111777.0672合格16静载荷计算N硬度影响系数： 校核条件：基本额定静载荷： 125047600合格17螺杆强度校核T=251.394N*mm0.5728校核通过18临界载荷校核N长度系数： 最大工作长度： 危险截面惯性半径: 因95。782285 ,故弹性模量：E=207000故0.517208.978795.7822207000816702253697795校核通过19 螺杆系统刚性计算Nmm轴向载荷使导程产生的变形转矩使导轨产生的变形材料剪切模量G=83000预紧力产生的变形钢球数z=30Nmm1圈2列钢球总数Z=60载荷分布不均匀系数变形总刚度： 4146
12、1020横向振动校核rmin临界转速查表系数=4.730令=1610故因3578校核通过21效率1由旋转运动变为直线运动时又因且将数据带入求得0.950122轴承的选用初选轴承型号为：圆锥滚子轴承33207轴承参数：轴承内径 d=35 (mm) 轴承外径 D=72 (mm)轴承宽度 B=28 (mm)基本额定动载荷 C=82500 (N)基本额定静载荷 Co=102000 (N)极限转速(脂) nlimz=5300 (rmin)3320735722882500102000530023轴承的受力参数径向力 Fr=0 (N)轴向力 Fa=7745 (N)圆周力 Ft=0 (N)轴颈直径 d1=35
13、 (mm)转速 n=1000 (rmin)要求寿命 Lh=15000 (h)温度系数 ft=1润滑方式：脂润滑077450351000150001脂润滑23计算轴承受力N轴承1径向支反力 Fr1=91.12 (N)轴承1轴向支反力 Fa1=73.85 (N)轴承2径向支反力 Fr2=91.12 (N)轴承2轴向支反力 Fa2=7818.85 (N)91.1273.8591.127818.8524计算当量动载荷N当量动载荷 P1=109.34 (N) 当量动载荷 P2=5832.81 (N)109.345832.8125轴承寿命小时（）对滚子轴承寿命11410526校核结果小时（）因丝杠的运动方
14、向为两个方向，故两轴承的受力均等寿命相同因11410515000, 故校核成功符合要求五、步进电机、联轴器的选择与校核序号计算项目单位计算依据计算结果1联轴器的选择初选YL1式凸缘联轴器，其转动惯量两孔径： d1=14,d2=22轴孔长度：L1=32mm L2=52mm外径:D=71mm2外加总转动惯量丝杠的转动惯量丝杠密度： 丝杠体积： =0.00226丝杠质量：m=17.1308(kg)丝杠转动惯量： 直线运动部件的转动惯量直线速度： 转动惯量： 故可忽略直线运动的转动惯量联轴器转动惯量故+0.00180.00340.00180.00523负载所需驱动转矩 轴向力产生的摩擦转矩：有预紧力产
15、生的摩擦转矩加速转矩设电机在2秒内加速到最大速度所需启动总转矩： 所需运行总转矩： 0.2510.05140.272270.574670.30244步进电机的初选择选取安全系数K=4步进电机的启动转矩应为： 初步选择步进电机型号为90BF001相数：4步距角取步距角为为了使结构简单，提高精度，这里取 转动惯量： 最大启动转矩： 轴颈 ：d=9mm 最高空载启动频率：2000Hz运行频率:8000Hz外径：90mm长度：145mm轴长：25mm1.2096110BF00340.90.000463.92142000800090145255 最快工进给速度电动机输出转矩校核脉冲当量：电机对应的运行频
16、率 查频矩特性曲线图对应的转矩为20.036300校核通过6空载移动时电动机运行频率校核=63008000Hz校核通过7启动频率校核-空载启动频率-电机的转动惯量5708联轴器校核选择弹性柱销联轴器 HL1其公称许用转矩为由上面计算得大于最大驱动转矩合格电气控制系统设计步进电机是一种特殊的机电元件,不能直接接到交直流电源上工作,必须使用专用的驱动器。步进电动机转速的高低、升速或降速、启动或停止都完全取决于CP脉冲的有无或频率。环形分配器用来接受来自控制器的CP脉冲信号，并按步进电动机工作方式要求的各相脉冲信号状态顺序产生各相导通或截止的信号，但是环形分配器的输出电流很小，不能直接驱动步进电动机
17、，因此需要功率放大器实现对脉冲分配回路输出的弱信号进行放大，产生电机脉冲信号工作所需的激磁电流。 控制方块图六、步进电机简介:步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点。使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单。 四相步进电机是一种感应电机，它的工作原理是利用电子电路，将直流电变成分时供电的，多相时序控制电流，用这种电流为步进电机供电，步进电机才能正常工作，驱
18、动器就是为步进电机分时供电的，多相时序控制器。ABCDABCDN1000N1100N+10100N+10110N+20010N+20011N+30001N+31001 四相单四拍脉冲分配表 四相双四拍脉冲分配表七、高耐压、大电流复合晶体管ICULN2003简介ULN2003是大电流驱动阵列,多用于单片机、智能仪表、PLC、数字量输出卡等控制电路中。可直接驱动继电器等负载。ULN2003 的每一对达林顿都串联一个2.7K 的基极电阻,在5V 的工作电压下它能与TTL 和CMOS 电路 直接相连，可以直接处理原先需要标准逻辑缓冲器来处理的数据。 ULN2003 工作电压高，工作电流大，灌电流可达5
19、00mA，并且能够在关态时承受50V 的电压，输出还 可以在高负载电流并行运行。1 ULN2003管脚图如下所示:2 CH250主要管脚介绍：引脚1：CPU脉冲输入端，端口对应一个信号输出端。 引脚2：CPU脉冲输入端。 引脚3：CPU脉冲输入端。 引脚4：CPU脉冲输入端。 引脚5：CPU脉冲输入端。 引脚6：CPU脉冲输入端。 引脚7：CPU脉冲输入端。 引脚8：接地。 引脚9：该脚是内部7个续流二极管负极的公共端，各二极管的正极分别接各达林顿管的集电极。用于感性负载时，该脚接负载电源正极，实现续流作用。如果该脚接地，实际上就是达林顿管的集电极对地接通。引脚10：脉冲信号输出端，对应7脚信
20、号输入端。引脚11：脉冲信号输出端，对应6脚信号输入端。引脚12：脉冲信号输出端，对应5脚信号输入端。 引脚13：脉冲信号输出端，对应4脚信号输入端。 引脚14：脉冲信号输出端，对应3脚信号输入端。 引脚15：脉冲信号输出端，对应2脚信号输入端。 引脚16：脉冲信号输出端，对应1脚信号输入端。（3）ULN2003极限值八、单片机的硬件接线图九、单片机程序 SPEED EQU 10H ;SPEED为转速等级标志FX EQU 11H ;FX为方向标志 COUNT EQU 12H ;COUNT为中断次数标志ORG 0000HAJMP MAINORG 0003H ;外部中断0入口地址，加速子程序AJM
21、P UPORG 0013H ;外部中断1入口地址，减速子程序AJMP DOWNORG 000BH ;定时器0中断入口地址，控制中断次数来达到控制转速AJMP ZDT0ORG 0030HMAIN: MOV SP, #60HMOV TMOD,#01H ;工作于定时，软件置位启动！模式1（16位计数器）MOV TH0，#0CFHMOV TL0,#2CHMOV COUNT,#01HSETB ET0 ;定时计数允许中断CLR IT0；外部中断为电平触发方式，低电平有效CLR IT1SETB EX0;外部允许中断SETB EX1SETB EA;开总中断MOV R1,#11H;四相单四拍运行，共阳数码管方向
22、显示8，速度值显示0MOV SPEED,#00HMOV FX,#00HXIANS:MOV A,SPEEDMOV DPTR,#LEDMOVC A,#A+DPTR;查表获取等级对应数码管代码MOV P2，A;第二个数码管显示转速等级MOV A,FX ;准备判断转向CJNE A,#11H,ELSMOV P0，#0F9H 第一个数码管显示1表示正转AJMP QDELS: CJNE A,#00H,ZHENGMOV P0,0CH ;第一个数码管显示0，表示不转AJMP QDZHENG:MOV P0，#0BFH ;第一个数码管显示-表示反转QD:JB P3.4，DD ;P3.4接启动开关K1，P3.4=1时
23、启动 CLR TR0 ;停止定时计数器MOV P0，#0CH;第一个数码管显示0表示不转MOV P2，#0CH;第二个数码管显示0表示转速为0MOV SPEED,#00H;重新赋初值MOV FX,#00HAJMP QDDD:MOV A,SPEEDJNZ GO;A不等于即初始速度不为0，则转移到GOCLR TR0;停止定时计数器AJMP QDGO:STEB TR0 ;开启定时计数器 ACALL DELAYAJMP XIANSDELAY: MOV R6，#10H;延时子程序DEL1：MOV R7，#250HHERE1：DJNZ R7，HERE1 DJNE:R6，DEL1 RET以下ZDT0为定时器
24、中断程序ZDT0：PUSH ACC PUSH DPHPUSH DPLMOV TH0，#0D8HMOV TL0，#0F0HDJNE COUNT,EXITJB P3.5，NIZHUAN;查询方向标志，P3.5接换向开关K2MOV FX,#11HNIZHUAN:MOV A,FXCJNE A,#11H,FZ ;若A不等于11，即正转，则转移到FZMOV A,R1;R1记录上一次电机脉冲状态MOV P1，ARR A;循环右一位MOV R1，AMOV P1，AAJMP REFZ:MOV A,R1MOV P1，ARL A;循环左移一位MOV P1，AMOV R1，ARE:MOV A,SPEEDMOV DPT
25、R,#TABMOV COUNT,A；把转速级别转赋给COUNTJB P3.5，FFX;P3.5接换向开关K2，即换向为，若P3.5=1,则跳到FFXMOV FX,#11HAJMP EXITFFX: MOV FX,#0FEH;只要FX不等于11H，就可以通过循环左移或右移进行换向EXIT: POP DPLPOP DPHPOP ACCRETI以下UP为加速中断程序UP:PUSH ACCACALL DELAY ;延时防抖动JB P3.2,UPEX;P3,2为外部中断0为，接增速开关S2，低电平有效，若P3.2=1，则退出MOV A,SPEEDCJNE A,#7，SZ ;最大等级为7，若A不等于7，则
26、转移到SZAJMP UPEX;若A=7，则退出SZ:INC SPEED ;SPEED=SPEED+1UPEX: POP ACCHERE2:JNB P3.2，HERE2;本条指令为防止S2开关按下去弹不起，导致一直产生中断 RETI以下DOWN为减速中断程序DOWN:PUSH ACCACALL DELAY ;延时防抖动JB P3.3,DEX;P3.3为外部中断1位，接增速开关S3，低电平有效，若P3.3=1，则退出MOV A,SPEEDCJNE A,#0，SJ AJMP DEXSJ:DEC SPEED ;SPEED=SPEED-1DEX: POP ACCHERE3:JNB P3.3，HERE3 RETILED: 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 DB 0C0H,0F9H,0A4H,0B0H,99H,92H,82H,0F8H,80H,98H END 设计感想 本课程设计针对目前现场数控车床上单向数控中存在的问题，以机械车床设计技术与单片器数控技术为基础，研制了较先进的单向数控平台，实现对数控车床速度信息的有效控制。本课程设计主要完成以下工作： 根据机电一体化系统设计手册，选定手册推荐的设计方案，并通过对螺旋丝杠、轴承、直流伺服电动机、联轴器等进行一系列的选择、校核，完成机械传动系统及主要部件结构设计，并画出A1装配图一张。 根据系统检测控
