機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)參考-

1、機(jī)電一體化系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)X-Y數(shù)控工作臺設(shè)計(jì)說明書學(xué)校名稱：班級學(xué)號：學(xué)生姓名：班 級：201阿4月19 / 21、總體方案設(shè)計(jì)1.1 設(shè)計(jì)任務(wù)設(shè)計(jì)一個(gè)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(biāo)孔的加工和臘摸、塑 料、鋁合金零件的二維曲線加工，重復(fù)定位精度為土0.01mm,定位精度為0.025mm。設(shè)計(jì)參數(shù)如下： 負(fù)載重量 G=150N ;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 140mm ;最大長度L=388mm ;工作臺加工范圍X=55mm , Y=50mm ;工

2、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(yùn)動方式與伺服系統(tǒng)由于工件在移動的過程中沒有進(jìn)行切削，故應(yīng)用點(diǎn)位控制系統(tǒng)。定位方式采用增量坐標(biāo)控制。為了簡化結(jié)構(gòu)，降低成本，采用步進(jìn)電機(jī)開環(huán)伺服系統(tǒng)驅(qū)動X-Y工作臺。(2)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)本設(shè)計(jì)采用了與MCS-51系列兼容的AT89S51單片機(jī)控制系統(tǒng)。它的主要特點(diǎn)是集成度高， 可靠性好，功能強(qiáng)，速度快，有較高的性價(jià)比?？刂葡到y(tǒng)由微機(jī)部分、鍵盤、 LED、I/O接口、光電偶合電路、步進(jìn)電機(jī)、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過鍵盤操作實(shí)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

3、精度和平穩(wěn)性，又要求結(jié)構(gòu)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(yù)加負(fù)荷的結(jié)構(gòu)。由于工作臺的運(yùn)動載荷不大，因此采用有預(yù)加載荷的雙V形滾珠導(dǎo)軌。采用滾珠導(dǎo)軌可減少兩個(gè)相對運(yùn)動面的動、靜摩擦系數(shù)之差，從而提高運(yùn)動平穩(wěn)性，減小振動?？紤]電機(jī)步距角和絲桿導(dǎo)程只能按標(biāo)準(zhǔn)選取，為達(dá)到分辨率的要求，需采用齒輪降速傳動。圖1-1系統(tǒng)總體框圖二、機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.1、 工作臺外形尺寸及重量估算X向拖板（上拖板）尺寸：長M寬父高145X160X 50重量：按重量=體積X材料比重估算_3_ 2 _一145 160 50 107.8 10 ： 90 NY向拖板（下拖板）尺寸： 1 4 5 1 60

4、 50重量：約90N。上導(dǎo)軌座（連電機(jī)）重量：（220 140 38 2 155 二 82） 7.8 10? 10 1.1 10 107 （N）夾具及工件重量：約 150N。X-Y工作臺運(yùn)動部分的總重量：約 287N。3.2、 滾動導(dǎo)軌的參數(shù)確定、導(dǎo)軌型式：圓形截面滾珠導(dǎo)軌、導(dǎo)軌長度上導(dǎo)軌（X向）取動導(dǎo)軌長度1B =100動導(dǎo)軌行程l=55支承導(dǎo)軌長度L =lB l-155下導(dǎo)軌（Y向）l =50 lB =100L =150選擇導(dǎo)軌白型號：GTA16、直線滾動軸承的選型上導(dǎo)軌GX =240（N）下導(dǎo)軌GY =287（N）由于本系統(tǒng)負(fù)載相對較小，查表后得出LM10UUOP1直線滾動軸承的額定動載

5、荷為370N,大于實(shí)際動負(fù)載；但考慮到經(jīng)濟(jì)性等因素最后選擇LM16UUO型直線滾動軸承。并采用雙排兩列4個(gè)直線滾動軸承來實(shí)現(xiàn)滑動平臺的支撐。、滾動導(dǎo)軌剛度及預(yù)緊方法當(dāng)工作臺往復(fù)移動時(shí)，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(dāng)導(dǎo)軌在位置I時(shí)，兩端滾動體受力相等，工作臺保持水平； 當(dāng)導(dǎo)軌移動到位置n或出時(shí)，兩端滾動體受力不相等，變形不一致，使工作臺傾斜口角，由此造成誤差。此外，滾動體支承工作臺，若工作臺剛度差，則在自重和載荷作用下產(chǎn)生彈性 變形，會使工作臺下凹(有時(shí)還可能出現(xiàn)波浪形)，影響導(dǎo)軌的精度。3.3、 滾珠絲杠的設(shè)計(jì)計(jì)算滾珠絲杠的負(fù)荷包括銃削

6、力及運(yùn)動部件的重量所引起的進(jìn)給抗力。應(yīng)按銃削時(shí)的情況計(jì) 算。、最大動負(fù)載Q的計(jì)算Q = 3LfP查表得系數(shù)f切=1, fH =1,壽命值,60nTL 二6106查表得使用壽命時(shí)間 T=15000h,初選絲杠螺距t=4mmi得絲杠轉(zhuǎn)速所以n.Vmax1000 1= 250(r/min)60 250 15000106二225X向絲杠牽引力P =1.414f 當(dāng) Gx(f當(dāng)當(dāng)量摩擦系數(shù))= 1.414 0.01 240 =3.39(N)Y向絲杠牽引力Py =L414f 當(dāng) Gy= 1.414 0.01 287 =4.06(N)所以最大動負(fù)荷X 向Qx =3/225M1M1M3.39 = 20.6(N

7、)丫向Qy =3/225 W 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(jì)算表2-1滾珠絲杠螺母副幾何參數(shù)名 稱符號計(jì)算公式和結(jié)果螺紋滾道公稱直徑d010螺距t4接觸角P45：鋼球直徑dq2螺紋滾道法面半徑RR = 0.52dq =1.04偏心距ee=(Rdq /2)sin P =0.03螺紋升角Ya arctg _ 7.26 nd。螺桿螺桿外徑dd =d0 -(0.20.25)dq =9.5螺桿內(nèi)徑dldi =d 十 2e-2R = 7.98螺桿接觸直徑dzd

8、z =d - dq cosP =8.59螺母螺母螺紋外徑DD =d0 -2e + 2R = 12.02螺母內(nèi)徑(外循環(huán))DiD1 =d0 +(0.2 0.255)dq =10.5見表2-1。、傳動效率計(jì)算n = -tgl- =tg7.26= 0 973tg(中)tg(7.26,+0.2)式中：摩擦角；絲杠螺紋升角。、剛度驗(yàn)算滾珠絲杠受工作負(fù)載 P引起的導(dǎo)程L0的變化量小一旭EFY向所受牽引力大，故應(yīng)用Y向參數(shù)計(jì)算P = 24.7( N)L0 =0.4(cm)E =20.6M106(N/cm2)(材料為鋼)F = ：R2 =3.14i0J798 =0.5 cm2224 7 0 5工所以I-L1

9、= 6 = 1.2 10 (cm)20.6 100.5絲杠因受扭矩而引起的導(dǎo)程變化量Ul2很小，可以忽略。所以導(dǎo)程總誤差=3; Lm/ m1006100L =1.2 10 L。0.4查表知E級精度的絲杠允許誤差 15Nm,故剛度足夠。、穩(wěn)定性驗(yàn)算由于絲杠兩端采用止推軸承，故不需要穩(wěn)定性驗(yàn)算。3.4、 步進(jìn)電機(jī)的選用、步進(jìn)電機(jī)的步距角 入取系統(tǒng)脈沖當(dāng)量- p =0.01mm/step,初選步進(jìn)電機(jī)步距角 * =1.5。、步進(jìn)電機(jī)啟動力矩的計(jì)算設(shè)步進(jìn)電機(jī)等效負(fù)載力矩為 T,負(fù)載力為P,根據(jù)能量守恒原理，電機(jī)所做的功與負(fù)載力 做功有如下關(guān)系Ti = Ps式中：一一電機(jī)轉(zhuǎn)角；s 移動部件的相應(yīng)位移；一

10、一機(jī)械傳動效率。若取中b則s =3 且P =PS+NG ,所以bpS36 p PS JG 12(NLCm)N）;Pz與重量方向一致的作= 1.33(Ncm)式中：PS 移動部件負(fù)載（N）; G移動部件重量（ 用在移動部件上的負(fù)載力（N）; 導(dǎo)軌摩才系數(shù)；19b 步進(jìn)電機(jī)步距角，（rad）； T電機(jī)軸負(fù)載力矩（N|_cm）本例中，取 0 =0.03 （淬火鋼滾珠導(dǎo)軌的摩擦系數(shù)），”=0.96, PS為絲杠牽引力，R =Ph =24.7N ?？紤]到重力影響，Y向電機(jī)負(fù)載較大，因此取 G =Gy = 287N ,所以36 0.0124.7 0.03 287 12 二 1.5 0.96若不考慮啟動時(shí)運(yùn)

11、動部件慣性的影響，則啟動力矩Tq = -T -q 0.3 0.5取安全系數(shù)為 0.3，則Tq = 1.33 = 4.42 （N cm ）q 0.3對于工作方式為三相六拍的三相步進(jìn)電機(jī)j max0.866=5.1N|_cm、步進(jìn)電機(jī)的最高工作頻率f max1000Vmax60 p1000 160 0.01=1667(Hz)查表選用兩個(gè)45BF005-H型步進(jìn)電機(jī)。電機(jī)的有關(guān)參數(shù)見表2-2。表2-2 步進(jìn)電機(jī)參數(shù)型號主要技術(shù)數(shù)據(jù)外形尺寸(mm)重量(N)步 距角(：最大 靜轉(zhuǎn)距 (N|Jcm)最局空載 啟動頻率 (step/s )相 數(shù)電壓(V)電流(A)外徑長度軸徑45BF005- II1.51

12、9.630003272.545584113.5、 確定齒輪傳動比因步進(jìn)電機(jī)步距角久=1.5 ,滾珠絲杠螺距 t=4mm,要實(shí)現(xiàn)脈沖當(dāng)量,乙i =Z2d 360p6P =0.01mm/step,在傳動系統(tǒng)中應(yīng)加一對齒輪降速傳動。齒輪傳動比0.01 360 八日二 0.61.5 4選 Z1 =17 , Z2 =283.6、 確定齒輪模數(shù)及有關(guān)尺寸因傳遞的扭距較小，取模數(shù) m=1mm,齒輪有關(guān)尺寸見表 3-3。3.7、 步進(jìn)電機(jī)慣性負(fù)載的計(jì)算表2-3齒輪尺寸Z17281728式中：Jd 折算到電機(jī)軸上的慣性負(fù)載（kg上m2）；J。一一步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動慣量（kgLcm2）； J1齒輪的轉(zhuǎn)動慣量（kg

13、Lcm2）； J2齒輪的轉(zhuǎn)動慣量（kg_cm2）;J3 滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動慣量（kg|_cm2）； M移動部彳生質(zhì)量（kg）。對材料為鋼的圓柱零件轉(zhuǎn)動慣量可按下式估算J =0.78 10，D4L kg_cm2式中：D一一圓柱零件直徑（cm）; L零件長度（cm）。所以J1 =0.78 10，1.74 0.5 =3.26 10，kg|_cm2J2 =0.78 102 2.84 0.5 =23.9 10，kgLcm2J3=0.78 10，14 5=3.9 10，kgLcm2電機(jī)軸轉(zhuǎn)動慣量很小，可以忽略，則25180= 3.26 10,23.9 3.91040.0011.5= 0.4 10* kgLm2

14、因?yàn)?1 Jd = -0.4 = 0.319 0,應(yīng)沿X軸負(fù)方向走一步，此時(shí) FX= (X-1 ) * (X-1 ) +Y*Y-R*R=F-2X+1 , X=X-1 ;若 Fv 0,應(yīng)沿 Y 軸正方向走一步， 此時(shí) FY=X*X+ (Y-1) * (Y-1) -R*R=F+2Y+1 , Y=Y+1 。插補(bǔ)程序見附錄。圖4-7步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)一步程序流程圖DEFEQU 12HSJMPLP3MOVDEF, #00HTAB : DBFEHXMOTOR1:JNEDIRX , #01H , XMOTOR0DBFCHJNEDEF , #05H, LP2DBFDHCLRDEFDBF9HLP2:MOVA, DEF

15、DBFBHINCDEFDBFAHLP3:MOVDPTR , #TABMOVCA , A+DPTRANLP1, AACALLDELAYRETXMOTOR0:JNEDEF , #00H , LP4MOVA, #05HMOVDEF, ALP4:MOVA , DEFDECDEF24 / 21五、附錄參考文獻(xiàn)1 鄭學(xué)堅(jiān) , 周斌 . 微型計(jì)算機(jī)原理及應(yīng)用. 清華大學(xué)出版社,20032 李廣弟 , 朱月秀，王秀山. 單片機(jī)基礎(chǔ). 北京航空航天大學(xué)出版社,20013 房小翠 . 單片微型計(jì)算機(jī)與機(jī)電接口技術(shù). 國防工業(yè)出版社,20024 王小明 . 電動機(jī)的單片機(jī)控制. 北京航空航天大學(xué)出版社,20025 李建勇 . 機(jī)電一體化技術(shù). 科學(xué)出版社.20046 王愛玲，白恩遠(yuǎn)，趙學(xué)良. 現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床. 國防工業(yè)出版社,20017 徐灝 . 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊（3） . 機(jī)械工業(yè)出版社,20038 張建民 . 機(jī)