综合课程设计

设计组号：9

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

学院: 信息工程学院

班级：机械三班

设计者：屠昊杰

指导老师：李沛同

完成日期：2015年11月5日

目录一、总体方案设计

1设计任务

2 总体方案确定

二、机械系统设计

1 工作台外形尺寸及重量估算

2 直线导轨副的计算与选型

3 滚珠丝杠螺母副的计算与选型

4 步进电机减速箱的选用

5 步进电机的计算与选型

三、控制系统硬件设计

1 CPU的选择

2 CPU接口设计

3 驱动系统

4 步进电机驱动电路和工作原理

5 电磁铁驱动电路

6 电源设计

7本章小节

四、控制系统软件设计

1 总体方案

2 主流程图

3 INT0中断服务流程图

4 INT1中断服务流程图

5 复位程序流程图

6 X轴电机点动正转程序流程图

7 绘制圆弧程序流程图

8 步进电机步进一步程序流程图

五、附录

一、总体方案设计

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±0.02mm，定位精度为0.04mm。

设计参数如下：负载重量G=1500N；台面尺寸C×B×H＝240mm×254mm×15mm；底座外形尺寸C1×B1×H1＝550mm×450mm×184mm；最大长度L=678mm；工作台加工范围X=300mm，Y=200mm；工作台最大快移速度为1m/min。

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。

系统总体框图

二、机械系统设计

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 240×254×50

重量：按重量=体积×材料比重估算

238107.81050254240-2-3≈⨯⨯⨯⨯⨯N

Y 向拖板（下拖板）尺寸： 240×254×50

重量：238107.81050254240-2-3≈⨯⨯⨯⨯⨯ 上导轨座（连电机）重量：

()380101.1100.017.88620255184450-3

2≈⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯＋＋π()N 夹具及工件重量：约500N 。

X-Y 工作台运动部分的总重量：约856N 。

2、直线导轨副的计算与选型

（1）、滑块承受工作载荷max F 的计算及导轨型号的选取

单滑块所承受的最大垂直方向载荷为：

kN F G F 714.07145004

8564max ==+=+= 查表3-41，根据工作载荷kN F 714.0max =，故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kN C a 94.7=，额定静载荷kN C 5.90a =。

上述导轨硬度为60HRC ，工作温度不超过100°C ，根据导轨上配有两只滑块，精度为4。

任务书规定工作台面尺寸为240mm ×254mm ，加工范围为300mm ×200mm ，考虑工作行程应留有一定余量，查表3-35，按标准系列，选取导轨的长度为600mm 。

（2）、距离额定寿命L 的计算

503

max ⨯⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=F C f f f f f L a W R C T H 查表3-36和表3-40，分别取硬度系数0.1=H f ，温度系数00.1=T f ，接触系数81.0=C f ，精度系数9.0=R f ，载荷系数5.1=W f ,代入上述公式得：

km L 789350714.094.75.19.081.000.10.13

≈⨯⎪⎭⎫ ⎝

⎛⨯⨯⨯⨯= 远大于期望值50km ，故距离额定寿命满足要求。

3、滚珠丝杠螺母副的计算与选型

（1）最大工作载荷m F 的计算

工作台收到进给方向的载荷（与丝杠轴线平行）N F x 150=,受到横向的载荷（与丝杠轴线垂直）N F y 150=,受到垂直方向的载荷（与工作台面垂直）N F z 150=。

已知移动部件总重量856N =G ，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素0.005=μ，球的滚珠丝杠副的最大工作载荷：

()()[]N N G F F KF F y z x 171856150150005.01501.1m ≈++⨯+⨯=+++=μ

（2）最大动载荷Q F 的计算

工作台在承受最大铣削力时的最快进给速度mim mm v /1000=，初选丝杠导程mm P h 5=，则此时丝杠转速：min /002/r P v n h ==。

取滚珠丝杠的使用寿命h T 15000=，代入610/60nT L =,得丝杠寿命系数