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机电一体化系统综合课程设计说明书

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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。

上导轨座（连电机）重量：

223(2201403821558)7.810101.110107()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。

2.2、滚动导轨的参数确定

⑴、导轨型式：圆形截面滚珠导轨

⑵、导轨长度

①上导轨（X向）

取动导轨长度 100Bl

动导轨行程 55l

支承导轨长度 155BLll

②下导轨（Y向）

50l 100Bl

150L

选择导轨的型号：GTA16

⑶、直线滚动轴承的选型

①上导轨

240()XGN

②下导轨

287()YGN

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。 ⑷、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。

2.3、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。

⑴、最大动负载Q的计算

3HQLffP

查表得系数1f，1Hf，寿命值

66010nTL

查表得使用寿命时间T=15000h，初选丝杠螺距t=4mm，得丝杠转速

max100010001250(/min)4Vnrt

所以 6602501500022510L

X向丝杠牵引力

1.414xxPfG当 ()f当——当量摩擦系数

1.4140.012403.39()N

Y向丝杠牵引力

1.4141.4140.012874.06()yyPfGN当

所以最大动负荷

X向 3225113.3920.6()xQN

Y向 3225114.0624.7()yQN

查表，取滚珠丝杠公称直径 010dmm，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。

⑵、滚珠丝杠螺母副几何参数计算

表2-1 滚珠丝杠螺母副几何参数

名

称 符 号 计算公式和结果

螺纹滚道 公称直径 0d

10

螺距 t 4

接触角  45

钢球直径 qd 2

螺纹滚道法面半径 R 0.521.04qRd

偏心距 e

/2sin0.03qeRd

螺纹升角 

0arc7.26ttgd

螺杆 螺杆外径 d 00.2~0.259.5qddd

螺杆内径 ld 0227.98lddeR

螺杆接触直径 zd 0cos8.59zqddd

螺母 螺母螺纹外径 D 02212.02DdeR

螺母内径（外循环） 1D 100.2~0.25510.5qDdd

见表2-1。

⑶、传动效率计算

7.260.973()(7.260.2)tgtgtgtg

式中：——摩擦角；——丝杠螺纹升角。

⑷、刚度验算

滚珠丝杠受工作负载P引起的导程0L的变化量

01PLLEF

Y向所受牵引力大，故应用Y向参数计算

24.7()PN 00.4()Lcm

6220.610(/)ENcm 材料为钢

2220.7983.140.52FRcm

所以 61624.70.51.210()20.6100.5Lcm

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 601001001.2103/0.4LmmL

查表知E级精度的丝杠允许误差15m，故刚度足够。

⑸、稳定性验算

由于丝杠两端采用止推轴承，故不需要稳定性验算。

2.4、步进电机的选用

⑴、步进电机的步距角b

取系统脉冲当量0.01/pmmstep，初选步进电机步距角1.5b。

⑵、步进电机启动力矩的计算

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

TPs＝

式中： ——电机转角；s ——移动部件的相应位移； ——机械传动效率。

若取 b，则ps，且SPPG，所以

36()2pSbPGTNcm

式中：SP ——移动部件负载（N）；G——移动部件重量（N）； zP——与重量方向一致的作用在移动部件上的负载力（N）； ——导轨摩擦系数；b——步进电机步距角，（rad）；T——电机轴负载力矩（Ncm）

本例中，取0.03（淬火钢滚珠导轨的摩擦系数），0.96，SP为丝杠牵引力，24.7sHPPN。考虑到重力影响，Y向电机负载较大，因此取287yGGN，所以

360.0124.70.032871.33()21.50.96TNcm

若不考虑启动时运动部件惯性的影响，则启动力矩

0.3~0.5qTT

取安全系数为0.3，则 1.334.420.3qTNcm

对于工作方式为三相六拍的三相步进电机 max5.10.866qjTT Ncm

⑶、步进电机的最高工作频率

maxmax1000100011667()60600.01pVfHz

查表选用两个45BF005-Ⅱ型步进电机。电机的有关参数见表2-2。

表2-2 步进电机参数

型 号 主要技术数据 外形尺寸()mm 重量

()N 步距角 最

大静转距Ncm 最高空载启动频率(/steps) 相数

电压

()V 电流

()A 外径 长度 轴径

45BF005-Ⅱ 1．5 19.6 3000 3 27 2.5 45

58 4 11

2.5、确定齿轮传动比

因步进电机步距角1.5b，滚珠丝杠螺距 4tmm，要实现脉冲当量0.01/pmmstep，在传动系统中应加一对齿轮降速传动。齿轮传动比

123600.013600.61.54pbZiZt

选 117Z ，228Z 。

2.6、确定齿轮模数及有关尺寸

因传递的扭距较小，取模数1mmm，齿轮有关尺寸见表3-3。

2.7、步进电机惯性负载的计算

表2-3 齿轮尺寸

Z 17 28

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机电一体化专业 电气控制课程设计指导书

机电一体化专业 电气控制课程设计指导书

电气控制系统设计的要求和步骤

要完成好电气控制系统的设计任务，除掌握必要的电气设计基础知识外，还必须经过反复实践，深入生产现场，将不断积累的经验应用到设计中来。课程设计正是为这一目的而安排的实践性教学环节，它是一项初步的工程训练。通过课程设计的工作，了解一般电气控制系统的设计要求、设计内容和设计方法。

本章主要讨论课程设计应达到的目的、要求、内容、深度及工作量。并通过实例介绍，进一步说明课程设计的设计步骤。

电气设计包含原理设计和工艺设计两个方面，不能忽视任何一面，对于应用型人才更应重视工艺设计。电气控制系统课程设计属于练习性质，不强调设计结果直接用于生产。

设计的目的、要求、任务及方法

一、设计目的

电气设计的主要目的是通过某一生产设备的电气控制装置的设计实践，了解一般电气控制系统设计过程、设计要求、应完成的工作内容和具体设计方法。通过设计也有助于复习、巩固以往所学的知识，达到灵活应用的目的。电气设计必须满足生产设备和生产工艺的要求，因此，设计之前必须了解设备的用途、结构、操作要求和工艺过程，在此过程中培养从事设计工作的整体观念。

电气设计应强调能力培养为主，在独立完成设计任务的同时，还要注意其他几方面能力的培养与提高，如独立工作能力与创造力；综合运用专业及基础知识的能力，解决实际工程技术问题的能力；查阅图书资料、产品手册和各种工具书的能力；工程绘图的能力；书写技术报告和编制技术资料的能力。

二、设计要求

为保证顺利完成设计任务还应做到以下几点：

(1)在接受设计任务后，应根据设计要求和应完成的设计内容，拟定设计任务书和工作进度计划，确定各阶段应完成的工作量，妥善安排时间。

(2)在方案确定过程中应主动提出问题，以取得指导教师的帮助，同时要广泛讨论意见，依据充分。在具体设计过程中要多思考，尤其是主要参数，要经过计算论证。

(3)所有电气图纸的绘制必须符合国家有关规定的标准，包括线条、图型符号、项目代号、回路标号、技术要求、标题栏、元件明细表以及图纸的折叠和装订。

机电一体化技术课程设计

机电一体化技术课程设计

1 机电一体化技术课程设计

引言

机电一体化技术是一种新兴的技术，已经得到广泛的应用。机电一体化技术能够有效解决机械工程的自动化问题，并且有效降低了生产成本。在当前工业中，机电一体化技术已经成为了制造业的基础。本文将详细介绍机电一体化技术的课程设计。

课程目标

本课程设计旨在培养学生对机电一体化技术的理解，学生在本课程中将会了解机电一体化技术的原理、应用、以及实现方法。此外，本课程还旨在培养学生解决机械制造过程中自动化问题的能力，以及掌握机电一体化控制系统的设计、实现、和维护技术。

课程内容

第一部分：机电一体化技术原理

本部分将会介绍机电一体化技术的原理，包括机电一体化系统的构成、自动化技术、传感器和执行器、以及机电一体化系统的硬件和软件架构等等。学生需要掌握机电一体化技术的原理，以及机电一体化系统的构成和工作原理。

第二部分：机电一体化技术应用

本部分将会介绍机电一体化技术的应用，包括机床、自动化生产线、以及工业机器人等等。学生需要掌握机电一体化技术在实际应用中的情况。 2 第三部分：机电一体化控制系统

本部分将会介绍机电一体化控制系统的设计、实现、和维护技术。学生需要掌握机电一体化控制系统的设计方法、控制方法、软件和硬件平台等等。

课程作业

学生将会数次完成小组课程作业。学生需要组成小组，根据实际问题设计和实现机电一体化控制系统，例如控制一台简单的继电器控制电机的系统，或者控制一台工业机器人的系统，或者控制一条自动化生产线的系统等等。

期末项目

学生将会在本学期结束时完成期末项目。学生可以自选实现一个机电一体化控制系统，包括问题定义、方案设计、系统实现、以及系统测试和优化等等。

课程评估

学生的评估将会根据学生在课堂作业和期末项目中的表现来评估。学生需要达到一定的水平才能获得课程学分，在学生的评估中学生的主动学习和创造性的应用将会得到充分的认可。

结论

本文介绍了机电一体化技术的课程设计内容和评估方式。希望通过本课程的学习，学生将能够掌握机电一体化技术的原理、应用和控制系统的设计、实现、和维护技术，为未来从事机械工程、控制工程和自动化工程等等方面的研究和应用奠定基础。

机电综合设计

机电综合设计

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机械电子工程

课程设计指导书

浙江大宁波理工学院 1

目 录

第一章 概述 ................................................................................................................................. 2

一、机电专业课程设计目的 ................................................................................................... 2

二、机电专业课程设计的任务和要求 ................................................................................... 2

三、机电专业课程设计的时间及进度安排 ........................................................................... 2

第二章 课程设计流程分析 ............................................................................................................. 4

一、课程设计的应知与应会 ................................................................................................... 4

二、课程设计中的创新与综合 ............................................................................................... 4

机电一体化系统设计第二版课程设计

机电一体化系统设计第二版课程设计

1 机电一体化系统设计第二版课程设计

概述

本课程设计旨在运用机电一体化的知识，完成一台具有完整机电一体化系统体系结构的机械及其控制系统。通过本课程设计，希望学生们能够掌握机电一体化系统设计的方法和技能，以及掌握系统设计、机械设计和控制系统设计等方面的综合能力。

设计任务

设计一台模拟生产线过程的机械并配备相应的控制系统，以完成自动化生产线上的生产任务。设计的机械应能够具备多种功能特点，例如自动分拣、切割和堆垛等工作，同时具备跟踪控制，安全保护，维修与调试等多种功能。

设计原则

1. 设计应具备先进性和实用性，以最大限度地满足实际生产需求。

2. 系统应保证运行的可靠性和稳定性，降低因意外故障导致的生产线停顿率。

3. 应达到生产效率和质量的双重要求。

4. 充分考虑机械、控制系统整体的设计与集成，确保实现机电一体化效果。 2 设计流程

1. 确定设计要求，明确机械和控制系统的功能需求及性能标准。

2. 进行市场调研，确定可行的方案，考虑机械与控制系统的整体集成，保证机电一体化的效果。

3. 进行机械结构设计，包括3D模型设计、零件图纸绘制与操作方案的设计等。

4. 进行控制系统设计，涉及电气电子控制系统的设计、PLC控制器的编程、人机界面的设计等环节。

5. 进行机械和控制系统的联调，调试并运行检测。

6. 进行测试和试验，在实际生产环境下检验系统的性能和可靠性。

7. 进行方案评估和效果分析，优化系统设计。

设计内容

设计内容主要分为两个方面：机械部分和控制系统部分。

机械部分

1. 确定机械的结构设计方案。

2. 设计机械的3D模型。

3. 绘制机械零部件图纸。

4. 设计机械操作方案。 3 控制系统部分

1. 设计电气电子控制系统方案，包括传感器、执行器、驱动器等控制元件的确定。

2. 对PLC控制器进行编程。

3. 设计和实现人机界面系统。

4. 调试控制系统的各个部分，并进行系统集成测试。