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1、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： 2013279129学生姓名：张亮班级:机电13212015年11月、总体方案设计1.1 设计任务设计一个数控 X-Y工作台及其控制系统。该工作台可用于铳床上坐标孔的加工和腊摸、塑 料、铝合金零件的二维曲线加工，重复定位精度为土0.01mm,定位精度为0.025mm。设计参数如下：负载重量 G=150N ;台面尺寸 C x B x H = 145mm x 160mm x 12mm ;底座外 形尺寸 C1 x B1 x H1 = 210mm x 220mm x 140mm ;最大长度L=388mm ;工作台加工范围
2、X=55mm , Y=50mm ;工作台最大快移速度为 1m/min。1.2 总体方案确定(1)系统的运动方式与伺服系统由于工件在移动的过程中没有进行切削，故应用点位控制系统。定位方式采用增量坐标控制。为了简化结构，降低成本，采用步进电机开环伺服系统驱动X-Y工作台。(2)计算机系统本设计采用了与MCS-51系列兼容的AT89S51单片机控制系统。它的主要特点是集成度高， 可靠性好，功能强，速度快，有较高的性价比。控制系统由微机部分、键盘、 LED、I/O接口、光电偶合电路、步进电机、电磁铁功率放大 器电路等组成。系统的加工程序和控制命令通过键盘操作实现。LED显示数控工作台的状态。(3) X
3、-Y工作台的传动方式为保证一定的传动精度和平稳性，又要求结构紧凑，所以选用丝杠螺母传动副。为提高传 动刚度和消除间隙，采用预加负荷的结构。由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，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3.1、 工作台外形尺寸及重量估算X向拖板（上拖板）尺寸：长M宽父高145X160X 50重量：按重量=体积X材料比重估算_3_ 2 _一145 160 50 107.8 10 ： 90 NY向拖板（
4、下拖板）尺寸：14 5 1 60 5 0重量：约90N。上导轨座（连电机）重量：（220 140 38 2 155 二 82） 7.8 102 10* 1.1 10 ： 107 （N）夹具及工件重量：约 150N。X-Y工作台运动部分的总重量：约 287N。3.2、 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1B =100动导轨行程l二55支承导轨长度L =lB l=155下导轨（Y向）l =50 lB =100L =150选择导轨白型号：GTA16、直线滚动轴承的选型上导轨GX =240（N）下导轨GY =287（N）由于本系统负载相对较小，查表后得出
5、LM10UUOP1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LM16UUO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。、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n或出时，两端滚动体受力不相等，变形不一致，使工作台倾斜口角，由此造成误差。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。3.3、
6、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管异。、最大动负载Q的计算Q = 3LfP查表得系数 % = 1 ,3=1 ,寿命值,60nTL 二6106查表得使用寿命时间 T=15000h,初选丝杠螺距t=4mmi得丝杠转速所以1000Vmax 1000 1n =60 250 15000106= 250(r/min)二 225X向丝杠牵引力P =1.414 f当Gx(f当当量摩擦系数)= 1.414 0.01 240 =3.39(N)Y向丝杠牵引力Py =L414f 当 Gy= 1.414 0.01 287 =4.06(N)所以最大动负荷X向Q
7、x = V225 M1M1 M 3.39 = 20.6(N)丫向Qy =V225 W4.06=24.7(N)查表，取滚珠丝杠公称直径d0 =10mm ,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。、滚珠丝杠螺母副几何参数计算名 称符号计算公式和结果螺纹滚道公称直径d010螺距t4接触角P45钢球直径dq2螺纹滚道法面半径RR=0.52dq =1.04 q偏心距ee=(R dq/2)sinP =0.03螺纹升角ytta -arctg- 7.26nd0螺杆螺杆外径dd =d0 -(0.20.25)dq =9.5螺杆内径dldl =d0 +2e-2R = 7.98螺
8、杆接触直径dzdz =d0 dqcosP =8.59螺母螺母螺纹外径DD =d0 -2e + 2R = 12.02螺母内径(外循环)DiD1 =d0+(0.2 0.255)dq =10.5见表2-1。、传动效率计算一g吟60 973tg( )tg(7.26，02)式中：一一摩擦角；一一丝杠螺纹升角。、刚度验算滚珠丝杠受工作负载 P引起的导程L0的变化量* =口EFY向所受牵引力大，故应用Y向参数计算P = 24.7( N)L0 =0.4(cm)E =20.6父1063/cm2)(材料为钢)Fgr2=3.i4(5 = 0.5 cm22所以 l_L1 = -24.7 f = 1.2 10(cm)2
9、0.6 106 0.5丝杠因受扭矩而引起的导程变化量l2很小，可以忽略。所以导程总误差.1006100=L =1.2 10-5-j- =3m/m查表知E级精度的丝杠允许误差 15Nm,故刚度足够。、稳定性验算由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、步进电机的步距角 入取系统脉冲当量6P = 0.01mm/step ,初选步进电机步距角 及=1.5。、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 做功有如下关系Ti = Ps式中：一一电机转角；S 一一移动部件的相应位移;机械传动效率。若取中0b，则S=% ,
10、且P = PS +NG ,所以36二 p R G 1T 二一p(NLcm)2二入式中：Ps 移动部件负载（N）; G-移动部件重量N）;PZ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;b 步进电机步距角，（rad）;电机轴负载力矩（N|_cm）本例中，取 0 =0.03 （淬火钢滚珠导轨的摩擦系数）,”=0.96, Ps为丝杠牵引力,Ps =Ph =24.7N 。考虑到重力影响，Y向电机负载较大，因此取 G =Gy =287N ,所以36 0.0124.7 0.03 287 1T 二2二 1.5 0.96= 1.33(Nlcm)若不考虑启动时运动部件惯性的影响，则启动力矩
11、. T取安全系数为0.3 ,则0.30.5T =133=4.42 N|_cmq 0.3对于工作方式为三相六拍的三相步进电机Tjmax0.866= 5.1NLcm、步进电机的最高工作频率f max1000Vmax60 p1000 160 0.01= 1667( Hz)查表选用两个45BF005-H型步进电机。电机的有关参数见表2-2。表2-2 步进电机参数型号主要技术数据外形尺寸(mm)重量(N)步 距角(：最大 静转距 (N|Jcm )最图空载 启动频率 (step/s )相 数电压(V)电流(A)外径长度轴径45BF005- II1.519.630003272.545584112.5、 确定
12、齿轮传动比因步进电机步距角* =1.5 ,滚珠丝杠螺距t = 4mm ,要实现脉冲当量6P =0.01mm/step,在传动系统中应加一对齿轮降速传动。齿轮传动比,乙 p 360；0.01 3601 =0.6Z2%t1.5 4选乙=17 , Z2 =28。2.6、 确定齿轮模数及有关尺寸因传递的扭距较小，取模数 m= 1mm,齿轮有关尺寸见表 3-3。2.7、 步进电机惯性负载的计算表2-3齿轮尺寸Z1728d = mZ mmda = d 2m mmdf = d -2 1.25m mmb = 3-6 m mmd1 d2a =-2(mm)根据等效转动惯量的计算公式，得Z1MJJ2J3 M式中：J
13、d 折算到电机轴上的惯性负载（kg|_cm2） ； J1齿轮的转动惯量（J3 滚珠丝杠的转动惯量（kg|_cm2）；171914.517.5283025.5kgLcm2）; J0步进电机转轴的转动惯量kg|_cm2） ； J2齿轮的转动惯量（kg_cm2）；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J =0.78 10“D4L kgbcm2式中：D一圆柱零件直径（cm）; L零件长度（cm）。 所以J1= 0.78 10，1.74 0.5=3.26 10 kgUcm2J2-0.78 10，2.84 0.5 =23.9 10“ kgUsm2J3= 0.78 10，14 5=3.9 10& kgUcm2电机轴转动惯量很小，可以忽略，则Jd =3.26 10“f17 WQ23.9 3.9 104250.001l151180 J= 0.4 10 kgLm2因为 1 :二J4 Jm0.4寸，=0.319 1 ,所以惯性匹配比较符合要求。1.274三、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，应注意几点：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
