x-y数控工作台课程设计

1、指导教师评定成绩:审定成绩：重庆邮电大学自动化学院光机电一体化课程设计报告（总体方案设计）单位（二级学院）：自动化学院学生姓名：赵国强专业：机械设计及其自动班级:0841003学号:2010213292指导教师：赵双设计时间：2013 年5月重庆邮电大学自动化学院制目录1.摘要：21.1设计内容和任务21.2 xy工作台发展现状31.3 xy工作台设计目的42总体方案的确定42.1机械传动部件的选择42.1.1导轨副的选型42.1.2丝杠螺母副的选型52.1.3减速装置的选型62.1.4伺服电动机的选型62.1.5传感器检测装置的选型82.2控制系统设计 92.2.1系统的运动方式与伺服系统1

2、0222计算机系统102.2.3xy工作台的传动方式103主流程图103.1绘制中断方案图 103.2绘制总体方案图 124结束语13x-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。x-y数控工作台机电系统设计是利用8031单片机， 及2764, 6264存储器及8155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

3、进 行一段加工都要产生一定的脉冲以驱动屯机正反转，同时通8155将相应的加工 进刀信息送至刀架庫中以实现以z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屮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屮应用较多。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 系统设计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 步进电机通的是三和交流电所以输入的脉冲数h及时间间隔不同，转子的旋

4、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其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。本题目是步进屯机，微型计算机， 插补原理，汇编语言的综合应用。关键词：步进电机，数控系统，x-y数控工作台11设计的主要内容和任务1、设计一个数控x-y 1：作台及其控制系统，该工作台可安装在钻床和铳床上用 于钻削和铳削加工；2、收集相关资料及图纸：3、确定改造目标、x-y工作台参数；4、确定改造总体方案；5、确定机械改造方案；乩确定系统脉冲当量；b. 运动部件惯性计算；c. 计算伺服电机参数；d传动及导

5、向元件的设计、计算、校核;e.其它相关零件的选型及计算。6、确泄驱动系统改造方案；7、确定数控系统改造方案。数控x-y工作台外形1.2 x-y工作台的发展趋势及产业化的现状冃前工作台的种类繁多，传统的丁作台只能安装在某一指立机床上，伴随着 科技的与时俱进，它们的功能也由传统单一性向现代的多功能性方向发展，现在 一些工作台，它不仅可以安装在钻床上，还可以安装在铳床和镇床等机床上。并 且目前部分工作台还可以作为机床的第四回转轴，人人提高了机床的性能。x-y工作台作为数控机床的重要组成部分，也是影响加工精度的重要组成环 节。从一开始为了满足加工简单的零件而设计的直线运动的xy工作台，到现 在为了实现

6、多工位加工而制造的分度工作台和回转工作台等。为了满足现代制造 业的发展，也为了环境的耍求，一作台的驱动装置从原来的机械驱动变为液旅驱 动，现在更多的采用了气动装置，更好的保护了环境，节约了资源。由于工作台 是一台机床的关键配套部件，因此世界各国都有对其进行研究，我国在工作台的 研究开发方面也取得了长足的进步。另外也可用于非数控钻、铳、锤类机床上，独立完成等分和不等分的角度分 度工作。国外工作台的功能与我国所生产的工作台功能基本相似，但是在其精度 方面，国外的一些公司所生产的丄作台要略高于我国所生产的工作台。因此我国 与国外相比，还是有一定的羌距，因此工作台的设计具有重要意义，我们要借助 时代的

7、步伐，与时俱进，开拓创新，使我国成为具有领先技术的综合性强国。1. 3数控x-y工作台设计的意义和目的本设计所设计的x-y工作台采用了低摩擦的直线滚动导轨和精密的丝杠，它 的工作原理是通过mcs-51单片机来控制步进电机，使x-y工作台实现了数控控 制。工作台的自动化能人人减轻劳动强度，提高劳动生产效率。本设计的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，实现方使而且能保 证一定的精度。通过微机控制技术的简单的应用，实现对机床的控制，使机床的 加工范鬧扩大，精度和可靠性进一步提高。本设计所设计的x-y t.作台不仅可用 于铳床上进行数控铳削加工，而且还能够用丁钻床上数控钻削加

8、工，所以其功能 远高于传统的普通工作台是新一代机电一体化的典型产品。在本设计中着重介绍了如何对x-y .t作台进行设计，对导轨、丝杠、电机、 选用和数控控制电路的设计和其控制程序的编制等方面进行了深入的分析。2总体方案确定2. 1. 1导轨副的选型腰设计数控车床工作台，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。导轨型式：圆形截面滚珠导轨选择导轨的型号：brs35b导轨长度上导轨（x向）取动导轨长度*=250动导轨行程2 = 700支承导轨长度厶=厶+/=950下导轨（y向）/ = 600 仏=

9、250l = 85（）直线滚动轴承的选型选用角接触球轴承，型号为7004c上导轨gx = 1200n卞导轨gy = 2385w 2.1.2丝杠螺母副的选型伺服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0. 004mm冲当量和土0.01mm的定位精度，滑动丝杠副为能为力，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。213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，可能需耍减速装置，且 应有消间隙机构，选用无间隙齿轮传动

10、减速箱。无间隙齿轮传动减速箱外形2.1.4伺服电动机的选用脉冲当量尚未达到0. 001mm,定位精度也未达到微米级，空载最快移动速度 也只有因此3000mm/min,故木设计不必采用高档次的伺服电动机，因此可以选 用混合式步进电动机。以降低成本，提髙性价比。混合式步进电动机外形选反应式步进电机130byg350 eh-0602 其转子转动惯量为j0=10. 5弦朋对材料为钢的圆柱零件转动惯量可按下式估算:j=0.78x10'3d4l(.c/h2)式中：d圆柱零件直径(cm) ； l零件长度(cm)。 所以：j1 = 0.78 x10_3x44x2 = 0.4 (kg.cm2 )j 2

11、= 0.78 x10'3x54x2 = 0.98 (pg.c/ )j3 = 0.78x 10x 4" x 70 = 13.98(焙.c")g=4000n代入上式:()+丿g l0 2亿+丿3)+ g 2龙(空尸4000出尸二 10. 5+0. 4+ 25【0.98+13.98+ 9.82兀 =11.96 （如心考虑步进电机与传动系统惯量匹配问题:a 10.5jd =11.96 «o. 88因为：4 <0.88<1所以惯性匹配比较符合要求。对于工作方式为三相六拍的三相步进电机、步进电机的最高工作频率1000%60耳1000x1.260x0.005

12、=4000hz查表选用两个130byg350 eh-0602型步进电机。电机的有关参数见表。主要技术数据外形尺寸mm)重量型号步距角最人(n cm)最酋载(step/s)相 数电 压(v)电流(a)外径长度轴径(n)130byg350eh-06021. 2351800032206134225191752.1.5传感器检测装置的选用b. 9200, 74712速度传感器velomitor传感器i灵敏度系数20mv/mm/s ；环境温度：-29121度；ii. 9513是其速度位移转 换器，与压电晶体探头比，它对冲击不敏感，一般用途的运动绕组两线接头传感器，因为无须供电，多用丁便携测量。速度传感辭

13、外形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 书所给的精度对于步进电动机来说还是偏高，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，决定采用半闭环控制，拟在电动机的尾部转轴上 安装增量式旋转编码器，用以检测电动机的转角与转速。增量式旋转编码器的分 辨力应与步进电动机的步距角相匹配。考虑到x、y两个方向的加工范围相同，承受的工作载荷相差不人，为了减 少设计工作量，x、y两个坐标的导轨副、丝杠螺母副、减速装置、伺服电动机 以及检测装置拟采用相同的型号与规格。增量式旋转编码器外形2. 2控制系统的设计1）设计的x-zt作台准备用在数控车床上，其控制系统应该具有

14、单坐标定位， 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）对于步进电动机的半闭环控制，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，键盘 与显示电路，i/o接口电路，d/a转换电路，串行接口电路等。at89s51要完成的任务：（1）将行程开关的状态读入cpu,通过中断进行处理，它的优先级别最高。（2）通过程序实时控制电机和电磁铁的运行。（3）接受键盘中断指令，并响应指令，将当前行程开关状态和键盘状态反应到led上，实现人机交互作用。由于at89s5

15、1只有p1 口和p3 口是准双向口，但p3 口主要以第二功能为主， 并且在系统中要用到第二功能的中断口，因此要进行i/o扩展。考虑到电路的简 便性和可实现性，实际屮采用内部自带锁存器的8155,所以at89s51的1/0 口 线分配如下：(1) p1.0-p1.5控制x-y两个方向步进电机的a、b、c线圈通电，形成 a-ab-b-bc-c-ca-a三相六扑i正转模式和a-ac-c-cb-b-ba-a的反转模式。(2) p1.6 口输出控制电磁铁的吸合。(3) p3. 2和p3. 3两个屮断源屮into优先级最高，它读入行程开关的状态 并触发中断；1nt1读入点动、复位、圆弧插补开关的状态而触发

16、屮断。(4) po. 0-p0. 7外部t/0扩展的数据读取。(5) p2. 7 和 p2.6 决定 8155 的 pa、pb、pc 口的地址。2. 2. 1系统的运动方式与伺服系统由于机床既能钻削又能铳削加工，故应采用连续控制系统。定位方式采用增 量坐标控制。考虑到机床加工精度要求不高，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-yt作台。钻头上下运动也由步进电机通过减速装置 控制。2. 2. 2计算机系统本设计采用mcs-51系列中的8031单片机扩展控制系统。mcs-51单片机的 主要特点是集成度髙，可靠性好，功能强，速度快，性价比髙。控制系统由微机部分、键盘及显示器、i/

17、o接口及光电隔离电路、步进功率 放人电路等组成。系统的t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。2. 2. 3xy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。机步距角和丝杠导程只能按标准选収，为达到分辨率0.01mm的要求，以及 考虑步进屯机负载匹配，采用齿轮减速传动。3主流程图3.1绘制中断方案图ctlequ3ff8hpaequ3ff9hpbequ3ffah

18、pcequ 3ffbhcmdequ 02horg0000hajmpmainorg0003hajmpintois ；外部中断0入口org000bhajmptmois ；定吋器0中断入口org0013hajmpinti is ；外部中断1入口org001bhajmptm1is ；定时器1中断入口org0100hmain： anlpi, 0efhsetbit0；外中断负跳沿触setbit1mova, ctlmovdptr, amovx dptr, cmd； a 口输入，b 口输出，c 口输入setbexo ；允许外中断0setbexi ；允许外中断1setbpxosetbpx1 ；设置优先级setbea ；开总中断loop： ajmploop;等待屮断等待中断3.2绘制总体方案图键盘人机交互a> led显示总体方案图3.3 cpu接口设计cpu接口部分包括传感器部分、传动驱动部分