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1、课程设计说明书课程名称： 设计题专 班 姓 名学 号： 指导教设计时间：2016年12月29日2017年 1 月 6 日目录一、课程设计的题目及要求11、题目12、要求1二、总体方案的确定2三、XY二维工作台机械系统设计31、工作台的初步设计32、滚动导轨的参数确定33、滚珠丝杆计算、选择44、步进电机的选择75、齿轮计算、设计76、步进电机等效负载计算87、机械传动结构装配11四、XY二维工作台控制系统硬件电路设计121、硬件电路总体方案设计122、主控制器的选择133、键盘、显示接口电路设计144、步进电机驱动电路设计155、其它辅助电路设计15五、系统控制软件的设计161、开发环境和设计
2、语言简介162、系统控制软件的主要内容183、键盘、显示子程序的设计194、步进电机控制子程序的设计20六、课程设计的心得和体会22参考文献23一、课程设计的题目及要求1、 题目：步进电机驱动的XY二维工作台设计已知条件：定位精度：0.01mm，滚珠丝杠及导轨使用寿命：T=15000h，中等冲击，各题目的有效行程、快速进给速度和工作载荷见下表：表1工作台运动要求表题号有效行程(mm)快速进给速度(mm/min)工作载荷Fz (N)LxLyvmaxvymax177005002000250012002、要求1.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，不允许互相抄袭。2.认真阅读课程设
3、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.绘制机械系统零件图一张（A3）、装配图一张（A3），控制系统硬件电路原理图一张（A3），编写软件代码一份，图纸符合国家标准，布图合理，内容完整表达清晰； 8.课程设计说明书一份（不少于5000字），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。2、 总体方案的确
4、定根据设计任务确定系统的总体机械和控制系统方案：进行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、系统运动方式与控制方式采用连续控制系统，开环或闭环控制方式。考虑到运动精度要求不高，为简化结构，建议大多数同学采用步进电机开环系统驱动。2、计算机系统建议采用教科书上的MSC-51系列单片机。控制系统应该包括微机部分、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。系统的工作程序和控制指令通过键盘操作实现。采用数码管显示加工和工作状态等信息。3、 XY二维工作台机械系统设计1、工作台的初步设计1.1、确定
5、系统脉冲当量脉冲当量p是一个进给指令时工作台的位移量，应小于等于工作台的位置精度，一般为0.010.005mm，本次设计取值0.005mm.1.2、工作台的初步设计根据给定的有效行程，画出工作台简图，如下：图1 工作台简图估算X向和Y向工作台承载重量WX和WY， 取x向导轨支撑钢球的中心距400mm，y向导轨支撑钢球的中心距380mm,工作台的材料为号钢，其密度为，（取）。工作台重量的估算如下：X向拖板（工作台上拖板）的尺寸为：重量:Y向拖板（工作台下拖板）的尺寸为：重量:导轨座的尺寸依据XY向的行程选取：上导轨的重量主要包括了导轨座、导轨副以及电机的重量，查阅南京工艺装备制造有限公司的导轨副
6、型号及其质量，得到上导轨的重量为：另外，包括滚珠丝杠、电机、联轴器、减速器等一些部件约重100NX-Y工作台运动部分的总重量为:2、滚动导轨参数的确定根据给定的工作载荷Fz和估算的Wx和Wy计算导轨的静安全系数fSL=C0/P，式中：C0为导轨的基本静额定载荷，kN；工作载荷P=0.5(Fz+W)；fSL=1.03.0(一般运行状况)，3.05.0（运动时受冲击、振动）。根据计算结果查有关资料初选导轨： 依据使用速度v（m/min）和初选导轨的基本动额定载荷C(kN)验算导轨的工作寿命Ln： (hour)由设计的要求知道，工作台工作时收到的是中等冲击，故静安全系数取4.0 由以上算出来的额定静
7、载荷初选导轨，选择型号为GGC128AK（南京工艺装备制造有限公司制造）。表2 直线滚动导轨副相应参数导轨副尺寸滑块尺寸HWrB1L1B2L1Mil0B2M2L2168.5104046.42520M33.56M432.4导轨尺寸额定动载C(KN)额定静载C0(KN）重量B1H1dDh单根最大长度（mm）滑块/个导轨/米248.54.584.512004.454.60.061.87由公式计算得：由以上计算验证该导轨满足使用的要求。3、滚珠丝杆计算、选择初选丝杠材质：CrWMn钢，HRC5860，导程：l0=5mm。3.1、强度计算丝杠轴向力：(N)式中：K=1.15，滚动导轨摩擦系数f=0.00
8、30005；在车床车削外圆时：Fx=(0.10.6)Fz，Fy=(0.150.7)Fz，可取Fx=0.5Fz，Fy=0.6Fz计算。取f=0.004，受到垂直载荷=1200N,则：=0.51200N=600N=0.61200=720N=1.15600+0.004(1200+376.6)N=763N=1.15720+0.004(1200+367)N=891N滚珠丝杠寿命系数：，其中丝杠转速(r/min) X方向：=r/min=400r/min=360Y方向：=r/min=500450最大动载荷：式中：fW为载荷系数，中等冲击时为1.21.5；fH为硬度系数，HRC58时为1.0。本设计中，根据设
9、计要求取fW=1.3,fH=1.0X方向的滚珠丝杠：=7056.2N=8876.2N根据使用情况选择滚珠丝杠螺母的结构形式，并根据最大动载荷的数值可选择滚珠丝杠的型号,参考机电一体化课程设计指导书表3-31,选择济宁博特精密丝杠制造有限公司生产的G系列2005-3型滚珠丝杆副，相应的参数为：表3 2005-3型滚珠丝杆相应参数型号公称直径/mm基本导程/mm钢球直径/mm丝杠底径/mm丝杆外径/mm循环列数油环/m额定载荷/N动载荷静载荷2005-3GGDM2053.17516.219.3332930921569螺母安装尺寸 mm刚度N/umDLBHGGGD36604846801165.810
10、234467为内旋坏固定反向单螺母式，它的公称直径是20mm，导程是5mm，循环滚珠为3圈1列，精度等级要求不高，可以取5级，额定动载荷为9309N，大于，满足要求。3.2、传递效率的计算丝杠螺母副的传动效率为：式中：=10，为摩擦角；为丝杠螺旋升角；已知公称直径=20mm，导程=5mm,带入螺旋角计算公式得=。将摩擦角=10带入效率计算公式得：=0.963）、稳定性验算若丝杠两端采用止推轴承时不需要稳定性验算，本次设计中丝杆两端选用深沟球轴承，故须进行稳定性验算：式中 ：实际承受载荷的能力，N； ：压杆稳定的支承系数，本次设计中为单推单推式，查阅表3-41，取1；：钢的弹性模量，E=2.1x
11、1011Pa；：滚珠丝杆底径的抗弯截面惯性矩，；：压杆稳定安全系数，一般取为2.5-4，垂直安装时取最小值，本次为卧式安装，取3.：为丝杠长度，由设计要求知x方向和y方向的有效行程分别为700mm和500mm。由以上的计算可知,所以丝杆满足使用要求，合格。3.4、刚度验算滚珠丝杠受工作负载引起的导程变化量为：(cm)Y向收到的轴向力较大，故只需计算Y向的刚度，取=891N=2.1=1.01m=1.01cm=1.01=2m/mE级精度丝杠允许的螺距误差 =15m/m ,故满足刚度要求。4、步进电机的选择初选电机的步距角为：=0.75/step5、齿轮计算、设计初选电机的步距角为：=0.75/st
12、ep，计算齿轮的传动比：传动比： 取大齿轮的齿数为75，小齿轮的齿数为36，大小齿轮的材料均为45号钢；由于齿轮生产工艺简单、生产率高，故选择软齿面齿轮；有前面的计算知齿轮传递的扭矩较小，选取齿轮的模数m=1mm，则齿轮相应的参数计算为：分度圆直径：36mm，75mm；齿顶圆直径：38mm，=77mm；齿根圆直径：=33.5mm，=72.5mm；中心距：a=m（）/2=50.5mm；分度圆直径：；大小齿轮均采用将开线标准圆柱齿轮。1、2-薄齿轮, 3弹簧, 4、8凸耳, 5调节螺钉, 6、7螺母图2 双片齿轮错齿消隙结构图6、步进电机等效负载计算6.1、等效转动惯量的计算折算到步进电机轴上的工
13、作台的等效转动惯量Jw：=折算到步进电机轴上的齿轮1、齿轮2的等效转动惯量Jz1，Jz2：=3.21kg=5.41kg折算到步进电机轴上的丝杠的等效转动惯量Js:0.86Ckg折算到步进电机轴上的等效负载转动惯量为：(kgcm2)=(5.35+3.21+1.44)kg/=10.0kg6.2、等效负载转矩计算 计算加在步进电机转轴上的等效负载转矩，分为快速空载启动和承受最大工作负载两种情况进行计算。空载时的摩擦转矩： (Nm) u-导轨的摩擦因数，滚动导轨去0.005；W-工作台垂直方向受到的切削力载荷重量；-为考虑丝杠预紧时的传动效率，去0.8；带入上式计算的:(Nm)工作时的负载转矩：(Nm
14、)X方向：=(Nm)=0.373(Nm)Y方向：=(Nm)=0.434(Nm)=0.434(Nm)6.3、起动惯性阻转矩计算:(Nm)式中电机转速m=2nm/60,t-起动加速时间，取值为0.025s；-对应空载最快移动速度的步进电机最高速度，单位为r/min;-空载最快移动速度，本次设计中给的是y方向最快为2500mm/min;-步进电机的步距角，预选电机为；带入相应的参数计算得：m=2nm/60=107rad/s=(Nm)=0.428(Nm)6.4、步进电机输出轴上总负载转矩计算(Nm)=0.011+0.434+0.428(Nm)=0.873(Nm)步进电机的选择：为使步进电机正常起动（不失步）
