第一章 绪论
课程设计是《机电一体化系统设计》课程的重要实践环节，其目的是使学生能在传统的机电产品更新换代和新的机电一体化产品研制开发领域掌握必要的实验技能，目的在于培养学员对机电一体化产品的设计能力，另外还包括：
1）通过课程设计，理解机电一体化系统设计的基本知识。 2）掌握元部件的正确选择方法和特性参数的实验方法。
机电一体化系统的硬件一般由机械主体部分、传感器、信息处理、计算机及电路部分和执行元件等构成，其设计内容和设计方法基本上可归纳为以下几个方面：
1）采用微型计算机（包括单片机）进行数据采集、处理和控制 主要考虑计算机的选择或单片机构成电路的选用、接口电路、软件编制。
2）选用驱动控制电路，对执行机构进行控制 主要考虑电动机的选择及驱动力矩的计算及控制电动机电路的设计。
3）精密执行机构的设计 主要考虑数控机床工作台传动装置的设计问题。要弄清机构或机械执行的主要功能（如传递运动、动力、位置控制、微调、精密定位或高速运转等），进行力（力矩）、负载转矩、惯性（转动惯量）、加（减）速控制和误差计算。提出装配图和零件加工图。提出电动机和计算机控制要求。
4）采用传感器进行反馈控制或作为测量敏感部位。 5）学会使用手册和图表资料。
本次课程设计是设计回转体数控测量装置，通过此次课程设计，学员应具有机电一体化系统设计的初步能力，初步建立了正确的设计思想，学会运用手册、标准、规范等资料，培养了分析问题和解决实际问题的能力。
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第二章 回转体数控测量装置总体方案分析
回转体数控测量装置是一种测量回转体外形轮廓的机电一体化系统，其基本工作原理利用检测光幕传感器检测位于其中的回转体。回转体一般是柱形工件，由卡盘夹紧并由电机驱动经减速器使其旋转，对于较长的工件，还要求有尾架，并在尾架上安装顶尖，支顶较长的工件。检测光幕传感器在回转轴方向（Z向）可以来回移动，能对回转体每个截面的轮廓进行测量。
此次任务给定的参数如下： 行程范围 Z向350mm C向可正反转连续回转 运动分辨率 Z向由于0.01mm C向优于0.1° Z向最大移动速度 2200mm/min C向最大选择速度 130r/min 被检测工件最大尺寸（材料为钢） φ50mm3350mm 外形尺寸（参考） 700mm3400mm3320mm 2.1回转体数控测量装置总体方案确定
回转体数控测量装置总体方案的确定包括系统运动方式的确定、伺服系统的选择、执行机构及传动方式的确定、计算机系统的选择等。
1、系统运动方式的确定
数控系统按运动方式可分为点位控制方式、点位/直线系统和连续控制系统。回转体数控测量装置要求快速定位，保证定位精度，因此选择点位控制系统。
2、伺服系统的选择
伺服系统可分为开环控制系统、半闭环控制系统和闭环控制系统。开环控制系统结构简单、成本低廉、容易掌握、调试和维修比较方便，因此在精度和速度要求不高、驱动力矩不大的场合得到广泛应用。开环伺服系统主要由步进电动机驱动。半闭环系统系统和闭环系统造价高、结构和调试较复杂，适用于精度要求较高的场合。
回转体数控测量装置由于速度不高，为了简化结构、降低成本，采用步进电动机开环控制系统。
3、执行机构的结构及传动方式的确定
任务给定Z向分辨率为0.01mm/脉冲，为实现所要求的分辨率，决定采用步进电动机经齿轮减速机构再传动丝杠带动检测光幕传感器在Z向移动。为保证一定的传动精度和平稳性，尽量减小摩擦力，选用滚珠丝杠螺母副。C向分辨率为0.1°，为实现所要求的分辨率，同样决定采用步进电动机经齿轮减速机构带动卡盘旋转，从而带动工件旋转。
为提高传动刚度和消除间隙，采用有预加负荷的结构。齿轮传动也要采用消除齿侧间隙的结构。
4、计算机的选择
根据任务要求，决定采用8位微机。由于MCS—51系列单片机具有集成度高，可靠性好、功能强、速度快、抗干扰能力强、性价比高等特点，决定采用MCS—51系列的8031单片机扩展系统。
控制系统由微机部分、键盘及显示器、I/O接口及光隔离电路、步进电动机功率放大电路等组成。系统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及机床状态等
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信息。
2.2总体方案框图
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第三章 回转体数控测量装置机械系统设计方案说明
分析回转体数控测量装置的功能可知，它应该具有两个运动单元，即 1）旋转运动单元，即电机驱动减速器带动工件作旋转运动的单元；
2）旋转—直线运动单元，即电机驱动减速器再通过旋转—直线运动变换装置带动测量光幕传感器的做直线运动的单元。
每个运动单元都由不同的传动机构组成，旋转运动单元由电机和减速机构构成，旋转—直线运动单元由电机、减速机构和旋转—直线运动变换装置构成。围绕这两个运动单元，对机械系统结构方案进行初步确定，然后在进行细化计算。
3.1电动机
在第一章总体方案设计中已经选择了步进电机作为驱动装置。下面就选择步进电机作为驱动做一些必要的说明。
电动机可分为直流电动机、交流电动机、步进电动机和无刷电动机等几大类，每一大类又可以分许多不同的小类，其具体分类见表3-1。
表3-1 电动机分类 电 动 机 直流电动机 交流电动机 一般直流电动机 直流伺服电动机 直流力矩电动机 三相异步电动机 单相异步电动机 交流伺服电动机 永磁同步电动机 步进电动机 反应式 单段式 多段式 永磁式 永磁反应式 无刷电动机 选用电动机作为驱动部件的突出的特点是精度高，易于在闭环系统中获得很高的连续路径驱动。不同类型的电机有不同的应用场合，一般要从控制性、功率大小、转速、精度以及性价比等方面选择。
一般，对于要求不高的开环固定转速场合应选用结构简单、廉价的交流异步电动机。 对于需要连续控制且精度要求较高的场合，目前较成熟的选用直流电动机。直流电机具有扭矩惯量比大的特点，可直接带动负载，简化传动机构，避免了传动间隙，提高传动精度等优点。
对于调速系统，交流电动机的变频调速成为了一种理想的选择。对于要求寿命长，严禁火花，同时控制精度要求高的特殊场合，通常考虑无刷电动机。
对于数字控制、精度增量控制且振动要求不高的场合，常采用步进电机。步进电机在开环数控机床、绘图机、轧钢机等控制系统中得到了广泛的应用。
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鼠笼式 绕线式 轴向磁路式 径向磁路式
本次设计的回转体数控测量装置由于速度、精度等要求都不是很高，因而采用步进电动机作为驱动装置。
3.2 减速机构
齿轮系及蜗杆副是一种发展历史悠久、现在仍然广泛使用的一种机械传动机构。它工作可靠、传动比恒定、结构成熟，但制造复杂。齿轮系及蜗杆副可按表3-2分类。
表3-2 齿轮系及蜗杆副分类 传动轴平行 圆柱直齿轮 圆柱斜齿轮 人字齿轮 圆弧点啮合圆周齿轮 行星齿轮 齿轮齿条 传动轴相交 直齿锥齿轮 斜齿锥齿轮 弧齿锥齿轮 零度弧齿锥齿轮 圆弧点啮合锥齿轮 传动轴交错 交错轴斜齿轮 双曲线锥齿轮 圆柱蜗杆 环面蜗杆 传动轴同轴线 摆线针轮 谐波齿轮 根据传动轴的特点，可选用不同的齿轮系及蜗杆副做减速机构。用于平行轴之间的传递运动的正齿轮易于设计制造、成本低，使用最为广泛。斜齿轮可用于高速、重载、要求噪声低的场合，但斜齿轮存在较大的轴向推力；人字齿轮则由于左右推力平衡而不产生轴向推力，其中一个齿轮的安装应有一定的轴向间隙以便安装。相交轴传动中直齿锥齿轮为线接触，传动效率较高。交错轴斜齿轮有滑动作用，传动效率低，同时为点接触，只能承受较轻负载。行星齿轮尺寸小，重量轻、效率高且能传递较大的功率，但结构复杂。
蜗杆副为线接触，可传递较大的功率、传动比大、传动平稳、噪声小、可自锁，但传动效率低。
谐波齿轮具有传动比大、速比范围宽、传动效率高、重叠系数大、啮合好、传动平稳、噪声小、结构紧凑，质量轻、精度高、承载能力大、功率范围宽、间隙易于消除，可通过密封壁传动等优点，在高技术领域获得广泛的应用。
对比上述各种齿轮系及蜗杆副的传动特点，本次设计的回转体数控测量装置选用圆柱直齿轮传动作为减速机构。
3.3旋转—直线运动装置
能够实现旋转运动到直线运动的传动机构有螺旋传动机构、齿轮齿条传动机构等。 螺旋传动结构分为普通螺旋传动机构和滚珠丝杠螺母副等。普通螺旋传动广泛的用于将旋转运动变换为直线运动，但由于螺母和螺杆之间的摩擦为滑动摩擦，在磨损和精度等方面不能满足一些高精度机电一体化系统的要求，滚珠丝杠螺母副则是为了克服普通螺旋传动的缺点发展起来的一种传动机构。它用滚动摩擦螺旋取代了滑动摩擦螺旋，具有磨损小、传动效率高、传动平稳、寿命长、精度高、温升低等优点。它具有的运动摩擦小、便于消除传动间隙等优点，对于机电一体化系统性能的改善。
本次设计的回转体数控测量装置主要以传递运动为主，要求有较高的传动精度并结构紧凑，因此选用滚珠丝杠螺母副来将旋转运动转变为直线运动。
3.4导轨
导轨用于引导运动部件的走向。它对机电一体化系统的影响通常是由摩擦特性决定的，主要影响定位精度和低速均匀性。
导轨主要分为滑动导轨、滚动导轨、液体静压导轨和气浮导轨。滑动导轨结构简单，阻尼系数大，刚度大；但易产生低速爬行现象，易磨损。滚动导轨的摩擦系数不大于滑动导轨的1/10，因此不存在低速爬行现象，可采用较小功率的电动机，但刚度小，阻尼系数小，可能引起振荡。液体静压导轨无磨损，无静摩擦，无低速爬行现象，阻尼系数大，但设计、制
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