簡易銑床X-Y工作臺機電系統(tǒng)設計

1、忖 UNIVERSITY OF TECHNOLOGICAL INFORMATION課程設計說明書設計題目：簡易銑床 X-Y工作臺機電系統(tǒng)的設計設計者：白澤專 業(yè)：機械設計制造及其自動化學 號： B1302050 班 級： B130205指導老師：阮紅芳完成時間： 16.05.26 目錄一、課程設計目的，需求及設計要求 1二、總體方案設計 4三、機械系統(tǒng)設計 5四、 步進電動機的選擇設計 9五、控制系統(tǒng)軟件設計 11六、總結 1617七、參考文獻摘要X-Y 數(shù)控工作臺機電系統(tǒng)是一個開環(huán)控制系統(tǒng)，其結構簡單，實 用，方便而且能夠保證一定的精度。 X-Y 數(shù)控工作臺是許多機電一體 化設備的基本部件，

2、 如數(shù)控車床的縱一橫向進刀機構， 數(shù)控銑床和數(shù) 控鉆床的 X-Y 工作臺，激光加工設備的工作臺，電子元件表面貼裝 設備等。因此，選擇 X-Y 數(shù)控工作臺做為設計的內容，對機械專業(yè) 的學生具有普遍意義。本文結合數(shù)控銑床的基本結構，設計了一臺 X-Y 簡易數(shù)控機床， 為銑床的數(shù)控化奠定了基礎。首先確定了 X-Y 數(shù)控工作臺的總體設 計方案， 包括機械傳動部件的選擇和數(shù)控系統(tǒng)的設計， 機械傳動部件 的選擇如導軌副作用，絲杠螺母副的作用，減速裝置的選用，伺服電 動機的選擇等。其次，對 X-Y 數(shù)控工作臺進行機械部分設計。包括 直線導軌副的計算與選型，滾動絲杠螺母副的計算與選型等。最后， 對 X-Y 數(shù)

3、控工作臺系統(tǒng)設計。通過設計能夠滿足設計要求， 達到數(shù)控工作臺的基本要求， 因本 人水平有限，錯誤和不足之處在所難免，敬請老師批評指正。關鍵字： X-Y 簡易數(shù)控工作臺，機電系統(tǒng)，滾珠絲杠螺母副，伺 服電動機。、總體方案設計1.1設計任務設計一個數(shù)控X-Y工作臺及其控制系統(tǒng)。該工作臺可用于銃床上坐標孔的加工和臘摸、 塑料、鋁合金零件的二維曲線加工，重復定位精度為土 0.01mm，定位精度為0.025mm。設計參數(shù)如下： 負載重量 G=151 ;臺面尺寸 C x B x H = 145mm x 160mm x 12mm ;底座外 形尺寸 C1 x B1 x H1 = 210mm x 220mm x

4、 140mm ;最大長度L=388mm ;工作臺加工范圍X=55mm , Y=50mm ;工作臺最大快移速度為1m/min。1.2總體方案確定(1) 系統(tǒng)的運動方式與伺服系統(tǒng)由于工件在移動的過程中沒有進行切削，故應用點位控制系統(tǒng)。定位方式采用增量坐標控制。為了簡化結構，降低成本，采用步進電機開環(huán)伺服系統(tǒng)驅動X-Y工作臺。(2) 計算機系統(tǒng)本設計采用了與 MCS-51系列兼容的AT89S51單片機控制系統(tǒng)。它的主要特點是集成度 高，可靠性好，功能強，速度快，有較高的性價比?？刂葡到y(tǒng)由微機部分、鍵盤、LED、I/O接口、光電偶合電路、步進電機、電磁鐵功率放大器電路等組成。系統(tǒng)的加工程序和控制命令通

5、過鍵盤操作實現(xiàn)。LED顯示數(shù)控工作臺的狀態(tài)。(3) X-Y工作臺的傳動方式為保證一定的傳動精度和平穩(wěn)性，又要求結構緊湊，所以選用絲杠螺母傳動副。為提高傳動剛度和消除間隙，采用預加負荷的結構。由于工作臺的運動載荷不大，因此采用有預加載荷的雙V形滾珠導軌。采用滾珠導軌可減少兩個相對運動面的動、靜摩擦系數(shù)之差，從而提高運動平穩(wěn)性，減小振動?？紤]電機步距角和絲桿導程只能按標準選取，為達到分辨率的要求，需采用齒輪降速傳動。圖1-1系統(tǒng)總體框圖、機械系統(tǒng)設計設計計算與說明2.1、工作臺外形尺寸及重量估算X向拖板（上拖板）尺寸：長寬高145X 160X 50重量：按重量=體積X材料比重估算145 160 5

6、0 10 7.8 10 : 90 NY向拖板（下拖板）尺寸：145 160 50重量：約90N。上導軌座（連電機）重量：223（220 140 38 2 155 二 8） 7.8 10101.1 10 ： 107（N）夾具及工件重量：約 151N。X-Y工作臺運動部分的總重量：約287N。2.2、滾動導軌的參數(shù)確定、導軌型式：圓形截面滾珠導軌、導軌長度 上導軌（X向）取動導軌長度1B =100動導軌行程I二55支承導軌長度L = lB I=155 下導軌（Y向）I =50Ib =100L =150主要結果Ib =100I =55選擇導軌的型號：GTA16、直線滾動軸承的選型 上導軌Gx=241

7、 （N） 下導軌Gy =287（N）由于本系統(tǒng)負載相對較小，查表后得出LM10UUO型直線滾動軸承的額定動載荷為 370N,大于實際動負載；但考慮到經(jīng)濟性等因素最后選擇 LM16UU0型直線滾動軸承。并采用雙排兩列4個直線滾動軸承來實現(xiàn)滑動平臺的支撐。、滾動導軌剛度及預緊方法當工作臺往復移動時，工作臺壓在兩端滾動體上的壓力會發(fā)生變化， 受力大的滾動體變形大， 受力小的滾動體變形小。 當導軌在位置I時， 兩 端滾動體受力相等， 工作臺保持水平；當導軌移動到位置n或川時，兩端滾動體受力不相等， 變形不一致，使工作臺傾斜a角，由此造成誤差。此 外，滾動體支承工作臺， 若工作臺剛度差，則在自重和載荷作

8、用下產(chǎn)生彈 性變形，會使工作臺下凹（有時還可能出現(xiàn)波浪形），影響導軌的精度。2.3、滾珠絲杠的設計計算滾珠絲杠的負荷包括銃削力及運動部件的重量所引起的進給抗力。應按銃削時的情況計算。、最大動負載Q的計算Q=3Lf JhP查表得系數(shù)f . =1 , fH =1，壽命值60nT10查表得使用壽命時間T=15000h,初選絲杠螺距t=4mm得絲杠轉速1000Vmax _ 10001t一 4=250(r / min)所以,60 250 15000L6106X向絲杠牽引力=225 mmL=225mmPX =1.414f 當 Gx(f當當量摩擦系數(shù)）Px=3.41NPy=4.06N=1.414*0.01*

9、241=3.41NY向絲杠牽引力P /Mf 當 Gy= 1.414 0.01 287 =4.06(N)所以最大動負荷X 向Qx=20.74(N)Y 向Qy=3225 1 1 4.06 = 24.7(N)查表，取滾珠絲杠公稱直徑d0 = 10mm，選用滾珠絲杠螺母副的型號為SFK1004，其額定動載荷為 390N,足夠用。 、滾珠絲杠螺母副幾何參數(shù)計算螺紋滾道：公稱直徑d0=1Omm|TfaA螺距t=4mm,接觸角B = 45，鋼球直徑dq=2mm螺紋滾道法面半徑 R = 0.52dq =1.04mm偏心距 e=(R-dq/2)sinB =0.03螺紋升角 Y =arctg t =7.26 nd

10、。螺桿：螺桿外徑 d =d0(0.2 0.25 )dq = 9.5mm螺桿內徑 d| =d0+2e2R=7.98mm螺桿接觸直徑 dz =d0 dq cos P =8.59 mm螺母：螺母螺紋外徑 D =d0 _2e + 2R =12.02mm螺母內徑(外循環(huán))D, =d0+(0.2 0.255)dq =10.5mm、傳動效率計算一嘰=97歲 一 0.973 tg(Y+)tg(7.26” +0.2)式中：申摩擦角；f絲杠螺紋升角。、剛度驗算滾珠絲杠受工作負載 P引起的導程L0的變化量九PSEFY向所受牽引力大，故應用Y向參數(shù)計算P=24.7(N)L0 =0.4(cm)E =20.6D06(N/

11、cm2)(材料為鋼)F 兀R2 3.14. 0.798 0.5(cm2 )I 2丿i24 7疋0 5卜所以HL 6一 1.2 匯 10 (cm)20.6 漢 106 漢 0.5絲杠因受扭矩而引起的導程變化量Ll2很小，可以忽略。所以導程總誤差5 p =0.01mm/step% =1.5=45 11 1100“工 100c /=L=1.210 =3（Am/m）Lo0.4查表知E級精度的絲杠允許誤差 154m，故剛度足夠。、穩(wěn)定性驗算由于絲杠兩端采用止推軸承，故不需要穩(wěn)定性驗算。三、步進電機的選用3.1、步進電機的步距角取系統(tǒng)脈沖當量6p = 0.01mm/step，初選步進電機步距角日 b 5。

12、3.2步進電機啟動力矩的計算設步進電機等效負載力矩為T,負載力為P,根據(jù)能量守恒原理，電機所做的功與負載力做功有如下關系T 的=Ps式中：qs 電機轉角；s 移動部件的相應位移；耳一一機械傳動效率。若取 =日b，則s = 6，且P=Ps+4G，所以36 IPs + 旳】口T = （NJsm）2叩）式中：Ps 移動部件負載（N）; G移動部件重量（N）; Pz 與重量方向一致的作用在移動部件上的負載力（N;卩一一導軌摩擦系數(shù)；% 步進電機步距角，（rad ）；T電機軸負載力矩（Ncm）本例中，取4 =0.03 （淬火鋼滾珠導軌的摩擦系數(shù)），耳=0.96 , Ps為絲杠牽引力，Ps=r =24.7

13、N?？紤]到重力影響，Y向電機負載較大，因此取G =Gy =287N，所以36 漢 0.01 124.7 +0.03287】,T -1.33（ N_cm）2兀匯1.5匯0.96i=0.6& =0.01mm/step若不考慮啟動時運動部件慣性的影響，則啟動力矩0.3 0.51 33取安全系數(shù)為0.3，則Tq = 03 =4.42 NLcm對于工作方式為三相六拍的三相步進電機T=5.1(N|_cm)0.866Tq=4.42N.km3.3步進電機的最高工作頻率1000Vmax 1000 160p600.01=1667(HZ)查表選用兩個45BF005-H型步進電機3.4確定齒輪傳動比因步進電機步距角

14、入=1.5，滾珠絲杠螺距t =4mm，要實現(xiàn)脈沖當量0.01mm/step，在傳動系統(tǒng)中應加一對齒輪降速傳動。、/ 曰.齒輪傳2Jd=0.4kg.m動比p 36嘰.01 360 巾61.5 4=17, Z2 =28。3.5確定齒輪模數(shù)及有關尺寸因傳遞的扭距較小，取模數(shù) m二1mm，齒輪有關尺寸見表3.6步進電機慣性負載的計算根據(jù)等效轉動慣量的計算公式，得J2 J3 M式中：Jd 折算到電機軸上的慣性負載（kgLcm2）； J3-3。步進電機轉軸的轉動慣量 （kgLcm2） ； J1 齒輪 的轉動慣量（kgLcm2）；2J2齒輪的轉動慣量（kgcm）； J3滾珠絲杠的轉動慣量（kg|_cm2）；

15、 m移動部件質量（kg ）。對材料為鋼的圓柱零件轉動慣量可按下式估算J =0.78 10”D4L kgm2式中：D一一圓柱零件直徑（cm）; L零件長度（cm）。所以JiJ2= 0.78 10二 1.74 0.5 =3.26 10 kgjcm2 = 0.78 10 2.84 0.5 =23.9 10” kgm2= 0.78 102 14 5=3.9 10 kgjcm2電機軸轉動慣量很小，可以忽略，則Jd =3.26 10-j 1723.9 3.9101804250.001站4 1.5=0.4 10km2Jd因為型 =0.319 1，所以慣性匹配比較符合要Jm1.274求。四、控制系統(tǒng)硬件設計X

16、-Y工作臺控制系統(tǒng)硬件主要包括CPU、傳動驅動、傳感器、人機交互界面。硬件系統(tǒng)設計時，應注意幾點：電機運轉平穩(wěn)、響應性能好、造價低、可維護性、人機 交互界面可操作性比較好。4.1 CPU 板4.1.1 CPU的選擇隨著微電子技術水平的不斷提高，單片微型計算機有了飛躍的發(fā)展。單片機的型號很多，而目前市場上應用 MCS-51芯片及其派生的兼容芯片比較多，如目前應用最廣的8位單片機89C51，價格低廉，而性能優(yōu)良，功能強大。在一些復雜的系統(tǒng)中就不得不考慮使用16位單片機，MCS-96系列單片機廣泛應用于伺服系統(tǒng)，變頻調速等各類要求實時處理的控制系統(tǒng)，它具有較強的運算和擴展能力。但是定位合理的單片機可

17、以節(jié)約資源，獲得較高的性價比。從要設計的系統(tǒng)來看，選用較老的8051單片機需要拓展程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器，無疑提高了設計價格， 而選用高性能的16位MCS-96又顯得過于浪費。 生產(chǎn)基于51為內核的 單片機的廠家有In tel、ATMEL、Sime ns,其中在CMOS器件生產(chǎn)領域 ATMEL公司的工藝 和封裝技術一直處于領先地位。ATMEL公司的AT89系列單片機內含F(xiàn)lash存儲器，在程序開發(fā)過程中可以十分容易的進行程序修改，同時掉電也不影響信息的保存；它和80C51插座兼容，并且采用靜態(tài)時鐘方式可以節(jié)省電能。因此硬件CPU選用AT89S51，AT表示ATMEL公司的產(chǎn)品，9表示內含F(xiàn)la

18、sh存儲器， S表示含有串行下載 Flash存儲器。AT89S51的性能參數(shù)為：Flash存儲器容量為4KB、16位定時器2個、中斷源6個（看 門狗中斷、接收發(fā)送中斷、外部中斷 0、外部中斷1、定時器0和定時器1中斷）、RAM為 128B、14位的計數(shù)器 WDT、I/O 口共有32個。4.1.2 CPU接口設計CPU接口部分包括傳感器部分、傳動驅動部分、人機交互界面三部分。示意圖如下所示：圖3-1 CPU外部接口示意圖圖3-2AT89S51控制系統(tǒng)圖JXLm*.INT0INT1+二 PAPC 口 4圖3-3多中斷源中斷觸發(fā)圖4.2 驅動系統(tǒng)傳動驅動部分包括步進電機的驅動和電磁鐵的驅動，步進電機

19、須滿足快速急停、定位和退刀 時能快速運行、工作時能帶動工作臺并克服外力（如切削力、摩擦力）并以指令的速度運行。在 定位和退刀時電磁鐵吸合使繪筆抬起，繪圖時能及時釋放磁力使筆尖壓下。4.2.1步進電機驅動電路和工作原理步進電機的速度控制比較容易實現(xiàn)，而且不需要反饋電路。設計時的脈沖當量為0.01mm，步進電機每走一步，工作臺直線行進0.01mm。CPU的作用，當功步進電機驅動電路中采用了光電偶合器，它具有較強的抗干擾性，而且具有保護 放電路出現(xiàn)故障時，不會將大的電壓加在CPU上使其燒壞。27VCCX-PA7LS055VCC1KQLQOQE5OQ9014TLF-521AD畑10Q圖3-4步進電機驅

20、動電路圖該電路中的功放電路是一個單電壓功率放大電路，當A相得電時，電動機轉動一步。電路中與繞組并聯(lián)的二極管D起到續(xù)流作用，即在功放管截止是，使儲存在繞組中的能量通過二極管形成續(xù)流回路泄放，從而保護功放管。與繞組W串聯(lián)的電阻為限流電阻，限制通過繞組的電流不至超過額定值，以免電動機發(fā)熱厲害被燒壞。由于步進電機采用的是三相六拍的工作方式（三個線圈A、B、C）,其正轉的通電順序為：A-AB-B-BC-C-CA-A ，其反轉的通電順序為：A-AC-C-CB-B-BA-A 。步進時鐘 TUTLrLnLnLmmmrmLA相波形B相波形 C相波形圖3-5三相六拍工作方式時相電壓波形（正轉）422電磁鐵驅動電路

21、圖3-6 電磁鐵驅動電路該驅動電路也采用了光電偶合器，但其功放電路相 對簡單。其光電偶合部分采用的是達林頓管，因為驅動 電磁鐵的電流比較大。423電源設計兩電機同時工作再加上控制系統(tǒng)用電，所需電源容量比較大，需要選擇大容量電源。此系統(tǒng)中用到的電源電壓為27V、12V、5V，為了便于管理和電源容量需求，就采用了標準的27V電源作為基準，通過芯片進行電壓轉換得到所需的12V和5V電壓。4.3 X軸電機點動正轉程序流程圖X+EN :CLRP1.6MOVA，PAMOVDPTR， AMOVXA，DPTRJNBACC.0，LOOMOTORO :MOVDIRX，#01HACALLXMOTOR0MOVA，PC

22、MOVDPTR， AMOVA，DPTRJNBACC.0 ，MOTOR0LOOP2 ：AJMPLOOP1這是 X 軸電機點動正轉的程序，其他的機點動反轉依次類推。X 軸電機點動反轉、 Y 軸電機點動正轉、 Y 軸電五、總結本次課程設計是綜合大學所有學科的一次練習， 是最大的一次課程設計。 這 次課程設計跨越機械和電氣兩大學科。 在設計時要聯(lián)系機械部分和電氣控制部分 作為一個有機的整體來考慮， 本次設計是一個機械和電氣有機組合的系統(tǒng)是一個 整體。如果單方面考慮其中一項必定是做不出來的。這次課程設計時我又一次親手設計東西， 與以前單純的機械設計不一樣， 有 了更多的收獲，體會也很多。 在這次設計中我也學會了很多新東西