基于单片机控制的X-Y工作台机电系统设计欧阳昌驰14.

1、基于单片机控制X-Y数控工作台机电系统设计专专 业业: : 机械电子工程机械电子工程答答 辩辩 人人: : 欧阳昌驰欧阳昌驰 学学 号号: 083151: 0831511414 指导老师指导老师: : 万智辉万智辉选题目的及意义选题目的及意义12论文结构及主要内容论文结构及主要内容选题目的及意义选题目的及意义 选题的意义选题的意义随着现代科学技术的不断发展，极大地推动了不同学科的随着现代科学技术的不断发展，极大地推动了不同学科的渗透，促进了工程领域的技术改革。由于计算机技术和微电子渗透，促进了工程领域的技术改革。由于计算机技术和微电子技术的迅速发展并被机械工业领域应用从而形成了机电一体化，技术

2、的迅速发展并被机械工业领域应用从而形成了机电一体化，使得机械工业的产品结构、技术结构、功能和生产管理体系发使得机械工业的产品结构、技术结构、功能和生产管理体系发生了巨大的变化，也使得工业生产从生了巨大的变化，也使得工业生产从“机械电气化机械电气化”迈进了迈进了“机电一体化机电一体化”的发展阶段。的发展阶段。X-Y数控工作台是很多机电一体化设备的基本部件，比如数控工作台是很多机电一体化设备的基本部件，比如数控铣床、数控钻床的数控铣床、数控钻床的X-Y工作台。工作台。X-Y数控工作台通常是由数控工作台通常是由导轨座、移动滑块、滚珠丝杆螺母副及伺服电动机等部件构成。导轨座、移动滑块、滚珠丝杆螺母副及

3、伺服电动机等部件构成。伺服电动机主要是用于驱动滚珠丝杆，滚珠丝杆螺母驱动滑块伺服电动机主要是用于驱动滚珠丝杆，滚珠丝杆螺母驱动滑块和工作台在指定的导轨上运动，从而完成工作台在和工作台在指定的导轨上运动，从而完成工作台在XY两个方两个方向的直线运动。向的直线运动。现在大部分使用的数控铣床都是集机械制造、自动控制、现在大部分使用的数控铣床都是集机械制造、自动控制、电子技术、传感技术、计算机技术及网络通讯技术于一体的典电子技术、传感技术、计算机技术及网络通讯技术于一体的典型机电一体化产品。型机电一体化产品。选题目的及意义选题目的及意义选题的目的选题的目的 X-YX-Y数控工作台机电系统设计是一个开环

4、控制系统数控工作台机电系统设计是一个开环控制系统, ,其其结结 构简单、实现方便而且能够保证一定的精度、降低成构简单、实现方便而且能够保证一定的精度、降低成本本, ,是单片机控制技术的最简单的应用。它充分的利用了是单片机控制技术的最简单的应用。它充分的利用了单片机的软件硬件功能以实现对机床的控制，使机床的加单片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工范围扩大, ,精度和可靠性进一步得到提高。精度和可靠性进一步得到提高。 因此通过此次设计，能使我更全面地、系统地了因此通过此次设计，能使我更全面地、系统地了解和掌握数控机床的基本组成及其相关知识，学习总体的解和掌握数控机床的基本组

5、成及其相关知识，学习总体的方案拟定、分析与比较的方法。同时通过对机械系统的设方案拟定、分析与比较的方法。同时通过对机械系统的设计，掌握几种典型传动元件与导向元件的工作原理，设计计，掌握几种典型传动元件与导向元件的工作原理，设计计算及选用的方式，常用伺服电机的工作原理、计算控制计算及选用的方式，常用伺服电机的工作原理、计算控制方法与控制驱动方式。方法与控制驱动方式。 不仅能巩固专业上的知识，还能使我的独立分析不仅能巩固专业上的知识，还能使我的独立分析问题和解决问题的能力得到锻炼，学习并树立问题和解决问题的能力得到锻炼，学习并树立“系统设计系统设计”的思想，提高我对查阅文献资料及撰写科技论文的能力

6、。的思想，提高我对查阅文献资料及撰写科技论文的能力。论文结构论文结构 X-Y数控工作台是许多机电一体化设备的基本部数控工作台是许多机电一体化设备的基本部件，如数控车床的纵件，如数控车床的纵-横向进刀机构、数控铣床横向进刀机构、数控铣床和数控钻床的和数控钻床的X-Y工作台、激光加工设备的工作工作台、激光加工设备的工作台、电子元件表面贴装设备等。台、电子元件表面贴装设备等。溶胶溶胶-凝胶的基本原理凝胶的基本原理 论文结构论文结构 。完整的机电一体化系统组成：完整的机电一体化系统组成：机械本体机械本体动力与驱动部分动力与驱动部分执行机构执行机构传感测试部分传感测试部分控制及信息处理部分控制及信息处理

7、部分 模块化的模块化的X-Y数控数控工作台，通常由工作台，通常由导轨导轨座、移动滑块、工作座、移动滑块、工作平台、滚珠丝杠螺母平台、滚珠丝杠螺母副以及伺服电动机副以及伺服电动机等等部件构成。部件构成。X-Y数控工作台外形 伺服电动机作为执行元伺服电动机作为执行元件用来驱动滚珠丝杠，滚珠件用来驱动滚珠丝杠，滚珠丝杠的螺母带动滑块和工作丝杠的螺母带动滑块和工作平台在导轨上运动，完成工平台在导轨上运动，完成工作台在作台在X、Y方向的直线移动方向的直线移动。导轨副、滚珠丝杠螺母副和伺服电动机等均已标导轨副、滚珠丝杠螺母副和伺服电动机等均已标准化，由专门厂家生产，设计时只需根据工作载准化，由专门厂家生产

8、，设计时只需根据工作载荷选取即可。控制系统根据需要，可以选用标准荷选取即可。控制系统根据需要，可以选用标准的工业控制计算机，也可以设计专用的微机控制的工业控制计算机，也可以设计专用的微机控制系统。系统。题目题目：基于单片机控制的基于单片机控制的X-Y数控工数控工作台机电系统设计作台机电系统设计主要参数如下：主要参数如下：（1）立铣刀最大直径）立铣刀最大直径d =10 mm；（2）立铣刀齿数）立铣刀齿数Z=3；（3）最大铣削宽度）最大铣削宽度ae=10 mm；（4）最大铣削深度）最大铣削深度ap=8 mm； （5）加工材料为碳素钢；）加工材料为碳素钢； （6）X、Y方向的定位精度均为方向的定位精

9、度均为 0.01 mm；（7）工作台面尺寸为）工作台面尺寸为200 mm180 mm， 加工范围为加工范围为230 mm210 mm；（8）工作台空载最快移动速度）工作台空载最快移动速度vxmax = vymax = 2500 mm/min；（9）工作台进给最快移动速度）工作台进给最快移动速度vxmaxf = vymaxf = 500 mm/min，加减速时间为，加减速时间为0.4s。 1机械传动部件的选择机械传动部件的选择（1）导轨副的选用）导轨副的选用应用环境应用环境： 要设计的要设计的X-Y工工作台是用来配套轻作台是用来配套轻型的立式数控铣床型的立式数控铣床，需要承受的载荷，需要承受的载

10、荷不大，但脉冲当量不大，但脉冲当量小、定位精度高。小、定位精度高。 这样，决定选用这样，决定选用直线滚动导轨副直线滚动导轨副。 它具有摩擦系数它具有摩擦系数小、不易爬行、小、不易爬行、传动效率高、结传动效率高、结构紧凑、安装预构紧凑、安装预紧方便等优点。紧方便等优点。 （2）丝杠螺母副）丝杠螺母副的选用的选用 应用环境应用环境： 伺服电动机的旋伺服电动机的旋转运动需要通过丝杠转运动需要通过丝杠螺母副转换成直线运螺母副转换成直线运动，要满足动，要满足0.005mm的脉冲当量和的脉冲当量和 0.01mm的定位精的定位精度。度。 滑动丝杠副无能为滑动丝杠副无能为力，只有选用力，只有选用滚珠滚珠丝杠副

11、丝杠副才能达到。才能达到。 滚珠丝杠副的传动滚珠丝杠副的传动精度高、动态响应精度高、动态响应快、运转平稳、寿快、运转平稳、寿命长、效率高，预命长、效率高，预紧后可消除反向间紧后可消除反向间隙。隙。（3）减速装置的选用）减速装置的选用 选择了步进电动机和滚珠选择了步进电动机和滚珠丝杠副以后，为了圆整脉丝杠副以后，为了圆整脉冲当量，放大电动机的输冲当量，放大电动机的输出转矩，降低运动部件折出转矩，降低运动部件折算到电动机转轴上的转动算到电动机转轴上的转动惯量，可能需要减速装置惯量，可能需要减速装置，且应有消间隙机构。为，且应有消间隙机构。为此本例决定采用此本例决定采用无间隙齿无间隙齿轮传动减速箱。

12、轮传动减速箱。（4）伺服电动机的选）伺服电动机的选用用 应用环境应用环境： 任务书规定的脉冲当量任务书规定的脉冲当量尚未达到尚未达到0.001mm，定，定位精度也未达到微米级位精度也未达到微米级，空载最快移动速度也，空载最快移动速度也只有只有2500mm/min。 因此，本设计不必因此，本设计不必采用高档次的伺服采用高档次的伺服电动机，如交流伺电动机，如交流伺服电动机或直流伺服电动机或直流伺服电动机等，可以服电动机等，可以选用性能好一些的选用性能好一些的步进电动机，如步进电动机，如混混合式步进电动机合式步进电动机，以降低成本，提高以降低成本，提高性性/价比。价比。 （5）步进电动机驱动电源的选

13、用）步进电动机驱动电源的选用 本次设计中本次设计中X、Y向步进电动机均为向步进电动机均为110BC380F型，生产厂家为常州宝马集团型，生产厂家为常州宝马集团公司。选择与之配套的驱动电源为公司。选择与之配套的驱动电源为BD28Nb型，输入电压型，输入电压220V AC，相电流，相电流6A，分配，分配方式为三相六拍。方式为三相六拍。 考虑到考虑到X、Y两个两个方向的加工范围方向的加工范围相同，承受的工相同，承受的工作载荷相差不大作载荷相差不大，为了减少设计，为了减少设计工作量，工作量，X、Y两两个坐标的导轨副个坐标的导轨副、丝杠螺母副、丝杠螺母副、减速装置、伺服减速装置、伺服电动机以及检测电动机

14、以及检测装置拟采用相同装置拟采用相同的型号与规格。的型号与规格。（6）步进电动机减速箱的选用）步进电动机减速箱的选用 为了满足脉冲当量的设计要求，增大步进电动机的为了满足脉冲当量的设计要求，增大步进电动机的输出转矩，同时也为了使滚珠丝杠和工作台的转动输出转矩，同时也为了使滚珠丝杠和工作台的转动惯量折算到电动机转轴上尽可能地小，今在步进电惯量折算到电动机转轴上尽可能地小，今在步进电动机的输出轴上安装一套齿轮减速箱动机的输出轴上安装一套齿轮减速箱。 采用一级减速，步进电动机的输出轴采用一级减速，步进电动机的输出轴与小齿轮联接，滚珠丝杠的轴头与大与小齿轮联接，滚珠丝杠的轴头与大齿轮联接。其中大齿轮设计成双片结齿轮联接。其中大齿轮设计成双片结构，采用弹簧错齿法消除侧隙。构，采用弹簧错齿法消除侧隙。 2控制系统的设计控制系统的设计 （1）设计的）设计的X-Y工作台准备用在数控铣床上工作台准备用在数控铣床上，其控制系统应该具有单坐标定位、两坐标，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。系统应该设计成连续控制型。 （2）对于步进电动）对于步进