机电一体化综合课程设计-两坐标步进电机驱动工作台控制系统的设计
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机电综合课程设计摘要:本设计是完成一两坐标步进电机驱动运动工作台控制系统的设计;完成交流电机启停的电气控制系统设计。
其硬件部分共包括键盘操作、单片机控制、输入电路、控制电路、显示电路等五个主要组成部分。
设计的总体思路是准确安全的对工作台和电机进行控制。
位置信号和按键信息通过传输线传送给单片机和键盘接口芯片,数据经过处理,将按键信息串行方式传送给单片机,单片机通过相应的程序,向控制回路发送控制信号,进而控制工作台的动作,实现对硬件设备的控制。
关键词:键盘操作,单片机控制,数码管显示。
一.前言机电一体化是以机械技术和电子技术为主题,多门技术学科相互渗透、相互结合的产物,是正在发展和逐渐完善的一门新兴的边缘学科。
机电一体化使机械工业的技术结构、产品结构、功能与构成、生产方式及管理体系发生了巨大变化,使工业生产由“机械电气化”迈入了以“机电一体化”为特征的发展阶段。
本设计中提到的微机数控机床是利用单板或单片微机对机床运动轨迹进行数控及对机床辅助功能动作进行程序控制的一种自动化机械加工设备。
采用微机数控机床进行机械加工的最大优点是能够有效地提高中、小批零件的加工生产率,保证加工质量。
此外,由于微型计算机具有价格低、体积小、性能可靠和使用灵活等特点,微机数控机床的一次性投资比全功能数控机床节省得多,且又便于一般工人掌握操作和维修。
因此将专用机床设计成微机数控机床已成为机床设计的发展方向之一。
本设计中用到的步进电机是一种将数字信号直接转换成角位移或线位移的控制驱动元件,具有快速起动和停止的特点。
其驱动速度和指令脉冲能严格同步,具有较高的重复定位精度,并能实现正反转和平滑速度调节。
它的运行速度和步距不受电源电压波动及负载的影响,因而被广泛应用于数模转换、速度控制和位置控制系统。
本设计完成了如下要求:(1)单片机控制系统电路原理图的设计(2)控制系统电路印制版的绘制(3)利用单片机编程实现两坐标系统的手动、自动和回位等运动(4)实现两坐标工作台极限移动的保护及显示、报警(5)设计交流电机的点动、正反转控制和星-三角形启动的电气控制原理图(6)电气控制电路有相应的保护电路(过载、过压、欠压等)(7)熟悉机电系统常用元器件(PLC、交流电机、直流电机、步进电机)此次“机电一体化课程设计”主要简单设计出数控机床系统,其实离实际真正工业用数控机床还有很大的距离。
目录1。
课程设计目的 (1)2。
课程设计任务 (1)2.1设计题目: (1)2。
2技术数据 (1)2。
3技术要求 (1)3。
总体结构设计 (1)3.1滚珠丝杠设计 (2)3.2滚珠丝杠副的选取 (3)3。
3稳定性运算 (4)3。
4压杆稳定性计算 (5)4.滚动导轨 (6)4。
1计算行程长度寿命 Ts (6)4。
2计算动载荷 (6)5。
步进电机的选择 (8)5.1步距角的确定 (9)5.2步进电机转矩校核 (10)5.3频率校核 (12)6.总结 (12)7。
参考文献 (13)1。
课程设计目的本课程设计的目的在于培养学生对典型机电一体化产品机械结构的设计能力和对机电伺服系统的设计能力,在学习有关专业课程设计的基础上,进行机电系统设计的初等训练,掌握手册、标准、规范等资料的使用方法,培养分析问题和解决问题的能力,为以后的毕业设计打下良好的基础.2.课程设计任务2。
1设计题目:X—Y双坐标联动数控工作台设计2。
2技术数据工作台长×宽(mm):450×310工作台重量(N):3300行程(mm):ΔX=60-100;ΔY=50-100脉冲当量:0。
05-0。
08mm/p2。
3技术要求(1)工作台进给运动采用滚珠丝杠螺旋结构(2)滚珠丝杠支撑方式:双锥-简支型(3)驱动电机为反应式步进电机(4)步进电机与滚珠丝杠间采用齿轮降速要求消除齿轮间隙3.总体结构设计数控工作台采用由步进电机驱动的开环控制结构,其单向驱动系统结构简图如图所示:实际设计的工作台为X、Y双坐标联动工作台,工作台是由上拖板、中拖板、下拖板及导轨、滚珠丝杠等组成.其中下拖板与床身固联,它上面固定X向导轨,中拖板在下拖板的导轨上横向运动,其上固定Y向导轨,上拖板与工作台固联,在Y向导轨上移动。
X、Y导轨方向互相垂直。
3。
1滚珠丝杠设计滚珠螺旋传动按滚动体循环方式分为外循环和内循环两类,其中应用较广的是插管式和螺旋槽式,它们各有特点,其轴向间隙的调整方法主要有垫片调隙式和螺纹调隙式。
目录一、前言 (4)二、总体方案设计 (6)(一)总体分析 (6)(二)方案框图 (6)三、单元模块设计 (7)(一)键盘与显示模块 (7)1 模块工作原理 (7)2 芯片CH452介绍 (8)3 特点 (9)4 显示驱动原理 (11)5 键盘扫描原理 (13)(二)单片机控制单元模块电路 (15)1 控制原理 (15)2 光电耦合电路 (16)3 芯片介绍 (17)(三)串行通信模块 (21)1 RS232通信协议 (21)2 串行通信电路 (23)四、电机与电气控制电路设计 (24)(一)步进电机模块 (24)1 步进电机的工作原理 (24)2 步进电机的步距角与工作拍数 (27)3 步进电机的频率特性 (28)(二)交流电机正反转控制原理 (30)(三)交流电机的星—三角形启动 (32)(四)电气元件介绍 (32)五、设计总结、致谢 (35)六、参考文献 (37)附录Ⅰ:单片机控制系统电路原理图设计 (38)附录Ⅱ:电气控制原理图1 (39)附录Ⅲ:电气控制原理图2 (40)机电一体化综合课程设计摘要:本设计是完成一两坐标步进电机驱动运动工作台控制系统的设计;完成交流电机启停的电气控制系统设计。
其硬件部分共包括键盘操作、单片机控制、输入电路、控制电路、显示电路等五个主要组成部分。
设计的总体思路是准确安全的对工作台和电机进行控制。
位置信号和按键信息通过传输线传送给单片机和键盘接口芯片,数据经过处理,将按键信息串行方式传送给单片机,单片机通过相应的程序,向控制回路发送控制信号,进而控制工作台的动作,实现对硬件设备的控制。
关键词:键盘操作,单片机控制,数码管显示。
一、前言机电一体化是以机械技术和电子技术为主题,多门技术学科相互渗透、相互结合的产物,是正在发展和逐渐完善的一门新兴的边缘学科。
机电一体化使机械工业的技术结构、产品结构、功能与构成、生产方式及管理体系发生了巨大变化,使工业生产由“机械电气化”迈入了以“机电一体化”为特征的发展阶段。
各技术领域得到了广泛应用,对各领域技术的发展起到了极大的推动作用。
一个较完善的机电一体化系统,应包含以下几个基本要素:机械本体、动力与驱动部分、执行机构、传感测试部分、控制及信息处理部分。
机电一体化是系统技术、计算机与信息处理技术、自动控制技术、检测传感技术、伺服传动技术和机械技术等多学科技术领域综合交叉的技术密集型系统工程。
新一代的CNC系统这类典型机电一体化产品正朝着高性能、智能化、系统化以及轻量、微型化方向发展。
关键字:机电一体化的基础基本组成要素特点发展趋势AbstractNow the world electronic technology rapidly expand, the microprocessor, the microcomputer obtain the widespread application in various area of technology, to various domains technology development enormous promotion effect. A perfect integration of machinery system, should contain the following several base elements: Basic machine, power and actuation part, implementing agency, sensing measurement component, control and information processing part. The integration of machinery is the system technology, the computer and the information processing and management technology, the automatic control technology, the examination sensing technology, the servo drive technology and the mechanical skill and so on multi-disciplinary area of technology synthesis overlapping technology-intensive systems engineering. New generation's CNC system this kind of model integration of machinery product toward the high performance, theintellectualization, the systematization as well as the featherweight, the microminiaturized direction develops.key words: Integration of machinery foundation basic component elements characteristic trend of development.目录第一章前言 (4)第二章课程设计的目的、意义及要求 (6)第一节课程设计的目的、意义 (6)第二节课程设计的要求 (6)第三章课程设计的内容 (7)第一节课程设计的内容 (7)第二节课程设计的内容 (7)第四章数控系统总体方案的确定 (8)第五章机械部分设计 (9)第一节确定系统脉冲当量 (9)第二节工作台外形尺寸及重量初步估算 (9)第三节滚动导轨副的计算、选择 (9)第四节滚珠丝杠计算、选择 (11)第五节齿轮计算、设计 (13)第六节步进电机惯性负载的计算 (14)第七节步进电机的计算选择 (15)第六章机床数控系统硬件电路设计 (17)第一节设计内容 (17)第二节设计步骤 (17)第三节机床数控系统硬件电路设计 (21)第七章系统控制软件设计 (22)第八章结束语与致谢 (29)第九章参考文献 (30)第一章前言一、当今世界数控技术及装备发展的趋势及我国数控装备技术发展和产业化的现状在我国对外开放进一步深化的新环境下 ,发展我国数控技术及装备、提高我国制造业信息化水平和国际竞争能力的重要性 ,并从战略和策略两个层面提出了发展我国数控技术及装备的几点看法。
机电一体化系统设计课程实验指导书(可编程控制器原理及工程应用)实验一步进电机控制实验一、实验目的1、掌握步进电机工作原理;2、熟悉对步进电机转向、速度、行程进行控制的方法。
二、实验要求1、通过实验,加深并验证学过的理论知识,掌握实验的基本方法和实验原理;2、正确使用仪器设备;3、认真观察仪器设备的运动方式,独立编写控制程序并进行操作。
4、学生在实验过程中,应学会独立思考,应用所学专业理论知识分析和解决实验中遇到的具体问题;三、实验原理1、步进电机工作原理步进电机按工作原理可分为电磁式、磁阻式、永磁式、混合式四类。
其中混合式步进电机从定子或转子的导磁体来看,它如反应式步进电机,所不同的是它的转子上置有磁钢,反应式转子则无磁钢。
从它的磁路内含有永久磁钢这一点来说,又可以说它是永磁式,但因其结构不同,使其作用原理及性能方面,都与永磁式步进电机有明显区别。
它好像是反应式和永磁式的结合,所以常称为混合式。
混合式步进电机具有驱动电流小,效率高,过载能力强、控制精度高等特点,是目前市面上应用最为广泛的一种步进电机。
左图是两相混合式步进电机的剖面示意图。
定子上有两个等分的磁极,相邻两个磁极间的夹角为90°。
磁极上面装有控制绕组且联成A、B两相,转子上均匀分布两个齿,齿间距为180°。
以A、B表示两相绕组正向电流工作,、表示反向电流工作,可实现:1、两相激励四拍整步运行方式,即AB→B→→A 或单相激励的四拍运行方式,即A→B→ → 。
2、八拍半步运行方式,即AB→B→ B→ →→→A→A。
两相混合式步进电机剖面示意图此外还有1/4步距的运行方式、微步距控制运行方式,这里不一一叙述。
本节以八拍半步运行方式为例,讲述其工作原理,从下图可看出,(a)图为当A、B两相同时正向通电时,转子受到两相转矩的矢量和而转至该位置,(b)图为B相通电瞬间时转子的受力情况,(c)图为A相接反向电流,而B相接正向电流时转子受到两相转矩的矢量和而转到该位置,依此类推,可得出八拍半步运行方式(图中只给出了前三拍运行方式)。
机械专业综合课程设计说明书学院(系):机电工程学院专业:机械设计制造及其自动化学生姓名:学生姓名:学生姓名:指导教师:完成日期:2016-12-16目录1 设计任务书 (1)1.1 设计目的 (1)1.2 原始条件 (1)1.3 设计内容及要求 (1)1.4 具体要求 (1)2 数控系统总体方案的确定 (2)2.1 系统运动方式的确定 (2)2.2伺服系统的选择 (2)2.3控制系统的选择 (2)2.4 X、Y工作台的传动方式 (2)3.伺服机构结构设计 (4)3.1工作台的外形及尺寸 (4)3.2步进电机的选择 (4)3.3滚珠丝杠的选择 (5)3.4齿轮的选择和参数计算 (7)3.5滚动导轨的选择 (7)3.6轴承的选择 (8)4. 伺服系统控制方案设计 (9)4.1伺服系统的通电方式 (9)4.2硬件环形分配器 (9)4.3三相六拍脉冲分配控制环分表 (10)5 步进电机的驱动 (11)5.1恒流斩波驱动电路 (11)6 区域判别法轨迹控制方案设计 (11)6.1逐点比较法圆弧插补 (11)6.2四象限圆弧插补偏差计算 (12)6.3圆弧插补运算环分表 (13)7设计总结及体会 (14)参考文献 (14)121 设计任务书1.1 设计目的在数控技术基础等课程学习的基础上,强化训练开环伺服系统的机构设计、驱动电路原理设计等。
旨在深化数控技术及其应用方面的基本知识和技能的掌握。
1.2 原始条件1.工作台工作行程:100 * 100;2.空载启动;3.工作台面应为T型槽结构;台面尺寸200×200。
1.3 设计内容及要求1.步进电动机的选择;2.X、Y两轴联动的机械结构装配图设计(采用滚珠丝杠、滚动导轨结构);(0#图1张)3.两轴联动装置三维结构设计;(提倡)4.三相六拍通电方式硬件环形分配器和恒流斩波驱动电源电路原理图设计;(1#图1张)5.区域判别法轨迹控制方案设计;6.设计说明书。
双轴步进电机驱动控制系统设计刘忠强; 张立; 张春晓; 孔祥飞; 申安安【期刊名称】《《自动化与仪表》》【年(卷),期】2019(034)008【总页数】5页(P29-33)【关键词】单片机; 步进电机; 嵌入式实时操作系统; 嵌入式图形用户界面【作者】刘忠强; 张立; 张春晓; 孔祥飞; 申安安【作者单位】沈阳仪表科学研究院有限公司沈阳110043【正文语种】中文【中图分类】TP23随着装备制造业的发展,自动化生产设备正在逐渐代替人工成为生产过程中的主力军[1]。
自动化设备与人工相比具有精度高、速度快、效率高、抗疲劳的优点。
借助于运行平稳、精度高、响应快、使用寿命长的优点,步进电机被广泛应用在涉及到定位的各个自动化控制场合[2]。
为了解决传统自动化设备需要有较高专业技能人员操作的问题,本设计着力于设计一款拥有人性化交互界面的双轴步进电机驱动控制系统。
1 系统方案设计系统方案设计包括基于单片机的主控部分,基于步进电机的执行机构部分,基于限位开关的反馈检测部分以及基于可触摸显示器的人机交互部分。
主控部分负责将系统各个模块之间实现信号连接并使其正常工作。
执行机构部分根据接收到的主控传送的信号来分别对X、Y轴的步进电机进行控制。
反馈检测部分主要使用固定的限位开关实现,在步进电机运动到限位区域时及时向主控部分发出报警信号以防损坏步进电机以及驱动器。
人机交互部分是通过触摸显示屏和嵌入式GUI界面实现的,借助于电容触摸屏和嵌入式GUI提供的丰富的控件可以设计出良好的UI界面以此来实现人性化的人机交互。
系统方案框图如图1所示。
图1 系统方案框图Fig.1 System structure diagram2 系统硬件电路设计系统硬件电路主要包括电源电路、单片机最小系统电路、LCD接口电路、外扩SRAM电路、按键电路、蜂鸣器报警电路、步进驱动接口电路以及限位开关接口电路。
系统的硬件电路框图如图2所示。
图2 系统硬件电路框图Fig.2 System hardware circuit block diagram2.1 电源电路设计电源电路的设计主要分为两部分完成。
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)系统的运动方式与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。
(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 系统总体框图二、机械系统设计2.1、工作台外形尺寸及重量估算X 向拖板(上拖板)尺寸:长⨯宽⨯高 145×160×50 重量:按重量=体积×材料比重估算3214516050107.81090--⨯⨯⨯⨯⨯≈N Y 向拖板(下拖板)尺寸: 14516050⨯⨯ 重量:约90N 。
目录第一章总体方案设计 (2)1.1任务设计书及指标 (2)1.1.1设计任务书 (2)1.1.2主要技术指标 (2)1.2总体方案确定 (2)1.2.1方案确定思想 (2)1.2.2方案对比分子与确定 (3)第二章机械系统设计 (3)2.1竖直坐标工作台外形尺寸及重量估计 (5)2.2竖直导轨参数确定 (7)2.3滚珠丝杠计算和选择 (7)2.3.1 滚珠丝杠强度计算 (8)2.3.2 滚珠丝杠传动效率计算 (8)2.4伺服电机的计算与选取 (8)2.4.1 等效转动惯量的计算 (11)2.4.2 伺服电机等效负载转矩的计算 (11)2.4.3 伺服电机的选型 (12)2.5 联轴器的选用 (13)参考文献 (13)第一章 总体方案设计1.1任务设计书及指标1.1.1设计任务书题目:两维工作台(步进电机+滚珠丝杠+Y 向可加减速器方案)结构设计任务:本项目要求的两维工作台为竖直平面内的X-Y 工作台,其中Y 向为竖直,X 向为水平,电动工作方式。
1.1.2主要技术指标1)工作台台面尺寸:X 向200mm ,Y 向200mm ,台面要求沿均匀布置同心圆上分布圆间隔30mm 的M6螺孔(螺孔深度不小于15mm ),中心须有20mm 定心圆孔。
2)工作台承载:载荷重量50Kg 。
3)行程要求:X 向500mm ,Y 向1000mm 。
4)位置定位精度:X 向0.1mm ,Y 向0.05mm 。
5)最大运动精度:X 向0.1m/s ,Y 向0.2m/s 。
1.2总体方案确定根据设计任务书的要求确定总体方案。
1.2.1方案确定思想两坐标数控工作台台体设计主要分为机械系统部件和台体上的测控部件。
机械系统部件又分为导轨组成,传动组成,减速装置等;测控部件又分为伺服电机,检测及反馈元件等等。
1) 工作台型号为HXY-20XX ; 2) 行程要求X=200mm ,Y=200mm ;3) 工作台面尺寸为C ×B ×H=270×250×18; 4) 底座外形尺寸为C ×B ×H=1000×25×840; 5) 工作台最大长度为1000mm ; 6) 工作台负载重量为N=500N ;7) 工作台最快移动速度max max 0.2/;x y v v m s ==8)X,Y方向的定位精度为0.05mm;9)工作台负载小,运动灵敏度高,低速;10)定位精度高;11)考虑到结构稳定,安全,建议基座和滑台采用铸造工艺。
机电专业课程设计Ⅲ双坐标数控工作台设计目录一、设计目的----------------------------------------------------------------二、设计任务----------------------------------------------------------------三、设计内容和步骤-------------------------------------------------------(一)总体方案设计----------------------------------------------①导轨副的选用②丝杠螺母的选用③减速装置的选用④伺服电机的选用⑤检测装置的选用(二)机械传动部件的计算和选型-----------------------①导轨上移动部件的重量估算②铣削力的计算③直线滚动导轨副的计算和选型④滚珠丝杠副螺母副的计算和选型⑤步进电动机减速箱的计算⑥步进电机的计算与选型⑦编码器的选择(三)工作台控制系统的设计------------------------------ (四)步进电机驱动电源的选用--------------------------- 四、设计总结-----------------------------------------------------------五、参考文献-------------------------------------------------------一、设计目的双坐标数控工作台是许多机电一体化设备的基本部件,如数控车床的纵-横向进刀机构,数控铣床和数控钻床的的双坐标工作台,激光加工设备的工作台、电子元件表面贴装设备等。
因此,双坐标数控工作台作为机电综合课程设计的内容,对于机电一体化专业的教学具有普遍建议,通过这次课设,使我们全面系统的了解了数控机床的基本内容和基本知识,初步掌握设计方法,并学会应用手册标准等技术资料,同时培养我们的创新意识、工程意识和动手能力。