XY工作台与控制系统设计课程设计

目录第一章前言第二章课程设计的目的、意义及要求第一节课程设计的目的、意义第二节课程设计的要求第三章课程设计的内容第一节课程设计的内容第二节课程设计的内容第四章数控系统总体方案的确定第五章机械部分设计第一节确定系统脉冲当量第二节工作台外形尺寸及重量初步估算第三节滚动导轨副的计算、选择第四节滚珠丝杠计算、选择第五节齿轮计算、设计第六节步进电机惯性负载的计算第七节步进电机的计算选择第六章机床数控系统硬件电路设计第一节设计内容第二节设计步骤第三节机床数控系统硬件电路设计第七章系统控制软件设计第八章结束语与致谢第九章参考文献第二章课程设计的目的、意义及要求第一节课程设计的目的,意义《机电一体化系统设计》课程设计是培养学生设计能力的重要实践性教学环节之一，是综合运用所学过的机械、电子、自动控制、计算机等知识进行的基本设计训练。

其目的是：1.能够正确运用《机电一体化系统设计》课程的基本理论和相关知识，掌握机电一体化系统（产品）的功能构成、特点和设计思想、设计方法，了解设计方案的拟定、比较、分析和计算，培养学生分析问题和解决问题的能力，使学生具有机电一体化系统设计的初步能力；2.通过机械部分设计，掌握机电一体化系统典型机械零部件和执行元件的计算、选型和结构设计方法和步骤；3.通过测试及控制系统方案设计，掌握机电一体化系统控制系统的硬件组成、工作原理，和软件编程思想；4.通过课程设计提高学生应用手册、标准及编写技术说明书的能力，促进学生在科学态度、创新精神、专业技能等方面综合素质的提高。

第二节课程设计的要求：1. 课程设计应在教师的指导下由学生独立完成，严格地要求自己，不允许相互抄袭；2. 认真阅读《课程设计指导书》，明确题目及具体要求；3. 认真查阅题目涉及内容的相关文献资料、手册、标准；4. 大胆创新，确定合理、可行的总体设计方案；5. 机械部分和驱动部分设计思路清晰，计算结果正确，选型合理；6. 微机控制系统方案可行，硬件选择合理，软件框图正确；7. 手工或电脑绘制机械系统装配图一张（A1），控制系统电气原理一张（A1），图纸符合国家标准，布图合理，内容完整表达清晰；8. 课程设计说明书一份（不少于8000 字），包括：目录，题目及要求，总体方案的确定，机械系统设计，控制系统设计，参考文献等。

设计说明书应叙述清楚、表达正确、内容完整、技术术语符合标准.第三章课程设计的内容第一节课程设计题目：单片机控制步进电机驱动的多用XY 工作台。

已知条件：定位精度：±0.01mm，滚珠丝杠及导轨使用寿命：T=15000h，中等冲击工作台的有效行程为Lx=400mm L Y = 400 mm 快速进给速度和工作载荷F Z = 2000N第二节课程设计的内容1.数控装置总体方案的确定(1).数控装置设计参数的确定；(2).方案的分析，比较，论证。

2.机械部分的设计(1).确定脉冲当量；(2).机械部件的总体尺寸及重量的初步估算；(3).传动元件及导向元件的设计，计算和选用；(4).确定伺服电机；(5).绘制机械结构装配图；(6).系统等效惯量计算；(7).系统精度分析。

3.数控系统的设计(1).微机及扩展芯片的选用及控制系统框图的设计；(2).I/O 接口电路及伺服控制电路的设计和选用；(3).系统控制软件的设计4.编写课程设计说明书(1).说明书是课程设计的总结性技术文件，应叙述整个设计的内容，包括总体方案的确定，系统框图的分析，机械传动设计计算，电气部分的设计说明，选用元器件参数的说明，软件设计及其说明；(2).说明书不少于84 字，尽量用计算机完成。

5.图纸(1).机械结构装配图，A0 图纸1 张。

要求视图基本完整，符合标准。

其中至少要有一个坐标轴的完整剖视图；第四章数控系统总体方案的确定数控系统总体方案设计的内容包括：系统运动方式的确定，执行机构及传动方案的确定，伺服电机类型及调速方案确定，计算机控制系统的选择。

进行方案的分析、比较和论证。

1. 系统运动方式的确定该系统要求工作台沿各坐标轴的运动有精确的运动关系因此采用连续控制方式。

2. 伺服系统的选择开环伺服系统在负载不大时多采用功率步进电机作为伺服电机.开环控制系统由于没有检测反馈部件，因而不能纠正系统的传动误差。

但开环系统结构简单，调整维修容易，在速度和精度要求不太高的场合得到广泛应用。

.考虑到运动精度要求不高，为简化结构，降低成本，宜采用步进电机开环伺服系统驱动。

3. 计算机系统的选择采用MCS-51 系列中的8031 单片机扩展控制系统。

MCS-51 单片机的主要特点是集成度高，可靠性好，功能强，速度快，性价比高。

控制系统由微机部分、键盘及显示器、I/O接口及光电隔离电路、步进功率放大电路等组成。

系统的工作程序和控制命令通过键盘操作实现。

显示器采用数码管显示加工数据和工作状态等信息。

4. X—Y工作台的传动方式为保证一定的传动精度和平稳性以及结构的紧凑，采用滚珠丝杠螺母传动副。

为提高传动刚度和消除间隙，采用有预加载荷的结构。

由于工作台的运动部件重量和工作载荷不大，故选用滚动直线导轨副，从而减小工作台的摩擦系数，提高运动平稳性。

考虑电机步距角和丝杠导程只能按标准选取，为达到分辨率的要求，以及考虑步进电机负载匹配，采用齿轮减速传动。

系统总体框图如下:第五章机械部分设计机械部分设计内容包括：确定系统脉冲当量，运动部件惯性的计算，选择步进电机，传动及导向元件的设计、计算与选择，绘制机械部分装配图等。

第一节确定系统脉冲当量脉冲当量δp 是一个进给指令时工作台的位移量，应小于等于工作台的位置精度，由于定位精度为±0.01mm 因此选择脉冲当量为0.01mm。

第二节工作台外形尺寸及重量初步估算根据给定的有效行程，画出工作台简图，估算X 向和Y 向工作台承载重量WX 和WY。

取X 向导轨支撑钢球的中心距为410mm,Y 向导轨支撑钢球的中心距为400mm,设计工作台简图如下:工作台简图X 向拖板(上拖板)尺寸为: 长*宽*高=420*410*50重量:按重量=体积*材料比重估算为:Y向拖板(下拖板)尺寸为: 420× 400× 50上导轨(含电机)重量为夹具及工件重量:约155NX-Y 工作台运动部分总重量为: W = 487.97 + 655.2+ 671.58+ 155≈ 2000N 第三节滚动导轨副的计算、选择根据给定的工作载荷Fz 和估算的Wx 和Wy 计算导轨的静安全系数f SL=C0/P，式中：C0为导轨的基本静额定载荷，kN；工作载荷P=0.5(Fz+W)；f SL=1.0~3.0(一般运行状况)，3.0~5.0（运动时受冲击、振动）。

根据计算结果查有关资料初选导轨：因系统受中等冲击,因此取f SL =4.0根据计算额定静载荷初选导轨:选择汉机江机床厂HJG-D 系列滚动直线导轨,其型号为:HJG-D25基本参数如下:导轨的额定动载荷C a =17500N;依据使用速度v（m/min）和初选导轨的基本动额定载荷Ca (kN)验算导轨的工作寿命Ln：额定行程长度寿命:导轨的额定工作时间寿命:导轨的工作寿命足够.第四节滚珠丝杠计算、选择初选丝杠材质：CrWMn 钢，HRC58~60，导程：l0=5mm（1）强度计算丝杠轴向力：其中：K=1.15，滚动导轨摩擦系数f=0.003~0005；在车床车削外圆时：Fx=(0.1~0.6)Fz， Fy=(0.15~0.7)Fz，可取Fx=0.5Fz，Fy=0.6Fz 计算。

取f=0.004, Fz =400 则:式中：f W 为载荷系数，中等冲击时为1.2~1.5；f H 为硬度系数，HRC≥58 时为1.0。

查表得中等冲击时, f W =1.2 f H = 1则:根据使用情况选择滚珠丝杠螺母的结构形式，并根据最大动载荷的数值可选择滚珠丝杠的型号为: CM 系列滚珠丝杆副，其型号为：CM2005-5。

其基本参数如下:方式采用双螺母螺纹预紧形式.滚珠丝杠螺母副的几何参数的计算如下表（2）传动效率计算丝杠螺母副的传动效率为：式中：φ=10’，为摩擦角；γ为丝杠螺旋升角。

（3）稳定性验算丝杠两端采用止推轴承时不需要稳定性验算。

（4）刚度验算滚珠丝杠受工作负载引起的导程变化量为：Y 向所受牵引力大,故用Y 向参数计算丝杠受扭矩引起的导程变化量很小，可忽略不计。

导程变形总误差Δ为丝杠允许的螺距误差[ Δ]=15μm/m。

第五节齿轮计算、设计因步进电机步距角滚珠丝杠螺距t=5mm,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：，初选步进电机步距角：α= 1.5˚/step。

取小齿轮齿数Z1 = 24 则大齿轮齿数2 Z = 50因传递的扭距较小,取模数m=1mm 则:分度圆直径: d1=mz 1=1×24 = 24mm d 2=mz 2 = 1×50 = 50mm齿顶圆直径:齿根圆直径:分度圆压力角:大小齿轮均采用渐开线标准圆柱齿轮小齿轮采用两片薄齿轮错齿排列以消除间隙.双片齿轮错齿消隙结构图如下:第六节步进电机惯性负载的计算根据等效转动惯量的计算公式，有：（1）等效转动惯量的计算折算到步进电机轴上的等效负载转动惯量为：式中：J q 为折算到电机轴上的惯性负载；J0为步进电机轴的转动惯量；J 1为齿轮１的转动惯量；J 2为齿轮２的转动惯量；J3 为滚珠丝杠的转动惯量；Ｍ为移动部件的质量。

对钢材料的圆柱零件可以按照下式进行估算：式中D 为圆柱零件直径，L 为圆柱零件的长度。

所以有：电机轴的转动惯量很小，可以忽略，所以有：第七节步进电机的选用(１）步进电机启动力矩的计算设步进电机的等效负载力矩为Ｔ，负载力为Ｐ，根据能量守恒原理，电机所做的功与负载力所做的功有如下的关系：式中ϕ为电机转角，Ｓ为移动部件的相应位移，η为机械传动的效率。

若取ϕb =θ，则Ｓ＝δp ，且。

所以：式中： P s为移动部件负载（N），G 为移动部件质量（N），P z 为与重力方向一致的作用在移动部件上的负载力（N），μ为导轨摩擦系数，θb 为步进电机的步距角（rad）,T 为电机轴负载力矩（N.cm）。

取μ=0.3（淬火钢滚珠导轨的摩擦系数），η＝０.8，Ps= P H =279.23Ｎ。

考虑到重力影响，Ｙ向电机负载较大，因此Ｇ＝1200Ｎ，所以有：考虑到启动时运动部件惯性的影响，则启动转矩：取系数为０.３，则：对于工作方式为三相６拍的步进电机：(２）步进电机的最高工作频率为使电机不产生失步空载启动频率要大于最高运行频率f max,同时电机最大静转矩要足够大,查表选择两个90BF001 型三相反应式步进电机.电机有关参数如下:第六章数控系统硬件电路设计第一节设计内容１.按照总统方案以及机械结构的控制要求，确定硬件电路的方案，并绘制系统电气控制的结构框图；２.选择计算机或中央处理单元的类型；３.根据控制系统的具体要求设计存储器扩展电路；４.根据控制对象以及系统工作要求设计扩展Ｉ/Ｏ接口电路，检测电路，转换电路以及驱动电路等；５.选择控制电路中各器件及电气元件的参数和型号；６.绘制出一张清晰完整的电气原理图，图中要标明各器件的型号，管脚号及参数；７.说明书中对电气原理图以及各有关电路进行详细的原理说明和方案论证。