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1、g 统 -徐合课程设计说朗 ; 将修 7 网反IBMT standardization office IBMT5AB-IBMT08-IBMT2C-ZZT18机电一体化系统课程设计 X-Y 数控工作台设计说明书 学校名称：湖北文理学院班级学号：学生姓名：张亮班级：机电 13212015 年 11 月为保证一定的传动精度和平稳性，乂要求结构紧凑，所以选用丝杠螺母传动副。为提高传动刚度和消除隙，采用预加负荷的结构。山于工作台的运动载荷不大，因此采用有预加载荷的双 V形滚珠导轨。采用滚珠导轨可减少两个相对运 动面的动、静摩擦系数之差，从而提高运动平稳性，减小振动。考虑电机步距角和丝杆导程只能按标准选取
2、，为达到分辨率的要求，需采用齿轮降速传动。图 1-1 系统总体框图二、机械系统设计2? 1、工作台外形尺寸及重量估算X向拖板（上拖板）尺寸：长 X 宽 X 高145X160X50重量：按重量二体积X 材料比重估算145X160X50X10-3X7.8X1O 29ONY向拖板（下拖板）尺寸：145x160x50重量：约90N。上导轨座（连电机）重量：夹具及工件重量：约 150、 oX-Y 工作台运动部分的总重量：约287N。2? 2、滚动导轨的参数确定、导轨型式：圆形截面滚珠导轨、导轨长度上导轨 （ X 向）取动导轨长度支承导轨长度么二/ +/ =155/, = 100动导轨行程1=55下导轨
3、(Y 向 )选择导轨的型号： GTA16(3) 、直线滚动轴承的选型 上导轨 下导轨III于本系统负载相对较小，查表后得出LM10UU0型直线滚动轴承的额定动载荷为370N,大于实际 动负载;但考虑到经济性等因素最后选择 LM16UU0型直线滚动轴承。并采用双排两列4个直线滚动轴承 来实现滑动平台 的支撑(4) 、滚动导轨刚度及预紧方法当工作台往复移动时，工作台压在两端滚动体上的压力会发生变化，受力大的滚动体变形大，受力小 的滚动体变形小。当导轨在位置I 时，两端滚动体受力相等，工作台保持水平；当导轨移动到位置II 或 III 时，两端滚动体受力不相等，变形不一致，使工作台倾斜a 角，曲此造成
4、误差。此外，滚动体支承工 作台，若工作台刚度差，则在自重和载荷作用下产生弹性变形，会使工作台下凹 (有时还可能出现波浪形) ，影响导轨的精度。2. 3 、滚珠丝杠的设计计算滚珠丝杠的负荷包括铳削力及运动部件的重量所引起的进给抗力。应按铳削时的情况计算。(1)、最大动负载Q的计算查表得系数人二1, A二1,寿命值查表得使用寿命时间T二150007初选丝杠螺距t二4mm得丝杠转速l= 60X250X15000 = 225 所以 1()6X向丝杠牵引力Y向丝杠牵引力所以最大动负荷X 向Q- A225 X1X1X3.39 = 20.6(2)Y 向2 = V225 xlx!x4.06 =24. 7(N)
5、查表，取滚珠丝杠公称直径d? -I力口，选用滚珠丝杠螺母副的型号为SFK1004，其额定动载荷为390N,足够用。(2)、滚珠丝杠螺母副儿何参数计算表2-1滚珠丝杠螺母副儿何参数名称计算公式和结果螺纹滚道公称直径10螺距接触角钢球直径螺纹滚道法面半径偏心距!螺纹升角螺杆螺杆外径螺杆内径累杆接触直径螺母累母螺纹外径螺母内径(外循环)见表2-1 o(3)、传动效率计算式中：(p一摩擦角；/一一丝杠螺纹升角(4)、刚度验算滚珠丝杠受，作负载P引起的导程么的变化量Y向所受牵引力大，故应用Y向参数计算24,7x0,5所以二 =1.2 X 10A (67/7)20.6 xl0 6x 0.5丝杠因受扭矩而引
6、起的导程变化量4/4艮小，可以忽略所以导程总误差查表知E级精度的丝杠允许误差 15刃二故刚度足够。（ 5） 、稳定性验算山于丝杠两端采用止推轴承，故不需要稳定性验算。2. 4 、步进电机的选用（ 1） 、步进电机的步距角 0取系统脉冲当量 90?皿/step ,初选步进电机步距角妹 二15。（ 2） 、步进电机启动力矩的计算设步进电机等效负载力矩为 T, 负载力为 P, 根据能量守恒原理，电机所做的功与负载力做功有如下矢 系式中： 电机转角； 5 一一移动部件的相应位移；“一一机械传动效率。若取口二4,贝9s = q,且P二R+ “G,所以式中：Ps 移动部件负载（“）；G移动部件重量（N）;
7、FZ与重量方向一致的作用在移动部件上的负载力（N）;“ 一一导轨摩擦系数；a步进电机步距角，（ rad ） : T - 电机轴负载力矩（ N? w ）本例中，取/= 0.03 （淬火钢滚珠导轨的摩擦系数），二0.96, 为丝杠牵引力，Ps=Pff = 24.1N o考虑到重力影响Y向电机负载较大因此取 G二Gy=2s7N所以若不考虑启动时运动部件惯性的影响，则启动力矩取安全系数为o? 3,则Ti =4. 42 (对于工作方式为三相六拍的三相步进电机(3)、步进电机的最高工作频率查表选用两个45BF005-II型步进电机。电机的有尖参数见表2-2o表2-2 步进电机参数型号主要技术数据外形尺寸(
8、mm)止 少屣任 几最大静转距最高空载启动频率(sfep/s)相数电压电流外径反度轴径45BF005-|1 ?519.630003272.545584112. 5.确定齿轮传动比因步进电机步距角 4 = 1 ? 5。，滚珠丝杠螺距要实现脉冲当量?Olnun/step,在传动系统中应加一对齿轮降速传动。齿轮传动比选乙二17,Z2 = 282? 6、确定齿轮模数及有尖尺寸因传递的扭距较小取模数也二山血，齿轮有尖尺寸见表3-32? 7、步进电机惯性负载的计算表2-3齿轮尺寸1728171914.55283025.5517.5根据等效转动惯量的讣算公式，得式中：Jd 折算到电机轴上的惯性负载（Rg ?
9、 c / r）;步进电机转轴的转动惯量（Rg?c）； 齿轮的转动惯量（kg?cnf ）; J2 齿轮的转动惯量In :滚珠丝杠的转动惯量（蚣？“）；M-移动部彳+质量（kg）。对材料为钢的圆柱零件转动惯量可按下式估算式中：D -圆柱零件直径（cm）： L 零件长度（cm）。所以电机轴转动惯量很小，可以忽略，则因为，V虫：4JM|1111三、控制系统硬件设计X-Y数控工作台控制系统硬件主要包括CPU传动驱动、传感器、人机交互界面。硬件系统设计时，应注意儿点：电机运转平稳、响应性能好、造价低、可维护性、人机交互界面可操作性比较好。3. 1 CPU 板3. 1. 1 CPU 的选择随着微电子技术水平
10、的不断提高，单片微型计算机有了飞跃的发展。单片机的型号很多，而H前市场 上应用MCS-51芯片及其派生的兼容芯片比较多，如目前应用最广的8位单片机89C51,价格低廉，而性能优良，功能强大。在一些复杂的系统中就不得不考虑使用16位单片机，MCS-96系列单片机广泛应用于伺服系统，变频调速等各类要求实时处理的控制系统，它具有较强的运算和扩展能力。但是定位合理的单片机可以节约资 源，获得较高的性价比。从要设计的系统来看，选用较老的 8051 单片机需要拓展程序存储器和数据存储器，无疑提高了设计价格，而选用高性能的16位MCS-96 X显得过于浪费。生产基于51 为内核的单片机的厂家有Intel 、
11、 ATME、LSimens,其中在CMOSI件生产领域ATME公司的工 艺和封装技术一直处于领先地位。ATME公司的AT89系 列单片机内含Flash存储器，在程序开发过程中可以十分容易的进行程序修改，同时掉电也不影响信息的保存；它和80C51 插座兼容，并且采用静态时钟方式 可以节省电能。因此硬件CPU用AT89S51, AT表示ATME公司的产品，9表示内含Flash存储器）S表示含有串行 下载Flash存储器。AT89S51的性能参数为：Flash存储器容量为4KB 16位定时器2个、中断源6个（看门狗中断、接收发送中断、外部中断0、外部中断1 、定时器 0 和定时器 1 中断）、 RA
12、M128B、 14位的计数器WD、T I/O 口共有 32 个。3. 1.2 CPU 接口设计cpuS口部分包括传感器部分、传动驱动部分、人机交互界面三部分。示意图如下所不:AT89S51后向通道(先讲由传动驱动(键盘、LED)人机界面图3-1 CPU外部接口示意图AT89S51要完成的任务：(1) 将行程开尖的状态读入 CPU通过中断进行处理，它的优先级别最高。(2) 通过程序实时控制电机和电磁铁的运行。(3)接受键盘中断指令，并响应指令，将当前行程开矢状态和键盘状态反应到LED上，实现人机交互作用。由于AT89S51只有P1 口和P3 口是准双向口，但 P3 口主要以第二功能为主，并且在系
13、 统中要用到 第二功能的中 断口，因此要进行I/O扩展。考虑到电路的简便性和可实现性，实际中采用内部自带锁存器的8155，所以AT89S51的I/O口线分配如下：(1) Pl. 0-P1. 5 控制X-Y两个方向步进电机的 A B、C线圈通电，形成 A-AB-B-BC-C-CA-A三相六拍正转模式和 A-AC-C-CB-B-BA-A的反转模式。(2) Pl. 6口输出控制电磁铁的吸合(3) P3. 2和P3. 3两个中断源中INTO优先级最高,它读入行程开矢的状态并触发中断；I T假入 点动、复位、圆弧插补开尖的状态而触发中断。(4) PO. 0-P0. 7 外部I/O扩展的数据读取(5)P2
14、. 7 和 P2. 6 决定 8155 的 PA PR PC 口的地址。图3-2AT89S51控制系统图PB 口接LED反映当前运行的8个状态：X+禁止、X-禁止、行、手动X- Y噤止、W禁止、手动X+运 运行、手动Y+运行、手动Y-运行。PA 口低四位反映触发中断1的4个行程开矢的状态。PC 口低6位反映了触发中断2的手动X隹行、手动X运行、手动Y+运行、手动Y-运行、复位(RST)、圆弧 插补6 个开矢的状态。3. 2 驱动系统传动驱动部分包括步进电机的驱动和电磁铁的驱动，步进电机须满足快速急停、定位和退刀时能快速运行、工 作时能带动工作台并克服外力（如切削力、摩擦力）并以指令的速度运行。在定位和退刀时电磁铁吸合使绘笔抬起， 绘图时能及时释放磁力使笔尖压下。3. 2. 1 步进电机驱动电路和工作原理步进电机的速度控制比较容易实现，而且不需要反馈电路。设计时的脉冲当量为0. 01mm, 步进电机每走一步 ， 工作台直线行进0. 01mm。步进电机驱动电路中采用了光电偶合器，它具有较
