机电一体化系统综合课程设计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王扬2013210475朱诚诚2013210484李青岩2013210493黄志鹏2013210502 成绩机械工程学院机械电子工程系二零一六年十一月目录1总体方案设计 01.1设计任务 01.2总体方案确定 01.2.1系统的运动方式与伺服系统 01.2.2计算机系统 01.2.3X-Y工作台的传动方式 02机械系统设计 (1)2.1工作台外形尺寸及重量估算 (1)2.2滚动导轨的参数确定 (1)2.2.1导轨型式 (1)2.2.2导轨长度 (1)2.2.3直线滚动轴承的选型 (1)2.2.4滚动导轨刚度及预紧方法 (2)2.3滚珠丝杠的设计计算 (2)2.3.1最大动负载Q的计算 (2)2.3.2滚珠丝杠螺母副几何参数计算 (3)2.3.3传动效率计算 (3)2.3.4刚度验算 (3)2.4步进电机的选用 (4)2.4.1步进电机的步距角 (4)2.4.2步进电机启动力矩的计算 (4)2.4.3步进电机的最高工作频率 (5)2.5确定齿轮传动比 (5)2.6确定齿轮模数及有关尺寸 (5)2.7步进电机惯性负载的计算 (6)3控制系统硬件设计 (8)3.1CPU板 (8)3.1.1CPU的选择 (8)3.1.2CPU接口设计 (8)3.2驱动系统 (10)3.2.1步进电机驱动电路和工作原理 (10)3.2.2电磁铁驱动电路 (12)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C×B×H＝145mm×160mm×12mm；底座外形尺寸C1×B1×H1＝210mm×220mm×140mm；最大长度L=388mm；工作台加工范围X=55mm，Y=50mm；工作台最大快移速度为1m/min。

1.2总体方案确定1.2.1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，降低成本，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。

1.2.3X-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 145×160×50 重量：按重量=体积×材料比重估算3214516050107.81090--⨯⨯⨯⨯⨯≈NY 向拖板（下拖板）尺寸： 14516050⨯⨯ 重量：约90N 。

上导轨座（连电机）重量：223(2201403821558)7.81010 1.110107π--⨯⨯+⨯⨯⨯⨯⨯⨯+⨯≈()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 。

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①上导轨（X 向）取动导轨长度 100B l = 动导轨行程 55l =支承导轨长度 155B L l l =+= ②下导轨（Y 向）50l = 100B l = 150L =选择导轨的型号：GTA162.2.3直线滚动轴承的选型①上导轨240()X G N =②下导轨287()Y G N =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α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。

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H Q f P ω查表得系数1f ω=，1H f =，寿命值66010nTL =查表得使用寿命时间T=15000h ，初选丝杠螺距t=4mm ，得丝杠转速max 100010001250(/min)4V n r t ⨯=== 所以 6602501500022510L ⨯⨯==X 向丝杠牵引力1.414x x P f G =当 ()f 当——当量摩擦系数1.4140.01240 3.39()N =⨯⨯=Y 向丝杠牵引力1.4141.4140.01287 4.06()y yP f G N ==⨯⨯=当所以最大动负荷X 向 11 3.3920.6()x Q N =⨯⨯=Y 向 11 4.0624.7()y Q N =⨯⨯=查表，取滚珠丝杠公称直径 010d mm =，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0.52=)0.25d 2.3.3传动效率计算7.260.973()(7.260.2)tg tg tg tg γηγϕ===++式中：ϕ——摩擦角；γ——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0L 的变化量1PL L EF=±Y 向所受牵引力大，故应用Y 向参数计算24.7()P N = 00.4()L cm = 6220.610(/)E N cm =⨯ ()材料为钢()2220.7983.140.52F R cm π⎛⎫=== ⎪⎝⎭所以 61624.70.51.210()20.6100.5L cm -⨯=±=±⨯⨯⨯ 丝杠因受扭矩而引起的导程变化量2L 很小，可以忽略。

所以导程总误差()601001001.2103/0.4Lm m L μ-==⨯= 查表知E 级精度的丝杠允许误差15m μ，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0.01/p mm step δ=，初选步进电机步距角 1.5b θ=。

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T Ps ϕη＝式中：ϕ ——电机转角；s ——移动部件的相应位移；η ——机械传动效率。

若取 b ϕθ=，则p s δ=，且S P P G μ=+，所以[]36()2p S b P G T N cm δμπθη+=式中：S P ——移动部件负载（N ）；G ——移动部件重量（N ）； z P ——与重量方向一致的作用在移动部件上的负载力（N ）；μ ——导轨摩擦系数；b θ——步进电机步距角，（rad ）；T ——电机轴负载力矩（N cm ）本例中，取0.03μ=（淬火钢滚珠导轨的摩擦系数），0.96η=，S P 为丝杠牵引力，24.7s H P P N ==。

考虑到重力影响，Y 向电机负载较大，因此取287y G G N ==，所以[]360.0124.70.03287 1.33()2 1.50.96T N cm π⨯+⨯==⨯⨯若不考虑启动时运动部件惯性的影响，则启动力矩0.3~0.5q TT =取安全系数为0.3，则 ()1.334.420.3q T N cm == 对于工作方式为三相六拍的三相步进电机max 5.10.866q j T T == ()N cm2.4.3步进电机的最高工作频率max max 1000100011667()60600.01p V f Hz δ⨯===⨯查表选用两个45BF005-Ⅱ型步进电机。

电机的有关参数见表2-2。

19.62.5确定齿轮传动比因步进电机步距角 1.5b θ=，滚珠丝杠螺距 4t mm =，要实现脉冲当量0.01/p mm step δ=，在传动系统中应加一对齿轮降速传动。

齿轮传动比123600.013600.61.54p b Z i Z t δθ⨯⨯====⨯ 选 117Z = ，228Z = 。

2.6确定齿轮模数及有关尺寸因传递的扭距较小，取模数1m mm =，齿轮有关尺寸见表3-3。

2.7步进电机惯性负载的计算()22101232180p d b Z J J J J J M Z δπθ⎛⎫ ⎪⎛⎫=++++ ⎪ ⎪⎝⎭ ⎪⎝⎭式中： d J ——折算到电机轴上的惯性负载（2kg cm ）； 0J ——步进电机转轴的转动惯量（2kg cm ）；1J ——齿轮 的转动惯量（2kg cm ）；2J ——齿轮 的转动惯量（2kg cm ）；3J ——滚珠丝杠的转动惯量（2kg cm ）；M ——移动部件质量（kg ）。

对材料为钢的圆柱零件转动惯量可按下式估算()3420.7810J D L kg cm -=⨯式中：D ——圆柱零件直径（cm ）；L ——零件长度（cm ）。

所以()343210.7810 1.70.5 3.2610J kg cm --=⨯⨯⨯=⨯ ()343220.7810 2.80.523.910J kg cm --=⨯⨯⨯=⨯ ()343230.781015 3.910J kg cm --=⨯⨯⨯=⨯电机轴转动惯量很小，可以忽略，则()233173.261023.9 3.91028d J --⎛⎫=⨯++⨯ ⎪⎝⎭()2520.001250.4103.14 1.5180kg m -⎛⎫ ⎪+=⨯ ⎪ ⎪⨯ ⎪⎝⎭因为10.40.31914 1.274d M J J <==<，所以惯性匹配比较符合要求。