數(shù)控X-Y工作臺微機控制系統(tǒng)設(shè)計

`機電一體化課程設(shè)計(論文)題目:數(shù)控X-Y工作臺微機控制系統(tǒng)設(shè)計學(xué)生姓名專業(yè)機械設(shè)計制造及其自動化學(xué)號????????班級2０09級3班指導(dǎo)教師成績????????????_工程技術(shù)學(xué)院2012年5月目錄TＯC\o"1-3"\h\z\uHＹPEＲLIＮＫ\l"_Toｃ294７9８540"《機電一體化課程設(shè)計》任務(wù)書?PＡGEＲEF_Tｏc29479８540\h２HYPＥRLＩNＫ\l＂＿Toc2９4７98541＂課程設(shè)計正文 ＰAＧＥＲＥF_Toc29４７98５41\ｈ3ＨYPERLＩNK1設(shè)計題目 PAGＥREＦ_Toc２９4798５４2\h3HYPERＬINK\l"_Ｔoｃ294７985４3"2設(shè)計要求?PＡGEREF_Tｏｃ２9４798543\h3HYPERLINＫ\ｌ"_Ｔoc2９4798５４4"３總體方案 PAＧERＥF_Tｏc２９479８５4４\h3ＨＹPERＬIＮＫ3．1系統(tǒng)的運動方式與伺服系統(tǒng)?PAGＥRＥF_Ｔｏc29479854５\h3HYＰERＬＩNK\ｌ"_Toｃ294７98546"3.２計算機控制系統(tǒng)?PAGEREF_Toｃ294798５46\h4HYPERLＩＮK3．３Ｘ-Y工作臺的傳動方式 PＡGＥRＥF_Toc２94７9８547＼h4HYPERLINK\ｌ＂_Tｏc29４7９8５48＂4機械系統(tǒng)設(shè)計?PＡＧEREF_Toc294７9854８\h4ＨＹＰＥRLＩNK\l"＿Toc2９47９８549＂４．1切削力的計算 PAＧEREF_Toc２９479854９\h4HYPＥRLＩNK＼ｌ"_Ｔoc２９4７98550＂４．2工作臺外形尺寸及重量估算 ＰＡＧEREF_Ｔoｃ2９４７９8550\h5HYＰERＬINＫ４.４滾珠絲杠的設(shè)計計算?PAＧEREF_Ｔoc2947９85５2＼h７HYPERＬINＫ\l"_Toｃ2947９8553"４.5步進電機的選用 PＡGEＲEF_Ｔｏc２9４７9８5５3\h9HYPEＲLINK\ｌ＂_Ｔoc29479855４＂4.6確定齒輪傳動比 PAGEＲEF_Toc２94７９85５4\h1０HYPERLIＮK＼l"_Tｏc29479８555"４．7確定齒輪模數(shù)及有關(guān)尺寸 PＡＧＥREＦ＿Tｏc294798555\h１1ＨYPERLINK4.8步進電機慣性負載的計算 PAGERＥF_Toc２94７９8５56\h11HYPERＬIＮＫ5．1硬件電路總體方案的確定 PAGＥREF_Toc２9４798５58＼h１2HＹPERLＩNK5.２控制系統(tǒng)設(shè)計說明?ＰＡＧEREF_Toc294７9８５５9\h12HＹＰERLＩNＫ＼l"_Tｏc２９４7９８5６0"5.3相關(guān)電路框圖?PAGERＥF＿Toc２94798５６0\h1３HYPＥRLINK\l＂＿Toc2947985６1"6課程設(shè)計心得 PAGEREＦ_Toc29４７9８５61\h1３HYPＥRＬINK\l"_Toc29479８５62"參考文獻 PAGEＲEF_Ｔｏc2９47９８562\ｈ14ＨYPERLINK\ｌ"＿Tｏc２9４79８56３"指導(dǎo)教師評語?ＰＡGERＥF_Tｏc294798５６3＼h１5《機電一體化課程設(shè)計》任務(wù)書課程設(shè)計題目１.數(shù)控車床工作臺二維運動伺服進給系統(tǒng)設(shè)計(注：這里的二維運動指的是工作臺在水平面內(nèi)沿橫軸和縱軸的運動)２．?dāng)?shù)控銑床工作臺三維運動伺服進給系統(tǒng)設(shè)計3．自擬題目設(shè)計要求能用鍵盤輸入命令控制工作臺的運動方向能實時顯示當(dāng)前運動位置具有越程指示報警及停止功能參照工具書,結(jié)合實際,自己設(shè)定系統(tǒng)定位精度,脈沖當(dāng)量,空載啟動時間,最大進給速度,各個方向的運動范圍,切削用量等參數(shù)設(shè)計內(nèi)容1、總體方案確定（1)總體方案設(shè)計(2）繪制總體方案圖２、機械系統(tǒng)設(shè)計（1）執(zhí)行元件參數(shù)及規(guī)格的確定;(2）傳動機構(gòu)的具體結(jié)構(gòu)及參數(shù)設(shè)計;（３）執(zhí)行機構(gòu)的具體結(jié)構(gòu)及參數(shù)設(shè)計。（４)繪制進給傳動系統(tǒng)示意圖。3、控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計（1)微機的選用、存儲器的選用與擴展、譯碼電路設(shè)計、接口電路設(shè)計等（2)繪制控制系統(tǒng)原理框圖4、傳感器的選擇(適用于半閉環(huán)控制方式和全閉環(huán)控制方式）四、課程設(shè)計報告書內(nèi)容（不少于30０0字,要求計算準(zhǔn)確、文字通順、書寫工整。要求圖紙、圖面布置合理、正確清晰。)設(shè)計題目和要求系統(tǒng)總體方案框圖及分析說明機械系統(tǒng)設(shè)計計算、各部件類型選擇說明及進給傳動系統(tǒng)的示意圖與說明控制系統(tǒng)工作原理框圖與設(shè)計說明傳感器的選擇與設(shè)計說明（適用于半閉環(huán)控制方式和全閉環(huán)控制方式）課程設(shè)計總結(jié)與心得體會參考資料五、主要參考書目機械原理、機械設(shè)計、電工電子技術(shù)、單片機原理與系統(tǒng)設(shè)計、機電一體化等相關(guān)書籍，如：[１]尹志強等編著.機電一體化系統(tǒng)課程設(shè)計指導(dǎo)書.北京:機械工業(yè)出版社.２00７.5[2］鄭堤主編.機電一體化設(shè)計基礎(chǔ).北京：機械工業(yè)出版社.１997［3]曾勵主編.機電一體化系統(tǒng)設(shè)計.北京:高等教育出版社，２004.4[4]張建民等編著．機電一體化系統(tǒng)設(shè)計(第二版).北京:高等教育出版社.200１.８課程設(shè)計正文1設(shè)計題目：數(shù)控X-Y工作臺微機控制系統(tǒng)設(shè)計2設(shè)計要求：該工作臺可安裝在鉆、銑床上用于鉆孔或銑削加工，要求系統(tǒng)的分辨率為0.01mm。設(shè)計參數(shù)如下：最大鉆孔直徑d＝５mm銑刀直徑Ф=1５mm齒數(shù)Ｚ=3銑削最大余量＝2mｍ銑削最大深度=10mm工作臺加工范圍X＝12０mm,Y＝12０mm工作臺最大移動速度為１0０0mｍ／miｎ，技工材料為青銅,與其工作壽命20０0h,重復(fù)定位精度10，定位精度為25。３總體方案微機微機光電隔離功率放大步進電機X向工作臺光電隔離功率放大步進電機Y向工作臺３.1系統(tǒng)的運動方式與伺服系統(tǒng)由于要設(shè)計的工作臺既能鉆削又能銑削加工,故采用連續(xù)控制系統(tǒng)。定位方式采用增量坐標(biāo)控制。考慮到加工精度要求不高，為了簡化結(jié)構(gòu),降低成本，采用步進電機開環(huán)控制系統(tǒng)驅(qū)動X-Y工作臺。3.2計算機控制系統(tǒng)本設(shè)計采用MCS-51系列中的80３1單片機擴展控制系統(tǒng)。ＭCＳ-５１單片機的主要特點是集成度高，可靠性好，功能強,運算速度快,具有很高的性能價格比?？刂葡到y(tǒng)有微機部分、鍵盤顯示部分、I/Ｏ接口及光電隔離電路、不僅電機功率放大電路等組成。系統(tǒng)的加工程序和控制指令通過鍵盤操作實現(xiàn)。顯示器采用數(shù)碼顯示監(jiān)控數(shù)據(jù)及機床狀態(tài)信息。３.3X-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(jié)構(gòu)緊湊，所以采用滾珠絲桿傳動結(jié)構(gòu),為提高傳動機構(gòu)的剛度和消除間隙，采用預(yù)加負荷的結(jié)構(gòu)。由于工作臺的運動部件重量和切削力不大，因此選用有預(yù)加載荷的雙V型滾珠導(dǎo)軌。采用滾動導(dǎo)軌可減少兩個相對運動面地動靜摩擦系數(shù)之差，從而提高運動的平穩(wěn)性，減小振動。考慮到電機步距角和絲杠導(dǎo)程只能按照標(biāo)準(zhǔn)選取，為達到分辨率０.01mm的要求,采用齒輪降速傳動。4機械系統(tǒng)設(shè)計機械系統(tǒng)的設(shè)計內(nèi)容包括:確定系統(tǒng)脈沖當(dāng)量,運動部件的慣性計算,確定私服電機傳動及導(dǎo)向原件的設(shè)計、計算及選用。4．1切削力的計算4．1.1鉆削力的計算式中——軸向力系數(shù);——鉆孔直徑，ｍｍ;——鉆削進給量,mm/r；，,——修正系數(shù)。查機械加工手冊，得＝3０4.１1，=0.8，=1，=1,取=0．05mm/ｒ，則得:=138N4．1．２銑削力的計算銑削圓周力式中——銑削寬度,mｍ；——銑削深度，mｍ；——每齒進給量,ｍm；——銑刀直徑,mm；——銑刀齒數(shù)。將數(shù)據(jù)代入計算得=2２４N4.2工作臺外形尺寸及重量估算取X方向?qū)к壷С袖撉虻闹行木酁?3０mｍ，Y向?qū)к壷С袖撉虻闹行木酁?80mｍ。4.2.1X方向工作臺尺寸確定托板尺寸：長×寬×高２００mｍ×130ｍｍ×55ｍｍ上導(dǎo)軌（Ｘ方向)取動導(dǎo)軌長度：=200ｍm動導(dǎo)軌行程:=18０mm支承導(dǎo)軌長度:＝380mm4.2.2Ｙ方向工作臺尺寸托板尺寸:長×寬×高485mm×１80mm×2０mm下導(dǎo)軌(Y方向)取動導(dǎo)軌長度:=１４0mm動導(dǎo)軌行程：＝1２０mm支承導(dǎo)軌長度:=260mm保持器長度：=２０0mｍ４.2.３重量估計上托板重量:(1）下托板重量:?（2）X方向?qū)к壷亓? (3)Ｙ方向動導(dǎo)軌重量：（４)夾具及工件重量:約160(5）Ｘ工作臺運動部分重量：Ｘ－Y工作臺運動部分總重量：4.3滾動導(dǎo)軌參數(shù)確定根據(jù)滾動要求,選取雙V型滾珠導(dǎo)軌。4.3．1滾動體尺寸與數(shù)目的確定滾珠直徑取6mm,數(shù)目根據(jù)決定。上導(dǎo)軌所以X向動導(dǎo)軌長度，取，兩滾珠之間的間距下導(dǎo)軌取=15,=9mm4.３.2許用負荷驗算平均每個滾珠上的最大負荷,而式中——導(dǎo)軌的預(yù)加負荷，按最大負荷計算。銑削時滾珠所售的負荷較鉆削時小,因此，按鉆削時的情況驗算,所以Ｘ方向?qū)к壸畲筘摵桑俜较驅(qū)к壸畲筘摵稍S用負荷查表得，考慮到制造精度高,且導(dǎo)軌短,可提高５0%,即取,查表得，得故導(dǎo)軌可用。4.4滾珠絲杠的設(shè)計計算滾珠絲杠副的負荷包括銑削力及運動部件的重量所引起的進給抗力，應(yīng)按銑削時的情況計算。4．4.1滾珠絲杠副的導(dǎo)程確定由于該設(shè)計只對絲杠的移動速度有要求，對轉(zhuǎn)速沒有要求，故初選絲杠導(dǎo)程為，則絲杠轉(zhuǎn)速。4.4．２確定當(dāng)量載荷該系統(tǒng)速度沒有變化，其當(dāng)量載荷即為起最大載荷,取其摩擦系數(shù)。X方向載荷:Y方向載荷：4.4．3確定當(dāng)量轉(zhuǎn)速4．4.4預(yù)期額定動載荷按預(yù)期工作時間估算,并查表得：負載性質(zhì)系數(shù),輕微沖擊,取;硬度系數(shù)取；可靠性系數(shù)，可靠度,取。已知:,則４.4.５確定允許的最小螺紋直徑a.估算絲杠允許的最大軸向變形量已知:重復(fù)定位精度,定位精度。重復(fù)定位精度定位精度取兩種結(jié)果的小值b.估算最小螺紋小徑因為行程很短,取一端固定一端自由支承形式，已知：行程為,，，，行程行程有4.4．6確定滾珠絲杠副的規(guī)格代號選內(nèi)循環(huán)浮動式法蘭，直筒雙螺母型墊片預(yù)緊形勢。由計算出的、、在樣本中取相應(yīng)規(guī)格的滾珠絲杠副，其相應(yīng)參數(shù)為=5=910０＞=４２４3１6.９>由于選取的絲杠直徑較需要的直徑大得多，行程較短,其他計算就不需要了。４.5步進電機的選用4.5.１步進電機的步距角取系統(tǒng)脈沖當(dāng)量,初選步進電機步距角。4.5.2步進電機啟動力矩的計算設(shè)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，電機做的功與負載力做的功有如下關(guān)系式中——電機轉(zhuǎn)角；——移動部件的相應(yīng)位移;——機械傳動效率。若取,則，且,所以式中——移動部件負載，；——移動部件重量,;——與重力方向一致的作用在移動部件上的負載力,;——導(dǎo)軌副摩擦系數(shù)；——步進電機步距角，；——電機軸負載力矩，。本例中取（淬火鋼滾珠導(dǎo)軌)，，?？紤]到重力影響,Y方向電機負載比較大,，可求得不考慮啟動時運動部件的慣性影響，啟動力矩為（取安全系數(shù)為0.３)步進電機為三相六拍的電機4.5.3步進電機最高頻率 查步進電機表，選擇兩個55BF00４型步進電機，有關(guān)參數(shù)見表1表155BＦ004步進電機主要參數(shù)型號主要技術(shù)參數(shù)外形尺寸/mｍ重量/N步距角／°最大靜轉(zhuǎn)矩?／N·CM最高啟動頻率

／（step／s）相數(shù)電壓/V電流／Ａ外徑長度軸頸５5ＢＦ0041.５49２20032７3556266.54.6確定齒輪傳動比因步進電機步距角為，滾珠絲杠螺距為，要實現(xiàn)脈沖當(dāng)量為,則需要齒輪做降速傳動,起傳動比為,選４.７確定齒輪模數(shù)及有關(guān)尺寸因傳遞轉(zhuǎn)矩比較小,取模數(shù),齒輪有關(guān)尺寸見表24．8步進電機慣性負載的計算根據(jù)等效轉(zhuǎn)動慣量的公式，得表２齒輪尺寸Ｚ2450ｄ＝Mｚ24５０d０=d+2m2652d１=d-2*1.25m21.5４７.５b=（3～6)ｍ55ａ＝（d1+d２)/2３7式中——這算到電機軸上的慣性負載，；——步進電機轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動慣量,;——齒輪的轉(zhuǎn)動慣量，;——齒輪的轉(zhuǎn)動慣量，；——滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動慣量，；——移動部件的質(zhì)量,；對材料為鋼的圓柱形零件的轉(zhuǎn)動慣量可按下式估算式中——零件直徑;——零件長度?？傻秒姍C軸上的轉(zhuǎn)動慣量很小,可以忽略,則可求得5控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計5．1硬件電路總體方案的確定該系統(tǒng)的硬件電路由以下幾部分組成:（1)主控制器。即中央處理單元ＣPU。(2）總線。包括數(shù)據(jù)總線，地址總線，控制總線。(３）存儲器。包括只讀可編程序存儲器和隨機讀寫數(shù)據(jù)存儲器。（４）接口。即I/O輸入輸出接口。數(shù)控系統(tǒng)的硬件框圖如下所示:5．2控制系統(tǒng)設(shè)計說明該系統(tǒng)選用MＣS-51系列的80３1作為主控制器。擴展存儲器為一片2732EPROM和一片6２６4RＡM。程序存儲器擴展為4Ｋ,數(shù)據(jù)存儲器擴展為8Ｋ。27３２的片選控制端直接接地，該電路始終處于選中狀態(tài)。系統(tǒng)復(fù)位以后,CPU從0０00H開始執(zhí)行監(jiān)控程序。6264的片選端由譯碼器（74ＬS１38)的Y2輸出提供。所以6264的空間地址為4000Ｈ~５ＦFＦＨ。系統(tǒng)的擴展I／O接口電路選用通用可編程并行輸入/輸出接口芯片81５5。81５5的片選端接至譯碼器（74ＬＳ138)的Y4的輸出端,故8155控制命令寄存器及PA，PB,PC口的地址號分別為８000H及8０0１H，8002H,800３H。８15５RAM區(qū)的地址為8000H—８0FＦＨ。8１55的A口為控制工作抬X，Y向電機的接口。為防止功率放大器高電壓的干擾，不步進電機接口與功率放大器之間采用光電隔離。鍵盤與顯示器設(shè)計在一起，８１5５的ＰＣ口擔(dān)任鍵盤的列線及顯示器的掃描控制；PＢ口的PB０—PB3為鍵盤的行線。8０３1的P1口為顯示器的字形輸出口。該系統(tǒng)采用4×6共24個行列式鍵盤和6位8段共陽極ＬED顯示器。為了增加數(shù)碼管顯示亮度，分別在字形口和字位口加7４LS０7進行驅(qū)動。PB口剩余的I/O線PB4?—PB７分別作