xy坐标台设计.doc

原始数据设计一台微机控制XY两坐标工作台，采用MCS-51单片机控制, 控制方式采用步进电机开环控制。其他参数如下： 脉冲当量mm/step定位精度mm最大移动速度m/min工作台尺寸mm进给抗力N工作台行程mm台面最大物重质量KgXY0.0050.03S，所以丝杠是安全的，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。要求丝杠的最大转速。 临界转速 该丝杠工作转速为750r/min。3） 滚珠丝杠副还受值的限制，通常要求 所以该丝杠副工作稳定。6. 刚度验算滚珠丝杠在工作负载F(N)和转矩T()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=83.3GPa; 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，（其中）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应小于其传动精度的1/2，即所以，该丝杠满足刚度要求。7. 效率验算滚珠丝杠副的传动效率为 要求在90%95%左右，所以该丝杠副合格。（五）滚动直线导轨的选型与计算1.已知参数滑坐上载荷F滑坐个数单向行程每分钟往复次数14700N212004次每天工作一年工作日寿命6小时300天2年F=mg=15009.8=14700N2.导轨额定寿命计算 由公式 导轨额定行程长度寿命（km）工作单行程长度（m）每小时往复次数（次/h）则可得到 因滑座数M=4,所以每根导轨上使用2个滑座,查表可得接触系数：硬度系数：温度系数：负荷系数：则由公式： 寿命系数，一般取50km滑座工作载荷额定动载荷得： 经查询，选用HJD系列滚动直线导轨,查表得,其中HJG-DZ452c型号的导轨，其基本额定载荷为，能满足要求。（6） 计算系统转动惯量1. 电动机轴上总当量负载转动惯量计算小齿轮转动惯量 大齿轮转动惯量 丝杠转动惯量 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： 2. 惯量匹配验算 满足的要求，即惯量匹配比较合理。3. 步进电机负载能力校验（1） 步进电动机轴上得总惯量 （2） 空载启动时，电动机轴上的惯性转矩 （3） 电动机轴上的当量摩擦转矩 其中伺服进给传动链的总效率取为=0.8（4） 设滚动丝杠螺母副的预紧力为最大轴向载荷的1/3,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 （5） 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 （6） 空载启动时电动机轴上的总负载转矩为 （7） 在最大外载荷下工作时，电动机轴上的总负载转矩为 （8） 查表得空载启动时所需电动机最大静转矩为 （9） 求得在最大外载荷下工作时所需电动机最大静转矩为 结论： 所选步进电动机启动转矩大于所需要的启动转矩，可以正常启动。4. 系统刚度计算（1） 依据公式可求得丝杠最大和最小拉压刚度为 （2） 假定丝杠轴向支承轴承经过预紧并忽略轴承座和螺母座刚度的影响，按公式可求得丝杠螺母机构的综合拉压刚度 （查资料有：） 则 则 （3） 计算出丝杠最低扭转刚度为 5. 固有频率计算（1） 丝杠质量为 （2） 丝杠-工作台总振系统的最低固有频率为 （3） 折算到丝杠轴上系统的总当量转动惯量为 （4） 如果忽略电动机轴及减速器中的扭转变形，则系统的最低扭振固有频率为 均较高，说明系统动态特性好。6. 由系统的刚度变化引起的定位误差计算按公式可求的由丝杠螺母机构综合拉压刚度的变化所引起的最大定位误差：由于系统要求的定位精度为，即允许定位误差为，因而，系统刚度满足定位精度要求。（七）联轴器的选择弹性套柱销联轴器结构比较简单，制造容易，不用润滑，不需要与金属硫化粘结，更换弹性套比较方便，不用移动半联轴器，具有一定的补偿两轴相对偏移和减震缓冲性能。弹性套动作是受压缩变形。由于弹性套的厚度较薄，体积较小，弹性变形有限，所以，弹性套柱销联轴器可补偿轴线位移和弹性。弹性套柱销联轴器是依靠著小组的锁紧力而产生于接触面的摩擦力矩，并压缩橡胶弹性套来传递转矩。是用于安装底座刚性好、对中精度较高、冲击载荷不大，对减震要求不高的中小功率轴系传动。根据点击和丝杠的参数，选择GB/T5014-2002HL4的弹性套柱销联轴器。三、控制系统设计（一）微处理器的选择 根据设计要求，系统控制的主要功能是对步进电机的脉冲频率及其分配的控制。同时在实现这一主功能的基础上，附带若干协助功能，如显示、预置、时间、键盘等。 结论： 1、系统对内存要求不高。 2、系统处理的运算不是很复杂，对 CPU的计算速度要求不高。 3、为扩展键盘、显示、掉电保护等功能，要求系统提供较多的口线和完善的中断系统。 考虑到上面的原因，这里可以采用市面供应充分，性能价格比较好的 AT89C52 作为系统的微处理器。其参数见下表： AT89C52 参数表 （二）系统扩展 系统中采用键盘实现输入，并采用 LED显示器，它们均需要占用占用较多芯片口线，所以该系统是需要进行系统扩展的。 可编程并行接口 8255A 是一种应用广泛的并行接口扩展器件。它具有三个 8位并行口PA、PB、PC 由此提供了 24 条口线。 （三）键盘连接 键盘采用机械式按扭组成。它属于常开类型，按图（3-2）的接线，当键 K按下时 P口电位拉低。相反，K 未按时，P口一直保持高电位。其中电路中电阻起限流作用，避免 CPU被过大的电流烧毁。键盘采用软件消抖。（四）时钟芯片的选择 为了实现时间的显示，这里引入了时钟芯片 DS12C887。（五）可靠性设计 为提高系统的可靠性，在这里采用了 MAX813L。这是因为 AT89C52 芯片内部未带WATCHDOG（系统正常工作监视器），因此若不加外部WATCHDOG，便会造成在工作电压过低时，系统出现不正常运行，产生不良的现实后果。（六）掉电保护设计 掉电保护设计的目的是在断电或复位后，待系统恢复正常时，系统能够恢复到原先状态，实现继续运转的功能。这样就要求将运行时的重要参数得到保存。保存的数据包括，预置时的“位移值”、“速度值”、“运行过程中已经走过的位移量”。为实现这一个目的，需要在系统中引入芯片 AT24C01（E2PROM）。（七）报警设计 报警装置可以是“警报灯”、“声音报警”、“声音和灯光共用”等形式，在实验室等安静的环境中，声音报警是比较理想的方法。因此，根据实际情况，在该系统中采用“声音”报警。 八）显示模块设计 系统所需显示任务是数字显示，且显示数据量不大，因此在系统中采用数码管作为显示器是能够满足任务的。系统中采用静态显示较为合理。在静态显示方式中，采用4LS164 作为显示接口是比较通用的方法，而且这种接口价格便宜，使用方便，CPU 只要提供两条口线便可以实现稳定、高亮的显示。（9） 步进电机驱动电路设计步进电机的驱动电路设计主要涉及脉冲分配器的选择问题和驱动电路的选则问题。 时下脉冲分配器主要有两种：一种是硬件脉冲分配器（国内主要有YB 系列），另一种是软件脉冲分配器。软件脉冲分配器不需要额外的电路，相应的降低了系统的成本，虽然这种方法占用了一定的计算机运行时间，但是在该设备中计算机有足够的资源来担当脉冲分配任务。该系统采用软件来进行脉冲分配更为合理。单片机与步进电机的接口电路见图3-5步进电机的驱动电路采用斩波限流驱动方式，这种电路采用单一高压电源供电，以加快电流的上升速度，并通过对绕组电流的检测，控制功放管的开和关，使电流在控制脉冲持续期间始终保持在规定值上下，这种电路出力大，功耗小，效率高