专业：机电一体化
班级： 08—1班
老师：刘顺东
学号： ******** 姓名： **** 日期： 2013年2月
XY工作台部件及单片机控制设计
目录
1.序言 (3)
2.总体方案设计 (3)
2.1.设计任务 (3)
2.2.总体方案确定 (3)
3.机械系统设计 (4)
3.1.工作台外形尺寸及重量估算 (4)
3.2.滚动导轨的参数确定 (5)
3.3.滚珠丝杠的设计计算 (6)
3.4.步进电机的选用 (8)
3.5.确定齿轮传动比 (13)
3.6.确定齿轮模数及有关尺寸 (13)
3.7.步进电机惯性负载的计算 (13)
4.控制系统硬件设计 (14)
4.1.CPU板 (14)
4.2.驱动系统 (16)
4.3.控制系统软件的组成和结构 (18)
5.参考文献 (22)
1.序言
据资料介绍，我国拥有400多万台机床，绝大部分都是多年累积生产的普通机床。这些机床自动化程度不高，加工精度低，要想在短时期内用自动化程度高的设备大量更新，替代现有的机床，无论从资金还是从我国机床制造厂的生产能力都是不可行的。但尽快将我国现有的部分普通机床实现自动化和精密化改造又势在必行。为此，如何改造就成了我国现有设备技术改造迫切要求解决的重要课题。
在过去的几十年里，金属切削机床的基本动作原理变化不大，但社会生产力特别是微电子技术、计算机技术的应用发展很快。反映到机床控制系统上，它既能提高机床的自动化程度，又能提高加工的精度，现已有一些企业在这方面做了有益的尝试。实践证明，改造后的机床既满足了技术进步和较高生产率的要求，又由于产品精度提高，型面加工范围增多也使改造后的设备适应能力加大了许多。这更加突出了在旧机床上进行数控技术改造的必要性和迫切性。
由于新型机床价格昂贵，一次性投资巨大，如果把旧机床设备全部以新型机床替换，国家要花费大量的资金，而替换下的机床又会闲置起来造成浪费，若采用改造技术加以现代化，则可以节省50%以上的资金。从我国的具体情况来讲，一套经济型数控装置的价格仅为全功能数控装置的1/3到1/5，一般用户都承担得起。这为资金紧张的中小型企业的技术发展开创了新路，也对实力雄厚的大型企业产生了极大的经济吸引力，起到了事半功倍的积极作用。
据国内资料统计订购新的数控机床的交货周期一般较长，往往不能满足生产需要。因此机床的数控改造就成为满足市场需求的主要补充手段。
在机械工业生产中，多品种、中小批量甚至单件生产是现代机械制造的基本特征，占有相当大的比重。要完成这些生产任务，不外乎选择通用机床、专用机床或数控机床，其中数控机床是最能适应这种生产需要的。
从上述分析中不难看出数控技术用于机床改造是建立在微电子现代技术与传统技术相结合的基础之上。通过理论上的推导和实践使用的证明，把微机数控系统引入机床的改造有以下几方面的优点：1）可靠性高；柔性强；易于实现机电一体化；2）经济性可观。为此在旧的机床上进行数控改造可以提高机床的使用性能，降低生产成本，用较少的资金投入而得到较高的机床性能和较大的经济效益。
2.总体方案设计
2.1.设计任务
设计一个数控X-Y工作台及其控制系统。该工作台可用于铣床上坐标孔的加工和腊摸、塑料、铝合金零件的二维曲线加工，重复定位精度为±0.01mm，定位精度为0.025mm。
设计参数如下：负载重量G=150N；台面尺寸C3B3H＝145mm3160mm312mm；底座外形尺寸C13B13H1＝210mm3220mm3140mm；最大长度L=388mm；工作台加工范围X=55mm，Y=50mm；工作台最大快移速度为1m/min。
2.2.总体方案确定
2.2.1.系统的运动方式与伺服系统
数控系统按运动方式可分为点位控制系统，点位直线系统，连续控制系统。如果工件相对于刀具移动过程中不进行切削，可选用点位控制方式。由于工件在移动的过程中没有进行切削，故应用点位控制系统。对点位系统的要求是快速定位，保证定位精度。定位方式采用增量坐标控制。
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。
2.2.2.
计算机系统的选择
本设计采用了与MCS-51系列兼容的AT89S51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。
控制系统由微机部分、键盘、LED 、I/O 接口、光电偶合电路、步进电机、电磁铁功率放大器电路等组成。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。 2.2.3.
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，因此采用有预加载荷的双V 形滚珠导轨。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，为达到分辨率的要求，需采用齿轮降速传动。
图2-1 系统总体框图
综上所述，本设计的总体方案确定为：采用MCS-51单片机对数据进行计算处理，由I/O 接口输出步进脉冲步进电机经一级齿轮减速后，带动丝杠转动，从而实现工件的纵向、横向运动，同时为了防止意外事故，保护微机及其它设备，还设置报警，急停电路等。
3. 机械系统设计
3.1. 工作台外形尺寸及重量估算
X 向拖板（上拖板）尺寸：
长?宽?高 1453160350 重量：按重量=体积3材料比重估算
3214516050107.81090--?????≈N Y 向拖板（下拖板）尺寸： 145
1605?? 重量：约90N 。
上导轨座（连电机）重量：
223(2201403821558)7.81010 1.110107π--??+??????+?≈()N
夹具及工件重量：约150N 。
X-Y 工作台运动部分的总重量：约287N 。
3.2. 滚动导轨的参数确定
3.2.1. 导轨型式：圆形截面滚珠导轨 3.2.2. 导轨长度
3.2.2.1. 上导轨（X 向）
取动导轨长度 100B l = 动导轨行程 55l =
支承导轨长度 155B L l l =+=
3.2.2.2. 下导轨（Y 向）
50l = 100B l = 150L =
选择导轨的型号：GTA16
3.2.3. 直线滚动轴承的选型 3.2.3.1. 上导轨
240()X G N =
3.2.3.2. 下导轨
287()Y G N =
由于本系统负载相对较小，查表后得出LM10UUOP 型直线滚动轴承的额定动载荷为370N ，大于实际动负载；但考虑到经济性等因素最后选择LM16UUOP 型直线滚动轴承。并采用双排两列4个直线滚动轴承来实现滑动平台的支撑。
3.2.
4.
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。
3.2.5. 对导轨进行按下式进行校核：
3
50???
?
??=W C T H a Ff f f f C L 式中:L 为滚动导轨副的距离额定寿命（km ）本设计L 定为50km ；
a C 为额定载荷，查表a C =6.07kN ；
F 为每个滑块上的工作载荷（N ）F 本设计设定为588N ；
H f 为硬度系数，导轨面的硬度为58-64HRC 时H f =1.0； T f 为温度系数，当工作温度不超过100°C 时，T f =1；
C f 为接触系数，每根导轨条上装二个滑块时C f =0.81；
W f 为载荷/速度系数，无明显冲击振动或v ≤60m/min 时，W f =1.5-2这里选择W f =2。
a w H T C C F f f f f =÷??
=588335050÷32÷（130.8131）
=1361N<[a C ]=6.07kN
因此所选导轨满足要求。
3.2.6.
滚动导轨的润滑与防护
滚动导轨采用润滑脂润滑。常用牌号为ZL-2锂基润滑脂（GB/7324—87，2号）。它的优点是不会泄漏，不需经常加油；缺点是尘屑进入后容易磨损导轨，因此防护要求较高。易被污染又难防护的地方，可用润滑油润滑。本设计的防护装置采用伸缩式。
3.3. 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。
3.3.1. 最大动负载Q 的计算
H Q f P ω
查表得系数1f ω=，1H f =，寿命值
6
6010nT
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 100010001
250(/min)4V n r t ?=
== 所以 6
6025015000
22510
L ??=
= X 向丝杠牵引力
1.414x x P f G =当 ()f 当——当量摩擦系数
1.4140.01240 3.39()N =??=
Y 向丝杠牵引力
1.4141.4140.01287 4.06()
y y
P f G N ==??=当
所以最大动负荷
X 向 11 3.3920.6()x Q N =??=
Y 向 11 4.0624.7()y Q N =
??=
查表，取滚珠丝杠公称直径 010d mm =，选用滚珠丝杠螺母副 的型号为 SFK1004，其额定动载荷为390N ，足够用。
3.3.2.
滚珠丝杠螺母副几何参数计算
表3-1 滚珠丝杠螺母副几何参数
3.3.3.
传动效率计算
7.26
0.973()(7.260.2)
tg tg tg tg γηγ?=
==++
式中：?——摩擦角；γ——丝杠螺纹升角。
3.3.
4.
刚度验算
先画出此纵向进给滚珠丝杠支承方式草图如图4-20所示，最大牵引力为548N ，支承间
距0L =L=400mm 丝杠螺母及轴承均进行预紧，预紧力为最大轴向负荷的1/3。
滚珠丝杠受工作负载P 引起的导程0L 的变化量
1PL L EF
=±
Y 向所受牵引力大，故应用Y 向参数计算
24.7()P N = 00.4()L cm =
6220.610(/)E N cm =? ()材料为钢
()2
22
0.7983.140.52F R cm π??=== ???
所以 616
24.70.5
1.210()20.6100.5
L cm -?=±
=±??? 丝杠因受扭矩而引起的导程变化量2L 很小，可以忽略。 所以导程总误差
()60100100
1.2103/0.4
L
m m L μ-==?= 查表知E 级精度的丝杠允许误差15m μ，故刚度足够。
3.3.5. 稳定性验算
验算滚珠丝杠尺寸和支承方式后，应验算丝杠在承受最大轴向载荷时是否会产生纵向弯曲。滚珠丝杠通常属于受轴向力的细长杆，若轴向工作负载过大，将使丝杠失去稳定而产生纵向屈曲，即失稳。失稳时的临界载荷F K (N) 为
E —为材料的弹性模量，对钢E=20.63104
Mpa;
I －为截面惯性矩，对丝杠圆截面：
I=∏d 14
/64=3.14316.94
/64=4002.2mm 4
L －丝杠最大工作长度（mm ）；L=500 mm
f Z －为丝杠支承方式系数，这里滚珠丝杠的支承方式采用一端固定一端简支的方式，所以f Z ＝2
22/K z F f EI L π==233.142
320.63104
34002.2/5002
=2.07313104
N
n k =F k /F m =2.07313104
/548=37.8﹥［n k ］=4 所以，该滚珠丝杠不会失稳。 ［n k ］－许用稳定性安全系数，［n k ］=2.5～4
3.4. 步进电机的选用
3.4.1. 步进电机的步距角b θ
取系统脉冲当量0.01/p mm step δ=，初选步进电机步距角 1.5b θ=。
3.4.2. 步进电机启动力矩的计算
2
2L EI f F Z k π=
设步进电机等效负载力矩为T ，负载力为P ，根据能量守恒原理，电机所做的功与负载力做功有如下关系
T Ps ?η＝
式中：? ——电机转角；s ——移动部件的相应位移；η ——机械传动效率。
若取 b ?θ=，则p s δ=，且S P P G μ=+，所以
[]36()2p S b P G T N cm δμπθη
+=
式中：S P ——移动部件负载（N ）；G ——移动部件重量（N ）； z P ——与重量方向一致的作用在移动部件上的负载力（N ）；μ ——导轨摩擦系数；b θ——步进电机步距角，（rad ）；T ——电机轴负载力矩（N cm ）
本例中，取0.03μ=（淬火钢滚珠导轨的摩擦系数），0.96η=，S P 为丝杠牵引力，
24.7s H P P N ==。考虑到重力影响，Y 向电机负载较大，因此取287y G G N ==，所以
[]
360.0124.70.03287 1.33()2 1.50.96T N cm π?+?=
=??
若不考虑启动时运动部件惯性的影响，则启动力矩
0.3~0.5
q T
T =
取安全系数为0.3，则 ()1.33
4.420.3
q T N cm =
= 对于工作方式为三相六拍的三相步进电机 max 5.10.866
q j T T =
= ()N c m
3.4.3.
步进电机的最高工作频率
max max 100010001
1667()60600.01
p V f Hz δ?=
==?
查表选用两个45BF005-Ⅱ型步进电机。电机的有关参数见表3-2。
表3-2 步进电机参数
)cm step
3.4.4.
启动矩频特性校核
步进电机有三种工况：启动、快速进给运行、工进运行。
前面提出的max ka mq j M M M λ≤=，仅仅是指初选电机后检查电机最大静转矩是否满足
要求，但是不能保证电机在快速启动时不丢步。因此，还要对启动矩频特性进行校核。以后还要对快进、工进时的运行矩频特性作校核。
图3-21 步进电机启动
步进电机启动有突跳启动和升速启动，一般突跳启动很少使用。在升速启动中，步进电机从静止状态开始逐渐升速，（如图1所示）在零时刻（t1=0），启动频率f q =0。在一段时间Δt1内，按一定的升速规律升速。启动结束时，步进电机达到了最高运行速度，即f q =f max 。在整个升速、均匀运行、降速过程中，步进电机所走的步数与应该完成的输入指令脉冲总数相等。升速时间Δt1足够长，启动过程缓慢，空载启动力矩M kq 中的加速力矩项M ka 不会很大，一般不会出现丢步现象，但是降低了工作效率。升速时间Δt1过短，则步进电机启动力矩中的加速力矩项M 就会很大，所以需要校核启动矩频特性。
图3-22
由图3-22初选步进电机的启动矩频特性曲线中，可知空载启动力矩M=0.05N 2M 值所对应 的允许启动频率f yq =11000H z >f q =1200 H z ,步进电机会不丢步。
（2）电机快速进给矩频特性较核 最高运行频率f max
max
max 100060p
V f δ=
式中：V max ——运动部件最大快进速度
Hz V f p 500001
.0603
1000601000max max =??==
δ
快进时已经不存在加速力矩项M a ,并且一般处于空载状态，故快速进给力矩
M JK = o kf M M +
其中：M 0为附加摩檫力矩（N 2cm ），M KF 为快进时的折算到电机的摩檫力矩（N 2cm ）。 所以 ：M JK = o kf M M +=1.175（N 2cm ）
由图3-22可知道快进力矩对应允许快进频率F YK 近似为20000Hz ，F mzx 〈F YK ，
所以电机不会丢步。 （3）、工进运行距频特性校核
工进步进电机的运行频率GJ f ：
100060G GJ p
V f δ=
式中： G V ——最大工作进给速度
Hz V f p G GJ 50001
.0603
.010********=??==
δ
工进时，步进电机运行所需力矩M kj 可按下式计算：
t Mf G J M M M M ++=0
式中：
0M ——附加摩擦力矩， f M ——摩擦力矩
t M ——折算到电机轴上的工作负载力矩
()()
2V f f F G L M N cm i
πη+=
? 0
()2i i F L M N cm i
πη=
? 式中：
Fv ——垂直方向作用于工作台的工作载荷 Ft ——沿进给方向的切削负载，Ft=F L
cm N M Mf M M cm
N i L F M cm
N i L G F f M t GJ t t V f ?=++=++=?=????==?=????+?=+=
232.38893.36389.0950.0893.361
85.024
.04932389.0185.024
.0)600438(005.02)(000ππηππη 在图3-22初选步进电机的运行矩频率特性曲线中，对应工进频率f GJ 查到的允许工进运行力矩M YJ =1.08N 2m >M GJ =0.382N 2m ，满足工进时运行距频特性的要求。
3.5. 确定齿轮传动比
因步进电机步距角 1.5b θ=，滚珠丝杠螺距 4t mm =，要实现脉冲当量
0.01/p mm step δ=，在传动系统中应加一对齿轮降速传动。齿轮传动比
123600.01360
0.61.54
p b Z i Z t δθ??====?
选 117Z = ，228Z = 。
3.6. 确定齿轮模数及有关尺寸
因传递的扭距较小，取模数1m mm =，齿轮有关尺寸见表3-3。
3.7. 步进电机惯性负载的计算
根据等效转动惯量的计算公式，得
()2
2
101232180p d b
Z J J J J J M Z δπθ?? ???
=++++
? ??? ???
式中： d J ——折算到电机轴上的惯性负载（2kg cm ）； 0J ——步进电机转轴的转动惯量（2
k gc m
）；1J ——齿轮 的转动惯量（2kg cm ）；2J ——齿轮 的转动惯量（2
kg cm ）；
3J ——滚珠丝杠的转动惯量（2kg cm ）
；M ——移动部件质量（kg ）。 对材料为钢的圆柱零件转动惯量可按下式估算
()3420.7810J D L kg cm -=?
式中：D ——圆柱零件直径（cm ）；L ——零件长度（cm ）。
所以
()343210.7810 1.70.5 3.2610J kg cm --=???=? ()343220.7810 2.80.523.910J kg cm --=???=? ()343230.781015 3.910J kg cm --=???=?
电机轴转动惯量很小，可以忽略，则
()2
33173.261023.9 3.91028d J --??
=?++? ???
()2
520.001250.4103.14 1.5180kg m -?? ?+=? ? ?? ???
因为
10.4
0.31914 1.274
d M J J <==<，所以惯性匹配比较符合要求。
4. 控制系统硬件设计
X-Y 数控工作台控制系统硬件主要包括CPU 、传动驱动、传感器、人机交互界面。
硬件系统设计时，应注意几点：电机运转平稳、响应性能好、造价低、可维护性、人机交互界面可操作性比较好。
4.1. C PU 板
4.1.1. CPU 的选择
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。
从要设计的系统来看，选用较老的8051单片机需要拓展程序存储器和数据存储器，无疑提高了设计价格，而选用高性能的16位MCS-96又显得过于浪费。生产基于51为内核的单片机的厂家有Intel 、ATMEL 、Simens ，其中在CMOS 器件生产领域ATMEL 公司的工艺和
封装技术一直处于领先地位。ATMEL公司的AT89系列单片机内含Flash存储器，在程序开发过程中可以十分容易的进行程序修改，同时掉电也不影响信息的保存；它和80C51插座兼容，并且采用静态时钟方式可以节省电能。
因此硬件CPU选用AT89S51，AT表示ATMEL公司的产品，9表示内含Flash存储器，S 表示含有串行下载Flash存储器。
AT89S51的性能参数为：Flash存储器容量为4KB、16位定时器2个、中断源6个（看门狗中断、接收发送中断、外部中断0、外部中断1、定时器0和定时器1中断）、RAM为128B、14位的计数器WDT、I/O口共有32个。
4.1.2.CPU接口设计
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4-1 CPU外部接口示意图
AT89S51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和电磁铁的运行。
（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AT89S51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，所以AT89S51的I/O口线分配如下：
（1）P1.0-P1.5控制X-Y两个方向步进电机的A、B、C线圈通电，形成A-AB-B-BC-C-CA-A 三相六拍正转模式和A-AC-C-CB-B-BA-A的反转模式。
（2）P1.6口输出控制电磁铁的吸合。
（3）P3.2和P3.3两个中断源中INT0优先级最高，它读入行程开关的状态并触发中断；INT1读入点动、复位、圆弧插补开关的状态而触发中断。
（4）P0.0-P0.7外部I/O扩展的数据读取。
（5）P2.7和P2.6决定8155的PA、PB、PC口的地址。
图4-2 AT89S51控制系统图
PB口接LED反映当前运行的8个状态：X+禁止、X-禁止、Y+禁止、Y-禁止、手动X+运行、
手动X-运行、手动Y+运行、手动Y-运行。
PA口低四位反映触发中断1的4个行程开关的状态。
PC口低6位反映了触发中断2的手动X+运行、手动X-运行、手动Y+运行、手动Y-运行、
复位（RST）、圆弧插补6个开关的状态。
4.2.驱动系统
传动驱动部分包括步进电机的驱动和电磁铁的驱动，步进电机须满足快速急停、定位和
退刀时能快速运行、工作时能带动工作台并克服外力（如切削力、摩擦力）并以指令的速度
运行。在定位和退刀时电磁铁吸合使绘笔抬起，绘图时能及时释放磁力使笔尖压下。
4.2.1.步进电机驱动电路和工作原理
4.2.1.1.开环伺服系统的原理图
步进电机的速度控制比较容易实现，而且不需要反馈电路。设计时的脉冲当量为0.01mm，
步进电机每走一步，工作台直线行进0.01mm。
步进电机驱动电路中采用了光电偶合器，它具有较强的抗干扰性，而且具有保护CPU的作用，当功放电路出现故障时，不会将大的电压加在CPU上使其烧坏。
图4-4 步进电机驱动电路图
该电路中的功放电路是一个单电压功率放大电路，当A 相得电时，电动机转动一步。电路中与绕组并联的二极管D 起到续流作用，即在功放管截止是，使储存在绕组中的能量通过二极管形成续流回路泄放，从而保护功放管。与绕组W 串联的电阻为限流电阻，限制通过绕组的电流不至超过额定值，以免电动机发热厉害被烧坏。
由于步进电机采用的是三相六拍的工作方式（三个线圈A 、B 、C ），其正转的通电顺序为：A-AB-B-BC-C-CA-A ，其反转的通电顺序为：A-AC-C-CB-B-BA-A 。
4.2.2. 电磁铁驱动电路
该驱动电路也采用了光电偶合器，但其功放电路相对简单。其光电偶合部分采用的是达林顿管，因为驱动电磁铁的电流比较大。
步进时钟 A 相波形 B 相波形 C 相波形
图4-5 三相六拍工作方式时相电压波形（正转）
4.3.控制系统软件的组成和结构
监控系统的作用是进行人和机对话和检测系统运行状态一般包括系统初始化，命令处理循环，零件加工程序和作业程序输入，编辑，指令分析机构，以及系统自测等。
1系统初始化：系统上电式复位后，系统软件进行初始化处理。包括设置CPU的状态，可编程I/O芯片的工作状态，中断方式
2命令处理：系统初始化后系统即进入命令处理程序，对于一般单片机构成的系统通常采用循环处理程序作为系统的主程序
3：零件加工程序或作业程序的输入和编程：零件加工程序可以键盘输入，也可通过串行口通信输入。输入程序的功能就是读入源程序，并经数据处理，按规定的格式将其存入规定的数据区内。
4 指令分析执行：微机控制系统对输入的指令进行分析，并根据分析的结果执行相应的操作。
5诊断程序：诊断程序用于检测系统硬软件功能的正确性，找出系统故障的位置，并指出故障类型。
机电系统控制软件的机构
一般机电控制系统中常用的软件结构有：子程序，主程序加中断程序结构
逐点比较法④
用逐点比较法进行直线插补计算，每走一步都需要以下四个步骤：
1判别偏差：F
m ≥0或F
M
＜O ，从而决定哪个方向进给和采用哪个偏差计算方向
进给。
2偏差计算：进给一步后计算新的加工偏差。
3终点判别：进给一步后，终点计数器，若为零，表示到达终点停止插补，不为零则返回第一步继续插补。终点计数判别可用方向坐标值判断，也可由一个方向
的坐标值判断。当X
e＞Y
E
图4-6 电磁铁驱动电路
逐点比较法框图
程序设计
D3D2为Y向电机控制位。D2=1运行，D2=0停止，D3=1正转，D3=0反转。
第一象限制直线插补程序如下：
ORG 2000H
MAIN： MOV SP ， #60H；
LP4 ： MOV 28H， #08CH；X
E
MOV 29H, #0C8H; Y
E
MOV 2AH, #00H; X
MOV 2BH, #00H; Y
MOV 2CH, #00H; F
M
MOV 70H, 0AH
LP3: MOV A, 2CH
JB ACC.7, LP1
MOV A, 70H
SETB ACC.0
CLR ACC.2
MOV 70H, A;置电机正反转控制字为0B，+X方向进给
LCALL MOTR；调步进电机的控制子程序，+X方向进给一步
LCALL DELAY
MOV A， 2CH
SUBB A， 29H；F-Y
E
INC 2AH; X+1
AJMP LP2
LP1 MOV A , 70H
SETB ACC.2 置电机正反转控制字为0E，+Y方向进给
CLR ACC.0 调步进电机的控制子程序，+Y方向进给一步 LCALL DELAY
MOV A， 2CH
ADD A， 28H； F+X
E
LP2 MOV 2CH, A
MOV A, 28H
=X?
CJNZ A, 2AH, LP3; X
E
RET
步进电机控制程序设计
一、名词解释(每小题2分，共10分) 1. 测量 2.灵敏度 3. 压电效应 4. 动态误差 5. 传感器 二、填空题（每小题2分，共20分) 1. 滚珠丝杆中滚珠的循环方式：_内旋换和外循环 2. 机电一体化系统，设计指标和评价标准应包括___ _______，__________， __________ ，__________。 3. 顺序控制系统是按照预先规定的次序完成一系列操作的系统， 顺序控制器通常用________。 4. 某光栅的条纹密度是50条/mm，光栅条纹间的夹角θ=0.001孤度， 则莫尔条纹的宽度是_______________________。 5. 连续路径控制类中为了控制工具沿任意直线或曲线运动，必须同时控制 每一个轴的______________________，使它们同步协调到达目标点。 6. 某4极交流感应电机，电源频率为50Hz，转速为1470r/min，则转差率为_____________。 7. 齿轮传 动的总等效惯量与传动级数__________________________________________。 8. 累计式定时器工作时有_____________________________________________________。 9. 复合控制器必定具有__________________________________。 10. 钻孔、点焊通常选用_______________________________________类型。 三、选择题（每小题2分，共10分） 1. 一般说来，如果增大幅值穿越频率ωc的数值，则动态性能指标中的调整时间ts ( ) A. 产大 B. 减小 C. 不变 D. 不定 2. 加速度传感器的基本力学模型是 A. 阻尼—质量系统 B. 弹簧—质量系统弹簧—阻尼系统 D. 弹簧系统 3. 齿轮传动的总等效惯量与传动级数( ) A. 有关 B. 无关 C. 在一定级数内有关 D. 在一定级数内无关 4. 顺序控制系统是按照预先规定的次序完成一系列操作的系统，顺序控制器通常用( ) A. 单片机 B. 2051 C. PLC 5、伺服控制系统一般包括控制器、被控对象、执行环节、比较环节和检测环节等个五部分。 A 换向结构 B 转换电路 C 存储电路D检测环节 四、判断题（每小题2分，共10分) 1、伺服控制系统的比较环节是将输入的指令信号与系统的反馈信号进行比较，以获得输出与输入间的偏差信号。（? ） 2、电气式执行元件能将电能转化成机械力，并用机械力驱动执行机构运动。如交流电机、直流电机、 力矩电机、步进电机等。（） 3、对直流伺服电动机来说，其机械特性越硬越好。（? ） 4、步进电机的步距角决定了系统的最小位移，步距角越小，位移的控制精度越低。（） 5、伺服电机的驱动电路就是将控制信号转换为功率信号，为电机提供电能的控制装置，也称其为变流 器，它包括电压、电流、频率、波形和相数的变换。（? ） 五、问答题（每小题10分，共30分) 1. 步进电动机常用的驱动电路有哪几种类型? 2. 什么是步进电机的使用特性? 3. 机电一体化系统设计指标大体上应包括哪些方面? 一、名词解释(每小题2分，共10分) 1. 是人们借助于专门的设备，通过一定的方法对被测对象收集信息，取得数据概念的过程。 2. 指在稳态下，输出的变化量ΔY与输入的变化量ΔX的比值。即为传感器灵敏度。
实验一四节传送带控制 一、实验目的 1.掌握传送指令的使用及编程 2.掌握四节传送带控制系统的接线、调试、操作 三、面板图 四、控制要求 1.总体控制要求：如面板图所示，系统由传动电机M1、M2、M3、M4，故障设置开关A、 B、C、D组成，完成物料的运送、故障停止等功能。 2.闭合“启动”开关，首先启动最末一条传送带（电机M4），每经过1秒延时，依次启动一条传送带（电机M3、M2、M1）。 3.当某条传送带发生故障时，该传送带及其前面的传送带立即停止，而该传送带以后的待运完货物后方可停止。例如M2存在故障，则M1、M2立即停，经过1秒延时后，M3停，再过1秒，M4停。 4.排出故障，打开“启动”开关，系统重新启动。 5.关闭“启动”开关，先停止最前一条传送带（电机M1），待料运送完毕后再依次停止M2、M3及M4电机。
五、功能指令使用及程序流程图 1.传送指令使用 X0000为ON时，将源容向目标容传送，X0000为OFF时，数据不变化。 2.程序流程图 六、端口分配及接线图 序号PLC地址（PLC端子）电气符号（面板端 子） 功能说明 1X00 SD 启动（SD） 2X01 A 传送带A故障模拟3X02 B 传送带B故障模拟4X03 C 传送带C故障模拟5X04 D 传送带D故障模拟6Y00 M1 电机M1 7Y01 M2 电机M2 8Y02 M3 电机M3 9Y03 M4 电机M4 10主机COM、面板COM接电源GND 电源地端 11主机COM0、COM1、COM2、COM3、COM4、COM5、 接电源GND 电源地端 12面板V+接电源+24V 电源正端2.PLC外部接线图
机电一体化系统设计基础 课程设计报告 专业：机械电子工程 班级：机电0811 学号： 2008716022 姓名：陈智建 指导教师：刘云、柯江岩 2012 年 1 月 13 日
目录 第一节绪论 (3) 1.1课程设计目的意义 (3) 1.2课程设计任务描述 (3) 1.3数控铣床的性能指标设计要求 (3) 第二节总体方案设计 (4) 2.1主轴驱动系统设计方案 (4) 2.2 X/Y/Z轴控制系统方案设计 (4) 2.3电气系统设计方案 (4) 第三节传动系统设计 (5) 3.1主轴传动系统的设计 (5) 3.1.1主轴电机选择 (5) 3.1.2变频器的选择 (5) 3.1.3主轴传动系统设计 (5) 3.2伺服驱动系统设计 (6) 3.2.1伺服传动机构设计 (6) 3.2.2伺服电机选择 (6) 3.2.3 滚珠丝杠的选择 (6) 3.2.4滚珠丝杠支承的选择 (8) 3.3设计验算校核 (8) 3.3.1惯量匹配验算 (8) 3.3.2伺服电机负载能力校验 (9) 3.3.3系统的刚度计算 (9) 3.3.4固有频率计算 (10) 3.3.5死区误差计算 (11) 3.3.6系统刚度变化引起的定位误差计算 (11) 第四节电气系统设计 (12) 第五节总结 (15) 参考文献 (15) 附：6张系统框图和元器件图
第一节绪论 1.1课程设计目的意义 机电一体化是一门实践性强的综合性技术学科，所涉及的知识领域非常广泛，现代各种先进技术构成了机电一体化的技术基础。机电一体化系统设计基础课程设计属于机械电子工程专业的课程设计，培养学生综合应用所学的知识，进行机电一体化系统设计的能力。 1.2课程设计任务描述 本课程设计主要要求学生设计一数控铣床的传动系统跟控制系统，即在已有数控系统的基础上，根据实际加工要求，进行二次开发。由于生产数控系统，伺服电动机的驱动器，伺服电机的厂家很多，即使同一厂家，其生产的产品系统和型号也很多。为了避免在设计过程中选型过于宽广，并考虑到本设计的目的主要是为了训练从事设计的基本能力，数控系统规定选用Fanuc OI MATE MC。根据该数控系统控制性能，可控制3个伺服电动机轴和一个开环主轴（变频器），满足4轴联动数控铣床的控制要求。考虑到CNC控制器，驱动器和电机之间电器接口的相互匹配，在该设计中，要求3轴伺服驱动器，伺服电动机都采用Fanuc 公司生产的产品。 1.3数控铣床的性能指标设计要求 （1）主轴的转速范围：1000—24000 （rpm） （2）主轴电机功率：30/37 kw （3）X/Y/Z轴快速进给速度15/15/15m/min，X/Y/Z轴切削进给速度，1-10000 mm/min （4）系统分辨率：0.0005mm,重复精度0.02mm。
机电一体化实验报告 一体化系统设计实验报告学院专业班级学号姓名指导教师xx 年1 月12 日实验一机电一体化系统的组成实验目的：以XY简易数控工作台为例，说明机电一体化系统的基本组成和各模块的特点。实验设备：l 台式PC机一台l 标准XY工作台一套l 运动控制卡一块l 游标卡尺一把实验内容：XY简易数控工作台是一典型的机电一体化系统，是许多数控加工设备和电子加工设备的基本部件，XY数控工作台主要由运动控制卡、DC24V 开关电源、步进电机及其驱动器、XY向运动平台、光栅尺和霍尔限位开关组成，其之间的关系如图 1、1所示。工作原理大致为：运动控制卡接受PC机发出的位置和轨迹指令，进行规划处理（插补运算），转化成步进电机驱动器可以接受的指令格式（速度脉冲和方向信号）发给驱动器，由驱动器进行脉冲环行分配和功率放大从而驱动步进电机，步进电机经过联轴器、滚动丝杠推动工作台按指定的速度和位移运动。实验步骤：（1）在XY数控工作台系统中分别找到上述各个模块，并指出各模块在机电一体化系统中实现哪一模块的功能。 ①运动控制卡：运动控制卡是PCL、CPCL、PXL等总线形成的板卡，通俗地讲我们可以把它看成一个单片机，有自己的算法，可以通过V C、V
B、labview、BCB等语言实现其功能，数控系统即通过运动控制卡来实现对机床运动轨迹的控制。②DC24V开关电源：对供电要求质量比较高的控制设备提供纯净、稳定、没有杂波的直流电源。③步进电机及其驱动器：步进电机用于驱动数控工作台的X、Y两个方向的移动；步进电机通过驱动器细分，可减小步距角，从而提高步进电机的精确率，实现脉冲分配和功率驱动放大，此外还可以消除电机的低频振荡、提高电机的输出转矩。④XY向运动平台：分别传输X、Y两个方向的运动。⑤光栅尺：光栅尺是一种位移传感器，是利用光栅的光学原理工作的测量反馈装置。经常应用于数控机床的闭环伺服系统中，可用作直线位移或者角位移的检测。⑥霍尔限位开关：用于限制工作台的运动超出导轨的有效长度。（2）使用卡尺测量，计算其平均导程P=10 ；观察其循环器，可知其循环方式为内循环；预紧方式是螺纹调隙式。（3）观察导轨截面，并查阅《机电一体化技术手册》，可知其属于GGA，GGB，GGC，GGF中哪类？ GGB 。 其适用场合机械加工中心、NC车床、搬运装置、电火花加工机、木工机械、激光加工机、精密测试仪器、包装机械、食品机械、医疗器械、工具磨床、平面磨床等。（4）查阅《DMC3000硬件手册》可知系统中的运动控制卡可实现四 轴的联动，并具有16 个数字量输入和16 个数字量输出控制。（5）记录步进电机型号，网上查阅其详细技术参数，可知
机电一体化课程设计报 告
机电一体化系统设计基础 课程设计报告 专业：机械电子工程 班级：机电0811 学号： 2008716022 姓名：陈智建 指导教师：刘云、柯江岩 2012 年 1 月 13 日
目录 第一节绪论 (4) 1.1课程设计目的意义 (4) 1.2课程设计任务描述 (4) 1.3数控铣床的性能指标设计要求 (4) 第二节总体方案设计 (5) 2.1主轴驱动系统设计方案 (5) 2.2 X/Y/Z轴控制系统方案设计 (5) 2.3电气系统设计方案 (5) 第三节传动系统设计 (6) 3.1主轴传动系统的设计 (6) 3.1.1主轴电机选择 (6) 3.1.2变频器的选择 (6) 3.1.3主轴传动系统设计 (6) 3.2伺服驱动系统设计 (7) 3.2.1伺服传动机构设计 (7) 3.2.2伺服电机选择 (7) 3.2.3 滚珠丝杠的选择 (8) 3.2.4滚珠丝杠支承的选择 (9) 3.3设计验算校核 (9) 3.3.1惯量匹配验算 (9) 3.3.2伺服电机负载能力校验 (10) 3.3.3系统的刚度计算 (11) 3.3.4固有频率计算 (11) 3.3.5死区误差计算 (12) 3.3.6系统刚度变化引起的定位误差计算 (12) 第四节电气系统设计 (13) 后附6张系统框图和元器件图。 (15) 第五节心得体会 (16) 参考文献 (17)
第一节绪论 1.1课程设计目的意义 机电一体化是一门实践性强的综合性技术学科，所涉及的知识领域非常广泛，现代各种先进技术构成了机电一体化的技术基础。机电一体化系统设计基础课程设计属于机械电子工程专业的课程设计，培养学生综合应用所学的知识，进行机电一体化系统设计的能力。 1.2课程设计任务描述 本课程设计主要要求学生设计一数控铣床的传动系统跟控制系统，即在已有数控系统的基础上，根据实际加工要求，进行二次开发。由于生产数控系统，伺服电动机的驱动器，伺服电机的厂家很多，即使同一厂家，其生产的产品系统和型号也很多。为了避免在设计过程中选型过于宽广，并考虑到本设计的目的主要是为了训练从事设计的基本能力，数控系统规定选用Fanuc OI MATE MC。根据该数控系统控制性能，可控制3个伺服电动机轴和一个开环主轴（变频器），满足4轴联动数控铣床的控制要求。考虑到CNC控制器，驱动器和电机之间电器接口的相互匹配，在该设计中，要求3轴伺服驱动器，伺服电动机都采用Fanuc公司生产的产品。 1.3数控铣床的性能指标设计要求 （1）主轴的转速范围：1000—24000 （rpm） （2）主轴电机功率：30/37 kw （3）X/Y/Z轴快速进给速度15/15/15m/min，X/Y/Z轴切削进给速度，1-10000 mm/min
------单选 滚珠丝杠螺母副结构类型有外循环插管式和_________等类型. 收藏 A. 内循环反向器式 B. 外循环反向器式 C. 内、外双循环 D. 内循环插管式 回答错误!正确答案： B PWM指的是________. 收藏 A. 计算机集成系统 B. 可编程控制器 C. 机器人 D. 脉宽调制 回答错误!正确答案： D 检测环节能够对输出进行测量,并转换成比较环节所需要的量纲,一般包括传感器和_______. 收藏 A. 转换电路 B. 调制电路 C. 控制电路 D. 逆变电路 回答错误!正确答案： A 下列关于机电一体化的说法中正确的是________. 收藏 A. 机电一体化设计主要是指产品的设计,不需要系统论方面的知识 B. 机电一体化技术是由传统机械技术及电子技术两方面技术构成 C. 机电一体化是指机电一体化技术,而不包含机电一体化产品 D. 机电一体化技术是以机械为主体 回答错误!正确答案： D 伺服控制系统一般包括控制器、被控对象、执行环节、比较环节和_________等个五部分.
收藏 A. 换向结构 B. 检测环节 C. 存储电路 D. 转换电路 回答错误!正确答案： B 电压跟随器的输出电压________输入电压. 收藏 A. 大于等于 B. 大于 C. 小于 D. 等于 回答错误!正确答案： D 滚珠丝杠螺母副结构类型有两类:外循环插管式和________. 收藏 A. 内循环反向 B. 内循环插管式 C. 外循环反向器式 D. 内、外双循环 回答错误!正确答案： A 受控变量是机械运动的一种反馈控制系统称________. 收藏 A. 伺服系统 B. 工业机器人 C. 顺序控制系统 D. 数控机床 回答错误!正确答案： A 下列关于机电一体化系统的伺服系统稳定性说法中错误的是________. 收藏 A.
《机电一体化实验技术》模拟试题A 一、判断题（每题2分，共计14分）（答√或×） 1.设置文件信息对话框通常配合标题栏使用。（） 2.印刷电路板的设计是电路设计中最重要、最关键的一步。（） 3.交流调压调速是一种比较复杂的调速方法。（） 4.减速传动链是机电一体化系统中最常见的传动形式。（） 5.双面齿同步带可以实现多轴传动。（） 6.扼流圈用来阻断信号的传导通路，并抑制干扰信号的强度。（） 7.磁场屏蔽主要是抑制高频耦合干扰。（） 二、单项选择题（每题2分，共计10分） 1.（）由于成本低而被广泛使用。 A.单面板 B.双面板 C.多层板 2.载入网络表时，网络表和元件封装是（）载入的。 A.同时 B.分别 3.（）具有对应每一个增量的脉冲，但不能区别是那个增量。 A.绝对型编码器 B.增量型编码器 4.（）的任务是接收输入的零件程序，并对它进行预处理。 A.输入数据处理程序 B.插补运输程序 C.速度控制程序 5.转差功率( )调速系统是转差功率中转子铜损部分的消耗是不可避免的，但在这类调速系统中，无论转速高低，转差功率的消耗基本不变效率最高。 A.消耗型 B.回馈型 C. 不变型 三、名词解释（每题2分，共计6分） 1.电路设计： 2.直接位置控制： 3.调压调速： 四、填空题（每空2分，共计30分） 1.Protel 99SE绘制原理图的三种方法是：利用（）、利用（）、利用（）。 2.既可以用Protel 99SE进行（）设计，又可以用Protel 99SE和其他电气设计原理软件包一起构成（）的、（）的产品设计系统。 3.光栅的主要特点是线条（）而间距（）。 4.与晶闸管可控装置相比，PWM系统具有开关频率（）、低速运行（）、动静态性能（）、效率高等一系列优点。 5.同步带传动综合了（）和（）的优点，又克服了（）和V型带传动的不足。 6.凡是有电压或电流（）的场合，肯定会有电磁干扰问题存在。
机电一体化综合课程设计 《机电一体化课程设计任务书》普通格式 一．课程设计的目的 本次设计是机电一体化和计算机控制课程结束之后进行的一个重要的综合性、实践性教学环节，课程设计的基本目的是： 1、掌握机电一体化系统的设计过程和方法，包括参数的选择、传动设计、零件计算、结构设计、计算机控制等培养系统分析及设计的能力。 2、综合应用过去所学的理论知识，提高联系实际和综合分析的能力，进一步巩固、加深和拓宽所学的知识。
3、训练和提高设计的基本技能，如计算，绘图，运用设计资料、标准和规，编写技术文件（说明书）等。 二．设计任务及要求 设计题目：车辆出入库单片机自动控制系统 1.设计容包括：总体设计，机械系统的设计与计算，计算机控制系统设计，编写设计计算说明书； 2.课题容简介或设计要求：编制一个用单片机控制的车辆出入库管理控制程序，控制要求如下：1）入库车辆前进时，经过1# → 2#传感器后计数器加1，后退时经过2# → 1#传感器后计数器减1，单经过一个传感器则计数器不动作。2）出库车辆前进时经过2# → 1#传感器后计数器减1，后退时经过1# → 2#传感器后计数器加1，单经过一个传感器则计数器不动作。3）设计一个由两位数码管及相应的辅助元件组成的显示电路，显示车库车辆的实际数量。 3.机械部分的设计： 4.计算机控制的设计：设计显示电路图，并按图连接。画出单片机接线图，并按图接线。编制控制程序。 摘要 本次设计车辆出入库单片机自动控制系统的基本功能和设计思路，根据给定的条件，综合运用所学的基本理论、基本知识和相关的机械和电子方面的知识，完成车辆入库自动控制，并画好元器件的连接图，其中包括装置的原理方案构思和拟定；原理方案的实现，设计计算与说明。 车辆出入库单片机自动控制系统对我们生活很贴近，一个很实用的系统，可以有效地帮助我们管理车库，再加上如果用单片机来实现的话成本低，很实用，这是一个很有意义的设计。车辆入库单片机自动控制系统的难点在于,如何控制
一、单项选择题考10题20分 1. “机电一体化”这一名词产生于20世纪，其产生的年代为（ A ） A．70年代Ｂ．50年代Ｃ．40年代Ｄ．80年代 2. “机电一体化”在国外被称为（ C ） A．Machine Ｂ．Electronics Ｃ．Mechatronics Ｄ．A和B 3. 机电一体化产品的动力与驱动部分的主要功能是（ D ） A．提供动力Ｂ．传递运动Ｃ．传递动力Ｄ．A、B和Ｃ 4. 时域函数 αt e- = f(t) 的拉普拉斯变换为（ C ） A．s 1 Ｂ． α α + sＣ．α + s 1 Ｄ． α 1 5. 在同步齿型带传动中，同步带的齿形为（ A ） A．梯形Ｂ．矩形Ｃ．渐开线Ｄ．摆线 6. 直流伺服电动机的电磁转矩与输出转速之间的函数关系式称为其（ A ） A．机械特性Ｂ．调节特性Ｃ．力矩特性Ｄ．转速特性 7. 在滚珠丝杠副中，预紧调整是为了消除其（ B ） A．径向间隙Ｂ．轴向间隙Ｃ．预应力Ｄ．A和B 8. 在交流伺服电机中，控制绕组与励磁绕组在空间相差的电角度是（D ） A．60°Ｂ．45°Ｃ．0°Ｄ． 90° 9. 若 x为传感器的输入量，y是其输出量，则传感器的灵敏度为（ C ） A．y x Ｂ． y x ? ? Ｃ． x y ? ? Ｄ． x y 10. 在滚珠丝杠副中，公式 IE Ml ES Pl L π2 2 0± ± = ? 是验算满载时滚珠丝杠副的（ A ） A．刚度Ｂ．强度Ｃ．塑性变形Ｄ．疲劳点蚀 11. 在可编程控制器的编程中，同一继电器线圈在梯形图中出现的次数最多为（ B ） A．2 Ｂ．1 Ｃ．3 Ｄ．4 12. MCS—51的每个机器周期包含状态周期数为（ D ） A．12 Ｂ．24 Ｃ．10 Ｄ．6 13.在滚珠丝杠副JB3162.2-91的标准中，最高的精度等级是（ A ） A．1级Ｂ．10级Ｃ．7级Ｄ．C级 14. 在可编程控制器梯形图的编程中，继电器线圈左侧触点的数目为（ D ） A．0 Ｂ．>3 Ｃ．<2 Ｄ． ≥1 15. 光栅式位移传感器的栅距W、莫尔条纹的间距B和倾斜角θ之间的关系为（A ） A． θ W B≈ Ｂ． θ W B> Ｃ． θ W B< Ｄ． θ W B5.1 ≈ 16. 差动变压器式电感传感器属于（ C ） A．涡流式Ｂ．自感型Ｃ．互感型Ｄ．可变磁阻式
专业：机电一体化 班级： 08—1班 老师：刘顺东 学号： ******** 姓名： **** 日期： 2013年2月
XY工作台部件及单片机控制设计 目录 1.序言 (3) 2.总体方案设计 (3) 2.1.设计任务 (3) 2.2.总体方案确定 (3) 3.机械系统设计 (4) 3.1.工作台外形尺寸及重量估算 (4) 3.2.滚动导轨的参数确定 (5) 3.3.滚珠丝杠的设计计算 (6) 3.4.步进电机的选用 (8) 3.5.确定齿轮传动比 (13) 3.6.确定齿轮模数及有关尺寸 (13) 3.7.步进电机惯性负载的计算 (13) 4.控制系统硬件设计 (14) 4.1.CPU板 (14) 4.2.驱动系统 (16) 4.3.控制系统软件的组成和结构 (18) 5.参考文献 (22)
1.序言 据资料介绍，我国拥有400多万台机床，绝大部分都是多年累积生产的普通机床。这些机床自动化程度不高，加工精度低，要想在短时期内用自动化程度高的设备大量更新，替代现有的机床，无论从资金还是从我国机床制造厂的生产能力都是不可行的。但尽快将我国现有的部分普通机床实现自动化和精密化改造又势在必行。为此，如何改造就成了我国现有设备技术改造迫切要求解决的重要课题。 在过去的几十年里，金属切削机床的基本动作原理变化不大，但社会生产力特别是微电子技术、计算机技术的应用发展很快。反映到机床控制系统上，它既能提高机床的自动化程度，又能提高加工的精度，现已有一些企业在这方面做了有益的尝试。实践证明，改造后的机床既满足了技术进步和较高生产率的要求，又由于产品精度提高，型面加工范围增多也使改造后的设备适应能力加大了许多。这更加突出了在旧机床上进行数控技术改造的必要性和迫切性。 由于新型机床价格昂贵，一次性投资巨大，如果把旧机床设备全部以新型机床替换，国家要花费大量的资金，而替换下的机床又会闲置起来造成浪费，若采用改造技术加以现代化，则可以节省50%以上的资金。从我国的具体情况来讲，一套经济型数控装置的价格仅为全功能数控装置的1/3到1/5，一般用户都承担得起。这为资金紧张的中小型企业的技术发展开创了新路，也对实力雄厚的大型企业产生了极大的经济吸引力，起到了事半功倍的积极作用。 据国内资料统计订购新的数控机床的交货周期一般较长，往往不能满足生产需要。因此机床的数控改造就成为满足市场需求的主要补充手段。 在机械工业生产中，多品种、中小批量甚至单件生产是现代机械制造的基本特征，占有相当大的比重。要完成这些生产任务，不外乎选择通用机床、专用机床或数控机床，其中数控机床是最能适应这种生产需要的。 从上述分析中不难看出数控技术用于机床改造是建立在微电子现代技术与传统技术相结合的基础之上。通过理论上的推导和实践使用的证明，把微机数控系统引入机床的改造有以下几方面的优点：1）可靠性高；柔性强；易于实现机电一体化；2）经济性可观。为此在旧的机床上进行数控改造可以提高机床的使用性能，降低生产成本，用较少的资金投入而得到较高的机床性能和较大的经济效益。 2.总体方案设计 2.1.设计任务 设计一个数控X-Y工作台及其控制系统。该工作台可用于铣床上坐标孔的加工和腊摸、塑料、铝合金零件的二维曲线加工，重复定位精度为±0.01mm，定位精度为0.025mm。 设计参数如下：负载重量G=150N；台面尺寸C3B3H＝145mm3160mm312mm；底座外形尺寸C13B13H1＝210mm3220mm3140mm；最大长度L=388mm；工作台加工范围X=55mm，Y=50mm；工作台最大快移速度为1m/min。 2.2.总体方案确定 2.2.1.系统的运动方式与伺服系统 数控系统按运动方式可分为点位控制系统，点位直线系统，连续控制系统。如果工件相对于刀具移动过程中不进行切削，可选用点位控制方式。由于工件在移动的过程中没有进行切削，故应用点位控制系统。对点位系统的要求是快速定位，保证定位精度。定位方式采用增量坐标控制。 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。
目录 机电一体化复习题 一、名词解释 1机电一体化 2伺服控制 3闭环控制系统 4逆变器 5 6单片机 7 接口 8 通道 9 串行通信 10直接存储器存取（） 二、判断题： 1 在计算机接口技术中通道就是接口。（×） 2 滚珠丝杆不能自锁。（√） 3 无论采用何种控制方案，系统的控制精度总是高于检测装置的精度。（×） 4 异步通信是以字符为传输信息单位。（√） 5 同步通信常用于并行通信。（×） 6 无条件方式常用于中断控制中。（×） 7从影响螺旋传动的因素看，判断下述观点的正确或错误
（1）影响传动精度的主要是螺距误差、中径误差、牙型半角误差（√） （2）螺杆轴向窜动误差是影响传动精度的因素（√）（3）螺杆轴线方向与移动件的运动方向不平行而形成的误差是影响传动精度的因素（√） （4）温度误差是影响传动精度的因素（√） 三、单项选择题 1. 步进电动机，又称电脉冲马达，是通过（ B ）决定转角位移的一种伺服电动机。 A 脉冲的宽度 B 脉冲的数量 C 脉冲的相位 D 脉冲的占空比 2. 对于交流感应电动机，其转差率s的范围为（B）。 A.1 A.插补 B.切割 C.画 线 D.自动 四、填空题 1. 在计算机和外部交换信息中，按数据传输方式可分为：串行通信和并行通信。 2. 微机控制系统中的输入与输出通道一般包括模拟量输入通道模拟量输出通道、数字量输入通道数字量输出通道四种通道。 3. 在伺服系统中，在满足系统工作要求的情况下，首先应保证系统的稳定性和精度并尽量高伺服系统的响应速度。 4. 一般来说，伺服系统的执行元件主要分为电磁式液压式气压式和其它等四大类型。 5. 在变频调速系统中，通常载波是等腰三角波，而调制波是正弦波 6.异步交流电动机变频调速： a)基频（额定频率）以下的恒磁通变频调速，属于恒转矩 调速方式。 b)基频（额定频率）以上的弱磁通变频调速，属于恒功率 调速方式。 7. 开环步进电动机控制系统，主要由. 环形分配器功率驱动器步进电机等组成。 机电一体化实验报告 学院：核技术与自动化工程学院专业：电气工程及其自动化 指导老师：康东 姓名：许新 学号：200706050209 日期：2010-10-27 实验一:基于PC的传感器与数据采集实验 一,实验目的 了解传感器,USB2009便携式数据采集器的工作原理和数据采集原理和香农采样定律,连接系统实现实时采集传感器信号,完成对采样数据的时域波形显示和存储. 二,实验内容: 1,了解传感器工作原理. 2,了解USB2009便携式数据采集器的工作原理,功能和使用方法. 3,了解数据采集原理和香农采样定律. 4,实时采集传感器信号,进行时域波形显示并存储实验数据. 三,实验设备: 主要实验设备包括: 1,USB2009采集卡和配有上位机软件的计算机; 2,FESTO气动综合实验台一套. 下图为USB2009采集卡.它包含14Bit分辨率A/D转换器,可以提供16路单端模拟信号输入,8路双端模拟输入通道,4路DA输出功能,1组计数器.提供了内外时钟和内外触发工作方式.A/D转换器输入信号范围为:±5V(USB2009),±10V(AD7899-1).硬增益范围:1,2,4,8(N6为PGA203时),1,10,100,10000(N6为PGA202时). 图1.1 USB2009采集卡 四,实验原理 将USB2009采集卡与FESTO气动综合实验台上传感器连接在一起,而后通过USB连接到计算机上.利用LabVIEW软件搭建数据采集系统,实时采集传感器信号,进行时域波形显示并存储实验数据. 五,实验步骤 1,由实验教师讲解FESTO气动综合实验台上传感器工作原理; 2,由实验教师讲解USB2009采集卡的工作原理和使用方法; 3,由实验教师讲解数据采集原理和香农采样定律; 4,在实验教师的指导下,由学生完成实验电路连接; 5,在实验电路检查无误后,由学生利用LabVIEW软件搭建数据采集系统; 5,打开设备电源,观察数据采集系统运行状况,纠正错误; 6,利用LabVIEW实时采集传感器信号,进行时域波形显示并存储实验数据; 7,将实验过程中形成的正确的接线方式,数据采集系统的搭建方法以及自己在实验中观察到的现象和思考的问题综合起来,写实验报告. 填空题 1. 机电一体化技术的内涵是微电子技术和机械技术渗透过程中形成的一个新概念。 2. 机电一体化系统（产品）是机械和微电子技术的有机结合。 3. 工业三大要素是物质、能量、信息；机电一体化工程研究所追求的三大目标是：省能源、省资源、智能化。 4. 机电一体化研究的核心技术是接口问题。 5. 机电一体化系统（产品）构成的五大部分（或子系统）是：机械系统、电子信息处理系统、动力系统、传感检测系统、执行元件系统。 6. 机电一体化接口按输入/输出功能分类机械接口、物理接口、信息接口、环境接口。 7. 机电一体化系统（产品）按设计类型分为：开放性设计、适应性设计、变异性设计。 8. 机电一体化系统（产品）按机电融合程度分为：机电互补法、机电结合（融合）法、机电组合法。 9. 机电一体化技术是在机械的主功能、动力功能、信息与控制功能基础上引入微电子技术，并将机械装置与电子装置用相关软件有机地结合所构成系统的总称。 10.机电一体化系统实现三大功能应具有的两大重要特征（转换作用方式）： 以能源转换为主和以信息转换为主。 11. 丝杠螺母机构的基本传动形式有：螺母固定丝杆转动并移动、丝杆转动螺母移动、螺母转动丝杆移动、丝杆固定螺母转动并移动 四种形式。 12. 滚珠丝杠副按螺纹滚道截面形状分为单圆弧和双圆弧两类；按滚珠的循环方式分为内循环和外循环两类。 13. 滚珠丝杠副轴向间隙调整与预紧的基本方法有：双螺母螺纹预紧调整、双螺母齿差预紧调整、双螺母垫片调整预紧、弹簧自动调整预紧四种方式。 14. 滚珠丝杠副常选择的支承方式有：单推—单推式、双推—双推式、双推—简支式、双推—自由式。 15. 机电一体化系统（产品）常用齿轮传动形式有定轴轮系、行星轮系和谐波轮系三种形式。 16. 在机电一体化系统机械传动中，常用的传动比分配原则有：重量最轻原则、转动惯量最小原则、传动精度最优原则等。 17. 常用导轨副的截面形式有：三角形导轨、矩形导轨、燕尾形导轨、圆形导轨四种形式。 18. 导轨刚度主要指：结构刚度、接触刚度和局部刚度。 19. 机电一体化系统（产品）中，常可选择的执行元件：电磁式、液压式、气压式和其他形式的执行元件。 20. 电动机的工作特性分为恒转矩工作和恒功率两个阶段，其转折点的转速和功率分别称为：额定转速和额定功率；伺服电动机用于调速控制时，应该工作在恒转矩阶段。 21. 步进电机按转子结构形式可分为：反应式步进电机、永磁式步进电机、混合式步进电机三种。 22. 步进电机的工作方式有：单拍工作方式和倍拍工作方式。 23. 步进电机的开环控制精度主要由步进电机的结构形式和工作 目录 1设计任务 (2) 2设计要求 (2) 2.1总体方案设计要求 (2) 2.2其它要求 (3) 3进给伺服系统机械部分设计与计算 (3) 3.1进给系统机械结构改造设计 (3) 3.2进给伺服系统机械部分的计算与选型 (3) 3.2.1确定系统的脉冲当量 (3) 3.2.2纵向滚珠丝杠螺母副的型号选择与校核 (4) 3.2.3横向滚珠丝杠螺母副的型号选择与校核 (4) 4步进电动机的计算与选型 (11) 4.1步进电动机选用的基本原则 (11) 4.1.1步距角α (11) 4.1.2精度 (11) 4.1.3转矩 (11) 4.1.4启动频率 (12) 4.2步进电动机的选择 (12) 4.2.1 C6140纵向进给系统步进电机的确定 (12) 4.2.2 C6140横向进给系统步进电机的确定 ................................................................... 12 5电动刀架的选择 .................................................................................................................... 12 6控制系统硬件电路设计 ...................................................................................................... 19 6.1控制系统的功能要求 ................................................................................................... 19 6.2硬件电路的组成： ........................................................................................................ 19 6.3电路原理图 ..................................................................................................................... 20 7总结 ........................................................................................................................................... 21 8参考文献 . (22) 1设计任务 设计任务:将一台C6140卧式车床改造成经济型数控车床。 主要技术指标如下： 1) 床身最大加工直径400mm 2) 最大加工长度1000mm 3) X 方向（横向）的脉冲当量 mm/脉冲，Z 方向（纵向）脉冲 当量 mm/脉冲 4) X 方向最快移动速度v xmax =3000mm/min ，Z 方向为v zmax =6000mm/min 5) X 方向最快工进速度v xmaxf =400mm/min ，Z 方向为v zmaxf =800mm/min 6) X 方向定位精度±0.01mm ，Z 方向±0.02mm 01 .0=x δ02 .0=z δ 1.什么是“机电一体化”？以打夯机为例，内含机械与电器，问这是不是机电 一体化产品？ 答：机电一体化又称机械电子工程，是机械工程与自动化的一种，英语称为Mechatronics，它是由英文机械学Mechanics的前半部分与电子学Electronics 的后半部分组合而成。 打夯机不属于机电一体化产品。因为打夯机只是普通的机械加电器，它属于硬连接或者称为机械连接只能应用在就地或者小范围场合使用，不能满足大面积和远程控制。而机电一体化就不一样了，它不光有硬连接、机械连接还有软连接。机电一体化属于同时运用机械、电子、仪表、计算机和自动控制等多种技术为一体的一种复合技术。它不光可以就地操作，小范围应用，还可以大面积使用操作，远程监测、控制。 2.机电一体化的技术构成是什么？ 答：机械技术、微电子技术、信息技术 3.产品实现机电一体化后，可以取得那些成效？ 答：产品实现机电一体化后可以取得的成效：产品性能提高、功能增强、结构简化、可靠性提高、节约能源、改善操作、提高灵活性等。 4.数字量传感具有哪三种类型？他们有什么区别？ 数字传感器按结构可分成三种类型： 1.直接式数字量传感器——其分辨率决定于数字量传感器的位数。 被测物理量→数字编码器→信息提取装置→数字量输出 2.周期计数式数字传感器 它的结构示意图如下图1所示。此种结构的位移分辨率对低精度的周期计数式数字传感器而言，仅由周期信号发生器的性质决定。例如，光栅当长1mm有100条刻线时，其分辨率即为0.01mm;对高精度的周期计数式数字传感器而言，还要考虑到电子细分数。如在100倍电子细分数下，此光栅的分辨率就是0.1μm。此种结构属于增量式结构，结构的特点(位移方向的要求)决定它不但备有辨向电路，而且周期计数器还具有可逆性质。 图1 周期计数式数字量传感器的结构方框图 3.频率式数字传感器 其结构示意图如下图2所示。按振荡器的形式，可将此种数字传感器分成带有晶体谐振器的和不带晶体谐振器的两种。前者，按被测量的作甩点，又分作用在石 《机电一体化技术概论》课程思政方案及实施案例 一、素质目标 1.具备一定的学习新技术和新知识的自修能力； 2.机电一体化产品发展、结构组成及功能； 3.具备分析机电一体化产品模块功能、典型案例应用，强调产品模块调试方法 4.有较快适应生产、管理第一线岗位需要的能力； 5.提升敬业爱岗和良好的团队合作精神； 6.形成较强的安全和环保意识； 7.在工程实践中能自觉遵守职业道德和规范，具有法律意识。 二、课程内容与要求 三、实施案例 案例1 从任课班级中挑选成绩好学生组建兴趣小组，根据企业如何进行激光打标机设计开发，培养学生对复杂自动化设备设计的解决方案，设计满足特定需求的机械系统、部件以及工艺流程，并能够在设计环节中体现创新意识。通过项目实施，一是让学生能针对个人或职业发展的需求，采用合适的方法，自主学习，适应发展。二是能够在机械工程实践中开发、选择与使用恰当的技术、资源、现代工程工具和信息技术工具。三是能主动与其他专业的成员合作开展工作，完成团队分配的工作，承担团队成员的角色和责任。 案例2 通过一个综合案例的学习、设计、研发，内化敬业、精益、专注、创新的“工匠精神”，形成优秀的职业价值取向和行为表现。 （1）任务引领 按照给定的自动化设备，设计相应的控制电路。 （2）知识传授 掌握基本电子元器件的性能和应用。 （3）能力训练 分组实训，设计电路，并进行模拟仿真，完成预定的电路功能。 （4）检查 分组检查讨论检测结果 （5）评估 学生陈述，教师分析 （6）下次任务布置 知识创新点的提炼，形成知识产权。 （注：文档可能无法思考全面，请浏览后下载，供参考。可复制、编制，期待你的好评与关注） 机电工程学院 课程设计（项目设计）说明书（2014 /2015学年第一学期） 课程名称：机电一体化课程设计 题目：机械手伸缩臂设计 专业班级： 学生姓名： 学号：110200408 指导教师： 设计周数：2周 设计成绩： 目录 第1章概论 1.1 我国机器人的发展状况 (3) 1.2工业机械手的组成及原理 (4) 1.3机械手的应用 (5) 第2章机械手伸缩臂机械部分设计计算 2.1设计方案论证以及确定 (6) 2.1.1设计参数 (6) 2.2机械手伸缩臂总体结构设计方案 (6) 2.3 执行装置的设计方案 (7) 2.3.1 滚珠丝杠的选择 (7) 2.3.2减速齿轮的有关计算 (13) 2.3.3 电动机的选择 (18) 第3章液压控制系统的设计与计算 3.1 设计方案 (20) 3.2 液压回路设计 (20) 3.3 油泵的选择设计 (21) 3.3.1油泵的选择设计 (21) 3.3.2泵驱动电机的选择设计 (22) 第一章概论 工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动化生产设备。工业机械手的是工业机器人的一个重要分支。它的特点是可通过编程来完成各种预期的作业任务，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现了人的智能和适应性。业机器人机械手是模仿人的手部动作，按照给定的程序、轨迹和要求实现自动抓取、搬运和操纵的自动装置，它是机械化、自动化的重要手段。 机械手技术涉及到力学、机械学、电气液压技术、自动控制技术、传感器技术和计算机技术等科学领域，是一门跨学科综合技术。 机械手是一种能自动化定位控制并可重新编程序以变动的多功能机器，它有多个自由度，可用来搬运物体以完成在各个不同环境中工作。 工业机械手可以在高温、高压、危险、易燃、易爆、放射性等恶劣的环境，以及笨重、单调、频繁的操作中，代替人的工作，具有重要的意义。在机械加工中，冲压、铸造、锻造、焊接、热处理、电镀、喷漆、装配以及轻工业、交通运输、国防工业等各方面，也已愈来愈引起人们的重视。机械手作业的准确性和各种环境中完成作业的能力，在国民经济各领域有着广阔的发展前景。 1.1我国机器人的发展状况 我国工业机器人发展于20世纪70年代，经过30多年的发展，大致经历了三个阶段：70年代的萌芽期，80年代的开发期，90年代的适用化期。 20世纪70年代是世界科技发展的一个里程碑：人类登上了月球，实现了金星、火星的软着陆。我国也发射了人造卫星，世界范围内工业机器人的应用掀起了一个高潮，尤其在日本发展更为迅猛，它补充了日益短缺的劳动力。在这种情况下，我国于1972开始研究制造自己的机器人。 进入20世纪80年代后，随着改革开放的不断深入，在高科技浪潮的冲击下，我国机器人技术的开发与研究得到了政府的重视与支持。“七五”期间，国家投入资金，对工业机械人及其零部件进行攻关，完成了工业机械人的成套技术的开发，研制出了喷漆取得了机电一体化实验报告
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