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東華理工大學長江學院 畢業(yè)設計開題報告 畢業(yè)設計題目 基于單片機控制 X Y 工作臺機電系統(tǒng)設計 學生姓名 歐陽昌馳 學 號 08315114 專 業(yè) 機械電子工程 系 別 機電工程系 指導教師 萬智輝 教學科研部 二 一一年 九月 1 課題研究的意義 國內外有關本課題的研究動態(tài)和自己的見解 隨著現(xiàn)代科學技術的不斷發(fā)展 極大地推動了不同學科的滲透 促進了工程領域的技 術改革 由于計算機技術和微電子技術的迅速發(fā)展并被機械工業(yè)領域應用從而形成了機電 一體化 使得機械工業(yè)的產品結構 技術結構 功能和生產管理體系發(fā)生了巨大的變化 也使得工業(yè)生產從 機械電氣化 邁進了 機電一體化 的發(fā)展階段 X Y 數(shù)控工作臺是很多機電一體化設備的基本部件 比如數(shù)控銑床 數(shù)控鉆床的 X Y 工作臺 X Y 數(shù)控工作臺通常是由導軌座 移動滑塊 滾珠絲桿螺母副及伺服電動機等部 件構成 伺服電動機主要是用于驅動滾珠絲桿 滾珠絲桿螺母驅動滑塊和工作臺在指定的 導軌上運動 從而完成工作臺在 XY 兩個方向的直線運動 現(xiàn)在大部分使用的數(shù)控銑床都是集機械制造 自動控制 電子技術 傳感技術 計算 機技術及網絡通訊技術于一體的典型機電一體化產品 2 國內外發(fā)展狀況 數(shù)控技術的應用不但給傳統(tǒng)制造業(yè)帶來了革命性的變化 使制造業(yè)成為工業(yè)化的象征 而且隨著數(shù)控技術的不斷發(fā)展和應用領域的擴大 它對國計民生的一些重要行業(yè) IT 汽車 輕工 醫(yī)療等的發(fā)展起著越來越重要的作用 從目前世界上數(shù)控技術及其裝備發(fā)展的趨勢 來看 其主要研究熱點有以下幾個方面 1 高速 高精加工技術及裝備的新趨勢 效率 質量是先進制造技術的主體 高速 高精加工技術可極大地提高效率 提高產品 的質量和檔次 縮短生產周期和提高市場競爭能力 從 EMO2001 展會情況來看 高速加工 中心進給速度可達 80m min 甚至更高 空運行速度可達 100m min 左右 目前世界上許多 汽車廠 包括我國的上海通用汽車公司 已經采用以高速加工中心組成的生產線部分替代組 合機床 在加工精度方面 近 10 年來 普通級數(shù)控機床的加工精度已由 10 提高到 5 精um 密級加工中心則從 3 5 提高到 1 1 5 并且超精密加工精度已開始進入納米級 0 1umu 為了實現(xiàn)高速 高精加工 與這配套的功能部件如電主軸 直線電機得到了快速的發(fā)um 展 應用領域進一步擴大 2 智能化 開放式 網絡化成為當代數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展的主要趨勢 21 世紀的數(shù)控裝備將是具有一定智能化的系統(tǒng) 智能化的內容包括在數(shù)控系統(tǒng)中的各 個方面 為追求加工效率和加工質量方面的智能化 如加工過程的自適應控制 工藝參數(shù)自動 生成 為提高驅動性能及使用連接方便的智能化 如前饋控制 電機參數(shù)的自適應運算 自 動識別負載自動選定模型 自整定等 數(shù)控系統(tǒng)開放化已經成為數(shù)控系統(tǒng)的未來之路 所 謂開放式數(shù)控系統(tǒng)就是數(shù)控系統(tǒng)的開發(fā)可以在統(tǒng)一的運行平臺上 面向機床廠家和最終用戶 通 過改變 增加或剪裁結構對象 數(shù)控功能 形成系列化 并可方便地將用戶的特殊應用和技 訣竅集成到控制系統(tǒng)中 快速實現(xiàn)不同品種 不同檔次的開放式數(shù)控系統(tǒng) 形成具有鮮明個 性的名牌產品 目前開放數(shù)控系統(tǒng)的體系結構規(guī)范 通信規(guī)范 配置規(guī)范 運行平臺 數(shù) 控系統(tǒng)功能庫以及數(shù)控系統(tǒng)功能軟件開發(fā)工具等是當前研究的核心 網絡化數(shù)控裝備是近 兩年國際著名機床博覽會的一個新亮點 數(shù)控裝備的網絡化將極大地滿足生產線 制造系 統(tǒng) 制造企業(yè)對信息集成的需求 也是實現(xiàn)新的制造模式如敏捷制造 虛擬企業(yè) 全球制造 的基礎單元 反映了數(shù)控機床加工向網絡化方向發(fā)展的趨勢 3 本課題要研究的問題 X Y數(shù)控工作臺機電系統(tǒng)設計是一個開環(huán)控制系統(tǒng) 其結構簡單 實現(xiàn)方便而且能夠保證 一定的精度 降低成本 是單片機控制技術的最簡單的應用 它充分的利用了單片機的軟件硬 件功能以實現(xiàn)對機床的控制 使機床的加工范圍擴大 精度和可靠性進一步得到提高 本課 題研究涉及機械原理 機械設計 機械制圖 機電一體化 單片機工作原理 數(shù)控技術等方面的相關內容 3 課題的設計方案 3 1 設計方案比較 數(shù)控機床導軌類型分為 滑動導軌 滾動導軌 靜壓導軌等類型 在本設計中采用滾動導 其原因是 a 靈敏度高 運動平穩(wěn) 低速移動時不易出現(xiàn)爬行現(xiàn)象 b 定位精度高 c 摩擦阻力小 移動輕便 磨損小 精度保持性好 壽命長 在傳動方面有齒輪傳動和滾珠絲桿傳動等類型 在本設計中采用滾珠絲桿傳動 因為采用滾珠絲桿有一下優(yōu)點 a 承載小 b 移動速度快 c 噪音低 d 定位精度高等 驅動系統(tǒng)有直線電動機 伺服電動機 步進電動機 開關磁阻電動機等 在經濟數(shù)控機床上 考慮其成本和性能 通常采用開環(huán)步進電機 所以在本設 計中選擇步進電機 在控制系統(tǒng)方面 可采用單片機和 PLC 進行控制 在本設計中采用的是 MCS 51 系列單片機 因為它價格低廉 性能優(yōu)越 完全能滿足本設計的要求 3 2 選型分析 系統(tǒng)運動方式的確定 該系統(tǒng)要求工作臺沿各坐標軸的運動有精確的運動關系因此采用連續(xù)控制 方式 伺服系統(tǒng)的選擇 開環(huán)伺服系統(tǒng)在負載不大時多采用功率步進電機作為伺服電機 開環(huán)控制 系統(tǒng)由于沒有檢測反饋部件 因而不能糾正系統(tǒng)的傳動誤差 但開環(huán)系統(tǒng)結構 簡單 調整維修容易 在速度和精度要求不太高的場合得到廣泛應用 閉環(huán)伺服系統(tǒng)具有裝在機床移動部件上的檢測反饋元件來檢測實際位移量 能補償系統(tǒng)的傳動誤差 因而伺服控制精度高 閉環(huán)系統(tǒng)多采用直流伺服電動 機或交流伺服電動機驅動 閉環(huán)系統(tǒng)造價高 結構和調試較復雜 多用于精度 要求高的場合 考慮到運動精度要求不高 為簡化結構 降低成本 宜采用步進電機開環(huán) 伺服系統(tǒng)驅動 計算機系統(tǒng)的選擇 采用 MCS 51 系列中的 8051 單片機擴展控制系統(tǒng) MCS 51 單片機的主要特點是集成度 高 可靠性好 功能強 速度快 性價比高 控制系統(tǒng)由微機部分 鍵盤及顯示器 I O 接口及光電隔離電路 步進功率放大電路等組成 系統(tǒng)的工作程序和控制命令通過鍵盤操 作實現(xiàn) X Y 工作臺的傳動方式 為保證一定的傳動精度和平穩(wěn)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(shù) 提高運動平穩(wěn)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 0 01mm 的要求 以及考慮 步進電機負載匹配 采用齒輪減速傳動 4 課題研究準備情況 查閱參考文獻目錄 完成任務所具備的條件 等 學院擁有一支高素質 高水平的教師隊伍 現(xiàn)有專任教師366人 教師中有 教授 副教授120人 外籍教師11人 中青年教師中具有博士學位13人 碩士學 位132人 學院擁有各類實驗室51個 工程訓練中心1個 校外實習基地22個 并擁有眾多的高精尖儀器設備 如日本電子JXA8100電子探針 德國MAT253質譜 儀和多種型號的數(shù)控機床等 學院下設信息工程系 經濟管理系 外語與文法系 機電工程系 資源與環(huán)境工程系 共21個本科專業(yè) 實現(xiàn)了以理工為主 文 管 經 法 體 教多學科的協(xié)調發(fā)展 圖書館館舍面積達到19079平方米 閱覽座 位822個 周開館時間近100小時 館內藏書328363冊 圖書為325850冊 光盤為 2513張 年訂閱現(xiàn)刊412種 報紙66種 各種數(shù)據庫14個 萬方數(shù)據資源 重慶維 普數(shù)據庫 人大光盤復印報刊資料 中國學術期刊 超星數(shù)字圖書館 世界科 學 Springer EBSCO 中圖鏈接 化學通報 資治法典 教育管理與執(zhí)法 多 媒體教學 英語聽力和眾多免費數(shù)據庫 平均日接待讀者980人次 日圖書流通 量達到1850本 綜上所述 可以看到學校擁有雄厚的師資力量和教學資源 完全滿足我們 課題設計研究的要求 5 畢業(yè)設計 論文 總體安排和進度 進 度 安 排 序號 設計 論文 工作內容 時間 起止周數(shù) 1 調研 資料收集及整理 2011 9 25 2011 10 1 2 分析文獻資料 準備開題 2011 10 2 2011 10 26 3 X Y 工作臺總體方案構思 2011 10 27 2011 11 5 4 確定 X Y 工作臺的設計方案 2011 11 6 2011 11 16 5 X Y 工作臺主要部件的選型和驗算 2011 11 17 2011 11 23 6 X Y 工作臺控制系統(tǒng)的設計 2011 11 24 2011 11 30 7 X Y 工作臺裝配圖及電氣原理圖的繪制 2011 11 30 2011 12 30 8 資料 數(shù)據整理 并修改畢業(yè)論文 2011 12 31 2012 3 15 9 定稿 準備答辯 2012 3 16 2012 6 4 學生簽名 歐陽昌馳 2011 年 9 月 24 日 6 指導教師意見與建議 指導老師簽名 年 月 日