通用二维运动平台设计

摘 要 控 工作台是许多机电一体化设备的基本部件，如数控 机床的加工系统、 纵横向进给、 立体仓库中堆垛机的平面移动系统、平面绘图仪的绘图系统等 ,尽管结构和功能各不相同 ,但基本原理相同。机电一体化系统是将机械系统与微电子系统结合而形成的一个有机整体。本文通过对 作台 即能 沿着 X 向、 Y 向移动的工作台 的机械系统、控制系统及接口电路的设计 ,阐述了机电一体化系统设计 对专业教学的意义及 技术 关键。 本次 大四的 课程设计，主要设计和研究工作台及其电气原理图。确定工作 台的传动系统，并且选择了螺旋传动，验算了螺 旋传动的刚度、稳定性及寿命等参数；并 设计了导轨 ， 据其用途和使用要求，选择了直线滚动导轨副，确定了其类型、转动力矩、转动惯量。 控制系统包括了 系统电源配置、 路、 展，键盘与显示 、 I/O 通道接口 、 通信接口等。我们 利用 了 8031 主控器、 6264 片外数据存储器 、 2764 片外程序存储器 、 74址锁存器 、 74选地址译码器及 8155、 8255 可编程 I/O 扩展 等 片机设计其硬件电路图。 关键词 ：滚珠丝杠螺母副；直线滚动导轨副；步进电机； 工作台； 51单片机 C is of NC of is to an to -Y ,Y to to of on of Y Y of of to of PU , We 031 264 of 764 of an 44a 8155,8255 ; 目 录 第一章 总体设计方案 . 1 统运动方式的确定与驱动系统的选择 . 1 械传动方式 . 1 算机系统选择 . 1 体方案的确定 . 2 第二章 机床进给驱动系统机械部分设计计算 . 3 求 . 3 珠丝杠螺母副的计算与选型 . 3 向进给丝杠 . 3 向进给丝杠 . 5 珠丝杠副的几何参数 . 10 动导轨的计算与选择 . 10 动导轨副的额定寿命 . 10 进电机的计算与选择 . 12 动惯量的计算 . 12 机的力 矩的计算 . . 13 选步进电动机 . 15 进电机的性能校核 . 16 轴器选择 . 17 第三章 微机数控系统硬件电路设计 . 18 算机系统 . 18 片微机数控系统硬件电路设计内容 . 18 制电气控制系统框图 . 18 择 类型 . 19 储器扩展电路的设计 . 19 、点位 /点线系统和连续控制系统。为 满足二维运动平台实现 坐标联动 ,运动定位 ,暂停 ,急停等功能 ,故选择连续控制系统。 驱动 系统有开环、闭环和半闭环。 考虑到工作台实际位移的检测，补偿系统的误差，故采用半闭环控制系统，利用 步进 电机进行 驱动。 械传动方式 为了实现设计要求的分辨率，采用 步进 电机转动丝杠。为了保证一定的传动精度和传动平稳性，尽量减小摩擦力，选用滚珠丝杠螺母副。同时，为了提高传动刚度和消除传动间隙，采用有预加负荷的结构。 算机 系统 选择 根据设计要求，采用 8 位微机。由于 51 系列单片机具有集成度高、可靠性好、功能强、速度快、抗干扰能力强，具有很高的性能价格比等特点，决定采用 51 系列的 8031、 808155、 8255 等 I/O 扩展， 基于 微处理器技术。 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。 系统的加工程序和控制命令通过键盘操作实现，显示器采用数码管显示加工数据及机床状态等信息。 2 体方案的确定 图 1 1 X Y 数控工作台总体方案设计 微 机 驱动器 驱动器 步进 电机 步进 电机 工作平台 中拖板 3 第二章 机床进给 驱动 系统机械部分设计计算 包括原始数据、技术参数、设计要求、图纸量、工作量要求等） 技术参数 1、运动平台面尺寸： 600 500； 2、平台移动行程： X Y 500 400； 3、夹具和工件 总重： 1200N； 4、最高运行速度： 步进电机运行方式： 空载： 1m/切削： 交流伺服电机运行方式：空载： 15m/削： 6m/ 5、系统分辨率：开环模式 闭环模式 6、系统定位精度：开环模式 闭环模式 7、切削负载： X 向 800N； Y 向 1000N； Z 向 1200N 珠丝杠螺母副的计算与选型 向进给丝杠 （ 1）、计算进给 牵 引力 作用在滚珠丝杠上的 进给 牵 引力主要包括切削时的走刀抗力以及移动件的重量和切削分力在导轨上的摩擦力。因而其数值的大小与导轨的型式有关，由于在设计中采用的是加有导轨块的滚动导轨，所以选择的计算公式为选矩形 导轨的计算公式。计算公式为： 式中 N）； 800N,1000N,1200N. G N）； G=1200N ，随导轨型式而不同 ； = 覆力矩影响 系数； K=( ( ) 1 . 1 8 0 0 0 . 1 5 (1 2 0 0 1 0 0 0 1 2 0 0 ) 5 1 0 8 8 0 1 3 9 0m x y F F F G N 4 （ 2）、计算最大动载荷须保证在一定轴向载荷作用下，丝杠在回转 100 万转（ 106 转）后，在它的滚道上不产生点蚀现象。 这个轴向负载的最大值即称为该滚珠丝杠能承受的最大动负载下式计算选择： 3/1060 1060 01000s 式中 0 106 转为一单位 取 1 一般运转时 取 1.3 n r ，用下式计算 m ， T h ，对于数控机床取 5000 ； 初选导程 由任务书可知 最大切削力下的速度 m ， 则0 m ,代入公式可计算得 000=1000 150 r 0 666 0 6 0 1 5 0 1 5 0 0 0 1351 0 1 0 3/10=1 135 =5 （ 3）、滚珠丝杠螺母副的选型 应使其额定动载荷 2D 系列滚珠丝杠副尺寸参数 规格代号 公称直径 导程 滚珠直径 丝杠底径 丝杠外径 循环列数 安装尺寸螺母 油杯 额定载荷 /N 刚度2505D D L B h M 5 5 *2 40 66 53 90 11 6 0 1921 28759 615 （ 4）、 传动效率计算 滚珠丝杠螺母副的传动效率 ： tg 角； 珠丝杠的滚动摩擦系数 03.0f ，其摩擦角约等于 10 。 将公称直径0d=25 程为 代入 0/ta n h ，得丝杠螺旋升角 = 0370 。将摩擦角 = 10 ，代入 tg 传动效率88% 。 向进给丝杠 （ 1）、计算进给牵引 计算公式为： )( 6 式中 N）； G N）； 数，随导轨型式而不同； K 覆力矩影响 系数； （ 2）、计算最大动载荷须保证在一定轴向载荷作用下，丝杠在回转 100 万转（ 106 转）后，在它的滚道上不产生点蚀现象。这个轴向负载的最大值即称为该滚珠 丝杠能承受的最大动负载下式计算选择： 3/1060 1060 01000s 式中 0 106 转为一单位 =1 一般运转时 取 1.4 n r ，用下式计算 m ， T h ，对于数控机床取 5000 ； 初选导程由任务书可知最大切削力下的速度 m ，则0 m ,代入公式可计算得 000=1000 120 r 0 666 0 6 0 1 2 0 1 5 0 0 0 1081 0 1 0 3/10=1336 1 3108 = ) 1 . 1 8 0 0 0 . 1 5 (1 2 0 0 8 0 0 1 2 0 0 ) 1 5 8 0m x y F F F G N 7 （ 3）、滚珠丝杠螺母副的选型 表 2列滚珠丝杠副尺寸参数 规格代号 公称直径 导程 滚珠直径 丝杠底径 丝杠外径 循环列数 安装尺寸螺母 油杯 额定载荷 /N 刚度2505D D L B h M 5 5 *2 40 66 53 90 11 6 0 1921 28759 615 （ 4）、传动效率计算 滚珠丝杠螺母副的传动效率 ： tg 珠丝杠的滚动摩擦系数 03.0f ，其摩擦角约等于 10 。 将公称直径0d=20 程为 代入 0/ta n h ，得丝杠螺旋升角 = 0370 。将摩擦角 = 10 ，代入 tg 传动效率88% 。 （ 5）、刚度的验算 先画出此进给滚珠丝杠支承方式草图 ,如图所示 336N,由螺母装配总长度为 75杠螺纹长度取 250计长度为 800杠螺母及轴承均进行预紧 ,预紧力为最大轴向负载的 1/3. 8 图 2 向进给系统计算简图 滚珠丝杠副的轴向变行会影响进给系统的定位精度及运动的平稳性，因此应考虑以下引起轴向变形的因素： 1)、 丝杠的拉伸或压缩 变形量 1 1 在总的变形量中占的比重较大 ,可以用计算方法或查图表的方法决定，在这里我选用的是计算的方法，先用下式计算滚珠丝杠受工作负载(再计算滚珠丝杠总长度上的拉伸或压缩变形量 1 ，公式如下： 式中 L m 作用下引起每一导程的变化量， )( 进给 牵 引力， )(N ; )( E 钢 E=21 410 ,( 2/; S 内径确定） )( 2 “ +” 号用于拉伸，“ -”号用于压缩。 其中 22 2/ 2 2 1 . 2 / 2S d m m = ， 1580X 向 和 Y 向 两向中的最大值 滚珠丝杠总长度上拉伸或压缩的变形量 )(1 1式中 L )( 根据设计行程、滚珠丝刚副的最大长度、防护罩的极限距离、 及轴承一半的长度， 以上几项 之 和确定滚珠丝 杠在支撑间的受力最大长度 L 。 计算得 G J M L 1J 9 防护套选 30号其中 m a x m i n 1 26 6 0 , 5 0 , 3 0 , 5 6L m m L m m D m m D m m 从以上计算选择：轴承 7004C 轴承座宽为 30 表 2承选型 d D B a r 0 42 12 5 137 m 2L L Ba=500+110+30=6401= 2)、滚珠与螺纹滚道间接触变形 2 3 22 10/ 式中 Z= 3/0 求得单圈滚珠数 Z=22；Z=Z 3 2=132， 3=得 ： 2 =)、 支撑滚珠丝杠的轴承的轴向接触变形总因为丝杠有预紧力，且为轴向负载的 1/3，所以实际变形量可减小一半，取 2 = 将以上算出的 1 和 2 代入12 0 . 0 1 3 0 . 0 0 0 7 0 . 0 1 3 7 总。 有效行程 500由表 3 27 知， 5 级精度滚珠丝杠有效行程在 500630行程偏差允许达到 ，可见丝杠刚度足够。 （ 6）、稳定性验算 7400 滚珠丝杠支撑 为双推 双推型 ，不会产生失稳现象，不需要进行稳定性校核。 10 珠丝杠 副 的几何参数 表 2珠丝杠副几何参数 规格代号 公称直径 导程 滚珠直径 丝杠底径 丝杠外径 循环列数 安装尺寸螺母 油杯 额定载荷 /N 刚度2505D D L B h M 5 5 *2 40 66 53 90 11 6 0 1921 28759 615 动导轨的计算与选择 目前，滚动导轨在数控机床上应用非常广泛，因为其摩擦系数f = ；动、静摩擦系数很接近，几乎不受运动速度的变化的影响，运动轻便、灵活，所需驱动功率小，摩擦发热小，磨损小，精度保持性好；低度运动时不易出现爬行现象 ，因而定位精度高，所以选用滚动导轨。 动导轨副的额定寿命 (1)、滚动导轨 的额定动载荷的计算 11 由于要计算额定动载荷首先需要计算出作用在滚动导轨副上的载荷由资料文献可知作用在 滚动导轨副上的载荷计算公式如下 ： 根据指导书图 3 27，取 1l =2602l =200l=2104l =160mm 200N,G=1200N 则 W=2400N 假设 负载荷重心集中在其中一个导轨上，则： m i n 2 4 0 0 / 4 6 0 0 ，m a x 3 2 4 0 0 / 4 1 8 0 0 m i n m a x( 2 ) / 3 ( 6 0 0 1 8 0 0 2 ) / 3 1 0 0 0 P N (2)、 滚动导轨副的额定寿命 1)、 额定寿命计算 滚动体为 球 时： 其计算公式如下： )*(503式中 L 荷； 额定动载荷 14500 1000运行时的温度小于 100 查相关资料可的 00.1 导轨上的滑块数为 2 查相关资料 系 数 ； 无 明 显 冲 击 和 震 动 ， 中 速 运 动 场 合 速 度 在15间查相关资料 滚道硬度不得低于 通常取 1精度等级 5 级， 入公式计算得： )*(50 3= 1 1 0 . 8 1 0 . 9 1 4 5 0 05 0 ( )1 . 3 1 0 0 0 3 26868)、 寿命时间的计算 n=10 S=50002103 32 6 8 6 8 1 02 1 0 0 0 =44780h L 远大于 12 直线导轨副的参数 进 电机的计算与选择 选用 步进电机 时，必须首先根据机械设计结构草图计算机械传动装置及负载折算到电机轴上的等效惯量，分别计算各种共况条件下所需的等效力矩，再根据 步进 电机最大转矩选择合适的 步进 电机。 动惯量的计算 (1）、 丝杠的转动惯量 计算 由于用 步进 电机 则省去了齿轮的传动 比，以及齿轮的转动惯量的计算所以 只 要 计 算 丝 杠 本 身 的 转 动 惯 量 即 可 ,丝杠导 程0L=5义直径0D =25支撑间距 L=500 计算 出 丝杠的转动惯量，公式如下： 50 31 0 ( 2 2 ) /2= 由于丝杠是通过联轴器与电机直接进行连接的，所以，丝杠折算到电机轴上的转动惯量 21 1 . 5 k g c m (2)、 工作台折算到丝杠上的转动惯量 根据机电装备设计课程设计指导书表 4示工作台折算到丝杠轴上的转动惯量， 由丝杠导程 作台重量为 1200N， 则工作台的折算转动惯量为： 2 2 22 0 . 5( ) ( ) 1 2 0 1 0 0 . 7 72 2 3 . 1 4 2 (3)、 丝杠传动时传动系折算到电机上的总的转动惯量 由于丝杠是通过联轴器与电机直接进行连接的，所以，丝杠传动时传动系统折算到电机轴上的总转动惯量为： 13 212 1 . 5 0 . 7 7 2 . 2 7J J J k g c m 在上式中没有考虑电 机转子本身的转动惯量，根据实践经验，传动系统惯量 J 和转子惯量 间，有一个惯量匹配的问题， 的比值不能太小，否则机床动态特性将主要取决于负载特性，此时不同重量和行程的各坐标的特性将有很大差别，并且很容易受切削力、摩擦力等干扰的影响。但是的比值太大，也是很不经济的。 电机转子的转动惯量 以查出，初选步进电机为杭州中达 110阻 式步进电机，电机惯量 为 7k 2。 所以 =本满足惯量匹配要求。 传动系统折算到电机轴上的总转动惯量为 k 2。 机的力矩的计算 . 电机 的负载力矩在各种工况下是不同的，下面分别对快速空载起时所需要的力矩、快速进给时所需要的力矩、最大切削负载时所需要的力矩等几部分进行计算。 X 向电机力矩的计算 (1)、快速空载起动时所需力矩1a 式中 1*( *( *( 0紧 时折算到电机轴上的附加摩擦力矩 )*( 其中 4mm a 060a e q 式中 效 转动惯量 )*( 229 . 2 7 *J k g c m (r ； m a x 3 3 3 . 3 / m i 部 件 动 停 止 起 动 加 速 到 最 快 进 给 速 度 所 需 时 间)(s ; 14 代入上式 2mm a 060a 4m a 3 3 . . 3 1 09 . 2 7 6 0 0 . 5 =m 折算到电机轴上的摩擦力矩 2 摩式中 (N ； c()F F G摩=(0+1200)=6N (N ； G (N ； f i 里无齿轮既 3 3 . 3= = 2 . 2n 1 5 0i ； 里取 代入 求解 2 摩6 0 52 0 0 0 2 7 *附加摩擦力0T： )1(2 2000 式中 0般取， 引力 )(N ；1390 (m ； 0 紧时的传动效率；0=入算得 15 0 200(1 )2 i 24 6 3 . 3 0 . 0 0 5 1 0 . 92 0 . 8 2 . 20 . 0 3 9 * 根据上面的计算结果可得 0m a =m (2)、 最大工 作负载状态下电动机转轴所承受的负载转矩2=*m 代入上式 02 =*m 经过上述计算后可知加在步进电机转轴上的最大有效负载转矩应为： 21 ,T=m 选步进电动机 将上述计算所得的，用 K 对于开环控制，一般应在 4 之间选取，取为 K=3 此，选取 110磁阻式步进电机。 表 2动机型号各参数 型号 相数 步距角 E b L 110 110 85 4 8 14 35 112 186 16 进电机的性能校核 （ 1）最快工作进给速度时电动机输出转矩校核 由最快进给速度系统脉冲当量 ，可计算出电动机对应的运行频率为： 60m ax 60060 1000于2满足要求。 (2)最快空载移动时电动机输出转矩校核 由最快空载移动速度 系统脉冲当量 ： 60于1满足要求。 （ 3）最快空载移动时 电动机运行频率校核 由最快空载移动速度系统脉冲当量 ， 算出电动机对应的运行频率： 于初选的步进 电机的空载运行频率 15000，因此满足要求。 （ 4）起 动频率的校核 = 1000500。 以满足要求 17 轴器选择 计算联轴器的转矩 T=9550P/n=9550 m 选择 号联轴器 工作的最高 转数为 7600/于允许的电机最高转速 18 第三 章 微机数控系统硬件电路设计 算机系统 微机数控系统由 储器扩展电路， I/O 接口电路， 驱动 电机驱动电路，检测电路等几部分组成。 微机是数控系统的核心，其他装置都 是在微机的指挥进行工作的。 数控系统 要求 主要 对微机的 字长和速度。字长不仅影响系统的最大加工尺寸，而且影响加工的精度和运算精度。字长较长的计算机， 价格显著上升，而字长较短的计算机，要进行双字长和三字长的运算，就会影响速度，根据机床要求，综合考虑采用 8 位微机。由于 列单片机具有集成度高，可靠性好，功能强，速度快，抗干扰能力强，具有很高的性价比特点，决定采用列的 8031 单片机扩展系统。 控制系统由微机部分，键盘、显示器、 I/O 接口及光电隔离电路，步进电机功率放大电路等几部分组成。系统的加工程序和控制命令通过键盘操作实现，显示器采用 示器。 片微机数控系统硬件电路设计内容 制电气控制系统框图 数控系 统是由硬件和软件两部分组成，硬件是组成系统的基础，有了硬件软件才能有效的运行。 19 图 3床数控系统硬件框图（半闭环系统） 机床硬件电路图由以下几部分组成： 括数据，地址，控制总线 I/O 接口电路 键盘，显示器及光电输入机等。 择 类型 目前在经济型数控机床中，推荐采用 列单片机作为主控制器 储器扩展电路的设计 存储器扩展电路应该包括程序存储器和数据存储器的扩展。 在选择程序存储器芯片时，要考虑 序的匹配，还应考虑最大读出速度、工作温度及存储器的容量问题 存储器扩展电路设计包括程序存储器和数据存储器的扩展。 ，步进电机控制电路，键盘显示电路、显示器及其它 驱 动器 步进电机 20 以及其他辅助电路的设计（例如复位电路，越界报警电路，掉电保护电路等） 类芯片简介 031 芯片简介 地 +5 伏电压 部振荡电路反向放大器输入端 部振荡电路反向放大器输出端 位 /备用电源 存 /接收编程脉冲 部程序存储器读选通信号输出端 内部程序存储器和外部程序存储起选择端，对于 8031 始终保持低电平； 在 程期间加 21 伏编程电压 访问外存时，分时传送低 8 位地址和数据总线 8 位准双向 I/O 口，每一位都可作为可编程的输入或输出线 8 位准双向 I/O 口，访问外存时输出高 8 位地址 8 位准双向 I/O 口及第二功能口 73 芯片简介 数据输入端 数据输出端 ： 锁存信号输入端 ： 锁存信号输出端 264 芯片简介 地址线 I/I/向数据线 21 选线 1 选线 2 写允许线 读允许线 764 芯片简介 址线 I/I/据输出线 片选线 数据输出选通线 程脉冲 程电压 155 芯片简介 址数据总线 8031 提供复位信号 时，器件才允许被启用 ：当 =1 时，选择 I/O 口电路；当 I/O=0 时，选择存储器 8031D：为主机 发来的读信号输入端 主机发来的写信号输入端 255 芯片简介 供复位信号 选信号 主机发来的读数脉冲输入端 主机发来的读数脉冲输入端 端口选择信号 22 储器扩展电路设计 列单片机的特点之一是硬件设计简单，系统结构紧凑，对简单的应用场合 列的最小系统 用一片 8031 外扩一片 能满足功能的要求。对于复杂的应用场合，可利用 扩展功能，构成功能强，规模大的系统。 序存储器 扩展 程序存储器的寻址空间为 64K B。 8031 不带 作程序存储器的器件是 （ 1）、 16 位地址总线的扩展 由于 分时传送低字节地址和数据，所以接入 7