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目录
第一章 前言 ······························································· 3 第二章 课程设计的目的、意义及要求 ····································· 4
第一节 课程设计的目的、意义 ··························································· 4 第二节 课程设计的要求 ···································································· 4
第三章 课程设计的内容 ······················································· 5
第一节 课程设计题目 ······································································· 5 第二节 课程设计的内容 ························································· 5
第四章 数控系统总体方案的确定 ··········································· 6 第五章 机械部分设计 ·························································· 8
第一节 确定系统脉冲当量 ······························································· 8 第二节 工作台外形尺寸及重量初步估算 ············································· 8 第三节 滚动导轨副的计算、选择 ························································ 9 第四节 滚珠丝杠计算、选择 ······························································ 10 第五节 齿轮计算、设计 ································································· 13 第六节 步进电机惯性负载的计算 ························································ 14 第七节 步进电机的计算选择 ······························································ 15
第六章 机床数控系统硬件电路设计 ········································ 18
第一节 设计内容 ············································································· 18 第二节 设计步骤 ············································································· 18 第三节 机床数控系统硬件电路设计 ····················································· 23
第七章 系统控制软件设计 ···················································· 24 第八章 致谢 ······································································ 27 第九章 参考文献 ································································ 28
第一章 前言
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。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程工业的渗透，从而使机械工业的技术结构、产品、功能与构成、生产方式及管理体系发生了巨大的变化，工业生产已由“机械电气化”迈出了“机电一体化”时代的发展阶段。
机电一体化是指从系统的观点出发，综合运用机械技术、微电子技术、自动控制技术、计算机技术、信息技术、传感测控技术、电力电子技术、信息变换技术以及软件编程技术等群体技术，根据系统功能目标和优化组织目标，合理配置与布局各功能单元，在多功能、高质量、高可靠性、低能耗的意义上实现特定功能的价值，并使整个系统最优化的系统工程技术。由此而产生的功能系统则成为一个机电一体化系统或机电一体化产品。
一个较完整的机电一体化系统应该包括以下几个要素：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。新一代的数控系统这类典型的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
第二章 课程设计的目的、意义及要求
第一节 课程设计的目的,意义
《机电一体化系统设计》课程设计是培养学生设计能力的重要实践性教学环节之一，是综合运用所学过的机械、电子、自动控制、计算机等知识进行的基本设计训练。主要目的是：
1. 能够正确运用《机电一体化系统设计》课程的基本理论和相关知识，掌握机电一体化系统（产品）的功能构成、特点和设计思想、设计方法，了解设计方案的拟定、比较、分析和计算，培养学生分析问题和解决问题的能力，使学生具有机电一体化系统设计的初步能力；
2. 学习机电一体化系统设计方案的拟定、分析与比较的方法。 3. 通过机械部分设计，掌握机电一体化系统典型机械零部件和执行元件的计算、选型和结构设计方法和步骤；
4. 通过对进给伺服系统的设计，掌握常用伺服电动机的工作原理、计算选择方法与控制驱动方式；
5. 通过测试及控制系统方案设计，掌握机电一体化系统控制系统的硬件组成、工作原理，和软件编程思想；
6. 通过课程设计提高学生应用手册、标准及编写技术说明书的能力，促进学生在科学态
度、创新精神、专业技能等方面综合素质的提高。
第二节 课程设计的要求：
1. 课程设计应在教师的指导下由学生独立完成，严格地要求自己，不允许相互抄袭； 2. 认真阅读《课程设计指导书》，明确题目及具体要求； 3. 认真查阅题目涉及内容的相关文献资料、手册、标准； 4. 大胆创新，确定合理、可行的总体设计方案；
5. 机械部分和驱动部分设计思路清晰，计算结果正确，选型合理； 6. 微机控制系统方案可行，硬件选择合理，软件框图正确；
7. 课程设计说明书一份，包括：目录，题目及要求，总体方案的确定，机械系统设计，控制系统设计，参考文献等。设计说明书应叙述清楚、表达正确、内容完整、技术术语符合标准。
第三章 课程设计的内容
第一节 课程设计题目：两维数控平台及控制系统设计。
已知条件：脉冲当量：±0.01mm，滚珠丝杠及导轨使用寿命：T=15000h（中等冲击）， 工
作
台
的
有
效
行
程
为
LX=300mm,Ly=200;
快
速
进
给
速
度
Vxmax=800mm/minVymax=800mm/min和工作载荷2000N
第二节 课程设计的内容
1.数控装置总体方案的确定
(1).数控装置设计参数的确定；
(2).方案的分析，比较，论证。 2.机械部分的设计 (1).确定脉冲当量；
(2).机械部件的总体尺寸及重量的初步估算； (3).传动元件及导向元件的设计，计算和选用； (4).确定伺服电机； (5).绘制机械结构装配图； (6).系统等效惯量计算； (7).系统精度分析。 3.数控系统的设计
(1).微机及扩展芯片的选用及控制系统框图的设计； (2).I/O接口电路及伺服控制电路的设计和选用； (3).系统控制软件的设计 4.编写课程设计说明书
说明书是课程设计的总结性技术文件，应叙述整个设计的内容，包括总体方案的确定，
系统框图的分析，机械传动设计计算，电气部分的设计说明，选用元器件参数的说明，软件设计及其说明,尽量用计算机完成；
第四章 数控系统总体方案的确定
数控系统总体方案设计的内容包括：系统运动方式的确定，执行机构及传动方案的确定，伺服电机类型及调速方案确定，计算机控制系统的选择。进行方案的分析、比较和论证。
1. 系统运动方式的确定
该系统要求工作台沿各坐标轴的运动有精确的运动关系因此采用连续控制方式。 2. 伺服系统的选择
开环伺服系统在负载不大时多采用功率步进电机作为伺服电机.开环控制系统由于没有
检测反馈部件，因而不能纠正系统的传动误差。但开环系统结构简单，调整维修容易，在速度和精度要求不太高的场合得到广泛应用。
考虑到运动精度要求不高，为简化结构，降低成本，宜采用步进电机开环伺服系统驱动。
3. 计算机系统的选择
采用MCS-51系列中的8031单片机扩展控制系统。MCS-51单片机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、I/O接口及光电隔离电路、步进功率放大电路等组成。系统的工作程序和控制命令通过键盘操作实现。显示器采用数码管显示加工数据和工作状态等信息。 4. X—Y工作台的传动方式
为保证一定的传动精度和平稳性以及结构的紧凑，采用滚珠丝杠螺母传动副。为提高传动刚度和消除间隙，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，故选用滚动直线导轨副，从而减小工作台的摩擦系数，提高运动平稳性。
考虑电机步距角和丝杠导程只能按标准选取，为达到分辨率的要求，以及考虑步进电机负载匹配，采用齿轮减速传动。系统总体框图如下: