机电专业设计设计指导书V10.docx
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机电专业设计设计指导书V10.docx
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机电专业设计设计指导书V10
机电专业课程设计指导书
机械工程学院机械电子工程教研室
一、课程设计目的与要求
(一)课程设计目的
机械电子工程是一个以机械、微电子和计算机应用技术为三大支柱的新型边缘学科,它还涉及到控制论和信息科学。
早期的理解是“机电一体化”,是指带有电子电气装附件的机械系统,用以实现纯机械系统所不能实现的功能或用以简化机械系统的结构。
现今对Mechatronics的理解是“机械电子学”,是探讨机械与电子技术相结合,研究设计由计算机控制的智能机械的理论与方法的应用科学,它是“机电一体化”的进一步深入和发展。
机械电子工程的主要特征表现为:
快速更新、技术交叉和多层次发展。
微电子技术、计算机技术以及信息技术的快速发展必然推动机械电子系统的进一步更新和换代。
学科交叉、技术融合以及技术创新是机械电子工程迅速发展的关键。
机电《专业课程设计》培养学生综合运用所学知识和技能、提高分析和解决实际问题能力,锻炼学生运用所学专业知识对机电系统,尤其是电气控制系统进行分析与设计的能力;使学生初步掌握进行机电系统工程设计一般过程及方法;培养学生查阅、分析参考资料的能力,运用各种标准手册进行分析和设计的能力,及编写规范技术档的能力;提高学生设计机电系统实验系统并进行相关调试能力。
(二)课程设计要求
课程设计以机电一体化设备组成为设计框架,包含机械本体结构的分析、机械传动结构分析设计或测绘分析、电气测控系统设计。
设计过程可分为总体方案设计、各部分或模块功能设计(测绘)、调试(或分析)、电气控制系统设计、撰写课程设计报告、项目答辩等环节。
进行此项课程设计应该已经完成了电子电路、微控制器原理及应用、PLC、机电传动控制、传感器、机电一体化系等课程的学习,达到以下几项要求:
1、具备电子电路基本的设计、制作及调试能力;
2、熟悉机电一体化产品及设备的基本构成;
3、掌握机电专业课程体系中的控制器原理及应用;
4、掌握机电传动系统相关知识;
5、具备在控制器开发平台上设计、调试工程实践能力;
二、课程设计题目
在工业智能生产制造中,自动化生产线是必备的元素,下图一为一种AGV车运行方式,图二为生产线运行模式。
此次专业课程设计的内容是设计一个具有三自由度的机械手工作平台,及自动运载车(AGV)模型组成的自动化生产线的模拟系统,具体分以下几个部分
图一
图二
(一)机械手工作平台的机械结构的分析与设计
1.由三滚球丝杆组成的三自由度机械手工作平台机械结构的分析与设计
本设计中X-,Y-,Z-三轴方向的平动都采用滚珠丝杠副。
要熟悉滚珠丝杠副的工作原理及结构;滚珠丝杠副的特点;滚珠丝杠副轴向间隙的调整和施加预紧力的方法;滚珠丝杠副的主要尺寸,精度等级和标注方法;滚珠丝杠副的安装。
掌握滚珠丝杠副的设计计算。
滚珠丝杠副的设计计算步骤如下:
1)计算载荷
(N)的计算;
2)动载荷的计算
(N);
3)根据
(N)值从滚珠丝杠副系列中选所需要的规格,使所选规格的丝杠副的额定动载荷
并列出其主要参数值;
4)验算传动效率,刚度及工作平稳性是否满足要求;如不能,则另选其它规格并重新验算。
丝杠校核参数
第一组
第二组
第三组
第四组
第五组
第六组
第七组
第八组
第九组
第十组
第十一组
导程
5mm
5mm
5mm
5mm
5mm
5mm
5mm
5mm
5mm
5mm
5mm
加速时间
0.2s
0.25s
0.15s
0.1s
0.2s
0.15s
0.2s
0.1s
0.2s
0.25s
0.2s
减速时间
0.2s
0.25s
0.15s
0.1s
0.2s
0.2s
0.2s
0.2s
0.2s
0.2s
0.2s
工作台质量
5kg
10kg
15kg
10kg
12kg
14kg
16kg
17kg
18kg
11kg
6kg
工件质量
见指导书
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8次/min
8次/min
8次/min
8次/min
定位精度
0.1mm/1000mm
0.1mm/1000mm
0.1mm/1000mm
0.1mm/1000mm
0.1mm/1000mm
0.1mm/1000mm
0.1mm/1000mm
0.1mm/1000mm
0.1mm/1000mm
0.1mm/1000mm
0.1mm/1000mm
轴向游隙
0.15mm
0.15mm
0.15mm
0.15mm
0.15mm
0.15mm
0.15mm
0.15mm
0.15mm
0.15mm
0.15mm
期望寿命
30000h
30000h
30000h
30000h
30000h
30000h
30000h
30000h
30000h
30000h
30000h
步进电机额定转速
120r/min
120r/min
120r/min
120r/min
120r/min
120r/min
120r/min
120r/min
120r/min
120r/min
120r/min
电机的转动惯量(假设)
480g.cm
480g.cm
480g.cm
480g.cm
480g.cm
480g.cm
480g.cm
480g.cm
480g.cm
480g.cm
480g.cm
工作台与导轨滑动表面的摩擦系数
0.003
0.003
0.003
0.003
0.003
0.003
0.003
0.003
0.003
0.003
0.003
导向面的阻力
15N
15N
17N
18N
19N
11N
12N
13N
14N
10N
16N
滚珠丝杆的传动效率
90%
90%
90%
90%
90%
90%
90%
90%
90%
90%
90%
以上步骤可以参考文献[1],P22-26.
2.导向机构的分析与设计
本设计三轴方向的都采用的是滑动直线导轨。
要求熟悉滑动直线导轨的特点;滑动直线导轨的分类;掌握滑动直线导轨的有关计算。
滑动直线导轨的有关计算:
1)计算额定动载荷
;
2)额定静载荷
;
3)额定行程长度寿命
(km);
设计计算流程可以参考文献[1],P35-36.
3.执行机构的分析与设计
本设计机械手末端为机械夹持器。
设计夹持器的几何尺寸,计算夹持力,
以上步骤可以参考文献[1],P47-48.
(二)自动运载车(AGV)的机械结构的分析与设计
1.自动运载车车体结构的设计
1)设计车体的长、宽、高,材料选择,重量计算及强度校核;
2)设计车体的传动结构,包括车轮方案、受力分析、传动方案、转矩折算、驱动电机选择;
(三)三自由度机械手工作平台的电气控制系统设计
1.根据工作台的工作参数要求选择工作平台的驱动电机及电机驱动器;
2.选择工作台限位传感器,设计相关电路;
3.设计工作台人机交互方式及电气电路、核心控制器(MC9S08AW60)与外部电气电路接口;
4.设计工作平台的控制程序。
(四)自动运载车(AGV)电气控制系统设计
1.设计AGV的路径检测方案并设计检测电路;
2.设计AGV核心控制器(MC9SAW60)最小系统,控制器与人机交互电路、电机驱动电路等外部电路接口;
3.设计AGV运行控制程序。
三、设计参考参数及技术指标
1、模拟自动生产线1
1)机械臂工作空间:
X800*Y800*Z800(mm);
2)AGV车:
L500*W400*H450(mm),载重50kg。
2、模拟自动生产线2
1)机械臂工作空间:
X1000*Y1200*Z500(mm)
2)AGV车:
L600*W270*H217(mm),载重30kg。
3、模拟自动生产线3
1)机械臂工作空间:
X1200*Y800*Z600(mm)
2)AGV车:
L400*W300*H300(mm),载重20kg。
4、模拟自动生产线4
1)机械臂工作空间:
X1500*Y1200*Z500(mm)
2)AGV车:
L700*W350*H280(mm),载重40kg。
5、模拟自动生产线5
1)机械臂工作空间:
X1600*Y1000*Z600(mm)
2)AGV车:
L800*W445*H390(mm),载重40kg。
6、模拟自动生产线6
1)机械臂工作空间:
X1200*Y1000*Z700(mm)
2)AGV车:
L620*W460*H440(mm),载重40kg。
7、模拟自动生产线7
1)机械臂工作空间:
X1200*Y1000*Z500(mm)
2)AGV车:
L600*W450*H250(mm),载重40kg。
8、模拟自动生产线8
1)机械臂工作空间:
X800*Y700*Z500(mm)
2)AGV车:
L385*W350*H210(mm),载重10kg。
9、模拟自动生产线9
1)机械臂工作空间:
X1000*Y800*Z500(mm)
2)AGV车:
L400*W360*H240(mm),载重20kg。
10、模拟自动生产线10
1)机械臂工作空间:
X1000*Y700*Z500(mm)
2)AGV车:
L460*W360*H260(mm),载重30kg。
11、模拟自动生产线11
1)机械臂工作空间:
X800*Y1000*Z600(mm)
2)AGV车:
L420*W350*H300(mm),载重35kg。
四、设计步骤及方法
1.设计技术线路:
首先分析系统功能,确定自动化生产线模拟系统的运作方案,即货品的装卸点、AGV的运载路线、生产线的工作模式;其次分解整个系统为几个子模块;各子模块进行相关的机械结构设计、电气控制系统设计;各子模块分别进行调试运行;最后整个系统联合调试。
图三为AVG车行车路线示例。
图三
2.设计步骤:
1)各项目组分析所选项目的功能需求,将分解为几个子模块,项目组成员进行分工,明确各自所承担的设计任务及相互的对接接口;
2)各子模块进行功能分析,设计总体方案,进行相关设计(机械结构、电气系统、控制软件系统);
3)电气控制系统部分,设计总体方案之后,首先进行硬件系统设计,然后进行软件系统设计;
4)各子模块进行调试,根据所出现的问题对设计进行修改;
5)各子模块调试通过后,系统进行联合调试,根据各子模块衔接出现的问题进一步修改相关设计;
6)调试验证达到设计功能要求后,项目组各成员进行答辨。
五、设计要求
1)规划机械手工作平台与AVG模型车组成的自动生产线的动作模式,制定工作流程;
2)机械手工作平台需要具备手动、自动运行功能;
3)AGV模块车具备基本人机交互功能,可以设定运行模式;
4)各项目设计的机械设计部分需要进行相关的受力分析、载荷计算、强度分析及校核;
5)电气控制系统设计部分应包括硬件系统设计、软件系统设计,设计要求参照《单片机课程设计》要求;
六、课程设计进度安排参考
序号
内容
备注
周一
上午
指导教师对课程设计项目进行总体框架、原理讲解,提出设计要求,进行课分组。
各项目组成员分析系统功能需求,划分项目为子模块,分配子模块设计任务。
周一
下午
各子模块深入分析系统功能及设计要求,进行子模块总体方案设计
周二
子模块总体方案设计,各部分具体方案设计
周三~
周六
各子模块的具体设计、制作及初步调试
周一~周三
机械手平台调试
AVG车模型调试
机械手平台与AGV模块联调
周四~周五
答辩及提交课程设计报告
七、课程设计提交成果及成绩评定
1.根据所选课目,按课程设计指导书的步骤及进度安排进行,由指导老师对设计进度的各环节进行检查、记录;
2.指导老师对各项目组成员所承担的设计部分的分阶段调试情况进行检查与记录;
3.各组每个成员答辩时,首先说明系统总体功能及设计方案,重点讲解所负责的子模块的设计及与整个系统的关系,并回答指导老师提出的问题。
3.提交设计报告,设计报告中应该包含总体设计方案、各子模块设计、调试与检测结果、总结与体会。
根据以下几个方面进行成绩评定。
1、考勤占20%,其中缺勤2天及以上者不评定成绩。
2、项目设计过程、内容完成质量及情况50%。
3、课程设计报告及答辩占30%(报告如雷同评为0分)。
八、课程设计使用元器件参数
1.步进电机驱动器
THB6064步进电机驱动器是一款专业的两相步进电机驱动,可实现正反转制。
通过3位拨码开关选择8档细分控制(2、8、10、16、20、32、40、64),通过3位拨码开关选择6档电流控制(0.5A,1A,1.5A,2A,2.5A,3A,3.5A,4A)。
适合驱动86、57、42型两相、四相混合式步进电机。
驱动电机具有噪音小,震动小,运行平稳的特点。
1)主要特点
※电源适应交流和直流
※电流由拨码开关选择
※接口采用高速光耦隔离
※八种细分可调
※自动半流
※高集成度高可靠性
※抗高频干扰能力强
※最高耐压DC50V
2)控制信号接口
控制信号定义:
PUL+:
步进脉冲信号输入正端或正向步进脉冲信号输入正端
PUL-:
步进脉冲信号输入负端或正向步进脉冲信号输入负端
DIR+:
步进方向信号输入正端或反向步进脉冲信号输入正端
DIR-:
步进方向信号输入负端或反向步进脉冲信号输入负端
ENA+:
脱机使能复位信号输入正端
ENA-:
脱机使能复位信号输入负端
控制信号接线说明:
输入信号接口有两种接法,用户可根据需要采用共阳极接法或共阴极接法。
共阳极接法:
分别将CP+,DIR+,EN+连接到控制系统的电源上,如果此电源是+5V则可直接接入,如果此电源大于+5V,则须外部另加限流电阻R,保证给驱动器内部光藕提供8—15mA的驱动电流。
脉冲输入信号通过CP-接入,方向信号通过DIR-接入,使能信号通过EN-接入。
如下图:
共阴极接法:
分别将CP-,DIR-,EN-连接到控制系统的地端;脉冲输入信号通过CP+接入,方向信号通过DIR+接入,使能信号通过EN+接入。
若需限流电阻,限流电阻R的接法取值与共阳极接法相同。
如下图:
3)电机绕组连接
A+:
连接电机绕组A+相。
A-:
连接电机绕组A-相。
B+:
连接电机绕组B+相。
B-:
连接电机绕组B-相。
4)工作电源连接
AC1~AC2:
AC12-30V、DC15-42V
注意不可超过此范围,否则会无法正常工作甚至损坏驱动器。
接口电路示意图如下:
驱动器的接线原理图
5)功能选择(用驱动器面板上的DIP开关实现)
(1)细分数设定
细分数是以驱动板上的拨码开关选择设定的,用户可根据驱动器外盒上
的细分选择表的数据设定(最好在断电情况下设定)。
细分后步进电机步距
角按下列方法计算:
步距角=电机固有步距角/细分数。
如:
一台固有步距角
为1.8°的步进电机在4细分下步距角为1.8°/4=0.45°
驱动板上拨码开关1、2、3分别对应S1、S2、S3。
如表1:
细分
S1
S2
S3
2
on
on
on
8
on
on
off
10
on
off
on
16
on
off
off
20
off
on
on
32
off
on
off
40
off
off
on
64
off
off
off
表1
(2)衰减模式设定
驱动器上的拨码开关4、5分别对应S4、S5。
衰减模式在出厂前已调节好,用户无需设定,如有需要可调节至电机最佳运行状态即可。
(3)电流大小设定
驱动板上拨码开关6、7、8分别对应S6、S7、S8。
具体见表2。
输出电流(A)
电流
S6
S7
S8
0.5A
ON
ON
ON
1.0A
OFF
ON
ON
1.5A
ON
OFF
ON
2.0A
OFF
OFF
ON
2.5A
ON
ON
OFF
3.0A
OFF
ON
OFF
3.5A
ON
OFF
OFF
4.0A
OFF
OFF
OFF
表2
2
5)驱动器电路连接
(1)+V、GND:
连接驱动器电源
+V:
直流电源正级,电源电压直流16~50V。
最大电流是5A。
GND:
直流电源负级。
(2)A+A-B+B-:
连接两相混合式步进电机
一个完整的步进电机控制系统应含有步进驱动器、直流电源以及控制器(脉冲源)。
以下为典型系统接线图:
2.步进电机参数
步距角(○)
机身长
(mm)
相电压
(V)
相电流(A)
相电阻(Ω)
相电感(mH)
最大静转矩(N.m)
转动惯量(g.cm)
重量(kg)
1.8
78
3.36
2.8
1.2
3.6
1.89
480
1.1
57BYGH78-401A步机电机参数
3.MG996R舵机
舵机原理:
舵机主要由以下几个部分组成,舵盘、减速齿轮组、位置反馈电位计5k、直流电机、控制电路板等。
舵机的控制信号为周期是20ms的脉宽调制(PWM)信号,其中脉冲宽度从0.5ms-2.5ms,相对应舵盘的位置为0-180度,呈线性变化。
舵机内部有一个基准电路,产生周期20ms,宽度1.5ms的基准信号,内部比较器,将外加信号与基准信号相比较,判断出方向和大小,从而产生电机的转动信号。
电机带动一系列齿轮组,减速后传动至输出舵盘。
舵机的输出轴和位置反馈电位计是相连的,舵盘转动的同时,带动位置反馈电位计,电位计将输出一个电压信号反馈到控制电路板,然后控制电路板根据所在位置决定电机的转动方向和速度,由此可见,舵机是一种位置伺服的驱动器
MG996R舵机参数
:
尺寸40.7*19.7*42.9mm
重量55g
拉力:
11kg/cm(5V),15kg/cm(6.5V)
使用温度0℃_55℃
死区设定5微秒
转动角度最大180度
舵机类型模拟舵机
工作电流100mA(空载)
使用电压4.8V-7.2V
结构材质金属铜齿、空心杯电机、双滚珠轴承
无负载操作速度0.17秒/60度(4.8V);0.14秒/60度(6.0V)
控制方法:
PWM脉宽型调节角度,周期20ms,占空比0.5ms~2.1ms的脉宽电平对应舵机0度~180度角度范围,且成线性关系。
ST188外形图
内部电路示意图
4.反射式红外光电传感器ST188
特点:
采用高发射功率红外光电二极管和高灵敏度光电晶体管组成。
检测距离:
4--13mm。
项目
符号
测试条件
最小
典型
最大
单位
输入
正向压降
VF
反向电流
IR
输出
集电暗亮电流
ICEO
集电极亮电流
IL
饱和压降
VCE
传输特性
响应时间
Tr
Tf
5.接近开关CHE12-4NA-A710
CHE12-4NA-A710是一种电容式接近开关,
适合检测金属物质检测距离为4mm。
6.数字舵机参数
舵机三端接线说明
红色:
电源
黑色:
地
白色:
控制信号
7.光耦TLP-521-2
Characteristic
Symbol
Min
Typ.
Max
Unit
Supplyvoltage
VCC
―
5
24
V
Forwardcurrent
IF
―
16
25
mA
Collectorcurrent
IC
―
1
10
mA
Operatingtemperature
Topr
−25
―
85
°C
1,3:
Anode,2,4:
Cathode
5,7:
Emitter,6,8:
:
Collector
8.HD74LS08P
HD74LS08P为四两输入与门,芯片引脚分步,及相关参数如图及表
AbsoluteMaximumRatings
Item
Symbol
Ratings
Unit
Supplyvoltage
VCC
Note
7
V
Inputvoltage
VIN
7
V
Powerdissipation
PT
400
mW
Storagetemperature
Tstg
–65to+150
°C
Note:
Voltagevalue,unlessotherwisenoted,arewithrespecttonetworkgroundterminal.
RecommendedOperatingConditions
Item
Symbol
Min
Typ
Max
Unit
Supplyvoltage
VCC
4.75
5.00
5.25
V
Outputcurrent
IOH
—
—
–400
μA
IOL
—
—
8
mA
Operatingtemperature
Topr
–20
25
75
°C
9.扬声器输出音乐相关参考资料
1)乐曲构成
由于把很多发声程序“结合”就构成理论上的曲子,所以利用计算机控制发声的原理,可以编写演奏乐曲的音调。
在一首乐曲中,每个音符的音高和音长与频率和节拍有关。
组成乐曲的每个音符的频率值和持续时间是乐曲程序发声所需要的两个数据。
音符的持续时间是根据乐曲的速度及每个音符的节拍数来确定。
在4/4(四四拍)中,四分音符为1拍,每小节4拍,全音符持续4拍,二分音符持续2拍,四分音符持续1拍,八分音符持续半拍等。
如果给全音符分配1s(100*10ms)的时间,则二分音符的持续时间为0.5s(50*10ms),四分音符的持续时间为0.25s(25*10ms),八分音符的持续时间为0.125s(12.5*10ms)。
2)设计算法:
音阶表
一首乐曲是由不同频率和节拍的音调组成的,因此编写乐曲程序的关键是控制驱动脉冲的频率和持续时间。
下面是两个八度的音阶表:
音符
1
2
3
4
5
6
7
1
低音频率
262
294
330
349
392
440
494
523
中音频率
523
587
659
698
784
880
988
1046
高音频率
1046
1175
1318
1397
1568
1760
1967
参考文献
[1]郑堤,唐可洪.机电一体化设计基础.北京:
机械工业出版社,2004,7.
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- 关 键 词:
- 机电 专业 设计 指导书 V10
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