机电一体化系统综合课程设计_X-Y数控工作台设计说明书

机电一体化系统综合课程设计开题报告一．课题的目的及意义一、总体方案设计1.1设计任务设计一个数控X-Y工作台及其控制系统。该工作台可用于铣床上坐标孔的加工和腊摸、塑料、铝合金零件的二维曲线加工，重复定位精度为±0.01mm，定位精度为0.025mm。设计参数如下：负载重量G=150N；台面尺寸C×B×H＝145mm×160mm×12mm；底座外形尺寸C1×B1×H1＝210mm×220mm×140mm；最大长度L=388mm；工作台加工范围X=55mm，Y=50mm；工作台最大快移速度为1m/min。1.2总体方案确定（1）系统的运动方式与伺服系统由于工件在移动的过程中没有进行切削，故应用点位控制系统。定位方式采用增量坐标控制。为了简化结构，降低成本，采用步进电机开环伺服系统驱动X-Y工作台。（2）计算机系统本设计采用了与MCS-51系列兼容的AT89S51单片机控制系统。它的主要特点是集成度高，可靠性好，功能强，速度快，有较高的性价比。控制系统由微机部分、键盘、LED、I/O接口、光电偶合电路、步进电机、电磁铁功率放大器电路等组成。系统的加工程序和控制命令通过键盘操作实现。LED显示数控工作台的状态。（3）X-Y工作台的传动方式为保证一定的传动精度和平稳性，又要求结构紧凑，所以选用丝杠螺母传动副。为提高传动刚度和消除间隙，采用预加负荷的结构。由于工作台的运动载荷不大，因此采用有预加载荷的双V形滚珠导轨。采用滚珠导轨可减少两个相对运动面的动、静摩擦系数之差，从而提高运动平稳性，减小振动。考虑电机步距角和丝杆导程只能按标准选取，为达到分辨率的要求，需采用齿轮降速传动。图1-1系统总体框图二、机械系统设计2.1、工作台外形尺寸及重量估算X向拖板（上拖板）尺寸：长宽高145×160×50重量：按重量=体积×材料比重估算3214516050107.81090NY向拖板（下拖板）尺寸：14516050重量：约90N。上导轨座（连电机）重量：223(2201403821558)7.810101.110107()N夹具及工件重量：约150N。X-Y工作台运动部分的总重量：约287N。2.2、滚动导轨的参数确定⑴、导轨型式：圆形截面滚珠导轨⑵、导轨长度①上导轨（X向）取动导轨长度100Bl动导轨行程55l支承导轨长度155BLll②下导轨（Y向）50l100Bl150L选择导轨的型号：GTA16⑶、直线滚动轴承的选型①上导轨240()XGN②下导轨287()YGN由于本系统负载相对较小，查表后得出LM10UUOP型直线滚动轴承的额定动载荷为370N，大于实际动负载；但考虑到经济性等因素最后选择LM16UUOP型直线滚动轴承。并采用双排两列4个直线滚动轴承来实现滑动平台的支撑。⑷、滚动导轨刚度及预紧方法当工作台往复移动时，工作台压在两端滚动体上的压力会发生变化，受力大的滚动体变形大，受力小的滚动体变形小。当导轨在位置Ⅰ时，两端滚动体受力相等，工作台保持水平；当导轨移动到位置Ⅱ或Ⅲ时，两端滚动体受力不相等，变形不一致，使工作台倾斜α角，由此造成误差。此外，滚动体支承工作台，若工作台刚度差，则在自重和载荷作用下产生弹性变形，会使工作台下凹（有时还可能出现波浪形），影响导轨的精度。2.3、滚珠丝杠的设计计算滚珠丝杠的负荷包括铣削力及运动部件的重量所引起的进给抗力。应按铣削时的情况计算。⑴、最大动负载Q的计算3HQLffP查表得系数1f，1Hf，寿命值66010nTL查表得使用寿命时间T=15000h，初选丝杠螺距t=4mm，得丝杠转速max100010001250(/min)4Vnrt所以6602501500022510LX向丝杠牵引力1.414xxPfG当()f当——当量摩擦系数1.4140.012403.39()NY向丝杠牵引力1.4141.4140.012874.06()yyPfGN当所以最大动负荷X向3225113.3920.6()xQNY向3225114.0624.7()yQN查表，取滚珠丝杠公称直径010dmm，选用滚珠丝杠螺母副的型号为SFK1004，其额定动载荷为390N，足够用。⑵、滚珠丝杠螺母副几何参数计算表2-1滚珠丝杠螺母副几何参数名称符号计算公式和结果螺纹滚道公称直径0d10螺距t4接触角45钢球直径qd2螺纹滚道法面半径R0.521.04qRd偏心距e/2sin0.03qeRd螺纹升角0arc7.26ttgd螺杆螺杆外径d00.2~0.259.5qddd螺杆内径ld0227.98lddeR螺杆接触直径zd0cos8.59zqddd螺母螺母螺纹外径D02212.02DdeR螺母内径（外循环）1D100.2~0.25510.5qDdd见表2-1。⑶、传动效率计算7.260.973()(7.260.2)tgtgtgtg式中：——摩擦角；——丝杠螺纹升角。⑷、刚度验算滚珠丝杠受工作负载P引起的导程0L的变化量01PLLEFY向所受牵引力大，故应用Y向参数计算24.7()PN00.4()Lcm6220.610(/)ENcm材料为钢2220.7983.140.52FRcm所以61624.70.51.210()20.6100.5Lcm丝杠因受扭矩而引起的导程变化量2L很小，可以忽略。所以导程总误差601001001.2103/0.4LmmL查表知E级精度的丝杠允许误差15m，故刚度足够。⑸、稳定性验算由于丝杠两端采用止推轴承，故不需要稳定性验算。2.4、步进电机的选用⑴、步进电机的步距角b取系统脉冲当量0.01/pmmstep，初选步进电机步距角1.5b。⑵、步进电机启动力矩的计算设步进电机等效负载力矩为T，负载力为P，根据能量守恒原理，电机所做的功与负载力做功有如下关系TPs＝式中：——电机转角；s——移动部件的相应位移；——机械传动效率。若取b，则ps，且SPPG，所以36()2pSbPGTNcm式中：SP——移动部件负载（N）；G——移动部件重量（N）；zP——与重量方向一致的作用在移动部件上的负载力（N）；——导轨摩擦系数；b——步进电机步距角，（rad）；T——电机轴负载力矩（Ncm）本例中，取0.03（淬火钢滚珠导轨的摩擦系数），0.96，SP为丝杠牵引力，24.7sHPPN。考虑到重力影响，Y向电机负载较大，因此取287yGGN，所以360.0124.70.032871.33()21.50.96TNcm若不考虑启动时运动部件惯性的影响，则启动力矩0.3~0.5qTT取安全系数为0.3，则1.334.420.3qTNcm对于工作方式为三相六拍的三相步进电机max5.10.866qjTTNcm⑶、步进电机的最高工作频率maxmax1000100011667()60600.01pVfHz查表选用两个45BF005-Ⅱ型步进电机。电机的有关参数见表2-2。表2-2步进电机参数型号主要技术数据外形尺寸()mm重量()N步距角最大静转距Ncm最高空载启动频率(/steps)相数电压()V电流()A外径长度轴径45BF005-Ⅱ1．519.630003272.545584112.5、确定齿轮传动比因步进电机步距角1.5b，滚珠丝杠螺距4tmm，要实现脉冲当量0.01/pmmstep，在传动系统中应加一对齿轮降速传动。齿轮传动比123600.013600.61.54pbZiZt选117Z，228Z。2.6、确定齿轮模数及有关尺寸因传递的扭距较小，取模数1mmm，齿轮有关尺寸见表3-3。2.7、步进电机惯性负载的计算表2-3齿轮尺寸Z1728dmZmm2addmmm21.25fddmmm36bmmm122ddamm171914.55283025.5517.5根据等效转动惯量的计算公式，得22101232180pdbZJJJJJMZ式中：dJ——折算到电机轴上的惯性负载（2kgcm）；0J——步进电机转轴的转动惯量（2kgcm）；1J——齿轮的转动惯量（2kgcm）；2J——齿轮的转动惯量（2kgcm）；3J——滚珠丝杠的转动惯量（2kgcm）；M——移动部件质量（kg）。对材料为钢的圆柱零件转动惯量可按下式估算3420.7810JDLkgcm式中：D——圆柱零件直径（cm）；L——零件长度（cm）。所以343210.78101.70.53.2610Jkgcm343220.78102.80.523.910Jkgcm343230.7810153.910Jkgcm电机轴转动惯量很小，可以忽略，则233173.261023.93.91028dJ2520.001250.4103.141.5180kgm因为10.40.319141.274dMJJ，所以惯性匹配比较符合要求。三、控制系统硬件设计X-Y数控工作台控制系统硬件主要包括CPU、传动驱动、传感器、人机交互界面。硬件系统设计时，应注意几点：电机运转平稳、响应性能好、造价低、可维护性、人机交互界面可操作性比较好。3.1CPU板3.1.1CPU的选择随着微电子技术水平的不断提高，单片微型计算机有了飞跃的发展。单片机的型号很多，而目前市场上应用MCS-51芯片及其派生的兼容芯片比较多，如目前应用最广的8位单片机89C51，价格低廉，而性能优良，功能强大。在一些复杂的系统中就不得不考虑使用16位单片机，MCS-96系列单片机广泛应用于伺服系统，变频调速等各类要求实时处理的控制系统，它具有较强的运算和扩展能力。但是定位合理的单片机可以节约资源，获得较高的性价比。从要设计的系统来看，选用较老的8051单片机需要拓展程序存储器和数据存储器，无疑提高了设计价格，而选用高性能的16位MCS-96又显得过于浪费。生产基于51为内核的单片机的厂家有Intel、ATMEL、Simens，其中在CMOS器件生产领域ATMEL公司的工艺和封装技术一直处于领先地位。ATMEL公司的AT89系列单片机内含Flash存储器，在程序开发过程中可以十分容易的进行程序修改，同时掉电也不影响信息的保存；它和80C51插座兼容，并且采用静态时钟方式可以节省电能。因此硬件CPU选用AT89S51，AT表示ATMEL公司的产品，9表示内含Flash存储器，S表示含有串行下载Flash存储器。AT89S51的性能参数为：Flash存储器容量为4KB、16位定时器2个、中断源6个（看门狗中断、接收发送中断、外部中断0、外部中断1、定时器0和定时器1中断）、RAM为128B、14位的计数器WDT、I/O口共有32个。3.1.2CPU接口设计CPU接口部分包括传感器部分、传动驱动部分、人机交互界面三部分。示意图如下所示：（行程开关）前向通道传动驱动（电磁铁）（步进电机）人机界面传感器AT89S51（键盘、LED）后向通道图3-1CPU外部接口示意图AT89S51要完成的任务：（1）将行程开关的状态读入CPU，通过中断进行处理，它的优先级别最高。（2）通过程序实时控制电机和电磁铁的运行。（3）接受键盘中断指令，并响应指令，将当前行程开关状态和键盘状态反应到LED上，实现人机交互作用。由于AT89S51只有P1口和P3口是准双向口，但P3口主要以第二功能为主，并且在系统中要用到第二功能的中断口，因此要进行I/O扩展。考虑到电路的简便