通用两维运动X-Y工作台平台设计VIP

1 摘 要 【摘要】： 作台是指能分别沿着 X 向和 Y 向移动的工作台。数控机床的加工系统、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中共性和关键的技术。 本次课程设计，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，寿命等参数；还设计了导轨 ，根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。利用 8031、 6264、 2764、373、 8155、 8255 等 51 单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； 51 单片机 2 目 录 第一章 总体设计方案 . 4 统运动方式的确定与驱动系统的选择 . 4 械传动方式 . 4 算机系统选择 . 4 体方案的确定 . 5 第二章 机床进给驱动系统机械部分设计计算 . 6 设计参数 . 6 滚珠丝杠螺母副的计算与选型 . 6 X 向进给丝杠 . 6 Y 向进给丝杠 . 8 珠丝杠副的几何参数 . 13 滚动导轨的计算与选择 . 13 滚动导轨副的额定寿命 . 13 转动惯量的计算 . 15 电机的力矩的计算 . 16 第三章 微机数控系统硬件电路设计 . 23 计算机系统 . 23 3单片微机数控系统硬件电路设计内容 . 23 绘制电气控制系统框图 . 23 选择 类型 . 24 存储器扩展电路的设计 . 24 I/O 接口电路设计 . 25 各类芯片简介 . 25 8031 芯片简介 . 25 373 芯片简介 . 25 6264 芯片简介 . 26 2764 芯片简介 . 26 8155 芯片简介 . 26 255 芯片简介 . 26 3 存储器扩展电路设计 . 27 程序存储器 扩展 . 27 数据存储器 扩展 . 27 译码电路的设计 . 28 I/O 接口电路的设计 . 28 8155 通用可编程接口芯片 . 28 8255 可编程接口芯片 . 29 键盘显示接口电路 . 29 8031 的时钟电路 . 30 复位电路 . 30 界报警电路 . 31 掉电保护电路 . 31 控制系统的功能 . 31 控制系统的工作原理 . 31 参考资料 . 33 4 第一章 总体 设计 方案 统运动方式的确定 与 驱动 系统的选择 运动方式可分为点位控制系统、点位 /点线系统和连续控制 系统。为了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、 808086、 于 运动控制芯片， 入式微处理器技术。 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。 5 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 6 第二章 机床进给 驱动 系统机械部分 设计计算 设计参数 1、 工作台台面尺寸： 250320 2、 工作台移动尺寸： 160200 3、 夹具和工作台总重： 4、 最高运行速度： 步进 电动机运行方式：空载： 切削： 5、 系统分辨率： 开 环模式 6、 系统定位精度： 开环 模式 7、 切削负载： X 向 400N； Y 向 500N； Z 向 600N； 滚珠丝杠螺母副的计算与选型 X 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综合导轨的计算公式。计算公式为： )( 式中 N） ； G N）； M N ； f 导轨型式而不同 ； K 综合导轨的 , f ，取 f ，式中 00 ， 00 ， 00 代入计算得 2）、计算最大动载荷 C 选用滚珠丝杠副的直径0须保证在一定轴向载荷作用下，丝杠在 7 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 C ，用下式计算选择： 3/11060 01000s 式中 L 106 转为一单位 于 100 摄氏度 级精度 靠度为 95%，一般运转时 n r ，用下式计算 m ， 0 T h ，对于数控机床取 5000 ； 初选导程0L=4由任务书可知 最大切削力下的速度 .0 ， 则.0 mv s ,代入公式可计算得 01000s = 4 =150 r 13510 150001000601060 66 8 03 （ 3）、滚珠丝杠螺母副的选型 所选丝杠螺母副规 格如下（其中载荷单位为 8 表 2丝杠螺母副规格 根据以上算得的最大动负载 C 在表中选用型号额定动载荷为 满足前面进给方向的要求。 （ 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 。 由选用的 滚珠死杠的相关数据可知丝杠螺旋升角 224 代入公式 计 算得 % Y 向进给丝杠 （ 1）、计算进给牵引力 计算公式为： )( 式中 N）； G N）； M N ； f 导轨型式而不同； K 综合导轨的 , f 取 f ，式中 00 ，00 ， 00 代入计算得 2）、计算最大动载荷 C 用下式计算选择： 9 3/11060 01000s 式中 L 106 转为一单位 于 100 摄氏度 级精度 靠度为 95%，一般 运转时 n r ，用下式计算 m ， 0 T h ，对于数控机床取 5000 ； 初选导程 0 ，由任务书可知最大切削力下的速度 .0 ，则 .0 ,代入公式计算可得 m 506 61000 13510 150001000601060 66 （ 3）、滚珠丝杠螺母副的选型 所选丝杠螺母副规格如下（其中载荷单位为 表 2杠螺母副规格 根据以上算得的最大动负载 C 在表中选用型号额定动载荷为 满足前面进给方向的要求。 10 （ 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 。 由选用的 滚珠死杠的相关数据可知丝杠螺旋升角 224 代入公式计算得 % （ 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 螺母装配总长度为 75杠螺纹长度取 250计长度为 410杠螺母及轴承均进行预紧 ,预紧力为最大轴向负载的 1/3. 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 作用引起的导程0(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： m 0式中 L m 作用下引起每一导程的变化量， )( 进给 牵 引力， )(N ; G J M L 1J 11 0)( E 性模数，对钢 E=10 ,( 2/; F 内径确定） )( 2 “ +” 号用于拉伸，“ -”号用于压缩。 其中 222 ， 0 ， X 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 01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10 。 计算得 01=2)、滚珠与螺纹滚道间接触变形 2 当对丝杠加有预紧力，且预紧力为轴向最大负载的 1/3 时， 2 之值可减少一半；此变形可根据我所选用的滚珠丝杠在指导书中的图 4查到其值为 ，虽然有预紧但不做减半的处理，用其查出的值。 3)、 支撑滚珠丝杠的轴承的轴向接触变形3不同 类型的轴承的接触变形量c可用不同的公式计算，我选用的是 角接触 球轴承则公式如下： 3 式中 )( Z 动体直径， )( 由于其中的一些数据无法获得准确值只能作粗略的估算，式中轴承所受轴 向 载 荷 轴 承 的 滚 动 体 数 目 15Z ， 轴承 滚 动 体 直 径 代入算得 12 3 c。 这里因为滚珠丝杠的扭转变形引起导程的变化量 4 占的比重比较小忽略不计，螺母座变形及轴承 座变形的变形量计算比较困难 ，在结构上作了相应的处理所以也不作计算。 总的变形量 321 = 小于要求的定位精度 乎设计的要求。 （ 6）、稳定性验算 滚珠丝杠一端为角接触轴承固定支撑，另一端为深沟球轴承支撑，不会产生失稳现象，不需要进行稳定性校核。 （ 7）、滚珠丝杠的长度确定 X 向： 螺纹的有效行程 00 螺母的长度 5 单侧丝杠防护罩的长度 0 固定支撑座的厚度 B=45 游动端支撑座的 0 电机连接端长度 5 其他阶梯轴长度 00杠的总长度 L =2+ 200+75+2*30+45+40+45+100 =565（ 。 Y 向： 螺纹的有效行程 60 螺母的长度 5 单侧丝杠防护罩的长度 0 固定支撑座的厚度 B=45 游动端支撑座的 0 电 机连接端长度 5 其他阶梯轴长度 00 丝杠的总长度 L =2+ 250+95+2*30+45+40+45+100 =565（ 13 珠丝杠 副 的几何参数 图 2珠丝杠副几何参数 滚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。 滚动导轨副的额定寿命 (1)、滚动导轨的额定动载荷的计算 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 ： 13021 224 c 13022 224 c 13023 224 c 13024 224 c 14 其中的0l、 1l 、 2l 、3 图 2作台及导轨块的放置 式中的 W 为作用于同一平面内的若干套导轨副的总载荷在这里我的设计任务中指出了 00 ， 00 。 则 1200 假定负载重心集中在其中一个导轨块上则： 0 0412 00m 00412003m a x 0 03/)( m a xm 对于我的任务书来讲载荷呈线性变化 初选定直线导轨副的型号为： 额定载荷为： C=8500N (2)、 滚动导轨副的额定寿命 1、 额定寿命计算 其计算公式如下： )*(50Cf 3式中 L C 荷； 额定动载荷 50 0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 81.0无明显冲击和震动，中速运动场合速度在15间查相关资料 3.1滚道硬度不得低于 通常取 1 15 )*(50 3 =59421、 寿命时间的计算 0 0 0m =1800 远大于 直线导轨副的参数 表 2线导轨副的参数 步进 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。 转动惯量的计算 (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=4义直径 0D =20支撑间距 L=450 计算 出 丝杠的转动惯量，公式如下： 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 4 2 3.0 (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 16 轴上的转动惯量， 由丝杠导程 作台重量为 600N，可查出 410 N 工作台的转动惯量为 ，则工作台的折算转动惯量为： 2 4 7 J 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： 221 6 7 0 7 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 相高性能混合式步进电机，电机惯量为 。 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 电机的力矩的计算 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。 17 初选电机尺寸规格参数如下表 表 2步进电机尺寸规格 X 向电机力 矩的计算 (1)、快速空载起动时所需力矩起a x 起式中 起*( *( *( 0*( 其中 60102 2m a xm a x 式中 *( 22*9908.1 (r ； 00m a x 部 件 动 停 止 起 动 加 速 到 最 快 进 给 速 度 所 需 时 间)(s ; 0 代入上式 60102 2m a xm a x 18 3060 =算到电机轴上的摩擦力矩 2 00式中 0(N ； )(0 z =600+600)=削力 )(N ； G (N ； f i 里无齿轮既 1i ； 里取 代入 求解 2 00附加摩擦力0T： )1(2 20000 p 式中 0般取， 引力 )(N ； 0( 0 紧时的传动效率；0=入算得 )1(2 20000 p 19 63 2N 根据上面的计算结果可得 0m a x 起=cm 717N*初选的电机的最大转矩小符合设计要求。 (2)、快速进给时 所需力矩 ： 快f 快=cm m 比初选电机的额定转矩小，符合要求。 (3)、最大切削时所需力矩 ：切 0切式中 *( 22 0 式中 (N ； 00代 入 数据计算得 22 0 综合以上数据可算得 0切=与电机的额定转矩比较， 小于额定转矩 200N*合乎设计要求。 通过以上的演算可知，初选的电机合乎设计要求。 20 Y 向电机力矩的计算 (1)、快速空载起动时所需力矩起a x 起式中 起*( *( *( 0*( 其中 60102 2m a xm a x 式中 *( 22*9908.1 (r ； 00m a x 部 件 动 停 止 起 动 加 速 到 最 快 进 给 速 度 所 需 时 间)(s ; 0 代入上式 60102 2m a xm a x 3060 =算到电机轴上的摩擦力矩 2 00式中 0(N ； )(0 z =600+600)=(N ； G 重量 )(N ； f i 里无齿轮既 1i ； 里取 代入求解 21 2 00附加摩擦力0T： )1(2 20000 p 式中 0般取，(N ； 0( 0=入算得 )1(2 20000 p 9 2 2N 根据上面的计算结果可得 0m a x 起=cm 717N*初选的电机的最大转矩小符合设计要求。 (2)、快速进给时所需力矩： 快f 快=cm m 比初选电机的额定转矩小，符合要求。 (3)、最大切削时所需力矩：切 0切式中 *( 22 22 0 式中 (N ； 00代入数据计算得 2 0综合以上数据可算得 0切=与电机的额定转矩比较， 小于额定转矩 239N*合乎设计要求。 通过以上的演算可知，初选的电机合乎设计要求。 23 第三章 微机数控系统硬件电路设计 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。系统的功能和系统中所用的微机直接相关。数控系统对微机的 要求是多方面的，但主要指标是字长和速度。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 031 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。 3单片微机数控系统硬件电路设计内容 绘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。 24 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。 选择 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 存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。 、显示器及其它 驱 动器 步进电机 25 I/O 接口电路设计 此次设计内容包括接口芯片的选用，步进电机控制电路，键盘显示电路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） 各类芯片简介 8031 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 373 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 26 6264 芯片简介 地址线 I/I/向数据线 选线 1 选线 2 写允许线 读允许线 2764 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 8155 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 27 端口选择信号 存储器扩展电路设计 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。 程序存储器 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 74存器， 8031的 373 的 373 的 地，使 373 常输出。 74输出口 Q 与一起扩展出 16 位地址总线 高三位 别与 138 的 A、B、 C 引脚相连。 (2）、 地址线的连接 根据设计要求，需要扩展两片 2764。两片 2764 的地址线分别与地址总线 连。 (3）、 数据线的连接 两片存储器的 8 位数据线分别与数据总线 位依次相连。 (4） 8031 连； 8031 的 地； 2764（ 1）的 138 连， 2764（ 2）的 138 连。 数据存储器 扩展 由于 8031 芯片内部 有 128 字节，远不能满足系统的需要，需扩展片外的数据存储器 择 6264 芯片即可满足设计要求。 6264 的连接和 2764 大致相同，唯控制信号线的连接不同； 6264 的 E 与 8031 的 连， 138 的 连， 电平有效。 28 译码电路的设计 8031 单片机允许扩展 64K 64K 括 I/O 借口芯片） (1）、 片机应用系统中的地址 译码规则 第一： 立编址 址和 址可以重叠使用，都从 0000H 址的重复靠片选信号和控制信号区分。 第二：外围 I/O 与 统一编址 外围 I/O 不仅占用 单元，而且使用 读 /写指令，本次课程设计采用统一编址。 (2）、 地址译码法 常用地址的译码方法有线选法和全地址译码，在这里选择全地址译码。 对于容量较大的的系统，扩展的外围芯片较多 ，芯片所需的片选信号多于可利用的地址线时，就需要用全地址译码的方法。