X-Y数控工作台方案设计介绍说明

1、1、总体方案设计1.1.1 任务课程设计任务：设计两轴联动的数控 X-Y运动平台，完成机械系统设计、控制系统设计与相应软件编程，根据实验条件进行调试，完成整个开发系统 主要参数见下表：系列型号行程台面尺寸底座外形尺寸取大长度L负载重量NXY< 移动速 度重复定 位定位 精度XYCBHC1B1H1HXY-4025400250240254156505001847785001M/分±0.020.041.2总体方案确定1.2.1方案确定思想机械部分传动：滚珠丝杠螺母副支撑：双推-双推式滑动导轨控制部分控制器件：单片机控制方式：开环控制伺服电机：步进电动机优点：采用滚珠丝杠螺母副，可实现

2、旋转运动与直线运动相互转换，在具有螺旋槽 的丝杠螺母中装有滚珠作为中间传动元件，以减少摩擦。优点是摩擦系数小，传动效率高，灵敏度高，传动平稳，不易产生滑行，传动精度和定位精度高；磨损 小，使用寿命长，精度保持性好。双推式支撑实现高精度传动，采用单片机控制 步进电动机，响应快速而准确。缺点：滚珠丝杠螺母副的不足在于制造工艺复杂， 成本高，不能自锁，故需附加制 动装置。开环控制精度比较低。机械部分传动：同步带传动支撑：滑动导轨控制部分控制器件：单片机控制方式：开环控制伺服电机：直流无刷电机优点：同步带传动无相对滑动，传动比准确，传动精度高，齿形带的强度高，厚度 小、重量轻，故可用于高速传动；传动比

3、恒定，同步带无需特别涨紧，因而作用 于轴和轴承等上的载荷小，传动效率高。单片机控制直流无刷电机，空载电流小， 效率高。缺点：同步带工作时候有温度要求，安装精度要求较高，中心间距要求较高，有时 候需要张紧，安装麻烦。无刷直流电机启动时有震动，控制器要求高，价格高。 采用开环精度较低。机械部分传动：齿轮齿条支撑：直线导轨控制部分控制器件：单片机控制方式：闭环控制伺服电机：直流无刷电机优点：齿轮齿条传动功率大，精度高，稳定性好，响应速度快。单片机控制直流无 刷电机，无刷直流电机启动时有震动，控制器要求高，价格高。采用开环精度较 低。采用闭环控制，精度高。双线导轨稳定。缺点：齿轮齿条无自锁，需要外加自

4、锁机构。噪音大，磨损较快。1.1.2 方案对比分析与确定综合课程设计要求，精度为0.04mm最大载荷是500N,相比同步带和齿轮 齿条传动，滚珠丝杠传动更符合精度要求，因为丝杠传的动的精度可以达到土 0.01mm而同步带传动时会产生弹性变形， 具有一定的蠕变性。齿轮齿条传动精 度和滚轴丝杠精度相当，但是安装较麻烦，安装精度要求高。步进电动机和直流无刷电机相比， 步进电动机控制简单，启动稳定，而直流 无刷电机控制要求高，成本高，课程设计要求精度未达到微米级别， 空载转速要 求为1m/min,因此采用低档的步进电动机就能满足要求。开环控制结构简单控制容易，稳定性好，一般用于轻载变化不大的场合，根

5、据最大载荷500N的要求，可以满足。综合以上分析，决定选择第一种方案。采用单片机控制步进电动机提供动力， 滚轴丝杠传递动力，总体采用开环控制。1.1.3 总体方案系统组成机械系统由滚珠丝杠螺母副、直线滚动导轨副、步进电机、单列角接触球轴承等 组成。控制系统由单片机和计算机等组成。2、机械系统设计2.1 导轨上移动部件的重量估算按照下导轨上面移动部件的重量来进行估算。包括工件、夹具、工作平台、 上层电动机、滚珠丝杆副、直线滚动导轨副、导轨座等，估计重量约为900N=2.2 直线滚动导轨副的计算与选型(1)滑块承受工作载荷Fmax的计算方法及导轨型号的选取工作载荷是影响直线滚动导轨副使用寿命的重要

6、因素。本例中的X-Y工作台为水平布置，采用双导轨、四滑块的支承形式。单滑块所承受的最大垂直方向载 荷为；Fmax=G =225N4查表，根据工彳载荷FmaX=0.225kN,初选直线滚动导轨副的型号为 KL系列的 JAS-LG15型，其额定动载荷Ca=7.94kN,额定静载荷 Qa=9.5kN。任务书规定工彳台面尺寸为 240mrK 254mm加工范围为400mrK 250mm查 表，按标准系列选取导轨的长度为 640mm(2)距离额定寿命L的计算所选导轨副的滚道硬度为60HRC工作温度不超过100C,精度为4级。查 表取硬度系数3=1.0、温度系数"=1.00、接触系数fc=0.8

7、1、精度系数fR=0.9、 载荷系数fv=1.5,代入式子L (ffR 会)3X50 182619km fW Fmax远远大于50kmi故距离额定寿命满足要求。2.3 滚珠丝杠螺母副的选型与校核(1)最大工作载荷Fm的计算已知移动部件总重量G=900N滚动导轨上的摩擦因素u=0.004。求得滚珠丝 杆副的最大工作载荷：Fm = g G=0.004X 900=3.6N(2)最大动载荷Fq的计算该工作台的最快进给速度 v=1000mm/min初选丝杆导程 Ph=5mm则此时丝 杆转数n=v/Ph=200r/min ,取滚珠丝杆的使用寿命 T=15000h,代入Lo 60nt/106得Lo=180(

8、单位为：106r)。查表，取载荷系数fw=1.2,滚道硬度60HRC寸, 取硬度系数fH=1.0.,代入得滚动丝杠最大动载荷Fq VLfmFm-24.4N(3)初选型号根据计算出的动载荷和丝杆导程，查表选择 G系列20053型滚珠丝杆副， 为内循环固定反向器螺母式，其公称直径为20mm导程为5mm循环滚珠为3圈X1歹I，精度等级取5级，额定动载荷为9309N,大于Fq,满足要求(4)传动效率”的计算将公称直径do=20mm导程R=5mm传动效率-96.4% tg( )(5)刚度的验算1)丝杠左右支承彳惠中心距约为 a=600mm滚珠直径 =3.175mm丝杆底径F maS3.6 560-5 7

9、2.1 10206.12D2=16.2mm丝杆截面积S=206.12mm。滚珠丝杆满载时拉压变形量：_ . . 5 .0.0003mm ; E 2.1 10 Mpa2)根据Z=(兀d0/Dvy) -3 ,得单圈滚珠数Z=20;该型号丝杆为单螺母，滚珠 的圈数X列数为3X1, Fyj=R/3=1.2N。得滚珠与螺纹滚道间的接触变形 量20.00008mm3)总=+ 2=0 1.3um丝杆行程为315400mm允许到25um故丝杆刚度足够。(6)压杆稳定性校核滚珠丝杠通常属于受轴向力的细长杆，若轴向工作负载过大，将使丝杠失去稳定而产生纵向屈曲，即失去稳定。失稳时的载荷载荷为Fk,1.1Id /64

10、mm 3380.88mmFk=9343N远大于工作载荷Fm,因此，所选滚珠丝杠符合稳定性要求。2.4 步进电动机的计算与选型(1)计算加在步进电机转轴上的总转动惯量Jeq已知：滚珠丝杆直径do=20mm总长l=600mm导程Ph=5mm材料密度p=7.85 X103;移动部件总重力G=900N传动比为1。算得各个零部件的转动惯量如下：滚珠丝杆的转动惯量Js=mD2/8=0.69kg 乂cm2拖板折算到丝杆上的转动惯量 J后(Ph/2兀)=0.57kg - cm2初选步进电机型号为90BYG2602为两相混合式，步距角为0.75 ° ,从表查 得该电机转子的转动惯量Jm=4kg - c

11、m2。则加在步进电机转轴上的总转动惯量为：Jeq=Jm+ ( Jw+Js ) /i 2=5.26kg cm2(2)计算加在步进电机转轴上的等效负载转矩Teq分快速空载起动和承受最大工作负载两种情况进行计算。1)快速空载起动时电机转轴所承受的负载转矩Teq1=Tama+TfTamax为快速空载起动时折算到电机转轴上的最大转矩；Tf是移动部分折算到电机转轴上的摩擦转矩。Tamax=Jmx2 0.07634;其中 口市票 208。Tf =（： G）Ph 0.004 N-项Teql Ta max Tf 0.0803 NJ - m2）最大负载状态下电动机转轴所承受的负载转矩Te4=T+TfTt为折算到电

12、动机转轴上的最大工作负载转矩；Tf是移动部件运动时折算到电机转轴上的摩擦转矩；Tt= 0, （Ff不计）；Tf= F2 1Ph 0.0036NJ- mTeq2=Tf=0.036 N 现Teq maxTeq1lTeq2）0.0803 N R!（3）步进电机最大静转矩的选定考虑到步进电机的驱动电源受电网电压影响较大，当输入电压降低时，其输出转矩会下降，可能造成丢步，甚至堵转。因此，根据Teq来选择步进电机的最大静转矩时，需要考虑安全系数。取安全系数 K=4.,则步进电动机的最大静转 矩应满足：Tjmax 4Teq 4x1.422 5.688 N - m,上述初选的步进电动机型号为90BYG2602

13、由表得该型号电动机的最大静转 矩Tjmax=6N , m）可见，?两要求。（4）步进电动机的性能校核1）最快工进速度时电动机输出转矩校核给定工作台最快工进速度 将axf=1M份，求得电动机对应的运行频率fmaxf=1667H4从90BYG260即动机的运行频率特性曲线图可以看出，在此频率下，电动机 的输出转矩Tmaxf=5.5N m,远远大于最大工作负载转矩 Teq2=0.0036 N - m,满足 要求。2）最快空载移动时电动机输出转矩校核给定工作台最快工进速度 将axf=1M份，求得电动机对应的运行频率fmaxf= =1667HZ从90BYG260即动机的运行频率特性曲线图可以看出，在此频

14、率下，电动机 的输出转矩Tmaxf=5.5N - m,远远大于快速空载启动时的负载转矩 Teq1=0.0803 N-m, 满足要求。3）最快空载移动时电动机运行频率校核与最快空载移动速度vma=3000mm/min对应的电动机运行频率为 fma=10000Hz查表可知90BYG260班动机的空载运行频率可达 20000Hz,没超出上限。4）启动频率的计算已知电动机转轴上的总转动惯量Jeq=5.26kg X cm2,电动机转子的转动惯量Jm=4kgXcnf,电动机转轴不带任何负载时的空载起动频率fq=1800Hz可求出步进电机克服惯性负载的起动频率：faf 二 1200HzL i Jeq,Jm上

15、式说明，要想保证步进电机启动时不失步， 任何时候的起动频率都必须小 于1200H4实际上，采用软件升降频时，起动频率选的更低，通常只有100Hz综上所述，本例中工作台的进给传动选用 90BYG2602进电动机，完全满足设计 要求。2.5 机械系统结构设计设计结构如图所示x-y数控工作台结构此数控工作台主要由步进电机、丝杠螺母副、滚动导轨副、工作台、轴承座、 端盖、轴承、联轴套、键、垫圈等组成。（具体见装配图附录）3、控制系统硬件设计r 1 ri i州区口 M ： < I M' i 1(imi vi t iikT,1 r i iT+ F> 4 11 Rik 11i出川*1 酒

16、口 | PJ ?N 1AL A K T" 1 口 D3H1 0 0 1 . A ) 1 4Dlk FQ J * &P” < aCmi 0 + , PQ « r昌LM卜 m f At>r> 加*uc IT加 步* J .二1 P/ 4 Al -I FJ 1 I At > FJ 4 4Af 1 (ftf I 2 N 4*，* .才 t ! MlF STAVF (RKO| P$ « irm卜 pj iXW2 YTAt l (iMIOb Pl ? 产3 3 H«» PM* nn3 $Ghdvcc pi.r Pl"

17、; PL5I PI 4：PI 3 Fl ?P1-I | Al MHPI 0 lAINOl 3 P3 7AT89C51AT89c2051处理芯片DB戢头电路原理图工PA:-27VCC1KQHiTLP-521A9014e074150f'''vmwr步进电机驱动电路图电LE:他，.m u ：IC5> If*?mwaJBHIMIIln? 配由小03皿wkDTkm -用uR!TPM用I Ml 叩.1却|.*也叩 Pi" rR L jMPid 卡Mh 即.7声P -PCZW 除I墀，PiHq 匕 P.'JJ| Pi早般 r.、 冉】性i -P?"斶

18、ifii*d u hbd.£ -主上，E搜 型 nrLE审=.八斗电路原理图硬件电品&采用AT89C51单片机处理程序，采用ULN2003E片驱动电机，整个 电路采用光电耦合，实现带暖气隔离，保护电路不受强点伤害。采用DB9接头和 电脑相连。4、控制系统软件设计4.1 控制系统软件总体方案设计硬件电品&采用AT89C52单片机作为处理器,ULN2004区动板作为电机驱动电 路，单片机和上位机采用DB9®头连接。程序设计为点动控制，从原点开始到特 定点的运动。通过控制单片机的相应引脚输出高低电平，利用单片机的中断，通过键盘控 制点动，实现功能。4.2 主流程设

19、计延时程序的声明开总中断；/外部中断开；/电机1的二个引脚交替通电#include<reg52.h>#define uint unsigned int#define uchar unsigned char uchar num,temp;void delay(uint z);/void main()EA=1;/ CPUEX0=1;P1=0xcf;delay(1000);P1=0x9f;delay(1000);P1=0x3f;delay(1000);P1=0x6f;delay(1000);void delay(uint z)/(uint x,y;for(x=z;x>0;x-) for(y=110;y>0;y-);void zd()interrupt 0/(P1=0xfc;/delay(1000);P1=0xf9;delay(1000);P1=0xf3;delay(1000);P1=0xf6;delay(1000);延时程序；中断程序；电机2两个引脚相继通电;4.3 中断服务流程设计：键盘按钮产生电平变化，CPU部中断开启，调用中断程序，使电机 1