XY工作台设计说明书

目录一、机电专业课程设计目的 (3)二、总体方案设计……………………………………………………………３三、机械系统设计 (4)1、计工作台外形尺寸及重量估算………………………………………………５2、电动机滚动导轨的参数确定…………………………………………………５3、滚珠丝杠的设计计算 (6)4、步进电机的选用 (7)四、绘制装配图 (9)五、电气原理图设计 (10)1、功率单片机的选择 (10)２、外部程序存储器的扩展……………………………………………………10３、外部数据存储器的扩展……………………………………………………１04、I/O口扩展电路 (11)5、显示器接口设计 (11)６、键盘接口电路设计…………………………………………………………117、步进电机的接口电路设计…………………………………………………118、其他 (1)１六、参考文献 (12)一、机电专业课程设计目的本课程设计是学生在完成专业课程学习后,所进行的机电一体化设备设计的综合性训练。

通过该环节达到下列目的:（1)巩固和加深专业课所学的理论知识;(2）培养理论联系实际，解决工程技术问题的动手能力；(３）进行机电一体化设备设计的基本功训练,包括以下10方面基本功:1)查阅文献资料;２）分析与选择设计方案；3）机械结构设计；4）电气控制原理设计；5）机电综合分析；6)绘工程图;7）运动计算和精度计算;９)撰写设计说明书;1０)贯彻设计标准。

二、总体方案设计2．1 设计任务(1）题目：二坐标数控工作台设计。

(2)设计内容及要求:1）工作台总装图一张（０号图纸)2)控制电气图一张(1号图纸)3）设计说明书一份（１0-20页)4)具体设计参数如下：台面尺寸:140180⨯ 行程X ：140;Y:１10定位精度:mm X 300/013.0± mm Y 300/015.0±典型工艺参数:台面速度 X: min /0.2m ，Y ：min /0.2m ;进给抗力 Ｘ: ２2５N ； Y ：1５0N ; 工作物重:8Kg 。

２．2 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受到负载力较小,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MC Ｓ－51系列的80３1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,且易扩展。

MCS －５１的程序存储器空间为６4K 字节。

对于片内无ROM 的单片机80３1,需进行程序存储器的扩展。

本控制系统由由80３１型单片机、数据锁存器７4ＬS373、存储器ＥPRO Ｍ２７64、R ＡＭ62６4、地址译码器７４LS138、并行Ｉ/O 接口８255等集成电路构成(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，因此采用直线滚珠导轨。

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,为达到分辨率和结构简单的要求，尽可能使传动比为1。

三、机械系统设计3.1、工作台外形尺寸及重量估算由台面尺寸为140180⨯，查课程设计指导书表３-２3,估计取工作台厚度３0mm,则重量:按重量=体积×材料比重估算N 98108.7103014018023≈⨯⨯⨯⨯⨯--X 向拖板(上拖板):估计上丝杆长度，由e V u l l l +=,余程e l 查表5-4取２０mm,则丝杆长度约为3２０。

电动机约2kg,托板和导轨合估计为N 210102108.7103018032023≈⨯+⨯⨯⨯⨯⨯--工作物重为N 80则X-Y 工作台运动部分的总重量：约388N 。

3．2、滚动导轨的参数确定⑴、导轨型式：直线滚动导轨⑵、导轨长度①上导轨(X 向)取动导轨长度 140=B l动导轨行程 140=l余程约为 20=e l支承导轨长度 300=++=e B l l l L 查标准，取值340计算四滑块的载荷，工作台重量98N,假设重物处于台中央,然后扩大载荷2倍。

N G F P 454≈+= 扩大后9０N 。

计算需要的动载荷 10350⎪⎭⎫ ⎝⎛=L f f f f P f C a c t h w a ,查长方资料得: 1=h f ，1=t f ,81.0=c f ，1=a f ,1=w f 。

代入数据得N C a 2700=,由长方资料取取滚动导轨型号为：HJG-DA1５Ｃ，额定动载荷为6.８KN ，满足要求。

②下导轨(Y 向）180=B l 110=l 20=e l310=++=e B l l l L查标准，取值340计算四滑块的载荷，总重量388N,假设重物处于台中央，然后扩大载荷2倍。

N G F P 3604≈+= 扩大后７２0N 。

计算需要的动载荷10350⎪⎭⎫ ⎝⎛=L f f f f P f C a c t h w a ,查长方资料得:1=h f ，1=t f ，81.0=c f ，1=a f ，1=w f 。

代入数据得N C a 5800=，由长方资料取滚动导轨型号为：HJG-D Ａ１5C,额定动载荷为6.8K Ｎ，满足要求。

3．3、滚珠丝杠的设计计算①上丝杠（X 向)由表5－3，初选滚珠丝杠的基本导程为5ｍm 。

根据式(3-１）e u V l l l -= 其中,V l 为丝杠有效行程,u l 为丝杠螺纹全长,e l 余程,根据表５－4，取余程20mm,则u l =320mm 。

根据表５－5,在有效行程30０mm 定位精度为１3um 下,丝杠的精度等级为3T 级。

滚珠丝杠副的计算轴向动载荷为3161060⎪⎭⎫ ⎝⎛=e h k a t h w e aj n L f f f f f F C 其中 N F e 75.114203.0150225=⨯+=,取滚动导轨的摩擦系数为0.03μ=(淬火钢滚珠导轨的摩擦系数)()min /400521000r n e =⨯= 查表：15000=h L ,1=t f ,1=a f ，95.0=w f ，1=h f ，，1=k f ,代入数据,得N C aj 5.775=,查阅工厂资料，取HJG －S ２005-3,其额定动载荷为9０２2Ｎ,足够用。

②下丝杠(Y 向)由表5-3,初选滚珠丝杠的基本导程为5ｍm 。

根据式（3-1）e u V l l l -= 其中，V l 为丝杠有效行程，u l 为丝杠螺纹全长，e l 余程，根据表５-4，取余程2０mm 。

则u l ＝310ｍm 。

根据表５-5，在有效行程３00mm 定位精度为１3u ｍ下，丝杠的精度等级为3T级。

滚珠丝杠副的计算轴向动载荷为3161060⎪⎭⎫ ⎝⎛=e h k a t h we aj n Lf f f f f F C 其中 N F e 375.78203.0225150=⨯+=,取滚动导轨的摩擦系数为0．０3.()min /400521000r n e =⨯= 查表:15000=h L ,1=t f ，1=a f ，95.0=w f ,1=h f ,,1=k f ，代入数据，得N C aj 5.530=,查阅工厂资料，取HJG-S ２０05-3,其额定动载荷为9022N,足够用。

3.4、 步进电机的选用(考虑到重力影响，Y 向电机负载较大，因此确定此向电机。

）⑴、脉冲当量选择初选五相电机，按五相十拍工作时，步距角36.0=α,由于要求平台定位精度:mm X 300/013.0± mm Y 300/015.0±,取定位精度的（2131-)。

初定脉冲当量p mm /005.0=δ,中间齿轮传动比为1005.0360536.0360=⨯⨯==δαsp t i ，（2)、等效转动惯量计算滚珠丝杠转动惯量（不计传动效率）()24344010394.0321085.732232m kg l d J s ⋅⨯=⨯⨯⨯==--πρπY 以上平台和工作物重总重折算到轴上的转动惯量()2622221036.0126.098038812m kg i t g G W Jw sp ⋅⨯=⨯⎪⎭⎫ ⎝⎛=⨯⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+=-ππ 因此，折算到电机轴上的等效转动惯量242103966.0m kg i J J J s w e ⋅⨯=+=-。

（3）、等效负载转矩计算（以下均为折算到电机轴的转矩）由式(４-7）－(4－9)可知：()()m N it u F F M spx y t ⋅=⨯⨯⨯⨯+=+=132.018.02005.022503.01502ππη()m N i t F M spf f ⋅=⨯⨯⨯⨯==003.018.02005.038803.02ππη()()m N i t F M sp po ⋅=-⨯⨯⨯=-=008.09.0118.02005.050122200πηπη0η—滚珠丝杠未预紧时的传动效率,取0.90上式中 η为丝杠预紧时的传动效率,取0.8，0p F 为预紧力，取501503131=⨯=y Fmin /40036036.0005.02000360max max r v n =⨯=⨯=αδ取启动加速时间s t a 03.0= 查表，初选电动机型号7５BF ０05,矩频特性如下图所示最大静转矩m N M j ⋅=23.1max转动惯量 215.0cm kg J m ⋅= , m f =1500Hz.故()()m N t n J J M a m e a ⋅=⨯⨯⨯+=+=-259.003.060833210013.03966.06024max ππm N M M M M f a q ⋅=++=++=2601.0008.0003.0259.00maxm N M M M M f t c ⋅=++=++=143.0008.0003.0132.00 m N M M M f k ⋅=+=+=011.0008.0003.00从上可知，一般情况q M 做为初选电动机的依据，21.023.12601.0/max ==j q M M满足所需的转矩要求。

（4)步进电机动态特性校验644.215.03966.0/==m e J J 小于4说明惯量可以匹配。

电机带惯量最大启动频率Hz J J f f m e m L 9.1242644.212500/1=+=+=Hz v f q 3.333301.060200060max =⨯==δ大于l f ,所以与c f 对应的最大静转矩校核，显然满足要求。

综上所述，可选该型号的步进电机，具有一定的裕量。

3.5、确定联轴器的型号由于数控平台有冲击,且电动机工作时经常变速，故选用挠性联轴器。