机电一体化技术课程设计

目录1课程设计的目的．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．3 2 课程设计组织形式．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．3 3课程步骤及要点．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．4 3.1 机电一体化产品总体框图的设．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．4 3.2 机械装置原理方案设计．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．5 3.3 操作控制面板的功能设计以及按钮的布局设计．．．．．．．．．．．．．．．．9 3.4 控制系统的设计．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．93.5 驱动电路设计．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．154 编写设计说明书．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．335 参考资料：步进电机功率驱动及设计．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．341 课程设计的目的通过本课程设计教学所要求达到的目的是：（1）培养学生理论联系实际的设计思想，训练学生综合运用所学知识的能力；（2）掌握机电一体化产品设计的基本步骤和设计方法；（3）掌握典型机电一体化产品的机械部分的原理方案设计以及相应参数的计算，标准元件的选择，机械部件的结构设计以及装配设计；（4）掌握典型机电一体化产品的操作方法，从而掌握典型机电一体化产品的操作控制面板的功能设计以及按钮的布局设计；（5）掌握典型机电一体化产品的控制系统的设计基本知识；（6）掌握功率电子器件的设计基本方法和技术，重点是接口技术及相关外围芯片、大功率器件的特性、使用方法，有关电路参数的计算方法，为今后从事相应工作打下基础。

2 课程设计组织形式学生每5～10人为一个设计题目，由于电子元件及功率器件更新较快，同组的同学可分工，进图书馆或上网查阅更多、更新的资料，大家一起讨论完成设计，但每人都必须完成设计课题。

设计结束时指导教师根据学生的设计情况及相关知识的答辩情况给成绩。

3 课程设计步骤和要点3.1 机电一体化产品总体框图的设计机电一体化产品根据其具体功能特点，大致包括以下主要部件：完成最终功能的机械执行部件（既产品的机械装置）；操作者操纵产品的工作以及了解产品的工作状态的操作面板（或操作工作台）；处理操作指令以及反馈信号等的控制系统；对控制系统发出的控制信号进行放大以驱动相应设备的驱动电路。

其基本结构框图如图1所示：例如：X-Y 工作台机电一体化系统设计图1 总体框图3.2 机械装置原理方案设计根据设计任务书的要求，进行相应产品的执行机构（机械装置）的原理方案设计，根据原理方案，分析该机械装置包含哪些机械零、部件，其中哪些机械零、部件可直接选用标准件、哪些必须是要重新新设计。

例如：X-Y工作台机电一体化系统设计Y工作台：例如：型号为：DM86130C 其技术规格：步距角：1.80相电流：3.5A保持转矩：7.6N.m 静转矩：0.15N.m转动惯量： 1800g.cm2 重量： 3.6KG电机轴直径：φ9.525 安装止口：φ73±0.03电机尺寸：86×86×1252）根据步进电机的转子轴选择相应的弹性联轴器3）根据选择的步进电机的步距角、工作台的定位精度以及移动工作台所需转矩选择滚动丝杆螺母副例如：管路式双螺母滚动丝杆螺母副：选择GR2505ED-CALR型号其技术规格：丝杆外径：25 导程：5基本动载荷：1700N 基本静载荷：4440N螺母外径：φ47 螺母总长：103螺母安装盘宽度：12 螺母安装盘外径：φ74螺母安装孔中心线所在圆直径：φ60螺母安装孔螺栓：M6丝杆螺纹部分的长度尺寸：如X向要求技工范围为：100mm那么长度L=100+103+100*0.5=253mm 可设计为：250mm 4）设计轴1、步距配对齿轮例如：要求定位精度 0.01mm配对齿轮传动比：i=(1.8/360*5)/0.01=2.55）根据轴1的结构选择滚动轴承，根据滚动轴承设计轴承端盖、轴承座以及适当修改轴1的结构尺寸例如：根据丝杆外径滚动轴承可选择：圆锥滚子轴承：32304其对应的尺寸、安装尺寸请根据相应资料把对应的图绘出并标出来6）根据选择的滚动丝杆螺母副设计丝杆除螺纹部分以外的结构尺寸7）根据滚动丝杆结构尺寸选择丝杆上的轴承以及设计对应的轴承端盖、轴承座8）根据选择的滚动丝杆螺母副中螺母结构尺寸设计螺母座9）根据任务要求设计工作台的结构尺寸10）根据加工范围及承受力的情况选择、设计滚动导轨副滚动导轨副可选择QHH25HA型号X 工作台：设计方法同上，不同之处是Y 工作台是装在X 工作台上，而X 工作台是装在床身上3.3 操作控制面板的功能设计以及按钮的布局设计可参考数控车床或数控铣床、数控钻床的操作控制面板进行操作控制面板的功能设计以及按钮的布局设计3.4 控制系统的设计控制系统的基本硬件：MPU 、存储器、I/O 接口电路等电路组成。

1、微处理器由于单片机抗干扰强、可靠性高、速度快、指令系统效率高、体积小、性能ALE/PROG P1.0 VCC P1.7 P0.7 P0.6 P0.5 P0.4 P0.3 P0.2 P0.1 P0.0 EA/VPP PSEN P2.0P2.1 P2.2 P2.3 P2.4 P2.5 P2.6 P2.7 RXD TXD INT0 INT1 T0 T1WR RD XTAL1 VSS图4 MCS-51的引脚价格比高，所以微处理器可选择单片机MCS-51。

MCS-51的引脚如图4。

MCS-51引脚可分为三类：1）、电源及时钟引脚（1）、电源引脚VCC接+5V电源；VSS接地。

（2）、时钟引脚XTAL1、XTAL2外接晶体两端。

2）、控制引脚（1）、RST/VPD：RST复位信号输入端，高电平有效。

两个机器周期（24个时钟振荡周期）；VPD第二功能，备用电源输入端，为内部RAM提供备用电源，避免信息丢失。

（2）、ALE/PROG：ALE为地址锁存允许信号，输出正脉冲信号。

可用信号负跳沿锁存低8位地址。

PROG为第二功能，对片内EPROM作为编程脉冲。

（3）、/PSEN：程序存储器允许输出控制端。

负脉冲输出，作外部程序存储器的选通信号。

（4）、EA/VPP：EA作为内外程序存储器选择控制端。

当EA为高时，单片机用片内4K程序存储器，当EA为低时，单片机不用片内4K程序存储器，只访问外部程序存储器。

对于8031EA端只能接地。

VPP为第二功能，对EPROM 编程时，用于施加编程电压。

3）、I/O口引脚（1）、P0口：双向8位三态I/O口，地址总线（低8位）与数据总线分时复用。

（2）、P1口：8位准双向I/O口。

（3）、P2口：8位准双向I/O口，与地址总线（高8位）复用。

（4）、P3口：8位准双向I/O口，双功能复用口。

2、程序存储器在数控装置中，有关插补、检测、功能等程序应放在程序（只读）存储器中。

用户的加工程序以及加工数据等应放在数据（随机）存储器中。

在扩展多片程序存储器和数据存储器时，如何把各自的64K字节空间分配给各个芯片，以避免地址和数据的冲突，这就需要合理地分配地址空间。

1）存储器扩展的读写控制外扩RAM芯片既能读出又能写入，所以有读写控制引脚，常标记为OE 和WE，与单片机的RD和WR引脚对应连接。

外扩EPROM正常使用时仅能读出，不能写入，所以只有读出引脚OE，与单片机PSEN引脚相连。

2）存储器地址空间分配利用系统提供的地址总线达到每个存储单元只对应一个地址的目的。

为实现一个地址对应一个存储单元的目的，常需要两种选择：片选和单元选择。

具体做法是：将系统地址总线分为高位地址和低位地址两部分，低位地址用作单元地址选择，高位地址又常与控制信号组合（译码电路）产生片选信号。

（1）线选法就是直接利用系统的高位地址线作为存储器芯片（或I/O接口芯片）的片选信号。

（2）译码法使用译码器对MCS-51的高位地址进行译码，其输出作为存储器芯片的片选信号。

①74LS1383～8译码器，有三个数据输入端，三个控制引脚，译码产生8种状态。

②74LS139两个独立的2～4译码器。

（3）外部地址锁存器常用锁存器有：74LS373、8282、74LS573等。

3）EPROM芯片介绍典型芯片：2716（2KB×8）、2732（4KB×8）、2764（8KB×8）、27128（16KB×8）、27256（32KB×8）、27512（64KB×8）。

地址线：A0 ～A15数据线：D0 ～D7片选输入端：CE输出允许控制端：OE编程脉冲：PGM编程电压（+12v或+25v）：Vpp工作电压（+5v）：Vcc数字地：GNDEPROM芯片的工作方式：①读出方式（正常的工作方式）②未选中方式（当片选CE为高电平时）③编程方式（相应引脚加上合适的电压）④程序校验方式（Vpp保持高压，按读出方式操作）⑤编程禁止（输出呈高压状态，OE 为高电平）图527128 与 MCS-51 的连接4） 、静态数据存储器的扩展 连接的方式、方法与程序存储器类似。

不同之处在读/写 控制线上，程序存储器只使用了 PSEN 引脚，而数据存储器则 使用了 RD 和 WR 两个引脚。

数据存储器常用芯片：6116（2K×8） 、6264（8K×8） 、 62128（16K×8） 、62256（32K×8） 。

图662128 与 MCS-51 的连接113、扩展 I/O 的设计 在 MCS-51 系列单片机的应用系统中，单片机本身提供的输入输出口线并不 多，只有 P1 准双向口的 8 位 I/O 线和 P3 口的某些位线可作为输入输出线使用。

在多数系统中，MCS-51 系列单片机都需要外扩输入输出接口芯片。

常用的外围 接口芯片有：8255：专用的，是一种常用的 8 位并行 I/O 接口芯片，适用灵活、 通用性强；8155：I/O 扩展复合芯片，除能扩展 I/O 口外，还能通过它在扩展其 他外围功能电路。

它们都可以和 MCS-51 单片机直接接口， 且接口逻辑十分简单。

相关连接图可参见《MCS-51 单片机应用设计》 （张毅刚编著，哈尔滨工业大学 出版社） 页图 8-10 8031 与 8255A 的接口电路图、 页图 8-24 8031 与 8155H 124 131 的接口。