机电一体化专业论文

中国矿业大学成教学院毕业论文说明书 1 前 言

现代技术的进步，带动了机电一体化技术的飞速发展。自２０世纪中期开始，在机械产品就朝着自动化的反向发展。最显著的特点是机械产品将越来越密切的和微电子技术、检测技术、自动控制技术、计算机技术、系统论等现代科学技术联系在一起。打破了发展初期那种机械部分和电气部分相拼合的设计模式，强调产品整体最优的目的，以自动控制为核心，高性能，多功能。这是机械一体化产品的一场深刻的技术革命。 自动化是机电一体化（产品）的发展方向，它将机械技术、微电子技术、检测技术、自动控制技术、计算机技术、等现代科学技术容为一体，使系统（产品）多功能、高效率、高可靠度、省能源。并使产品机构向轻、薄、短、小的方向发展。不断满足人们生活的需要和工业生产的自动化需要。 此次设计的工作台主要包括：第一章，概述；第二章，机械部分的设计计算与选择；第三章，控制部分的设计与选择。其中，第二章，机械部分包括了导向机构、传动机构和动力源三个小节。第三章，控制部分包含了８０３１单片机、７４ＬＳ－３７３地址锁存器、只读存储器２７６４、静态随机存取存储器６２６４和８２５５扩展器键盘与显示等。 在设计过程中，承蒙丁葆华等老师的耐心指导和帮助，谨在此对各位老师表示衷心地感谢与深深的敬意！ 此次设计由于时间仓促，知识水平有限，疏漏和错误之出在所难免，恳请各位老师原谅并给予批评指正。 中国矿业大学成教学院毕业论文说明书

2 摘 要

导轨的功用是导向承载。即保证运动部件在外力作用下，能准确地沿着一定的方向运动。再导轨副中，运动的一方叫做动导轨，不动的一方叫做支承导轨。动导轨相对于支承导轨通只有一个自由度的直线运动或回转运动。对导轨的基本要求：导向精度（是指运动部件沿着导轨运动的轨迹准确性）、精度保持性（为了能长期保持导向精度，对导轨提出了刚度和耐磨性的要求、低速运动平稳性（就是要保证在做低速运动或微量位移时不出现不平稳现象）。结构工艺性（在可能的情况下，应尽量是导轨结构简单，便于制造和维护）。此次设计采用的导轨为闭式双矩形导轨，行程为１００mm，负载为３００Ｎ，动导轨长度Ｌ＝１２０mm。静导轨长度为Ｌ＝２６３mm与机架做为一体。润滑油选用Ｎ４６机械油，在油中加入能形成吸附膜的添加剂。间隙的调整用压板调整间隙，有平镶条调整侧向间隙。防护：用刮板式，选用毛毡。 传动机构：使用滚珠丝杠螺母副主要将旋转运动转换为工作台的直线运动。滚珠丝杠螺母机构虽然结构复杂、制造成本高，但其最大优点是摩擦阻力矩小、传动效率高（92%~98%）定位精度高，精密保持性好。该工作台采用外循环双圆弧滚珠丝杠螺母副，预紧方式为双螺母罗纹预紧，支承方式为双推－简支式无冲击平稳运转精度为Ｅ级，传动精度为σ＝ 动力源采用反应式步进电动机，该类电动机由定子绕组产生的反应电磁力吸引用软磁钢制成的齿形转子作步进驱动，故又称作反应式步进电动机。中国矿业大学成教学院毕业论文说明书 3 其特点：无激磁时没有保持力，将气隙做得极小。制造材料费用低、结构简

单、步距角小等优点。此次采用的步进电动机为此系列的五相单十拍，步距角α＝０.３６。脉冲当量δρ＝０.００５mm的步进电动机。最大进给速度vmax０.４m／min，定位精度σ＝±０.００１mm。 控制部分。在控制电路中采用ＭＣＳ－３１单片机、７４ＬＳ－３７３地址锁存器、只读存储器２７６４、静态随机存取存储器６２６４和８２５５扩展器。为了减少硬件开锁，提高系统可靠性和降低成本，使用了动态扫描显示。为简化电路还使用了非编码键盘。 中国矿业大学成教学院毕业论文说明书

0 目 录

摘要…………………………………………………………………1 前言…………………………………………………………………2 第一章 概述………………………………………………………..1

第二章 机械部分…………………………………………………..2 第一节 导轨………………………………………………………………2 第二节 滚珠丝杠副………………………………………………………8 第三节 步进电动机……………………………………………………...16 第四节 滚动轴承及联轴器选用………………………………………...21 第三章 控制电路部分的选择与设计…………………………….22 第一节ＭＣＳ－５１单片机结构和工作方式………………………….22 第二节８０３１对片外存储器的连接………………………………….25 第三节 ＭＣＳ－５１系列单片机工作方式…………………………...26 第四节 存储器２７６４与６２６４………………………………….29 第五节 ８２５５扩展芯片及键盘／显示系统……………………….31 参考文献………………………………………………….33

结束语…………………………………………………….34 中国矿业大学成教学院毕业论文说明书

1 第一章 概述

“机电一体化”是微电子技术与机械工业融合过程中形成的一个新概念，是各相关技术有机结合的一种新形领域。机电一体化的目的是使系统（产品）高附加值化。 机电一体化系统（产品）由机械系统、控制系统、动力系统、传感检测系统、执行元件等五个子系统组成。机电一体化系统设计的考虑方法通常有：机电互补法、融合法和组成法。其目的是综合运用机械系统技术和微电子技术的特长，设计最佳的机电一体化系统。 机电一体化系统的机械系统与一般的机械系统相比，除要求具有较高的定位精度之外，还应有良好的动态响应特性，无间隙、低摩擦、低惯量、高刚度、高谐振频率、适当的阻尼比等要求。达到上述要求所采取的措施：⑴采用低摩擦的传动件和导向支承部件。如采用滚动丝杠副、滚动导向支承（如滚动导轨）。⑵缩短传动链，提高传动与支承刚度，如用加预紧了的方法提高丝杠副和导轨副的传动与支承刚度。⑶选用最佳传动比，以达到提高系统转动惯量，尽可能的提高加速能力⑷缩小反向死区误差，如采取消除传动间隙减少支承变形的措施。⑸改进支承及机架的结构设计以提高刚性、减少振动、降低噪声。如选复合材料来提高刚度和强度、减轻重量、缩小体积使结构紧密，以确保系统的小型化、轻量化、高速化和高可靠性。 对于传动机构有以下三个方面的要求⑴精密化。虽然不是越精密越好，但一定要适应产品的定位精度的性能要求，由于产品性能的需要，对机械传动机构的精密度要求也越来越高。⑵高速化。产品工作效率的高低，直接与机械传动部件的运动速度有关。⑶小型化、轻量化。随着机电一体化系统（或产品的）精密化、高速化的发展，必然要求其传动机构的小型化、轻量化，以提高运动灵敏度，减少冲击，降低能耗。 中国矿业大学成教学院毕业论文说明书 2 第二章 机械部分

第一节 导轨 一.导轨的功用、分类和基本要求 ㈠导轨的功用 导轨的功用是导向承载。即保证运动部件在外力作用下，能准确地沿着一定的方向运动。再导轨副中，运动的一方叫做动导轨，不动的一方叫做支承导轨。动导轨相对于支承导轨通只有一个自由度的直线运动或回转运动。 ㈡导轨的分类 导轨可按下列性质分类 ① 按工作性质可分为主运动导轨、进给运动导轨和调位导轨。调位导轨只用于调整部件之间的相对位置，在加工时没有相对运动。例如 车床尾架用的导轨。 ② 按摩擦性质可分为滑动导轨和滚动导轨。滑动导轨按两导轨面间的摩擦状态又可分为混合摩擦的导轨、边界摩擦导轨、液体动压导轨和液体静压导轨。滚动导轨按其滚动体不同又可分为滚珠导轨、滚柱导轨和滚针导轨。 ③ 按受力情况可分为开式导轨和闭式导轨。所谓开式导轨，是指靠外载荷和部件自重，使两导轨面在全长上保持贴合的导轨。所谓闭式导轨，是指必须用压板作为辅助导轨面才能保证主导轨面贴合的导轨。 ㈢导轨应满足的基本要求 机床导轨的质量在一定程度上决定了机床的加工精度、工作能力和使用寿命。因此，导轨必须满足下列基本要求。 ① 导向精度 是指运动部件沿导轨运动轨迹的直线度（对直线运动导轨）或圆度（对圆周运动的导轨）。影响导向精度的主要因素有导轨 的几何精度、导轨的结构形式、导轨及其支承件的自身刚度和油膜刚度以及热变形等。 中国矿业大学成教学院毕业论文说明书 3 ② 精度保持性为了能长期保持导向精度，对导轨提出了刚度和耐磨性

的要求。若刚度不足，则直接影响部件之间的相对精度和导轨的导向精度，是导轨面上的比压分布不均，加剧导轨的磨损，所以刚度是导轨工作质量的一个重要指标。导轨的耐磨性是决定导向精度能否长期保持的关键，是衡量机床质量的重要指标。导轨耐磨性与导轨材料、导轨面的摩擦性质、导轨受力情况及两导轨相当运动速度等有关。 ③ 低速运动平稳性 就是要保证在做低速运动或微量位移时不出现不平稳现象。进给运动的不平稳使加工表面粗糙读增大；定位运动的不平稳，将降低定位精度。低速运动平稳性与导轨的结构和润滑，动、静摩擦系数的差值，以及传递导轨运动的传递系统的刚度等有关。 ④ 结构工艺性 在可能的情况下，应尽量是导轨结构简单，便于制造和维护。对于刮研导轨，应尽量减少刮研量；对于镶装导轨，应做到更换容易。 ㈣导轨的设计内容 ① 根据工作条件选择合适的导轨类型。 ② 根据导向精度要求和制造工艺性，选择导轨的截面形状。 ③ 确定导轨的结构尺寸，保证导轨有足够的刚度，并使单位面积下压力小于许用值，以免导轨磨损过快。 ④ 设计导轨磨损后的补偿调整装置，使导轨保持合理的间隙。 ⑤ 选择合适的导轨材料、热处理方法、精加工方法等，保证导轨有足够的使用寿命。 ⑥ 设计润滑系统，使导轨在良好的润滑条件下工作，减少摩擦及磨损。 ⑦ 设计良好的防护装置，以防止切削脏物等进入导轨内。 ⑧ 拟定导轨制造的技术要求。 ㈤ 导轨的材料