簡易銑床X-Y工作臺機(jī)電系統(tǒng)的設(shè)計

1、課 程 設(shè) 計 說 明 書 設(shè)計題目：簡易銑床X-Y工作臺機(jī)電系統(tǒng)的設(shè)計 設(shè) 計 者：白澤 專 業(yè)：機(jī)械設(shè)計制造及其自動化 學(xué) 號： B13020501 班 級： B130205 指導(dǎo)老師：阮紅芳 完成時間：16.05.26 目錄一、課程設(shè)計目的，需求及設(shè)計要求 1二、總體方案設(shè)計 4三、機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計 5四、步進(jìn)電動機(jī)的選擇設(shè)計 9五、控制系統(tǒng)軟件設(shè)計 11 六、總結(jié) 16七、參考文獻(xiàn) 17 摘要 X-Y數(shù)控工作臺機(jī)電系統(tǒng)是一個開環(huán)控制系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)簡單，實(shí)用，方便而且能夠保證一定的精度。X-Y數(shù)控工作臺是許多機(jī)電一體化設(shè)備的基本部件，如數(shù)控車床的縱一橫向進(jìn)刀機(jī)構(gòu)，數(shù)控銑床和數(shù)控鉆床的X-Y工作

2、臺，激光加工設(shè)備的工作臺，電子元件表面貼裝設(shè)備等。因此，選擇X-Y數(shù)控工作臺做為設(shè)計的內(nèi)容，對機(jī)械專業(yè)的學(xué)生具有普遍意義。本文結(jié)合數(shù)控銑床的基本結(jié)構(gòu)，設(shè)計了一臺X-Y簡易數(shù)控機(jī)床，為銑床的數(shù)控化奠定了基礎(chǔ)。首先確定了X-Y數(shù)控工作臺的總體設(shè)計方案，包括機(jī)械傳動部件的選擇和數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)計，機(jī)械傳動部件的選擇如導(dǎo)軌副作用，絲杠螺母副的作用，減速裝置的選用，伺服電動機(jī)的選擇等。其次，對X-Y數(shù)控工作臺進(jìn)行機(jī)械部分設(shè)計。包括直線導(dǎo)軌副的計算與選型，滾動絲杠螺母副的計算與選型等。最后，對X-Y數(shù)控工作臺系統(tǒng)設(shè)計。通過設(shè)計能夠滿足設(shè)計要求，達(dá)到數(shù)控工作臺的基本要求，因本人水平有限，錯誤和不足之處在所難免，

3、敬請老師批評指正。關(guān)鍵字：X-Y簡易數(shù)控工作臺，機(jī)電系統(tǒng)，滾珠絲杠螺母副，伺服電動機(jī)。一、總體方案設(shè)計1.1 設(shè)計任務(wù)設(shè)計一個數(shù)控X-Y工作臺及其控制系統(tǒng)。該工作臺可用于銑床上坐標(biāo)孔的加工和臘摸、塑料、鋁合金零件的二維曲線加工，重復(fù)定位精度為±0.01mm，定位精度為0.025mm。設(shè)計參數(shù)如下：負(fù)載重量G=151；臺面尺寸C×B×H145mm×160mm×12mm；底座外形尺寸C1×B1×H1210mm×220mm×140mm；最大長度L=388mm；工作臺加工范圍X=55mm，Y=50mm；工作臺最大

4、快移速度為1m/min。1.2 總體方案確定（1）系統(tǒng)的運(yùn)動方式與伺服系統(tǒng)由于工件在移動的過程中沒有進(jìn)行切削，故應(yīng)用點(diǎn)位控制系統(tǒng)。定位方式采用增量坐標(biāo)控制。為了簡化結(jié)構(gòu)，降低成本，采用步進(jìn)電機(jī)開環(huán)伺服系統(tǒng)驅(qū)動X-Y工作臺。（2）計算機(jī)系統(tǒng)本設(shè)計采用了與MCS-51系列兼容的AT89S51單片機(jī)控制系統(tǒng)。它的主要特點(diǎn)是集成度高，可靠性好，功能強(qiáng)，速度快，有較高的性價比。控制系統(tǒng)由微機(jī)部分、鍵盤、LED、I/O接口、光電偶合電路、步進(jìn)電機(jī)、電磁鐵功率放大器電路等組成。系統(tǒng)的加工程序和控制命令通過鍵盤操作實(shí)現(xiàn)。LED顯示數(shù)控工作臺的狀態(tài)。（3）X-Y工作臺的傳動方式為保證一定的傳動精度和平穩(wěn)性，又要

5、求結(jié)構(gòu)緊湊，所以選用絲杠螺母傳動副。為提高傳動剛度和消除間隙，采用預(yù)加負(fù)荷的結(jié)構(gòu)。由于工作臺的運(yùn)動載荷不大，因此采用有預(yù)加載荷的雙V形滾珠導(dǎo)軌。采用滾珠導(dǎo)軌可減少兩個相對運(yùn)動面的動、靜摩擦系數(shù)之差，從而提高運(yùn)動平穩(wěn)性，減小振動?？紤]電機(jī)步距角和絲桿導(dǎo)程只能按標(biāo)準(zhǔn)選取，為達(dá)到分辨率的要求，需采用齒輪降速傳動。 圖1-1 系統(tǒng)總體框圖二、機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計設(shè) 計 計 算 與 說 明主要結(jié)果2.1、工作臺外形尺寸及重量估算X向拖板（上拖板）尺寸：長寬高 145×160×50重量：按重量=體積×材料比重估算NY向拖板（下拖板）尺寸： 重量：約90N。上導(dǎo)軌座（連電機(jī)）重量：夾具

6、及工件重量：約151N 。X-Y工作臺運(yùn)動部分的總重量：約287N。2.2、滾動導(dǎo)軌的參數(shù)確定、導(dǎo)軌型式：圓形截面滾珠導(dǎo)軌、導(dǎo)軌長度上導(dǎo)軌（X向）取動導(dǎo)軌長度 動導(dǎo)軌行程 支承導(dǎo)軌長度 下導(dǎo)軌（Y向） 選擇導(dǎo)軌的型號：GTA16 、直線滾動軸承的選型上導(dǎo)軌Gx=241（N）下導(dǎo)軌由于本系統(tǒng)負(fù)載相對較小，查表后得出LM10UUOP型直線滾動軸承的額定動載荷為370N，大于實(shí)際動負(fù)載；但考慮到經(jīng)濟(jì)性等因素最后選擇LM16UUOP型直線滾動軸承。并采用雙排兩列4個直線滾動軸承來實(shí)現(xiàn)滑動平臺的支撐。、滾動導(dǎo)軌剛度及預(yù)緊方法 當(dāng)工作臺往復(fù)移動時，工作臺壓在兩端滾動體上的壓力會發(fā)生變化，受力大的滾動體變形

7、大，受力小的滾動體變形小。當(dāng)導(dǎo)軌在位置時，兩端滾動體受力相等，工作臺保持水平；當(dāng)導(dǎo)軌移動到位置或時，兩端滾動體受力不相等，變形不一致，使工作臺傾斜角，由此造成誤差。此外，滾動體支承工作臺，若工作臺剛度差，則在自重和載荷作用下產(chǎn)生彈性變形，會使工作臺下凹（有時還可能出現(xiàn)波浪形），影響導(dǎo)軌的精度。 2.3、滾珠絲杠的設(shè)計計算滾珠絲杠的負(fù)荷包括銑削力及運(yùn)動部件的重量所引起的進(jìn)給抗力。應(yīng)按銑削時的情況計算。、最大動負(fù)載Q的計算查表得系數(shù)，壽命值查表得使用壽命時間T=15000h，初選絲杠螺距t=4mm，得絲杠轉(zhuǎn)速所以 mmX向絲杠牽引力 =1.414*0.01*241=3.41NY向絲杠牽引力所以最大

8、動負(fù)荷X向 Qx=20.74(N)Y向 查表，取滾珠絲杠公稱直徑 ，選用滾珠絲杠螺母副 的型號為 SFK1004，其額定動載荷為390N，足夠用。、滾珠絲杠螺母副幾何參數(shù)計算螺紋滾道:公稱直徑=10mm 螺距=4mm,接觸角=,鋼球直徑=2mm 螺紋滾道法面半徑mm 偏心距 螺紋升角螺桿：螺桿外徑mm 螺桿內(nèi)徑mm 螺桿接觸直徑mm螺母：螺母螺紋外徑mm 螺母內(nèi)徑（外循環(huán)）mm、傳動效率計算式中：摩擦角；絲杠螺紋升角。、剛度驗(yàn)算滾珠絲杠受工作負(fù)載P引起的導(dǎo)程的變化量Y向所受牽引力大，故應(yīng)用Y向參數(shù)計算 所以 絲杠因受扭矩而引起的導(dǎo)程變化量很小，可以忽略。所以導(dǎo)程總誤差查表知E級精度的絲杠允許誤

9、差，故剛度足夠。、穩(wěn)定性驗(yàn)算由于絲杠兩端采用止推軸承，故不需要穩(wěn)定性驗(yàn)算。三、步進(jìn)電機(jī)的選用3.1、步進(jìn)電機(jī)的步距角取系統(tǒng)脈沖當(dāng)量，初選步進(jìn)電機(jī)步距角。3.2步進(jìn)電機(jī)啟動力矩的計算設(shè)步進(jìn)電機(jī)等效負(fù)載力矩為T，負(fù)載力為P，根據(jù)能量守恒原理，電機(jī)所做的功與負(fù)載力做功有如下關(guān)系式中： 電機(jī)轉(zhuǎn)角； 移動部件的相應(yīng)位移； 機(jī)械傳動效率。若取 ，則，且，所以式中： 移動部件負(fù)載（N）；G移動部件重量（N）； 與重量方向一致的作用在移動部件上的負(fù)載力（N）； 導(dǎo)軌摩擦系數(shù)；步進(jìn)電機(jī)步距角，（rad）；T電機(jī)軸負(fù)載力矩（）本例中，?。ù慊痄摑L珠導(dǎo)軌的摩擦系數(shù)），為絲杠牽引力，?？紤]到重力影響，Y向電機(jī)負(fù)載較大

10、，因此取，所以若不考慮啟動時運(yùn)動部件慣性的影響，則啟動力矩取安全系數(shù)為0.3，則 對于工作方式為三相六拍的三相步進(jìn)電機(jī) 3.3步進(jìn)電機(jī)的最高工作頻率查表選用兩個45BF005-型步進(jìn)電機(jī)3.4確定齒輪傳動比因步進(jìn)電機(jī)步距角，滾珠絲杠螺距 ，要實(shí)現(xiàn)脈沖當(dāng)量，在傳動系統(tǒng)中應(yīng)加一對齒輪降速傳動。齒輪傳動比選 ， 。3.5確定齒輪模數(shù)及有關(guān)尺寸因傳遞的扭距較小，取模數(shù)，齒輪有關(guān)尺寸見表3-3。3.6步進(jìn)電機(jī)慣性負(fù)載的計算根據(jù)等效轉(zhuǎn)動慣量的計算公式，得式中： 折算到電機(jī)軸上的慣性負(fù)載（）； 步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動慣量（）；齒輪 的轉(zhuǎn)動慣量（）；齒輪 的轉(zhuǎn)動慣量（）；滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動慣量（）；M移動部件質(zhì)量（）

11、。對材料為鋼的圓柱零件轉(zhuǎn)動慣量可按下式估算式中：D圓柱零件直徑（cm）；L零件長度（cm）。所以電機(jī)軸轉(zhuǎn)動慣量很小，可以忽略，則因?yàn)椋詰T性匹配比較符合要求。 L=225mmPx=3.41NPy=4.06N=0.01mm/step=45°i=0.6Tq=4.42N.kmJd=0.4kg.m2四、控制系統(tǒng)硬件設(shè)計X-Y工作臺控制系統(tǒng)硬件主要包括CPU、傳動驅(qū)動、傳感器、人機(jī)交互界面。硬件系統(tǒng)設(shè)計時，應(yīng)注意幾點(diǎn)：電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、響應(yīng)性能好、造價低、可維護(hù)性、人機(jī)交互界面可操作性比較好。4.1 CPU板4.1.1 CPU的選擇隨著微電子技術(shù)水平的不斷提高，單片微型計算機(jī)有了飛躍的發(fā)展。單片

12、機(jī)的型號很多，而目前市場上應(yīng)用MCS-51芯片及其派生的兼容芯片比較多，如目前應(yīng)用最廣的8位單片機(jī)89C51，價格低廉，而性能優(yōu)良，功能強(qiáng)大。在一些復(fù)雜的系統(tǒng)中就不得不考慮使用16位單片機(jī)，MCS-96系列單片機(jī)廣泛應(yīng)用于伺服系統(tǒng)，變頻調(diào)速等各類要求實(shí)時處理的控制系統(tǒng)，它具有較強(qiáng)的運(yùn)算和擴(kuò)展能力。但是定位合理的單片機(jī)可以節(jié)約資源，獲得較高的性價比。從要設(shè)計的系統(tǒng)來看，選用較老的8051單片機(jī)需要拓展程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器，無疑提高了設(shè)計價格，而選用高性能的16位MCS-96又顯得過于浪費(fèi)。生產(chǎn)基于51為內(nèi)核的單片機(jī)的廠家有Intel、ATMEL、Simens，其中在CMOS器件生產(chǎn)領(lǐng)域ATME

13、L公司的工藝和封裝技術(shù)一直處于領(lǐng)先地位。ATMEL公司的AT89系列單片機(jī)內(nèi)含F(xiàn)lash存儲器，在程序開發(fā)過程中可以十分容易的進(jìn)行程序修改，同時掉電也不影響信息的保存；它和80C51插座兼容，并且采用靜態(tài)時鐘方式可以節(jié)省電能。因此硬件CPU選用AT89S51，AT表示ATMEL公司的產(chǎn)品，9表示內(nèi)含F(xiàn)lash存儲器，S表示含有串行下載Flash存儲器。AT89S51的性能參數(shù)為：Flash存儲器容量為4KB、16位定時器2個、中斷源6個（看門狗中斷、接收發(fā)送中斷、外部中斷0、外部中斷1、定時器0和定時器1中斷）、RAM為128B、14位的計數(shù)器WDT、I/O口共有32個。4.1.2 CPU接口

14、設(shè)計CPU接口部分包括傳感器部分、傳動驅(qū)動部分、人機(jī)交互界面三部分。示意圖如下所示：（行程開關(guān)）前向通道傳動驅(qū)動（電磁鐵）（步進(jìn)電機(jī)）人機(jī)界面?zhèn)鞲衅鰽T89S51（鍵盤、LED）后向通道 圖3-1 CPU外部接口示意圖P1.0-P1.2驅(qū)動1X步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動2Y步進(jìn)電機(jī)P1.3-P1.5P1.6驅(qū)動3P3.2外部中斷1P3.3外部中斷2P0.0-P0.7AD0AD7P2.7CEP2.6IO/MPB 口PA口PC口AT89S51鍵盤電磁鐵8155 圖3-2 AT89S51控制系統(tǒng)圖4.2 驅(qū)動系統(tǒng)傳動驅(qū)動部分包括步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動和電磁鐵的驅(qū)動，步進(jìn)電機(jī)須滿足快速急停、定位和退刀時能快速運(yùn)行、工作時能

15、帶動工作臺并克服外力（如切削力、摩擦力）并以指令的速度運(yùn)行。在定位和退刀時電磁鐵吸合使繪筆抬起，繪圖時能及時釋放磁力使筆尖壓下。4.2.1 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路和工作原理步進(jìn)電機(jī)的速度控制比較容易實(shí)現(xiàn)，而且不需要反饋電路。設(shè)計時的脈沖當(dāng)量為0.01mm，步進(jìn)電機(jī)每走一步，工作臺直線行進(jìn)0.01mm。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路中采用了光電偶合器，它具有較強(qiáng)的抗干擾性，而且具有保護(hù)CPU的作用，當(dāng)功放電路出現(xiàn)故障時，不會將大的電壓加在CPU上使其燒壞。圖3-4 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路圖該電路中的功放電路是一個單電壓功率放大電路，當(dāng)A相得電時，電動機(jī)轉(zhuǎn)動一步。電路中與繞組并聯(lián)的二極管D起到續(xù)流作用，即在功放管截止是，使

16、儲存在繞組中的能量通過二極管形成續(xù)流回路泄放，從而保護(hù)功放管。與繞組W串聯(lián)的電阻為限流電阻，限制通過繞組的電流不至超過額定值，以免電動機(jī)發(fā)熱厲害被燒壞。由于步進(jìn)電機(jī)采用的是三相六拍的工作方式（三個線圈A、B、C），其正轉(zhuǎn)的通電順序?yàn)椋篈-AB-B-BC-C-CA-A，其反轉(zhuǎn)的通電順序?yàn)椋篈-AC-C-CB-B-BA-A。步進(jìn)時鐘A相波形B相波形C相波形圖3-5 三相六拍工作方式時相電壓波形（正轉(zhuǎn)）4.2.2 電磁鐵驅(qū)動電路 該驅(qū)動電路也采用了光電偶合器，但其功放電路相對簡單。其光電偶合部分采用的是達(dá)林頓管，因?yàn)轵?qū)動電磁鐵的電流比較大。圖3-6 電磁鐵驅(qū)動電路4.2.3 電源設(shè)計兩電機(jī)同時工作再

17、加上控制系統(tǒng)用電，所需電源容量比較大，需要選擇大容量電源。此系統(tǒng)中用到的電源電壓為27V、12V、5V，為了便于管理和電源容量需求，就采用了標(biāo)準(zhǔn)的27V電源作為基準(zhǔn)，通過芯片進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換得到所需的12V和5V電壓。4.3 X軸電機(jī)點(diǎn)動正轉(zhuǎn)程序流程圖X+EN： CLR P1.6 MOV A，PA MOV DPTR，A MOVX A，DPTR JNB ACC.0，LOOP2MOTOR0： MOV DIRX，#01H ACALL XMOTOR0 MOV A，PC MOV DPTR，A MOV A，DPTR JNB ACC.0，MOTOR0LOOP2： AJMP LOOP1這是X軸電機(jī)點(diǎn)動正轉(zhuǎn)的程序，

18、其他的X軸電機(jī)點(diǎn)動反轉(zhuǎn)、Y軸電機(jī)點(diǎn)動正轉(zhuǎn)、Y軸電機(jī)點(diǎn)動反轉(zhuǎn)依次類推。五、總結(jié)本次課程設(shè)計是綜合大學(xué)所有學(xué)科的一次練習(xí)，是最大的一次課程設(shè)計。這次課程設(shè)計跨越機(jī)械和電氣兩大學(xué)科。在設(shè)計時要聯(lián)系機(jī)械部分和電氣控制部分作為一個有機(jī)的整體來考慮，本次設(shè)計是一個機(jī)械和電氣有機(jī)組合的系統(tǒng)是一個整體。如果單方面考慮其中一項(xiàng)必定是做不出來的。這次課程設(shè)計時我又一次親手設(shè)計東西，與以前單純的機(jī)械設(shè)計不一樣，有了更多的收獲，體會也很多。在這次設(shè)計中我也學(xué)會了很多新東西，包括一些軟件的應(yīng)用。當(dāng)然最重要的是學(xué)到了基于運(yùn)動控制卡的幾點(diǎn)一體化系統(tǒng)設(shè)計的一些基本方法。加深了對機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計的理解，初步了解了一些常用工業(yè)控制元器件和掌握它們的使