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机电一体化系统设计课程设计说 明 书设计题目：简易数控 X-Y 工作台机电系统的设计专 业：机械设计制造及其自动化班 级： 姓 名： 学 号： 指导老师： 2016 年 5 月 25 日1 课程设置目的、课程设计要求及注意事项1.1 课程设置目的机电一体化系统设计课程设计是大学生在完成机电一体化系统设计等专业课学习后,进行综合性实践性教学环节，总的目的是在老师的指导下,使学生通过课程设计,对所学课程理论知识进行一次系统的回顾检查复习和提高,并运用所学理论,通过调研,设计一个机电控制方面的课题,受到从理论到实践应用的综合训练，培养学生独立运用所学理论解决具体问题的能力,具体有以下几点：1）通过检索查阅运用有关手册、标准及参考资料，培养起学生检索查阅资料、使用资料的方法和能力。2）通过回顾查阅课程理论知识、运用所学的基础课,专业技术课和专业课知识，培养学生根据实际问题正确设计总体方案, 分析具体问题、进行工程设计的能力。课程设计将机电专业课程的相关内容有机结合起来，学生受到完整的设计训练过程，使学生掌握机电工程设计的基本方法，提高其分析和解决实际工程问题的能力，培养学生的整体观念，并将整个课程内容有机而系统地结合起来。通过拟定的设计方案、结构方案到结合生产和使用条件，独立完成精密机构部件的设计，全面考虑设计内容及过程，熟悉和运用设计资料，如国家及行业标准、设计规范等，加深对机电一体化系统设计的认识。1.2 课程设计要求1、综合地考虑使用、经济、工艺等方面的设计要求，确定合理设计方案；2、通过分析比较吸取现有结构中的优点，并在此基础上发挥自己的创造性；3、仔细计算和认真作图，力求设计图纸和计算说明书达到实际生产水平。1.3 课程设计注意事项1、设计开始之前应认真研究题目，明确设计要求，参阅相关资料；2、设计方案确定后，将确定的结构方案用 A4 的图纸绘制成正式的设计图纸；3、按规定编制课程设计计算说明书，将设计计算说明书和图纸交老师查阅；4、认真做好准备进行答辩。2 课程设计说明书的内容编写课程设计说明书是学生对课程设计的总结，主要内容包括：课程设计题目（包括设计条件和要求），设计与运动方案的确定，系统框图的分析、机械运动分析，动力分析及传动设计计算、电气执行元件的选用说明及计算，画出程序框图，写出自编程序，对机械和电气其它部分（如传感器反馈、测量等）的说明，表格列出必要的计算式和计算结果，绘出主要的曲线对结果进行分析和讨论列出主要的参考资料并编号等。课程设计说明书简明扼要，文理通顺，内容完整，由于要求学生对所进行的设计能系统明确的表达，说明书一般不少于 10 页。2.1 课程设计题目简易数控 X-Y 工作台机电系统的设计2.2.设计参数内容及要求设计一个数控 X-Y 工作台及其控制系统。该工作台可用于铣床上坐标孔的加工和腊摸、塑料、铝合金零件的二维曲线加工，重复定位精度为0.01mm，定位精度为 0.025mm。设计参数如下：负载重量 G=150N；台面尺寸CBH145mm160mm12mm；底座外形尺寸C1B1H1210mm220mm140mm；最大长度 L=388mm；工作台加工范围X=55mm，Y=50mm；工作台最大快移速度为 1m/min。2.3 提交材料整理课程设计说明书，准备答辩。 3 课程设计说明书要求课程设计说明书是项目设计的理论依据，是设计计算的整理和总结，是审核设计的技术文件之一，编写设计计算说明是课程设计的一个重要组成部分，它按次序包括以下几个方面内容：1）目录（标题及页次）；2）摘要与前言3）课程设计的目的及意义4）课程设计的要求5）课程设计的内容6）课程设计总体方案的设计7）机械传动部分设计计算8）步进电动机的选择计算9）系统硬件接口电路设计10 系统软件件电路设计11）个人总结与结论12）结束语与致谢13）参考摘要本文主要对 X-Y 数控工作台机电系统进行设计。X-Y 数控工作台是许多机电一体化设备的基本条件。如数控车床的纵-横向进刀机构，数控机床和数控钻床 X-Y 工作台，激光加工设备的工作台，滚珠丝杆螺母副，以及步进电机等部件构成，其中，步进电机作为执行元件用来驱动滚珠丝杠，滚珠丝杠的螺母带动滑块和工作平台在导轨上运动，完成工作台在 X,Y 方向的直线移动，导轨副，滚珠丝杠副和步进电机等均已标准化，有专门厂家生产，设计时只需根据工作载荷选取即可。控制系统根据需要选用设计专用的微机控制系统。关键词：X-Y 数控工作台 步进电机 滚珠丝杠副目录一、总体方案设计 .51.1 设计任务 .51.2 总体方案确定 .5二、机械系统设计 .62.1、工作台外形尺寸及重量估算 .62.2、滚动导轨的参数确定 .62.3、滚珠丝杠的设计计算 .7三、步进电机的选用 .103.1、步进电机的步距角 .10b3.2 步进电机启动力矩的计算 .103.3 步进电机的最高工作频率 .113.4 步进电机惯性负载的计算 .11四、控制系统硬件设计 .124.1 CPU 板 .124.1.1 CPU 的选择 .124.1.2 CPU 接口设计 .124.2 驱动系统 .144.2.1 步进电机驱动电路和工作原理 .144.2.2 电磁铁驱动电路 .154.2.3 电源设计 .154.3 X 轴电机点动正转程序流程图 .15五、总结 .17六、参考文献 .18一、总体方案设计1.1 设计任务设计一个数控 X-Y 工作台及其控制系统。该工作台可用于铣床上坐标孔的加工和腊摸、塑料、铝合金零件的二维曲线加工，重复定位精度为0.01mm，定位精度为 0.025mm。设计参数如下：负载重量 G=150N；台面尺寸CBH145mm160mm12mm；底座外形尺寸C1B1H1210mm220mm140mm；最大长度 L=388mm；工作台加工范围X=55mm，Y=50mm；工作台最大快移速度为 1m/min。1.2 总体方案确定（1）系统的运动方式与伺服系统由于工件在移动的过程中没有进行切削，故应用点位控制系统。定位方式采用增量坐标控制。为了简化结构，降低成本，采用步进电机开环伺服系统驱动 X-Y 工作台。（2）计算机系统本设计采用了与 MCS-51 系列兼容的 AT89S51 单片机控制系统。它的主要特点是集成度高，可靠性好，功能强，速度快，有较高的性价比。控制系统由微机部分、键盘、LED、I/O 接口、光电偶合电路、步进电机、电磁铁功率放大器电路等组成。系统的加工程序和控制命令通过键盘操作实现。LED 显示数控工作台的状态。（3）X-Y 工作台的传动方式为保证一定的传动精度和平稳性，又要求结构紧凑，所以选用丝杠螺母传动副。为提高传动刚度和消除间隙，采用预加负荷的结构。由于工作台的运动载荷不大，因此采用有预加载荷的双 V 形滚珠导轨。采用滚珠导轨可减少两个相对运动面的动、静摩擦系数之差，从而提高运动平稳性，减小振动。考虑电机步距角和丝杆导程只能按标准选取，为达到分辨率的要求，需采用齿轮降速传动。 图 1-1 系统总体框图二、机械系统设计2.1、工作台外形尺寸及重量估算X 向拖板（上拖板）尺寸：长 宽 高 14516050重量：按重量=体积材料比重估算N321456017.809Y 向拖板（下拖板）尺寸： 14560重量：约 90N。上导轨座（连电机）重量： 223(20143858)7.1.07()N夹具及工件重量：约 150N 。X-Y 工作台运动部分的总重量：约 287N。2.2、滚动导轨的参数确定、导轨型式：圆形截面滚珠导轨、导轨长度上导轨（X 向）取动导轨长度 10Bl动导轨行程 5支承导轨长度 Ll下导轨（Y 向）50l10Bl1L选择导轨的型号：GTA16 、直线滚动轴承的选型上导轨 240()XGN下导轨 87Y由于本系统负载相对较小，查表后得出 LM10UUOP 型直线滚动轴承的额定动载荷为 370N，大于实际动负载；但考虑到经济性等因素最后选择 LM16UUOP 型直线滚动轴承。并采用双排两列 4 个直线滚动轴承来实现滑动平台的支撑。、滚动导轨刚度及预紧方法 当工作台往复移动时，工作台压在两端滚动体上的压力会发生变化，受力大的滚动体变形大，受力小的滚动体变形小。当导轨在位置时，两端滚动体受力相等，工作台保持水平；当导轨移动到位置或时，两端滚动体受力不相等，变形不一致，使工作台倾斜 角，由此造成误差。此外，滚动体支承工作台，若工作台刚度差，则在自重和载荷作用下产生弹性变形，会使工作台下凹（有时还可能出现波浪形） ，影响导轨的精度。2.3、滚珠丝杠的设计计算滚珠丝杠的负荷包括铣削力及运动部件的重量所引起的进给抗力。应按铣削时的情况计算。、最大动负载 Q 的计算3HLfP查表得系数 ， ，寿命值1Hf601nTL查表得使用寿命时间 T=15000h，初选丝杠螺距 t=4mm，得丝杠转速max1025(/mi)4Vnrt所以 mm6250LX 向丝杠牵引力1.4xxPfG当 ()f当 当 量 摩 擦 系 数023.9()NY 向丝杠牵引力 1.402874.06()yyf当所以最大动负荷X 向 3251.3920.6()xQNY 向 32514.062.7()yQN查表，取滚珠丝杠公称直径 ，选用滚珠丝杠螺母副的型号为 0dmSFK1004，其额定动载荷为 390N，足够用。、滚珠丝杠螺母副几何参数计算螺纹滚道:公称直径 =10mm0d螺距 =4mm,接触角 = ,钢球直径 =2mmt45qd螺纹滚道法面半径 mm.21.0qR偏心距 /sin3qed螺纹升角 0arc7.26tg螺杆：螺杆外径 mm0.59.qdd螺杆内径 mm278leR螺杆接触直径 mm0cos.zq螺母：螺母螺纹外径 mm 120Dde螺母内径（外循环） mm10.510.qd、传动效率计算 7.26.973()()tgt式中： 摩擦角； 丝杠螺纹升角。、刚度验算滚珠丝杠受工作负载 P 引起的导程 的变化量0L01LEFAY 向所受牵引力大，故应用 Y 向参数计算24.7()PN0.4()Lcm620.1/)cm材 料 为 钢22 20.798314.5FRcm所以 616.1.0().LcA丝杠因受扭矩而引起的导程变化量 很小，可以忽略。2LA所以导程总误差 60110.23/.4LmA查表知 E 级精度的丝杠允许误差 ，故刚度足够。5、稳定性验算由于丝杠两端采用止推轴承，故不需要稳定性验算三、步进电机的选用3.1、步进电机的步距角 b取系统脉冲当量 ，初选步进电机步距角 。0.1/pmstep 1.5b3.2 步进电机启动力矩的计算设步进电机等效负载力矩为 T，负载力为 P，根据能量守恒原理，电机所做的功与负载力做功有如下关系 s式中： 电机转角； 移动部件的相应位移； 机械传动效率。s 若取 ，则 ，且 ，所以bpSPG36()2pSbPGTNcmA式中： 移动部件负载（N） ；G移动部件重量（N） ； 与重量S zP方向一致的作用在移动部件上的负载力（N） ； 导轨摩擦系数； 步b进电机步距角， （rad） ；T电机轴负载力矩（ ）cmA本例中，取 （淬火钢滚珠导轨的摩擦系数） ， ， 为丝杠0.3 0.96S牵引力， 。考虑到重力影响，Y 向电机负载较大，因此取247sHPN，所以8yG360.1.032871.3()2596TNcmA若不考虑启动时运动部件惯性的影响，则启动力矩 0.3qT取安全系数为 0.3，则 1.4.2qNcA对于工作方式为三相六拍的三相步进电机 max5.10.86qjTNcmA3.3 步进电机的最高工作频率 maxax100167()6.pVf Hz查表选用两个 45BF005-型步进电机3.4 步进电机惯性负载的计算根据等效转动惯量的计算公式，得式中： 折算到电机轴上的惯性负载（ ） ； 步进电机dJ 2kgcmA0J转轴的转动惯量（ ） ； 齿轮的转动惯量（ ） ； 齿轮 2kgcmA1J 2的转动惯量（ ） ； 滚珠丝杠的转动惯量（ ） ；M移动部3件质量（ ） 。对材料为钢的圆柱零件转动惯量可按下式估算 3420.781JDLkgcA式中：D圆柱零件直径（cm） ；L零件长度（cm） 。所以 34321.05.61J kgcmA207829034323.1.电机轴转动惯量很小，可以忽略，则+3.9 四、控制系统硬件设计X-Y 工作台控制系统硬件主要包括 CPU、传动驱动、传感器、人机交互界面。硬件系统设计时，应注意几点：电机运转平稳、响应性能好、造价低、可维护性、人机交互界面可操作性比较好。4.1 CPU 板4.1.1 CPU 的选择随着微电子技术水平的不断提高，单片微型计算机有了飞跃的发展。单片机的型号很多，而目前市场上应用 MCS-51 芯片及其派生的兼容芯片比较多，如目前应用最广的 8 位单片机 89C51，价格低廉，而性能优良，功能强大。在一些复杂的系统中就不得不考虑使用 16 位单片机，MCS-96 系列单片机广泛应用于伺服系统，变频调速等各类要求实时处理的控制系统，它具有较强的运算和扩展能力。但是定位合理的单片机可以节约资源，获得较高的性价比。从要设计的系统来看，选用较老的 8051 单片机需要拓展程序存储器和数据存储器，无疑提高了设计价格，而选用高性能的 16 位 MCS-96 又显得过于浪费。生产基于 51 为内核的单片机的厂家有 Intel、ATMEL、Simens，其中在 CMOS 器件生产领域 ATMEL 公司的工艺和封装技术一直处于领先地位。ATMEL 公司的AT89系列单片机内含 Flash 存储器，在程序开发过程中可以十分容易的进行程序修改，同时掉电也不影响信息的保存；它和 80C51 插座兼容，并且采用静态时钟方式可以节省电能。因此硬件 CPU 选用 AT89S51，AT 表示 ATMEL 公司的产品，9 表示内含 Flash存储器，S 表示含有串行下载 Flash 存储器。AT89S51 的性能参数为：Flash 存储器容量为 4KB、16 位定时器 2 个、中断源 6 个（看门狗中断、接收发送中断、外部中断 0、外部中断 1、定时器 0 和定时器 1 中断） 、RAM 为 128B、14 位的计数器 WDT、I/O 口共有 32 个。4.1.2 CPU 接口设计CPU 接口部分包括传感器部分、传动驱动部分、人机交互界面三部分。示意图如下所示：（行程开关）前向通道传动驱动（电磁铁）（步进电机）人机界面传 感 器 AT89S51（键盘、LED）后向通道图 3-1 CPU 外部接口示意图P1.0-P1.2驱动 1X 步进电机驱动 2Y 步进电机 P1.3-P1.5P1.6驱动 3P3.2外部中断 1P3.3外部中断 2P0.0-P0.7 AD0AD7P2.7 CEP2.6 IO/MPB 口PA 口PC 口AT89S51键盘电磁铁8155图 3-2 AT89S51 控制系统图4.2 驱动系统传动驱动部分包括步进电机的驱动和电磁铁的驱动，步进电机须满足快速急停、定位和退刀时能快速运行、工作时能带动工作台并克服外力（如切削力、摩擦力）并以指令的速度运行。在定位和退刀时电磁铁吸合使绘笔抬起，绘图时能及时释放磁力使笔尖压下。4.2.1 步进电机驱动电路和工作原理步进电机的速度控制比较容易实现，而且不需要反馈电路。设计时的脉冲当量为 0.01mm，步进电机每走一步，工作台直线行进 0.01mm。步进电机驱动电路中采用了光电偶合器，它具有较强的抗干扰性，而且具有保护 CPU 的作用，当功放电路出现故障时，不会将大的电压加在 CPU 上使其烧坏。图 3-4 步进电机驱动电路图该电路中的功放电路是一个单电压功率放大电路，当 A 相得电时，电动机转动一步。电路中与绕组并联的二极管 D 起到续流作用，即在功放管截止是，使储存在绕组中的能量通过二极管形成续流回路泄放，从而保护功放管。与绕组 W 串联的电阻为限流电阻，限制通过绕组的电流不至超过额定值，以免电动机发热厉害被烧坏。由于步进电机采用的是三相六拍的工作方式（三个线圈 A、B、C） ，其正转的通电顺序为：A-AB-B-BC-C-CA-A，其反转的通电顺序为：A-AC-C-CB-B-BA-A。步进时钟A 相波形B 相波形C 相波形图 3-5 三相六拍工作方式时相电压波形（正转）4.2.2 电磁铁驱动电路该驱动电路也采用了光电偶合器，但其功放电路相对简单。其光电偶合部分采用的是达林顿管，因为驱动电磁铁的电流比较大。4.2.3 电源设计两电机同时工作再加上控制系统用电，所需电源容量比较大，需要选择大容量电源。此系统中用到的电源电压为 27V、12V、5V，为了便于管理和电源容量需求，就采用了标准的 27V 电源作为基准，通过芯片进行电压转换得到所需的12V 和 5V 电压。4.3 X 轴电机点动正转程序流程图图 3-6 电磁铁驱动电路X+EN： CLR P1.6MOV A，PAMOV DPTR， AMOVX A，DPTRJNB ACC.0，LOOP2MOTOR0： MOV DIRX，#01HACALL XMOTOR0MOV A，PCMOV DPTR，AMOV A，DPTRJNB ACC.0，MOTOR0LOOP2： AJMP LOOP1这是 X 轴电机点动正转的程序，其他的 X 轴电机点动反转、Y 轴电机点动正转、Y 轴电机点动反转依次类推。五、总结本次课程设计是综合大学所有学科的一次练习，是最大的一次课程设计。这次课程设计跨越机械和电气两大学科。在设计时要联系机械部分和电气控制部分作为一个有机的整体来考虑，本次设计是一个机械和
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