机电专业课程设计指导书

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1、第一章 绪论1.1 专业课程设计的目的 机电专业课程设计是一个重要的实践教学环节。学生需综合运用所学的机械、电子、计算机和自动控制等方面的知识，独立进行机电结合的设计训练，主要目的是： 1） 学习机电一体化系统总体设计方案的分析、拟定和比较的方法。 2） 对机械系统进行设计，掌握典型传动机构和导向机构等工作原理、设计计算方法和选用方法。 3） 掌握控制用电机的工作原理，能够对控制用电机、驱动器进行计算与选用。 4） 对控制系统进行设计，掌握典型硬件电路的设计方法和控制软件的设计思路。 5） 根据系统的要求，掌握常用传感器的工作原理和选用方法。 6） 培养学生独立分析问题、解决问题的能力，学习并

2、初步建立“系统设计”的思想。 7） 训练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。1.2 课程设计的内容与要求 课程设计的内容应是典型的机电一体化系统或产品，如数控机床、工业机器人、三坐标测量仪、自动检测仪、全自动洗衣机、电子秤、自动售货机、家用智能装置等。 设计的内容需包括：机械系统的设计；执行元件的计算与选择；计算机控制系统的选择、电路的设计和软件的设计；传感检测的选择与电路的设计等，根据专业性质的差异，可以适当调整相应部分设计工作量。 本次设计任务是CNC二维工作台的设计，主要包括：机械系统的设计与计算、控制电机的计算与选择、驱动器的选择与接线图的设计。 1.3 课程设计的原

3、始数据 试设计一个用于在水平面内（XOY平面）进行切割的CNC二维工作平台。切割刀位于Y方向工作台上面，其受力点（X、Y方向的轴向载荷）到Y方向丝杠轴心线的距离为100mm。其它参数见下表：第二章 机电一体化系统的设计2.1 机电一体化系统的组成 一个较完善的机电一体化系统，应包括以下几个基本要素：2.3 总体设计方案 通过对对象工作特点研究，发现研究对象运动规律和运动参数，提出对设计系统的要求，然后制定系统的设计方案。设计方案是对机器的总体布局和全局的安排。总体设计是否合理将对后面的设计产生重大影响，也将影响机器的尺寸大小、性能、功能和设计质量。所以，在总体设计时应多花时间、考虑清楚，以减少

4、返工现象。在总体设计方案中，需要明确设备设计思想，主要组成，完成的功能，使用工作原理图或框图说明工作原理。 2.4 设计对象的组成、结构、特点 2.4.1 CNC工作台的组成 CNC二维工作台主要是由工作台滑板（滑块）、直线移动导轨、螺旋传动（丝杠）机构、驱动电机、控制装置、位移检测器和机体（机座）组成。如图3所示。2.4.2 CNC工作台的结构 1）按电机与机座、工作台滑板的相对位置分为三种 第一种：驱动电机与X向（或Y向）工作台滑板连成一体。这种型式简单，但造成低层驱动重量大，电机振动会影响工作台的精度，它适用于低速传动。 第二种：下层电机不与工作台联成一体，而是装在机座上，上层电动机则与

5、工作台滑板连在一起。这种型式结构复杂，但是减少了下层电机的驱动重量，适用于中、高速传动，应用较广。 第三种：将全部电机放在机座上，电机通过一套较长的传动装置驱动工作台移动，这样的结果虽然减轻了下层工作台的承载重量和电机振动的影响，但却影响了传动系统的刚度和运动速度的提高。 2）按执行器（工作台）在空间的位移方向分为两种 可分为卧式工作台和立式工作台。 卧式工作台：执行器在XOY平面内运动，即X、Y方向的丝杠均布置在水平面内。这种结构能承受大的载荷，而且结构紧凑、工作可靠、稳定，定位精度高； 立式工作台：执行器在XOZ平面内运动，即一个方向的丝杠布置在水平面内，而另一个丝杠布置在铅垂面内。这种结

6、构的缺点是Z方向的丝杠及导轨支承的刚度低，所以承载能力小。 本指导书主要以卧式工作台为例来介绍CNC工作台的设计原理和方法。 2.4.3 CNC工作台的特性 1）静态性能： 工作台的几何精度：它包括XY工作台导轨在水平面的直线性、垂直平面直线性、X方向与Y（Z）方向的垂直度、XY（Z）方向的反向间隙和反向精度以及工作台面与运动平面间的不平行性。系统的静刚度：工作台传动系统受重力、摩擦力和其他外力的作用而产生的相应变形，其比值称为静刚度。 工作台的定位精度：指步进电机每走一步（发一个脉冲）工作台沿丝杠轴向方向所能产生的位移大小，一般为几m几十m。 2）动态性能.包括工作台系统的振动特性和固有频率

7、，速度和加速度特性，负载特性，系统的稳定性等。第三章 主要组成部分的设计3.1 机械系统常用机构的选用与设计 机械系统包括机架、导轨、传动机构、移动机构、减速机构等。 通过对研究对象工作特点的研究，发现研究对象运动规律和运动参数，提出该机械系统所采用的机构，并提出机械系统设计的要求，然后制定机械系统的设计方案。 设计方案是对机械系统总体布局和全局的安排，考虑执行元件、检测系统、计算机控制系统的安装与布局。 如： CNC二维工作平台的结构类型确定，根据已知传动方案，选择一个最佳方案。常见的结构有： (1)电机与滑动工作台联成一体 (2)下层电机固定在机座上，上层电动机固定在工作台滑板上 (3)全

8、部电机放在机座上 根据前面CNC的工作结构三种型式的介绍，对于卧式工作台（以下均以卧式工作台作为例进行设计介绍，不再说明）我们初步选择下层电机固定在机座上，上层电动机固定在工作台滑板上的结构（即选择第二种类型）。此结构适合低速运动。当速度较高时，也可以选择下层电机固定在机座上，上层电动机固定在工作台滑板上。第三种一般用于特殊的场合。 注：要求绘制装配图（二维或三维），所用构件应进行计算，包括轴、轴承、齿轮、带等。3.2 传动机构的设计与计算 3.2.1 螺旋传动机构设计 CNC二维工作平台传动方案有两类： 1) 按丝杠与螺母的相对运动来分，传动方案可分为四种。 （1）丝杠转动，螺母移动； （2

9、）螺母转动，丝杠移动； （3）螺母固定，丝杠转动、移动； （4）丝杠固定，螺母转动、移动；详见张建民编机电一体化系统设计P25 。例如对于卧式和立式工作台我们这里均选择第1种方案，即丝杠转动，螺母移动。 2) 按摩擦性质不同分类，传动方案可分为滑动螺旋传动和滚动螺旋传动两种： （1）滑动丝杠螺母机构（滑动螺旋传动） 滑动丝杠螺母机构具有结构简单，运动平稳，传动精度高，螺纹导程小，降速比大，牵引力大等优点。其缺点是摩擦阻力大，传动效率低，螺纹中有侧向间隙，故反向有空行程。由于动静摩擦差别大，低速时可能出现爬行现象。 （2）滚珠丝杠螺母机构（滚动螺旋传动） 滚珠丝杠就是在具有螺旋滚道的丝杠和螺母间

10、充满滚珠。这些滚珠作为中间传动件，在螺母闭合的回路中循环滚动，使丝杠螺母副的运动由滑动变成滚动，以减小摩擦。滚珠丝杠的传动效率很高，当双螺母预紧后，轴向刚度好，传动副爬行小，具有较高的定位精度，启动转矩小，传动灵敏，同步性好。其缺点是结构复杂，制造较困难，价格昂贵，以及不能自锁。 根据CNC二维工作平台的要求，参看两种传动的特点，例如对于卧式CNC我们设计选择滚珠丝杠螺母传动。由于滚珠丝杠螺母机构不具有自锁性，故应增加电磁制动装置，以达到精确定位的目的。 3.2.1.1螺旋传动的设计与计算 1）滑动摩擦螺旋传动的设计与计算（略） 2）滚珠丝杠副传动的设计与计算 3.2.2 减速器的设计（略）

11、参阅机械零件设计3.2.3 带的传动设计与计算 3.2.3.1 带传动的种类 1）按工作原理分： （1）摩擦型带传动：靠带与带轮之间的摩擦来传递运动和动力； （2）啮合型带传动：靠带与带轮之间的啮合来传递运动和动力； 2）摩擦型带传动 借助于带和带轮之间的摩擦来传递运动和动力。分为： （1）平带：结构简单，传动中心距大； （2） V带：应用广泛，带的侧面为工作面，承载能力 大，传递功率高，标准化程度高，传动比大等； （3）圆形带：少用； （4）多楔带：相当于平带和V带组合结构，运转平稳，尺寸小，传递功率大，结构紧凑。 3）特点 (1） 传动带具有挠性和弹性，可吸收振动和缓和冲击，使传动平稳噪音