数控铣床X-Y工作台设计.doc

机电一体课程设计说明书设计题目：数控铣床X-Y工作台设计班级： 机自0402班设计者： 111学号： 0400041024指导教师： 1222 江南大学机械工程学院2008年1月目 录设计任务3一.系统总体方案设计 3(一)机械系统 3(二)接口设计 3(三)伺服系统设计 4(四)控制系统设计 4二.机械系统的设计计算 4(一) 滚珠丝杠的选型与计算4(二) 滚动直线导轨的选型与计算7(三) 电机的选择 8(四)光电开关的选择10(五)限位开关的选择 10三 控制系统设计121.操作面板的布置图122.操作面板功能介绍123.控制系统原理框图155、光电开关和限位开关信号采集原理 156、键盘、显示器接口电路分析 15四 程序 16五 参考文献19设计任务: 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/年一.系统总体方案设计由设计任务书知,本次设计可采用如下方案(一)机械系统1.传动机构采用滚珠丝杠副2.导向机构采用滚动直线导轨3.执行机构采用步进电机(二)接口设计1.人机接口(1)采用键盘作为输入(2)采用LED作为指示标志(3)采用数码管作为显示器2.机电接口 采用光电耦合器作为微型机与步进电动机驱动电路的接口,实现电气隔离.(三)伺服系统设计 采用开环控制(四)控制系统设计二.机械系统的设计计算(一)滚珠丝杠的选型与计算由技术要求,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FC1型号,按滚珠丝杠副的额定动载荷Ca 等于或稍大于的原则,查表2-9选以下型号规格FC1-2505-2.5 Ca=9610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,FC1-2505-2.5各项性能均符合题目要求,可选用.(二)滚动直线导轨的选型与计算(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 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 选用汉江机床厂的HJG-D系列滚动直线导轨,查表2-13,其中HJG-D26型号的导轨的Ca值为17600,能满足八年的使用要求.(三)电机的选择1. 电机类型选择在开环控制的中小型伺服系统中,可以采用步进电机。减速器传动比计算选各传动齿轮齿数分别为=20, =40,模数m=2mm,齿宽b=20mm.。大齿轮采用双圆柱薄片齿轮错齿调整。强度强度检验略。2. 电动机轴上总当量负载转动惯量计算初选步进电机75BF001, =将各传动惯量及工作台质量折算到电动机轴上，得总当量负载转动惯量。惯量匹配验算，满足要求。4步进电机负载能力校验步进电动机轴上得总惯量：空载启动时，电动机轴上得惯性转矩：电动机轴上得当量摩擦转矩：设滚动丝杠螺母副得预紧力为最大轴向载荷得,则因预紧力而引起的、折算到电动机轴上的附加摩擦转矩为工作台上的最大轴向载荷折算到电动机轴上的负载转矩为于是空载启动时电动机轴上的总负载转矩为在最大外载荷下工作时，电动机轴上的总负载转矩为按表5-5查得空载启动时所需电动机最大静转矩为按式5-39可求得在最大外载荷下工作时所需电动机最大静转矩为 （四）光电开关的选择 产品简介E3R型放大器内置型光电传感器，低成本，小型光电传感器，采用了耐药品、耐油性都很优秀的特氟龙（PFA）能够民晶圆片洗净槽的硫酸等高温液体的检测相对应。（-40 +200），实现了0.5mm的高重复精度。采用了防止液体的结构。 应用范围能为制造过程提供高性能的目标探测、定位和高分辨率检测,适用于半导体工业中的目标检测等应用产品性能说明检测方式：对射型检出距离：5M 动作模态：遮光时ON，入光时ON（可切换） 选择的产品型号：E3R-5E4 2M BY OMC（五）接近开关的选择选用CLJ-A系列M8*1非埋入式来源于：/cp_show.asp?info_id=214三、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.位移状态选择开关以手动或自动操作工作台的移动时，可通过旋转此开关来改变工作台的移动状态。位移控制2启动开关（按下此开关机床启动）3停车开关（按下此开关机床停车。）4进给轴选择按钮开关按下欲运动的轴的按钮。被选择的轴会以相应的倍率进行移动，松开按钮则轴停止移动。 5回零位键（按下此键工作台回零位）6显示器 八位晶体管显示器，显示工作台的位置，精确到0.001mm。 X向位置 Y向位置7.X零位指示灯ON表示X向工作台回零位。OFF表示X向工作台没有回零位。8.X限位报警ON表示X向工作台到达极限位置，需要紧急停车。OFF表示X向工作台没有回零位 9.Y零位指示灯ON表示Y向工作台回零位。OFF表示Y向工作台没有回零位。10.Y限位报警ON表示Y向工作台到达极限位置，需要紧急停车。OFF表示Y向工作台没有回零位11.正常运行指示灯ON表示机床正常运行。OFF表示机床没有正常运行（三）控制系统原理框图 图六、控制系统原理框图（四）电动机控制原理步进电机控制接口电路如图八所示。 图八、电动机接口电路图（六）键盘、显示器接口电路分析 键盘、显示器接口电路如图十一所示。8279的SL0用来判断显示X向或显示Y向位移，SL1-SL3经两片74LS138分成16路作为发光二极管的位选信号，OUTA0-OUTA4和OUTB0-OUTB4送出段选信号。在位选信号中选出5条作为键盘列扫描信号。 图十一、键盘、显示器接口电路四、程序（一）步进电机控制程序ORG 8100HROUTN2: MOV R2, COUNT ;步进电机步数LOOP0: MOV R3, #00H MOV DPTR , #POINT ;送控制模型指针JNB 00H,LOOP2 ；反转，转LOOP2LOOP1： MOV A,R3 ;取控制模型MOVC A ,A+DPTR JZ LOOP0MOV P1,AACALL DELAY ;延时 INC R3 DJNZ R2,LOOP1 ;步数未走完，继续 RETLOOP2: MOV A, R3 ; ADD A,#07H MOV R3,A AJMP LOOP1（二）键盘程序 MOV DPTR,#7FFFH ;指向8279控制口 MOV A ,#00H ;键盘设置为编码扫描，双键锁定方式 MOVX DPTR, A ;输出控制字 MOV A ,#2FH ;置分频数为15 MOVX DPTR , A ;输出控制字KO: MOV 30H,#1LCALL LSLJMP KEYK1: MOV 30H,#6LCALL LSLJMP KEYK2: MOV A , #0EH MOV DPTR , #17FFH ;指向8355 C口，输出X向电机正转代码 MOVX DPTR ,ALJMP KEYK3: MOV 30H,#2LCALL LSLJMP KEYK4: MOV 30H,#7LCALL LSLJMP KEYK5: MOV A , #0DH MOV DPTR , #17FFH ;指向8355 C口，输出X向电机反转代码 MOVX DPTR ,ALJMP KEYK6: MOV 30H,#3LCALL LSLJMP KEYK7: MOV 30H,#8LCALL LSLJMP KEYK8: 回零位K9: MOV 30H,#4LCALL LSLJMP KEYK10: MOV 30H,#9LCALL LSLJMP KEYK11: MOV A , #0BH MOV DPTR , #17FFH ;指向8255 C口，输出Y向电机正转代码 MOVX DPTR ,ALJMP KEYK12: MOV 30H,#5LCALL LSLJMP KEYK13: MOV 30H,#0LCALL LSLJMP KEYK14: MOV A , #07H MOV DPTR , #17FFH ;指向8355 C口，输出Y向电机反转代码 MOVX DPTR ,ALJMP KEY（三）显示程序LS ：MOV DPTR,#7FFFH ;指向8279控制口 MOV A ,#08H ;16位显示，左入口 MOVX DPTR, A ;输出控制字 MOV A ,#2FH ;置分频数为15 MOV A ,#90H MOVX DPTR , A ;输出控制字 MOV R0 ,#30H MOV R2 ,#10H MOV DPTR,#6FFFH ;指向8279数据口AGAIN：MOV A ，R0 ;从片内RAM中取出段选码 MOVX DPTR,A INC R0 DJNZ R2 ,AGAIN ;16位未完，继续五、参考文献1.尤丽华主编. 测试技术. 机械工业出版社, 20062. 张迎新等主编.单片机初级教程.北