《机电一体化系统设计》综合课程设计
计算说明书
设计题目：站立式单人电动代步车
设计组长：陈文凯
设计成员：张雪涛马祥尧陈立伟邢海兵段志明专业：机电一体化
班级： 09机制一班
指导教师：孙艳萍
设计时间： 2012 年3 月20 日至2012 年6 月 8 日
自动控制与机械工程学院
2012年2月
任务分配
总体设计及减震系统设计：陈文凯
传动系统设计：张雪涛马祥尧
动力电机及控制系统：马祥尧邢海兵
电力供电系统：邢海兵
制动系统设计：陈立伟
转向机构设计：段志明
目录
任务分配 (1)
第一章绪论 (4)
1.1 产品设计背景 (4)
1.2 系统总体方案设计简述 (5)
第二章方案设计 (6)
2.1性能要求 (6)
2.2 设计思路 (8)
2.3 整体车辆以及各部件尺寸 (8)
第三章传动系统的设计 (9)
3.1 电机、链及链轮的设计和选择 (9)
3.2 轴承的选择 (13)
3.3 轴的校核 (13)
第四章转向系统的的设计 (17)
4.1 转向系统的作用意义 (17)
4.2 转向系统的设计定位 (17)
4.3 转向系统设计方案的选择 (18)
4.4 转向系统的结构设计 (19)
4.5 转向系统的总装配 (25)
4.6 转向角度 (25)
4.7 设计计算 (26)
4.8 小结 (26)
第五章制动系统 (27)
5.1 液压盘式制动系统的结构 (27)
5.2 设计计算 (28)
5.3 应注意的问题 (32)
第六章缓冲与减震系统的设计及计算 (35)
6.1 缓冲与减震系统的作用以及原理 (35)
6.2 缓冲弹簧的设计计算 (38)
6.3 缓冲及减震系统的截图 (43)
第七章代步小车的控制电路系统设计 (45)
7.1 代步小车控制系统电路总体设计思想 (45)
7.2 电机选择： (46)
7.3 调速及控制电路 (47)
第八章供电部分 (53)
8.1 蓄电池的选择 (53)
8.2 充电器的选择 (55)
8.3 注意事项： (58)
第九章总结 (59)
参考文献 (60)
第一章绪论
1.1 产品设计背景
从1990 至今：石油资源的日益减少、大气环境的污染严重，让人们重新关注的电动车。 1990年之前提倡使用电动车主要还是以民间为主。比如1969年建立的民间学术团体组织：世界电动车协会(World Electric Vehicle Association) 。世界电动车协会每一年半在世界不同国家和地区举办专业电动车学术会议和展览Electric Vehicle Symposium and Exposition(EVS)。 1990年代开始各个主要的汽车生产厂家开始关注电动车的未来发展并且开始投入资金和技术在电动车领域。在1990年1月的洛杉矶汽车展上，通用汽车的总裁向全球推介Impact纯电动轿车。 1992年福特汽车使用钙硫电池的Ecostar , 1996年丰田汽车使用镍氢电池的RAV4LEV， 1996年法国雷诺汽车的Clio, 1997年丰田的Prius混合动力轿车下线， 1997年日产汽车世界上第一辆使用锂离子电池的电动车Prairie Joy EV, 1999年本田汽车发布、销售混合动力 Insight。
对于现在市面上的种种电动自行车的情况来看，有许多的不足之处，大多数的电动自行车的情况都源于从摩托车的设计理念和思想，并没有真正意义上的专门针对电力提供动力的代步小车的设计，而且针对电机提供动力的代步小车设计上处于一个混乱的情况，例如电机的功率过大，导致使用人在使用的过程中对于速度的控制完全由人控制，没有很好的调节控制，存在许多的安全隐
患，从而不能保证人员的安全。
而针对这类情况我国出台的政策有了一定的规范。
电动自行车的市场前景是广阔的，对于现在许多的环境污染和化石资源的大量消耗，对于电力能源作为动力的电动机，其污染小，发展前景广阔，拥有不可替代的作用。所以对于电动车的开发拥有许多的要。是未来各行业的发展
方向之一。
1.2 系统总体方案设计简述
对于电动代步车的设设计有以下几点要求：
1.以蓄电池作为辅助能源
2.具有良好的脚踏骑行功能,能实现人力骑行、电动或电助力功
能；
3.最高车速不超过30公里每小时；
4.车重量不大于50kg；
5.蓄电池可持续提供动力行驶40~60公里。
第二章方案设计
图2.1 系统总体原理图
2.1性能要求
一般电动车的性能指标是一个重要的指标，其各项指标是否达到国家安全标准不仅影响产品能否进入市场出售，而且关乎着每一个乘客的生命安全。因此这是一个非常重要的项目，具有非常重要的实践意义。
普通电动自行车最重要的配件是电机，一辆电动自行车的电机基本决定了这辆车的性能和档次。目前电动自行车所使用的电机大都是高效稀土永磁电机，其中主要又分高速有刷＋齿轮减速电机、低速有刷电机和低速无刷电机三种，目前以高速有刷＋齿轮减速电机性能最好，价格也贵；低速有刷电机要便宜一些，但性能要差一些；无刷电机由于对控制器质量要求极高，上市的品牌不多。
本站立式单人电动代步车运用了一般电动自行车的供能模式——采用电池供能，采用直流电动机作为动力源。由于本车采用了普通电动车的的供能和动力提供方式，因此在电池的选择以及电动机的选择上与普通电动车的选择具有
部分的相同。
（1）工作要求：
自重: 40kg
最大载重量：110kg
最大行驶速度：30km/h
最大爬坡角度：30°
满电量最大行驶路程：40km ~50km
充电时间：4h ~7h
（2）电池选用铅酸蓄电池（具体电池的参数性能以及充放电将在第八章做具体介绍）;
选用电池电源型号及具体参数：
镍氢电池：36V/48V 12AH×3
充电器输入电压: AC 220V 50HZ
充电器输出电压: DC 36V
充电时间: 4-7小时
百公里耗电: ≤1.2KW/h
过流保护: 13.5±1A / 15±1A
欠压保护: 31.5±0.5V / 42±0.5V
（3）电动机选择，根据国家标准以及系统的要求，电动机的性能参数如下：
电机额定电压: 48V
电机额定功率: 500W
电机额定转速: 330n/min
电机额定转矩: 7N.m / 5.5N.m
驱动方式: 电机后轮驱动
调速方式: 转把无级调速
2.2 设计思路
该车设计采用四轮方式，其中以后轮驱动为驱动方式（具体驱动动力以及驱动原理，驱动部件及其相关零件设计将于第三章中具体介绍），转向以前轮转向为转向方式，运用牛头式转向柄。总系统包括一下几个子系统：传动系统（第三章）、转向系统（第四章）、制动系统（第五章）、减震与缓冲系统（第六章）、电路控制系统（第七章）、电池充放电系统（第八章）等。
驾驶方式为站立式，刹车制动为摩托式制动方式。
2.3 整体车辆以及各部件尺寸
车宽：500mm
车长：1400mm
车高：1500mm
转向架：1200mm
外轮直径：250mm
前轴宽：550 mm
后轴宽：500mm
车辆地盘最低点距地面高度：100mm
车辆保险杠宽：230mm
第三章传动系统的设计
3.1 电机、链及链轮的设计和选择
1、电机选用
图3.1电机
电机型式: 稀土永磁无刷直流电动机；
电机额定电压: 48V；
电机额定功率: 500W；
电机额定转速: 330r/min；
电机额定转矩: 7N.m；
驱动方式: 电机后轮驱动；
调速方式: 转把无级调速；
确定计算功率：
查表可得：Ka=0.1，Kz=1.1，选用单排链，则计算功率为：
Pca KaKzP
=1.0×1.1×0.5
=0.55KW
2、链轮选择：
（1）材料选择：链轮无剧烈冲击，耐磨性较好，故可选用：45钢（淬
火加回火）
（2）传动比：i=2；
（3）小链轮：模数m=2，齿数z1=17；
图3.2 小链轮（4）大链轮：模数m=2，齿数z2=34；
图3.3 大链轮3、链的设计计算：
图3.4 链（1）选择链条型号和节距：
由p=0.55KW及n=330r/min，查图表，可选：08A型链条；
查表得，链条节距为：p=12.70mm，滚子外径d=7.95，内链板高度h=12.07，内链节链宽b=7.85，销轴直径d0=3.96，极限拉伸载荷Q=13.8KN；
图3.5 A系列滚子链的额定功率曲线（v>0.6m/s）
表3.1：滚子链规格和主要参数
（2） 计算链节数和中心距：
初选中心距：a =（30～50）p
=381～635mm
取：a=400mm ，相应链长节数为：
21221z z z z 2[()]22a P L p a π+-=?+
+? = 24001734341712.72[()]12.722 3.14400
+-?++?? =62.99+25.5+0.23
=88.72
取链节数为：Lp=89
查表得：
f =0.124
则最大中心距为：12[2(z +z )]a f P Lp =?-
链速V 为：V = 1nz P
601000?
=3301712.7
601000???
=1.18m/s
查表可知：该传动链可用开式链轮传动。
3.2 轴承的选择
图3.6 轴承
轴承 (用于后轴车轮轮毂)：选用深沟球轴承6000系列，型号：
6002，
内径：15mm ，外径：32mm ，宽9mm ，额定载荷：5.58KN ，极限转
速：18000r/min ，重量：0.03KG/套；
3.3 轴的校核
图3.7 轴
1、抗扭强度校核
(1) 预选轴的直径为15mm φ，材料40r C ，[]160MP τ=，G=80MP,
'[] 1.5()/m ?=。,已知z 1=17，z 2=34，i =2；电机 P 1=0.5KW ，n 1=330r/min ，
链传动的机械效率η=0.9
所以：P 2= P 1×η
=0.5×0.9
=0.45KW
由1
2
n n i =得： 1
22n n =
330
2= =165r/min
由 2
2
P 9550T n =?得：
max 0.45
9550165T =?
26
N m =?
(2)由强度条件得：
max
max t
T W τ= （t W ：抗扭截面系数
[]τ：许用切应力） max
max 316[]T D ττπ=≤=160MP
D ≥D ≥ =13.6mm
(3) 由刚度条件得：
'max 180p T
GI ?π=
? （G=80MP ） 'max 4180[] 1.5()/32
T m D G ?ππ=?≤=。 D ≥
= 13.2mm =
（4） 抗弯强度校核
F 3
F
图3.8 轴弯矩图
351220F F F F =--=∑
130002400
600F N =-=
A 点：
312511125122()()(2)0A M
F L L F L F L L F L L M =+--+-++=∑ B 点： 312311152(2)20B M F L L F L F L F L M =+---+=∑
C 点：
3125252312()()0C M F L L F L F L F L L M =+--+++=∑
由上计算可得：
1F =600N
M=4.104N m ?
所以：
由12
D M F =?得： 122 4.104600
13.68M D F mm
≥
?== 所以，预选的最小轴径15mm φ满足要求。
第四章转向系统的的设计
4.1 转向系统的作用意义
转向系统是代步车的核心系统之一，也是在我们实际应用中最经常直接接触的系统，我们对代步车的主要控制就是车辆的转向。因为当今的车辆还不具备智能性，因此如何乘车到达目的地必须由人力控制。转向系统是实现小车功能不可缺少的系统之一。除此之外，转向系统对车辆的安全运行也起着至关重要的作用。转向系统的安全与否直接关系到乘坐者的人身安全。因此转向系统的灵敏性和稳定性是设计者首要考虑的问题。因此在设计转向系统时必须要对转向系统的一些功能进行限制，例如对车辆最大转向角的控制范围，对载重和车体重量的控制等。
4.2 转向系统的设计定位
现代汽车转向系统多数采用液压和机电结合的结构，纯机械结构的比较少，但是在电动车等代步车中，液压和机电结合结构用的较少，原因之一是这类车辆的重量较轻，载重不大，手动机械控制易于操作，便于掌握使用。最主要的原因还有车辆的体积很小，不便于安装液压等体积较大的系统。此外，代步车的价格一般较为低廉，因此如果安装此类成本较高的系统很不经济，无法适应市场的形式。为适应现代的市场化趋势，我们必须使用最简易的设计，达到最优的使用效果。这样才能在节约成本的同时，更好满足顾客的要求，获取最大
的利润。考虑到以上因素的综合影响，结合我们现有的知识和技术水平分析，采用简便的，稳定的，灵敏的机械转向系统符合现在的市场情况，能很好达到设计目的，使我们能更好发挥想象力，是在设计过程中的首选！
4.3 转向系统设计方案的选择
根据调查，生活中常用的转向系统大致分为三大类。一是反向盘式转向操作系统；二是手动拉杆操作式转向系统；三是车把式操作转向系统。三种系统的应用范围也各不相，最常见的是方向盘式转向系统，也是汽车转向的经典系统，它大多采用方向盘带动齿轮齿条结构运动将立式旋转运动改变为横向直线进给运动。操作此类转向系统必须经过专门的培训，取得驾驶资格，经过长期的训练才能掌握其操作方法；拉杆操作式转向系统并不常见，主要用于工程建筑等大功率机械，例如推土机，装载机，挖机等，因为这类机械不仅车辆的移动需要转向，而且车体的分离运动，车底盘和工作机的相对移动也需要转向，而且这类机械大部分使用液压结构，拉杆操作式转向系统便于液压系统的操作。使用此类转向系统非常复杂，要经过专门的学习，还要具有相当长一段时期的操作经验才能掌握，适用于具有相对分离运动的车体。把式操作系统在日常生活中也非常普遍，主要用于低载荷，低速度，小功率的日常代步双轮车，我们见到的自行车电单车，摩托车都等都是采用把式操作转向系统，这种系统为家庭小功率，低速度代步车经常使用的转向系统，易于实现无角度比例的转向，系统的整体结构较为简单，涉及液压以及机电结合的系统少，而且操作方便，稍加练习就能快速掌握车的操作方法。是低速度代步车的首选系统。考虑到我们的代步小车的车速限制范围为30km/h，车辆载人总重仅有150kg，为操作方便我们完全可以使用把式操作转向系统结构，在双轮车的单轮转向系统基础上
加以改进，实现四轮小车的前轮双轮转向控制。
4.4 转向系统的结构设计
为实现转向系统的操作和安全性及稳定性要求，转向系统的结构主要设计为以下主要部件组成：
（1）车把：我们经常见的车把有曲线式车把结构，和直线式车把结构，曲线式车把主要适用于车辆的其他系统如刹车系统，供电系统等在车把上定位较少的车辆，如老式自行车车把上只有一个刹车系统。直线式车把加工制造方便，便于安装供电系统的控制开关，因此我们使用直线车把作为电力代步车的车把，该零件的材料为45钢，毛坯为锻件，由于45钢有良好的切削加工性，加工时不会出现难加工现象。模锻毛坯表面光滑，余量分部均匀，不会产生打刀现象，由于毛坯是锻件，在加工前应经正火处理改善加工性能后再进行加工。加工完毕后在外层镀铬防锈，同时满足零件的美观性，是零件不易被刮出划痕。如下图所示：
图4.1 转向把
车把的中间部位用于与转向轴的安装定位。
（2）转向轴：转向轴是实现转向的核心部件之一，主要用于传递转动扭矩，四轮汽车的转向轴大多为分级结构，车轴分为几段，并用标准万向轴链接，但
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
绝密★启用前 2009年6月河南省高等教育自学考试助学统一命题考试 机电一体化系统设计 试卷 （课程代码 2245） 本试卷共8页，满分100分；考试时间150分钟 复查总分 总复查人（签名） 1． “机电一体化”含义是 【 】 A. 以机为主加点电 B. 机械部与电子部合并 C. 以电淘汰机 D. 机械与电子的集成技术 2. 齿轮传动的传动效率随着传动级数 【 】 A. 增加而增加 B. 增加而降低 C. 减少而降低 D. 变化而不变 3．滚珠丝杆副的基本导程减少，可以 【 】 A ．加大螺旋升角 B ．提高承载能力 C ．提高传动效率 D ．提高精度 4．光栅条纹密度是100条/mm ，光栅条纹间夹角θ=0.001弧度，莫尔条纹的 宽度 【 】 A ．100mm B ．20mm C ．10mm D ．.0.1mm 5． 直流测速发电机输出的是与转速 【 】 A ．成正比的交流电压 B ．成反比的交流电压 C ．成正比的直流电压 D ．成反比的直流电压 6．电压跟随器的输出电压 输入电压 【 】 A ．等于 B ．大于 C ．大于等于 D ．小于 一、单项选择题（本大题共10小题，每小题1.5分，共 15分）在每小题列出的四个备选项中只有一个是符合 题目要求的，请将其代码填写在题后的括号内。选错、 多选或未选均无分。
7．某4级交流感应电动机，电源频率为50Hz，当转差率为0.02时，其转速为【】A．1450[r/min] B．2940 [r/min] C．735[r/min] D．1470 [r/min] 8．某步进电动机三相单三拍运行时步距角为3°，三相双三拍运行时步距角为【】A．3°B．7.5°C．6°D．1.5° 9．某步进电动机，三相，转子40个齿，欲使其步矩0.5°，应采用的通电方式为【】A．单拍制B．双拍制C．单双拍制D．细分电路 10．梯形图中的计数器，采用的助记符指令为【】 A．OR STR B．AND STR C．TMR D．UDC 二、简答题（本大题共6小题，每小题4分，共24分）11．机和电融合的设计思想是什么？ 12．机电一体化系统结构中驱动模块在系统中的作用是什么? 13．滚珠丝杆螺母副有哪些消除间隙和预紧的措施?
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。
第一章绪论 1．机电一体化包括哪六大共性关键技术（相关技术）？p1 答：机电一体化包括六大共性关键技术：（1）精密机械技术，（2）伺服传动技术，（3）检测传感技术，（4）信息处理技术，（5）自动控制技术，（6）系统总体技术。 2．一个较完善的机电一体化系统，应具有哪六个基本功能要素？p2 答：机电一体化系统应具有以下六个基本功能要素：（1）机械本体，（2）动力部分，（3）传感检测部分，（4）执行机构，（5）驱动部分，（6）控制及信息处理、各要素和环节之间相联系的接口。 3．何谓机电一体化系统中的接口？接口的作用和基本功能是什么？p3 答：机电一体化系统中的接口，是机电一体化系统中各子系统之间进行物质、能量和信息传递与交换的联系部件。接口的作用使各要素或子系统联接成为一个有机整体，使各个功能环节有目的地协调一致运动，从而形成机电一体化的系统工程。接口的基本功能主要有三个：一是交换，通过接口完成使各要素或子系统之间信号模式或能量的统一；二是放大，在两个信号强度相差悬殊的环节间，经接口放大，达到能量的匹配；三是传递，变换和放大后的信号在环节间可靠、快速、精确地交换，必须遵循协调一致的时序、信号格式和逻辑规范。接口具有保证信息传递的逻辑控制功能，使信息按规定模式进行传递。 4．简述执行部分的功能和分类。P3 答：执行机构的功能是根据控制信息和指令完成所要求的动作。执行部分是运动部件，一般采用机械、电磁、电液等机构。它将输入的各种形式的能量转换为机械能。 5．何谓机械本体？P2 答：机械本体包括机械传动装置和机械结构装置。其主要功能是使构造系统的各子系统、零部件按照一定的空间和时间关系安置在一定位置上。 6．何谓动力部分？p2 答：部分动力部分的功能是按照机电一体化技术系统的控制要求，为系统提供能量和动力以保证系统正常运行。 7．何谓传感检测部分？p2 答：传感检测部分的功能是对系统运行过程中所需要的本身和外界环境和各种参数及状态进行检测，并转换成可识别信号，传输到信息处理单元，经过分析、处理后产生相应的控制信息。 8．机电一体化技术方向？p8
机电一体化系统课程设计 设计说明书 设计题目：X－Y数控工作台机电系统设计 院校： 班级： 姓名： 学号： 2011年 12 月 24 日
目录 机电一体化系统设计课程设计任务书1．总体方案 1.1导轨副的选用 1.2 丝杆螺母副的选用 1.3 减速装置的选用 1.4 伺服电动机的选用 1.5 检测装置的选用 2.控制系统的设计 3.机械传动部件的计算与选型 3.1导轨上移动部件的重量估算 3.2铣削力的计算 3.3直线滚动导轨副的计算与选型 3.4滚珠丝杠螺母副的计算与选型 3.5步进电动机减速箱的选用 3.6步进电动机的计算与选型 3.7增量式旋转编码器的选用 4．工作台机械装配图的绘制 5.工作台控制系统的设计 6.步进电动机驱动电源的选用 7.设计总结 参考文献 [1]张建民.《机电一体化系统设计》第三版.高等教育出版社 [2]尹志强.《系统设计课程设计指导书》.机械工业出版社
设 计 计 算 与 说 明 主要结果 设计任务： 题目：X-Y 数控工作台机电系统设计 任务：设计一种供立式数控铣床使用的X-Y 数控工作台，主要参数如下： 1）立铣刀最大直径d=15mm ； 2）立铣刀齿数Z=3； 3）最大铣削宽度mm a e 15=； 4）最大背吃刀量mm a p 8=； 5）加工材料为碳钢； 6）X 、Y 方向的脉冲当量mm y x 005.0==δδ/脉冲； 7）X 、Y 方向的定位精度均为mm 01.0±； 8）工作台导轨长度为1260mm ； 9）工作台空载最快移动速度min /3000mm v v y x ==； 10）工作台进给最快移动速度min /400max max mm v v f y f x ==； 11）移动部件总重量为800N ； 12）丝杆有效行程为920mm 。 一、总体方案的确定 1 机械传动部件的选择 1.1导轨副的选用 要设计的X-Y 工作台是用来配套轻型的立式数控铣床的，需要承受的载荷不大，但脉冲当量小、定位精度高，因此，决定选用直线滚动导轨副，它具有摩擦系数小、不易爬行、传动效率高、结构紧凑、安装预紧方便等优点。 1.2丝杆螺母副的选用 伺服电动机的旋转运动需要通过丝杆螺母副转换成直线运动，要满足0.005mm 的脉冲当量mm 01.0±和的定位精度，滑动滑动丝杆副无能为力，只有选用滚珠丝杆副才能达到。滚珠丝杆副的传动精度高、动态响应快、运转平稳、寿命长、效率高，预紧后可消除反向间隙。 1.3减速装置的选用 选择了步进电动机和滚珠丝杆副以后，为了圆整脉冲当量，放大电动机的输出转矩，降低运动部件折算到电动机转轴上的转动惯量，可能需要减速装置，且应有消
8 机电一体化系统典型实例 8.1 机器人 8.1.1 概述 机器人是能够自动识别对象或其动作，根据识别，自动决定应采取动作的自动化装置。 它能模拟人的手、臂的部分动作，实现抓取、搬运工件或操纵工具等。它综合了精密机械技 术、微电子技术、检测传感技术和自动控制技术等领域的最新成果，是具有发展前途的机电 一体化典型产品。机器人技术的应用会越来越广，将对人类的生产和生活产生巨大的影响。 可以说，任何一个国家如不拥有一定数量和质量的机器人，就不具备进行国际竞争所必需的 工业基础。 机器人的发展大致经过了三个阶段。 第一代机器人为示教再现型机器人，为了让机器人 完成某项作业，首先由操作者将完成该作业所需的各种知识（如运动轨迹、作业条件、作业 顺序、作业时间等）通过直接或间接的手段，对机器人进行示教，机器人将这些知识记忆下 来，然后根据再现指令，在一定的精度范围内，忠实地重复再现各种被示教的动作。第二代 机器人通常是指具有某种智能（如触觉、力觉、视觉等）的机器人，即由传感器得到的触觉、 听觉、视觉等信息经计算机处理后，控制机器人完成相应的操作。第三代机器人通常是指具 有高级智能的机器人，其特点是具有自学习和逻辑判断能力，可以通过各类传感器获取信息， 经过思考做出决策，以完成更复杂的操作。 一般认为机器人具备以下要素：思维系统（相当于脑），工作系统（相当于手），移动系 统（相当于脚），非接触传感器（相当于耳、鼻、目）和接触传感器（相当于皮肤）（图8-1）。 如果对机器人的能力评价标准与对生物能力的评价标准一样，即从智能、机能和物理能三个 方面进行评价，机器人能力与生物能力具有一定的相似性。图8-2是以智能度、机能度和物 理能度三座标表示的“生物空间”，这里，机能度是指变通性或通用性以及空间占有性等；物 理能度包括力、速度、连续运行能力、均一性、可靠性等；智能度则指感觉、知觉、记忆、 运算逻辑、学习、鉴定、综合判断等。把这些概括起来可以说，机器人是具有生物空间三座 标的三元机械。某些工程机械有移动性，占有空间不固定性，因而是二元机械。计算机等信 息处理机，除物理能之外，还有若干智能，因而也属于二元机械。而一般机械都只有物理能， 所以都是一元机械。 8.1.2 机器人的组成及基本机能 机器人一般由执行系统、驱动系统、控制系统，检测传感系统和人工智能系统等组成， 各系统功能如下所述。 ① 执行系统。执行系统是完成抓取工件（或工具）实现所需运动的机械部件，包括手部、 信息处理机 图8-2生物空间 图8-1机器人三要素
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
. 8 机电一体化系统典型实例 8.1 机器人 8.1.1 概述 机器人是能够自动识别对象或其动作，根据识别，自动决定应采取动作的自动化装置。 它能模拟人的手、臂的部分动作，实现抓取、搬运工件或操纵工具等。它综合了精密机械技 术、微电子技术、检测传感技术和自动控制技术等领域的最新成果，是具有发展前途的机电 一体化典型产品。机器人技术的应用会越来越广，将对人类的生产和生活产生巨大的影响。 可以说，任何一个国家如不拥有一定数量和质量的机器人，就不具备进行国际竞争所必需的 工业基础。 机器人的发展大致经过了三个阶段。 第一代机器人为示教再现型机器人，为了让机器人 完成某项作业，首先由操作者将完成该作业所需的各种知识（如运动轨迹、作业条件、作业 顺序、作业时间等）通过直接或间接的手段，对机器人进行示教，机器人将这些知识记忆下 来，然后根据再现指令，在一定的精度围，忠实地重复再现各种被示教的动作。第二代机器 人通常是指具有某种智能（如触觉、力觉、视觉等）的机器人，即由传感器得到的触觉、听 觉、视觉等信息经计算机处理后，控制机器人完成相应的操作。第三代机器人通常是指具有 高级智能的机器人，其特点是具有自学习和逻辑判断能力，可以通过各类传感器获取信息， 经过思考做出决策，以完成更复杂的操作。 一般认为机器人具备以下要素：思维系统（相当于脑），工作系统（相当于手），移动系 统（相当于脚），非接触传感器（相当于耳、鼻、目）和接触传感器（相当于皮肤）（图8-1）。 如果对机器人的能力评价标准与对生物能力的评价标准一样，即从智能、机能和物理能三个 方面进行评价，机器人能力与生物能力具有一定的相似性。图8-2是以智能度、机能度和物 理能度三座标表示的“生物空间”，这里，机能度是指变通性或通用性以及空间占有性等；物 理能度包括力、速度、连续运行能力、均一性、可靠性等；智能度则指感觉、知觉、记忆、 运算逻辑、学习、鉴定、综合判断等。把这些概括起来可以说，机器人是具有生物空间三座 标的三元机械。某些工程机械有移动性，占有空间不固定性，因而是二元机械。计算机等信 息处理机，除物理能之外，还有若干智能，因而也属于二元机械。而一般机械都只有物理能， 所以都是一元机械。 8.1.2 机器人的组成及基本机能 信息处理机 图8-2生物空间 图8-1机器人三要素
机电一体化系统课程设计 X-Y数控工作台设计说明书 学校名称：湖北文理学院 班级学号：2013279129 学生姓名：张亮 班级：机电1321 2015年11月
一、总体方案设计 1.1 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C×B×H＝145mm ×160mm×12mm；底座外形尺寸C1×B1×H1＝210mm×220mm×140mm；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。 1.2 总体方案确定 （1）系统的运动方式及伺服系统 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。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）计算机系统 本设计采用了及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。
（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1-1 系统总体框图
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。
机电一体化系统综合课程设计 课题名称：Ｘ－Ｙ数控工作台设计说明书 学院：机械工程学院 专业：机械设计制造及其自动化 设计成员： 指导老师：季国顺金成柱聂欣 日期： 2013年1月7日 设计组号： 7 课题号： 14
目录 1、总体方案设计 (3) 1.1 设计任务 (4) 1.2 总体方案确定 (4) 2、机械系统设计 (5) 2.1 工作台外形尺寸及重量估算 (6) 2.2 导轨参数确定 (7) 2.3 滚珠丝杆的设计计算 (8) 2.4 步进电机的选型与计算 (10) 2.5 机械系统结构设计 (12) 3、控制系统硬件设计 (13) 3.1 控制系统硬件组成 (13) 3.2 控制系统硬件选型 (15) 3.3 控制系统硬件接口电路设计 (17) 3.4 驱动系统设计 (18) 4、控制系统软件设计 (19) 4.1 控制系统软件总体方案设计 (21) 4.2 主流程设计 (22) 4.3 中断服务流程设计 (23) 4.4 软件调试 (25) 5、总结 (26) 参考文献 (27)
1、总体方案设计 1.1 设计任务 题目：两坐标X-Y 数控工作台设计 任务：设计两轴联动的数控X-Y 运动平台，完成机械系统设计、控制系统设 计与相应软件编程，根据试验条件进行调试，完成整个开发系统；每组一题，分别由3～4位同学合作完成。其主要技术指标如下： 1）工作台型号为HXY-4030； 2）行程要求X=400mm ，Y=300mm ； 3）工作台面尺寸为C 3B 3H ＝240mm 3254mm 315mm ； 4）底座外形尺寸为C13B13H1＝650mm 3550mm 3184mm ； 5）工作台最大长度L=778mm ； 6）工作台负载重量N=500N ； 7）工作台最快移动速度v xmax =v ymax =1m/min 8）X,Y 方向的重复定位精度为±0.02mm ； 9）X,Y 方向的定位精度为0.04mm ； 10）工作台切削负载小、运动灵敏度高、低速无爬行； 11）定位精度高； 12）结构轻便，建议机座和滑台采用铝合金； 13）标准组件，独立产品； 14）可直接应用于小型钻、铣床。 1.2 总体方案确定 1.2.1 方案确定思想 该工作台设计主要分为机械系统部件和控制系统部件，其中机械系统部件主 要包括导轨副、丝杠螺母副、减速装置、伺服电动机和检测装置等，控制系统部件则包括CPU 控制电路、电源设计电路、输入信号电路、输出信号电路、步进电机驱动控制电路等。 因X 向和Y 向机械结构基本相同，故只绘制X 向机械系统部分的结构简图，
数控编程加工课程标准 课程名称： 数控编程加工 适用专业： 机电一体化、电气专业 1、前言 课程的性质《数控编程与加工实训》是机电一体化技术专业的课程，主要是数控加工工艺、数控编程、零件加工、CAD/CAM技术应用的内容，是一门综合性和实践性很强的课程。前续理论课程：在学习本课程之前应学习《机械制图》、《机械基础》。 设计思路 教学过程采用工学结合，任务驱动，校企合作的方式，以实际产品中的典型零件为主线，将数控加工工艺及编程分为数控工艺与编程理论+仿真+实操，通过学习能够使学生能够将数控加工工艺、数控编程。 本课程建议学时为56 学时，其中理轮26 学时，操作30 学时。 2、课程目标 本课程其任务是采用工学结合，任务驱动，校企合作与实际生产相结合、同过实践加强对课程内容的理解，培养学生的理论基础和实际操作技能，最终形成的数控技术的应用能力。 知识与能力： 熟悉掌握数控车床、数控铣床和数控加工中心的数控加工工艺编制要点及数控加工编程方法；熟练掌握数控车床、数控铣床和数控加工中心的操作的基本方法； 过程与方法； 认识本实训实践操作的一般过程，进而不断加深对事物的理解过程；认识本实训实践操作的基本方法，善于从不同的角度发现问题，积极探索解决问题的方法；养成独立思考的学习习惯，能对所学内容进行较为全面的比较、概括和阐释。 情感态度与价值观：培养学生能主动参与数控加工的基本理论探究。 培养学生具备辩证思维的能力。培养学生具有热爱科学、实事求是的学风和创新意识、创新精神。 让学生加强职业道德意识。
3、课程内容和要求 4、实施建议 教材编写 (I )必须依据本课程标准编写教材。教材应充分体现任务驱动、项目导向的课程设计思想。 (2 )以工作项目为主线设计教材结构，结合职业资格鉴定中、高级标准的要求，将本课程涉及的职业活动，分解成若干典型的工作任务，按完成工作任务的需要组织教材内容。 (3 )通过典型零件的数控加工，加强实践内容，强调在操作中理解与应用理论。 (4 )教材应以学生为本，文字通俗、表达简练，内容展现应图文并茂，图例与案例应引起学生的兴趣，重在提高学生学习的主动性和积极性。 (5 )教材内容应有所拓展，在教材中应充分体现新技术、新工艺、新设备、新材料， 使教材更贴近本专业的发展和实际需要。 (6 )活动设计要具有可操作性。 教学建议 (I )在教学过程中，育人为先，加强学生实际操作能力的培养，采用项目教学，以任务驱动提高学生学习兴趣。 (2 )本课程的教学关键是现场教学，“教”与“学”互动，教师示范，学生操作，学 生提问，教师解答、指导。选用典型两件的典型加工方法，由教师讲解，示范操作，学生进行分组操作训练，让其在操作过程中，了解工艺的制定、程序的编制。
机电一体化课程设计 任务书 一、课程设计的目的 把在机电一体化课程及其它有关先修课程中所学到的知识在实际设计中综合地加以应用,使这些知识得到巩固、加深和扩展。 二、课程设计题目 CA6140车床经济型数控改装设计 三、设计要求 1、能用键盘输入命令控制工作台的运动方向 2、能实时显示当前运动位置 3、具有越程指示报警及停止功能 四、设计内容 1、总体方案确定 （1）总体方案设计 （2）绘制总体方案图 2、机械系统设计 （1）执行元件参数及规格的确定； （2）传动机构的具体结构及参数设计； （3）执行机构的具体结构及参数设计。 （4）绘制进给传动系统示意图。 3、控制系统硬件电路设计 （1）微机的选用、存储器的选用与扩展、译码电路设计、接口电路设计等 （2）绘制控制系统原理框图 4、传感器的选择（适用于半闭环控制方式和全闭环控制方式） 五、设计参数 （1）系统分辨率纵向为0.01mm，横向为0.005mm （2）最大加工直径：在床面上为400mm，在床鞍上为210mm （3）最大加工长度为1000mm （4）快进速度：纵向为2.4m/min，横行为1.2m/min
（5）最大切削进给速度：纵向为0.5m/min，横行为0.25m/min 课程设计正文 1.系统总体方案设计 对于普通车床的经济型数控改造，在考虑总体方案时应遵行的基本原则是：在满足设计要求的前提下，对机床的改造应尽可能的少，以降低成本。 数控系统总体方案设计内容包括：系统运动方式的确定；伺服系统的选择；执行机构传动方式的确定；计算机系统的选择等内容。应根据设计任务和要求提出系统的总体方案，对方案进行分析、比较、论证，最后确定总体方案并绘制系统总体方案框图。1.1数控系统运动方式的确定 数控系统按运动方式可分为点位控制系统、点位/直线系统和连续控制系统。由于要求CA6140车床加工复杂轮廓零件，所以本微机控制（MNC）系统采用连续控制系统。 1.2伺服进给系统的选择 数控机床的进给系统有开环、半闭环、闭环之分。 采用直流或交流伺服电机驱动的闭环控制方案的优点是可以达到很好的机床精度，能补偿机械传动系统中的各种误差、传动间隙及干扰等对加工精度的影响。但他的结构复杂，技术难度大，调试和维修困难，造价高。本设计的精度要求不是很高，采用闭环控制系统的必要性不大。 采用直流或交流伺服电机驱动的半闭环控制，其性能介于开环和闭环之间。由于调速范围宽过载能力强，有具有反馈控制，因此性能远优于以步进电机驱动的开环控制。由于反馈环节不包括大部分机械传动元件，调试比闭环简单，系统的稳定性容易保证，所以比闭环容易实现。但是采用半闭环控制调试比开环控制要复杂，设计上有其自身的特点，技术难度较大。本设计任务的要求不高，是经济型数控改造，通常情况下均采用以步进电机驱动的开环控制。因为开环控制具有结构简单，设计制作容易，控制精度较好，容易调试，价格便宜，使用维修方便等优点；缺点是步进电机没有过载能力，启动频率低，工作频率也不高等。开环控制多用于负载变化不大或要求不高的经济型数控设备中。 经过上述比较，决定采用开环控制系统。 1.3执行机构传动方式的确定 为确保数控系统的传动精度和工作平稳性，在设计机械传动装置时，通常提出低摩
回转工作台的设计 一、设计的目的： 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：数控回转工作台的设计 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. 设计要求包括：回转角度0～360°；最大回转半径400㎜；最大承载重量50㎏； 3. 机械部分的设计：装配工作图1（1号）； 4. 计算机控制的设计：控制系统接口图一； 5. 控制装置采用步进电机驱动，MCS-51或单片机FX2N-PLC控制系统，软件环分，由键盘输入实现开环控制。 三、机械系统设计 在数字回转工作台机械传动部分选用蜗轮蜗杆传动,因为蜗杆传动平稳,振动,冲击和噪声均较小;能以单级传动获得教大的传动比,结构紧凑,有利于实现回转工作台所要求的分度的实现.故选用蜗轮蜗杆传动. （一）、蜗杆类型的选择: 蜗杆选择为渐开线圆柱蜗杆.因为此种蜗杆不仅可车削还可以像圆柱齿轮那样用齿轮滚刀滚削,并可用但面或单锥面砂磨削.制造精度高.是普通圆柱蜗杆传动中较理想的传动.传动效率也高,在动力传动和机床精密传动中应用较为广泛. （二）、蜗杆蜗轮材料的选择:
由于蜗杆传动啮合摩擦较大,且由于蜗轮滚刀的形状尺寸不可能做得和蜗杆绝对相同,被加工出的蜗轮齿形难以和蜗杆精确共轭,必须依靠运转跑合才渐趋理想,因此材料副的组合必须具有良好的减摩和跑合性能以及抗胶合性能。所以蜗轮通常青铜或铸铁做齿圈，并尽可能与淬硬并经磨削的钢制蜗杆相匹配。故选择:蜗杆材料为：渗碳钢，表面淬硬56-62HRC 牌号为20GrMnTi.蜗轮材料为：铸造锡青铜，牌号为ZcuSn10Pb1 （三）、蜗杆蜗轮参数计算： 1. 蜗杆传动尺寸的确定： 由设计题目中要求可知：工作台回转直径最大为400mm/50千克. 由《齿轮手册》（上）表6.2-3取蜗杆蜗轮中心距标准a=225mm; 估取蜗杆分度圆直径: 为能获得较大的传动比,取蜗杆头数为: z =1;z =90 估取模数m: m=(1.4~1.7)a/ z =3.6 取m=4 q=d /m=80/4=20 6 tanγ= z /q 则γ=2.86° 2. 确定蜗轮蜗杆各参数值 蜗杆尺寸“ 1) 蜗杆轴向齿距:p =πm=3.14×4=12.56 2) 螺旋线导程:p =p ×z =15.4×4=12.56 3) 法向齿形角:对于ZI蜗杆αn=20°在分度传动中允许减小齿形角α =15° 4) 直径系数:q= d /m=80/4=20 5) 蜗杆分度圆(中圆)直径: d (d )= d =qm=80 6) 蜗杆分度圆(中圆柱)导程角: γ=2.86° 渐开线蜗杆: 基圆柱导程角: γcosγ =cosαncosγ γ =15.264° 7) 基圆直径:d d = z m/tanγ =14.16 8) 法向基节:p =πm cosγ =12.12 9) 蜗杆齿轮顶高:h =h m=1×4=4 10 蜗杆齿根高:h =1.2m=4.8
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
《机电一体化系统》课程标准 课程名称：机电一体化 适用专业：机电技术应用 一、前言 （一）课程性质 《机电一体化系统》是机电一体化技术三年制中职专业设置的核心课程之一，是一门高度“机电”结合的课程，将学生所学“机”与“电”的知识与技能，在微电子的控制手段下高度的“融合”，全面提升学生机电一体化知识与技能。本课程开设一学期，教学时数为64学时，周学时4节。 （二）设计思路 本课程的设计思路是：通过实践，强化理论教学，使学生掌握岗位技能。为此，在教学中主要采取以下方式： 1、理论与实践相结合 将理论知识与实际应用相结合，每节课的知识点都通过实际应用案例进行讲解，分析应用环境，演示操作方法，再辅导学生练习。 2、理论与实习相结合 以小组的形式进行辅导，让学生3-5人为一个学习小组，以小组为单位安排学生到公司和企业去参加实践活动。 3、教学与工程实际相结合 利用学校、公司和企业资源，为学生安排岗位培训和训练，使学生的理论知识与实际应用相结合，提高了学生的学习积极性，同时也检验了学生的学习效果。 从近几届毕业生反馈的情况来看，采用以上方式，效果较好，基本上达到了实践教学的设计目的。 二、课程目标 1、知识目标 （1）了解机电一体化系统所代表的产品范围，分类及发展趋势。 （2）掌握模块化机电一体化产品装配、调试、维护、维修的基本理论和基本方法。
（3）掌握电气设备安装调试的应知、应能的知识和技能。 （4）使学生能够系统地学习与掌握机电一体化产品中相关技术的联系和接口关系，了解产品开发的方法。 2、能力目标 （1）具有机电一体化设备拆装、调试和操作的基本技能； （2）了解机电一体化技术的系统思维体系，学会用系统的观点分析问题的能力。 （3）了解机电一体化前沿技术，学会探索性学习和终身学习的方法。 3、素质目标 （1）掌握机电一体化技术行业操作规范，具有良好的职业素养； （2）通过知识教学的过程培养学生爱岗敬业与团队合作的基本素质。 三、内容标准与要求