综合课程设计

设计组号：9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学院:信息工程学院班级：机械三班设计者：屠昊杰指导老师：李沛同完成日期：2015年11月5日目录一、总体方案设计1设计任务2总体方案确定二、机械系统设计1工作台外形尺寸及重量估算2直线导轨副的计算与选型3滚珠丝杠螺母副的计算与选型4步进电机减速箱的选用5步进电机的计算与选型三、控制系统硬件设计1CPU的选择2CPU接口设计3驱动系统4步进电机驱动电路和工作原理5电磁铁驱动电路6电源设计7本章小节四、控制系统软件设计1总体方案2主流程图3INT0中断服务流程图4INT1中断服务流程图5复位程序流程图6X轴电机点动正转程序流程图7绘制圆弧程序流程图8步进电机步进一步程序流程图五、附录一、总体方案设计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±0.02mm，定位精度为0.04mm。设计参数如下：负载重量G=1500N；台面尺寸C×B×H＝240mm×254mm×15mm；底座外形尺寸C1×B1×H1＝550mm×450mm×184mm；最大长度L=678mm；工作台加工范围X=300mm，Y=200mm；工作台最大快移速度为1m/min。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。系统总体框图二、机械系统设计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240×254×50重量：按重量=体积×材料比重估算238107.81050254240-2-3NY向拖板（下拖板）尺寸：240×254×50重量：238107.81050254240-2-3上导轨座（连电机）重量：380101.1100.017.88620255184450-32＋＋()N夹具及工件重量：约500N。X-Y工作台运动部分的总重量：约856N。2、直线导轨副的计算与选型（1）、滑块承受工作载荷maxF的计算及导轨型号的选取单滑块所承受的最大垂直方向载荷为：kNFGF714.071450048564max查表3-41，根据工作载荷kNF714.0max，故初选直线滚动导轨副的型号为KL系列的JSA-LG15型，其额定动载荷kNCa94.7，额定静载荷kNC5.90a。上述导轨硬度为60HRC，工作温度不超过100°C，根据导轨上配有两只滑块，精度为4。任务书规定工作台面尺寸为240mm×254mm，加工范围为300mm×200mm，考虑工作行程应留有一定余量，查表3-35，按标准系列，选取导轨的长度为600mm。（2）、距离额定寿命L的计算503maxFCfffffLaWRCTH查表3-36和表3-40，分别取硬度系数0.1Hf，温度系数00.1Tf，接触系数81.0Cf，精度系数9.0Rf，载荷系数5.1Wf,代入上述公式得：kmL789350714.094.75.19.081.000.10.13远大于期望值50km，故距离额定寿命满足要求。3、滚珠丝杠螺母副的计算与选型（1）最大工作载荷mF的计算工作台收到进给方向的载荷（与丝杠轴线平行）NFx150,受到横向的载荷（与丝杠轴线垂直）NFy150,受到垂直方向的载荷（与工作台面垂直）NFz150。已知移动部件总重量856N=G，按矩形导轨进行计算，查表3-29，取颠覆力矩影响系数K=1.1，滚动导轨上的摩擦因素0.005，球的滚珠丝杠副的最大工作载荷：NNGFFKFFyzx171856150150005.01501.1m（2）最大动载荷QF的计算工作台在承受最大铣削力时的最快进给速度mimmmv/1000，初选丝杠导程mmPh5，则此时丝杠转速：min/002/rPvnh。取滚珠丝杠的使用寿命hT15000，代入6010/60nTL,得丝杠寿命系数0180L（单位为：r610）查表3-30，取动载荷系数2.1Wf，滚道硬度为60HRC时，取硬度系数0.1Hf，代入下列式中，求得最大动载荷：NFffLFmHWQ115930（3）初选型号根据最大动载荷和初选的丝杠导程，查表3-31，选择济宁博特精密丝杠制造有限公司生产的G系列2005-3型滚珠丝杠副，为内循固定反向单螺母式，其公称直径为20mm，导程为5mm，循环滚珠为3圈×1列，精度等级取5级，额定动载荷为9309N，大于QF，满足要求。（4）传动效率的计算mmd200，导程mmPh5，代入下式：33'4/arctan0dPh将摩擦角'10代入下式：%4.96tan/tan（5）刚度计算1）X-Y工作台上下两层滚珠丝杠副的支承均采用“单推-单推”的方式，见书后插页图6-23.丝杠的两端各采用一对推力角接触球轴承，面对面组配，左、右支承的中心距离为a=500mm；钢的弹性模量E=2.1×10^5Mpa；查表3-31，得滚珠直径mmDw175.3，丝杠底径mmd2.162，丝杠截面面积22212.2064/mmdS。拉/压变形量mmESaFm002.012.206101.2/500171/512）根据公式3/0wDdZ，求得单圈滚珠数Z=20，该型号丝杠为单螺母，滚珠圈数×列数为3×1，代入公式：Z=Z×圈数×列数，得滚珠总数量Z=60.丝杠预紧力NFFmYJ573/。可求得滚珠与螺纹滚道间的接触变形量mmZFDFYJwm0006.010/100.0013322因为丝杠加有预紧力，且为轴向负载的1/3，所以实际变形量可减少一半，取=0.0003mm。23）mmm2.60.002621总丝杠的有效行程为330mm，由表3-27知，5级精度滚珠丝杠有效行程在315-400mm时，行程偏差允许达到25，可见丝杠刚度足够（6）压杆稳定性校核查表3-34，取支承系数1kf，带入下式：44288.338064/mmdI压杆稳定安全系数K取3（丝杠卧式水平安装），代入下式：NKaEIfFkk934322远大于工作载荷171N，故丝杠不会失稳。综上所述，初选滚珠丝杠副满足使用要求。4、步进电机减速箱的选用已知滚珠丝杠的导程为5mm，初选步进电机的步距角0.75°，减速比25/12。本设计选用常州市新月电机有限公司生产的JBF-3型齿轮减速箱。大小齿轮模数均为1mm，齿数比为75：36，材料为45调质钢，齿面淬硬后达55HRC.减速箱中心距为55.5mm，小齿轮厚度为20mm，双片大齿轮厚度均为10mm。5、步进电机的计算与选型（1）计算加在步进电机转轴上的总转动惯量eqJ已知：滚珠丝杠的公称直径mmd200，总长l=500mm，导程mmPh5，材料密度3-3/107.85cmkg，移动部件总重力G=865N，小齿轮宽度b1=2mm，直径d1=36mm，大齿轮宽度b2=20mm，直径d2=75mm，传动比i=25/12。如表4-1所示，算得各个零部件的转动惯量如下：滚珠丝杆的转动惯量2·617.0cmkgJs拖板折算到丝杠上的转动惯量2·517.0cmkgJw小齿轮的转动惯量21259.0cmkgJz大齿轮的转动惯量22cm4.877kgJz初选步进电机型号为90BYG2602，为两相混合式，由常州宝马集团公司生产，二相八拍驱动时步距角为0.75°，从表4-5查得该型号电动机转子的转动惯量24cmkgJm。则加在步进电机转轴上的总转动惯量为：222135.30/cmkgiJJJJJJSWzzmeq（2）计算加在步进电机转轴上的等效负载转矩eqT分快速空载起动和承受最大工作负载两种情况进行计算。1）快速空载启动时电动机转轴所承受的负载转矩1eqT包括三部分：一部分是快速空载起动时折算到电动机转轴上的最大加速转矩maxaT，一部分是移动不禁暗运动史折算到电动机转轴上的摩擦转矩fT，还有一部分时滚珠丝杠预紧后折算到电动机转轴上的附加摩擦转矩0T。因为滚珠丝杠副传动效率很高，0T相对于maxaT和fT很小，则有：faeqTTTmax考虑传动链的总效率，计算快速空载启动时折算到电动机转轴上的最大加速转矩：1602maxameqatnJT式中mn--对应空载最快移动速度的步进电机最高转速，单位为r/min；at--步进电机由静止到加速至mn转速所需的时间，单位为s。其中：360maxvnm式中maxv--空载最快移动速度，任务书指定为1000mm/mim；α--步进电机步距角，雨轩电动机为0.75°；--脉冲当量，本例脉冲/0.005mm。将以上各值代入式子中，可得mimrnm/417设步进电机由静止到加速至mn转速所需时间sta4.0，传动链总效率0.7。则由此可得：NTa0.470.70.4604171035.302-4max移动部件运动时，折算到电动机转轴上的摩擦转矩为：iPGFThxf2式中--导轨的摩擦因素，滚动导轨取0.005；xF--垂直方向的铣削力，空载时取0；--传动链总效率，取0.7.由此可得出：mNTf002.025/120.72005.08560005.0可求得快速空载启动时电动机转轴所承受的负载转矩：mNTTTfaeq472.0max12）最大工作负载状态下电动机转轴所承受的负载转矩2eqT包括三部分：一部分是折算到电动机转轴上的最大工作负载转矩tT；一部分是移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩fT；还有一部分是滚珠丝杠预紧后折算到电动机转轴上的附加摩擦转矩0T,0T相对于tT和fT很小，可以忽略不计，则有2eqT=tT+fT其中，折算到电动机转轴上的最大工作负载转矩tT计算，已知沿着丝杆轴线方向的最大进给载荷NFx150，则有：mNiPFThft082.012/257.02005.01502计算垂直方向承受最大工作负载（NFz150）情况下，移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩：mNiPGFThzf003.012/257.02005.0005.08561502因此可以求得最大工作服在状态下电动机转轴所承受的负载转矩为：2eqTtTfTm0.085N=经过上述计算后得到加在步进电机转轴上的最大等效负载转矩为：mNTTTeqeqeq557.0max21（3）步进电机最大静转矩的选定考虑到步进电机的驱动电源受到电网电压影响较大，当输入电压降低时，其输出转矩会下降，可能造成丢步，甚至堵转。因此，根据eqT来选择步进电机的最大静转矩时，需要考虑安全系数。取安全系数K=4，则步进电机的最大静转矩应满足：m2.228N0.55744ma