X-Y數(shù)控工作臺(tái)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)[1]

1、實(shí)用標(biāo)準(zhǔn)文案1 、總體方案設(shè)計(jì)1.1 設(shè)計(jì)任務(wù)課程設(shè)計(jì)任務(wù)： 設(shè)計(jì)兩軸聯(lián)動(dòng)的數(shù)控 X-Y 運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，完成機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)、 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與相應(yīng)軟件編程，根據(jù)實(shí)驗(yàn)條件進(jìn)行調(diào)試，完成整個(gè)開(kāi)發(fā)系統(tǒng)。主要參數(shù)見(jiàn)下表：系列型號(hào)行程臺(tái)面尺寸底座外形尺寸最大負(fù)載XY 最大重復(fù)定定位XYCBHC1B1H1長(zhǎng)度重量移動(dòng)速位精度LN度HXY-4040252425165050187785001M/ 分0.020.042500045041.2 總體方案確定1.2.1 方案確定思想方案一：機(jī)械部分傳動(dòng)：滾珠絲杠螺母副支撐：雙推 -雙推式滑動(dòng)導(dǎo)軌控制部分控制器件：?jiǎn)纹瑱C(jī)控制方式：開(kāi)環(huán)控制伺服電機(jī)：步進(jìn)電動(dòng)機(jī)優(yōu)點(diǎn)：采用滾珠絲杠

2、螺母副， 可實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)與直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)相互轉(zhuǎn)換， 在具有螺旋槽的絲杠螺母中裝有滾珠作為中間傳動(dòng)元件， 以減少摩擦。 優(yōu)點(diǎn)是摩擦系數(shù)小， 傳動(dòng)效率高，靈敏度高，傳動(dòng)平穩(wěn)，不易產(chǎn)生滑行，傳動(dòng)精度和定位精度高；磨損小，使用壽命長(zhǎng)，精度保持性好。雙推式支撐實(shí)現(xiàn)高精度傳動(dòng)，采用單片機(jī)控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，響應(yīng)快速而準(zhǔn)確。缺點(diǎn)：滾珠絲杠螺母副的不足在于制造工藝復(fù)雜，成本高，不能自鎖，故需附加制動(dòng)裝置。開(kāi)環(huán)控制精度比較低。方案二：機(jī)械部分傳動(dòng)：同步帶傳動(dòng)支撐：滑動(dòng)導(dǎo)軌控制部分控制器件：?jiǎn)纹瑱C(jī)控制方式：開(kāi)環(huán)控制伺服電機(jī)：直流無(wú)刷電機(jī)優(yōu)點(diǎn)：文檔大全實(shí)用標(biāo)準(zhǔn)文案同步帶傳動(dòng)無(wú)相對(duì)滑動(dòng)，傳動(dòng)比準(zhǔn)確，傳動(dòng)精度高，齒形帶的強(qiáng)度高，

3、厚度小、重量輕，故可用于高速傳動(dòng)；傳動(dòng)比恒定，同步帶無(wú)需特別漲緊，因而作用于軸和軸承等上的載荷小， 傳動(dòng)效率高。單片機(jī)控制直流無(wú)刷電機(jī)， 空載電流小，效率高。缺點(diǎn)：同步帶工作時(shí)候有溫度要求， 安裝精度要求較高， 中心間距要求較高， 有時(shí)候需要張緊，安裝麻煩。無(wú)刷直流電機(jī)啟動(dòng)時(shí)有震動(dòng)，控制器要求高，價(jià)格高。采用開(kāi)環(huán)精度較低。方案三：機(jī)械部分傳動(dòng)：齒輪齒條支撐：直線(xiàn)導(dǎo)軌控制部分控制器件：?jiǎn)纹瑱C(jī)控制方式：閉環(huán)控制伺服電機(jī)：直流無(wú)刷電機(jī)優(yōu)點(diǎn)：齒輪齒條傳動(dòng)功率大，精度高，穩(wěn)定性好，響應(yīng)速度快。單片機(jī)控制直流無(wú)刷電機(jī)，無(wú)刷直流電機(jī)啟動(dòng)時(shí)有震動(dòng)，控制器要求高，價(jià)格高。采用開(kāi)環(huán)精度較低。采用閉環(huán)控制，精度高。

4、雙線(xiàn)導(dǎo)軌穩(wěn)定。缺點(diǎn)：齒輪齒條無(wú)自鎖，需要外加自鎖機(jī)構(gòu)。噪音大，磨損較快。1.2.2 方案對(duì)比分析與確定綜合課程設(shè)計(jì)要求，精度為 0.04mm ，最大載荷是 500N ，相比同步帶和齒輪齒條傳動(dòng)，滾珠絲杠傳動(dòng)更符合精度要求，因?yàn)榻z杠傳的動(dòng)的精度可以達(dá)到0.01mm ，而同步帶傳動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生彈性變形，具有一定的蠕變性。齒輪齒條傳動(dòng)精度和滾軸絲杠精度相當(dāng)，但是安裝較麻煩，安裝精度要求高。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)和直流無(wú)刷電機(jī)相比， 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制簡(jiǎn)單， 啟動(dòng)穩(wěn)定， 而直流無(wú)刷電機(jī)控制要求高， 成本高，課程設(shè)計(jì)要求精度未達(dá)到微米級(jí)別， 空載轉(zhuǎn)速要求為 1m/min, 因此采用低檔的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)就能滿(mǎn)足要求。開(kāi)環(huán)控制結(jié)構(gòu)

5、簡(jiǎn)單控制容易， 穩(wěn)定性好，一般用于輕載變化不大的場(chǎng)合， 根據(jù)最大載荷 500N 的要求，可以滿(mǎn)足。綜合以上分析，決定選擇第一種方案。 采用單片機(jī)控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力，滾軸絲杠傳遞動(dòng)力，總體采用開(kāi)環(huán)控制。1.2.3 總體方案系統(tǒng)組成機(jī)械系統(tǒng)由滾珠絲杠螺母副、 直線(xiàn)滾動(dòng)導(dǎo)軌副、 步進(jìn)電機(jī)、 單列角接觸球軸承等組成?？刂葡到y(tǒng)由單片機(jī)和計(jì)算機(jī)等組成。文檔大全實(shí)用標(biāo)準(zhǔn)文案2 、機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)2.1 導(dǎo)軌上移動(dòng)部件的重量估算按照下導(dǎo)軌上面移動(dòng)部件的重量來(lái)進(jìn)行估算。包括工件、夾具、工作平臺(tái)、上層電動(dòng)機(jī)、滾珠絲桿副、直線(xiàn)滾動(dòng)導(dǎo)軌副、導(dǎo)軌座等，估計(jì)重量約為900N 。2.2 直線(xiàn)滾動(dòng)導(dǎo)軌副的計(jì)算與選型（ 1）滑

6、塊承受工作載荷Fmax 的計(jì)算方法及導(dǎo)軌型號(hào)的選取工作載荷是影響直線(xiàn)滾動(dòng)導(dǎo)軌副使用壽命的重要因素。本例中的X-Y 工作臺(tái)為水平布置， 采用雙導(dǎo)軌、 四滑塊的支承形式。 單滑塊所承受的最大垂直方向載荷為；GFmax=225N4查表，根據(jù)工作載荷 Fmax =0.225kN ，初選直線(xiàn)滾動(dòng)導(dǎo)軌副的型號(hào)為 KL 系列的 JAS-LG15 型，其額定動(dòng)載荷 Ca =7.94kN ，額定靜載荷 C0a =9.5kN 。任務(wù)書(shū)規(guī)定工作臺(tái)面尺寸為240mm 254mm ，加工范圍為400mm 250mm ，查表，按標(biāo)準(zhǔn)系列選取導(dǎo)軌的長(zhǎng)度為640mm 。（ 2）距離額定壽命 L 的計(jì)算所選導(dǎo)軌副的滾道硬度為6

7、0HRC ，工作溫度不超過(guò) 100 ，精度為 4 級(jí)。查表取硬度系數(shù) f H =1.0 、溫度系數(shù) fT=1.00 、接觸系數(shù) f C=0.81、精度系數(shù) f R=0.9 、載荷系數(shù) fW =1.5 ，代入式子Lff ffC3182619km（ H TC Ra）f WFmax50遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于 50km ，故距離額定壽命滿(mǎn)足要求。2.3 滾珠絲杠螺母副的選型與校核（1） 最大工作載荷 Fm 的計(jì)算已知移動(dòng)部件總重量 G=900N，滾動(dòng)導(dǎo)軌上的摩擦因素u=0.004。求得滾珠絲桿副的最大工作載荷： Fm = G=0.004 900=3.6N（2） 最大動(dòng)載荷 FQ 的計(jì)算該工作臺(tái)的最快進(jìn)給速度v=10

8、00mm/min，初選絲桿導(dǎo)程 Ph =5mm ，則此時(shí)絲桿轉(zhuǎn)數(shù) n=v/P h =200r/min，取滾珠絲桿的使用壽命 T=15000h，代入Lo60nt /106得 Lo=180( 單位為： 10 6 r) 。查表，取載荷系數(shù) f W =1.2 ，滾道硬度 60HRC時(shí)，取硬度系數(shù)fH=1.0. ，代入得滾動(dòng)絲杠最大動(dòng)載荷FQ3L f m Fm 24.4N（3） 初選型號(hào)文檔大全實(shí)用標(biāo)準(zhǔn)文案根據(jù)計(jì)算出的動(dòng)載荷和絲桿導(dǎo)程， 查表選擇 G 系列 2005 3 型滾珠絲桿副，為內(nèi)循環(huán)固定反向器螺母式， 其公稱(chēng)直徑為 20mm ，導(dǎo)程為 5mm ，循環(huán)滾珠為 3 圈1 列，精度等級(jí)取 5 級(jí)，額

9、定動(dòng)載荷為 9309N, 大于 FQ，滿(mǎn)足要求。（4） 傳動(dòng)效率的計(jì)算將公稱(chēng)直徑 d 0=20mm ，導(dǎo)程 Ph =5mm ，傳動(dòng)效率tg96.4%tg ()（5） 剛度的驗(yàn)算1) 絲杠左右支承德中心距約為 a=600mm ；滾珠直徑 D W =3.175mm ；絲桿底徑 D2 =16.2mm ；絲桿截面積 S=206.12mm 2 。滾珠絲桿滿(mǎn)載時(shí)拉壓變形量：Fma3.6560； E2.1 105Mpa12.11050.0003mmES206.122) 根據(jù) Z= （d 0/D W ）-3 ，得單圈滾珠數(shù) Z=20 ；該型號(hào)絲桿為單螺母，滾珠的圈數(shù)列數(shù)為 31 ，F(xiàn)YJ =F M /3=1.

10、2N 。得滾珠與螺紋滾道間的接觸變形量2 0.00008mm3)總=+2 =01.3um絲桿行程為 315 400mm ，允許到 25um ，故絲桿剛度足夠。（6） 壓桿穩(wěn)定性校核滾珠絲杠通常屬于受軸向力的細(xì)長(zhǎng)桿， 若軸向工作負(fù)載過(guò)大， 將使絲杠失去穩(wěn)定而產(chǎn)生縱向屈曲，即失去穩(wěn)定。失穩(wěn)時(shí)的載荷載荷為 FK，Id14 / 64mm3380.88mmFK=9343N遠(yuǎn)大于工作載荷 Fm ，因此，所選滾珠絲杠符合穩(wěn)定性要求。2.4 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的計(jì)算與選型(1) 計(jì)算加在步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 Jeq已知：滾珠絲桿直徑d o =20mm, 總長(zhǎng) l=600mm，導(dǎo)程 Ph =5mm ，材料密度 p

11、=7.85 10 3 ；移動(dòng)部件總重力 G=900N ，傳動(dòng)比為 1 。算得各個(gè)零部件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量如下： 滾珠絲桿的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 Js=m i D2/8=0.69kgcm 2拖板折算到絲桿上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量JW = （Ph/2 ）=0.57kg cm 2初選步進(jìn)電機(jī)型號(hào)為90BYG2602 ，為兩相混合式，步距角為0.75 ，從表查得該電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jm =4kg cm 2 。則加在步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：Jeq = Jm + （ Jw + JS ）/i 2=5.26kg cm 2文檔大全實(shí)用標(biāo)準(zhǔn)文案（ 2）計(jì)算加在步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)軸上的等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩 Teq分快速空載起動(dòng)和承受最大工作負(fù)載兩種情況進(jìn)行

12、計(jì)算。1)快速空載起動(dòng)時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩Teq1 =T amax +T fTamax 為快速空載起動(dòng)時(shí)折算到電機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大轉(zhuǎn)矩；Tf 是移動(dòng)部分折算到電機(jī)轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩。2 Jeq nm1V *(F G)PTamax =60t a x0.07634 ；其中 n m =max208。 Tf=2h0.004 N m ；360*2 iTeq1 Ta max Tf0.0803 N m 。2)最大負(fù)載狀態(tài)下電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩Teq 2=T t+T fTt 為折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大工作負(fù)載轉(zhuǎn)矩;Tf 是移動(dòng)部件運(yùn)動(dòng)時(shí)折算到電機(jī)轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩;Tt =F P0 ，（Ff 不計(jì)）；Tf

13、 =Fz G Phf h2 i2 i0.0036 N m ；Teq2 =T f =0.036 N m ；Teq max Teq1 ,Teq2 0.0803 N m 。（ 3）步進(jìn)電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩的選定考慮到步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電源受電網(wǎng)電壓影響較大，當(dāng)輸入電壓降低時(shí)， 其輸出轉(zhuǎn)矩會(huì)下降，可能造成丟步，甚至堵轉(zhuǎn)。因此，根據(jù)Teq 來(lái)選擇步進(jìn)電機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩時(shí)，需要考慮安全系數(shù)。取安全系數(shù)K=4. ，則步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩應(yīng)滿(mǎn)足：Tj max4Teq4x1.4225.688 N m 。上述初選的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)型號(hào)為90BYG2602 ，由表得該型號(hào)電動(dòng)機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩 Tjmax =6N m ?？梢?jiàn)，滿(mǎn)足要求

14、。（ 4）步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的性能校核1）最快工進(jìn)速度時(shí)電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩校核給定工作臺(tái)最快工進(jìn)速度Vmaxf =1M/ 分，求得電動(dòng)機(jī)對(duì)應(yīng)的運(yùn)行頻率f maxf = 601000x0.01 =1667Hz ，從 90BYG2602 電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行頻率特性曲線(xiàn)圖可以看出，在此頻率下， 電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩 Tmaxf =5.5N m ，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于最大工作負(fù)載轉(zhuǎn)矩Teq2 =0.0036 N m ，滿(mǎn)足要求。2）最快空載移動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩校核給定工作臺(tái)最快工進(jìn)速度Vmaxf =1M/ 分，求得電動(dòng)機(jī)對(duì)應(yīng)的運(yùn)行頻率1000fmaxf = 60x0.01 =1667Hz從 90BYG2602 電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行頻率特性曲線(xiàn)

15、圖可以看出，在此頻率下， 電動(dòng)文檔大全實(shí)用標(biāo)準(zhǔn)文案機(jī) 的輸 出 轉(zhuǎn) 矩 Tmaxf =5.5N m ， 遠(yuǎn) 遠(yuǎn) 大 于快 速空 載啟 動(dòng) 時(shí)的 負(fù)載 轉(zhuǎn)矩 Teq1 =0.0803 N m ，滿(mǎn)足要求。3) 最快空載移動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行頻率校核與最快空 載移 動(dòng)速度v max =3000mm/min對(duì)應(yīng) 的電 動(dòng)機(jī)運(yùn)行 頻率為f max =10000Hz 。查表可知 90BYG2602 電動(dòng)機(jī)的空載運(yùn)行頻率可達(dá) 20000Hz ，沒(méi)超出上限。4) 啟動(dòng)頻率的計(jì)算已知電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 Jeq =5.26kg cm 2 ，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 Jm =4kg cm 2，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸不帶任何負(fù)載時(shí)

16、的空載起動(dòng)頻率 f q =1800Hz ?？汕蟪霾竭M(jìn)電機(jī)克服慣性負(fù)載的起動(dòng)頻率：f q1200Hzf L1JeqJm上式說(shuō)明，要想保證步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)時(shí)不失步，任何時(shí)候的起動(dòng)頻率都必須小于 1200Hz 。實(shí)際上，采用軟件升降頻時(shí)， 起動(dòng)頻率選的更低， 通常只有 100Hz 。綜上所述，本例中工作臺(tái)的進(jìn)給傳動(dòng)選用 90BYG2602 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)， 完全滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。2.5 機(jī)械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖所示 :x-y 數(shù)控工作臺(tái)結(jié)構(gòu)此數(shù)控工作臺(tái)主要由步進(jìn)電機(jī)、 絲杠螺母副、滾動(dòng)導(dǎo)軌副、工作臺(tái)、軸承座、端蓋、軸承、聯(lián)軸套、鍵、墊圈等組成。 （具體見(jiàn)裝配圖附錄）文檔大全實(shí)用標(biāo)準(zhǔn)文案3 、控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

17、處理芯片DB9 接頭電路原理圖文檔大全實(shí)用標(biāo)準(zhǔn)文案步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路圖電路原理圖硬件電路采用 AT89C51 單片機(jī)處理程序，采用ULN2003芯片驅(qū)動(dòng)電機(jī)，整個(gè)電路采用光電耦合，實(shí)現(xiàn)帶暖氣隔離，保護(hù)電路不受強(qiáng)點(diǎn)傷害。采用DB9接頭和電腦相連。文檔大全實(shí)用標(biāo)準(zhǔn)文案4 、控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)4.1 控制系統(tǒng)軟件總體方案設(shè)計(jì)硬件電路采用 AT89C52 單片機(jī)作為處理器， ULN2003 驅(qū)動(dòng)板作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，單片機(jī)和上位機(jī)采用 DB9 接頭連接。程序設(shè)計(jì)為點(diǎn)動(dòng)控制，從原點(diǎn)開(kāi)始到特定點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)。通過(guò)控制單片機(jī)的相應(yīng)引腳輸出高低電平， 利用單片機(jī)的中斷， 通過(guò)鍵盤(pán)控制點(diǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)功能。4.2 主流程設(shè)計(jì)總中

18、斷開(kāi)外部中斷開(kāi)給 P1 口賦值循環(huán)中斷信號(hào)#include#define uint unsigned int#define uchar unsigned charuchar num,temp;void delay(uint z);/ 延時(shí)程序的聲明 ;void main()EA=1;/ CPU開(kāi)總中斷；EX0=1;/ 外部中斷開(kāi)；文檔大全實(shí)用標(biāo)準(zhǔn)文案P1=0xcf;/ 電機(jī) 1 的二個(gè)引腳交替通電 ;delay(1000);P1=0x9f;delay(1000);P1=0x3f;delay(1000);P1=0x6f;delay(1000);void delay(uint z)/ 延時(shí)程序；uint x,y;for(x=z;x0;x-)for(y=110;y0;y-);void zd()interrupt 0/ 中斷程序；P1=0xfc;/ 電機(jī) 2 兩個(gè)引腳相繼通電；delay(1000);P1=0xf9;delay(1000);P1=0xf3;delay(1000);P1=0xf6;delay(1000);4.3 中斷服務(wù)流程設(shè)計(jì)：鍵盤(pán)按鈕產(chǎn)生電平變化， CPU 外部中斷開(kāi)啟，調(diào)用中斷程序，使電機(jī) 1 停止轉(zhuǎn)動(dòng)，并保持當(dāng)前狀態(tài)，中斷程序使得電機(jī) 2 轉(zhuǎn)動(dòng)。以下是中斷子程序：void zd()interrupt 0/ 中斷程序；P1=0xfc;/ 電機(jī) 2