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1、机电一休化系统课程设计X-Y数控工作台设计说明书:称学校名:班级学号:名生学姓:班级2016 4 月年 1 / 21一、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，重复定位精度为士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 X=55mm , Y=50mm ;
2、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-Y工作台的传动方式为保证一定的传动精度
3、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。.-口传动部件步进电机-驱动电L医我导轨副滚珠丝杠副传感栓测部可机械部分ATS9S51茵轮副LED图1-1系统总体框图2 / 21二、机械系统设计、工作台外形尺寸及重量估算2.1向拖板（上拖板）尺寸：X 50 X 145 X 160长宽高体积x材料比重估算重量：按重量=2 39
4、01010 7.8 145 16050 N04551 6 01 Y向拖板（下拖板）尺寸：重量：约90N。上导轨座（连电机）重量：107 10 810） 7.8 10 1.1（220140 38 2 155 ） N （3 22X-Y。150N夹具及工件重量：约287N。工作台运动部分的总重量：约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x向)上导轨d 1取动导轨长度B1 55动导轨行程L II 155支承导轨长度B下导轨(丫向)I 100501BL 150选择导轨的型号： GTA16、直线滚动轴承的选型上导轨G 240(N)河下导轨G 287(N) 丫由于本系统负载相对较小
5、，查表后得出LM10UUO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。3 / 21、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H或皿时，两端滚动体受力不相等，变形不一致，使工作台倾斜a角，由此造成误差。此夕卜，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
6、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。、最大动负载Q的计算3LffQ P Hf 1f 1,寿命值，查表得系数H60nT L 610查表得使用寿命时间T=15000h, 初选丝杠螺距t=4mm,得丝杠转速1000V1000 1 max 250(r/n min) t460 250 15000 225L所以 60X向丝杠牵引力P 1.414fG(f当量摩擦系数)xx 当当 1.414 0.01 240 3.39(N)Y向丝杠牵引力P 1.414fGyy 当)N287 4.06( 1.414 0.01 所以最大动负荷-3
7、225 1 1 3.39 Q 20.6(N) X 向3225 Q 1 1 4.06 24.7(N)向 Yyd 10m m，选用滚珠丝杠螺母径称杠珠取表查，滚丝公直副。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4 / 21表2-1滚珠丝杠螺母副几何参数称名符号计算公式和结果公称直径d010螺距t4接触角45d2钢球直径q螺纹滚道14 0.52dR R螺纹滚道法面半径qe 0.03sin d/e 2R偏心距q螺纹升角t迫726 arc dod 9.50.20.25d d d螺杆外径/ d 2e 2R 7.98d螺杆螺杆内径0 d 8-59 dcosd d螺
8、杆接触直径zqzD d 2e 2R 12.02D螺母螺纹外径0d 0255d 10-50-2D D螺母螺母内径(外循环)时见表2-1。、传动效率计算tg7.26tg 0.973 )tg(7.26 0.2tg()0o丝杠螺纹升角。一一摩擦角；式中：、刚度验算L的变化量引起的导程 滚珠丝杠受工作负载P0PL0 L _ 1EF丫向所受牵引力大，故应 用丫向参数计算L 0.4 （cm）P 24.7 （N0 26材料为钢）（N/ E20.6 10cm20.79822cm F 0.5R 3.14 2 24.7 0.5 6（ cm ） 10 1.2 L 所以L很小，可以忽略。丝杠所以导程总误差 1620.6
9、 1 0 0.5因受扭矩而引起的导程变化量5 / 21100100 6 m/ 1.2 103mL0.4L0 m15,故刚度足够。查表知E级精度的丝杠允许误差、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bStepmm/0.01 15。取系统脉冲当量，初选步进电机步距角pb0、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=PsTs -机械传动效率。式中：一一移动部件的相应位移；一一电机转角；G PP s,所以，且，贝y若取 sbpG36Psp (Ncm) T-2bPP
10、-与重量方向一致的作；G移动部件重量（N式中：）移动部件负载（N） ; Sz步进电机步距角，（rad ）；用在移动部件上的负载力（N） ； T -导轨摩擦系数；bNcm）-电机轴负载力矩P0.96 0.03为丝杠牵引力，本例中，取(淬火钢滚珠导轨的摩擦系数)sP P 24.7NG G 287N,所以向电机负载较大，因此取。考虑到重力影响，YHsy 287 0.0324.7 36 0.01 1.33(NcmT ) 0.96 1.5 2若不考虑启动时运动部件惯性的影响，则启动力矩TT q0.50.31.33 T4.42 Ncm，贝 9 0.3 取安全系数为q0.3对于工作方式为三相六拍的三相步进电
11、机6 / 21max。866T qCmN5.1 T、步进电机的最高工作频率 V100011000 max)f 1667(Hzmax0.016060 p2-2。查表11选用两个45BF005- n型步进电机。电机的有关参数见表2-2步进电机参数表号型主要技术数据2)(mm外形尺寸重量)N(步 距 角最大静转距Ncm最高空载 动频率启(s/step相数电压V)(电流)A(外径长度轴径)30002.5、确定齿轮传动比mm4t 1.5量当脉冲实角，距，滚珠丝杠螺要现距进因步电机步bstep/O.O1mm，在传动系统中应加一对齿轮降速传动。齿轮传动比p 360 Z3600.01 p|0.6 i 04 Z
12、t1. 28 17ZZ 选 2，处。2i26、确定齿轮模数及有关尺寸mmlm因传递的扭距较小，取模数3-3，齿轮有关尺寸见表。、步进电机惯性负载的计算2.7 2-3表齿轮尺寸Z28177 / 2128 17 mmd mZ30 19 mm2md da25.5 14.5 mm 1.25md d 2 f55mm 6b m3d d17.521mm a根据等效转动惯量的计算公式，得2 2Zp1M J JJ JJ 30d12Zb180 2jjcmk -步进电机转轴的转动惯量式中：）一一折算到电机轴上的惯性负载（；0JJcmcmkgcmkgkg ；的转动惯量（）（；）齿轮）；一一齿轮的转动惯量（212jkg
13、cmkg）； M 移动部件质量（一滚珠丝杠的转动惯量（）。3对材料为钢的圆柱零件转动惯量可按下式估算234 cmD10kgL J0.78-零件长度（cm）-圆柱零件直径（cm）； L式中：D所以23 34cm1010kg 1.7 0.5 3.26 J0.78 12343 cm2.8kg 0.5 23.910J 0.78 10 2电机轴转动惯量很小,可以忽略，则2173 310326J 10 23.93.9d28 2O.。0125m 250.4 10kg 341.5 180 0.4J1d10.319,所以惯性匹配比较符合要求。因为 1.274J4m8 / 21三、控制系统硬件设计X-Y数控工作台
14、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平的不断提高，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
