二维工作台课程设计优秀

1、机电一体化系统设计课程设计报告设计题目：_学院：一姓名：班级（学号）：_指导老师：_时间：2013 年 6 月目录一、总体方案设计,11.1、设计任务,11.2、总体方案确定,1二、工作台的尺寸及其重量的初步确定,41、工作台（X向托板）,41、工作台（Y向托板）,41、上导轨座（连电机）重量,4三、滚动导轨的计算与选择，,，53.13.1滑块承受工作载荷F的计算及导轨型号的选取，,，53.23.2导轨的寿命计算,53.33.3导轨额定动负载的核算,6四、滚珠丝杠的设计计算及选择,65.4滚珠丝杠最大工作载荷Fmax的计算,，65.5滚珠丝杠静载荷Fc的计算,，75.6滚珠丝杠动载荷FQ的计算

2、,，75.7丝杠型号的确定,85.8丝杠压杆稳定性核算,85.9丝杠刚度的验算,9五、电机的计算与选择,10电机步距角的计算,10负载惯量的计算,10负载转矩的计算,11步进电动机最大静转矩的计算,12、步进电动机的确定,13步进电动机的性能校核,13六、联轴器的选择,14联轴器的介绍,14联轴器的选择,14七、轴承的选择，,，15八、控制系统硬件设计,15九、控制系统的设计,21十、参考文献，,，28一、总体方案设计1.1设计任务题目：CNC 二维工作平台的设计任务：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，根据试验条件进行调试，完成整个开发系统；一

3、人一题，其主要技术指标如下：1）工作台负载重量N=350N；2）工作台面尺寸为CxBxH=355mmx370mmx32mm；3）底座外形尺寸为C1xB1xH1=420mmm430mmM32mm;4）加工范围X=125mm,Y=120mm;5）工作台最大移动速度Vmax=1.5m/min;X,Y 方向的定位精度为0.025mm;X,Y 方向的脉冲单量为0.015mm/step.1.2总体方案确定c31cc321-7eca-4556-bf002b-024264f996d9-Numbered_3fddd646-0b73-4d0a-bf5e-c60adc44c32b-Numbered_235方案确定思

4、想该工作台设计主要分为机械系统部件和控制系统部件，其中机械系统部件主要包括导轨副、丝杠螺母副、减速装置、伺服电动机和检测装置等，控制系统部件则包括 CPU 控制电路、电源设计电路、输入信号电路、输出信号电路、步进电机驱动控制电路等。因 X 向和 Y 向机械结构基本相同，故只绘制 X 向机械系统部分的结构简图，如下：滑块工作台考虑在满足设计要求的前提下，应尽可能采用简洁轻便的结构设计和廉价实用的可选材料，符合绿色环保的现代机械设计理念，由此来确定最终方案。c31cc321-7eca-4556-bf002b-024264f996d9-Numbered_3fddd646-0b73-4d0a-bf5e

5、-c60adc44c32b-Numbered_235 方案的确定综合考虑设计任务和方案确定思想，因系统定位精度和最快移动速度相对并不是很高，故选用性能较好而性价比较高的混合式步进电动机已经足够;生产成本，且因该设计载荷较低，故选用直线滚动导轨副；滑动丝杠副在低速或微调时可能产生爬行显现，且为了能够满足O.025mm的定位精度，故选用滚珠丝杠副；控制系统选用 AT89C51 单片机，足以满足设计要求且较为廉价；由于本设计中要求系统结构紧凑，且依靠步进电动机和滚珠丝杠副已经可以达到所需的脉冲当量，因此可以不使用减速箱。c31cc321-7eca-4556-bf002b-024264f996d9-N

6、umbered_3fddd646-0b73-4d0a-bf5e-c60adc44c32b-Numbered_235 总体方案系统组成（1）机械系统组成1）导轨副的选用该设计课题中所要求的二维工作台，需要承受的载荷不大，但脉冲当量小、定位精度高，因此，决定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、结构紧凑、安装预紧方便等优点。2）丝杠螺母副的选用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，选用滚珠丝杠副。滚珠丝杠副的传动精度高、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。3）减速装置的选用选择了步进电动机和滚珠丝杠副以后，为了圆整脉冲当量，放大电动机的

7、输出转矩，降低运动部件折算到电动机转轴上的转动惯量，可能需要减速装置，且应有消间隙机构。但本设计中要求系统结构紧凑，且依靠步进电动机和滚珠丝杠副已经可以达到所需的脉冲当量，因此不使用减速箱。4）伺服电动机的选用任务书规定的X,Y方向定位精度为0.025mm,由此可以取脉冲当量为0.015mm/step,则其定位精度未达到微米级，最快移动速度也只要求为Vmax=1.5m/mino因此，只需要选用性能较好的步进电动机即可，故在本设计中选用混合式步进电动机，以降低成本，提高性价比。为了避免爬行现象，同时节约5）检测装置的选用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

8、对于步进电动机来说还是偏高的，为了确保电动机在运转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率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差不大，承受的工作载荷也相差不大，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。(2)控制系统组成1)设计的二维工作台要求可直接应用于小型钻、铳床，其控制系统应该具有单坐标定位、两坐标直线插补与圆弧插补的基本功能，所以控制系统应该设计成连续控制型。2)对于步进电

9、动机的半闭环控制，选用 MCS-51 系列的 8 位单片机 AT89C51 作为控制系统的 CPU,应该能够满足任务书给定的相关指标。3)鉴于此系统只考虑步进电机的控制，CPU 的自身资源已经足够，不需要外部引入其它接口扩展电路。考虑控制电路与输出信号电平不一致以及减少干扰等因素，在输入和输出信号之间加入光电耦合器组成信号输入输出电路。4)选择合适的驱动电源，与步进电动机配套使用。(3)系统总体框图根据已确定的总体方案绘制系统总体框图如下：、工作台的尺寸及其重量的初步确定根据给定的有效行程，画出工作台简图根据设计要求，最大工件重量 350N,初定工作台的1355M370M32mm3。工作台的材

10、料为45号钢，其密度33为7.85M10kg/m,（取g=10N/kg）。工作台（X X 向托板）93.mi=35537032107.8510=33kg_9G3553703410万7.8510=330N工作台（Y Y 向托板）取Y向托板=X向托板m2=m1=33kgG2=330N上导轨座（连电机）重量初步取导轨座的长420mm,宽为430mm,高为32mm,但导轨座中间有一大空缺，空缺部分大约220M230 x32mm3。因此93m3=（420430-220230）32107.8510=32.7kgG3=32.710=327N所以根据上面所求，得 XY 工作台运动部分的总重量为：G=G1G2G

11、3=3302327=987N另外，还有丝杠、电机、联轴器等，大约 3kg,因此：G4=3父10=30Nm1=33kgG1=330Nm2=33kgG2=330Nm3=32.7kgG3=327NG=987NG4=30NGM=1367N,A工作台简根据要求所知，其负载为350N,GM=350+30+987=1367N,A三、滚动导轨的计算与选择滑块承受工作载荷F的计算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因素。本设计中的 CNC 二维工作台为水平布置，采用双导轨、四滑块的支承形式。则每个滑块所受的工作载荷为：GiG2G3G4PF二4其中移动部件重量G1+G2+G3+G4=1017

12、N,最大外加载荷P=350N,故得到每个滑块所受的工作载荷F=341.75N。查山东博特精工股份有限公司表 1,根据工作载荷F=341.75N,初选直线滚动导轨副的型号为KL系列的JSALG15型，直线滚动导轨副的有关参数见下表：导轨的寿命计算2ln60L3Lh10式中：l：行程长度，m；n:每分钟往返次数。根据设计要求其寿命要在 5 年以上，一年 300 天，一天 16 小时，开机率为 80%;假设每分钟走 6 个行程，则Lh=5300160.8=19200h21n60Lh20.2266019200L:=3041.28km331010=341.75NLh=19200h=3041.28h3.3

13、导轨额定动负载的核算式中：ft：温度系数，查机电一体化技术手册表 3-47,取ft=1；fc:接触系数，查机电一体化技术手册表 3-48,fc=0.81;fa：精度系数，查机电一体化技术手册表 3-49,fa=0.9；fw:载荷系数，查机电一体化技术手册表 3-50,fw=1.2;F:计算载荷，N；L:导轨的寿命，kmo所以：fwFL1.213673041.28Ca=337374.57N4Meq=0.1084N、结果M空=2.41x10-N%M切=2.71X10-N小M进=6.08X10N,M=2.71：10-Nmeq,Mjmax=0.1084N步进电动机的确定根据步进电机初选的步距角和计算出

14、的最大静转矩，查金坛市四海电机电器厂表 3,选择110BYGH2501系列的110BYGH2501永磁感应子式二相四拍步进电机，静转矩为12Nm,大于Mjmax,满足要求，电机的有关参数见下表:1 1型号步距角相数电压(V)(V)电流(A)(A)静转矩(N.M)(N.M)空氧运彳撷率(XHZ)(XHZ)转动惯量(K2)(K2)机身长(OT)(OT)110BYG2501110BYG25010.9/1+82U0V41215u144144在此频率下，电动机的输出转矩为6.42N加大于最大工作负载转矩0.1084Nm,满足要求.2最快移动时电动机运行频率校核与最快移动速度vmax=1500mm/min

15、 对应的电动机运行频率fmax=1667Hz。查得110BYGH2501电动机的空载极限运行频率最小为 15000Hz,可见没有超出上限，满足5.6步进电动机的性能校核最快移动速度时电动机输出转矩校核任务书给定工作台最快移动速度vmax=1.5m/min,脉冲当量6=0.015mm/脉冲，则可求出电动机对应的运行频率fmax=1500/(60M0.015)Hz1667Hzo110BYGH2501电动机的运行矩频特性曲线图如下max二1667HfL=1177HzLLCEKI23J1测试条件：Sf-20fiUD 蛔分AC11OV要求。计算及说明.3起动频率的计算已知电动机转子的转动惯量Jm=11k

16、gfm2,电动机转轴上的总转动惯量Jeq=Jm+J切=11+1.355=15.355kgm2,查得电动机转轴不带任何负载时的最高起动频率fq=1800Hz,则可以求出步进电动机克服惯性负载的起动频率：fqfL=1163Hz-1，Jeq/Jm上式说明，要想保证步进电动机起动时不失步，任何时候的起动频率都必须小于1163Hz,满足要求。综上所述，本例中工作台的进给传动选用110BYGH2501步进电动机，完全满足设计要求。六、联轴器的选择联轴器的介绍联轴器属于机械能用零件范畴，用来联接不同机构中的两根轴（主动轴和从动轴）使之共同旋转以传递扭矩的机械零件。在高速重载的动力传动中，有些联轴器还有缓冲，

17、减振和提高轴系动态性能的作用。联轴器由两半部分组成，分别与主动轴和从动轴联接。联轴器的选择因为上述所选的电机的转动轴的直径为 19mm,丝杠公称直径为 20mm,且为了隔离振动和冲击，因此我所选的联轴器为：弹性套柱销联轴器 LT3,有关参数见下表：公称转矩许用转速孔轴直径质量转动惯量31.5N知6300r/min20mm,22mm2.2kg-20.0023kgt转动惯量远大于切削时步进电动机转轴上的总转动惯量J切=1.355父10kg浙2,许用转速也符合各工况下的转速。综上所述，所选的联轴器满足使用要求。七、轴承的选择结果根据滚珠丝杆的公称直径do=20mm20mm,额定动载荷FQ=57.56

18、N和额定静载荷Fc=7.5185N以及丝杆所承受的最大载荷Fmax=6.835N和轴承所承受的最大载荷，查机械零件设计手册，以确定所选轴承的型号。所选的轴承为深沟球轴承 6004,有关参数见下表：基本尺寸安装尺寸基本额定载荷极限转速轴承代号dDBrsmindaminDamaxrasmax动我荷荷脂润滑油润滑6000mmmmKNr/min2042110.625370.69.385.021500019000八、控制系统硬件设计X-Y 数控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

19、较好。CPUKCPU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

20、过于浪费。生产基于 51 为内核的单片机的厂家有 Intel、ATMELSimens,其中在 CMO 潞件生产领域 ATME 公司的工艺和封装技术一直处于领先地位。ATME 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用 AT89C51,AT 表示 ATME 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。AT89C51 的性能参数为：Flash 存储器容量为 4KB16 位定时器 2 个、中断源

21、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。 和定时器 1 中断)、 RAM 为 128B、 14 位的计数器 WDTI/O口共有 32 个。、CPU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：CPU 外部接口示意图AT89C51 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 AT89C51 只有 P1 口和 P3 口是准双向口，但

22、 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，实际中采用内部自带锁存器的 8155,所以 AT89C51 的 I/O 口线分配如下：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 三相六拍正转模式和 A-AC-C-CB-B-BA-A 的反转模式。P1.6 口输出控制电磁铁的吸合。P3.2 和 P3.3 两个中断源中 INT0 优先级最高，它读入行程开关的状态并触发中断；INT1 读入点动、复位、圆弧插补开关的状态而触发中断。P0.0-P0.7 外部 I/

23、O 扩展的数据读取。P2.7 和 P2.6 决定 8155 的 PA、PB、PC 口的地址。AT89S51 控制系统图PB 口接 LED 反映当前运行的 8 个状态：X+禁止、X-禁止、Y+禁止、Y-禁止、手动X+运行、手动 X-运行、手动 Y+运行、手动 Y-运行。PA 口低四位反映触发中断 1 的 4 个行程开关的状态。PC 口低 6 位反映了触发中断 2 的手动 X+运行、手动 X-运行、手动 Y+运行、手动Y-运行、复位(RST)、圆弧插补 6 个开关的状态。X X步进电机/0,应沿 X 轴负方向走一步，此时FX=(X-1)*(X-1)+Y*Y-R*R=F-2X+1,X=X-1; 若F

24、V0, 应 沿Y轴 正 方 向 走 一 步 ， 此 时FY=X*X+(Y-1)*(Y-1)-R*R=F+2Y+1,Y=Y+1。步进电机步进一步程序流程图DEFEQU12HSJMPLP3MOVDEF,#00HTAB:DBFEHXMOTOR1 :JNEDIRX,#01H,XMOTOR0DBFCHJNEDEF,#05H,LP2DBFDHCLRDEFDBF9HLP2:MOVA,DEFDBFBHINCDEFDBFAHLP3:MOVDPTR,#TABMOVCA,A+DPTRANLP1,AACALLDELAYRETXMOTOR0 :JNEDEF,#00H,LP4MOVA,#05HMOVDEF,ALP4:MOVA,DEFDECDEF十、参考文献1郑学坚，周斌.微型计算机原理及应用.M.清华大学出版社,20032房小翠.单片微型计算机与机电接口技术M.国防工业出版社，20023王小明.电动机的单片机控制M.北京航空航天大学出版社，20024李建勇机电一体化技术.M.科学出版社.20045张建民机电一体化系统设计M.北京理工出版社，20046徐激等.机械设计手册M.北京：机械工业出版社,20007濮良贵，记名刚.机械设计M.北京：高等教育出版社，2003.杨入清.现代机械设计一