XY工作臺(tái)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)

湖州師范學(xué)院PAGE27《機(jī)電一體化》課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)題目:X-Y工作臺(tái)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)姓名張永升專(zhuān)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化學(xué)號(hào)10082304指導(dǎo)教師許宇翔王娟信息與工程學(xué)院2013年6月17日前言課程設(shè)計(jì)是機(jī)床機(jī)電一體化系統(tǒng)課程的十分重要實(shí)踐環(huán)節(jié)之一。通過(guò)課程設(shè)計(jì)可以初步樹(shù)立正確的設(shè)計(jì)思想，了解有關(guān)的工業(yè)政策，學(xué)會(huì)運(yùn)用手冊(cè)、標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范等資料；培養(yǎng)學(xué)生分析問(wèn)題解決問(wèn)題的實(shí)際能力，并在教師的指導(dǎo)下，系統(tǒng)地運(yùn)用課程和選修課程的知識(shí)，獨(dú)立完成規(guī)定的設(shè)計(jì)任務(wù)。一種經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床的控制系統(tǒng)，包括機(jī)床伺服系統(tǒng)和對(duì)該伺服系統(tǒng)進(jìn)行控制的ＰＬＣ；其特征在于，還包括通過(guò)通信接口與ＰＬＣ通信的觸摸屏，所述觸摸屏包括：數(shù)據(jù)輸入模塊，用于輸入、修改被控參數(shù)的參數(shù)值和操作指令，讀取觸摸屏的操作界面；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊，用于存儲(chǔ)輸入、輸出數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)處理計(jì)算模塊，用于對(duì)輸入、輸出參數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、計(jì)算；包括輸入信號(hào)的編碼運(yùn)算；輸出信號(hào)的解碼運(yùn)算；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元，用于存儲(chǔ)移位單元傳遞來(lái)的數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)檢測(cè)單元，用于實(shí)時(shí)檢測(cè)坐標(biāo)軸的當(dāng)前運(yùn)動(dòng)狀態(tài)參數(shù)值，包括距離、速度值，以及控制方式參數(shù)值；數(shù)據(jù)比較單元，用于將檢測(cè)單元檢測(cè)到的坐標(biāo)軸當(dāng)前運(yùn)動(dòng)狀態(tài)參數(shù)值、控制方式參數(shù)值與觸摸屏存儲(chǔ)模塊的設(shè)定值進(jìn)行比較；X-Y數(shù)控工作臺(tái)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)裝置。步進(jìn)電機(jī)是一個(gè)將脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)移成角位移的機(jī)電式數(shù)模轉(zhuǎn)換器裝置。其工作原理是：每給一個(gè)脈沖便在定子電路中產(chǎn)生一定的空間旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)；由于步進(jìn)電機(jī)通的是三相交流電所以輸入的脈沖數(shù)目及時(shí)間間隔不同，轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)快慢及旋轉(zhuǎn)時(shí)間的長(zhǎng)短也是不同的。由于旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)對(duì)放入其中的通電導(dǎo)體既轉(zhuǎn)子切割磁力線(xiàn)時(shí)具有力的作用，從實(shí)現(xiàn)了旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)動(dòng)迫使轉(zhuǎn)子作相應(yīng)的轉(zhuǎn)動(dòng)，所以轉(zhuǎn)子才可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子帶動(dòng)絲杠作相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)。本題目是步進(jìn)電機(jī)，微型計(jì)算機(jī)，插補(bǔ)原理，匯編語(yǔ)言的綜合應(yīng)用，本題目設(shè)計(jì)得到了老師的幫助和支持，最后在此表示感謝。本題目由共分六章，第一章課程設(shè)計(jì)的目的、意義及要求；第二章課程設(shè)計(jì)的內(nèi)容，第三章課程設(shè)計(jì)總體方案的確定；第四章主要涉及了機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)；第五章主要涉及工作臺(tái)機(jī)械裝配圖的繪制；第六章主要涉及控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)；最后是結(jié)束語(yǔ)和參考文獻(xiàn)。因本人水平有限，錯(cuò)誤和不足之處在所難免，處理問(wèn)題也有不妥之處，敬請(qǐng)相關(guān)老師批評(píng)指正。課程設(shè)計(jì)的目的、意義及要求X-Y數(shù)控工作臺(tái)是許多機(jī)電一體化設(shè)備的基本部件，如數(shù)控車(chē)床的縱-橫向進(jìn)刀機(jī)構(gòu)、數(shù)控銑床和數(shù)控鉆床的X-Y工作臺(tái)、激光加工設(shè)備的工作臺(tái)、電子元件表面貼裝設(shè)備等。因此，選擇X-Y數(shù)控工作臺(tái)作為機(jī)電綜合課程設(shè)計(jì)的內(nèi)容，對(duì)于機(jī)電一體化專(zhuān)業(yè)的教學(xué)具有普遍意義。模塊化的X-Y數(shù)控工作臺(tái)，通常由導(dǎo)軌座、移動(dòng)滑塊、工作平臺(tái)、滾珠絲杠螺母副以及伺服電動(dòng)機(jī)等部件構(gòu)成。其外觀(guān)形式如圖1所示。其中，伺服電動(dòng)機(jī)作為執(zhí)行元件用來(lái)驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠，滾珠絲杠的螺母帶動(dòng)滑塊和工作平臺(tái)在導(dǎo)軌上運(yùn)動(dòng)，完成工作臺(tái)在X、Y方向的直線(xiàn)移動(dòng)。導(dǎo)軌副、滾珠絲杠螺母副和伺服電動(dòng)機(jī)等均已標(biāo)準(zhǔn)化，由專(zhuān)門(mén)廠(chǎng)家生產(chǎn)，設(shè)計(jì)時(shí)只需根據(jù)工作載荷選取即可?？刂葡到y(tǒng)根據(jù)需要，可以選用標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，也可以設(shè)計(jì)專(zhuān)用的微機(jī)控制系統(tǒng)。圖1X-Y數(shù)控工作臺(tái)外形《機(jī)電一體化》課程設(shè)計(jì)是一個(gè)重要的時(shí)間性教學(xué)環(huán)節(jié)，要求學(xué)生綜合的運(yùn)用所學(xué)的理論知識(shí)，獨(dú)立進(jìn)行的設(shè)計(jì)訓(xùn)練，主要目的與要求：通過(guò)設(shè)計(jì)，使學(xué)生全面地、系統(tǒng)地了解和掌握數(shù)控機(jī)床的基本組成及其想怪知識(shí)，學(xué)習(xí)總體的方案擬定、分析與比較的方法。通過(guò)對(duì)機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，掌握幾種典型傳動(dòng)元件與導(dǎo)向元件的工作原理、設(shè)計(jì)計(jì)算及選用的方式。通過(guò)對(duì)機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，掌握常用伺服電機(jī)的工作原理、計(jì)算控制方法與控制驅(qū)動(dòng)方式。培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力，學(xué)習(xí)并樹(shù)立“系統(tǒng)設(shè)計(jì)”的思想。鍛煉提高學(xué)生應(yīng)用手冊(cè)和標(biāo)準(zhǔn)、查閱文獻(xiàn)資料及撰寫(xiě)科技論文的能力。

目錄課程設(shè)計(jì)的目的、意義及要求 31、總體方案設(shè)計(jì) 51.1設(shè)計(jì)任務(wù) 51.2總體方案確定 51.2.1方案確定思想 51.2.3總體方案系統(tǒng)組成 52、機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì) 72.1工作臺(tái)外形尺寸及重量估算 72.2導(dǎo)軌的設(shè)計(jì)計(jì)算與選擇 72.2.1對(duì)X軸向?qū)к壍挠?jì)算 72.2.2對(duì)X軸導(dǎo)軌的選擇 82.2.3對(duì)Y軸導(dǎo)軌的計(jì)算 92.2.4對(duì)Y軸導(dǎo)軌選擇 92.3滾珠絲桿的設(shè)計(jì)計(jì)算 102.3.1最大工作載荷的計(jì)算 102.3.2滾珠絲杠的選取 112.3.3滾道半徑、偏心距 122.3.4穩(wěn)定性校核 122.3.5剛度的驗(yàn)算 122.3.6效率驗(yàn)算 132.4步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的計(jì)算、選型與校核 132.4.1確定系統(tǒng)脈沖當(dāng)量及步距角 132.4.2電動(dòng)機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J總 132.4.3步進(jìn)電機(jī)空載啟動(dòng)時(shí)，電機(jī)軸上的加速力矩 132.4.4工作臺(tái)移動(dòng)部件折算到電機(jī)軸上的摩擦力矩 142.4.5因絲桿副預(yù)緊力引起的電機(jī)軸上的附加摩擦轉(zhuǎn)矩 142.4.6負(fù)載轉(zhuǎn)矩計(jì)算 142.4.7步進(jìn)電機(jī)的選擇條件 142.5步進(jìn)電機(jī)的選擇如下 142.5.1初選步進(jìn)電機(jī)選型 142.5.2步進(jìn)電機(jī)參數(shù)驗(yàn)算 152.6.聯(lián)軸器及絲桿支撐座的選擇 162.6.1聯(lián)軸器的介紹 162.6.2聯(lián)軸器的選擇 162.6.3絲桿支撐座的選擇 172.7機(jī)械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 183、控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 193.1控制系統(tǒng)硬件組成 193.2控制系統(tǒng)硬件選型 193.3控制系統(tǒng)硬件接口電路設(shè)計(jì) 223.4驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 244、控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 244.1控制系統(tǒng)軟件總體方案設(shè)計(jì) 244.2主流程設(shè)計(jì) 244.3中斷服務(wù)流程設(shè)計(jì) 255總結(jié) 25參考文獻(xiàn) 25附錄 26

1、總體方案設(shè)計(jì)1.1設(shè)計(jì)任務(wù)題目：兩坐標(biāo)X-Y數(shù)控工作臺(tái)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。其主要技術(shù)指標(biāo)如下：工作臺(tái)型號(hào)為HXY-2525；行程要求X=60mm，Y=55mm；工作臺(tái)面尺寸為C×B×H＝160mm×175mm×12mm；底座外形尺寸為C1×B1×H1＝225mm×235mm×12mm；工作臺(tái)負(fù)載重量N=150N；工作臺(tái)最大移動(dòng)速度為1m/min；X,Y方向的定位精度為0.02mm；脈沖當(dāng)量為0.01mm/step；結(jié)構(gòu)輕便，建議機(jī)座和滑臺(tái)采用鋁合金；標(biāo)準(zhǔn)組件，獨(dú)立產(chǎn)品；1.2總體方案確定1.2.1方案確定思想該工作臺(tái)設(shè)計(jì)主要分為機(jī)械系統(tǒng)部件和控制系統(tǒng)部件，其中機(jī)械系統(tǒng)部件主要包括導(dǎo)軌副、絲杠螺母副、減速裝置、伺服電動(dòng)機(jī)和檢測(cè)裝置等，控制系統(tǒng)部件則包括CPU控制電路、電源設(shè)計(jì)電路、輸入信號(hào)電路、輸出信號(hào)電路、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制電路等。因X向和Y向機(jī)械結(jié)構(gòu)基本相同，故只繪制X向機(jī)械系統(tǒng)部分的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖，如下：考慮在滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求的前提下，應(yīng)盡可能采用簡(jiǎn)潔輕便的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和廉價(jià)實(shí)用的可選材料，符合綠色環(huán)保的現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)理念，由此來(lái)確定最終方案。1.2.3總體方案系統(tǒng)組成（1）機(jī)械系統(tǒng)組成1）導(dǎo)軌副的選用該設(shè)計(jì)課題中所要求的X-Y工作臺(tái)要求可直接應(yīng)用于小型鉆、銑床，需要承受的載荷不大，但脈沖當(dāng)量小、定位精度高，因此，決定選用直線(xiàn)滾動(dòng)導(dǎo)軌副。它具有摩擦系數(shù)小、不易爬行、傳動(dòng)效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、安裝預(yù)緊方便等優(yōu)點(diǎn)。絲杠螺母副的選用伺服電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)需要通過(guò)絲杠螺母副轉(zhuǎn)換成直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，要滿(mǎn)足±0.02mm的重復(fù)定位精度和0.04mm的定位精度，滑動(dòng)絲杠副無(wú)能為力，只有選用滾珠絲杠副才能達(dá)到。滾珠絲杠副的傳動(dòng)精度高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、壽命長(zhǎng)、效率高，預(yù)緊后可消除反向間隙。減速裝置的選用選擇了步進(jìn)電動(dòng)機(jī)和滾珠絲杠副以后，為了圓整脈沖當(dāng)量，放大電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩，降低運(yùn)動(dòng)部件折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，可能需要減速裝置，且應(yīng)有消間隙機(jī)構(gòu)。但本設(shè)計(jì)中要求系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，且依靠步進(jìn)電動(dòng)機(jī)和滾珠絲杠副已經(jīng)可以達(dá)到所需的脈沖當(dāng)量，因此不使用減速箱。伺服電動(dòng)機(jī)的選用任務(wù)書(shū)規(guī)定的X,Y方向重復(fù)定位精度為±0.02mm，由此可以取脈沖當(dāng)量為0.01mm，則其定位精度未達(dá)到微米級(jí)，最快移動(dòng)速度也只要求為1000mm/min。因此，不必采用高檔次的伺服電動(dòng)機(jī)，只需要選用性能較好的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)即可，故在本設(shè)計(jì)中選用混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，以降低成本，提高性?xún)r(jià)比。檢測(cè)裝置的選用選用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)作為伺服電動(dòng)機(jī)后，可選開(kāi)環(huán)控制也可選閉環(huán)控制。任務(wù)書(shū)所給的精度對(duì)于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)還是偏高的，為了確保電動(dòng)機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中不受切削負(fù)載和電網(wǎng)的影響而失步，決定采用半閉環(huán)控制，擬在電動(dòng)機(jī)的尾部轉(zhuǎn)軸上安裝增量式旋轉(zhuǎn)編碼器，用以檢測(cè)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)角與轉(zhuǎn)速。增量式旋轉(zhuǎn)編碼器的分辨率應(yīng)與步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角相匹配?？紤]到X、Y兩個(gè)方向的加工范圍相同，承受的工作載荷相差不大，為了減少設(shè)計(jì)工作量，X、Y兩個(gè)坐標(biāo)的導(dǎo)軌副、絲杠螺母副、減速裝置、伺服電動(dòng)機(jī)以及檢測(cè)裝置擬采用相同的型號(hào)與規(guī)格。（2）控制系統(tǒng)組成1）設(shè)計(jì)的X-Y工作臺(tái)要求可直接應(yīng)用于小型鉆、銑床，其控制系統(tǒng)應(yīng)該具有單坐標(biāo)定位、兩坐標(biāo)直線(xiàn)插補(bǔ)與圓弧插補(bǔ)的基本功能，所以控制系統(tǒng)應(yīng)該設(shè)計(jì)成連續(xù)控制型。2）對(duì)于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的半閉環(huán)控制，選用MCS-51系列的8位單片機(jī)AT89C52作為控制系統(tǒng)的CPU，應(yīng)該能夠滿(mǎn)足任務(wù)書(shū)給定的相關(guān)指標(biāo)。3）鑒于此系統(tǒng)只考慮步進(jìn)電機(jī)的控制，CPU的自身資源已經(jīng)足夠，不需要外部引入其它接口擴(kuò)展電路。考慮控制電路與輸出信號(hào)電平不一致以及減少干擾等因素，在輸入和輸出信號(hào)之間加入光電耦合器組成信號(hào)輸入輸出電路。4）選擇合適的驅(qū)動(dòng)電源，與步進(jìn)電動(dòng)機(jī)配套使用。（3）系統(tǒng)總體框圖根據(jù)已確定的總體方案繪制系統(tǒng)總體框圖如下：2、機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)2.1工作臺(tái)外形尺寸及重量估算工作臺(tái)（X向托板）取Y向托板=X向托板上導(dǎo)軌座重量根據(jù)題目底座外形尺寸為225×235×12因此：所以根據(jù)上面所求，得XY工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)部分的總重量為：設(shè)其最大加工工件為8kg，另外，還有絲杠、電機(jī)、聯(lián)軸器等，大約3kg，因此：2.2導(dǎo)軌的設(shè)計(jì)計(jì)算與選擇2.2.1對(duì)X軸向?qū)к壍挠?jì)算給定的恒定負(fù)載為150N，X向托板重26.4N，X軸向行程為60mm，假設(shè)導(dǎo)軌壽命是10年，一年工作300天，一天16小時(shí)，啟動(dòng)率為0.8，則：距離壽命式中為L(zhǎng)s為行程長(zhǎng)度，n為每分鐘往返次數(shù)，且，V為工作臺(tái)快速進(jìn)給速度。由已知條件知V=1m/min，則由此得設(shè)滑座數(shù)m=4，所以每根導(dǎo)軌上使用2個(gè)滑座，每根導(dǎo)軌上配有兩只滑塊，精度為3級(jí)，工作速度較低，載荷不大。查表分別取硬度系數(shù)=1.0，溫度系數(shù)=1.00，接觸系數(shù)=0.81，精度系數(shù)=1，載荷系數(shù)=1.5，代入得距離壽命：其中K=50則得其中2.2.2對(duì)X軸導(dǎo)軌的選擇根據(jù)所計(jì)算的Ca值，選擇中國(guó)南京工藝裝備制造有限公司()的GGB16AA四方向等載荷型滾動(dòng)直線(xiàn)導(dǎo)軌副，導(dǎo)軌的具體資料結(jié)構(gòu)參數(shù)如下2.2.3對(duì)Y軸導(dǎo)軌的計(jì)算其負(fù)載為，工作行程為55mm，假設(shè)導(dǎo)軌壽命是10年，一年工作300天，一天16小時(shí)，啟動(dòng)率為0.8，則：距離壽命式中為L(zhǎng)s為行程長(zhǎng)度，n為每分鐘往返次數(shù)，且，V為工作臺(tái)快速進(jìn)給速度。由已知條件知V=1m/min，則由此得設(shè)滑座數(shù)m=4，所以每根導(dǎo)軌上使用2個(gè)滑座，每根導(dǎo)軌上配有兩只滑塊，精度為3級(jí)，工作速度較低，載荷不大。查表分別取硬度系數(shù)=1.0，溫度系數(shù)=1.00，接觸系數(shù)=0.81，精度系數(shù)=1，載荷系數(shù)=1.5，代入得距離壽命：其中K=50則得其中2.2.4對(duì)Y軸導(dǎo)軌選擇根據(jù)所計(jì)算的Ca值，選擇中國(guó)南京工藝裝備制造有限公司()的GGB16AA四方向等載荷型滾動(dòng)直線(xiàn)導(dǎo)軌副，導(dǎo)軌的具體資料結(jié)構(gòu)參數(shù)如下2.3滾珠絲桿的設(shè)計(jì)計(jì)算2.3.1最大工作載荷的計(jì)算根據(jù)任務(wù)書(shū)要求不考慮工作臺(tái)受到的銑削力，即，受到垂直負(fù)載為。已知移動(dòng)部件總重量，按矩形導(dǎo)軌進(jìn)行計(jì)算，查表取顛覆力矩影響系數(shù)K=1.1，滾動(dòng)導(dǎo)軌上的摩擦因數(shù)。求得滾珠絲杠副的最大工作載荷最大動(dòng)載荷的計(jì)算根據(jù)任務(wù)要求，工作臺(tái)在承受最大銑削力時(shí)的最快進(jìn)給速度=1m/min，初選絲杠導(dǎo)程=4mm，則此時(shí)絲杠轉(zhuǎn)速。取滾珠絲杠的使用壽命T=15000h，代入得絲杠壽命系數(shù)（單位為：106r）查表取載荷系數(shù)=1.2，滾道硬度為60HRC時(shí)，取硬度系數(shù)=1.0，代入得最大動(dòng)載荷：2.3.2滾珠絲杠的選取根據(jù)動(dòng)載荷和公稱(chēng)導(dǎo)程值的核對(duì)，以及考慮設(shè)計(jì)尺寸，最后選取南京工藝裝備制造有限公司規(guī)格為FF1204-3型內(nèi)循環(huán)浮動(dòng)式變位導(dǎo)程預(yù)緊滾珠絲杠，其公稱(chēng)直徑為，公稱(chēng)導(dǎo)程為4mm，動(dòng)靜載荷分別為4KN和6.7KN。滾珠直徑,剛度為，外徑大徑=11.3mm,絲杠底徑=9.5mm,循環(huán)圈數(shù)3。滾珠絲杠副的螺紋長(zhǎng)度La=++2其中有效行程=70mm；螺母長(zhǎng)度=35mm；余程=25mm所以滾珠絲杠副的螺紋長(zhǎng)度La=155mm絲杠全長(zhǎng)總合考慮各項(xiàng)幾何尺寸要求，取L為230mm2.3.3滾道半徑、偏心距查上圖得，滾道半徑偏心距絲杠內(nèi)徑2.3.4穩(wěn)定性校核因螺桿較長(zhǎng)，所以穩(wěn)定性驗(yàn)算應(yīng)以下式求臨界載荷：式中：E：螺桿材料的彈性模量，查《材料力學(xué)》表2-2，取E=206GPaIa：螺桿危險(xiǎn)截面的軸慣性矩vμ：長(zhǎng)度系數(shù)，查《機(jī)電一體化設(shè)計(jì)手冊(cè)》得μ=1絲杠的長(zhǎng)度是=230mm所以是安全的2.3.5剛度的驗(yàn)算按最不利的情況考慮，螺紋螺距因愛(ài)軸向力引起的彈性變形與受轉(zhuǎn)矩引起彈性變形方向是一致的，所以式中，S=P=4mm,,.按最不利的情況，即取臨界載荷F=Fm=1.8N所以：絲杠在工作長(zhǎng)度上的彈性所引起的導(dǎo)程誤差為：Δ==0.23×通常要求絲杠的導(dǎo)程誤差應(yīng)小于其定位精度的一半，Δ=，顯然滿(mǎn)足剛度要求。2.3.6效率驗(yàn)算要求大于90%，所以該絲桿滿(mǎn)足要求。經(jīng)上述計(jì)算驗(yàn)證，F(xiàn)F1204-3型內(nèi)循環(huán)浮動(dòng)式變位導(dǎo)程預(yù)緊滾珠絲杠各項(xiàng)性能均符合設(shè)計(jì)要求，故可選它。2.4步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的計(jì)算、選型與校核2.4.1確定系統(tǒng)脈沖當(dāng)量及步距角脈沖當(dāng)量δ是一個(gè)進(jìn)給指令時(shí)工作臺(tái)的位移量，應(yīng)小于等于工作臺(tái)的位置精度，由于題目要求的定位精度為0.02mm，脈沖當(dāng)量為0.01mm，因此選擇脈沖當(dāng)量為0.01mm。由于是聯(lián)軸器傳動(dòng)，因此它的傳動(dòng)比為i=1，由絲桿的選型可知絲桿的導(dǎo)程為P=4mm。步距角每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)2.4.2電動(dòng)機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J總計(jì)算公式：J1為滾珠絲桿的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，對(duì)于圓柱體圍繞其中心軸線(xiàn)旋轉(zhuǎn)時(shí)，其慣量可由下述公式計(jì)算：計(jì)算公式：對(duì)于鋼材有：式中：J--慣量，kg.M2M--單位體積質(zhì)量，kgD--圓柱體直徑，mmL--圓柱體長(zhǎng)度，mm所以：J2為工作臺(tái)、工件等移動(dòng)部件折算到電動(dòng)機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，可由下述公式計(jì)算：計(jì)算公式：式中：M--工作臺(tái)（包括工件）的質(zhì)量，kgP--絲桿導(dǎo)程，mmV--工作臺(tái)移動(dòng)速度，mm/minn--絲杠轉(zhuǎn)速，r/min所以：所以：2.4.3步進(jìn)電機(jī)空載啟動(dòng)時(shí)，電機(jī)軸上的加速力矩計(jì)算公式：其中：J—為電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，等于J總n—電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，T—加減速時(shí)間，為0.1s所以：2.4.4工作臺(tái)移動(dòng)部件折算到電機(jī)軸上的摩擦力矩計(jì)算公式：式中：μ—摩擦系數(shù)，為0.005S—為螺距，4mmη—為總傳動(dòng)效率，取0.9i—為傳動(dòng)比，為1所以：2.4.5因絲桿副預(yù)緊力引起的電機(jī)軸上的附加摩擦轉(zhuǎn)矩計(jì)算公式：式中：Fmax—最大預(yù)緊力，設(shè)預(yù)緊力為最大軸向載荷的1/3，即Fmax=1.8/3=0.6Nη—總傳動(dòng)效率，取0.9η0--滾球未加預(yù)緊力時(shí)的效率，取0.93所以：綜上：空載啟動(dòng)時(shí)電機(jī)軸上的最大靜轉(zhuǎn)矩2.4.6負(fù)載轉(zhuǎn)矩計(jì)算式中Mt—負(fù)載折算至電機(jī)力矩（N.m）；Pt—負(fù)載（N）所以：2.4.7步進(jìn)電機(jī)的選擇條件已知Mt=0.11N.m，所選取的步進(jìn)電機(jī)需滿(mǎn)足：式中Mmax—步進(jìn)電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩（N·m）Jm—步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子的最大轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（Kg·m2）2.5步進(jìn)電機(jī)的選擇如下2.5.1初選步進(jìn)電機(jī)選型根據(jù)上述計(jì)算分析，最后選定杭州日升電氣設(shè)備有限公司生產(chǎn)的步距角為0.9o的型號(hào)為86BYG250C的二相混合式步進(jìn)電機(jī)。電機(jī)型號(hào)說(shuō)明如下：其外形結(jié)構(gòu)及尺寸參數(shù)如下圖所示：2.5.2步進(jìn)電機(jī)參數(shù)驗(yàn)算（1）由電機(jī)定位轉(zhuǎn)矩Mmax=3.6N·mJm=1.9×10-4kg.m2由此可得：（2）由矩頻特性曲線(xiàn)查得，當(dāng)fmax=7000HZ時(shí)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩（其中為不帶負(fù)載時(shí)的轉(zhuǎn)矩）故按此頻率計(jì)算最大進(jìn)給速度V滿(mǎn)足要求。綜上所述，所選用得86BYG250C二相混合式步進(jìn)電機(jī)完全滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。2.6.聯(lián)軸器及絲桿支撐座的選擇2.6.1聯(lián)軸器的介紹聯(lián)軸器屬于機(jī)械通用零部件范疇，用來(lái)聯(lián)接不同機(jī)構(gòu)中的兩根軸（主動(dòng)軸和從動(dòng)軸）使之共同旋轉(zhuǎn)以傳遞扭矩的機(jī)械零件。在高速重載的動(dòng)力傳動(dòng)中，有些聯(lián)軸器還有緩沖，減振和提高軸系動(dòng)態(tài)性能的作用。聯(lián)軸器由兩半部分組成，分別與主動(dòng)軸和從動(dòng)軸聯(lián)接。2.6.2聯(lián)軸器的選擇因?yàn)樯鲜鏊x的電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)軸的直徑為5mm，因此我所選的聯(lián)軸器為：所選型號(hào)為MG-a170參數(shù)與外形尺寸如上圖所示。2.6.3絲桿支撐座的選擇選擇絲桿支承座時(shí)，考慮支承座孔徑絲桿相配合。由于所選的滾珠絲桿公稱(chēng)直徑為12mm，因此選擇的軸承座如下所示：其外觀(guān)圖為：其參數(shù)為：根據(jù)參數(shù)，選擇的型號(hào)為EK-8裝配參數(shù)：2.7機(jī)械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以下參照三維造型圖和總裝配圖，來(lái)進(jìn)行機(jī)械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的說(shuō)明。本設(shè)計(jì)考慮設(shè)計(jì)任務(wù)工作臺(tái)面尺寸要求為C×B×H＝160mm×175mm×12mm，而底座外形尺寸為C1×B1×H1＝225mm×235mm×12mm；為不超出底座外形尺寸要求，故選用了標(biāo)準(zhǔn)系列導(dǎo)軌副長(zhǎng)度230mm，同時(shí)為了保證行程要求X=60mm，Y=55mm，因此不能將導(dǎo)軌滑塊裝置在工作臺(tái)兩邊緣。由于設(shè)計(jì)尺寸較小，故總體結(jié)構(gòu)較為緊湊，依靠步進(jìn)電動(dòng)機(jī)和滾珠絲杠副的選型來(lái)滿(mǎn)足脈沖當(dāng)量的需求，而無(wú)需添加齒輪減速箱，且將增量式旋轉(zhuǎn)編碼器裝置在滾珠絲杠副末端，形成半閉環(huán)控制，既使空間結(jié)構(gòu)緊湊有序，又保證了精度需求?？紤]到裝配需求，故設(shè)計(jì)了獨(dú)立的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)與導(dǎo)軌底座的連接座，同時(shí)設(shè)計(jì)了相應(yīng)的端蓋，通過(guò)螺釘與軸承端蓋連接，步進(jìn)電機(jī)軸在端蓋內(nèi)通過(guò)聯(lián)軸器與滾珠絲杠副連接，并給聯(lián)軸器預(yù)留了足夠了裝配空間。同時(shí)在模擬實(shí)際使用情況時(shí)，在保證行程要求的前提下，工作臺(tái)不會(huì)觸碰到連接座，可以安全使用。3、控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)3.1控制系統(tǒng)硬件組成 考慮控制系統(tǒng)中需要不同的穩(wěn)壓電平，因此需要引入電源設(shè)計(jì)電路；CPU控制電路主要對(duì)電機(jī)信號(hào)進(jìn)行控制，并接收外部限位開(kāi)關(guān)、暫停和點(diǎn)動(dòng)輸入信號(hào)，并根據(jù)響應(yīng)信號(hào)對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制；CPU電路為T(mén)TL電平，與外部信號(hào)電平不一致，需要添加光電耦合器，同時(shí)減少外部干擾；CPU輸出的電壓信號(hào)不能直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，需要經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行電壓和電流信號(hào)的放大以及對(duì)信號(hào)脈沖分頻處理。3.2控制系統(tǒng)硬件選型微控制器的選用：本次設(shè)計(jì)選用的的是微機(jī)控制系統(tǒng)，X-Y數(shù)控工作臺(tái)要求控制系統(tǒng)計(jì)算精度較高、處理速度較快；加之在考慮盡量減少成本、選擇程序編制較為簡(jiǎn)易以及方便擴(kuò)充I/O接口的前提下，我們選擇了使用AT89C52作為我們的微處理器，選擇此微處理器能夠滿(mǎn)足任務(wù)書(shū)給定的相關(guān)指標(biāo)的設(shè)計(jì)要求。AT89C52單片機(jī)主要性能參數(shù)及功能特性AT89C52的主要工作特性：·8031CPU（8051的內(nèi)核）；·8KB的快速擦寫(xiě)Flash存儲(chǔ)器，用于程序存儲(chǔ)器，可擦寫(xiě)次數(shù)為1000次；·256字節(jié)的RAM，其中高128字節(jié)地址被特殊功能寄存器SFR占用；·32跟可編程I/O端口：P0、P1、P2、P3；·2個(gè)可編程16位定時(shí)器：P3口的第二功能；·具有6個(gè)中斷源、5個(gè)中斷矢量、二級(jí)優(yōu)先權(quán)的中斷系統(tǒng)；·1個(gè)數(shù)據(jù)指針DPTR；·1個(gè)可編程的全雙工串行通信：P3口的第二功能；·具有“空閑”和“掉電”兩種低功耗工作方式；·可編程的3級(jí)程序鎖定位；·工作電源的電壓為(5±0.2)V；·振蕩器最高頻率為24MHz；·編程頻率3~24MHz，編程電流1mA，編程電壓Vpp為5V或12V。·P1.0口的T2為定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，P1.1口的T2EX為具有捕捉/重裝操作的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器。圖4-1為AT89C52單片機(jī)原理結(jié)構(gòu)圖，從圖中可了解到，AT89C52內(nèi)部結(jié)構(gòu)可分為：內(nèi)核CPU部分、存儲(chǔ)器部分、I/O接口部分和特殊功能部分（如定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、外中斷控制模塊等）。AT89C52單片機(jī)的CPU是8位字長(zhǎng)，主要包括運(yùn)算器和控制器兩部分。AT89C52單片機(jī)芯片內(nèi)配置有8KB的FLASH程序存儲(chǔ)器和256字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器RAM，設(shè)計(jì)時(shí)可外擴(kuò)到最大64KB的程序存儲(chǔ)器和64KB的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，其存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)可分為4部分：片內(nèi)程序存儲(chǔ)器、片外程序存儲(chǔ)器、片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。本次設(shè)計(jì)不作擴(kuò)展，使用單片機(jī)自身提供的8KBFLASH程序存儲(chǔ)器和256字節(jié)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器RAM能夠滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。AT89C52單片機(jī)內(nèi)部集成了4個(gè)可編程的并行I/O接口(P0~P3)，每個(gè)接口電路都具有鎖存器和驅(qū)動(dòng)器，輸入接口電路具有三態(tài)門(mén)控制。P0~P3口同RAM統(tǒng)一編制，可以當(dāng)作特殊功能寄存器SFR來(lái)尋址。AT89C52單片機(jī)可以利用其I/O接口直接與外圍電路相連，本設(shè)計(jì)將會(huì)使用可編程并行接口芯片8255A作為CPU的I/O口的擴(kuò)展，P0~P3口在開(kāi)機(jī)或復(fù)位時(shí)均呈高電平。隔離電源的選擇：隔離電源的獲得可有幾種途徑。一種途徑是采用不同的電源供電，另一種途徑是試用具有直流隔離功能的的DC/DC變換器。此次設(shè)計(jì)，我選擇采用如圖4-6所示的具有無(wú)直接關(guān)聯(lián)的二次側(cè)輸出電壓，然后對(duì)其輸出V1、V2分別進(jìn)行整流、濾波、穩(wěn)壓等處理，即可獲得不共地的直流穩(wěn)壓電源。此次設(shè)計(jì)我選用的是微機(jī)控制系統(tǒng)，微機(jī)控制系統(tǒng)使用的是直流電源，AT89C52單片機(jī)芯片及其擴(kuò)展芯片需要提供穩(wěn)定的+5V直流電源，控制系統(tǒng)由于在開(kāi)關(guān)信號(hào)輸入電路中應(yīng)用了TLP521-1光耦合器，因此也要給TLP521-1光耦合器的輸入端提供獨(dú)立的+12V供電電源；為此我通過(guò)參考已有書(shū)籍和文獻(xiàn)資料選用了兩套電源設(shè)計(jì)方案。整流變壓整流變壓濾波變壓穩(wěn)壓負(fù)載交流電光電耦合隔離電路元件的選擇：光電隔離是有光耦合器來(lái)完成的。光耦合器是以光為媒介傳輸信號(hào)的器件，其輸入端配置發(fā)光源，輸出端配置受光源，因而輸入和輸出在電氣上是完全隔離的。本設(shè)計(jì)將會(huì)使用開(kāi)關(guān)量電路，因此設(shè)計(jì)時(shí)選擇在電路中接入光耦合器，從而使其輸入側(cè)與輸出側(cè)的信號(hào)得到了電氣隔離，互補(bǔ)影響。我們選用的是普通的信號(hào)隔離用光耦合器(TLP521-1)。TLP521-1光耦合器以發(fā)光二極管為輸入端，光敏晶體管為輸出端，能夠隔離頻率在100kHz以下的信號(hào)，滿(mǎn)足我此次設(shè)計(jì)的要求。驅(qū)動(dòng)器件的選擇：步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的脈沖分配有多種形式，主要分為硬件環(huán)分和軟件環(huán)分。硬件環(huán)分通常由專(zhuān)用集成芯片或通過(guò)可編程邏輯器件組成，如CH250是三相反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)環(huán)行分配器的專(zhuān)用芯片，L297和PMM8713是兩相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的專(zhuān)用芯片等。采用硬件環(huán)分時(shí)，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的通電節(jié)拍由硬件電路來(lái)決定，編程軟件時(shí)可以不考慮?？刂破髋c硬件環(huán)分電路的連接只需兩根信號(hào)線(xiàn)：一根方向線(xiàn)，一根脈沖線(xiàn)（或者一根正轉(zhuǎn)脈沖線(xiàn)，一根反轉(zhuǎn)脈沖線(xiàn)）。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)選擇的是硬件環(huán)分，通過(guò)AT89C52單片機(jī)編程步進(jìn)電機(jī)配套的驅(qū)動(dòng)器BD28Nb，輸入電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向信號(hào)和驅(qū)動(dòng)脈沖，通過(guò)驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部電路的環(huán)分電路輸出步進(jìn)脈沖控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)控工作臺(tái)的功能要求。BD28Nb的性能指標(biāo)如下：電氣特性Ti=25℃項(xiàng)目指標(biāo)電源電壓AC40V、AC18V輸入輸出電流2.5A/3A/3.5A/4A可選步進(jìn)脈沖頻率BD28Fb：0～200KHz；BD28Nb：0～10KHz邏輯信號(hào)電流5～10mA絕緣電阻500MΩ使用環(huán)境及參數(shù)冷卻方式自然冷卻使用環(huán)境溫度—10℃～+50℃濕度40%～90%PH外形尺寸64x153x117.5mm重量約Kg電流選擇（對(duì)BD28Nb/Fb均有效）通過(guò)面板上的設(shè)定開(kāi)關(guān)第1，2位選擇電流。位電流122.5A003A103.5A014A11方向控制：通過(guò)面板上的設(shè)定開(kāi)關(guān)第3位可設(shè)定電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)方向。外部輸入信號(hào)Cw電平變化亦可改變電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)方向。注：電機(jī)的初始運(yùn)行方向與電機(jī)的接線(xiàn)有關(guān)，互換任意兩相可以改變初始運(yùn)行的方向。步進(jìn)脈沖輸入信號(hào)Cp:最大通過(guò)頻率為200KHz（BD28Fb）或10KHz（BD28Nb）。脈沖的低電平時(shí)間應(yīng)大于500nS。使能信號(hào)En：（1）En端外加低電平時(shí)，電機(jī)響應(yīng)Cp端輸入脈沖運(yùn)行，Cp端沒(méi)有信號(hào)時(shí)，電機(jī)處于半流鎖定狀態(tài)；（2）En端懸空時(shí)，驅(qū)動(dòng)器切斷電機(jī)各相的電流使電機(jī)軸處于自由狀態(tài)，此時(shí)步進(jìn)脈沖Cp將不被響應(yīng)。輸出信號(hào)A1、A2，B1、B2:接二相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的出線(xiàn)。刀具的動(dòng)作只有落刀和提刀兩個(gè)，可以通過(guò)電磁繼電器來(lái)控制。AT89C51單片機(jī)對(duì)電磁繼電器的控制可以通過(guò)ULN2003A來(lái)驅(qū)動(dòng)3.3控制系統(tǒng)硬件接口電路設(shè)計(jì)CPU控制電路：P0口輸出步進(jìn)電機(jī)和刀具的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)以及刀具的動(dòng)作；P1口作為控制面板的輸入信號(hào)接收端，檢測(cè)電動(dòng)信號(hào)輸入以及演示輸入；P2口是限位信號(hào)輸入接收端；限位以及暫停信號(hào)通過(guò)TTL門(mén)電路輸出暫停中斷接入INT0中斷輸入口。電源設(shè)計(jì)電路外部進(jìn)過(guò)變壓后的交流電源通過(guò)整流、濾波、穩(wěn)壓后輸出所需的直流電壓。整流：使用橋式整流器KBPC108搭建的橋式整流電路，從其命名中我們就能知道其正向電流為1A，耐壓值（最高方向電壓）800V，通過(guò)橋式整流，將交流降壓電路輸出的電壓較低的交流電轉(zhuǎn)換成單向脈動(dòng)性直流電。濾波：由于整流過(guò)后輸出的直流電壓脈動(dòng)較大，而我所設(shè)計(jì)的微機(jī)