机电一体化课程设计-450 x450多用数控XY工作台设计.doc

全套图纸加153893706机电一体化系统设计课程设计说 明 书设计者 ：专业：06级机械电子工程指导老师：一、课程设计的题目及要求 （一）题目：多用数控XY工作台设计。已知条件：定位精度：0.01mm，滚珠丝杠及导轨使用寿命：T=15000h，中等冲击，各题目的有效行程、快速进给速度和工作载荷见下表：题号有效行程(mm)快速进给速度(mm/min)工作载荷Fz (N)LxLyvmaxvymax15450450150015001200（二）设计要求：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；3. 大胆创新，确定合理、可行的总体设计方案；4. 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；5. 微机控制系统方案可行，硬件选择合理；6. 手工或电脑绘制机械系统装配图一张（A1），控制系统电气原理一张（A1或A2），图纸符合国家标准，布图合理，内容完整表达清晰；7. 编写课程设计说明书（不少于8000字，电脑打印），应包括以下内容：（1）封面（2）设计题目（3）目录（4）正文（总体方案设计，机械系统设计计算，电气控制方案等）（5）设计总结（6）参考文献8设计单独完成任务。（三）课程设计的目的：机电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. 培养学生机电一体化系统方案设计与分析的能力、机械电子伺服系统设计与分析的能力、创造性提出并解决关键问题的能力。3. 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；4. 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；5. 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。（四）课程设计的任务：综合运用所学的机械、电子、控制理论等方面的专业知识进行机电一体化系统的初步设计，为将来的进一步设计打好基础。二、总体方案的确定根据设计任务确定系统的总体机械和控制系统方案：进行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. 系统运动方式与伺服系统采用连续控制系统。考虑到运动精度要求不高，为简化结构，降低成本，宜采用步进电机开环伺服系统驱动。2. 计算机系统采用MCS-51系列中的8031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。系统的工作程序和控制命令通过键盘操作实现。显示器采用数码管显示加工数据和工作状态等信息。3. 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。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。考虑电机步距角和丝杠导程只能按标准选取，为达到分辨率的要求，以及考虑步进电机负载匹配，采用齿轮减速传动。系统总体框图三、机械部分的设计和计算1、工作台的初步设计：（1）确定系统脉冲当量脉冲当量是个进给指令时工作位移量，应小于等于工作台的位置精度。一般为0.010.005mm。（2）工作台外形尺寸及重量初步估算。工作台简图载物台的尺寸：长 宽 高 X向拖板（上拖板）尺寸：长 宽高= ；重量：按重量=体积材料比重估算：Y向拖板（下拖板）尺寸：长 宽高=，重量为495N，X-Y工作台运动的总重量W=495N+495N=990N； (3) 滚动导轨副的计算、选择 工作载荷P=0.5(Fz+W)= 又因为静安全系数fSL=C0/P，式中：C0为导轨的基本静额定载荷，kN； fSL=1.03.0(一般运行状况)，3.05.0（运动时受冲击、振动）。此题中有冲击所以取fSL=4;则根据计算结果查有关资料初选导轨：选取导轨的型号为：JSA-LG15，其额定静载荷中，符合设计要求。因为有效行程，且X方向载物台的宽度为130mm,Y方向载物台的长度为200mm.考虑到留有一定的余量。经综合考虑，取上拖板导轨的长度为850mm,下载物台导轨的长度为850mm. 依据使用速度v（m/min）和初选导轨的基本动额定载荷C(kN)验算导轨的工作寿命Ln：(hour)= （4）滚珠丝杠计算、选择初选丝杠材质：CrWMn钢，HRC5860，导程：l0=6mm。（1） 强度计算丝杠轴向力：(N)式中：K=1.15，滚动导轨摩擦系数f=0.0030005；在车床车削外圆时：Fx=(0.10.6)Fz，Fy=(0.150.7)Fz，可取Fx=0.5Fz，Fy=0.6Fz计算。 所以： 寿命值： 其中丝杠转速=（r/min)最大动载荷：式中：fW为载荷系数，中等冲击时为1.21.5；fH为硬度系数，HRC58时为1.0。在这里取， 所以最大动载荷：根据使用情况选择滚珠丝杠螺母的结构形式，并根据最大动载荷的数值可选择滚珠丝杠的型号。根据计算出的最大动载荷和初选的丝杠导程，查表3-31选择GD系列2006-3型滚珠丝杠副，公称直径为20mm，导程为6mm，循环滚珠为3圈1列，精度等级取五级，额定动载荷为9366N，满足要求。传动副的传动效率：，其中是公称直径，带入的=，其中：=10，为摩擦角；为丝杠螺旋升角。（4）稳定性验算丝杠两端采用止推轴承时不需要稳定性验算。此题即采用止推轴承，否则，按教材32页式（2.2）验算。式中：Fk为丝杠实际承受载荷的能力；fk为压杆稳定的支撑系数；E=2.1x1011Pa为钢的弹性模量；为丝杠小径d1的截面惯性矩；ls为丝杠长度；K=2.54为压杆稳定安全系数。（5）刚度验算滚珠丝杠受工作负载引起的导程变化量为：(cm)，其中（材料为钢），Y向受力最大，所以取F=834.8N。 ，丝杠因受扭矩所引起的导程变化量很小，可忽略，所以导程误差，E级精度的丝杠允许误差为。刚度足够。（5）齿轮设计，计算。齿轮传动比：，其中步距角=1.5/step。根据计算的传动比，由整体结构要求初定大小齿轮齿数及模数m，从结构上采取措施消除传动间隙以提高传动精度（如下图所示）。齿轮1、2的分度圆直径分别为：d1=mz1，d2=mz2；齿宽b=20mm，分度圆压力角=20；齿顶圆直径为：da1=(z1+2)m，da2=(z2+2)m；中心距a=0.5(d1+ d2)。1、2-薄齿轮, 3弹簧, 4、8凸耳, 5调节螺钉, 6、7螺母双片齿轮错齿消隙结构图若取Z1=24，则Z2=50。因传递的扭矩较小，取模数m=1mm 齿轮尺寸：Z24502450265221.549.537（6）步进电机等效负载计算 （1）等效转动惯量的计算折算到步进电机轴上的等效负载转动惯量为：(kgcm2)式中：Jw，Jz1，Jz2和Js分别为折算到步进电机轴上的工作台、齿轮1、齿轮2和丝杠的等效转动惯量，kgcm2。其中：， 所以： (Nm2)式中：d0为丝杠的名义直径；Ls为丝杠的总长；s，z分别为丝杠和齿轮的材料密度，可取为7.85x10-3kg/cm3。（2）等效负载转矩计算空载时的摩擦转矩： (Nm)工作时的负载转矩：(Nm)(Nm)式中：=0.8，为考虑丝杠预紧时的传动效率。（3）起动惯性阻转矩计算 (Nm)式中：电机转速m=2pnm/60，起动加速时间t=0.025s。（4）步进电机输出轴上总负载转矩计算 =+0.0030.29+0.347 =0.64(Nm) （7）步进电机的选择为使步进电机正常起动（不失步），其起动力矩应满足：，取如选用三相六拍工作方式，则 步进电机的最高运行频率为：综合考虑，确定步进电机的型号为75BC380A。说明：为便于设计和采购，X、Y轴的电机可选择一样。（8）机械传动结构装配图见附录。四、机床数控系统硬件电路设计1、确定硬件电路总体方案: 机床数控系统的硬件电路概括起来由以下四部分组成： 主控制器：就是中央处理单元CPU。 总线：包括数据总线（DB）、地址总线（AB）、控制总线（CB）。 存储器：包括只读可编程序存储器和随机读写数据存储器。 接口：即I/O输入/输出接口电路。 数控系统的硬件结构框图如下： 控制系统硬件框图除此之外，还要根据数控系统的要求配备一些外围设备和信号变换电路。其中信号变换电路是A/D转换、D/A转换、光电隔离、功率放大等，是实现微机与控制对象之间的信号匹配与转换的中间电路。它们可根据控制系统的要求选取。2、主控制器CPU的选择： 在微机应用系统中，CPU的选择应考虑以下要素：（1） 时钟频率和字长（控制数据处理的速度）；（2） 可扩展存储器（ROM/RAM）的容量；（3） 指令系统功能是否强；（4） I/O口扩展的能力；（5） 开发手段（包括支持开发的软件和硬件电路）。3、存储器扩展电路的设计: 程序存储器扩展单片机应用系统中扩展用的程序存储器芯片大多采用EPROM。其型号分别是2716、2732、2764、27128、27256等，其容量分别是2k、4k、8k、16k、32k。要注意8031所能读取的时间必须大于EPROM所要求的读取时间。地址锁存器74LS373 单片机规定P0口提供低8位地址线，同时又要作数据线，所以是分时输出低8位地址和数据的通道口。为了把地址信息分离出来保存，以便为外接存储器提供低8位地址信息，一般采用74LS373作为地址锁存器，并由CPU发出地址允许锁存信号ALE的下降沿，将地址信息锁存入地址锁存器中。有关程序存储器和地址锁存器的接线图参见控制部分的电气原理图。数据存储器的扩展因为8031内部RAM只有128字节，远远不能满足系统的要求，需扩展片外的数据存储器。单片机应用系统数据存储器扩展电路一般采用6116和6264静态RAM数据存储器，其选用的规则与EPROM程序存储器的要求相同。有关它的接线图也参见控制部分的电气原理图。 译码电路在单片机应用系统中，所有外围芯片都通过总线与单片机连接。单片机数据总线分时地与各个外围芯片进行数据传送，故要进行片选控制。片内有多个字节单元时，还要进行片内地址选则。由于外围芯片与数据存储器统一编址，因此，单片机的硬件设计中，数据存储器与外围芯片的地址译码较为复杂。可采用线选法和全地址译码方法。4、I/O口扩展电路设计:8031单片机共有四个8位并行I/O口，但可提供给用户使用的只有P1口及部分P3口线。因此在大部分应用系统中都不可避免的要进行I/O口扩展。其中通用可编程接口芯片8155与微机的接口较为简单，是微机系统中广泛使用的接口芯片。5、键盘、显示接口电路:键盘、显示器是数控系统常用的人机交互的外部设备，可以完成数据的输入和计算机状态数据的动态显示。通常，数控系统都用行列式键盘，即用I/O口线组成行、列接构，按键设置在行列的交点上。数控系统中使用的显示器主要有LED（发光二极管显示器）和LCD（液晶显示器），为了方便显示图形，也有用CRT接口显示方式的系统。6、步进电机驱动电路:步进电机是一种用脉冲信号控制的电动机，在负载能力及动态特性范围内，电动机的角位移仅与控制脉冲数成正比，转速仅与控制脉冲频率成正比。在多数情况下，用步进电机作为执行元件的数控系统中不需要A/D或D/A转换，可采用较为简单的开环控制，因而成为经济型数控机床最主要的一种的伺服驱动单元。步进电机的驱动电路由图5所示四部分组成。步进电机驱动电路计算机接口在数控系统中，步进电机接口电路至关重要。没有它将无法实现微机对步进电机的控制。如前所述，8031系列单片机含有4个并行输入/输出口，提供32根I/O线。其中P1口可供用户使用，作为步进电机及其他控制对象的接口。也可以采用8155或8255（8255功能与8155相似，可参看有关资料）等可编程并行输入、输出接口芯片设计扩展接口电路，来控制步进电机与其它外部设备。脉冲分配器脉冲分配器又叫环形分配器，是驱动步进电机比不可少的环节。步进电机的控制方式由环形分配器实现，其作用是将数控装置送来的一系列指令按一定的分配方式和顺序输送给步进电机的各相绕组，实现电机的正转或反转。在数控系统中通常使用较多的是集成脉冲分配器和软件脉冲分配器。集成脉冲分配器，按其电路结构不同分为TTL集成电路和CMOS集成电路。目前市场上提供的TTL产品有YB013、YB014、YB015及YB016，分别为三相、四相、五相和六相。它们都是18个管角的直插式封装。软件环形分配器用软件编程的方法来实现，在数控机床教学实验中已详细地介绍了软件环形分配器的设计方法，不在赘述。隔离电路在步进电机驱动电路中，脉冲分配器输出的信号经放大后控制步进电机的励磁绕组。由于步进电机需要的驱动电压较高（几十伏），电流也较大（几安到几十安），如果将输出信号直接与功率放大器相连，将会引起强电气干扰。轻则影响计算机程序的正常进行，重则导致计算机和接口电路的破坏。所以一般在接口电路与功率放大器之间都要加上隔离电路，实现电气隔离，通常使用最多的是光电耦合器。光电耦合器由发光器件和受光器件组成，联结发光源的引线作为输入端，联接受光器件的引线为输出端。通常发光器件是发光二极管，受光器件是光敏三极管。图6是型号4N25光电耦合器的引脚与接线图。图（a）为共集电极输出型，图（b）为共发射极输出型。当输入信号Vt加到输入端时，发光二极管导通激发发出红外光，受光三极管受光照射后，由于光敏效应产生光电流，通过输出端输出，从而实现了以光为媒介的电信号传输。输入端与输出端在电气上完全隔离。由于光电耦合器非线性失真大，不适合传输模拟信号，一般只用于进行开关量的传输及电平转换。4N25型光电耦合器引脚与接线图功率放大器脉冲分配器的输出功率很小，远不能满足步进电机的需要，必须将其输出的信号放大产生足够大的功率，才能驱动步进电机的正常运转。功率放大器按其结构不同分为单电源型和双电源型。前者电路设计为单电压供电，仅在步进电机的绕组回路串联一个小于10欧的电阻，以增大功率放大器负载回路的电阻，使步进电机绕组中电流上升的时间常数减小，提高上升沿的陡度。（=L/R）双电源型采用高低压供电电路，在功率放大器导通初始时，加上比额定电压高几倍的电源供电，使电动机绕组电流从零很快增大，当电流升到接近额定值时切断高电压电源而由额定电压为绕组提供正常工作电流。单电源功率放大器线路简单，但效率不高，只适用小功率的步进电机。目前我国步进电机的功率放大器以由生产厂家生产出系列化产品，所以在设计数控机床控制电路时不必考虑其内部电路结构，只需要根据选用的步进电机容量选择功率放大器。7、其它辅助电路设计8031的时钟电路单片机的时钟可以由两种方式产生：内部方式和外部方式。内部方式利用芯片内部振荡电路，在XTAL1、XTAL2引脚上外接定时元件。晶体可在1.212MHz之间任选，耦合电容在530pF之间，对时钟有微调作用。采用外部方式时，可以把XTAL1直接接地，XTAL2接外部时钟源。复位电路单片机的复位都是靠外部电路实现。在时钟电路工作后，只要在RESET引脚上出现10ms以上的高电平，单片机就实现状态复位，之后CPU就从0000H单元开始执行程序。一般数控系统都采用上电与按钮复位组合，如图7所示。上电瞬间，RC电路允许，RESET引脚端出现正脉冲，只要RESET端保持10ms以上的高电平，单片机就有效复位。在实际应用系统中若有些需要复位的芯片其复位电平与8031复位要求一致，就可直接相连。当晶振频率选用6MHz时，复位电路中C取22F，R取200，Rk取1k。为了保证复位可靠，通常采用如图8所示的实用复位电路。复位电路越界报警电路为了防止工作台越界，可分别在极限位置安装限位开关。如是两坐标联动的数控系统，则有4个方向可能越界，即+X、-X、+Y、-Y。一旦某一方向越界，应立即停止工作台移动，可通过光电耦合器的输入隔离电路如图9所示。行程开关接到发光二极管的阴极，光敏三极管的输出接到8031的I/O口P1.0。当任何一个方向的行程开关被压下，发光二极管就发光，使光敏三极管导通，由低电平变为高电平。8031可用软件设计成查询的方法随时检测有无越界信号。也可接成从光敏三极管的集电极输出接到8031的外部中断引脚（INT0或INT1），采用中断方式检测越界信号。（为了报警，可以设置发光二极管，工作时不亮，有越界信号时，红灯亮，指示工作台越过极限位置。）8、电气原理见附录五、系统控制软件的设计1、系统控制软件的主要内容数控系统是按照事先编好的控制程序来实现各种控制功能。按照功能可将数控系统的控制软件分为以下几部分内容。、系统管理程序它是实现系统协调工作的主体软件。其主要功能是：（1）接收操作者的命令；（2）执行命令；（3）从命令处理程序返回到管理程序接收命令的环节，使系统处于新的等待操作状态。、零件加工源程序的输入处理程序该程序完成从外部I/O设备输入零件加工源程序的任务。、插补程序插补程序根据零件加工源程序进行插补运算，分配进给脉冲。、伺服控制程序伺服控制程序根据插补运算的结果或操作者的命令控制伺服电机的速度、转角及方向。、诊断程序诊断程序包括移动部件移动越界处理、紧急停机处理、系统故障诊断、查错等功能。、机床的自动加工与手动控制程序在调整机床时往往需要机床的手动控制。、键盘操作和显示处理程序键盘操作和显示处理程序的功能包括监视键盘操作，显示加工程序、机床工作状态、操作命令等信息。2、程序设计技术系统控制软件根据系统功能的要求而设计，应可靠的实现系统的各种功能。在设计系统软件时必须详尽而细致地分析系统控制对象的特点及对控制功能的要求。在确定好控制方式、计算方法和控制顺序后，将其处理顺序用框图描述出。系统控制软件通常用汇编语言编写。程序设计的方法通常有：模块化程序设计和自顶向下程序设计。3、步进电机控制子程序的设计步进电机的控制包括速度、转角及方向的控制。步进电机在突然启动或停止时，由于负载和惯性，会使电机失步，所以步进电机运行时应有一个加、减速过程。通过确定进给脉冲数和脉冲时间间隔，即可实现步进电机转角与速度的控制。经过计算知加、减速脉冲个数都为27个。因为，所以计算时要根据脉冲时刻tn查时间常数表，得脉冲时间间隔T，再由Te=T10-3/（te10-6）求出时间常数Te，式中：T脉冲时间间隔（ms）；te单片机机器周期（s），在时钟为6MHz时，te2s。在EPROM存储器中，时间常数依次安排在首地址为1000H的存储单元中，每个时间常数占两个字节，低位地址存放时间常数低8位，高位地址存放时间常数高8位。在程序中，设置加速、恒速、减速脉冲数计数器N0、N1、N2。以计数器的值是否为0作为相应过程（加速、恒速或减速）是否结束的标志。步进电机控制程序框图见图10。步进电机控制子程序（后台程序）流程图（b）步进电机控制中断服务程序流程图 4、汇编语言程序设计（1）内存地址分配加速脉冲数计数器N0地址设为20H。恒速脉冲数计数器N1低8位字节NIL地址21H，高8位字节地址22H。减速脉冲数计数器N2地址23H。加速、恒速、减速脉冲总数寄存器N低位字节NL地址为24H，高位字节NH地址为25H。步进电机进给控制子程序FEED首地址为0E80H。每调用一次该程序，步进电机按规定方向进给一步。（2）程序清单N0 EQU 20H ；加速NIL EQU 21H ；恒速NIH EQU 22H ；恒速N2 EQU 23H ；减速NL EQU 24H ；脉冲总数寄存器NH EQU 25HDS EQU 26H ；地址指针偏移量FEED EQU 0E80HORG 0E00H0E00 758160 START：MOV SP，#60H ；程序开始0E03 758901 MOV TMOD，#01H ；设计数器是工作方式1，16位定时器0E06 75201B MOV N0，#1BH ；设N0初值为270E09 75231B MOV N2，#1BH ；设N2初值为270E0C E520 MOV A，N0 ；计算2N00E0E 23 RL A0E0F F8 MOV R0，A0E10 C3 CLR C ；计算N1=N-2N00E11 E524 MOV A，NL 0E13 98 SUBB A，R00E14 F521 MOV NIL，A ；恒速计数器赋值（低位）0E16 E525 MOV A，NH0E18 9400 SUBB A，#00H0E1A F522 MOV NIH，A ；恒速计数器赋值（高位）0E1C 901000 MOV DPTR，#1000H ；设时间常数地址指针初值1000H0E1F 752600 MOV DS，#00H ；设地址偏移量初值为00H0E22 93 MOVC A，A+DPTR ；从EPROM中读取时间常数0E23 F58A MOV TL0，A ；送时间常数至定时器0中0E25 0526 INC DS0E27 E526 MOV A，DS0E29 93 MOVC A，A+DPTR0E2A F58C MOV TH0，A0E2C 0526 INC DS0E2E D2AF SETB EA ；置中断使能控制器IE的EA位（即开中断允许）0E30 D2A9 SETB ET0 ；允许定时器0中断0E32 D28C SETB TR0 ；启动定时器0开始计数0E34 20AFFD WAIT：JB EA，WAIT ；中断允许返回0E37 22 RET中断服务程序： ORG 000BH ；定时器0中断入口地址000B 020F00 LJMP 0F0CH ORG 0F00H0F00 E526 INT：MOV A，DS ；送时间常数至定时器0中0F02 93 MOVC A，A+DPTR 0F03 F58A MOV TL0，A0F05 0526 INC DS0F07 E526 MOV A，DS0F09 93 MOVC A，A+DPTR0F0A F58C MOV TH0，A0F0C 0526 INC DS ；修改地址便移量指针0F0E D180 ACALL FEED ；调FEED子程序，使电