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x-y 数控 工作台 机电 系统 设计

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沈 阳 理 工 大 学机电一体化课程设计计算说明书题 目： X-Y 数控工作台机电系统设计 所属系部： 机械运载学院 专 业： 机械设计制造及其自动化 学生姓名： 徐占生 指导教师： 刘长吉 2011 年 6 月 12 日沈阳理工大学应用技术学院机电一体化课程设计1目录摘要 .31.设计任务 .32.总体方案的确定 .42.1 机械传动部件的选择 .42.1.1 导轨副的选用 .42.1.2 丝杠螺母副的选用 .42.1.3 减速装置的选用 .42.1.4 伺服电动机的选用 .52.1.5 检测装置的选用 .52.2 控制系统的设计 .52.3 绘制总体方案图 .53.机械传动部件的计算与选型 .63.1 导轨上移动部件的重量估算 .63.2 铣削力的计算 .63.3 直线滚动导轨副的计算与选型（纵向） .63.3.1 块承受工作载荷 的计算及导轨型号的选取 .6maxF3.3.2 距离额定寿命 L 的计算 .73.4 滚珠丝杠螺母副的计算与选型 .73.4.1 最大工作载荷 Fm 的计算 .73.4.2 最大动工作载荷 FQ 的计算 .73.4.3 初选型号 .83.4.4 传动效率 的计算 .83.4.5 刚度的验算 .83.4.6 压杆稳定性校核 .93.5 步进电动机减速箱的选用 .93.6 步进电动机的计算与选型 .103.6.1 计算加在步进电动机转轴上的总转动惯量 Jeq.10沈阳理工大学应用技术学院机电一体化课程设计23.6.2 计算加在步进电动机转轴上的等效负载转矩 Teq .113.6.3 步进电动机最大静转矩的选定.123.6.4 步进电动机的性能校核.124. 增量式旋转编码器的选用 .135. 绘制进给传动系统示意图 .146 控制系统硬件电路设计 .147. 步进电动机的驱动电源选用.15心得体会.16致谢.18参考文献.18附录.18沈阳理工大学应用技术学院机电一体化课程设计3X-Y 数控工作台机电系统设计摘要现代科学技术的不断发展，极大地推动了不同学科的交叉与渗透，导致了工程领域的技术革命与改造。在机械工程领域，由于微电子技术和计算机技术的迅速发展及其向机械工业的渗透所形成的机电一体化，使机械工业的技术结构、产品机构、功能与构成、生产方式及管理体系发生了巨大变化，使工业生产由“机械电气化”迈入了“机电一体化”为特征的发展阶段。1.设计任务题目：X-Y 数控工作台机电系统设计任务：设计一种供应式数控铣床使用的 X-Y 数控工作台，外形如下 1-1 图所示，主要参数如下：（1）立铣刀最大直径的 d=15mm；（2）立铣刀齿数 Z=3;（3）最大铣削宽度 =15mm;ea（4）最大背吃刀量 =7mm;p（5）加工材料为碳素钢活有色金属。（6）X、Y 方向的脉冲当量 =0.005mm/脉冲;xy（7）X、Z 方向的定位精度均为 mm;01.（8）工作台面尺寸为 ，加工范围为 ;23m250m（9）工作台空载进给最快移动速度： ;maxa3/inzV（10）工作台进给最快移动速度: ;4xfzf沈阳理工大学应用技术学院机电一体化课程设计41-1：X-Y 数控工作台外形图2.总体方案的确定2.1 机械传动部件的选择2.1.1 导轨副的选用设计数控车床工作台，需要承受的载荷不大，而且脉冲当量小，定位精度高，因此选用直线滚动导轨副，它具有摩擦系数小，不易爬行，传动效率高，结构紧，安装预紧方便等优点。2.1.2 丝杠螺母副的选用伺服电动机的旋转运动需要通过丝杠螺母副转换成直线运动，需要满足0.004mm 冲当量和 mm 的定位精度，滑动丝杠副为能为力，只有选用滚珠丝杆01.副才能达到要求，滚珠丝杆副的传动精度高、动态响应快、运转平稳、寿命长、效率高、预紧后可消除反向间隙。2.1.3 减速装置的选用选择了步进电动机和滚珠丝杆副以后，为了圆整脉冲当量，放大电动机的输出转矩，降低运动部件折算到电动机转轴上的转动惯量，可能需要减速装置，且应有消间隙机构，选用无间隙齿轮传动减速箱。沈阳理工大学应用技术学院机电一体化课程设计52.1.4 伺服电动机的选用任务书规定的脉冲当量尚未达到 0.001mm，定位精度也未达到微米级，空载最快移动速度也只有因此 3000mm/min，故本设计不必采用高档次的私服电动机，因此可以选用混合式步进电动机。以降低成本，提高性价比。2.1.5 检测装置的选用选用步进电动机作为伺服电动机后，可选开环控制，也可选闭环控制。任务书所给的精度对于步进电动机来说还是偏高，为了确保电动机在运动过程中不受切削负载和电网的影响而失步，决定采用半闭环控制，拟在电动机的尾部转轴上安装增量式旋转编码器，用以检测电动机的转角与转速。增量式旋转编码器的分辨力应与步进电动机的步距角相匹配。考虑到 X、Y 两个方向的加工范围相同，承受的工作载荷相差不大，为了减少设计工作量，X、Y 两个坐标的导轨副、丝杠螺母副、减速装置、伺服电动机以及检测装置拟采用相同的型号与规格。2.2 控制系统的设计1）设计的 X-Z 工作台准备用在数控车床上，其控制系统应该具有单坐标定位，两坐标直线插补与圆弧插补的基本功能，所以控制系统设计成连续控制型。2）对于步进电动机的半闭环控制，选用 MCS-51 系列的 8 位单片机 AT89S52 作为控制系统的 CPU，能够满足任务书给定的相关指标。3）要设计一台完整的控制系统，在选择 CPU 之后，还要扩展程序存储器，键盘与显示电路，I/O 接口电路，D/A 转换电路，串行接口电路等。4）选择合适的驱动电源，与步进电动机配套使用。2.3 绘制总体方案图总体方案图如图 2.1 所示。微型机 接口电路 功放电路 执行元件 机 械传 动机 构 机 械执 行机 构图 2.1 总体方案图沈阳理工大学应用技术学院机电一体化课程设计63.机械传动部件的计算与选型3.1 导轨上移动部件的重量估算按照下导轨上面移动部件的重量来进行估算。包括工件、夹具、工作台、上层电动机、减速箱、滚珠丝杠副、导轨座等,估计重量约为 800N.3.2 铣削力的计算设零件的加工方式为立式铣削，采用硬质合金立铣刀，工件的材料为碳钢。则由表 3-7（见参考文献 1）查得立铣时的铣削力计算公式为：(4-1)0.8570.31.cezp1afdanZF今选择铣刀的直径为 d=15mm，齿数 Z=3,为了计算最大铣削力，在不对称铣削情况下，取最大铣削宽度为 ，背吃刀量 =7mm ，每齿进给量 ，empazf0.1m铣刀转速 。则由式（4-1）求的最大铣削力：n30r/i=0.85.70.731.0.13c11N28F采用立铣刀进行圆柱铣削时，各铣削力之间的比值可由表 3-5（见参考文献 1）查得，结合图 3-4a，考虑逆铣时的情况，可估算三个方向的铣削力分别为：, ， 。图 3-4a 为卧铣情况，fcF1.408NecF.3486NfncF0.253现考虑立铣，则工作台受到垂直方向的铣削力 ，受到水平方向的铣ze486N削力分别为 和 。今将水平方向较大的铣削力分配给工作台的纵向，则纵向铣ffn削力 ，径向铣削力为 。xfF1408NyfnF3203.3 直线滚动导轨副的计算与选型（纵向）3.3.1 块承受工作载荷 的计算及导轨型号的选取max工作载荷是影响直线滚动导轨副使用寿命的重要因素。本例中的 X-Y 工作台为水平布置，采用双导轨、四滑块的支承形式。考虑最不利的情况，即垂直于台面的工作载荷全部由一个滑块承担，则单滑块所受的最大垂直方向载荷为：(4-2)maxGF4其中，移动部件重量800N，外加载荷 ，代入式（4-2） ，得最zF=486N沈阳理工大学应用技术学院机电一体化课程设计7大工作载荷 =686N=0.686kN。maxF查表 3-41（见参考文献 1） ，根据工作载荷 =0.686kN，初选直线滚动导maxF轨副的型号为 KL 系列的 JSA-LG15 型，其额定动载荷 ，额定静载荷C7.94kN。0aC9.5kN任务书规定工作台面尺寸为 ，加工范围为 ，230250m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520mm。3.3.2 距离额定寿命 L 的计算上述所取的 KL 系列 JSA-LG25 系列导轨副的滚道硬度为 60HRC，工作温度不超过C，每根导轨上配有两只滑块，精度为 4 级，工作速度较低，载荷不大。查表103-36表 3-40（见参考文献 1） ，分别取硬度系数 f =1.0，温度系数 f =1.00，HT接触系数 f =0.81，精度系数 f =0.9，载荷系数 f =1.5，代入式（3-33） ，得距cRw离寿命：L= KmFCfawrcth 5620)(3mx远大于期望值 50Km，故距离额定寿命满足要求。3.4 滚珠丝杠螺母副的计算与选型3.4.1 最大工作载荷 Fm 的计算如前页所述，在立铣时，工作台受到进给方向的载荷（与丝杠轴线平行）Fx=1408N,受到横向载荷（与丝杠轴线垂直）Fy=320N，受到垂直方向的载荷（与工作台面垂直）Fz=486N.已知移动部件总重量 G=800N，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，滚动导轨上的摩擦系数 =0.005。求得滚珠丝杠副的最大工作载荷：Fm=KFx+ (Fz+Fy+G)=1.1 1408+0.005 (486+320+800)N 1557N3.4.2 最大动工作载荷 FQ 的计算设工作台在承受最大铣削力时的最快进给速度 v=400mm/min，初选丝杠导程沈阳理工大学应用技术学院机电一体化课程设计8Ph=5mm,则此时丝杠转速 n=v/Ph=80r/min。取滚珠丝杠的使用寿命 T=15000h,代入 L0=60Nt/106,得丝杠寿命系数L0=72（单位为：10 6r） 。查表 3-30（见参考文献 1） ，取载荷系数 fw=1.2,滚道硬度为 60HRC 时，取硬度系数 fH=1.0,代入式 FQ= ，求得最大动载荷：mHwfL30FQ= N733.4.3 初选型号根据计算出的最大动载荷和初选的丝杠导程，查表 3-31（见参考文献 1） ，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，为内循环固定反向器单螺母式，其公称直径为 20mm，导程为 5mm，循环滚珠为 3 圈*1 系列，精度等级取 5 级，额定动载荷为 9309N，大于 FQ，满足要求。3.4.4 传动效率 的计算将公称直径 d0=20mm,导程 Ph=5mm,代入 =arctanP h/( d0)，得丝杠螺旋升角 =433。将摩擦角 =10，代入 =tan/tan(+),得传动效率=96.4%。3.4.5 刚度的验算(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-对推力角接触球轴承，面对面组配，左、右支承的中心距约为 a=500mm；钢的弹性模量 E=2.110 5Mpa;查表 3-31，得滚珠直径Dw=3.175mm，丝杠底径 d2=16.2mm,丝杠截面积 S= /4=206.12m 。2d2m忽略式（3-25）中的第二项，算得丝杠在工作载荷 Fm 作用下产生的拉/压变形量 mm=0.0180mm.。51/()1570/(.106.)mFaES(2) 根据公式 ，求得单圈滚珠数 Z=20；该型号丝杠为单螺母，滚/)3WZdD珠的圈数 列数为 3 1，代入公式 Z 圈数 列数，得滚珠总数量 =60。丝杠Z预紧时，取轴向预紧力 /3=519N。则由式（3-27） （见参考文献 1） ，求得YJmF滚珠与螺纹滚道间的接触变形量 mm。20.4沈阳理工大学应用技术学院机电一体化课程设计9因为丝杠有预紧力，且为轴向负载的 1/3，所以实际变形量可以减少一半，取=0.0012mm。2(3) 将以上算出的 和 代入 ，求得丝杠总变形量（对应跨度 500mm）1212总=0.0192mm=19.2总 m本例中，丝杠的有效行程为 330mm，由表 3-27（见参考文献 1）知，5 级精度滚珠丝杠有效行程在 315400mm 时，行程偏差允许达到 25 ，可见丝杠刚度足m够。3.4.6 压杆稳定性校核根据公式（3-28）计算失稳时的临界载荷 FK。查表 3-34（见参考文献 1） ，取支承系数 =1；由丝杠底径 d2=16.2mm 求得截面惯性矩 3380.88 ；kf 42/6Id4m压杆稳定安全系数 K 取 3（丝杠卧式水平安装） ；滚动螺母至轴向固定处的距离 a取最大值 500mm。代入式（3-28） （见参考文献 1） ，得临界载荷 FK=1557N，故丝杠不会失稳。综上所述，初选的滚珠丝杠副满足使用要求。3.5 步进电动机减速箱的选用为了满足脉冲当量的的设计要求，增大步进电动机的输出转矩，同时也为了使滚珠丝杠和工作台的转动惯量折算到电动机轴上尽可能的小，今在步进电动机的输出轴上安装一套齿轮机减速，采用一级减速，步进电动机的输出轴与齿轮相连，滚珠丝杠的轴头与大齿轮相连。其中大齿轮设计成双片结构，采用图 3-8 所示的弹簧错齿法消除侧隙。已知工作台的脉冲当量 =0.004mm/脉冲，滚珠丝杠的的导程 Ph=5mm， 初选步进电动机的步距角 =0.75。根据式（3-12） （见参考文献 1） ，算得减速比：=（0.75 5）/（360 0.004）=25/10()/360hiP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 75：30，材料为 45 调质钢，齿表面淬硬后达到 55HRC。减速箱中心距为（75+30） 1/2mm=57mm,小齿轮厚度为 20mm，双片大齿轮厚度均为10mm。沈阳理工大学应用技术学院机电一体化课程设计103.6 步进电动机的计算与选型3.6.1 计算加在步进电动机转轴上的总转动惯量 Jeq 已知：滚珠丝杠的公称直径 d0=20mm，总长 l=500mm，导程 Ph=5mm，材料密度=7.85 10-5kg/ ;移动部件总重力 G=800N；小齿轮齿宽 b1=20mm.，直径2cmd1=30mm，大小齿轮齿宽 b2=20mm，直径 d2=75mm；传动比 i=25/10。如表 4-1 所示，算得各个零部件的转动惯量如下：2SLRJ2ZRJb滚珠丝杠的转动惯量 Js=0.617kgcm2;拖板折算到丝杠上的转动惯量Jw=0.517kgcm2;小齿轮的转动惯量 Jz1=0.125 kgcm2；大齿轮的转动惯量Jz2=4.877 kgcm2。初选步进电动机的型号为 90YBG2602,为两相混合式，由常州宝马集团公司生产，二相八拍驱动时的步距角为 0.75，从表（4-5） （见参考文献 1）查得该型号的电动机转子的转动惯量 Jm=4 kgcm2。则加在步进电动机转轴上的总转动惯量为：=5.087 kgcm2212()/eqZWSJi3.6.2 计算加在步进电动机转轴上的等效负载转矩 Teq 分快速空载和承受最大负载两种情况进行计算。1) 快速空载起动时电动机转轴所承受的负载转矩 由式（4-8） （见参考文献 1）1eqT可知， 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1eqT矩 ；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 ；还有一部max fT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 。因为滚珠丝杠副传动0效率很高，根据式（4-12）可知， 相对于 和 很小，可以忽略不计。则有：0TmaxfT= + （4-3）1eqaxf根据式（4-9） ，考虑传动链的总效率 ，计算空载起动时折算到电动机转轴上沈阳理工大学应用技术学院机电一体化课程设计11最大加速转矩：= (4-4)maxT2160eqmaJnt其中： =1562.5r/min (4-5)3v式中 空载最快移动速度，任务书指定为 3000mm/min；maxV步进电动机步距角，预选电动机为 0.75 ；脉冲当量，本例 =0.004mm/脉冲。设步进电机由静止加速至 所需时间 ，传动链总效率 。则由式mn0.4ats0.7（6-14）求得：=maxT425.871562.960Nm由式（4-10）知，移动部件运动时，折算到电动机转轴上的摩擦转矩为： = (4-6)f().5(8).05.1822.7/zhFGPi式中 导轨的摩擦因素，滚动导轨取 0.005垂直方向的铣削力，空载时取 0zF传动链效率，取 0.7最后由式（6-13） （见参考文献 1）求得快速空载起动时电动机转轴所承受的负载转矩：= + =0.2988N m (4-7) 1eqTmaxf2) 最大工作负载状态下电动机转轴所承受的负载转矩 2eqT由式（4-13） （见参考文献 1）可知， 包括三部分：一部分是折算到电动2eq机转轴上的最大工作负载转矩 ；一部分是移动部件运动时折算到电动机转轴上的tT摩擦转矩 ；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fT， 相对于 和 很小，可以忽略不计。则有： 0ft沈阳理工大学应用技术学院机电一体化课程设计12= + 2eqTtf（4-8）其中折算到电动机转轴上的最大工作负载转矩 由公式（ 4-14）计算。有：tT1408.50.64272/fhtFPNmi再由式（4-10） （见参考文献 1）计算垂直方向承受最大工作负载情况下， 图 3-1(56)zN移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩： ()0.5(4860).50.2922.7/1zhfFGPT Nmi最后由式（6-18） ，求得最大工作负载状态下电动机转轴所承受的负载转矩：= + =0.643N/m （4-9）2eqtf最后求得在步进电动机转轴上的最大等效负载转矩为： 12max,0.643eqeqTTNm3.6.3 步进电动机最大静转矩的选定 考虑到步进电动机的驱动电源受电网电压影响较大，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 来选择步进电动机的eqT最大静转矩时，需要考虑安全系数。取 K=4, 则步进电动机的最大静转矩应满足：（4-10）max40.632.57jeqTNm初选步进电动机的型号为 90BYG2602，由表 4-5 查得该型号电动机的最大静转矩 =6N m。可见，满足要求。axjT3.6.4 步进电动机的性能校核1)最快工进速度时电动机的输出转矩校核 任务书给定工作台最快工进速度=400mm/min，脉冲当量 /脉冲，由式（4-16）求出电动机对应的maxfV0.4m运行频率 。从 90BYG2602 电动机的运行矩频特性ax40/(6)167f zH沈阳理工大学应用技术学院机电一体化课程设计13曲线图 4.1 可以看出在此频率下，电动机的输出转矩 5.6N m，远远大于最大maxfT工作负载转矩 =0.643N m，满足要求。2eqT2）最快空载移动时电动机输出转矩校核 任务书给定工作台最快空载移动速度=3000mm/min，求出其对应运行频率 。由图maxv max30/(6.04)125f HZ4.1 查得，在此频率下，电动机的输出转矩 =1.7N m，大于快速空载起动时的负T载转矩 =0.2988N m，满足要求。1eqT3）最快空载移动时电动机运行频率校核 与快速空载移动速度 =3000mm/min 对maxv应的电动机运行频率为 。查表 4-5（见参考文献 1）可知max1250fHZ90BYG2602 电动机的空载运行频率可达 20000 ，可见没有超出上限。z4）起动频率的计算 已知电动机转轴上的总转动惯量 ，电动机25.087eqJkgc转子的转动惯量 ，电动机转轴不带任何负载时的空载起动频率24mJkgc（查表 4-5） （见参考文献 1） 。由式（4-17）可知步进电动机克服惯180qzfH性负载的起动频率为：(4-11)194.21/qL zemff HJ说明：要想保证步进电动机起动时不失步，任何时候的起动频率都必须小于。实际上，在采用软件升降频时，起动频率选得更低，通常只有194.2zH100 。z综上所述，本次设计中工作台的进给传动系统选用 90BYG2602 步进电动机，完全满足设计要求。4.增量式旋转编码器的选用本设计所选步进电动机采用半闭环控制，可在电动机的尾部转轴上安装增量式旋转编码器，用以检测电动机的转角与转速。增量式旋转编码器的分辨力应与步进电动机的步距角 ，可知电动机转动一转时，需要控制系统发出0.75个步进脉冲。考虑到增量式旋转编码器输出的 A、B 相信号，可以送到360/48沈阳理工大学应用技术学院机电一体化课程设计14四倍频电路进行电子四细分，因此，编码器的分辨力可选 120 线。这样控制系统每发一个步进脉冲，电动机转过一个步距角，编码器对应输出一个脉冲信号。此次设计选用的编码器型号为：ZLK-A-120-05VO-10-H 盘状空心型，孔径10mm，与电动机尾部出轴相匹配，电源电压+5V，每秒输出 120 个 A/B 脉冲，信号为电压输出。5. 绘制进给传动系统示意图进给传动系统示意图如图 5.1 所示。伺 服 电 动 机 主 动齿 轮从 动齿 轮 滚 珠 丝 杠工 作 台图 5.1 进给传动系统示意图6控制系统硬件电路设计根据任务书的要求，设计控制系统的硬件电路时主要考虑以下功能：（1） 接收键盘数据，控制 LED 显示（2） 接受操作面板的开关与按钮信息；（3） 接受车床限位开关信号；（4） 接受电动卡盘夹紧信号与电动刀架刀位信号；（5） 控制 X，Z 向步进电动机的驱动器；（6） 控制主轴的正转，反转与停止；（7） 控制多速电动机，实现主轴有级变速；（8） 控制交流变频器，实现主轴无级变速；（9） 控制切削液泵启动/停止；（10）控制电动卡盘的夹紧与松开；（11）控制电动刀架的自动选刀；（12）与 PC 机的串行通信。CPU 选用 MCS-51 系列的 8 位单片机 AT89S52，采用 8279，和 W27C512，6264芯片做为 I/O 和存储器扩展芯片。W27C512 用做程序存储器，存放监控程序；6264沈阳理工大学应用技术学院机电一体化课程设计15用来扩展 AT89S52 的 RAM 存储器存放调试和运行的加工程序；8279 用做键盘和 LED显示器借口，键盘主要是输入工作台方向，LED 显示器显示当前工作台坐标值；系统具有超程报警功能，并有越位开关和报警灯；其他辅助电路有复位电路，时钟电路，越位报警指示电路。控制系统原理框图如图 6.1 所示。复 位 电 路晶 振 电 路 螺 纹 光 栅 信 号操 作 面 板 开 关 /按 钮 信 号隔 离 放 大隔 离 放 大隔 离 放 大隔 离 放 大隔 离 放 大隔 离 放 大隔 离 放 大隔 离 放 大 向 步 进 电 动 机向 步 进 电 动 机刀 架 电 动 机卡 盘 电 动 机主 轴 电 动 机切 削 电 动 机方 刀 架 位 信 号限 位 开 关 信 号交 流 变 频 器 主 轴 电 动 机 单 片 机 并 行接 口芯 片825转 换芯 片 03芯 片芯 片 624键 盘 与 显 示 接 口芯 片 879串 行 口 芯片 3图 6.1 控制系统原理框图7.步进电动机的驱动电源选用设计中 X、Y 向步进电动机均为 90BYG2602 型，生产厂家为常州宝马集团公司。查表 4-14，选择与之匹配的驱动电源为 BD28Nb 型，输入电压为 1000VAC，相电流为 4A，分配方式为二相八拍。该驱动电源与控制器的接线方式如图 7.1 所示。图 7-1图 8.1 BD28Nb 型驱动电源接线图沈阳理工大学应用技术学院机电一体化课程设计16心得体会本次课程设计是综合性的课程设计，将以前所学到的机械与电气的知识结合到一起，可以说是综合性的训练。这次课程设计跨越机械和电气两大学科。在设计时要联系机械部分和电气控制部分作为一个有机的整体来考虑，本次设计是一个机械和电气有机组合的系统是一个整体。如果单方面考虑其中一项必定是做不出来的。这次课程设计涉及到机电一体化的知识，与以前单纯的机械设计不一样，有了更多的收获，体会也很多。在这次设计中我也学会了很多新东西，包括一些软件的应用。当然最重要的是学到了机电一体化系统设计的一些基本方法。加深了对机电一体化系统设计的理解，初步了解了一些常用工业控制元器件和掌握它们的使用方法。知道了设计一个机电一体化的系统需要考虑到哪些方面，做个部分设计时应该先哪里后哪里的先后顺序，让我在以后的设计中会有一个清晰地思路，而避免走太多弯路。这次设计中那我了解了运动控制卡、驱动器、步进电机的基本特性、使用方法，以及它们之间所需要的匹配关系。通过这次课程设计我深深地意识到理论与实践相结合的重要性，任何一个都不能单独存在。平时理论知识学的很好，但是在课程设计中并不能得心应手，会遇到很多不能解决的实际问题，这就需要加强实践能力，一个同学的知识变成多个同学的知识，多个同学的知识变成一个同学的知识，这样才能互相促进、相互提高。另外，经过复习整理所学得专业知识使得设计思路清晰系统。通过设计使我更加接近生产实际，锻炼了将理论运用于实际的分析和解决实际问题的能力，巩固、加深了有关机械设计方面的知识。还有很重要的一点是让我体会到了一个设计者的精神。在设计过程中既要自己不断思考、创造，又要注意借用现有的资料，掌握了查阅和使用标准、规范、手册、图册、及相关技术资料的基本技能以及计算、绘图、数据处理等方面的能力。通过对通用机械零件、常用机械传动或简单机械的设计，使我掌握了一般机电一体化的程序设计和基本方法，有助于树立正确的工程设计思想，培养独立、全面、科学的设计能力。沈阳理工大学应用技术学院机电一体化课程设计17机电一体化设计中遇到问题及解决方案如下：首先，在绘制装配图过程中，有些绘图尺寸不够详细导致无法绘制。我们无奈之下利用手工测量的方式，一个点，一条线细致入微的以 1:1 的比例测量，最终攻克了难关。其次，我们在绘制电气原理图的过程中遇到一些问题不知道那个系列的单片机最适合用在数控工作台上面，后来我们通过查阅相关技术资料和参考书最终我们在机电一体化系统设计及实践一书中得到答案。本次设计中我们采用 MCS-51 系列 8031 单片机为主控器。扩展存储器电路为 1 片 2732EPROM 和一片 6264RAM。程序存储器拓展为 4K 数据存储器拓展为8K.另外，我们在绘制装配图过程中轴承内径的选择遇到啦困难，后来我们通过机械设计手册和机电一体化课程设计一书得知器轴承内径的选择是根据主轴大径的尺寸来基本确定的，而且有些特殊地方还需找正校验，合理之后才能与之相匹配。才能合理的设计出完整精准的思路，从而使之整体设计又拉更具权威性的知识体系。最后，我们对课程设计说明书的排版，设计格式，和具体设计项目思路不清，后来我们请教老师，经过刘老师的耐心细致的讲解我们很快就写好啦 X-Y 数控工作台课程设计书明书。从此次课程设计中，我学到拉好多关于机电一体化的相关知识，也尝试了平时课堂上从未学到的设计理念和思路，希望在以后的学习中不断锻炼自己在机电一体化方面的相关知识。丰富业余生活。沈阳理工大学应用技术学院机电一体化课程设计18致谢在此感谢帮助我的同学和老师，这次课程设计的完成，离不开老师和同学的指导、帮助和鼓励。通过这次的课程设计，我对学机电一体化系统设计方案的拟定有了一定的认识，对传动元件和导向元件如滚珠丝杠螺母副等的工作原理，设计计算方案的工作原理，设计计算的选用原则，电动机的工作原则，选择控制驱动方式都有了一定的认识。在今后的学习生活中，这次课程设计的经历将起到重要帮助作用。最后对在整个设计过程中对老师认真、耐心辅导表示衷心的感谢参考文献【1】 尹志强编著.， 机电一体化系统设计课程设计指导书 . 北京 ： 机械工业出版社 ，2007.5.【2】 王田苗， 丑武圣编著， .机电控制基础理论及应用. 北京：清华大学出版社，2003.【3】 侯力， 樊庆文等编著， 机电一体化系统设计. 北京：高等教育出版社，2004.【4】 张君安编著， 机电一体化系统设计. 北京：兵器工业出版社，1997.附录机电一体化系统设计课程设计说 明 书设计题目：简易数控 X-Y 工作台机电系统的设计专 业：机械设计制造及其自动化班 级： 姓 名： 学 号： 指导老师： 2016 年 5 月 25 日1 课程设置目的、课程设计要求及注意事项1.1 课程设置目的机电一体化系统设计课程设计是大学生在完成机电一体化系统设计等专业课学习后,进行综合性实践性教学环节，总的目的是在老师的指导下,使学生通过课程设计,对所学课程理论知识进行一次系统的回顾检查复习和提高,并运用所学理论,通过调研,设计一个机电控制方面的课题,受到从理论到实践应用的综合训练，培养学生独立运用所学理论解决具体问题的能力,具体有以下几点：1）通过检索查阅运用有关手册、标准及参考资料，培养起学生检索查阅资料、使用资料的方法和能力。2）通过回顾查阅课程理论知识、运用所学的基础课,专业技术课和专业课知识，培养学生根据实际问题正确设计总体方案, 分析具体问题、进行工程设计的能力。课程设计将机电专业课程的相关内容有机结合起来，学生受到完整的设计训练过程，使学生掌握机电工程设计的基本方法，提高其分析和解决实际工程问题的能力，培养学生的整体观念，并将整个课程内容有机而系统地结合起来。通过拟定的设计方案、结构方案到结合生产和使用条件，独立完成精密机构部件的设计，全面考虑设计内容及过程，熟悉和运用设计资料，如国家及行业标准、设计规范等，加深对机电一体化系统设计的认识。1.2 课程设计要求1、综合地考虑使用、经济、工艺等方面的设计要求，确定合理设计方案；2、通过分析比较吸取现有结构中的优点，并在此基础上发挥自己的创造性；3、仔细计算和认真作图，力求设计图纸和计算说明书达到实际生产水平。1.3 课程设计注意事项1、设计开始之前应认真研究题目，明确设计要求，参阅相关资料；2、设计方案确定后，将确定的结构方案用 A4 的图纸绘制成正式的设计图纸；3、按规定编制课程设计计算说明书，将设计计算说明书和图纸交老师查阅；4、认真做好准备进行答辩。2 课程设计说明书的内容编写课程设计说明书是学生对课程设计的总结，主要内容包括：课程设计题目（包括设计条件和要求），设计与运动方案的确定，系统框图的分析、机械运动分析，动力分析及传动设计计算、电气执行元件的选用说明及计算，画出程序框图，写出自编程序，对机械和电气其它部分（如传感器反馈、测量等）的说明，表格列出必要的计算式和计算结果，绘出主要的曲线对结果进行分析和讨论列出主要的参考资料并编号等。课程设计说明书简明扼要，文理通顺，内容完整，由于要求学生对所进行的设计能系统明确的表达，说明书一般不少于 10 页。2.1 课程设计题目简易数控 X-Y 工作台机电系统的设计2.2.设计参数内容及要求设计一个数控 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CBH145mm160mm12mm；底座外形尺寸C1B1H1210mm220mm140mm；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。2.3 提交材料整理课程设计说明书，准备答辩。 3 课程设计说明书要求课程设计说明书是项目设计的理论依据，是设计计算的整理和总结，是审核设计的技术文件之一，编写设计计算说明是课程设计的一个重要组成部分，它按次序包括以下几个方面内容：1）目录（标题及页次）；2）摘要与前言3）课程设计的目的及意义4）课程设计的要求5）课程设计的内容6）课程设计总体方案的设计7）机械传动部分设计计算8）步进电动机的选择计算9）系统硬件接口电路设计10 系统软件件电路设计11）个人总结与结论12）结束语与致谢13）参考摘要本文主要对 X-Y 数控工作台机电系统进行设计。X-Y 数控工作台是许多机电一体化设备的基本条件。如数控车床的纵-横向进刀机构，数控机床和数控钻床 X-Y 工作台，激光加工设备的工作台，滚珠丝杆螺母副，以及步进电机等部件构成，其中，步进电机作为执行元件用来驱动滚珠丝杠，滚珠丝杠的螺母带动滑块和工作平台在导轨上运动，完成工作台在 X,Y 方向的直线移动，导轨副，滚珠丝杠副和步进电机等均已标准化，有专门厂家生产，设计时只需根据工作载荷选取即可。控制系统根据需要选用设计专用的微机控制系统。关键词：X-Y 数控工作台 步进电机 滚珠丝杠副目录一、总体方案设计 .51.1 设计任务 .51.2 总体方案确定 .5二、机械系统设计 .62.1、工作台外形尺寸及重量估算 .62.2、滚动导轨的参数确定 .62.3、滚珠丝杠的设计计算 .7三、步进电机的选用 .103.1、步进电机的步距角 .10b3.2 步进电机启动力矩的计算 .103.3 步进电机的最高工作频率 .113.4 步进电机惯性负载的计算 .11四、控制系统硬件设计 .124.1 CPU 板 .124.1.1 CPU 的选择 .124.1.2 CPU 接口设计 .124.2 驱动系统 .144.2.1 步进电机驱动电路和工作原理 .144.2.2 电磁铁驱动电路 .154.2.3 电源设计 .154.3 X 轴电机点动正转程序流程图 .15五、总结 .17六、参考文献 .18一、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CBH145mm160mm12mm；底座外形尺寸C1B1H1210mm220mm140mm；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 14516050重量：按重量=体积材料比重估算N321456017.809Y 向拖板（下拖板）尺寸： 14560重量：约 90N。上导轨座（连电机）重量： 223(20143858)7.1.07()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、导轨型式：圆形截面滚珠导轨、导轨长度上导轨（X 向）取动导轨长度 10Bl动导轨行程 5支承导轨长度 Ll下导轨（Y 向）50l10Bl1L选择导轨的型号：GTA16 、直线滚动轴承的选型上导轨 240()XGN下导轨 87Y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。、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；当导轨移动到位置或时，两端滚动体受力不相等，变形不一致，使工作台倾斜 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。、最大动负载 Q 的计算3HLfP查表得系数 ， ，寿命值1Hf601nTL查表得使用寿命时间 T=15000h，初选丝杠螺距 t=4mm，得丝杠转速max1025(/mi)4Vnrt所以 mm6250LX 向丝杠牵引力1.4xxPfG当 ()f当 当 量 摩 擦 系 数023.9()NY 向丝杠牵引力 1.402874.06()yyf当所以最大动负荷X 向 3251.3920.6()xQNY 向 32514.062.7()yQN查表，取滚珠丝杠公称直径 ，选用滚珠丝杠螺母副的型号为 0dmSFK1004，其额定动载荷为 390N，足够用。、滚珠丝杠螺母副几何参数计算螺纹滚道:公称直径 =10mm0d螺距 =4mm,接触角 = ,钢球直径 =2mmt45qd螺纹滚道法面半径 mm.21.0qR偏心距 /sin3qed螺纹升角 0arc7.26tg螺杆：螺杆外径 mm0.59.qdd螺杆内径 mm278leR螺杆接触直径 mm0cos.zq螺母：螺母螺纹外径 mm 120Dde螺母内径（外循环） mm10.510.qd、传动效率计算 7.26.973()()tgt式中： 摩擦角； 丝杠螺纹升角。、刚度验算滚珠丝杠受工作负载 P 引起的导程 的变化量0L01LEFAY 向所受牵引力大，故应用 Y 向参数计算24.7()PN0.4()Lcm620.1/)cm材 料 为 钢22 20.798314.5FRcm所以 616.1.0().LcA丝杠因受扭矩而引起的导程变化量 很小，可以忽略。2LA所以导程总误差 60110.23/.4LmA查表知 E 级精度的丝杠允许误差 ，故刚度足够。5、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三、步进电机的选用3.1、步进电机的步距角 b取系统脉冲当量 ，初选步进电机步距角 。0.1/pmstep 1.5b3.2 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 s式中： 电机转角； 移动部件的相应位移； 机械传动效率。s 若取 ，则 ，且 ，所以bpSPG36()2pSbPGTNcmA式中： 移动部件负载（N） ；G移动部件重量（N） ； 与重量S zP方向一致的作用在移动部件上的负载力（N） ； 导轨摩擦系数； 步b进电机步距角， （rad） ；T电机轴负载力矩（ ）cmA本例中，取 （淬火钢滚珠导轨的摩擦系数） ， ， 为丝杠0.3 0.96S牵引力， 。考虑到重力影响，Y 向电机负载较大，因此取247sHPN，所以8yG360.1.032871.3()2596TNcmA若不考虑启动时运动部件惯性的影响，则启动力矩 0.3qT取安全系数为 0.3，则 1.4.2qNcA对于工作方式为三相六拍的三相步进电机 max5.10.86qjTNcmA3.3 步进电机的最高工作频率 maxax100167()6.pVf Hz查表选用两个 45BF005-型步进电机3.4 步进电机惯性负载的计算根据等效转动惯量的计算公式，得式中： 折算到电机轴上的惯性负载（ ） ； 步进电机dJ 2kgcmA0J转轴的转动惯量（ ） ； 齿轮的转动惯量（ ） ； 齿轮 2kgcmA1J 2的转动惯量（ ） ； 滚珠丝杠的转动惯量（ ） ；M移动部3件质量（ ） 。对材料为钢的圆柱零件转动惯量可按下式估算 3420.781JDLkgcA式中：D圆柱零件直径（cm） ；L零件长度（cm） 。所以 34321.05.61J kgcmA207829034323.1.电机轴转动惯量很小，可以忽略，则+3.9 四、控制系统硬件设计X-Y 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。4.1 CPU 板4.1.1 CPU 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。4.1.2 CPU 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 3-1 CPU 外部接口示意图P1.0-P1.2驱动 1X 步进电机驱动 2Y 步进电机 P1.3-P1.5P1.6驱动 3P3.2外部中断 1P3.3外部中断 2P0.0-P0.7 AD0AD7P2.7