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合肥工业大学 2010 年机电一体化自考本科毕业设计 1 目录 X-Y 数控工作台机电系统设计3 X-Y NC Worktable Mechatronics System Design 4 第 1 章 绪 论 6 1.1 两坐标数控系统课题研究意义6 1.2 两坐标系数控工作台课题研究主要内容 6 1.2.1 两坐标系系统的组成6 第 2 章 设 计 任 务7 2.1 机械系统设计7 2.2 控制系统的设计7 第 3 章 设 计 总 方 案 的 确 定8 3.1、机械传动部件的选择8 3.1.1、丝杠螺母副的选择8 3.1.2、导轨副的选用8 3.1.3、伺服电机的选用8 3.1.4、减速装置的选用9 第 4 章 机 械 传 动 部 件 的 计 算 和 选 择9 4.1、导轨上移动部件的重量估算9 4.2、计算切削力 9 4.3、滚珠丝杠传动设计计算及校验10 4.3.1、最大工作载荷的计算11 4.3.2、最大计算动载荷的确定11 4.3.3 规格型号的初选11 4.3.4、传动效率的计算12 4.3.5、刚度的验算12 4.3.6、稳定性的验算13 4.3.7、临界转速的验算13 4.3.8、滚珠丝杠的选型及安装连接尺寸的确定14 4.4、步进电机的传动计算及电动机的选用14 4.4.1、传动计算14 4.4.2、步进电动机的计算和选型15 4.4.3、步进电机轴上的等效负载转矩 M 的计算16 4.4.4、步进电机的初选17 XY 数控工作台机电系统设计 2 4.4.5、步进电机性能校核18 4.4.6、起动频率的计算18 4.4.7、确定选型的步进电机的参数18 4.5、滚动导轨的设计计算 21 4.5.1、工作载荷的计算21 4.5.2、小时额定工作寿命的计算21 4.5.3、距离额定寿命计算21 4.5.4、额定动载荷计算21 4.5.5、产品选型22 4.5.6、安装连接尺寸。22 第 5 章 其 余 附 件 的 选 择23 5.1、联轴器的选择23 第 6 章、控 制 系 统 的 设 计 24 6.1、驱动电路流程设计25 6.2、驱动电源的选用，及驱动电源与控制器的接线方式26 第 7 章控 制 系 统 的 部 分 软 件 设 计27 7.1 存储器与 I/O 芯片地址分配27 7.2、控制系统的监控管理程序 27 7.3、8255 芯片初始化子程序28 7.4、8279 芯片初始化子程序28 7.5、8279 控制 LED 显示子程序 28 7.6、8279 管理键盘子程序30 7.7、INT1 中断服务流程图30 7.8、复位程序流程图32 7.9、X 轴电机点动正转程序流程图33 7.10、绘制图弧程序流程图34 7.11、步进电机步进一步程序流程图 35 第 8 章 结 论37 谢 辞 38 参 考 文 献 39 附 录 40 合肥工业大学 2010 年机电一体化自考本科毕业设计 3 X-Y 数控工作台机电系统设计 摘要： X-Y 数控工作台机电系统是一个开环控制系统,其结构简单。 实现方便而且能 够保证一定的精度。它充分的利用了危机的软件硬件功能以实现对机床的控制;使机 床的加工范围扩大,精度和可靠性进一步得到提高。X-Y 数控工作台机电系统是利用 AT89S52 单片机,及 2764,6264 存储器及 8255 芯片等硬件组成,在控制系统的硬件上 编写一定的程序以实现一定的加工功能。其基本思想是:通过圆弧或者直线插补程序 以实现对零件进行几何加工,每进行一段加工都要产生一定的脉冲以驱动电机正反 转,同时通过8255将相应的加工进刀信息送至刀架库中以实现以之相应的走刀,电机 和刀具的相对运动所以实现了刀具对工件的加工。该控制系统采用软件中断控制系 统结构及子程序结构简单，条件明确在经济型数控中应用较多。中断结构采用模块 化结构设计因为这种结构便于修改和扩充，编制较为方便，便于向多处理方向发展。 X-Y 数控工作台机电系统采用步进电机作为驱动装置。 步进电机是一个将脉冲信号转 移成角位移的机电式数模转换器装置。其工作原理是：每给一个脉冲便在定子电路 中产生一定的空间旋转磁场；由于步进电机通的是三相交流电所以输入的脉冲数目 及时间间隔不同，转子的旋转快慢及旋转时间的长短也是不同的。由于旋转磁场对 放入式中的通电导体既转子切割磁力线时具有力的作用，从实现了旋转磁场的转动 迫使转子作相应的转动，所以转子才可以实现转子带动丝杠作相应的运动。 关键词：关键词：X-YX-Y 数控工作台；机电系统；微型计算机；数控工作台；机电系统；微型计算机；62646264 存储器存储器 XY 数控工作台机电系统设计 4 X-Y NC Worktable Mechatronics System Design Abstract： CNC XY table is a mechanical and electrical systems open-loop control system, its structure is simple. Realization of convenience and can guarantee a certain accuracy. It full use of the software hardware crisis To achieve the functions of the machine control; to expand the scope of the processing machine tools, precision and reliability has been further improved. XY NC table is the use of mechanical and electrical systems SCM AT89S52, 2764,6264 and 8255 and memory chips and other hardware components , In the control system of hardware on the preparation of certain procedures in order to achieve a certain processing functions. The basic idea is: circular or linear interpolation procedures to achieve the geometry of the parts for processing, every section of the processing should have a certain impulse to Electric drives positive and, through 8255 corresponding to the processing of information sent to the turret into the knife in order to achieve the corresponding go to the knife, the electrical and tool to achieve the relative movement of the tool so the processing of the workpiece. The control system uses software interrupt control system structure and subroutine is simple, clear in the economic conditions in the application of NC more. Disruption of a modular structure because such a structure designed to facilitate revision and expansion, the establishment of more convenient, easy to handle and more direction. CNC XY table designed by mechanical and electrical systems as a stepping motor-driven devices. Stepper motor is a pulse will be transferred into angular displacement of the Electrical and Mechanical-DAC devices. Its working principle is: each to a pulse in the stator circuit will have a certain space in rotating magnetic field; because of the stepper motor is the three-phase AC-so enter the number of pulses and different time intervals, the rotation speed of the rotor and the length of rotation Are different. As the rotating magnetic field into which both the rotor cutting electricity conductor when a magnetic line of force, to achieve a rotating magnetic field from the 合肥工业大学 2010 年机电一体化自考本科毕业设计 5 force rotation for the corresponding rotor rotation, the rotor can achieve rotor lead screw for the corresponding movement. Keywords：X-Y NC Worktable; Mechatronics system; micro-computers; 6264 memory XY 数控工作台机电系统设计 6 第 1 章 绪 论 1.1 两坐标数控系统课题研究意义 X-Y 数控工作台机电系统设计 是一个开环控制系统,其结构简单.实现方便而且 能够保证一定的精度.降低成本,是微机控制技术的最简单的应用.它充分的利用了 危机的软件硬件功能以实现对机床的控制;使机床的加工范围扩大,精度和可靠性进 一步得到提高. 1.2 两坐标系数控工作台课题研究主要内容 X-Y 数控工作台机电系统设计是利用 AT89S52 单片机,及 2764,6264 存储器及 8255 芯片等硬件组成,在控制系统的硬件上编写一定的程序以实现一定的加工功能. 其基本思想是:通过圆弧或者直线插补程序以实现对零件进行几何加工,每进行一段 加工都要产生一定的脉冲以驱动电机正反转,同时通过 8255 将相应的加工进刀信息 送至刀架库中以实现以之相应的走刀,电机和刀具的相对运动所以实现了刀具对工 件的加工。 1.2.1 两坐标系系统的组成 经济型数控机床驱动电机采用步进电机，多数采用开环控制，需要选择和计算主 要机械传动部件，如滚珠丝杠，螺母副和步进电机等，绘制机床进给传动机构装配 图，绘制单片机控制系统的硬件线路图。 合肥工业大学 2010 年机电一体化自考本科毕业设计 7 第 2 章 设 计 任 务 题目：X-Y 数控工作台机电系统设计 设计一套供立式数控铣床使用的 X-Y 数控工作台，主要参数如下： 2.1 机械系统设计 1. 立铣刀最大直径的 d=15mm，立铣刀齿数 Z=3，最大铣削宽度 c a=15mm； 2. 最大背吃刀量 p a=8mm，加工材料为碳素钢或有色金属； 3. X、Z 方向的定位精度均为0.02mm； 4. 工作台面尺寸为230mm230mm，加工范围为250mm250mm； 5. 工作台空载进给最快移动速度： maxmax 3000mm/ min xy VV，工作台进给最 快移动速度: maxymax 400mm/ min xff VV，加减速 0.4s。 2.2 控制系统的设计 1. 设计的 X-Y 工作台准备用在数控铣床上，其控制系统应该具有轮廓控制，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. 对于步进电动机的开环控制系统，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，I/O 接口电路，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。 XY 数控工作台机电系统设计 8 第 3 章 设 计 总 方 案 的 确 定 3.1、机械传动部件的选择 3.1.1、丝杠螺母副的选择 步进电动机的旋转运动需要通过丝杠螺母副转换成直线运动，需要满足初选 0.01mm 脉冲当量，因为定位精度0.02mm，对于机械传动要有一定的精度损失，大 约是 1/3-1/2 的定位精度，现取为 1/2，即是0.01mm 和0.02mm 的定位精度，滑 动丝杠副无法做到，只有选用滚珠丝杆副才能达到要求，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。 同时选用内循环的形式，因为这样摩擦损失小，传动效率高，且径向尺寸结构紧 凑，轴向刚度高。 由于定位精度不高，故选择的调隙方式是垫片调隙式，这种调隙方式结构简单， 刚性好，装卸方便。 由于工作台最快的移动速度 maxymax 3000mm/min x VV， 所需的转速不高， 故可以采用 一般的安装方法，即一端固定，一端游动的轴承配置形式。 3.1.2、导轨副的选用 要设计数控铣床工作台，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。 3.1.3、伺服电机的选用 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 合肥工业大学 2010 年机电一体化自考本科毕业设计 9 给的精度对于步进电动机来说还是偏低，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，决定采用开环控制，任务书初选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 3000mm/min,故本设 计不必采用高档次的伺服电机，因此可以选用混合式步进电机，以降低成本，提高 性价比。 3.1.4、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，如果要选用减 速装置，则应选用无间隙齿轮传动减速箱。 第 4 章 机 械 传 动 部 件 的 计 算 和 选 择 4.1、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、工作平台、 上层电动机、 减速箱、 滚珠丝杠副、 直线滚动导轨副、 导轨座等， 估计重量约为 800N。 4.2、计算切削力 根据设计任务，加工材料为碳素钢或有色金属及如下参数： 立铣刀最大直径的 d=15mm， 立铣刀齿数 Z=3， 最大切削宽度 e a=15mm 最大背吃刀量 p a=8mm， XY 数控工作台机电系统设计 10 设零件的加工方式为立式加工，采用硬质合金铣刀，工件材料为碳素钢。由【5】 中 P13 页的表中，可知 d=15mm 的硬质合金立铣刀最大的切削参数如下： 每齿进给量 fz=0.1mm 铣刀转速 n=300r/min 由【2】中 P200,查得立铣时切削力计算公式为： 0.850.750.731.00.10 cezp 118afdanZF 代如上式得： 0.850.750.731.00.10 c 118 150.11583003N1229NF 采用立铣刀进行圆柱铣削时，各铣削力之间的比值可由【2】中查得，各铣削力 之间的比值范围如下： f F / c F=(1.01.2)取 1.1 fn F/ c F=(0.20.3)取 0.25 e F/ c F=（0.350.4）取 0.38 考虑逆铣时的情况，因为逆铣的情况的受力最大的情况，为了安全考虑这种最危 险的工况。由此可估算三个方向的铣削力分别为： fc F1.1F1356N ec F0.38F468N fnc F0.25F308N 考虑立铣， 则工作台受到垂直方向的铣削力 z F， 受到水平方向的铣削力分别为 f F 和 fn F 今将水平方向较大的铣削力分配给工作台的纵向， 则纵向铣削力 x F， 径向铣削力 为 y F。 xf FF1352N yfn FF307N ze FF467N 4.3、滚珠丝杠传动设计计算及校验 合肥工业大学 2010 年机电一体化自考本科毕业设计 11 4.3.1、最大工作载荷的计算 已知移动部件总重量 G=800N，按滚动导轨计算，由【3】中 P389，取颠覆力影响 系数 K=1.1，滚动导轨上的摩擦系数查【1】中 P162 可知 u=0.00250.005,现取 u=0.005，求得滚珠丝杠副的最大工作载荷： x FF(FF) eqyZ kuG =1.11352+0.005(307+467+800) =1500N 4.3.2、最大计算动载荷的确定 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 P=5mm,则此时丝杠转速 eq n=v/P=80r/min。 预计滚珠丝杠的工作五年,每天工作八小时，由此得使用寿命为 T=5360 8=14400h，根据【1】中 P162，公式 10-23 得： 6 60 10 eq n T T = 6 10N 式中: T使用寿命14400 h N循环次数 eq n滚珠丝杠的当量转速80r/min 求得： 6 60 80 14400 10 T 72 （ 6 10 r） 查【1】中 P110，表 10-29、10-30 得，受中等冲击载荷取值范围1.21.5 d f ， 现取1.3 d f ，滚道硬度为 60HRC 时，硬度影响系数取值1.0 h f ，由【1】中 P109， 式 5-3 3 cdheq CT f f F 代入数据得： 3 69 1.3 1.0 1495 c C 8112N 4.3.3 规格型号的初选 根据计算出的最大动载荷和初选的丝杠导程， 查网上生产该型号的生产厂家的资 料，选择济宁博特精密丝杠制造有限公司生产的 GDM 系列 2005-3 型滚珠丝杠副，为 内循环固定反向器双螺母垫片预紧式滚珠丝杠副，其公称直径为 20mm，导程为 5mm， 循环滚珠为 3 圈2 系列，精度等级取 5 级，额定动载荷为 9309N，大于最大计算动 载荷 c C=7971，满足要求。 XY 数控工作台机电系统设计 12 4.3.4、传动效率的计算 将公称直径 d0=20mm,导程 P=5mm,代入=arctanP/(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%。 4.3.5、刚度的验算 X-Y 工作台上下两层滚珠丝杠副的支承均采用“一端固定，一端游动”的轴承配 置形式。由【1】中 P162 的 10-23 可知这种安装适用于较高精度、中等载荷的丝杠， 一端采用深沟球轴承，一端采用一对背对背角接触球轴承,这样能承受集中力偶。 丝杠螺母的刚度的验算可以用接触量来校核。 1、 滚珠丝杠滚道间的接触变形量， 查 【3】 中相关公式， 根据公式 0/W Zdd， 求得单圈滚珠数 Z=20；该型号丝杠为双螺母，滚珠的圈数列数为 32，代入公式 ZZ圈数列数，得滚珠总数量Z=120。丝杠预紧时，取轴向预紧力 eq FyF/3=498N。查【3】中相关公式，得， 滚珠与螺纹滚道间接触变形 ： 33 1 0.0013/ wy Pad F z 式中钢球直径 w d=3.175mm 33 1 0.0013/ wy Pad F z = 33 0.0013 1495/3.175 498 1200.0014。 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 1 =0.0007mm。 2、丝杠在工作载荷 max F作用下的抗拉压变形 2 丝杠采用的是一端采用深沟球轴承， 一端采用一对背对背角接触球轴承的配置形 式，轴承的中心距 a=560mm,钢的弹性模量 E=2.110 5MPa,由表一中可知，滚珠直径 w d=3.175mm,丝杠底径 2 d=16.2mm，则丝杠的截面积 S= 2 2 d / 4=206.12 2 mm,由【7】 中，式 3-35 2 F/ eqa ES 式中最大工作载荷Feq=1495N 中心距 a=560mm 弹性模量 E=2.110 5MPa 截面积 S= 2 2 d / 4=206.12 2 mm 合肥工业大学 2010 年机电一体化自考本科毕业设计 13 代入以上数据，得， 2 =0.019mm 3、则总变形量为： 12 0.00070.0190.019719.7mmum 总 本例中，丝杠的有效行程为 500mm，由【3】中知，5 级精度滚珠丝杠有效行程在 400500mm 时，行程偏差允许达到 30m，可见丝杠刚度足够。 4.3.6、稳定性的验算 根据【3】中 式 5.7-17 2 2 EI L K k a f P 。 式中取支承系数 k f=2； 由丝杠底径 d2=16.2mm 求得截面惯性矩 4 2 /64Id3380.88 4 mm； 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 L=a 取最大值 560mm。 代入公式，得 Pa=14896 N 大于 c C=7533N，故不会失稳，满足使用要求。 4.3.7、临界转速的验算 对于丝杠有可能发生共振，需验算其临界转速，不会发生共振的最高转速为 临界转速 c n，由【2】中 P111 式 5-10 得： 2 22 c 2 f d n9910 Lc 式中 20w dd1.2D20-1.23.175=1mm c L为临界转速计算长度 c2 L16.2d 2 f为丝杠支承方式系数 2 f=3.927（一端固定，一端游动） 代入数据得： c n6100 / minr 临界转速远大于丝杠所需转速，故不会发生共振。 XY 数控工作台机电系统设计 14 4.3.8、滚珠丝杠的选型及安装连接尺寸的确定 由以上验算可知，选用 GDM2005 型的丝杠，完全符合满足所需要求，故确定选用 该型号， 由表一可知丝杠所需的安装连接尺寸 表 4-1 滚珠丝杠螺母副几何参数（单位 mm） 丝杠滚道 名称符号计算公式和结果 公称直径 0 d20 螺距P5 接触角45 钢球直径 w d3.175 螺纹滚道法面半径R0.521.651 w Rd 偏心距e0.0449e 螺纹升角 arc4 33 h w P tg d 丝杆 丝杠外径 1 d19.3 丝杠底径 2 d16.2 螺杆接触直径 z dcos17.75 zwb ddd 丝杠螺母螺母螺纹外径D 0 2223.212DdeR 螺母内径（内循环） 1 D20.14 4.4、步进电机的传动计算及电动机的选用 4.4.1、传动计算 因为该铣床的加工精度为0.02mm，考虑到机械传动部分造成的精度损失，故选 用铣床的脉冲当量为 0.01mm/Hz， 初选步进电动机的步距角=0.72。由【1】中 P121 式 5-18 得：传动比 i= 360360 0.011 t0.72 5 i 由于传动比为 1，则不需要选用减速箱，采用电动机轴与丝杠通过联轴器联接的 合肥工业大学 2010 年机电一体化自考本科毕业设计 15 方式。 4.4.2、步进电动机的计算和选型 1、步进电动机转轴上的总转动惯量的计算。总转动惯量 J 主要包括电动机转子 的转动惯量、滚珠丝杠上一级移动部件等折算到电动机轴上的转动惯量。 a、滚珠丝杠的转动惯量 J 。对材料为钢的圆柱零件转动惯量可按下式估算 由 【1】中 P134 式 5-28 得： 412 0.7710JD L 式中 ： D为丝杠公称直径 D=20mm L为丝杠长度 L=560mm 代入数据，得： J=0.7720 4 56010 12 =6.910 5 kg. b、滚珠丝杠上一级移动部件等折算到电动机轴上的转动惯量。由【1】中式 5-29 得： 26 2 ()10 2 s JM 式中：M 为工作台的（包括工件）的质量： M= 800 9.8 G g =81.6kg S 为丝杠螺距 S=5mm 代入数据，得： 2652 2 5 ()81.6 105.2 10. 2 Jkg m c、初选常州宝马前杨电机电器有限公司的 90YG5502 型混合式步进电动机，可知 其转子的转动惯量 4 3 4 10 kg.J 所以： 123d JJJJ=6.910 5 +5.210 5 +410 4 =5.1610 4 Nm 验算惯量匹配，电动机轴向惯量比值应控制在一定的范围内，既不应太 大也不应太小，即伺服系统的动态特性取决于负载特性。为使该系统惯量达到较合 理的配合，一般比值控制在 1/41 之间，由于 XY 数控工作台机电系统设计 16 4 3 4 4 10 0.78 5.16 10 d J J 由此可见: 3 1 1 4 d J J ,符合惯量匹配要求。 4.4.3、步进电机轴上的等效负载转矩 M 的计算 a、承受的负载转矩在不同工况下是不同的，考虑最大切削负载时电动 机所需力矩，由【1】中 P132 式 5-25 得： 10atft MMMMM 式中： r J为折算到电动机轴上的总惯量 r J= d J=5.1610 4 T系统时间常数，由任务书知为 T=0.4s t n切削时的转速为 300r/min 9.6 r at J n M T ，得： 4 2 5.16 10300 4.03 10 9.6 0.4 at M Nm 3 0 10 2 f F S M i 式中： 0 F为导轨摩擦力 0 ()(469800) 0.0056.3 Z FFG uN S为丝杠螺距 S=5mm I为齿轮降速比，已计算出为 1 为传动链总效率，=0.70.8，取 0.8 代入数据，得： 3 6.27 10 f M Nm 23 max 00 (1) 10 2 a FS M i 式中： maxa F为最大轴向载荷， max 503 3 eq a F FN 0 为滚珠丝杠未预紧时的效率， 0 =0.950.9 代入数据，得： 0 0.048M Nm 合肥工业大学 2010 年机电一体化自考本科毕业设计 17 3 10 2 t t FS M i 式中： t F进给方向的最大切削力1356 tx FFN 代入数据，得：1.34 t M Nm 由此都得到等效负载转矩 10 1.46 atft MMMMMNm b、快速空载时电动机所需力矩 M。由【1】中 P132 式 5-24 得： max0af MMMM 加速力矩 max max 9.6 r a J n M T 式中： max max 3000 600 / min 5 h V nr P 代入数据，得： max 0.06 a MNm 力矩摩擦 3 0 10 2 f F S M i 式中：u 为导轨副的摩擦因数，滚动导轨取 u=0.005 代入数据，得：0.0004 f MNm 附加摩擦力矩： 23 max 00 (1) 10 2 a FS M i 代入数据，得： 0 0.048M Nm 所以可知快速空载时点击所需力矩： 2max0af MMMM =0.06+0.0004+0.048 =0.1084 Nm 比较 1 M和 2 M，取其较大者，就是最大等效负载，即：M= 1 M=1.46N.M 4.4.4、步进电机的初选 考虑到步进电机的驱动电源受电网的影响较大，当输入电压降低时，其 输入转矩也会下降，可能会造成丢步，甚至堵转，因此按最大等效负载 M 考虑一定 的安全系数，取=3，则步进电机的最大静转矩应满足： max 33 1.464.38 j TM Nm 由所选的电机型号参数可知，最大转矩 max 5 j TNm，可知满足要求。 XY 数控工作台机电系统设计 18 4.4.5、步进电机性能校核 a 、最快工进速度时电动机时输出转矩校核。任务书给定工作台最快工进速 度 max f V=400mm/min，脉冲当量0.01mm/脉冲，求出电动机对应的运行频率 max 400/(60 0.01)667 f fHz。从 90BYG5502 电动机的运行矩频特性曲线图可以