机电一体化系统综合课程设计
课题名称：Ｘ－Ｙ数控工作台设计说明书
学院：机械工程学院
专业：机械设计制造及其自动化
设计成员：
指导老师：季国顺金成柱聂欣
日期： 2013年1月7日
设计组号： 7 课题号： 14
目录
1、总体方案设计 (3)
1.1 设计任务 (4)
1.2 总体方案确定 (4)
2、机械系统设计 (5)
2.1 工作台外形尺寸及重量估算 (6)
2.2 导轨参数确定 (7)
2.3 滚珠丝杆的设计计算 (8)
2.4 步进电机的选型与计算 (10)
2.5 机械系统结构设计 (12)
3、控制系统硬件设计 (13)
3.1 控制系统硬件组成 (13)
3.2 控制系统硬件选型 (15)
3.3 控制系统硬件接口电路设计 (17)
3.4 驱动系统设计 (18)
4、控制系统软件设计 (19)
4.1 控制系统软件总体方案设计 (21)
4.2 主流程设计 (22)
4.3 中断服务流程设计 (23)
4.4 软件调试 (25)
5、总结 (26)
参考文献 (27)
1、总体方案设计
1.1 设计任务
题目：两坐标X-Y 数控工作台设计
任务：设计两轴联动的数控X-Y 运动平台，完成机械系统设计、控制系统设计与相应软件编程，根据试验条件进行调试，完成整个开发系统；每组一题，分别由3～4位同学合作完成。其主要技术指标如下：
1）工作台型号为HXY-4030；
2）行程要求X=400mm ，Y=300mm ；
3）工作台面尺寸为C ×B ×H ＝240mm ×254mm ×15mm ；
4）底座外形尺寸为C1×B1×H1＝650mm ×550mm ×184mm ；
5）工作台最大长度L=778mm ；
6）工作台负载重量N=500N ；
7）工作台最快移动速度v xmax =v ymax =1m/min
8）X,Y 方向的重复定位精度为±0.02mm ；
9）X,Y 方向的定位精度为0.04mm ；
10）工作台切削负载小、运动灵敏度高、低速无爬行；
11）定位精度高；
12）结构轻便，建议机座和滑台采用铝合金；
13）标准组件，独立产品；
14）可直接应用于小型钻、铣床。
1.2 总体方案确定
1.2.1 方案确定思想
该工作台设计主要分为机械系统部件和控制系统部件，其中机械系统部件主要包括导轨副、丝杠螺母副、减速装置、伺服电动机和检测装置等，控制系统部件则包括CPU 控制电路、电源设计电路、输入信号电路、输出信号电路、步进电机驱动控制电路等。
因X 向和Y 向机械结构基本相同，故只绘制X 向机械系统部分的结构简图，
如下：
考虑在满足设计要求的前提下，应尽可能采用简洁轻便的结构设计和廉价实用的可选材料，符合绿色环保的现代机械设计理念，由此来确定最终方案。
1.2.2 方案对比分析与确定
（1）方案对比
1）方案一
动力源：采用标准工业电源；
执行元件：选用混合式步进电机，其特点为输出转矩大、动态性能好、步距角小、驱动电源电流小、功耗低，但结构稍复杂，成本相对较高；
导向支承部件：选用直线滚动导轨副，其特点是摩擦因数小，不易爬行，便于安装和预紧，结构紧凑；
传动部件：选用滚珠丝杠副，其特点是传动效率高，运动平稳，使用寿命长，运用广泛；
减速装置：不使用减速箱，在满足脉冲当量的需求时，可以有效简化系统结构，缩小机械尺寸，节约生产成本；
检测装置：增量式旋转编码器；
系统微控制器：选用MCS-51系列的8位单片机AT89C52；
2）方案二
动力源：采用标准工业电源；
执行元件：选用永磁式步进电机，其特点为不需要太大电流，绕组断电时具有自锁能力，优点是动态性能好、输出转矩大、驱动电流小、电动机不易发热，但制造成本高，步距角较大，配套的驱动电源要具有细分功能；
导向支承部件：选用滚柱交叉导轨副，其特点是具有较高的承载能力和较高的刚性，可以获得较高灵敏度和高性能的平面直线运动，导向性好，自动定心，滚动摩擦阻力低；
传动部件：选用滚珠丝杠副；
减速装置：选用无间隙齿轮传动减速箱；
检测装置：增量式旋转编码器；
系统微控制器：选用可编程程序控制器（PLC）；
3）方案三
动力源：采用标准工业电源；
执行元件：选用反应式步进电动机，其特点为步矩角可达1°~15°，甚至更小，精度容易保证，起动和运行频率较高，但功耗较大，效率较低；
导向支承部件：选用静压导轨副，其特点是需要将一定压力的油或气体介质
通入导轨的运动件和导向支撑部件之间，使运动件浮在压力油或气体薄膜上，摩擦阻力很小；
传动部件：选用滑动丝杠副，其特点是结构简单，容易制造，减速传动比大，摩擦力大，具有自锁性，但低速或微调时可能出现爬行现象；
减速装置：选用无间隙齿轮传动减速箱；
系统微控制器：选用AVR系列的Atmega16；
（2）选择分析
对比以上三个方案，其主要区别在于步进电动机、导轨副、丝杠螺母副、系统微控制器的选择和是否有必要使用减速箱。综合考虑设计任务和方案确定思想，因系统定位精度和最快移动速度相对并不是很高，故选用性能较好而性价比较高的混合式步进电动机已经足够；为了避免爬行现象，同时节约生产成本，且因该设计载荷较低，故选用直线滚动导轨副；滑动丝杠副在低速或微调时可能产生爬行显现，且为了能够满足±0.02mm的重复定位精度和0.04mm的定位精度，故选用滚珠丝杠副；控制系统选用AT89C52单片机，足以满足设计要求且较为廉价；由于本设计中要求系统结构紧凑，且依靠步进电动机和滚珠丝杠副已经可以达到所需的脉冲当量，因此可以不使用减速箱。
综上所述，本设计选用方案一作为合理的总体方案。
1.2.3 总体方案系统组成
（1）机械系统组成
1）导轨副的选用
该设计课题中所要求的X-Y工作台要求可直接应用于小型钻、铣床，需要承受的载荷不大，但脉冲当量小、定位精度高，因此，决定选用直线滚动导轨副。它具有摩擦系数小、不易爬行、传动效率高、结构紧凑、安装预紧方便等优点。
2）丝杠螺母副的选用
伺服电动机的旋转运动需要通过丝杠螺母副转换成直线运动，要满足±
0.02mm的重复定位精度和0.04mm的定位精度，滑动丝杠副无能为力，只有选用滚珠丝杠副才能达到。滚珠丝杠副的传动精度高、动态响应快、运转平稳、寿命长、效率高，预紧后可消除反向间隙。
3）减速装置的选用
选择了步进电动机和滚珠丝杠副以后，为了圆整脉冲当量，放大电动机的输出转矩，降低运动部件折算到电动机转轴上的转动惯量，可能需要减速装置，且应有消间隙机构。但本设计中要求系统结构紧凑，且依靠步进电动机和滚珠丝杠副已经可以达到所需的脉冲当量，因此不使用减速箱。
4）伺服电动机的选用
任务书规定的X,Y方向重复定位精度为±0.02mm，由此可以取脉冲当量为0.01mm，则其定位精度未达到微米级，最快移动速度也只要求为1000mm/min。因此，不必采用高档次的伺服电动机，只需要选用性能较好的步进电动机即可，故在本设计中选用混合式步进电动机，以降低成本，提高性价比。
5）检测装置的选用
选用步进电动机作为伺服电动机后，可选开环控制也可选闭环控制。任务书所给的精度对于步进电动机来说还是偏高的，为了确保电动机在运转过程中不受切削负载和电网的影响而失步，决定采用半闭环控制，拟在电动机的尾部转轴上安装增量式旋转编码器，用以检测电动机的转角与转速。增量式旋转编码器的分辨率应与步进电动机的步距角相匹配。
考虑到X、Y两个方向的加工范围相同，承受的工作载荷相差不大，为了减少设计工作量，X、Y两个坐标的导轨副、丝杠螺母副、减速装置、伺服电动机以及检测装置拟采用相同的型号与规格。
（2）控制系统组成
1）设计的X-Y工作台要求可直接应用于小型钻、铣床，其控制系统应该具有单坐标定位、两坐标直线插补与圆弧插补的基本功能，所以控制系统应该设计成连续控制型。
2）对于步进电动机的半闭环控制，选用MCS-51系列的8位单片机AT89C52作为控制系统的CPU，应该能够满足任务书给定的相关指标。
3）鉴于此系统只考虑步进电机的控制，CPU的自身资源已经足够，不需要外部引入其它接口扩展电路。考虑控制电路与输出信号电平不一致以及减少干扰等因素，在输入和输出信号之间加入光电耦合器组成信号输入输出电路。
4）选择合适的驱动电源，与步进电动机配套使用。
（3）系统总体框图
根据已确定的总体方案绘制系统总体框图如下：
2、机械系统设计
2.1 工作台外形尺寸及重量估算
按照下导轨之上移动部件的重量来进行估算。包括工件、夹具、工作平台、上层电动机、减速箱、滚珠丝杠副、直线滚动导轨副、导轨座等，估计重量约为1200N。
2.2 导轨参数确定
（1）滑块承受工作载荷的计算及导轨型号的选取
工作载荷是影响直线滚动导轨副使用寿命的重要因素。本例中的X-Y工作台为水平布置，采用双导轨、四滑块的支承形式。考虑最不利的情况，即垂直于台面的工作载荷全部由一个滑块承担，则单滑块所受的最大垂向载荷为：
=1200N/4+500N=800N （2-1）
其中移动部件重量＝1200N，最大外加载荷=500N，故得到单滑块所受的最大垂向载荷=800N=0.8kN。
查《机电一体化系统设计课程设计指导书》（下略）表3-41，根据工作载荷=0.7kN，初选直线滚动导轨副的型号为KL系列的JSA-LG15型，其额定动载荷=7.94 kN，额定静载荷=9.5kN。
任务书规定工作台面尺寸C×B＝240mm×254mm，行程要求X=400mm，
Y=300mm。查表3-35，考虑滑块在工作台底部的安装位置，在保证工作行程应留
有一定余量的前提下，按标准系列选取导轨的长度为640mm。
（2）距离额定寿命L的计算
上述选取的KL系列JSA-LG15型导轨副的滚道硬度为60HRC，工作温度不超过100℃，每根导轨上配有两只滑块，精度为4级，工作速度较低，载荷不大。查表3-36～表3-40，分别取硬度系数=1.0，温度系数=1.00，接触系数=0.81，精度系数=0.9，载荷系数=1.5，代入得距离寿命：
5611km（2-2）
远大于常见球导轨的距离期望寿命50km，故初选型号满足设计要求。
2.3 滚珠丝杆的设计计算
（1）最大工作载荷的计算
根据任务书要求不考虑工作台受到的铣削力，即=0，受到垂直载荷=500N。
已知移动部件总重量G=800N，按矩形导轨进行计算，查表3-29，取颠覆力矩影响系数K=1.1，滚动导轨上的摩擦因数μ=0.005。求得滚珠丝杠副的最大工作载荷
=[1.1×0+0.005×(500+1200)]N=8.5N（2-3）（2）最大动载荷的计算
根据任务要求，工作台在承受最大铣削力时的最快进给速度=1000mm/min，初选丝杠导程=4mm，则此时丝杠转速= 250 r/min。
取滚珠丝杠的使用寿命T=15000 h，代入，得丝杠寿命系数=225（单位为：106 r）。
查表3-30，取载荷系数=1.2，滚道硬度为60HRC时，取硬度系数=1.0，代入得最大动载荷：
42.5N （2-4）
（3）初选型号
根据计算出的最大动载荷和初选的丝杠导程，查表3-32，选择CM系列2004-5型滚珠丝杠副，为内循环固定反向器单螺母式，其公称直径为20 mm，导程为4 mm，循环滚珠为2×2.5，精度等级取4级，额定动载荷为9197 N，大于，满足要求。
（4）传动效率的计算
将公称直径=20mm，导程=4mm，代入，得丝杠螺旋升角=4°33’。将摩擦角=10’，代入，得传动效率=96.4%。
（5）刚度的验算
1）X-Y工作台上下两层滚珠丝杠副的支承均采用“单推-单推”的方式。丝
杠的两端各采用一对推力角接触球轴承，面对面组配，左、右支承的中心距离约为=500mm；钢的弹性模量＝2.1×105 Mpa；查表3-32，得滚珠直径
=3.175mm，丝杠底径=16.2mm，丝杠截面积=206.12mm2。
当丝杠的拉伸或压缩变形量在总变形量中所占的比重较大时，按
进行计算，忽略式中第二项，算得丝杠在工作载荷作用下产生的拉/压变形量
=[6.5×440/(2.1×105 ×229.66)]mm≈7.49×10-5 mm 2）根据公式，求得单圈滚珠数=20；该型号丝杠为单螺母，滚珠的圈数×列数为3×1，代入公式：×圈数×列数，得滚珠总数量=60。丝杠预紧时，取轴向预紧力=2.17 N。则可求得滚珠与螺纹滚道间的接触变形量≈6.165×10-5 mm。因为丝杠加有预紧力，且为轴向负载的1/3，所以实际变形量可减小一半，取=3.08×10-5 mm。
3）将和代入，求得丝杠总变形量=10.57×10-5
mm=0.1057μm。
查表3-27可知，4级精度滚珠丝杠在有效行程在≤315mm时，行程偏差为25，可见丝杆刚度足够。
（6）压杆稳定性校核
滚珠丝杠属于受轴向力的细长杆，失稳时的临界载荷应满足
。
查表3-31，取支承系数=1；由丝杠底径=16.2mm，求得截面惯性矩≈3380.88mm4；压杆稳定安全系数取3（丝杠卧式水平安装）；滚动螺母至轴向固定处的距离取最大值500mm），得临界载荷≈ 9343N，远大于工作载荷=6.5N，故丝杠不会失稳。
综上所述，初选的滚珠丝杠副满足使用要求。
2.4 步进电机的选型与计算
（1）计算加在步进电动机转轴上的总转动惯量
已知滚珠丝杠的公称直径=20mm，总长=440mm，导程=4mm，材料密度=7.85×10-3 kg/cm3；移动部件总重量G=1200N。
参照表4-1，算得各个零部件的转动惯量：滚珠丝杠的转动惯量
=0.543kg·cm2，拖板折算到丝杠上的转动惯量=0.331kg·cm2。
因系统脉冲当量为0.01mm/脉冲，系统传动比为1，滚珠丝杠导程为4mm，故初选步进电动机型号为90BYG2502，二相四拍驱动时步距角为0.9o，从表4-5
查得该型号电动机转子的转动惯量=4kg·cm2。则加在步进电动机转轴上的总转动惯量为：
=[4+（0.331+0.543）/1]kg·cm2=4.874kg·cm2（2）计算加在步进电动机转轴上的等效负载转矩
分快速空载起动和承受最大工作负载两种情况进行计算。
1）快速空载起动时电动机转轴所承受的负载转矩包括三部分：一部分是快速空载起动时折算到电动机转轴上的最大加速转矩；一部分是移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩；还有一部分是滚珠丝杠预紧后折算到电动机转轴上的附加摩擦转矩。因为滚珠丝杠副传动效率很高，相对于和很小，可以忽略不计。则有：
（2-5）
考虑传动链的总效率，计算快速空载起动时折算到电动机转轴上的最大加速转矩：
其中，为对应空载最快移动速度的步进电动机最高转速，单位为r/min：
已知空载最快移动速度=1000mm/min，步进电动机步距角=0.9o，脉冲当量=0.01mm/脉冲，代入以上各值得=250r/min。
设步进电动机由静止到加速至转速所需时间=0.4s，传动链总效率
=0.7。则可求得：
N·m≈0.0456N·m
移动部件运动时，折算到电动机转轴上的摩擦转矩为：
（2-6）
其中，已知滚动导轨的摩擦因数=0.005，空载时垂直方向的铣削力=0，得：
N·m≈3.638×10-3N·m
故求得快速空载起动时电动机转轴所承受的负载转矩：
=0.0492N·m
2）最大工作负载状态下电动机转轴所承受的负载转矩也包括三部分：一部分是折算到电动机转轴上的最大工作负载转矩；一部分是移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩；还有一部分是滚珠丝杠预紧后折算到电动
机转轴上的附加摩擦转矩。同样的，相对于和很小，可以忽略不计。则有：，因本设计不考虑工作台受到的铣削力，因此折算到电动机转轴上的最大工作负载转矩=0。
计算垂直方向承受最大工作负载情况下，移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩：
≈5.911×10-3N·m 求得最大工作负载状态下电动机转轴所承受的负载转矩为=5.911×
10-3N·m。
经过上述计算后，得到加在步进电动机转轴上的最大等效负载转矩应为：
==0.0492N·m
（3）步进电动机最大静转矩的选定
考虑到步进电动机的驱动电源受电网电压影响较大，当输入电压降低时，其输出转矩会下降，可能造成丢步，甚至堵转。因此，根据来选择步进电动机的最大静转矩时，需要考虑安全系数。取安全系数K=4，则步进电动机的最大静转矩应满足：
=0.1968 N·m
上述初选的步进电动机型号为90BYG2502，由表4-5查得该型号电动机的最大静转矩 = 6 N·m ，可满足要求。
（4）步进电动机的性能校核
1）最快移动速度时电动机输出转矩校核
任务书给定工作台最快移动速度=1000mm/min，脉冲当量δ=0.01mm/脉冲，则可求出电动机对应的运行频率=[1000/(60×0.01)]Hz ≈1667Hz。
90BYG2502电动机的运行矩频特性曲线图如下：
可见在此频率下，电动机的输出转矩≈4.5N·m，远远大于最大工作负载转矩=0.0492N·m，满足要求。
2）最快移动时电动机运行频率校核
与最快移动速度=1000mm/min对应的电动机运行频率=1667Hz。查表4-5可知90BYG2502电动机的空载极限运行频率为20000Hz，可见没有超出上限。
3）起动频率的计算
已知电动机转轴上的总转动惯量=4.874kg·cm2，电动机转子的转动惯量=4kg·cm2，查表4-5，电动机转轴不带任何负载时的最高起动频率=1800Hz. 则,可以求出步进电动机克服惯性负载的起动频率：
=1208Hz （2-6）
上式说明，要想保证步进电动机起动时不失步，任何时候的起动频率都必须＜1208Hz，满足要求。
综上所述，本例中工作台的进给传动选用90BYG2502步进电动机，完全满足设计要求。
2.5 机械系统结构设计
以下参照三维造型图和总装配图，来进行机械系统结构设计的说明。
本设计考虑设计任务工作台面尺寸要求为C×B×H＝240mm×254mm×15mm，而底座外形尺寸为C1×B1×H1＝650mm×550mm×184mm；为不超出底座外形尺寸要求，故选用了标准系列导轨副长度640mm，同时为了保证行程要求X=400mm，Y=300mm，因此不能将导轨滑块装置在工作台两边缘，而是分别向内缩进了24mm。
又因为工作台最大长度L=778mm，故总体结构相对而言较为紧凑，依靠步进电动机和滚珠丝杠副的选型来满足脉冲当量的需求，而无需添加齿轮减速箱，且将增量式旋转编码器装置在滚珠丝杠副末端，形成半闭环控制，既使空间结构紧凑有序，又保证了精度需求。
考虑到装配需求，故设计了独立的步进电动机与导轨底座的连接座，同时设计了相应的端盖，通过螺钉与轴承端盖连接，步进电机轴在端盖内通过联轴器与滚珠丝杠副连接，并给联轴器预留了足够了装配空间。
同时在模拟实际使用情况时，在保证行程要求的前提下，工作台不会触碰到连接座，可以安全使用。
3、控制系统硬件设计
3.1 控制系统硬件组成
考虑控制系统中需要不同的稳压电平，因此需要引入电源设计电路；CPU控制电路主要对电机信号进行控制，并接收外部限位开关、暂停和点动输入信号，并根据响应信号对步进电机进行控制；CPU电路为TTL电平，与外部信号电平不一致，需要添加光电耦合器，同时减少外部干扰；CPU输出的电压信号不能直接驱动电机转动，需要经过驱动电路进行电压和电流信号的放大以及对信号脉冲分频处理。
3.2 控制系统硬件选型
微控制器的选用：
本次设计选用的的是微机控制系统，X-Y数控工作台要求控制系统计算精度较高、处理速度较快；加之在考虑尽量减少成本、选择程序编制较为简易以及方便扩充I/O接口的前提下，我们选择了使用AT89C52作为我们的微处理器，选择此微处理器能够满足任务书给定的相关指标的设计要求。
AT89C52单片机主要性能参数及功能特性
AT89C52的主要工作特性：
· 8031CPU（8051的内核）；
· 8KB的快速擦写Flash存储器，用于程序存储器，可擦写次数为1000次；
· 256字节的RAM，其中高128字节地址被特殊功能寄存器SFR占用；
· 32跟可编程I/O端口：P0、P1、P2、P3；
· 2个可编程16位定时器：P3口的第二功能；
·具有6个中断源、5个中断矢量、二级优先权的中断系统；
· 1个数据指针DPTR；
· 1个可编程的全双工串行通信：P3口的第二功能；
·具有“空闲”和“掉电”两种低功耗工作方式；
·可编程的3级程序锁定位；
·工作电源的电压为(5±0.2)V；
·振荡器最高频率为24 MHz；
·编程频率3~24 MHz，编程电流1 mA，编程电压Vpp为5 V或12 V。
· P1.0口的T2为定时器/计数器，P1.1口的T2EX为具有捕捉/重装操作的定时器/计数器。
图4-1为AT89C52单片机原理结构图，从图中可了解到，AT89C52内部结构可分为：内核CPU部分、存储器部分、I/O接口部分和特殊功能部分（如定时器/计数器、外中断控制模块等）。
AT89C52单片机的CPU是8位字长，主要包括运算器和控制器两部分。AT89C52单片机芯片内配置有8KB的FLASH程序存储器和256字节的数据存储器RAM，设计时可外扩到最大64KB的程序存储器和64KB的数据存储器，其存储器结构可分为4部分：片内程序存储器、片外程序存储器、片内数据存储器和片外数据存储器。本次设计不作扩展，使用单片机自身提供的8KB FLASH程序存储器和256字节数据存储器RAM能够满足设计要求。
AT89C52单片机内部集成了4个可编程的并行I/O接口(P0~P3)，每个接口电路都具有锁存器和驱动器，输入接口电路具有三态门控制。P0~P3口同RAM统一编制，可以当作特殊功能寄存器SFR来寻址。AT89C52单片机可以利用其I/O 接口直接与外围电路相连，本设计将会使用可编程并行接口芯片8255A作为CPU 的I/O口的扩展，P0~P3口在开机或复位时均呈高电平。
隔离电源的选择：
隔离电源的获得可有几种途径。一种途径是采用不同的电源供电，另一种途径是试用具有直流隔离功能的的DC/DC变换器。此次设计，我选择采用如图4-6所示的具有无直接关联的二次侧输出电压，然后对其输出V1、V2分别进行整流、滤波、稳压等处理，即可获得不共地的直流稳压电源。
此次设计我选用的是微机控制系统，微机控制系统使用的是直流电源，AT89C52单片机芯片及其扩展芯片需要提供稳定的+5V直流电源，控制系统由于在开关信号输入电路中应用了TLP521-1光耦合器，因此也要给TLP521-1光耦合器的输入端提供独立的+12V供电电源；为此我通过参考已有书籍和文献资料选用了两套电源设计方案。
我所选择的控制系统的电源均采用的是串联型稳压电源，它使用的是连续线性控制方式，具有稳定度高、可靠性好、成本较低的优点，非常适合应用在像本
交流电
变压滤波稳压负载
整流
控制系统在内的低电压、小电流的场合，主要负责给控制系统的主机电路供电；其电路的主要结构如下图所示。
光电耦合隔离电路元件的选择：
光电隔离是有光耦合器来完成的。光耦合器是以光为媒介传输信号的器件，其输入端配置发光源，输出端配置受光源，因而输入和输出在电气上是完全隔离的。本设计将会使用开关量电路，因此设计时选择在电路中接入光耦合器，从而使其输入侧与输出侧的信号得到了电气隔离，互补影响。
我们选用的是普通的信号隔离用光耦合器(TLP521-1)。TLP521-1光耦合器以发光二极管为输入端，光敏晶体管为输出端，能够隔离频率在100kHz以下的信号，满足我此次设计的要求。
驱动器件的选择：
步进电动机的脉冲分配有多种形式，主要分为硬件环分和软件环分。
硬件环分通常由专用集成芯片或通过可编程逻辑器件组成，如CH250是三相反应式步进电动机环行分配器的专用芯片，L297和PMM8713是两相步进电动机的专用芯片等。采用硬件环分时，步进电动机的通电节拍由硬件电路来决定，编程软件时可以不考虑。控制器与硬件环分电路的连接只需两根信号线：一根方向线，一根脉冲线（或者一根正转脉冲线，一根反转脉冲线）。
本系统设计选择的是硬件环分，通过AT89C52单片机编程步进电机配套的驱动器BD28Nb，输入电机转动方向信号和驱动脉冲，通过驱动器内部电路的环分电路输出步进脉冲控制步进电机转动，实现数控工作台的功能要求。
BD28Nb的性能指标如下：
电气特性 Ti=25℃
通过面板上的设定开关第1，2位选择电流。
方向控制：
（1）通过面板上的设定开关第3位可设定电机运转方向。
（2）外部输入信号Cw电平变化亦可改变电机运转方向。
注：电机的初始运行方向与电机的接线有关，互换任意两相可以改变初始运行的方向。
步进脉冲输入信号Cp:
最大通过频率为200KHz（BD28Fb）或10KHz（BD28Nb）。脉冲的低电平时间应大于500nS。
使能信号En：
（1） En端外加低电平时，电机响应Cp端输入脉冲运行，Cp端没有信号时，电机处于半流锁定状态；
（2） En端悬空时，驱动器切断电机各相的电流使电机轴处于自由状态，此时步进脉冲Cp将不被响应。
输出信号A1、A2，B1、B2:
接二相混合式步进电动机的出线。
刀具的动作只有落刀和提刀两个，可以通过电磁继电器来控制。AT89C51单片机对电磁继电器的控制可以通过ULN2003A来驱动
3.3 控制系统硬件接口电路设计
CPU控制电路：
P0口输出步进电机和刀具的驱动信号，控制步进电机转动以及刀具的动作；P1口作为控制面板的输入信号接收端，检测电动信号输入以及演示输入；P2口是限位信号输入接收端；限位以及暂停信号通过TTL门电路输出暂停中断接入INT0中断输入口。
电源设计电路
外部进过变压后的交流电源通过整流、滤波、稳压后输出所需的直流电压。
整流：使用桥式整流器KBPC108搭建的桥式整流电路，从其命名中我们就能知道其正向电流为1A，耐压值（最高方向电压）800V，通过桥式整流，将交流降压电路输出的电压较低的交流电转换成单向脉动性直流电。
滤波：由于整流过后输出的直流电压脉动较大，而我所设计的微机控制系统需要稳定的直流电源；因此在整流电路后面还需加滤波电路将交流成分滤除，以得到比较平滑的输出电压。滤波通常是利用电容或电感的能量存储功能来实现的，此次设计采用的是电容滤波电路，既在整流电路的输出端并联一只大容量的电容。
稳压：电压的稳定在此采用了MC7805三端固定电压稳压器，而为了能获得+5V的稳定电压需要扩展输出电流，因此电源电路设计选择了并联两片MC7805三端固定电压稳压器。
输入信号接口电路：
外部信号通过光电耦合器将信号输入控制电路内部，限位开关信号和暂停按钮信号通过TTL门电路输出暂停信号到CPU控制电路，同时限位开关信号将各自信号输入CPU的P2口用于CPU对暂停信号检测。
3.4 驱动系统设计
因为我们选用的是90BYG2502步进电机，故选用配套的BD28Nb驱动电源来驱动步进电机转动，采用硬件环分法进行驱动。驱动电源的接线参考相关技术资料。
4、控制系统软件设计
4.1 控制系统软件总体方案设计
程序启动后循环检测输入信号，允许点动输入，当演示按钮按下后不允许直接点动输入，要点动输入必须先按暂停按钮。限位信号和暂停按钮要立即响应，因此将这些信号归一后引入外部中断0，外部中断0的服务程序中要对中断触发信号进行检测，如果是暂停信号，接下来要检测是不是会有点动输入，没有输入则程序原地循环，如果有点动信号则对信号检测，调用电机驱动程序作出相对应的响应。暂停信号的原地循环允许被演示信号打断跳出。当按下演示按钮后，程序将画出圆心在原点，半径为r的圆。
4.2 主流程设计
INT0IS：PUSH ACC
PUSH DPTL
PUSH DPTH
PUSH PSW
MOV A，PA
MOV DPTR，A
MOVX A，@DPTR ；读PA口内容
MOV R2，A
MOV A，PB
MOV DPTR,A
MOV @DPTR,R2
MOV A，R2
CPL A ；A取反
ANL A，#03H ；屏蔽高6位
JZ A，TM2C
SETB P1.0
SETB P1.1
SETB P1.2
TM2C：MOV A，R2
CPL A
ANL A，#0CH
JZ A，RETIN
SETB P1.3
图6-2 SETB P1.4
SETB P1.5
RETIN：POP PSW
POP DPTH
POP DPTL
POP ACC
RETI
上下料机械手课程设计说明书
专业课程设计 任务书 一、目的与要求 《专业课程设计》是机械设计及自动化专业方向学生的重要实践性教育环节，也是该专业学生毕业设计前的最后一次课程设计。拟通过《专业课程设计》这一教学环节来着重提高学生的机构分析与综合的能力、机械结构功能设计能力、机械系统设计的能力和综合运用现代设计方法的能力，培养学生的创新与实践能力。在《专业课程设计》中，应始终注重学生能力的培养与提高。《专业课程设计》的题目为工业机械手设计，要求学生在教师的指导下，独立完成整个设计过程。学生通过《专业课程设计》，应该在下述几个方面得到锻炼： 1．综合运用已学过的“机械设计学”、“液压传动”、“机械系统设计”、“计算机辅助设计”等课程和其他已学过的有关先修课程的理论和实际知识，解决某一个具体设计问题，是所学知识得到进一步巩固、深化和发展。 2．通过比较完整地设计某一机电产品，培养正确的设计思想和分析问题、解决问题的能力，掌握机电产品设计的一般方法和步骤。 3．培养机械设计工作者必备的基本技能，及熟练
地应用有关参考资料，如设计图表、手册、图册、标 准和规范等。 4． 进一步培养学生的自学能力、创新能力和综合 素质。 二．主要内容 表1精锻机上料机械手主要技术参数 手臂运动形式 （ 圆柱坐标式 抓取重量 60kgf 自由度 4个 手 手臂运动行程和速度 水平伸缩 500mm 设定点2 升降 600mm 设定点2 左右旋转 200度 设定点3 手腕回转和速度180度 设定点2 手指夹持范围 四种规格 90-120 定位方式和定位精度 机械挡块 +-1mm 控制方式 点位程控，开关板预选 驱动方式 液压 kgf/cm2
河南机电高等专科学校《机器人应用技术》课程作品 设计说明书 作品名称：多功能机械手 专业：机电一体化技术 班级：机电124班 扣号： 姓名：流星 2014 年 10 月 1 日
目录 一课题概述 (2) 1、选题背景 (2) 2、发展现状和趋势 (3) 3、研究调研 (4) 二机械手组成及工作过程 (6) 1、整体结构分析 (6) 2、所需器材 (6) 3、底座部分 (8) 4、躯干部分 (9) 5、上臂部分 (10) 6、手爪部分 (11) 7、机械手系统的总调试 (12) 三软件部分 (13) 1、机械手软件编制流程图 (13) 2、机械手运行控制程序图 (14) 四设计体会 (15) 一课题概述 1、选题背景 随着我国经济的高速发展，各种电子产品和各种创新机械结构的出现，工业机器人的作用在装配制造业产业中的地位更加重要了。另一方面随着人们生活水平的提高传统制造产业劳动力生产成本进一
步提高，这也使企业意识到用高速准确的机械自动化生产代替传统人工操作的重要性。其中机械手是其发展过程中的重要产物之一，它不仅提高了劳动生产的效率，还能代替人类完成高强度、危险、重复枯燥的工作，减轻人类劳动强度，可以说是一举两得。在机械行业中，机械手越来越广泛的得到应用，它可用于零部件的组装，加工工件的搬运、装卸，特别是在自动化数控机床、组合机床上使用更为普遍。目前，机械手已发展成为柔性制造系统FMS和柔性制造单元FMC中一个重要组成部分。把机床设备和机械手共同构成一个柔性加工系统或柔性制造单元，可以节省庞大的工件输送装置，结构紧凑，而且适应性很强。但目前我国的工业机械手技术及其工程应用的水平和国外比还有一定的距离，应用规模和产业化水平低，机械手的研究和开发直接影响到我国机械行业自动化生产水平的提高，从经济上、技术上考虑都是十分必要的。因此，进行机械手的研究设计具有重要意义。 在这样一个大的背景下结合自己的专业机电一体化，我们选择多功能机械手来作为我们的设计题目。结合专业特点使用德国慧鱼机器人教学模型作为我们实现这一课题的元件。利用慧鱼模型的各种机械结构组装出机械手的机械部分，用pc编程实现对机械手的自动控制，利用限位开关来保护电机和控制机械手位置的准停。 这个课题可以充分的体现机电一体化的由程序自动控制机械结构的运动，对自己以前的所学的课程也是一种巩固。另一方面这个机械手可以实现一定的搬运功能具有很强的实用性能。 2、发展现状和趋势
机电一体化系统设计基础 课程设计报告 专业：机械电子工程 班级：机电0811 学号： 2008716022 姓名：陈智建 指导教师：刘云、柯江岩 2012 年 1 月 13 日
目录 第一节绪论 (3) 1.1课程设计目的意义 (3) 1.2课程设计任务描述 (3) 1.3数控铣床的性能指标设计要求 (3) 第二节总体方案设计 (4) 2.1主轴驱动系统设计方案 (4) 2.2 X/Y/Z轴控制系统方案设计 (4) 2.3电气系统设计方案 (4) 第三节传动系统设计 (5) 3.1主轴传动系统的设计 (5) 3.1.1主轴电机选择 (5) 3.1.2变频器的选择 (5) 3.1.3主轴传动系统设计 (5) 3.2伺服驱动系统设计 (6) 3.2.1伺服传动机构设计 (6) 3.2.2伺服电机选择 (6) 3.2.3 滚珠丝杠的选择 (6) 3.2.4滚珠丝杠支承的选择 (8) 3.3设计验算校核 (8) 3.3.1惯量匹配验算 (8) 3.3.2伺服电机负载能力校验 (9) 3.3.3系统的刚度计算 (9) 3.3.4固有频率计算 (10) 3.3.5死区误差计算 (11) 3.3.6系统刚度变化引起的定位误差计算 (11) 第四节电气系统设计 (12) 第五节总结 (15) 参考文献 (15) 附：6张系统框图和元器件图
第一节绪论 1.1课程设计目的意义 机电一体化是一门实践性强的综合性技术学科，所涉及的知识领域非常广泛，现代各种先进技术构成了机电一体化的技术基础。机电一体化系统设计基础课程设计属于机械电子工程专业的课程设计，培养学生综合应用所学的知识，进行机电一体化系统设计的能力。 1.2课程设计任务描述 本课程设计主要要求学生设计一数控铣床的传动系统跟控制系统，即在已有数控系统的基础上，根据实际加工要求，进行二次开发。由于生产数控系统，伺服电动机的驱动器，伺服电机的厂家很多，即使同一厂家，其生产的产品系统和型号也很多。为了避免在设计过程中选型过于宽广，并考虑到本设计的目的主要是为了训练从事设计的基本能力，数控系统规定选用Fanuc OI MATE MC。根据该数控系统控制性能，可控制3个伺服电动机轴和一个开环主轴（变频器），满足4轴联动数控铣床的控制要求。考虑到CNC控制器，驱动器和电机之间电器接口的相互匹配，在该设计中，要求3轴伺服驱动器，伺服电动机都采用Fanuc 公司生产的产品。 1.3数控铣床的性能指标设计要求 （1）主轴的转速范围：1000—24000 （rpm） （2）主轴电机功率：30/37 kw （3）X/Y/Z轴快速进给速度15/15/15m/min，X/Y/Z轴切削进给速度，1-10000 mm/min （4）系统分辨率：0.0005mm,重复精度0.02mm。
第一章绪论 1．机电一体化包括哪六大共性关键技术（相关技术）？p1 答：机电一体化包括六大共性关键技术：（1）精密机械技术，（2）伺服传动技术，（3）检测传感技术，（4）信息处理技术，（5）自动控制技术，（6）系统总体技术。 2．一个较完善的机电一体化系统，应具有哪六个基本功能要素？p2 答：机电一体化系统应具有以下六个基本功能要素：（1）机械本体，（2）动力部分，（3）传感检测部分，（4）执行机构，（5）驱动部分，（6）控制及信息处理、各要素和环节之间相联系的接口。 3．何谓机电一体化系统中的接口？接口的作用和基本功能是什么？p3 答：机电一体化系统中的接口，是机电一体化系统中各子系统之间进行物质、能量和信息传递与交换的联系部件。接口的作用使各要素或子系统联接成为一个有机整体，使各个功能环节有目的地协调一致运动，从而形成机电一体化的系统工程。接口的基本功能主要有三个：一是交换，通过接口完成使各要素或子系统之间信号模式或能量的统一；二是放大，在两个信号强度相差悬殊的环节间，经接口放大，达到能量的匹配；三是传递，变换和放大后的信号在环节间可靠、快速、精确地交换，必须遵循协调一致的时序、信号格式和逻辑规范。接口具有保证信息传递的逻辑控制功能，使信息按规定模式进行传递。 4．简述执行部分的功能和分类。P3 答：执行机构的功能是根据控制信息和指令完成所要求的动作。执行部分是运动部件，一般采用机械、电磁、电液等机构。它将输入的各种形式的能量转换为机械能。 5．何谓机械本体？P2 答：机械本体包括机械传动装置和机械结构装置。其主要功能是使构造系统的各子系统、零部件按照一定的空间和时间关系安置在一定位置上。 6．何谓动力部分？p2 答：部分动力部分的功能是按照机电一体化技术系统的控制要求，为系统提供能量和动力以保证系统正常运行。 7．何谓传感检测部分？p2 答：传感检测部分的功能是对系统运行过程中所需要的本身和外界环境和各种参数及状态进行检测，并转换成可识别信号，传输到信息处理单元，经过分析、处理后产生相应的控制信息。 8．机电一体化技术方向？p8
齐鲁工业大学 课程设计大纲 学院名称机械与汽车工程学院课程名称计算机控制技术开课教研室机械电子工程系 指导老师张志秀 姓名韩高升
一、序言 （1）换热站发展的背景 从能源节约、环保要求、政府政策等几方面考虑，目前许多城市都采用了集中供热，拆除了许多小供热锅炉；集中供热锅炉将热源送往各片区的换热站，再由换热站把热量送往千家万户。 （2）换热站主要工艺 换热站设备一般包括2台换热器、3循环泵、一用一备式变频恒压补水系统及水处理设备；锅炉房热水经一网循环把热量送入换热站，站内隔离式换热器将热量传递给二网循环送往用户；换热站自动化控制系统主要监控一网、二网进、出水的温度、压力、流量和循环泵、补水泵的状态、启停控制、转速、故障以及电量等参数； （3）换热站控制系统硬件构成 压力变送器、热电阻、流量计、液位变送器、数采模块、隔离配电模块、嵌入式触摸屏、MCGS嵌入版软件 （4） MCGS嵌入版软件功能特点 ☆容量小：整个系统最低配置只需要极小的存贮空间，可以方便的使用DOC等存贮设备； ☆速度快：系统的时间控制精度高，可以方便地完成各种高速采集系统，满足实时控制系统要求；
☆成本低：使用嵌入式计算机，大大降低设备成本； ☆真正嵌入：运行于嵌入式实时多任务操作系统； ☆稳定性高：无风扇，内置看门狗，上电重启时间短，可在各种恶劣环境下稳定长时间运行； ☆功能强大：提供中断处理，定时扫描精度可达到毫秒级，提供对计算机串口，内存，端口的访问。并可以根据需要灵活组态； ☆通讯方便：内置串行通讯功能、以太网通讯功能、GPRS通讯功能、Web浏览功能和Modem远程诊断功能，可以方便地实现与各种设备进行数据交换、远程采集和Web浏览； ☆操作简便：MCGS嵌入版采用的组态环境，继承了MCGS通用版与网络版简单易学的优点，组态操作既简单直观，又灵活多变； ☆支持多种设备：提供了所有常用的硬件设备的驱动； 二、换热站自动化控制系统 控制系统总体
（2）水平面内转30度，手臂自转90度，前进50mm。
机械手的夹持器还有夹紧和放松动作； 机械手工作频率：20/min； 升降 0.3kw，摆动 0.1kw，伸缩 0.1kw，夹持 0.2kw。2执行机构的选择与比较 §2-1 转角机构（实现平面转角0 30功能） 方案一 实现平面转角0 30的过程：电机带动不完全 齿轮运动，不完全齿轮带动全齿轮运动，与全 齿轮固结的四杆机构，使滚子在预先设计好形 状的槽内运动，左右运动的极限位置恰好是30 度。 机构评价： 优点：因为槽的形状固定，所以能保证在一个 行程内，机构的平面转角就是30度。 不完全齿轮的使用，为机械手在抓放物 体时留下了工作时间。 缺点：由于四杆机构的运动被槽限制住，最短杆 无法做周转运动，导致机构的回程要求齿 轮的翻转，必须在前面加入变速箱改变速 度方向。 方案二 实现平面转角0 30的过程：皮带轮传动给蜗 轮蜗杆从而使不完全齿轮，有间歇地带动完全齿 轮转动，齿轮通过杆拉动齿条，由齿轮来回往复 地带动固接杆转动0 30 机构评价： 优点：同样具有结构简单，传力较小运 动灵活，造价低准确地实现转角0 30的 要求，可以控制间歇实现循环功能。 缺点：磨损较严重，效率较低，齿轮尺 寸过大加工难。 方案三 30的过程：使用槽 实现平面转角0 轮实现平面转角30度，只要计算好槽轮 的槽数，就能在主动圆盘转360度时， 使从动轮转30度。机构评价： 优点：结构简单，外形尺寸小，机械效
率高，并能平稳的间歇地进行转位。 缺点：传动存在柔性冲击，且是单向的间歇运动，同样要求变速箱改变运动方向。 方案的选择与比较： 只有第二个方案能较好的实现对传动系统的功能要求在平面转动上能准确地控制在30度，制造简单方便。 §2-2 上升机构（实现上升100功能要求） 方案一 实现上升的过程：皮带轮传动，使蜗杆带动蜗轮，蜗轮和齿条配合。通过控 制蜗杆的半径，使转动一周后，使齿条上升100. 机构评价： 优点：蜗杆的轮齿是连续的螺旋尺，故传动平 稳，啮合冲击小。 缺点:啮合齿轮间的相对滑动速度较大，摩擦 磨损较大，传动效率较低，易出现发热 现象，常用耐磨材料制作，成本高。 方案二 实现上升的过程：皮带轮传动给蜗轮蜗杆 从而使凸轮转动，凸轮通过顶杆推动滑块滑 动，从而使工作杆上升100mm。 机构评价： 优点：结构简单，传力较小，凸轮不用太大就 可以达到所需要的高度。 缺点：效率过低，滑块容易磨损且一旦磨断严重影响上升高度，寿命不高。
机电一体化课程设计报 告
机电一体化系统设计基础 课程设计报告 专业：机械电子工程 班级：机电0811 学号： 2008716022 姓名：陈智建 指导教师：刘云、柯江岩 2012 年 1 月 13 日
目录 第一节绪论 (4) 1.1课程设计目的意义 (4) 1.2课程设计任务描述 (4) 1.3数控铣床的性能指标设计要求 (4) 第二节总体方案设计 (5) 2.1主轴驱动系统设计方案 (5) 2.2 X/Y/Z轴控制系统方案设计 (5) 2.3电气系统设计方案 (5) 第三节传动系统设计 (6) 3.1主轴传动系统的设计 (6) 3.1.1主轴电机选择 (6) 3.1.2变频器的选择 (6) 3.1.3主轴传动系统设计 (6) 3.2伺服驱动系统设计 (7) 3.2.1伺服传动机构设计 (7) 3.2.2伺服电机选择 (7) 3.2.3 滚珠丝杠的选择 (8) 3.2.4滚珠丝杠支承的选择 (9) 3.3设计验算校核 (9) 3.3.1惯量匹配验算 (9) 3.3.2伺服电机负载能力校验 (10) 3.3.3系统的刚度计算 (11) 3.3.4固有频率计算 (11) 3.3.5死区误差计算 (12) 3.3.6系统刚度变化引起的定位误差计算 (12) 第四节电气系统设计 (13) 后附6张系统框图和元器件图。 (15) 第五节心得体会 (16) 参考文献 (17)
第一节绪论 1.1课程设计目的意义 机电一体化是一门实践性强的综合性技术学科，所涉及的知识领域非常广泛，现代各种先进技术构成了机电一体化的技术基础。机电一体化系统设计基础课程设计属于机械电子工程专业的课程设计，培养学生综合应用所学的知识，进行机电一体化系统设计的能力。 1.2课程设计任务描述 本课程设计主要要求学生设计一数控铣床的传动系统跟控制系统，即在已有数控系统的基础上，根据实际加工要求，进行二次开发。由于生产数控系统，伺服电动机的驱动器，伺服电机的厂家很多，即使同一厂家，其生产的产品系统和型号也很多。为了避免在设计过程中选型过于宽广，并考虑到本设计的目的主要是为了训练从事设计的基本能力，数控系统规定选用Fanuc OI MATE MC。根据该数控系统控制性能，可控制3个伺服电动机轴和一个开环主轴（变频器），满足4轴联动数控铣床的控制要求。考虑到CNC控制器，驱动器和电机之间电器接口的相互匹配，在该设计中，要求3轴伺服驱动器，伺服电动机都采用Fanuc公司生产的产品。 1.3数控铣床的性能指标设计要求 （1）主轴的转速范围：1000—24000 （rpm） （2）主轴电机功率：30/37 kw （3）X/Y/Z轴快速进给速度15/15/15m/min，X/Y/Z轴切削进给速度，1-10000 mm/min
河北建筑工程学院 毕业设计计算说明书 系别：能环学院 专业：建筑环境与设备工程 班级：建环 121 姓名：任少朋 学号： 2012305127 起迄日期：16年02月21日~ 16年06月15日 设计（论文）地点:河北建筑工程学院 指导教师：贾玉贵职称：副教授 2016 年 06 月 15 日
摘要 随着人们生活水平的提高，集中供热被越来越多地采用，采用集中供暖可以减少能量的浪费,提高供热效率,减少环境污染,利于管理.同时采用集中供热可提高供热质量,提高人们的生活质量。 本题目是以张家口市桥西区恒峰热力有限公司集中供热系统M13号热力站供热区域的工程设计、改造为需用背景的实际工程。本工程为张家口市桥西区集中供热工程张家口市检察院换热站，属于原有燃煤锅炉房改造工程。供热区域总建筑面积：110000m2，总热负荷：约6400kw。 本次设计主要有工程概述、热负荷计算、供热方案确定、管道水力计算、系统原理图和平面布置图绘制、设备及附件的选择计算的内容。 除上述内容外，在计算说明书中尚需包括如下一些曲线:供回水温度随室外温度变化曲线，调节曲线。 本次设计要求使用CAD绘出图纸，其中包括设计施工说明、主要设备附件材料表，换热站设备平面布置图、换热站管道平面布置图、换热站流程图及相关剖面图等。 在换热站设计合理，安装质量符合标准和操作维修良好的条件下，换热站能够顺利地运行，对于采暖用户，在非采暖期停止运行期内，可以维修并且排除各种隐患，以满足在采暖期内正常运行的要求。 关键词：供热负荷设备选择计算及布置换热站系统运行板式换热器
目录 摘要 (1) 第一章设计概况 (4) 1.1设计题目 (4) 1.2设计原始资料 (4) 1.2.1 设计地区气象资料 (4) 1.2.2 设计参数资料 (4) 第二章换热站方案的确定 (5) 2.1换热站位置的确定 (5) 2.2换热站建筑平面图的确定 (5) 2.3换热站方案确定 (5) 2.4供热管道的平面布置类型 (5) 2.5管道的布置和敷设 (6) 2.6换热站负荷的计算 (6) 第三章换热站设备的选取 (7) 3.1换热器简介 (7) 3.1.1换热器概述 (7) 3.1.2换热器的分类 (7) 3.2换热器的选取 (9) 3.2.1换热器类型的选取 (9) 3.2.2换热器选型计算 (9) 3.3换热站内管道的水力计算 (10) 3.4循环水泵的选择 (11) 3.4.1循环水泵需满足的条件 (11) 3.4.2循环水泵选择 (11) 3.5补水泵的选择 (12) 3.5.1补水泵需该满足的条件 (12) 3.5.2补水泵的选择 (12) 3.6补水箱的选择 (14)
机电工程学院 《专业综合课程设计》 说明书 课题名称：简易机械手机械机构设计 学生姓名：沈柳根学号：20110611119 专业：机械电子工程班级：11机电 成绩：指导教师签字： 2015年1月5日
摘要 简易机械手是工业机械手的简化，功能相似，而工业机械手是近代自动控制领域中出现的一项新的技术，是现代控制理论与工业生产自动化实践相结合的产物，并以成为现代机械制造生产系统中的一个重要组成部分。工业机械手是提高生产过程自动化、改善劳动条件、提高产品质量和生产效率的有效手段之一。工业机械手设计是机械制造、机械设计和机械电子工程等专业的一个重要教学环节，是学完技术基础课及有关专业课以后的一次专业课程内容得综合设计。通过设计提高学生的机械分析与综合能力、机械结构设计的能力、机电液一体化系统设计的能力，掌握实现生产过程自动化的设计方法。 通过对于气动机械手的设计，展现了各个相关学科知识在这里的整合，有利于理解专业知识。 关键词：简易机械手；结构设计；气动
目录 摘要....................................................... 错误！未定义书签。 1 设计任务介绍及意义 (1) 1.1设计任务意义： (1) 1.2设计任务要求介绍： (1) 2 总体方案设计 (3) 2.1 结构分析 (3) 2.3 设计简介 (3) 3 机械传动结构设计 (5) 3.1传动结构总体设计 (5) 3.2手指气缸的设计 (6) 3.3纵向气缸的设计 (12) 3.4横向气缸的设计 (13) 4最终图纸 (15) 4.1装配图 (15) 5 总结 (16) 参考文献 (17)
机电一体化综合课程设计 《机电一体化课程设计任务书》普通格式 一．课程设计的目的 本次设计是机电一体化和计算机控制课程结束之后进行的一个重要的综合性、实践性教学环节，课程设计的基本目的是： 1、掌握机电一体化系统的设计过程和方法，包括参数的选择、传动设计、零件计算、结构设计、计算机控制等培养系统分析及设计的能力。 2、综合应用过去所学的理论知识，提高联系实际和综合分析的能力，进一步巩固、加深和拓宽所学的知识。
3、训练和提高设计的基本技能，如计算，绘图，运用设计资料、标准和规，编写技术文件（说明书）等。 二．设计任务及要求 设计题目：车辆出入库单片机自动控制系统 1.设计容包括：总体设计，机械系统的设计与计算，计算机控制系统设计，编写设计计算说明书； 2.课题容简介或设计要求：编制一个用单片机控制的车辆出入库管理控制程序，控制要求如下：1）入库车辆前进时，经过1# → 2#传感器后计数器加1，后退时经过2# → 1#传感器后计数器减1，单经过一个传感器则计数器不动作。2）出库车辆前进时经过2# → 1#传感器后计数器减1，后退时经过1# → 2#传感器后计数器加1，单经过一个传感器则计数器不动作。3）设计一个由两位数码管及相应的辅助元件组成的显示电路，显示车库车辆的实际数量。 3.机械部分的设计： 4.计算机控制的设计：设计显示电路图，并按图连接。画出单片机接线图，并按图接线。编制控制程序。 摘要 本次设计车辆出入库单片机自动控制系统的基本功能和设计思路，根据给定的条件，综合运用所学的基本理论、基本知识和相关的机械和电子方面的知识，完成车辆入库自动控制，并画好元器件的连接图，其中包括装置的原理方案构思和拟定；原理方案的实现，设计计算与说明。 车辆出入库单片机自动控制系统对我们生活很贴近，一个很实用的系统，可以有效地帮助我们管理车库，再加上如果用单片机来实现的话成本低，很实用，这是一个很有意义的设计。车辆入库单片机自动控制系统的难点在于,如何控制
精心整理换热站设计任务书 建筑环境与设备教研室 2011年1月1日
换热站设计任务书 一、设计题目 上城住宅小区换热站课程设计 二、原始资料 1、建筑物修建地区：长春 2、气象资料：查阅《规范》及相关手册 3、小区采暖热负荷：Q=4000+学号×100(kw) 4 5 6 7 8 1 2 要求等。 3、设计计算书 用统一的16开专用纸书写。 包括：设计题目、摘要、目录、设计原始资料、方案确定、设备选择、水力计算、绘制草图、参考文献、致谢等。 四、建议时间安排 1.方案设计：1天。 2.换热站设计计算：1天。
3.施工图绘制：4天。 4.撰写说明书：1.5天。 五、参考文献： 1.李善化，康慧.实用集中供热手册（第二版），北京：中国电力出版社，2006 2.陆耀庆.实用供热空调设计手册，北京：中国建筑工业出版社，1993 3.《工业锅炉房实用设计手册编写组》.工业锅炉房实用设计手册，北京：机械工业出版社，1991 4.贺平，孙刚。供热工程（第三版），北京：中国建筑工业出版社，1993 5. 6. 7. 8.2004
换热站课程设计指导书 一、设计目的 换热站设计是《流体输配管网》、《暖通空调》、《燃料与燃烧设备》课程的重要组成部分。通过本设计，掌握采暖热源的换热站设计程序、方法、步骤有关的基本知识，训练绘图技能。做到能够分析和解决集中供热中的一些工程技术问题。 二、设计步骤及内容 1、确定热源（换热站）的位置需考虑的因素 （1 （2 2 3 2 （ （ ③应考虑水泵联合运行的情况。 ④在水压图中表示出循环水泵的扬程。 （3）定压系统的选择与计算 定压方式有：变频水泵定压、补给水泵定压、气压罐定压。选择一种合理的型式并进行选择计算。 （4）选择水处理设备 水处理方式有：钠离子水处理器，贝膜水处理器、静电水处理器。选择一种合理的型式并进行选择计算。
课程设计说明书 2015 年 6 月9 日
目录 摘要 (2) 第1章概述 (3) 1.1设计目的 (3) 1.2课题的内容和要求 (4) 1.3进度安排 (4) 1.4设计进度安排 (4) 1.5基本要求 (5) 第2章课程设计的总体方案 (6) 2.1总体方案的确定 (6) 2.2 机械结构的设计 (6) 2.3 软件设计 (6) 第3章机械部分设计 (7) 3.1 元器件选型 (7) 3.2 机械结构构件及说明 (7) 3.3 工作台外形尺寸及重量初步估算 (8) 3.4 滚珠选择 (8) 3.5滑块导轨的选择与校核 (8) 3.6 弯曲应力σm的计算 (9) 3.7选择联轴器的考虑因素 (10) 3.8 轴承的选用与校核 (11) 第4章控制系统的设计 (14) 4.1 控制系统硬件电路的设计 (14) 4.2控制系统软件编程设计 (16) 参考资料 (18) 附录一：cad图纸 (19) 附录二：proe图 (20) 附录三：程序 (22)
摘要 机械手技术涉及到电子、机械学、自动控制技术、传感器技术和计算机技术等科学领域，是一门跨学科综合技术。随着工业自动化发展的需要，机械手在工业应用中越来越重要。文章主要叙述了机械手的设计过程，文章中介绍了机械手的设计理论与方法。 本课题以52单片机为核心设计，通过AutoCAD，proe技术对机械手进行结构设计，实现所需要的功能。 关键词：机械手、52单片机、AutoCAD、Proe
第1章概述 机械化、自动化已成在现代工业中突出的主题。化工等连续性生产过程的自动化已基本得到解决。但在机械工业中，加工、装配等生产是不连续的，机器人的出现并得到应用，为这些作业的机械化奠定了良好的基础。 机械手，多数是指程序可变（编）的独立的自动抓取、搬运工件、操作工具的装置（国内称作工业机械手或通用机械手）。 机械手是一种具有人体上肢的部分功能，工作程序固定的自动化装置。机械手具有结构简单、成本低廉、维修容易的优势，但功能较少，适应性较差。目前我国常把具有上述特点的机械手称为专用机械手，而把工业机械手称为通用机械手。 简而言之，机械手就是用机器代替人手，把工件由某个地方移向指定的工作位置，或按照工作要求以操纵工件进行加工。 机械手一般分为三类。第一类是不需要人工操作的通用机械手，也即本文所研究的对象。它是一种独立的、不附属于某一主机的装置，可以根据任务的需要编制程序，以完成各项规定操作。它是除具备普通机械的物理性能之外，还具备通用机械、记忆智能的三元机械。第二类是需要人工操作的，称为操作机。工业中采用的锻造操作机也属于这一范畴。第三类是专业机械手，主要附属于自动机床或自动生产线上，用以解决机床上下料和工件传送。这种机械手在国外通常被称之为“Mechanical Hand”，它是为主机服务的，由主机驱动。除少数外，工作程序一般是固定的，因此是专用的。 机械手按照结构形式的不同又可分为多种类型，其中关节型机械手以其结构紧凑，所占空间体积小，相对工作空间最大，甚至能绕过基座周围的一些障碍物等这样一些特点，成为机械手中使用最多的一种结构形式。 要机械手像人一样拿取东西，最简单的基本条件是要有一套类似于指、腕、臂、关节等部分组成的抓取和移动机构——执行机构；像肌肉那样使手臂运动的驱动－传动系统；像大脑那样指挥手动作的控制系统。这些系统的性能就决定了机械手的性能。一般而言，机械手通常就是由执行机构、驱动－传动系统和控制系统这三部分组成 1.1设计目的 《单片机原理及接口技术课程设计》是机械电子工程专业的学生在完成《单片机原理及接口技术》等专业课程的学习之后，进行综合性设计训练的实践性教学环节。目的是在老师的指导下，使学生通过课程设计，对所学课程理论知识进行一次系统的回顾检查、复习和提
专业：机电一体化 班级： 08—1班 老师：刘顺东 学号： ******** 姓名： **** 日期： 2013年2月
XY工作台部件及单片机控制设计 目录 1.序言 (3) 2.总体方案设计 (3) 2.1.设计任务 (3) 2.2.总体方案确定 (3) 3.机械系统设计 (4) 3.1.工作台外形尺寸及重量估算 (4) 3.2.滚动导轨的参数确定 (5) 3.3.滚珠丝杠的设计计算 (6) 3.4.步进电机的选用 (8) 3.5.确定齿轮传动比 (13) 3.6.确定齿轮模数及有关尺寸 (13) 3.7.步进电机惯性负载的计算 (13) 4.控制系统硬件设计 (14) 4.1.CPU板 (14) 4.2.驱动系统 (16) 4.3.控制系统软件的组成和结构 (18) 5.参考文献 (22)
1.序言 据资料介绍，我国拥有400多万台机床，绝大部分都是多年累积生产的普通机床。这些机床自动化程度不高，加工精度低，要想在短时期内用自动化程度高的设备大量更新，替代现有的机床，无论从资金还是从我国机床制造厂的生产能力都是不可行的。但尽快将我国现有的部分普通机床实现自动化和精密化改造又势在必行。为此，如何改造就成了我国现有设备技术改造迫切要求解决的重要课题。 在过去的几十年里，金属切削机床的基本动作原理变化不大，但社会生产力特别是微电子技术、计算机技术的应用发展很快。反映到机床控制系统上，它既能提高机床的自动化程度，又能提高加工的精度，现已有一些企业在这方面做了有益的尝试。实践证明，改造后的机床既满足了技术进步和较高生产率的要求，又由于产品精度提高，型面加工范围增多也使改造后的设备适应能力加大了许多。这更加突出了在旧机床上进行数控技术改造的必要性和迫切性。 由于新型机床价格昂贵，一次性投资巨大，如果把旧机床设备全部以新型机床替换，国家要花费大量的资金，而替换下的机床又会闲置起来造成浪费，若采用改造技术加以现代化，则可以节省50%以上的资金。从我国的具体情况来讲，一套经济型数控装置的价格仅为全功能数控装置的1/3到1/5，一般用户都承担得起。这为资金紧张的中小型企业的技术发展开创了新路，也对实力雄厚的大型企业产生了极大的经济吸引力，起到了事半功倍的积极作用。 据国内资料统计订购新的数控机床的交货周期一般较长，往往不能满足生产需要。因此机床的数控改造就成为满足市场需求的主要补充手段。 在机械工业生产中，多品种、中小批量甚至单件生产是现代机械制造的基本特征，占有相当大的比重。要完成这些生产任务，不外乎选择通用机床、专用机床或数控机床，其中数控机床是最能适应这种生产需要的。 从上述分析中不难看出数控技术用于机床改造是建立在微电子现代技术与传统技术相结合的基础之上。通过理论上的推导和实践使用的证明，把微机数控系统引入机床的改造有以下几方面的优点：1）可靠性高；柔性强；易于实现机电一体化；2）经济性可观。为此在旧的机床上进行数控改造可以提高机床的使用性能，降低生产成本，用较少的资金投入而得到较高的机床性能和较大的经济效益。 2.总体方案设计 2.1.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C3B3H＝145mm3160mm312mm；底座外形尺寸C13B13H1＝210mm3220mm3140mm；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。 2.2.总体方案确定 2.2.1.系统的运动方式与伺服系统 数控系统按运动方式可分为点位控制系统，点位直线系统，连续控制系统。如果工件相对于刀具移动过程中不进行切削，可选用点位控制方式。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。对点位系统的要求是快速定位，保证定位精度。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。
第1章原始资料一、设计题目 万福小区换热站设计 二、原始资料 1、建筑物修建地区：长春 2、气象资料：查阅《规范》及相关手册 3、小区采暖热负荷：Q=4000+37×100 =7700 (kw) 4、一次管网：120~80℃; 5、二次管网：80~60℃；。 6、二次管网资用压力0.25Mpa。 7、二次管网静水压力0.3Mpa。 8、室外给水管网供水压力为0.35Mpa。
2.1 换热站设计方案 本设计换热站采用间接供暖，采用2台板式换热器换热，一次网和二次网均采用旋流除污器除污。补水用钠离子交换器软化。循环水泵两用一备，补水水泵一用一备，设备布置尽量靠墙布置，应尽量美观，简洁，便于工作人员维护。 2.2 定压方式 本设计采用气压罐定压方式定压。 2.2 管材的选择与防腐 管材供热系统采用螺旋焊缝钢管和无缝钢管。弯头均采用热压弯头,阀门 均选用闸阀。自来水系统采用热镀锌钢管,丝接,热网补给水及泄压系统管道采用焊接钢管,焊接。 所有热力管道均刷防锈漆两遍,用离心玻璃棉壳保温后,外包一层铝箔,再 刷调合漆两遍,非热力管道刷防锈漆两遍,调合漆两遍,管道在刷底漆前必须清 楚表面的灰尘，污垢，锈斑，焊渣等。常热设备的保温采用硅酸盐膏保温,外 包一层玻璃丝布.再刷调合漆两遍。
在系统图上对各管段进行编号，并注明管段长度和热负荷计算通过每个管段的流量G 的值，查阅《供暖通风设计手册》中选各管段的d 、v 、△P m 的值，算出通过最不利环路的总阻力。流量G 的值可用以下公式计算得出： ) ''(86.0h g t t Q G -= ㎏/h 式中： Q ——管段的热负荷，W ； 'g t ——系统的设计供水温度，℃； 'h t ——系统的设计回水温度，℃。 一次网管段编号： Q 1=4000+37×100=7700kw 一次网供水温度 t=120℃ 回水温度 t=85℃ 一次管网水流量G 的计算： G 1 =0.86×Q 1 / △t = 0.86×7700/（120-80） =165.55m 3/ h
专业课程设计 任务书 一、目的与要求 《专业课程设计》是机械设计及自动化专业方向学生的重要实践性教育环节，也是该专业学生毕业设计前的最后一次课程设计。拟通过《专业课程设计》这一教学环节来着重提高学生的机构分析与综合的能力、机械结构功能设计能力、机械系统设计的能力和综合运用现代设计方法的能力，培养学生的创新与实践能力。在《专业课程设计》中，应始终注重学生能力的培养与提高。《专业课程设计》的题目为工业机械手设计，要求学生在教师的指导下，独立完成整个设计过程。学生通过《专业课程设计》，应该在下述几个方面得到锻炼：1．综合运用已学过的“机械设计学”、“液压传动”、“机械系统设计”、“计算机辅助设计”等课程和其他已学过的有关先修课程的理论和实际知识，解决某一个具体设计问题，是所学知识得到进一步巩固、深化和发展。 2．通过比较完整地设计某一机电产品，培养正确的设计思想和分析问题、解决问题的能力，掌握机电产品设计的一般方法和步骤。 3．培养机械设计工作者必备的基本技能，及熟练地应用有关参考资料，如设计图表、手册、图册、标准和规范等。 4．进一步培养学生的自学能力、创新能力和综合素质。 二．主要内容 （1）根据以上相关设计参数及要求，完成精锻机上料机械手方案设计、结构设计及控制系统设 （2）撰写专业课程设计报告一份，不少于10000字。
1．机械手总装图1张（0号图纸）、部件图若干张（0号图纸）； 2．全部非标零件图（图纸类型是零件类型及复杂程度而定）； 3．液压原理图和电器控制原理图各一张； 4．撰写专业课程设计报告一份，不少于10000字。 五、考核方式 专业课程设计的成绩评定采用四级评分制，即优秀、良好、通过和不通过。成绩的评定主要考虑学生的独立工作能力、设计质量、答辩情况和平时表现等几个方面，特别要注意学生独立进行工程技术工作的能力和创新精神，全面衡量学生的真实质量。 学生姓名：安蕾刘国威刘欣磊彭澎孙赫俊 指导教师：杨晓红、花广如、杨化动 2011年12月30日
数控编程加工课程标准 课程名称： 数控编程加工 适用专业： 机电一体化、电气专业 1、前言 课程的性质《数控编程与加工实训》是机电一体化技术专业的课程，主要是数控加工工艺、数控编程、零件加工、CAD/CAM技术应用的内容，是一门综合性和实践性很强的课程。前续理论课程：在学习本课程之前应学习《机械制图》、《机械基础》。 设计思路 教学过程采用工学结合，任务驱动，校企合作的方式，以实际产品中的典型零件为主线，将数控加工工艺及编程分为数控工艺与编程理论+仿真+实操，通过学习能够使学生能够将数控加工工艺、数控编程。 本课程建议学时为56 学时，其中理轮26 学时，操作30 学时。 2、课程目标 本课程其任务是采用工学结合，任务驱动，校企合作与实际生产相结合、同过实践加强对课程内容的理解，培养学生的理论基础和实际操作技能，最终形成的数控技术的应用能力。 知识与能力： 熟悉掌握数控车床、数控铣床和数控加工中心的数控加工工艺编制要点及数控加工编程方法；熟练掌握数控车床、数控铣床和数控加工中心的操作的基本方法； 过程与方法； 认识本实训实践操作的一般过程，进而不断加深对事物的理解过程；认识本实训实践操作的基本方法，善于从不同的角度发现问题，积极探索解决问题的方法；养成独立思考的学习习惯，能对所学内容进行较为全面的比较、概括和阐释。 情感态度与价值观：培养学生能主动参与数控加工的基本理论探究。 培养学生具备辩证思维的能力。培养学生具有热爱科学、实事求是的学风和创新意识、创新精神。 让学生加强职业道德意识。
3、课程内容和要求 4、实施建议 教材编写 (I )必须依据本课程标准编写教材。教材应充分体现任务驱动、项目导向的课程设计思想。 (2 )以工作项目为主线设计教材结构，结合职业资格鉴定中、高级标准的要求，将本课程涉及的职业活动，分解成若干典型的工作任务，按完成工作任务的需要组织教材内容。 (3 )通过典型零件的数控加工，加强实践内容，强调在操作中理解与应用理论。 (4 )教材应以学生为本，文字通俗、表达简练，内容展现应图文并茂，图例与案例应引起学生的兴趣，重在提高学生学习的主动性和积极性。 (5 )教材内容应有所拓展，在教材中应充分体现新技术、新工艺、新设备、新材料， 使教材更贴近本专业的发展和实际需要。 (6 )活动设计要具有可操作性。 教学建议 (I )在教学过程中，育人为先，加强学生实际操作能力的培养，采用项目教学，以任务驱动提高学生学习兴趣。 (2 )本课程的教学关键是现场教学，“教”与“学”互动，教师示范，学生操作，学 生提问，教师解答、指导。选用典型两件的典型加工方法，由教师讲解，示范操作，学生进行分组操作训练，让其在操作过程中，了解工艺的制定、程序的编制。
摘要 本设计为乌鲁木齐市星海住宅小区换热站课程设计，随着人们生活水平的提高，集中供热被越来越多地采用，采用集中供暖可以减少能量的浪费,提高供热效率,减少环境污染,利于管理.同时采用集中供热可提高供热质量,提高人们的生活质量。 通过本次设计要解决系统水利失调、浪费大量的热量，而使供热效果不理想的问题。不仅要使它满足人们生产，生活中的要求，还秉着节约资金，节约材料，节约能源，提高能源利用率的理念，来确定供热方案，其中不乏对前人经典设计思路的借鉴，并再系统压力不平衡处进行调节，以使整个系统水力平衡。 换热站课程设计是综合应用本门课程和有关先修课程所学知识，完成以单元操作为主的一次设计实践。通过课程设计使学生掌握换热站设计的基本程序和方法，并在查阅技术资料、选用公式和数据、用简洁文字和图表表达设计结果、制图以及计算机辅助计算等能力方面得到一次基本训练，在设计过程中能够培养学生树立正确的设计思想和实事求是、严肃负责的工作作风。 关键词：换热站，板式换热器，钠离子交换器
目录 摘要 (Ⅰ) 第一章设计概况 (1) 1.1设计题目 (1) 1.2设计原始资料 (1) 1.2.1 设计地区气象资料 (1) 1.2.2 设计参数资料 (1) 第二章换热站方案的确定 (2) 2.1换热站位置的确定 (2) 2.2换热站建筑平面图的确定 (2) 2.3换热站方案确定 (2) 2.4供热管道的平面布置类型 (2) 2.5管道的布置和敷设 (3) 2.6换热站负荷的计算 (3) 第三章换热站设备的选取 (4) 3.1换热器简介 (4) 3.1.1换热器概述 (4) 3.1.2换热器的分类 (4) 3.2换热器的选取 (5) 3.2.1换热器类型的选取 (5) 3.2.2换热器选型计算 (6) 3.3水力计算 (7) 3.3.1一次网系统水力计算 (7) 3.3.2二次网水系统力计算 (8) 3.3.3补水系统水利计算 (10) 3.3.4水箱引入水系统水利计算 (10)
机械手机械原理课程设计 说明书 Modified by JEEP on December 26th, 2020.
1设计任务书 设计项目：机械手的设计 工作要求：机械手从工件架上抓起工件，然后送人工作台进行加工。机械手完成以下动作（2选1）。 （1）水平面内转30度，上升100mm ，前进50mm; （2）水平面内转30度，手臂自转90度，前进50mm 。 机械手的夹持器还有夹紧和放松动作； 机械手工作频率：20/min ； 升降 ，摆动 ，伸缩 ，夹持 。 2执行机构的选择与比较 §2-1 转角机构（实现平面转角030功能） 方案一 机械原理课程设计 说明书 设计课题：机械手 专业班级：2012级机自05班 小组成员： 张结荣 肖 哲 郑 然 指导教师：陈敏钧 时间：—— 目录 1 设计任务书........................................................................3 2 执行机构的选择与比较.. (3) §2-1 转角机构.................................................................3 §2-2 上升机构.................................................................4 §2-3 前进机构.. (6) 3 传动机构的选择与比较.....................................................5 §3-1 普通传动机构.........................................................5 §3-2 间歇传动机构 (5) 4 原动机的选择 (6) 5 机械系统运动简图...........................................................9 6 机械系统运动循环图.. (10) 7 机械手的机构设计………………................. .........................11 §7-1 上升机构.. (11) §7-2 前进机构................................................................11 §7-3 夹紧放松机构 (12) §7-4 转角机构..................................................................12 §7-5 传动机构.................................................................13 小结.....................................................................................13 参考文献 (14)