机电一体化课程设计说明书.

机电一体化系统综合课程设计课题名称：Ｘ－Ｙ数控工作台设计说明书学院：机械工程学院专业：机械设计制造及其自动化设计成员：指导老师：季国顺金成柱聂欣日期： 2013年1月7日设计组号： 7 课题号： 14目录1、总体方案设计 (3)1.1 设计任务 (4)1.2 总体方案确定 (4)2、机械系统设计 (5)2.1 工作台外形尺寸及重量估算 (6)2.2 导轨参数确定 (7)2.3 滚珠丝杆的设计计算 (8)2.4 步进电机的选型与计算 (10)2.5 机械系统结构设计 (12)3、控制系统硬件设计 (13)3.1 控制系统硬件组成 (13)3.2 控制系统硬件选型 (15)3.3 控制系统硬件接口电路设计 (17)3.4 驱动系统设计 (18)4、控制系统软件设计 (19)4.1 控制系统软件总体方案设计 (21)4.2 主流程设计 (22)4.3 中断服务流程设计 (23)4.4 软件调试 (25)5、总结 (26)参考文献 (27)1、总体方案设计1.1 设计任务题目：两坐标X-Y 数控工作台设计任务：设计两轴联动的数控X-Y 运动平台，完成机械系统设计、控制系统设计与相应软件编程，根据试验条件进行调试，完成整个开发系统；每组一题，分别由3～4位同学合作完成。

其主要技术指标如下：1）工作台型号为HXY-4030；2）行程要求X=400mm ，Y=300mm ；3）工作台面尺寸为C ×B ×H ＝240mm ×254mm ×15mm ；4）底座外形尺寸为C1×B1×H1＝650mm ×550mm ×184mm ；5）工作台最大长度L=778mm ；6）工作台负载重量N=500N ；7）工作台最快移动速度v xmax =v ymax =1m/min8）X,Y 方向的重复定位精度为±0.02mm ；9）X,Y 方向的定位精度为0.04mm ；10）工作台切削负载小、运动灵敏度高、低速无爬行；11）定位精度高；12）结构轻便，建议机座和滑台采用铝合金；13）标准组件，独立产品；14）可直接应用于小型钻、铣床。

1.2 总体方案确定1.2.1 方案确定思想该工作台设计主要分为机械系统部件和控制系统部件，其中机械系统部件主要包括导轨副、丝杠螺母副、减速装置、伺服电动机和检测装置等，控制系统部件则包括CPU 控制电路、电源设计电路、输入信号电路、输出信号电路、步进电机驱动控制电路等。

因X 向和Y 向机械结构基本相同，故只绘制X 向机械系统部分的结构简图，如下：考虑在满足设计要求的前提下，应尽可能采用简洁轻便的结构设计和廉价实用的可选材料，符合绿色环保的现代机械设计理念，由此来确定最终方案。

1.2.2 方案对比分析与确定（1）方案对比1）方案一动力源：采用标准工业电源；执行元件：选用混合式步进电机，其特点为输出转矩大、动态性能好、步距角小、驱动电源电流小、功耗低，但结构稍复杂，成本相对较高；导向支承部件：选用直线滚动导轨副，其特点是摩擦因数小，不易爬行，便于安装和预紧，结构紧凑；传动部件：选用滚珠丝杠副，其特点是传动效率高，运动平稳，使用寿命长，运用广泛；减速装置：不使用减速箱，在满足脉冲当量的需求时，可以有效简化系统结构，缩小机械尺寸，节约生产成本；检测装置：增量式旋转编码器；系统微控制器：选用MCS-51系列的8位单片机AT89C52；2）方案二动力源：采用标准工业电源；执行元件：选用永磁式步进电机，其特点为不需要太大电流，绕组断电时具有自锁能力，优点是动态性能好、输出转矩大、驱动电流小、电动机不易发热，但制造成本高，步距角较大，配套的驱动电源要具有细分功能；导向支承部件：选用滚柱交叉导轨副，其特点是具有较高的承载能力和较高的刚性，可以获得较高灵敏度和高性能的平面直线运动，导向性好，自动定心，滚动摩擦阻力低；传动部件：选用滚珠丝杠副；减速装置：选用无间隙齿轮传动减速箱；检测装置：增量式旋转编码器；系统微控制器：选用可编程程序控制器（PLC）；3）方案三动力源：采用标准工业电源；执行元件：选用反应式步进电动机，其特点为步矩角可达1°~15°，甚至更小，精度容易保证，起动和运行频率较高，但功耗较大，效率较低；导向支承部件：选用静压导轨副，其特点是需要将一定压力的油或气体介质通入导轨的运动件和导向支撑部件之间，使运动件浮在压力油或气体薄膜上，摩擦阻力很小；传动部件：选用滑动丝杠副，其特点是结构简单，容易制造，减速传动比大，摩擦力大，具有自锁性，但低速或微调时可能出现爬行现象；减速装置：选用无间隙齿轮传动减速箱；系统微控制器：选用AVR系列的Atmega16；（2）选择分析对比以上三个方案，其主要区别在于步进电动机、导轨副、丝杠螺母副、系统微控制器的选择和是否有必要使用减速箱。

综合考虑设计任务和方案确定思想，因系统定位精度和最快移动速度相对并不是很高，故选用性能较好而性价比较高的混合式步进电动机已经足够；为了避免爬行现象，同时节约生产成本，且因该设计载荷较低，故选用直线滚动导轨副；滑动丝杠副在低速或微调时可能产生爬行显现，且为了能够满足±0.02mm的重复定位精度和0.04mm的定位精度，故选用滚珠丝杠副；控制系统选用AT89C52单片机，足以满足设计要求且较为廉价；由于本设计中要求系统结构紧凑，且依靠步进电动机和滚珠丝杠副已经可以达到所需的脉冲当量，因此可以不使用减速箱。

综上所述，本设计选用方案一作为合理的总体方案。

1.2.3 总体方案系统组成（1）机械系统组成1）导轨副的选用该设计课题中所要求的X-Y工作台要求可直接应用于小型钻、铣床，需要承受的载荷不大，但脉冲当量小、定位精度高，因此，决定选用直线滚动导轨副。

它具有摩擦系数小、不易爬行、传动效率高、结构紧凑、安装预紧方便等优点。

2）丝杠螺母副的选用伺服电动机的旋转运动需要通过丝杠螺母副转换成直线运动，要满足±0.02mm的重复定位精度和0.04mm的定位精度，滑动丝杠副无能为力，只有选用滚珠丝杠副才能达到。

滚珠丝杠副的传动精度高、动态响应快、运转平稳、寿命长、效率高，预紧后可消除反向间隙。

3）减速装置的选用选择了步进电动机和滚珠丝杠副以后，为了圆整脉冲当量，放大电动机的输出转矩，降低运动部件折算到电动机转轴上的转动惯量，可能需要减速装置，且应有消间隙机构。

但本设计中要求系统结构紧凑，且依靠步进电动机和滚珠丝杠副已经可以达到所需的脉冲当量，因此不使用减速箱。

4）伺服电动机的选用任务书规定的X,Y方向重复定位精度为±0.02mm，由此可以取脉冲当量为0.01mm，则其定位精度未达到微米级，最快移动速度也只要求为1000mm/min。

因此，不必采用高档次的伺服电动机，只需要选用性能较好的步进电动机即可，故在本设计中选用混合式步进电动机，以降低成本，提高性价比。

5）检测装置的选用选用步进电动机作为伺服电动机后，可选开环控制也可选闭环控制。

任务书所给的精度对于步进电动机来说还是偏高的，为了确保电动机在运转过程中不受切削负载和电网的影响而失步，决定采用半闭环控制，拟在电动机的尾部转轴上安装增量式旋转编码器，用以检测电动机的转角与转速。

增量式旋转编码器的分辨率应与步进电动机的步距角相匹配。

考虑到X、Y两个方向的加工范围相同，承受的工作载荷相差不大，为了减少设计工作量，X、Y两个坐标的导轨副、丝杠螺母副、减速装置、伺服电动机以及检测装置拟采用相同的型号与规格。

（2）控制系统组成1）设计的X-Y工作台要求可直接应用于小型钻、铣床，其控制系统应该具有单坐标定位、两坐标直线插补与圆弧插补的基本功能，所以控制系统应该设计成连续控制型。

2）对于步进电动机的半闭环控制，选用MCS-51系列的8位单片机AT89C52作为控制系统的CPU，应该能够满足任务书给定的相关指标。

3）鉴于此系统只考虑步进电机的控制，CPU的自身资源已经足够，不需要外部引入其它接口扩展电路。

考虑控制电路与输出信号电平不一致以及减少干扰等因素，在输入和输出信号之间加入光电耦合器组成信号输入输出电路。

4）选择合适的驱动电源，与步进电动机配套使用。

（3）系统总体框图根据已确定的总体方案绘制系统总体框图如下：2、机械系统设计2.1 工作台外形尺寸及重量估算按照下导轨之上移动部件的重量来进行估算。

包括工件、夹具、工作平台、上层电动机、减速箱、滚珠丝杠副、直线滚动导轨副、导轨座等，估计重量约为1200N 。

2.2 导轨参数确定（1）滑块承受工作载荷m a x F 的计算及导轨型号的选取工作载荷是影响直线滚动导轨副使用寿命的重要因素。

本例中的X-Y 工作台为水平布置，采用双导轨、四滑块的支承形式。

考虑最不利的情况，即垂直于台面的工作载荷全部由一个滑块承担，则单滑块所受的最大垂向载荷为：m ax 4G F F =+=1200N/4+500N=800N （2-1） 其中移动部件重量G ＝1200N ，最大外加载荷z =F F =500N ，故得到单滑块所受的最大垂向载荷m a x F =800N=0.8kN 。

查《机电一体化系统设计课程设计指导书》（下略）表3-41，根据工作载荷m a x F =0.7kN ，初选直线滚动导轨副的型号为KL 系列的JSA-LG15型，其额定动载荷a C =7.94 kN ，额定静载荷0a C =9.5kN 。

任务书规定工作台面尺寸C ×B ＝240mm ×254mm ，行程要求X=400mm ，Y=300mm 。

查表3-35，考虑滑块在工作台底部的安装位置，在保证工作行程应留有一定余量的前提下，按标准系列选取导轨的长度为640mm 。

（2）距离额定寿命L 的计算上述选取的KL 系列JSA-LG15型导轨副的滚道硬度为60HRC ，工作温度不超过100℃，每根导轨上配有两只滑块，精度为4级，工作速度较低，载荷不大。

查表3-36～表3-40，分别取硬度系数H f =1.0，温度系数T f =1.00，接触系数C f =0.81，精度系数R f =0.9，载荷系数w f =1.5， 代入得距离寿命：3H T C R a W C 50f f f f C L f P ⎛⎫=⋅⨯≈ ⎪⎝⎭5611km （2-2） 远大于常见球导轨的距离期望寿命50km ，故初选型号满足设计要求。

2.3 滚珠丝杆的设计计算（1）最大工作载荷m F 的计算根据任务书要求不考虑工作台受到的铣削力，即x y =F F =0，受到垂直载荷z F =500N 。

已知移动部件总重量G=800N ，按矩形导轨进行计算，查表3-29，取颠覆力矩影响系数K=1.1，滚动导轨上的摩擦因数μ=0.005。