课程设计课程名称：机电系统设计课程设计学院：机械学院专业：机械设计制造及其自动化姓名：李加华学号：**********年级：机电094 任课教师：蔡家斌2012年 12 月 30日贵州大学本科课程设计诚信责任书本人郑重声明：本人所呈交的课程论文（设计），是在导师的指导下独立进行研究所完成。

课程论文（设计）中凡引用他人已经发表或未发表的成果、数据、观点等，均已明确注明出处。

特此声明。

论文（设计）作者签名：日期：贵州大学本科课程设计任务书目录摘要 (7)第一章绪论 (8)第二章总体方案的确定 (9)2.1、课程设计的任务 (9)2.2 X—Y十字工作台的设置的总体方案的确定 (9)2.2.1、系统运动方式和伺服系统 (9)2.2.2、控制系统 (9)2.2.3、X-Y工作台的传动方式 (9)2.2.4、机械系统的设计 (10)第三章机械结构设计 (11)3.1 X-Y工作台的结构简图 (11)3.1.1 工作台草图的设计 (11)3.1.2 机械系统的机械结构草图及简图 (11)3.1.3 开环控制系统 (14)3.2 步进电机系统 (15)3.2.1 步进电机的工作原理及特点 (15)第四章电路控制设计 (17)4.1 驱动电路的设计 (17)4.2 控制电路面板线路的设计 (18)4.2.1 电路的接线分析 (18)4.2.2控制电路简图 (18)4.2.3 电气接线简图 (19)4.3 操作控制面板 (19)第五章程序 (21)第六章心得体会 (28)机电系统设计课程设计摘要当今世界电子技术迅速发展，微处理器、微型计算机在各技术领域得到了广泛应用，对各领域技术的发展起到了极大的推动作用。

一个较完善的机电一体化系统，应包含以下几个基本要素：机械本体、动力与驱动部分、执行机构、传感测试部分、控制及信息处理部分。

机电一体化是系统技术、计算机与信息处理技术、自动控制技术、检测传感技术、伺服传动技术和机械技术等多学科技术领域综合交叉的技术密集型系统工程。

机电一体化技术和产品基本上已经席卷了整个工业领域，新一代的CNC系统这类典型机电一体化产品正朝着高性能、智能化、系统化以及轻量、微型化方向发展。

关键字：机电一体化的基础发展趋势滚珠丝杠滚动导轨步进电机第一章绪论现代科学技术的不断发展，极大地推动了不同学科的交叉与渗透，导致了工程领域的技术革命与改造。

在机械工程领域，由于微电子技术和计算机技术的迅速发展及其向机械工业的渗透所形成的机电一体化，使机械工业的技术结构、产品机构、功能与构成、生产方式及管理体系发生了巨大变化，使工业生产由“机械电气化”迈入了“机电一体化”为特征的发展阶段。

《机电一体化》课程设计是一个重要的而且十分必要的教学环节，要求学生综合的运用所学的理论知识，独立进行的设计训练，主要目的：1、通过设计，使学生全面地、系统地了解和掌握数控机床的基本组成及其想关知识，学习总体的方案拟定、分析与比较的方法。

2、通过对机械系统的设计，掌握几种典型传动元件与导向元件的工作原理、设计计算及选用的方式3、通过对机械系统的设计，掌握常用伺服电机的工作原理、计算控制方法与控制驱动方式4、培养学生独立分析问题和解决问题的能力，学习并树立“系统设计”的思想5、锻炼提高学生应用手册和标准、查阅文献资料及撰写科技论文的能力。

第二章总体方案的确定2.1、课程设计的任务弄清楚XY十字工作台的运动方式和整个工作台的总体结构，对电气部分进行合理的设计，调试出程序清单。

2.2 X—Y十字工作台的设置的总体方案的确定根据设计要求，采用的是单片机控制的步进电机驱动的多用XY工作台。

具体系统的运动方式和设备的选型按标准选取。

2.2.1、系统运动方式和伺服系统采用连续控制系统。

考虑到运动精度不高，行程较短，简化机械结构，降低设备成本，而且要求系统的负载不大，故采用步进电机开环伺服系统作为系统的驱动元件，这样可以使维修简便。

具体步进电机的选型参考步进电机的选型和设计。

2.2.2、控制系统采用MCS-51系列中的8051单片机控制系统。

MCS-51的主要特点是集成度高，可靠性好，功能强，速度快，性价比高。

控制系统由微机部分、键盘及显示器和步进电机功率放大器电路等组成。

系统的工作程序和控制命令通过键盘操作和鼠标操作实现，显示器采用数码管加工数据和工作状态等信息。

2.2.3、X-Y工作台的传动方式为保证一定的传动精度和稳定性以及结构的紧奏，采用滚珠丝杠螺母传动副。

为提高传动精度和消除间歇，采用有预加载荷的结构。

由于工作台的运动部件重量和工作载荷不大，故采用滚动直线导轨副，这样可以减小工作台的摩擦系数，提高运动平稳性。

在设计的同时，还要考虑缩短传动链，因为缩短传动链可以提高系统的传动刚度，这样可以减少系统的误差。

考虑电机步距角和丝杠导程只能够按标准来选取，为达到分辨率的要求，以及考虑步进电机负载匹配，采用电机减速传动。

系统总体框图如下2.2.4、机械系统的设计机械系统的设计内容包括：确定系统的脉冲当量，运动部件惯性的计算，选择步进电机，传动及导向元件的设计计算及选择。

支承座采用的是固定支承式用的是深沟球轴承和向心轴承；因为工作台作为实验用运动部件重量和工作载荷都很小载荷几乎没有,实验台用的是直线滚动导轨副提高运动平稳性和减少工作台的摩擦系数;第三章机械结构设计3.1 X-Y工作台的结构简图3.1.1 工作台草图的设计X - Y工作台的机电一体化系统可以设计为开环、半闭环和闭环伺服系统三种。

开环的伺服系统采用步进电机驱动,系统中不设置传感与检测设备;半闭环的伺服系统中一般采用交流或直流伺服电机驱动,并在电机输出轴端设置传感与检测设备;闭环的伺服系统中也是采用交流或直流伺服电机驱动,但检测与传感设备设置在工作台末端。

本文所设计的X - Y 工作台开环伺服系统,通过控制器控制步进电机的驱动,经传动机构带动工作台运动,其总体框图如下:工作台草图3.1.2 机械系统的机械结构草图及简图绘制出所设计的十字工作台的结构草图，其结构草图如下图所示在本次十字工作台课程设计中机械系统主要包括步进电动机X2,滚珠丝杆副X2,联轴器,导轨,支撑座,轴承,其机械草图线路及机械结构简图如下图所示:XY工作台机构简图图中为保证传动精度和平稳性以及结构的紧凑，我们用的是滚珠丝杠螺母传动副,而且滚珠丝杠副具有轴向刚度高能通过适当预紧可消除丝杠与螺母之间的轴向间隙,不易磨损等优点,运动平稳,是用寿命长等优点;支承座采用的是固定支承式用的是深沟球轴承和向心轴承；因为工作台作为实验用运动部件重量和工作载荷都很小载荷几乎没有,实验台用的是直线滚动导轨副提高运动平稳性和减少工作台的摩擦系数;导轨副的选用要设计数控铣床工作台，需要承受的载荷不大，而且脉冲当量小，定位精度高，因此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，安装预紧方便等优点。

在该工作台中分别用两个步进电机控制两个丝杠副运动,分别控制X方向和Y方向的运动，控制系统根据用户编制的程序的要求,发出脉冲型号控制两个步进电机,让两个工作台运动，从而实现了X-Y一体化的功能。

3.1.3 开环控制系统在实验中我们用的数控机床工作台伺服系统所用的是开环伺服系统;全闭环控制系统,结构复杂技术难度大,成本高;半闭环控制,调试比开环控制要困难,而其结构也相对复杂;经综合考虑要求经济性,而且运动精度要求不高,为简化结构和降低成本,所以我们选用的开环伺服结构;开环控制的系统框图:3.2 步进电机系统根据本课程设计所要求的步进电机数量为两个，一个步进电机控制X方向运动的工作台，另一个控制Y方向运动的工作台。

3.2.1 步进电机的工作原理及特点步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。

在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。

这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点。

使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单。

虽然步进电机已被广泛应用，但步进电机并不能象普通的直流电机，交流电机在常规下使用。

它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。

因此用好步进电机却非易事，它涉及到机械、电机、电子及计算机等许多专业知识。

步进电动机的转子由软磁材料或永磁材料制成多极的形式，定子上装有多相不同连接的控制绕组。

它的激励信号有直流脉冲、方波、多相方波和逻辑序列多种。

步进电动机的步距和速度不受电压波动、环境温度和负载变化的影响，而仅与脉冲频率有关。

改变脉冲频率就能在很大范围内准确调节电动机的速度。

因此步进电动机用于开环数字控制，可大大简化控制系统。

步进电动机配以位置检测元件时也可用于闭环数字控制，常用于打印机、带读出器、计数器、绘图机、数控机床、阀门执行机构、定位平台和数模转换器等。

步进电动机种类繁多，按运动形式分为旋转式步进电动机和直线式步进电动机。

这就是步进电机的工作原理及分类。

步进电机的特点一、过载性好其转速不受负载大小的影响，不像普通电机，当负载加大时就会出现速度下降的情况，所以步进电机使用在对速度和位置都有严格要求的场合。

二、控制方便步进电机是以“步”为单位旋转的，数字特征比较明显，这样就给计算机控制带来了很大的方便，反过来，计算机的出现也为步进电机开辟了更为广阔的使用市场。

三、整机结构简单传统的机械速度和位置控制结构比较复杂，调整困难，使用步进电机后，使得整机的结构变得简单和紧凑。

第四章电路控制设计4.1 驱动电路的设计步进电机的速度控制比较容易实现，而且不需要反馈电路。

设计时的脉冲当量为0.01mm，步进电机每走一步，工作台直线行进给0.01mm。

步进电机驱动电路中采用了光电偶合器，它具有较强的抗干扰性，而且具有保护CPU的作用，当功放电路出现故障时，不会将大的电压加在CPU上使其烧坏。

图7 步进电机驱动电路图该电路中的功放电路是一个单电压功率放大电路，当A相得电时，电动机转动一步。

电路中与绕组并联的二极管D起到续流作用，即在功放管截止是，使储存在绕组中的能量通过二极管形成续流回路泄放，从而保护功放管。

与绕组W串联的电阻为限流电阻，限制通过绕组的电流不至超过额定值，以免电动机发热厉害被烧坏。

由于步进电机采用的是五相十拍的工作方式（五个线圈A、B、C、D、E），其正转时通电顺序为：AB-ABC-BC-BCD-CD-CDE-DE-DEA-EA-EAB-AB……….4.2 控制电路面板线路的设计4.2.1 电路的接线分析画出控制面板上的连接线路如下图所示4.2.2控制电路简图控制电路是整个工作台运动的核心，也是整个设计中最复杂的部分，因此在设计中重点研究的对象是整个控制电路的接线过程，下图就是十字工作台的控制电路简图控制系统电器简图4.2.3 电气接线简图电气接线简图见附件CAD A4图纸4.3 操作控制面板操作控制面板如下：第五章程序编语言程序设计每调用一次程序，步进电机就按设计规定的方向运动进给。