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東華理工大學(xué)長(zhǎng)江學(xué)院
畢業(yè)設(shè)計(jì)開(kāi)題報(bào)告
畢業(yè)設(shè)計(jì)題目 基于單片機(jī)控制X-Y工作臺(tái)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)
學(xué)生姓名： 歐陽(yáng)昌馳
學(xué) 號(hào)： 08315114
專(zhuān) 業(yè)： 機(jī)械電子工程
系 別： 機(jī)電工程系
指導(dǎo)教師： 萬(wàn)智輝
教學(xué)科研部
二○一一年 九月
1、課題研究的意義、國(guó)內(nèi)外有關(guān)本課題的研究動(dòng)態(tài)和自己的見(jiàn)解
隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，極大地推動(dòng)了不同學(xué)科的滲透，促進(jìn)了工程領(lǐng)域的技術(shù)改革。由于計(jì)算機(jī)技術(shù)和微電子技術(shù)的迅速發(fā)展并被機(jī)械工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用從而形成了機(jī)電一體化，使得機(jī)械工業(yè)的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、技術(shù)結(jié)構(gòu)、功能和生產(chǎn)管理體系發(fā)生了巨大的變化，也使得工業(yè)生產(chǎn)從“機(jī)械電氣化”邁進(jìn)了“機(jī)電一體化”的發(fā)展階段。
X-Y數(shù)控工作臺(tái)是很多機(jī)電一體化設(shè)備的基本部件，比如數(shù)控銑床、數(shù)控鉆床的X-Y工作臺(tái)。X-Y數(shù)控工作臺(tái)通常是由導(dǎo)軌座、移動(dòng)滑塊、滾珠絲桿螺母副及伺服電動(dòng)機(jī)等部件構(gòu)成。伺服電動(dòng)機(jī)主要是用于驅(qū)動(dòng)滾珠絲桿，滾珠絲桿螺母驅(qū)動(dòng)滑塊和工作臺(tái)在指定的導(dǎo)軌上運(yùn)動(dòng)，從而完成工作臺(tái)在XY兩個(gè)方向的直線運(yùn)動(dòng)。
現(xiàn)在大部分使用的數(shù)控銑床都是集機(jī)械制造、自動(dòng)控制、電子技術(shù)、傳感技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)于一體的典型機(jī)電一體化產(chǎn)品。
2.國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r
數(shù)控技術(shù)的應(yīng)用不但給傳統(tǒng)制造業(yè)帶來(lái)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(shù)的不斷發(fā)展和應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)大,它對(duì)國(guó)計(jì)民生的一些重要行業(yè)IT、汽車(chē)、輕工、醫(yī)療等的發(fā)展起著越來(lái)越重要的作用。從目前世界上數(shù)控技術(shù)及其裝備發(fā)展的趨勢(shì)來(lái)看 ,其主要研究熱點(diǎn)有以下幾個(gè)方面:
(1)高速、高精加工技術(shù)及裝備的新趨勢(shì)
效率、質(zhì)量是先進(jìn)制造技術(shù)的主體。高速、高精加工技術(shù)可極大地提高效率,提高產(chǎn)品的質(zhì)量和檔次 ,縮短生產(chǎn)周期和提高市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力。從 EMO2001 展會(huì)情況來(lái)看,高速加工中心進(jìn)給速度可達(dá) 80m/min ,甚至更高,空運(yùn)行速度可達(dá)100m/min左右。目前世界上許多汽車(chē)廠,包括我國(guó)的上海通用汽車(chē)公司,已經(jīng)采用以高速加工中心組成的生產(chǎn)線部分替代組合機(jī)床。在加工精度方面,近 10 年來(lái),普通級(jí)數(shù)控機(jī)床的加工精度已由10提高到5,精密級(jí)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(kāi)始進(jìn)入納米級(jí)0.1。為了實(shí)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(jī)得到了快速的發(fā)展 ,應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)一步擴(kuò)大。
(2) 智能化、開(kāi)放式、網(wǎng)絡(luò)化成為當(dāng)代數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展的主要趨勢(shì)
21世紀(jì)的數(shù)控裝備將是具有一定智能化的系統(tǒng),智能化的內(nèi)容包括在數(shù)控系統(tǒng)中的各個(gè)方面:為追求加工效率和加工質(zhì)量方面的智能化,如加工過(guò)程的自適應(yīng)控制,工藝參數(shù)自動(dòng)生成;為提高驅(qū)動(dòng)性能及使用連接方便的智能化,如前饋控制、電機(jī)參數(shù)的自適應(yīng)運(yùn)算、自動(dòng)識(shí)別負(fù)載自動(dòng)選定模型、自整定等。數(shù)控系統(tǒng)開(kāi)放化已經(jīng)成為數(shù)控系統(tǒng)的未來(lái)之路。所謂開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)就是數(shù)控系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)可以在統(tǒng)一的運(yùn)行平臺(tái)上,面向機(jī)床廠家和最終用戶(hù),通過(guò)改變、增加或剪裁結(jié)構(gòu)對(duì)象 數(shù)控功能 ,形成系列化,并可方便地將用戶(hù)的特殊應(yīng)用和技訣竅集成到控制系統(tǒng)中 ,快速實(shí)現(xiàn)不同品種、不同檔次的開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng),形成具有鮮明個(gè)性的名牌產(chǎn)品。目前開(kāi)放數(shù)控系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)規(guī)范、通信規(guī)范、配置規(guī)范、運(yùn)行平臺(tái)、數(shù)控系統(tǒng)功能庫(kù)以及數(shù)控系統(tǒng)功能軟件開(kāi)發(fā)工具等是當(dāng)前研究的核心。網(wǎng)絡(luò)化數(shù)控裝備是近兩年國(guó)際著名機(jī)床博覽會(huì)的一個(gè)新亮點(diǎn)。數(shù)控裝備的網(wǎng)絡(luò)化將極大地滿足生產(chǎn)線、制造系統(tǒng)、制造企業(yè)對(duì)信息集成的需求,也是實(shí)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(chǔ)單元 ,反映了數(shù)控機(jī)床加工向網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展的趨勢(shì)。
3.本課題要研究的問(wèn)題
X-Y數(shù)控工作臺(tái)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)是一個(gè)開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng),其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單.實(shí)現(xiàn)方便而且能夠保證一定的精度.降低成本,是單片機(jī)控制技術(shù)的最簡(jiǎn)單的應(yīng)用.它充分的利用了單片機(jī)的軟件硬件功能以實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)床的控制;使機(jī)床的加工范圍擴(kuò)大,精度和可靠性進(jìn)一步得到提高。本課題研究涉及機(jī)械原理、機(jī)械設(shè)計(jì)、機(jī)械制圖、機(jī)電一體化、單片機(jī)工作原理、數(shù)控技術(shù)等方面的相關(guān)內(nèi)容。
3、課題的設(shè)計(jì)方案
3.1設(shè)計(jì)方案比較
①數(shù)控機(jī)床導(dǎo)軌類(lèi)型分為：滑動(dòng)導(dǎo)軌、滾動(dòng)導(dǎo)軌、靜壓導(dǎo)軌等類(lèi)型。
在本設(shè)計(jì)中采用滾動(dòng)導(dǎo)，其原因是：
a.靈敏度高，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，低速移動(dòng)時(shí)不易出現(xiàn)爬行現(xiàn)象；
b.定位精度高；
c.摩擦阻力小，移動(dòng)輕便，磨損小，精度保持性好，壽命長(zhǎng)。
②在傳動(dòng)方面有齒輪傳動(dòng)和滾珠絲桿傳動(dòng)等類(lèi)型。
在本設(shè)計(jì)中采用滾珠絲桿傳動(dòng)，因?yàn)椴捎脻L珠絲桿有一下優(yōu)點(diǎn)：
a.承載?。?
b.移動(dòng)速度快；
c.噪音低；
d.定位精度高等。
③驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)有直線電動(dòng)機(jī)、伺服電動(dòng)機(jī)、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)等，在經(jīng)濟(jì)數(shù)控機(jī)床上，考慮其成本和性能，通常采用開(kāi)環(huán)步進(jìn)電機(jī)，所以在本設(shè)計(jì)中選擇步進(jìn)電機(jī)。
④在控制系統(tǒng)方面，可采用單片機(jī)和PLC進(jìn)行控制，在本設(shè)計(jì)中采用的是MCS-51系列單片機(jī)，因?yàn)樗鼉r(jià)格低廉、性能優(yōu)越，完全能滿足本設(shè)計(jì)的要求。
3.2選型分析
①系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方式的確定
該系統(tǒng)要求工作臺(tái)沿各坐標(biāo)軸的運(yùn)動(dòng)有精確的運(yùn)動(dòng)關(guān)系因此采用連續(xù)控制方式。
②伺服系統(tǒng)的選擇
開(kāi)環(huán)伺服系統(tǒng)在負(fù)載不大時(shí)多采用功率步進(jìn)電機(jī)作為伺服電機(jī).開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)由于沒(méi)有檢測(cè)反饋部件，因而不能糾正系統(tǒng)的傳動(dòng)誤差。但開(kāi)環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，調(diào)整維修容易，在速度和精度要求不太高的場(chǎng)合得到廣泛應(yīng)用。
閉環(huán)伺服系統(tǒng)具有裝在機(jī)床移動(dòng)部件上的檢測(cè)反饋元件來(lái)檢測(cè)實(shí)際位移量，能補(bǔ)償系統(tǒng)的傳動(dòng)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(dòng)機(jī)或交流伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。閉環(huán)系統(tǒng)造價(jià)高，結(jié)構(gòu)和調(diào)試較復(fù)雜，多用于精度要求高的場(chǎng)合。
. 考慮到運(yùn)動(dòng)精度要求不高，為簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，降低成本，宜采用步進(jìn)電機(jī)開(kāi)環(huán)伺服系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)。
③計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的選擇
采用MCS-51系列中的8051單片機(jī)擴(kuò)展控制系統(tǒng)。MCS-51單片機(jī)的主要特點(diǎn)是集成度高，可靠性好，功能強(qiáng)，速度快，性?xún)r(jià)比高。控制系統(tǒng)由微機(jī)部分、鍵盤(pán)及顯示器、I/O接口及光電隔離電路、步進(jìn)功率放大電路等組成。系統(tǒng)的工作程序和控制命令通過(guò)鍵盤(pán)操作實(shí)現(xiàn)。
④X—Y工作臺(tái)的傳動(dòng)方式
為保證一定的傳動(dòng)精度和平穩(wěn)性以及結(jié)構(gòu)的緊湊，采用滾珠絲杠螺母?jìng)鲃?dòng)副。為提高傳
動(dòng)剛度和消除間隙，采用有預(yù)加載荷的結(jié)構(gòu)。
由于工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)部件重量和工作載荷不大，故選用滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副，從而減小工作臺(tái)
的摩擦系數(shù)，提高運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性。
考慮電機(jī)步距角和絲杠導(dǎo)程只能按標(biāo)準(zhǔn)選取，為達(dá)到分辨率0.01mm的要求，以及考慮步進(jìn)電機(jī)負(fù)載匹配，采用齒輪減速傳動(dòng)。
4、課題研究準(zhǔn)備情況（查閱參考文獻(xiàn)目錄、完成任務(wù)所具備的條件等）
學(xué)院擁有一支高素質(zhì)、高水平的教師隊(duì)伍。現(xiàn)有專(zhuān)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(xué)位13人、碩士學(xué)位132人。學(xué)院擁有各類(lèi)實(shí)驗(yàn)室51個(gè)，工程訓(xùn)練中心1個(gè)，校外實(shí)習(xí)基地22個(gè), 并擁有眾多的高精尖儀器設(shè)備，如日本電子JXA8100電子探針，德國(guó)MAT253質(zhì)譜儀和多種型號(hào)的數(shù)控機(jī)床等。學(xué)院下設(shè)信息工程系、經(jīng)濟(jì)管理系、外語(yǔ)與文法系、機(jī)電工程系、資源與環(huán)境工程系，共21個(gè)本科專(zhuān)業(yè)，實(shí)現(xiàn)了以理工為主，文、管、經(jīng)、法、體、教多學(xué)科的協(xié)調(diào)發(fā)展。圖書(shū)館館舍面積達(dá)到19079平方米, 閱覽座位822個(gè),周開(kāi)館時(shí)間近100小時(shí),館內(nèi)藏書(shū)328363冊(cè)(圖書(shū)為325850冊(cè),光盤(pán)為2513張),年訂閱現(xiàn)刊412種,報(bào)紙66種;各種數(shù)據(jù)庫(kù)14個(gè)：萬(wàn)方數(shù)據(jù)資源、重慶維普數(shù)據(jù)庫(kù)、人大光盤(pán)復(fù)印報(bào)刊資料、中國(guó)學(xué)術(shù)期刊、超星數(shù)字圖書(shū)館、世界科學(xué)、Springer、EBSCO、中圖鏈接、化學(xué)通報(bào)、資治法典、教育管理與執(zhí)法、多媒體教學(xué)、英語(yǔ)聽(tīng)力和眾多免費(fèi)數(shù)據(jù)庫(kù)。平均日接待讀者980人次,日?qǐng)D書(shū)流通量達(dá)到1850本。
綜上所述，可以看到學(xué)校擁有雄厚的師資力量和教學(xué)資源，完全滿足我們課題設(shè)計(jì)研究的要求。
5、畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）總體安排和進(jìn)度
進(jìn) 度 安 排
序號(hào)
設(shè)計(jì)（論文）工作內(nèi)容
時(shí)間（起止周數(shù)）
1
調(diào)研，資料收集及整理；
2011.9.25---2011.10.1
2
分析文獻(xiàn)資料，準(zhǔn)備開(kāi)題；
2011.10.2---2011.10.26
3
X-Y工作臺(tái)總體方案構(gòu)思；
2011.10.27---2011.11.5
4
確定X-Y工作臺(tái)的設(shè)計(jì)方案；
2011.11.6---2011.11.16
5
X-Y工作臺(tái)主要部件的選型和驗(yàn)算；
2011.11.17---2011.11.23
6
X-Y工作臺(tái)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)；
2011.11.24---2011.11.30
7
X-Y工作臺(tái)裝配圖及電氣原理圖的繪制；
2011.11.30---2011.12.30
8
資料、數(shù)據(jù)整理, 并修改畢業(yè)論文；
2011.12.31---2012.3.15
9
定稿, 準(zhǔn)備答辯。
2012.3.16---2012.6.4
學(xué)生簽名：歐陽(yáng)昌馳
2011年 9月 24日
6、指導(dǎo)教師意見(jiàn)與建議
指導(dǎo)老師簽名：
年 月 日