课程设计--X-Y数控进给工作台设计.doc

目 录一 前言3二 课程设计的目的、意义及要求4（一） 课程设计的目的、意义4（二） 课程设计的要求4三 课程设计的内容5（一） 课程设计的题目5（二） 课程设计的内容5四 数控系统总体方案的确定6五 机械部分设计7（一） 工作台外形尺寸及重量初步估算7（二） 滚动导轨副的计算、选择8（三） 滚珠丝杠计算、选择9（四） 电机的选择12（五） 联轴器的选择13（六） 光电编码盘的选择13（七） 光电开关、接近开关的选择13六 控制系统部分设计14（一）面板的布置图14（二）操作面板功能介绍14（三）控制系统选用芯片介绍14（四）芯片地址15（五）电动机控制原理15（六）键盘接口电路分析16（七）光电编码盘辨向电路16七 程序流程图17（一）主程序流程图17（二）自动运行流程图18（三）限位开关中断流程图19（四）回零键流程图19八 参考文献20一 前言装备工业的技术水平和现代化程度决定着整个国民经济的水平和现代化程度 ,数控技术及装备是发展新兴高新技术产业和尖端工业的使能技术和最基本的装备 ,又是当今先进制造技术和装备最核心的技术。数控技术是用数字信息对机械运动和工作过程进行控制的技术 ,而数控装备是以数控技术为代表的新技术对传统制造产业和新兴制造业的渗透形成的机电一体化产品 ,其技术范围覆盖很多领域。数控技术的应用不但给传统制造业带来了革命性的变化 ,使制造业成为工业化的象征 ,而且随着数控技术的不断发展和应用领域的扩大 ,他对国计民生的一些重要行业 IT、汽车、轻工、医疗等的发展起着越来越重要的作用。从目前世界上数控技术及其装备发展的趋势来看 ,其主要研究热点有以下几个方面:(1)、 高速、高精加工技术及装备的新趋势效率、质量是先进制造技术的主体。高速、高精加工技术可极大地提高效率 ,提高产品的质量和档次 ,缩短生产周期和提高市场竞争能力。从 EMO2001 展会情况来看 ,高速加工中心进给速度可达 80m/ min ,甚至更高 ,空运行速度可达 100m/ min左右。目前世界上许多汽车厂 ,包括我国的上海通用汽车公司 ,已经采用以高速加工中心组成的生产线部分替代组合机床。在加工精度方面 ,近 10 年来 ,普通级数控机床的加工精度已由 10m提高到 5m ,精密级加工中心则从 35m ,提 高到 11.5m并且超精密加工精度已开始进入纳米级 0.1m 。为了实现高速、高精加工 ,与这配套的功能部件如电主轴、直线电机得到了快速的发展 ,应用领域进一步扩大。(2) 、5 轴联动加工和复合加工机床快速发展采用 5 轴联动对三维曲面零件的加工 ,可用刀具最佳几何形状进行切削 ,不仅光洁度高 ,而且效率也大幅度提高。但过去因 5 轴联动数控系统、主机结构复杂等原因 ,其价格要比 3 轴联动数控机床高出数倍 ,加之编程技术难度较大 ,制约了 5 轴联动机床的发展。当前由于电主轴的出现 ,使得实现 5 轴联动加工的复合主轴头结构大为简化 ,其制造难度和成本大幅度降低 ,数控系统的价格差距缩小。因此促进了复合主轴头类型 5 轴联动机床和复合加工机床 含 5 面加工机床 的发展。(3) 、智能化、开放式、网络化成为当代数控系统发展的主要趋势21世纪的数控装备将是具有一定智能化的系统 ,智能化的内容包括在数控系统中的各个方面:为追求加工效率和加工质量方面的智能化 ,如加工过程的自适应控制 ,工艺参数自动生成;为提高驱动性能及使用连接方便的智能化 ,如前馈控制、电机参数的自适应运算、自动识别负载自动选定模型、自整定等。数控系统开放化已经成为数控系统的未来之路。目前开放数控系统的体系结构规范、通信规范、配置规范、运行平台、数控系统功能库以及数控系统功能软件开发工具等是当前研究的核心。网络化数控装备是近两年国际著名机床博览会的一个新亮点。数控装备的网络化将极大地满足生产线、制造系统、制造企业对信息集成的需求 ,也是实现新的制造模式如敏捷制造、虚拟企业、全球制造的基础单元 ,反映了数控机床加工向网络化方向发展的趋势。二 课程设计的目的、意义及要求（一） 课程设计的目的,意义机电一体化系统设计课程设计是培养学生设计能力的重要实践性教学环节之一，是综合运用所学过的机械、电子、自动控制、计算机等知识进行的基本设计训练。其目的是：1. 能够正确运用机电一体化系统设计课程的基本理论和相关知识，掌握机电一体化系统（产品）的功能构成、特点和设计思想、设计方法，了解设计方案的拟定、比较、分析和计算，培养学生分析问题和解决问题的能力，使学生具有机电一体化系统设计的初步能力；2. 通过机械部分设计，掌握机电一体化系统典型机械零部件和执行元件的计算、选型和结构设计方法和步骤；3. 通过测试及控制系统方案设计，掌握机电一体化系统控制系统的硬件组成、工作原理，和软件编程思想；4. 通过课程设计提高学生应用手册、标准及编写技术说明书的能力，促进学生在科学态度、创新精神、专业技能等方面综合素质的提高。（二） 课程设计的要求：1. 课程设计应在教师的指导下由学生独立完成，严格地要求自己，不允许相互抄袭；2. 认真阅读课程设计指导书，明确题目及具体要求；3. 认真查阅题目涉及内容的相关文献资料、手册、标准；4. 大胆创新，确定合理、可行的总体设计方案；5. 机械部分和驱动部分设计思路清晰，计算结果正确，选型合理；6. 微机控制系统方案可行，硬件选择合理，软件框图正确；7. 手工或电脑绘制机械系统装配图一张（A0），控制系统电气原理一张（A1），图纸符合国家标准，布图合理，内容完整表达清晰； 8. 课程设计说明书一份，包括：目录，题目及要求，总体方案的确定，机械系统设计，控制系统设计，参考文献等。设计说明书应叙述清楚、表达正确、内容完整、技术术语符合标准。三 课程设计的内容（一） 课程设计题目：X-Y数控进给工作台设计已知条件： X方向行程:300mm Y方向行程:200mm 工作台面的参考尺寸:500X300mm 平均切削力:1500N 平均切削进给速度:600mm/min 最高运动速度:6m/min 定位精度: 工作寿命:每天8小时,工作8年,250天/年（二） 课程设计的内容 1.数控装置总体方案的确定 (1).数控装置设计参数的确定； (2).方案的分析，比较，论证。 2.机械部分的设计(1).确定脉冲当量；(2).机械部件的总体尺寸及重量的初步估算；(3).传动元件及导向元件的设计，计算和选用；(4).确定伺服电机；(5).绘制机械结构装配图；(6).系统等效惯量计算；(7).系统精度分析。3.数控系统的设计(1).微机及扩展芯片的选用及控制系统框图的设计；(2).I/O接口电路及伺服控制电路的设计和选用；(3).系统控制软件的设计4.编写课程设计说明书 说明书是课程设计的总结性技术文件，应叙述整个设计的内容，包括总体方案的确定，系统框图的分析，机械传动设计计算，电气部分的设计说明，选用元器件参数的说明，软件设计及其说明；5.图纸 (1).机械结构装配图，A0图纸1张。要求视图基本完整，符合标准。其中至少要有一个坐标轴的完整剖视图；四 数控系统总体方案的确定数控系统总体方案设计的内容包括：系统运动方式的确定，执行机构及传动方案的确定，伺服电机类型及调速方案确定，计算机控制系统的选择。进行方案的分析、比较和论证。1. 系统运动方式的确定该系统要求工作台沿各坐标轴的运动有精确的运动关系因此采用连续控制方式。2. 伺服系统的选择考虑到运动精度要求不高，负载不大，适合采用半闭环控制方式。半闭环伺服系统在负载不大时多采用直流电机作为伺服电机. 半闭环控制系统有检测反馈部件，因而能纠正系统的传动误差。但半闭环系统结构较复杂，目前大多数数控机床和工业机器人中的伺服系统都采用半闭环控制。3. 计算机系统的选择采用MCS-51系列中的89C2051单片机扩展控制系统。MCS-51单片机的主要特点是集成度高，可靠性好，功能强，速度快，性价比高。控制系统由微机部分、键盘及显示器、I/O接口及光电隔离电路、步进功率放大电路等组成。采用两片28C64扩展数据存储单元，用8255A扩展单片机接口。系统的工作程序和控制命令通过键盘操作实现。显示器采用SMC1602液晶屏显示加工数据和工作状态等信息。采用两片8253芯片分别对XY方向光电编码盘脉冲信号进行计数，8253计数器为16位计数器能满足计数要求。4. XY工作台的传动方式为保证一定的传动精度和平稳性以及结构的紧凑，采用滚珠丝杠螺母传动副。为提高传动刚度和消除间隙，采用有预加载荷的结构。根据机电一体化系统对传动系统的要求：采用低摩擦系数的传动器件：滚珠丝杠、滚动导轨；无间隙联轴器 ；消除反向传动间隙等。由于工作台的运动部件重量和工作载荷不大，故选用滚动直线导轨副，从而减小工作台的摩擦系数，提高运动平稳性。5. 确定检测方案半闭环系统采用增量式光电编码盘检测电机或丝杠转角、转速、零位。 系统总体框图如下:第五章 机械部分设计机械部分设计内容包括：确定运动部件惯性的计算，选择z直流伺服电机，传动及导向元件的设计、计算与选择，绘制机械部分装配图等。（一） 工作台外形尺寸及重量初步估算根据给定的有效行程，画出工作台简图，估算X向和Y向工作台承载重量WX和WY。取X向导轨支撑钢球的中心距为300mm,Y向导轨支撑钢球的中心距为200mm,设计工作台简图如下:X向拖板(上拖板)尺寸为: 长*宽*高(mm)=700*240*25重量:按重量=体积*材料比重估算为: =10(Y向拖板(下拖板)尺寸为: 500*500*25重量:按重量=体积*材料比重估算为=10(工作台的尺寸为: 500*300*45重量：按重量=体积*材料比重估算为=10()夹具、工件重量约135N导轨(含电机)重量约300NX-Y工作台运动部分总重量为:=701+762+434.6+300+135=2332.4N（二） 滚动导轨副的计算、选择 (1)Y方向导轨由所给条件得,该导轨的额定工作时间为由 得则因滑座数M=4,所以每根导轨上使用2个滑座,由表2-15-2-18确定则由式2-9, 得 （2）X方向导轨由所给条件得,该导轨的额定工作时间为由 得因滑座数M=4,所以每根导轨上使用2个滑座,由表2-15-2-18确定则由式2-9, 得 若选用日本THK的LM导轨SSR-20XW型号的导轨的Ca值为19600N,能满足八年的使用要求.基本参数如下:额定载荷/N静态力矩/N*M滑座重量导轨重量导轨长度动载荷静载荷L(mm)19600234001981982880.252.1700/500滑座个数单向行程长度每分钟往复次数M4300/2001.5/1（三） 滚珠丝杠计算、选择由技术要求,平均载荷F=1500N,丝杠工作长度L=300mm,工作寿命,传动精度要求设导程P=5 mm ,则(1) 求计算载荷 由条件,查机电一体化系统设计表2-6取=1.2, 查表2-6取=1.2, 表2-4取D精度, 查表2-6取=1.0,(2)计算额定动载荷计算值Ca由式(2-4)(3)根据选择滚珠丝杠副 假设选用日本THK DIK型号,按滚珠丝杠副的额定动载荷Ca 等于或稍大于的原则,查得选以下型号规格DIK 3205-6 Ca=10689N公称直径 导程 螺旋角 滚珠直径按表2-1中尺寸计算滚道半径 R=0.52=0.523.175=1.651mm偏心距丝杠内径(4)稳定性验算1由于一端轴向固定的长丝杠在工作时可能会发生失稳,所以在设计时应验算其安全系数S,其值应大于丝杠副传动结构允许安全系数 丝杠不会发生失稳的最大载荷称为临界载荷其中 E=206Gpa L=0.3m 取 则安全系数查表2-10 S=2.5-3.3 SS 丝杠是安全的,不会失稳2高速长丝杠工作时可能发生共振,因此需验算其不会发生共振的最高转速-临界转速,要求丝杠的最大转速 所以丝杠不会发生共振3此外滚珠丝杠副还受值的限制,通常要求(5)刚度验算滚珠丝杠在工作负载F(N)和转矩T(Nm)共同作用下引起每个导程的变形量为式中,A为丝杠截面积,A=为丝杠的极惯性矩, G为丝杠切变模量,对钢G=83.3GP a;T(Nm)为转矩. 式中, 为摩擦角,其正切函数值为摩擦系数; 为平均工作载荷.取摩擦系数为,则得按最不利的情况取(F=)则丝杠在工作长度上的弹性变形所引起的导程误差为通常要求丝杠的导程误差小于其传动精度的1/2,即该丝杠的满足上式,所以其刚度可满足要求.(6)效率验算要求在90%-95%之间,所以该丝杠副合格.经上述计算验证, DIK 3205-6各项性能均符合题目要求,可选用.（四） 电机的选择1. 电机类型选择在半闭环控制的中小型伺服系统中,可以采用直流电机。2. 电动机轴上总当量负载转动惯量计算滚珠丝杠的转动惯量 其中D丝杠公称直径D=31.5mm L丝杠长度L=400mm滚珠丝杠折算到电机轴上的转动惯量 其中M工作台（包括工件）的质量M=（434.6+135）/10=56.96kgS丝杠的螺距是5mm（1）直流伺服电机负载转矩的计算电动机起动时的角加速度其中是电动机启起动后的最大角速度（rad/s）; 是系统时间常数（s）;K是系统开环增益（）。 rad/s，取K=25（2）电动机最大转矩的确定伺服电动机在快速起动时的负载转矩一般比正常运行时的负载转矩要大得多，即要求其中是电动机启动时的负载转矩；是电动机的最大转矩，其中是电动机额定转矩；是电动机的瞬时过载系数，取=8。则（3）电动机额定转矩的确定伺服电动机额定转矩可按连续运行时作用在电动机上的负载转矩T来确定，即要求据此选择济南科亚电子科技有限公司生产的85FRAME系列85SZD-09型号电机。其额定转矩Tr=2.63Nm1.065Nm=T 机械时间常数等于11.3ms验算: 接近于所取K值。（五） 联轴器的选择 联轴器额定转矩Ts可按电动机上的负载转矩T来确定，即据此选择SLK-50型联轴器，其额定转矩Ts=16Nm8.5Nm，符合要求。（六） 光电编码盘的选择 选择上海精浦机电有限公司的欧系标准系列（4-20，RS485输出）其分辨率为，能够达到精度要求。其工作电压为1030Vdc 极性保护，允许转速 2400转/分。（七） 光电开关、接近开关的选择选择上海坤氏工业自动化系统有限公司的GBG110系列的光电开关输出电流100mA 响应时间 2ms来源于：/ArticleShow.asp?ArticleID=713选择台湾超荣电子有限公司的CLJ插件式接近开关（M18x1-G非埋入式）其工作电压为1030Vdc来源于：/ArticleShow.asp?ArticleID=188六 控制系统部分设计该控制系统采用的微型机为80C51单片机。执行元件采用直流电机（一）面板的布置图图五、面板示意图（二）操作面板功能介绍1.工作状态选择按键自动按钮按下时自动指示灯亮，按下开始按钮后，工作台自动运行。再按自动按钮切换成手动模式。2开始按钮（在自动