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1、机电一体化系统综合课程设计-X-Y数控工作台设计说明书 HEFEI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY 机电一体化系统设计课程 课 外 学 分 项 目 名 称 X-Y数控工作台 项 目 组 成 员 成 绩 机械工程学院 机械电子工程系 二零一六年X月 目录 1总体方案设计 1 1.1设计任务 1 1.2总体方案确定 1 1.2.1系统的运动方式与伺服系统 1 1.2.2计算机系统 1 1.2.3X-Y工作台的传动方式 1 2机械系统设计 2 2.1工作台外形尺寸及重量估算 2 2.2滚动导轨的参数确定 2 2.2.1导轨型式 2 2.2.2导轨长度 2 2.2.3直线滚动轴承的选
2、型 2 2.2.4滚动导轨刚度及预紧方法 3 2.3滚珠丝杠的设计计算 3 2.3.1最大动负载Q的计算 3 2.3.2滚珠丝杠螺母副几何参数计算 4 2.3.3传动效率计算 4 2.3.4刚度验算 4 2.4步进电机的选用 5 2.4.1步进电机的步距角 5 2.4.2步进电机启动力矩的计算 5 2.4.3步进电机的最高工作频率 6 2.5确定齿轮传动比 6 2.6确定齿轮模数及有关尺寸 6 2.7步进电机惯性负载的计算 7 3控制系统硬件设计 9 3.1CPU板 9 3.1.1CPU的选择 9 3.1.2CPU接口设计 9 3.2驱动系统 10 3.2.1步进电机驱动电路和工作原理 10
3、3.2.2电磁铁驱动电路 11 3.2.3电源设计 12 4控制系统软件设计 13 4.1总体方案 13 4.2主流程图 13 4.3X轴电机点动正转程序流程图 14 4.4步进电机步进一步程序流程图 15 参考文献 16 1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。该工作台可用于铣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CBH145mm160mm12mm；底座外形尺寸C1B1H1210mm220mm140mm；最大长度L=388mm；工作台加工范围X=
4、55mm，Y=50mm；工作台最大快移速度为1m/min。 1.2总体方案确定 1.2.1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，降低本钱，采用步进电机开环伺服系统驱动X-Y工作台。 1.2.2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。 控制系统由微机局部、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。 1.2.
5、3X-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，为到达分辨率的要求，需采用齿轮降速传动。 图1-1 系统总体框图 2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： 长宽高 14516050 重量：按重量=体积材料比重估算 N Y向拖板（下拖板）尺寸： 重量：约90N。 上导轨座（连电机）重量
6、： 夹具及工件重量：约150N 。 X-Y工作台运动局部的总重量：约287N。 2.2滚动导轨的参数确定 2.2.1导轨型式 选用x圆形截面滚珠导轨。 2.2.2导轨长度 上导轨（X向） 取动导轨长度 动导轨行程 支承导轨长度 下导轨（Y向） 选择导轨的型号：GTA16 2.2.3直线滚动轴承的选型 上导轨 下导轨 由于本系统负载相对较小，查表后得出LM10UUOP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LM16UUOP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。 2.2.4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
7、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；当导轨移动到位置或时，两端滚动体受力不相等，变形不一致，使工作台倾斜角，由此造成误差。此外，滚动体支承工作台，假设工作台刚度差，那么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铣削力及运动部件的重量所引起的进给抗力。应按铣削时的情况计算。 2.3.1最大动负载Q的计算 查表得系数，寿命值 查表得使用寿命时间T=15000h，初选丝杠螺距t=4mm，得丝杠转速 所以 X向丝杠牵引力
8、Y向丝杠牵引力 所以最大动负荷 X向 Y向 查表，取滚珠丝杠公称直径 ，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。 2.3.2滚珠丝杠螺母副几何参数计算 表2-1 滚珠丝杠螺母副几何参数 名 称 符 号 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 螺杆接触直径 螺母 螺母螺纹外径 螺母内径（外循环） 2.3.3传动效率计算 式中：摩擦角；丝杠螺纹升角。 2.3.4刚度验算 滚珠丝杠受工作负载P引起的导程的变化量 Y向所受牵引力大，故应用Y向参数计算 所以 丝杠因受扭矩而引起的
9、导程变化量很小，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，故刚度足够。 2.3.5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 2.4.1步进电机的步距角 取系统脉冲当量，初选步进电机步距角。 2.4.2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关系 式中： 电机转角； 移动部件的相应位移； 机械传动效率。 假设取 ，那么，且，所以 式中： 移动部件负载（N）；G移动部件重量（N）； 与重量方向一致的作用在移动部件上的负载力（N）； 导轨摩擦系数；步进电机步距角，（rad）
10、；T电机轴负载力矩（） 本例中，取（淬火钢滚珠导轨的摩擦系数），为丝杠牵引力，。考虑到重力影响，Y向电机负载较大，因此取，所以 假设不考虑启动时运动部件惯性的影响，那么启动力矩 取平安系数为0.3，那么 对于工作方式为三相六拍的三相步进电机 2.4.3步进电机的最高工作频率 查表选用两个45BF005-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 重量 步距角 最 大静转距 最高空载启动频率() 相数 电压 电流 外径 长度 轴径 45BF005- 15 19.6 3000 3 27 2.5 45 58 4 11 2.5确定齿轮传动比 因步进电
11、机步距角，滚珠丝杠螺距 ，要实现脉冲当量，在传动系统中应加一对齿轮降速传动。齿轮传动比 选 ， 。 2.6确定齿轮模数及有关尺寸 因传递的扭距较小，取模数，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 17 28 17 19 14.5 5 28 30 25.5 5 17.5 根据等效转动惯量的计算公式，得 式中： 折算到电机轴上的惯性负载（）； 步进电机转轴的转动惯量（）；齿轮 的转动惯量（）；齿轮 的转动惯量（）；滚珠丝杠的转动惯量（）；M移动部件质量（）。 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
12、轴转动惯量很小，可以忽略，那么 因为，所以惯性匹配比较符合要求。 3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。 3.1CPU板 3.1.1CPU的选择 随着微电子技术水平的不断提高，单片微型计算机有了飞跃的开展。单片机的型号很多，而目前市场上应用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
13、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又显得过于浪费。生产基于51为内核的单片机的厂家有Intel、ATMEL、Simens，其中在CMOS器件生产领域ATMEL公司的工艺和封装技术一直处于领先地位。ATMEL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。
14、 因此硬件CPU选用AT89S51，AT表示ATMEL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）、RAM为128B、14位的计数器WDT、I/O口共有32个。 3.1.2CPU接口设计 CPU接口局部包括传感器局部、传动驱动局部、人机交互界面三局部。示意图如下所示：（行程开关） 前向通道 传动驱动 （电磁铁） （步进电机） 人机界面 传感器 AT89S51 （键盘、LED） 后向通道 图3-1 CPU外部接口示意图 P1.0-P1.2 驱动1 X步进电机 驱动2 Y步进电机 P1.3-P1.5 P1.6 驱动3 P3.2 外部中断1 P3.3 外部中断2 P0.0-P0.7 AD0AD7 P2.7 CE P2.6 IO/M PB 口 PA口 PC口 AT89S51 键盘 电磁铁 815
