專業方向課程設計工作臺類題目指導書一、課程設計的目的、意義《專業方向課程設計》是機械工程專業一個重要的實踐環節，工作臺類題目要求學生綜合運用所學的機械、電子和控制等方面的知識，進行一次機電結合的設計訓練，主要目的是：1）學習機電一體化系統總體設計方案擬定、分析方法，具有機電系統設計的初步能力；2）對機械系統進行設計，掌握典型傳動機構和導向機構等工作原理、設計和選用。3）對驅動系統進行設計，能夠對控制用電機、驅動器進行計算與選用。4）對控制系統進行設計，掌握典型硬件電路的設計方法和控制軟件的設計思路。5）訓練學生應用手冊、標準及編寫技術說明書的能力，促進學生綜合素質的提高。二、課程設計的題目及要求題目：X-Y工作臺機電系統設計已知條件：定位精度：±0.01mm，滾珠絲杠及導軌使用壽命：T=15000h，中等沖擊，各題目的有效行程、快速進給速度和工作載荷見下表：題號有效行程(mm)快速進給速度(mm/min)工作載荷Fz(N)LxLyvmaxvymax13203501500150020002320350100010001500340040015001600250044004002000160018005400600250030005006400600150020005007450580200020005008450650120015003009500650250025005001050080012002000450115504001200200010001255040012001800900136003202000150060014600320200012008501564028020050018001664028050020012001735050020002500180018350500250020001200197506001500160060020750600180016004502190050020002500120022900500250020001500要求：認真閱讀《課程設計指導書》，明確題目及具體要求；認真查閱題目涉及內容的相關文獻資料、手冊、標準；大膽創新，確定合理、可行的總體設計方案；機械部分和驅動部分設計思路清晰，計算結果正確，選型合理；控制系統方案可行，硬件選擇合理，Proteus仿真結果正確；繪制機械系統裝配圖一張（A1），控制系統電氣原理一張（A2），圖紙符合國家標準，布圖合理，內容完整表達清晰；課程設計說明書一份（不少于5000字），包括：目錄，題目及要求，總體方案的確定，機械系統設計，控制系統設計，參考文獻等。設計說明書應敘述清楚、表達正確、內容完整、技術術語符合標準。三、進度安排本課程設計要求在三周時間內完成，具體進度安排大致如下：收集及閱讀資料，明確設計任務1天總體方案論證2天機械部分設計計算2天裝配圖繪制3天控制系統框圖設計，單片機及擴展芯片的選用，I/O接口電路、伺服控制電路設計及選用3天電氣原理圖，Proteus仿真3天編寫設計說明書1天四、主要設計內容（一）總體方案的確定根據設計任務確定系統的總體機械和控制系統方案：進行系統運動方式的確定，執行機構及傳動方案的確定，伺服電機類型及調速方案確定，計算機控制系統的選擇。進行方案的分析、比較和論證。系統運動方式與伺服系統采用連續控制系統，開環或閉環控制方式。考慮到運動精度要求不高，為簡化結構，建議大多數同學采用步進電機開環系統驅動。控制系統建議采用教科書上的MCS-51系列單片機系統。控制系統應該包括微機部分、I/O接口及光電隔離電路、步進功率放大電路等。X—Y工作臺的傳動方式為保證一定的傳動精度和平穩性以及結構的緊湊，采用滾珠絲杠螺母傳動副。為提高傳動剛度和消除間隙，采用有預加載荷的結構。由于工作臺的運動部件重量和工作載荷不大，故選用滾動直線導軌副，從而減小工作臺的摩擦系數，提高運動平穩性。考慮電機步距角和絲杠導程只能按標準選取，為達到分辨率的要求，以及考慮步進電機負載匹配，采用齒輪減速傳動。計計算機光電隔離功率放大步進電機X向工作臺光電隔離功率放大步進電機Y向工作臺系統總體框圖（二）機械部分設計機械部分設計內容包括：確定系統脈沖當量，運動部件慣性的計算，選擇步進電機，傳動及導向元件的設計、計算與選擇，繪制機械部分裝配圖等。確定系統脈沖當量脈沖當量δp是一個進給指令時工作臺的位移量，應小于等于工作臺的位置精度，一般為0.01~0.005mm。工作臺外形尺寸及重量初步估算根據給定的有效行程，畫出工作臺簡圖，估算X向和Y向工作臺承載重量WX和WY。工作臺簡圖滾動導軌副的計算、選擇根據給定的工作載荷Fz和估算的Wx和Wy計算導軌的靜安全系數fSL=C0/P，式中：C0為導軌的基本靜額定載荷，kN；工作載荷P=0.5(Fz+W)；fSL=1.0~3.0(一般運行狀況)，3.0~5.0（運動時受沖擊、振動）。根據計算結果查有關資料初選導軌：依據使用速度v（m/min）和初選導軌的基本動額定載荷C(kN)驗算導軌的工作壽命Ln：(hour)滾珠絲杠計算、選擇初選絲杠材質：CrWMn鋼，HRC58~60，導程：l0=5mm或6mm。強度計算絲杠軸向力：(N)式中：K=1.15，滾動導軌摩擦系數f=0.003~0005；在車床車削外圓時：Fx=(0.1~0.6)Fz，Fy=(0.15~0.7)Fz，可取Fx=0.5Fz，Fy=0.6Fz計算。壽命值：，其中絲杠轉速(r/min)最大動載荷：式中：fW為載荷系數，中等沖擊時為1.2~1.5；fH為硬度系數，HRC≥58時為1.0。根據使用情況選擇滾珠絲杠螺母的結構形式，并根據最大動載荷選擇滾珠絲杠的型號。傳動效率計算絲杠螺母副的傳動效率為：，φ=10’，為摩擦角；γ為絲杠螺旋升角。穩定性驗算絲杠兩端采用止推軸承時不需要穩定性驗算。否則，按教材32頁式（2.2）驗算。式中：Fk為絲杠實際承受載荷能力；fk為壓桿穩定支撐系數；E=2.1x1011Pa為鋼的彈性模量；為絲杠小徑d1截面慣性矩；ls為絲杠長度；K=2.5~4為壓桿穩定安全系數。剛度驗算滾珠絲杠受工作負載引起的導程變化量為：(cm)絲杠受扭矩引起的導程變化量很小，可忽略不計。導程變形總誤差Δ為(104μm/m)<[Δ]，其中導程l0的單位為cm。E級精度絲杠允許的螺距誤差[Δ]=15μm/m。齒輪計算、設計傳動比：，初選步距角：α=0.75?/step或1.5?/step。根據計算的傳動比，由整體結構要求初定大小齒輪齒數及模數m，從結構上采取措施消除傳動間隙以提高傳動精度（如下圖所示）。齒輪1、2的分度圓直徑分別為：d1=mz1，d2=mz2；齒寬b=20mm，分度圓壓力角α=20?；齒頂圓直徑為：da1=(z1+2)m，da2=(z2+2)m；中心距a=0.5(d1+d2)。1、2--薄齒輪,3—彈簧,4、8—凸耳,5—調節螺釘,6、7—螺母雙片齒輪錯齒消隙結構圖步進電機等效負載計算（1）等效轉動慣量的計算折算到步進電機軸上的等效負載轉動慣量為：(kg·cm2)式中：Jw，Jz1，Jz2和Js分別為折算到步進電機軸上的工作臺、齒輪1、齒輪2和絲杠的等效轉動慣量，kg·cm2。其中：(N·m2)，(N·m2)(N·m2)，(N·m2)式中：d0為絲杠的名義直徑；Ls為絲杠的總長；ρs，ρz分別為絲杠和齒輪的材料密度，可取為7.85x10-3kg/cm3。（2）等效負載轉矩計算空載時的摩擦轉矩：(N·m)工作時的負載轉矩：(N·m)式中：η=0.8，為考慮絲杠預緊時的傳動效率。（3）起動慣性阻轉矩計算(N·m)式中：電機轉速ωm=2πnm/60，起動加速時間Δt=0.025s。（4）步進電機輸出軸上總負載轉矩計算(N·m)步進電機的選擇為使步進電機正常起動（不失步），其起動力矩應滿足：，查教材95頁表3.7，如選用三相六拍工作方式，，則。步進電機的最高運行頻率為：綜合考慮，確定步進電機的型號。說明：為便于設計和采購，X、Y軸的電機可選擇一樣。（三）控制系統硬件電路設計（1）按照總體方案及機械結構的控制要求，確定硬件電路的方案，并繪制系統電氣控制的結構框圖；（2）選擇主控制器