Harbin Institute of Technology

课程设计说明书（论文）

课程名称：   单片机课程设计  

设计题目：   智能循迹小车       

院    系：   电气学院测控系  

班    级：     光电五班       

设 计 者：   谢鹏、于鸿杰    

学    号： 1110100426、      

指导教师：     胡瑞强        

设计时间：    2014.9.10        

哈尔滨工业大学

哈尔滨工业大学课程设计任务书

*注：此任务书由课程设计指导教师填写

开题报告

1 绪论

1.1课题目的

《单片机原理及应用》是一门应用设计类课程，也是一门工程实践性很强的课。做到理论与实践相结合，灵活运用、融会贯通，提高实际动手能力，是我们学习这门课的最终目的。在这次的单片机课程设计中，我们的主要目的是：

（1）设计一辆电动小车，使它能够从起始端出发，自动地沿着黑线行驶。

（2）在此基础上适当地进行功能扩展，扩展目标初步定为：增加红外遥控功能。

         进一步学习单片机原理及其应用，了解红外探测器的工作原理。

1.2 课题意义

    电动智能小车的研究、开发和应用涉及传感技术、电气控制工程、智能控制等学科。智能控制技术是一门跨学科的综合性技术，当代研究十分活跃，应用日益广泛的领域。本课题所设计的智能电动小车能沿着黑线自动行驶，既具有操作机(机械本体)、控制器、直流电机驱动器和检测传感装置，是一种仿人操作、自动控制、可重复编程、能在三维空间完成灵活运动的自动化电子生产设备。

 随着工业电子自动化的不断发展,工业机器人被广泛应用于工业生产的各个部门,如采掘、喷涂、焊接、医疗等各大领域。由于工业机器人的出现,它不断替代了人们的繁重劳动,大大提高了劳动生产率,减轻了人们的劳动强度,此外,它能在高温、低温、深水、宇宙、放射性和其他有毒、污染环境条件下进行操作,日益体现出它的优越性。

 电动智能控制小车模拟机器人的运作，可以通过自己的动手排除故障，更加可以给学生一个实践操作的空间，加强学生的动手能力和思维能力。在制作的产品中，发现一些比较符合实际应用的电动小车玩具，而且成本低廉，能够运用于实际生产并且有一定的新颖度，在社会有一定的需求。在制作中提高自身对社会需求方向的灵敏度，发现商机，为自己以后实现创业这个宏伟的目标中打下一个坚实的基础。

1.3 设计要求

（1）自动循迹小车从安全区域启动。

（2）小车按指定路线运行，自动区分直线轨道和弯道轨道，在指定弯路处拐弯，实现灵活前进、转弯等功能。

（3）小车完成指定运行任务。

（4）小车完成扩展部分功能：红外遥控。

2 课题设计

2.1设计原理

 （一） 、

这里的循迹是指小车在黑色地板上循白线行走，通常采取的方法是红外探测法。

红外探测法，即利用红外线在不同颜色的物体表面具有不同的反射性质的特点，在小车行驶过程中不断地向地面发射红外光，当红外光遇到白色纸质地板时发生漫反射，反射光被装在小车上的接收管接收；如果遇到黑线则红外光被吸收，小车上的接收管接收不到红外光。单片机就是否收到反射回来的红外光为依据来确定黑线的位置和小车的行走路线。红外探测器探测距离有限，一般最大不应超过3cm。

（二）、模块方案比较及论证

     根据设计要求，本系统主要由控制器模块、电源模块、寻迹传感器模块、直流电机及其驱动模块、电压比较模块等模块构成。为较好的实现各模块的功能，我们分别设计了几种方案并分别进行了论证。

     方案1：购买玩具电动车。购买的玩具电动车具有组装完整的车架车轮、电机及其驱动电路。但是一般的说来，玩具电动车具有如下缺点：首先，这种玩具电动车由于装配紧凑，使得各种所需传感器的安装十分不方便。其次，这种电动车一般都是前轮转向后轮驱动，不能适应该题目的方格地图，不能方便迅速的实现原地保持坐标转90度甚至180度的弯角。再次，玩具电动车的电机多为玩具直流电机，力矩小，空载转速快，负载性能差，不易调速。而且这种电动车一般都价格不菲。因此我们放弃了此方案。

     方案2：自己制作电动车。经过反复考虑论证，我们制定了左右两轮分别驱

动，、前万向轮转向的方案。即左右轮分别用两个转速和力矩基本完全相同的直

流电机进行驱动，车体前部装一个万向轮。这样，当两个直流电机转向相反同时

转速相同时就可以实现电动车的原地旋转，由此可以轻松的实现小车坐标不变的

90度和180度的转弯。 在安装时我们保证两个驱动电机同轴。当小车前进时，左右两驱动轮与前万向轮形成了三点结构。这种结构使得小车在前进时比较平稳，可以避免出现前轮过低而使左右两驱动轮驱动力不够的情况。为了防止小车重心的偏移，前万向轮起支撑作用。综上考虑，我们选择了方案2。

2.2设计内容

（一）、小车总体结构图

 

    

本系统为智能电动车，对于电动车来说，其驱动轮的驱动电机的选择就显得十分重要。由于本实验要实现对路径的准确定位和精确测量，我们综合考虑了一下两种方案。

方案1：采用步进电机作为该系统的驱动电机。由于其转过的角度可以精确的定位，可以实现小车前进路程和位置的精确定位。虽然采用步进电机有诸多优点，到是由于我们考虑到简单性，所以放弃了使用步进电机。

方案2：采用直流减速电机。直流减速电机转动力矩大，体积小，重量轻，装配简单，使用方便。由于其内部由高速电动机提供原始动力，带动变速（减速）齿轮组，可以产生较大扭力。 能够较好的满足系统的要求，因此我们选择了此方案。

电机驱动模块

方案1：采用专用芯片L298N作为电机驱动芯片。L298N是一个具高电压大电流的全桥驱动芯片，它相应频率高，一片L298N可以分别控制两个直流电机，而且还带有控制使能端。用该芯片作为电机驱动，操作方便，稳定性好，性能优良。

方案2：对于直流电机用分立元件构成驱动电路。由分立元件构成电机驱动 电路，结构简单，价格低廉，在实际应用中应用广泛。但是这种电路工作性能不够稳定。 因此我们选用了方案1。

第二篇：汽车制造工艺学课程设计说明书模板

汽车制造工艺学课程设计

说明书

设计题目：输出轴零件的机械加工工艺规程及工艺装备设计

姓    名：丁振浩

学    号：101601140

班    级：汽制101

指导教师：段维峰

河南机电高等专科学校

20##年5月16日

目  录

第1章  零件分析--- 2

1.1 零件作用分析--- 2

1.2 零件工艺分析--- 3

第2章     确定毛坯、画毛坯—零件合图--- 4

2.1.1选择毛坯种类--- 4

2.1.2 确定毛坯尺寸及机械加工余量--- 5

2.2.1 绘制毛坯图--- 6

2.2.2 绘制毛坯——零件合图--- 6

第3章工艺规程设计--- 6

3.1 定位基准的选择--- 6

3.2 制定工艺路线--- 7

3.3 选择加工设备及刀、夹、量具--- 8

3.4 加工工序设计--- 10

3.5 时间定额计算--- 10

3.6 填写机械加工工艺过程卡和机械加工工序卡--- 11

第4章传动轴工序专用夹具设计--- 14

4.1  工件自由度分析及定位方案的确定--- 14

4.2  夹紧力的计算--- 14

4.3      定位误差的计算及定位精度分析--- 15

4.4  操作说明--- 16

第1章  零件分析

1.1 零件作用分析

本设计所设计的零件是机床变速器输出轴，它是动力输出的主要零件。孔与变速器配合起定心作用，通过通孔将动力传至该轴，再通过键将动力输出。该轴在工作中需要承受一定的冲击载荷和较大的扭矩。因此，该轴应具有足够的耐磨性和抗扭强度。

    轴类零件在机器中用来支承传动零部件，以实现运动和动力。输出轴是典型的轴类零件，其作用在动力输出装置中，是动力输出的关键零件之一。本设计所加工的零件是机床变速器输出轴，它是动力输出的主要零件的孔与变速器配合起定心作用，通过通孔将动力传至该轴，再通过键将动力输出。该轴在工作中需要承受一定的冲击载荷和较大的扭矩。因此，该轴应具有足够的耐磨性和抗扭强度。设计中一定要注意表面热处理。因为它是动力输出的关键零件之一，它的加工质量对机床的安全性和稳定性都有很大的影响。

1.2 零件工艺分析

通过对传动轴零件图的重新绘制，知原图样的视图正确、完整，尺寸、公差以及技术要求齐全。通过对零件图的详细审阅，该零件的基本工艺状况已经大致掌握。

主要工艺状况如下叙述：

零件的材料为45号钢，45号钢为优质碳素结构用钢，硬度不高易切削加工。调质处理后零件具有良好的综合机械性能，广泛应用于各种重要的结构零件，特别是那些在交变负荷下工作的连杆、螺栓、齿轮及轴类等。但表面硬度较低，不耐磨。可用调质＋表面淬火提高零件表面硬度。根据对零件图的分析，该零件需要加工的表面以及加工表面之间的位置要求如下：

(1)φ55外圆表面，粗糙度为1.25，圆跳动0.04mm，及其外圆表面上的键槽的加工；

(2)φ60和φ75外圆表面，其两者的中心连线为φ55外圆和φ80孔圆跳动的基准线，因此应尽可能的先加工出来，其表面粗糙度均为3.2；

(3)φ65外圆表面，粗糙度为3.2；

(4)φ80的孔，其表面粗糙度为3.2，以及与其具有位置度要求φ0.05 mm的10-φ20的通孔，其均匀分布，表面粗糙度为 3.2；

(5)φ50和φ104的孔、φ176外圆表面及30°的圆锥面，它们的尺寸公差和表面粗糙度要求都不高，通过粗加工或半精加工就可达到要求。

 通过上面零件的分析可知，该零件并没有复杂的加工曲面，属于较为简单的零件，所以根据各加工表面的技术要求采用常规的加工工艺均可保证。

第2章               确定毛坯、画毛坯—零件合图

2.1.1选择毛坯种类

机械加工中毛坯的种类有很多种，如铸件、锻件、型材、挤压件、冲压件、焊接组合件等，同一种毛坯又可能有不同的制造方法。为了提高毛坯的制造质量，可以减少机械加工劳动量，降低机械加工成本，但往往会增加毛坯的制造成本。选择毛坯的制造方法一般应当考虑一下几个因素。

（1）材料的工艺性能

材料的工艺性能在很大程度上决定毛坯的种类和制造方法。例如，铸铁，铸造青铜等脆性材料不能锻造和冲压，由于焊接性能差，也不宜用焊接方法制造组合毛坯，而只能用铸造。低碳钢的铸造性能差，很少用于铸造；但由于可锻性能，可焊接性能好，低碳钢广泛用于制造锻件、型材、冲压件等。

（2）毛坯的尺寸、形状和精度要求

毛坯的尺寸大小和形状复杂程度也是选择毛坯的重要依据。直径相差不大的阶梯轴宜采用棒料；直径相差较大的宜采用锻件。尺寸很大的毛坯，通常不采用模锻或压铸、特种铸造方法制造，而适宜采用自由锻造或是砂型铸造。形状复杂的毛坯，不宜采用型材或自由锻件，可采用铸件、模锻件、冲压件或组合毛坯。

（3）零件的生产纲领

选择毛坯的制造方法，只有与零件的生产纲领相适应，才能获得最佳的经济效益。生产纲领大时宜采用高精度和高生产率的毛坯制造方法，如模锻及熔模铸造等；生产纲领小时，宜采用设备投资少的毛坯制造方法，如木模砂型铸造及自由锻造。 根据上述内容的几个方面来分析本零件，零件材料为45号钢，首先分析45号钢材料的性能，45号钢为优质碳素结构用钢，硬度不高易切削加工。调质处理后零件具有良好的综合机械性能，广泛应用于各种重要的结构零件，特别是那些在交变负荷下工作的连杆、螺栓、齿轮及轴类等；其次，观察零件图知，本设计零件为轴类零件（毛坯一般为棒料和锻件），各直径尺寸相差较大，且该轴在工作过程中要承受冲击载荷和扭矩，是变速器主要的动力输出元件，故为增强其强度、刚度和冲击韧性，毛坯选择锻件；再者，前面已经确定零件的生产类型为大批量生产，因此，本零件的毛坯种类以模锻方法获得。

2.1.2 确定毛坯尺寸及机械加工余量

根据零件图估算锻件的重量 ，包容体重量 ,锻件形状复杂系数 ,较复杂，属于  级。零件材料为45号钢，C质量分数小于 0.65%，属于 级。

  查阅《机械制造工艺设计简明手册》表2.1得锻件机械加工余量及尺寸公差（由于大部分表面加工都需经过粗加工和半精加工，因此余量将要放大，这里为了机械加工过程的方便，将外圆表面的总加工余量统一为一个值：

表2.1加工余量

2.2.1 绘制毛坯图

2.2.2 绘制毛坯——零件合图

第3章工艺规程设计                                         

3.1 定位基准的选择

拟定工艺路线的第一步是先择定位基准。为使所选的定位基准能保证整个机械加工工艺过程顺利进行，通常考虑如何选择精基准来加工各个表面，然后考虑如何选择粗基准把作为精基准的表面先加工出来。

在轴类零件加工中，为保证各主要表面的相互位置精度，选择定位基准时，应尽可能使其与装配基准重合并使各工序的基准统一，而且还要考虑在一次安装中尽可能加工出较多的面。

轴类零件加工时，精基准的选择通常有两种： 首先方案是采用顶尖孔作为定位基准。这样，可以实现基准统一，能在一次安装中加工出各段外圆表面及其端面，可以很好的保证各外圆表面的同轴度以及外圆与端面的垂直度，加工效率高并且所用夹具结构简单。所以对于实心轴（锻件或棒料毛坯） ，在粗加工之前，应先打顶尖也，以后的工序都用顶尖孔定位。对于空心轴，由于中心的孔

钻出后，顶尖孔消失，可采用下面的方法：

(1）在中心通孔的直径较小时，可直接在孔口倒出宽度不大于2mm的6°锥面，用倒角锥面代替中心孔。

(2）在不宜采用倒角锥面作为定位基准时，可采用带有中心孔的锥堵或带锥堵的拉杆心轴。锥堵与工件的配合面应根据工件的的形状做成相应的锥形，如果轴的一端是圆柱孔，则锥堵的锥度取1：500。通常情况下，锥堵装好后不应拆卸或更换，如必须拆卸，重装后必须按重要外圆进行找正和修磨中心孔。如果轴的长径比较大，而刚性差，通常还需要增加中间支承来提高系统的刚性，常用的辅助支承是中心架或跟刀架。 精基准选择的另一方案是采用支承轴径定位因为支承轴径既是装配基准，也是各个表面相互位置的设计基准，这样定位符合基准重合的原则，不会产生基准不重合误差，容易保证关键表面间的位置精度。

根据上述定位基准的选择原则，分析本零件，选取顶尖孔作为定位精基准。当零件外圆加工完毕以后，可以以外圆为精基准加工内孔，由于前面的工序使用中心孔精加工出来的输出轴外圆同轴度非常高，并且表面粗糙度等各项性能指标都很高，故使用加工后的外圆作为精基准而加工出来的孔和外圆的同轴度也非常高。本零件选择两中心孔和φ75作为精基准，选择φ55和φ176作为粗基准来加工两中心孔。

3.2 制定工艺路线

在综合考虑上述工序的顺序安排原则基础上，拟定该变速器输出轴零件的工艺

路线如下：

方案一：

工序Ⅰ：锻造毛坯 ；

工序Ⅱ：正火；

工序Ⅲ：粗、精车右端面，钻中心孔；

工序Ⅳ：粗车φ176外圆；

工序Ⅴ：粗、精车左端面，钻中心孔；

工序Ⅵ：粗车左端各外圆表面及锥面；

工序Ⅶ：调质； 

工序Ⅷ：修研中心孔；

工序Ⅸ：半精车各外圆表面；

工序Ⅹ：粗车右端φ50内孔、φ80内孔、φ104内孔，倒角；

工序Ⅺ：半精车、精车φ80内孔；

工序Ⅻ：精车各外圆表面工序；

ⅩⅢ：钻、扩、铰8-φ20通孔；

工序ⅩⅣ：钻2-φ8斜孔：

工序ⅩⅤ：铣键槽；

工序ⅩⅥ：终检。

方案二：

工序Ⅰ：锻造毛坯 ；

工序Ⅱ：正火；

工序Ⅲ：车φ55端面，钻中心孔； 

工序Ⅳ：粗车φ176 外圆及端面，粗车各内孔、倒角，钻中心孔；

工序Ⅴ：粗车小端各外圆表面及锥面；

工序Ⅵ：钻 8-φ20 通孔，倒角；

工序Ⅶ：钻 2-φ8 斜孔； 

工序Ⅷ：调质；

工序Ⅸ：修研中心孔；

工序Ⅹ：半精车小端各外圆表面，倒角；

工序Ⅺ：半精车、精车φ80内孔；

工序Ⅻ：扩、铰 8-φ20 通孔；

工序ⅩⅢ：精车小端各外圆表面；

工序ⅩⅣ：铣键槽；

工序ⅩⅤ：终检。

比较方案一和方案二，主要区别在于孔加工顺序的安排，是否在外圆加工完后再加工。分析零件可知，该轴上外圆表面精度较高，而孔除φ80和10-φ20外，其他各孔精度都较低，若在外圆加工完后再以外圆表面定位夹紧来加工孔，可能会损坏已加工表面。故应尽可能按排在外圆表面加工完之前加工。综上分析，采用加工方案二。

3.3 选择加工设备及刀、夹、量具

机床及工艺装备的选择是制定工艺规程的一项重要工作，它不但直接影响工件的加工质量，而且还影响工件的加工效率和制造成本。

    (1)加工设备的选择原则：

①机床的加工尺寸范围应与零件的外廓尺寸相适应；

②机床的精度应与工序要求的精度相适应；

③机床的功率应与工序要求的功率相适应；

④机床的生产率应与工件的生产类型相适应；

    ⑤还应与现有的设备条件相适应。

    (2)刀具的选择

  刀具的选择主要取决于工序所采用的加工方法、 加工表面的尺寸、 工件材料、

所要求的精度以及表面粗糙度、生产率及经济性等。在选择时应尽可能采用标准刀具，必要时可采用复合刀具和其他专用刀具。

    (3)夹具的选择

本零件的生产类型为大批量生产， 为提高生产效率， 所用的夹具应为专用夹具。

    (4)量具的选择

  量具主要根据生产类型和所检验的精度来选择。 在单件小批量生产中应采用

通用量具，在大批量生产中则采用各种量规和一些高生产率的专用量具。 查《机械制造工艺设计简明手册》^[7]所选择的加工工艺装备如下表所示：

表 3.1 变速器输出轴加工工艺装备选用

3.4 加工工序设计

（1）机械加工顺序

  ① 遵循“先基准后其他”原则，首先加工精基准，即在前面加工阶段先加工输出轴的左、右端面，φ55和φ176外圆表面，钻中心孔。

  ②遵循“先粗后精”原则，先安排粗加工工序，后安排精加工工序。

  ③遵循“先主后次”原则，如先加工外圆表面，再加工键槽。

  ④遵循“先面后孔”原则，先加工φ75外圆表面，做为定位基准再加工其余各孔。

（2）热处理工序

毛坯锻造成型后，应当对毛坯进行正火处理以去除内应力，然后再进行机械加工。在粗加工之后、精加工之前，安排调质处理，调质硬度为 HBS200，获得良好的综合机械性能。

（3）辅助工序

在对本零件的所有加工工序完成之后，安排去毛刺、清洗、终检工序。

3.5 时间定额计算

时间定额与提高劳动生产率的工艺途径

（1）时间定额T_T包括：基本时间Tm、辅助时间Ta、布置工作地时间Ts、休息与生理需要时间Tr、准备与终结时间Te 。

单件和成批生产的单件时间定

大批量生产的单件时间定

（2）提高劳动生产率的工艺途径有：

①缩短时间定额。缩短基本时间的措施有：提高切削用量和减少切削行程长度；缩短辅助时间的措施有：采用先进夹具、提高机床的自动化程度、采用先进的检测手段等直接缩短辅助时间，使基本时间与辅助时间重合等。

② 推广应用新工艺和新方法。

③提高机械加工自动化程度。

工艺过程的技术经济分析

（1）工艺成本是指生产成本中与工艺过程有关的那一部分费用。按照与年产量的关系分为可变费用V和不变费用 C。

（2）若工件的年产量为N，则工件的全年工艺成本S（元/年）为 ,单件

工艺成本S=VN+C ,单件工艺成本

3.6 填写机械加工工艺过程卡和机械加工工序卡

表3.2机械加工工艺过程

表3.3机械加工工序

第4章传动轴工序专用夹具设计

4.1  工件自由度分析及定位方案的确定

工件自由度分析

工件以大端面和2个φ18孔定位基准，如图3.1，属一面两孔定位。采用平面与两定位销组合定位方案，其中平面限制3个自由度，定位销一个为圆柱销，限制2个自由度，一个为菱形销，限制1个自由度，共限制6个自由度属完全定位。

定位方案确定

两定位销设计：

(1)取两销中心距为140mm;

(2)取圆柱销直径为；

(3)按《机械制造工艺学》^[1]表6-1选取菱形销宽度：b=4mm;

(4)按h6菱形销确定菱形销的直径公差，最后得到。

4.2  夹紧力的计算

在机械加工过程中，工件会受到切削力、摩擦力等外力的作用，为了保证在这些外力的作用下，工件仍能在夹具中保持定位的正确位置，而不致发生位移或产生振动，一般在夹具结构中都必须设置一定的夹紧装置，把工件压紧夹牢在定位元件上。本设计采用螺栓将零件固定在夹具体的卡槽来压紧，如图。

图 4.1 夹紧结构

4.3      定位误差的计算及定位精度分析

夹紧力计算：

螺旋夹紧力的计算，根据：《机械制造工艺学》^[2] 的公式：

        

式中， ——作用在扳手上的力（N）；

  L——作用力的力臂（mm）；

——螺纹中径（mm）；

α ——螺纹升角（°）；

——螺纹副的当量摩擦角（°）；

——螺杆（或螺母）端部与工件（或压板）之间的当量摩擦角（° ）；

r′——螺杆（或螺母）端部与工件（或压板）之间的当量摩擦半径（mm）。

根据《机床夹具设计手册》^[12] 表 1-2-8，表 1-2-9，表 1-2-10 查得=，

，，又，，取,。

由《机床夹具设计手册》^[12]表 1-2-12 知 M12 螺栓的许用夹紧力为 10300N，2576.5N小于该值，夹紧力满足要求。

4.3 定位误差的计算及定位精度分析

定位误差的计算

  ，由于定位基准与设计基准重合，故，基准位移误差为，式中 一次同时加工5个孔，与5个孔相对应的角分别为 ，其定位误差分别为 

定位精度分析

定位精度的确定在机械加工过程中，主要体现在机床的选择、夹具的选择、刀具的选择等

(1)机床的选择原则 ：

①机床的加工尺寸范围应与零件的外廓尺寸相适应；

②机床的精度应与工序要求的精度相适应；

③机床的功率应与工序要求的功率相适应；

④机床的生产率应与工件的生产类型相适应；

⑤还应与现有的设备条件相适应。

    (2)夹具的选择

本零件的生产类型为大批量生产， 为提高生产效率， 所用的夹具应为专用夹具。

    (3)刀具的选择

  刀具的选择主要取决于工序所采用的加工方法、 加工表面的尺寸、 工件材料、

所要求的精度以及表面粗糙度、生产率及经济性等。在选择时应尽可能采用标准刀具，必要时可采用复合刀具和其他专用刀具。

4.4  操作说明

安装工件时，抬起钻模板，松开加紧机构上的螺母，旋转转动压板，把工件装在定位板上，再旋转两块压板，拧紧螺母，通过两块压板将零件加紧，放下钻模板，首次装夹时要调节支撑钉，使钻套中心线垂直夹具体底面，再转动菱形螺母将钻模板固定。

当一个孔加工完毕时，松开螺母，拉出手柄使定位销与衬套分开，转动定位板180度，放开手柄，拧紧螺母夹紧。