通用二维运动平台设计.docx

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通用二维运动平台设计

通用二维运动平台设计

通用二维平台是许多机电一体化设备的基本部件，如数控车床的纵-横向进刀机构、数控铣床和数控钻床的X-Y工作台、激光设备的工作台、电子元件表面贴装设备等。

根据设计要求的工作载荷，通过计算和校核，进行导轨副、滚珠丝杠螺母副和伺服电动机等的选型，在满足性能的要求下，以成本最低为原则，满足工作要求的需要，能稳定完成生产任务。

本次机械装配图采用国产软件CAXA进行绘制，通过提取图符操作调用标准零件，因而能够较快的绘制机械装配图。

电气原理图采用Protel99Se绘制。

关键词：

运动平台；滚珠丝杠；计算；绘图

第一章二维运动平台总体方案设计1

第二章二维运动平台进给伺服系统机械部分设计计算2

2.1确定系统脉冲当量2

2.2确定系统切削力2

2.3直线滚动导轨副的计算与选型3

2.4滚珠丝杠螺母副的计算和选型3

2.5计算减速比i6

2.6步进电动机的计算和选型6

第三章微机数控硬件电路设计10

3.1MCS—51系列单片机简介11

3.1.1MCS—51系列指令系统简介11

3.1.2定时器/计数器12

3.1.3中断系统13

3.2存储器扩展电路设计13

3.2.1程序存储器的扩展13

3.2.2数据存储器的扩展14

3.2.3译码电路设计16

3.3I/O接口电路及辅助电路设计18

3.3.18255通用可编程接口芯片18

3.3.2键盘显示接口电路20

3.3.3电机接口及驱动电路21

3.3.4辅助电路23

参考文献24

第一章二维运动平台总体方案设计

1.1系统的运动方式与伺服系统的选择

为了满足二维运动平台实现X.Y两坐标联动，任意平面曲面的加工，自动换象限，越位报警和急停等功能，故选择连续控制系统。

考虑到工作台的加工围，只对毛坯料进行初加工，不考虑误差补偿，故采用开环控制系统，由于任务书规定的脉冲当量尚未达到0.001mm,定位精度也未达到微米级，空载最快移动速度也只有2000

，因此，本设计不必采用高档次的伺服电动机，如交流伺服电动机或直流伺服电动机等，可以选用性能好一些的步进电动机电机进行驱动，以降低成本，提高性价比。

1.2机械传动方式

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，要满足0.01mm的脉冲当量和

0.10mm的定位精度，滑动丝杠副无能为力，只有选用滚珠丝杠螺母副才能达到。

同时，为提高传动刚度和消除传动间隙，采用有预加负荷的结构。

1.3计算机系统

根据设计要求，采用8位微机。

由于MCS—51系列单片机具有集成度高、可靠性好、功能强、速度快、抗干扰能力强，具有很高的性能价格比等特点，决定采用MCS—51系列的8031、80C31、8086、DSP、基于DSP的运动控制芯片，ARM嵌入式微处理器技术。

控制系统由微机部分、键盘及显示器、I/O接口及光电隔离电路。

系统的加工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及机床状态等信息。

数控机床总体方案设计，X.Y数控工作台总体方案设计分别见图1.1和图1.2

图1.1X.Y数控工作台总体方案设计

第二章二维运动平台进给伺服系统机械部分设计计算

伺服系统机械部分设计计算容包括：

确定系统的脉冲当量、区定系统的负载、，运动部件惯量计算，空载起动及切削力矩计算，确定伺服电机，传动及导向元件的设计、计算及选用，绘制机械部分装配图等。

现分述如下：

2.1确定系统脉冲当量

一个进给脉冲，使运动部件产生的位移量，称为脉冲当量。

脉冲当量是衡量数控机床加工精度的一个基本技术参数。

根据设计要求，二维运动平台采用的脉冲当量是0.01mm/step。

2.2确定系统切削力

根据设计要求，机床的切削负载为：

X向200N；Y向300N；Z向400N；G为400N。

2.3直线滚动导轨副的计算与选型

1、滑块承受工作载荷

的计算及导轨型号的选取工作载荷是影响直线滚动导轨使用寿命的重要因素。

本课题中的X-Y工作台为水平布置，采用双导轨、四滑块的支承形式。

考虑最不利的情况，即垂直于台面的工作载荷全部由一个滑块承担，则单滑块所受的最大垂直方向载荷为：

其中，移动部件重量G=400N，外加载荷

=400N，代入上式，得最大工作载荷

=500N。

查《机电一体化系统设计课程设计指导书》表3-41，根据工作载荷

=600N，初选直线滚动导轨副的型号为KL系列的JSA-LG25型，其额定动载荷

=7.94

，额定静载荷

=9.5

。

任务书规定工作台平面尺寸为200

×160

，考虑工作行程应留有一定余量，查《机电一体化系统设计课程设计指导书》表3-35，按标准系列，选取导轨的长度为340

。

2距离额定寿命L的计算上述选取的KL系列JSA-LG型导轨副的滚道硬度为60HRC,工作温度不超过100

每根导轨上配有两只滑块，精度为4级，工作速度较低，载荷不大，查《机电一体化系统设计课程设计指导书》表3-36～表3-40，分别取硬度系数

=1.0、温度系数

=1.00、接触系数

=0.81、精度系数

=0.9、载荷系数

=1.5，代入式

，得距离寿命：

L

=25978.65KM

远大于期望值50km,故距离额定寿命满足要求.

2.4滚珠丝杠螺母副的计算和选型

1、计算最大工作载荷

查《机电一体化系统设计课程设计指导书》表3-29，取颠覆力矩影响系数K=1.1，滚动导轨上的摩擦因数

=0.005，已知G=800N，

=200N，

=300N,

=400N。

求得滚珠丝杠副的最大工作载荷：

=

+μ（

+

+G）=1.1

200+0.005（300+400+800）=227.5N

2、计算最大动负载

式中

——滚珠丝杠导程，初选

=4mm；

——最大切削力下的进给速度此处

=0.8m/min；

——使用寿命，按15000h；

——运转系数，按一般运转取

=1.2～1.5；

——寿命、以

转为1单位

=

=200

=

=1541.4N

3、滚珠丝杠螺母副的选型

根据计算出的最大动载荷和初选的丝杠导程，查《机电一体化系统设计课程设计指导书》表3-31，选择博特精密丝杠制造生产的G系列1604-3型滚珠丝杠副，为循环固定反向器单螺母式，其公称直径为16，导程为4m,循环滚珠为3圈×1列，精度等级取5级，额定动载荷为4612KN满足要求。

4、传动效率计算

将公称直径

，导程

=4mm，代入

得丝杠螺旋升角

=

将摩擦角

，代入下式得；

式中

---丝杠螺旋升角；

---摩擦角，滚珠丝杠的滚动摩擦系数

，其摩擦角约等于

。

5、刚度验算

先画出此纵向进给滚珠丝杠支承方式草图如图3所示。

最大牵引力为337N母装配总长度为37mm,丝杠螺纹长度取340mm,预计支承长度为303mm，丝杠螺母及轴承均进行预紧，预紧力为最大轴向负载的1/3。

图2.1纵向进给系统计算简图

（1）、丝杠的拉伸或压缩变形量

查《机电一体化系统设计课程设计指导书》表3-31得，滚珠直径

丝杠底径

，丝杠横截面积S=

=134.71

已知

=227.5N。

将各个数据代入下式得

=（227.5×321.5）/（210000×134.71）=0.0024mm

式中：

：

丝杠最大工作载荷

a:

丝杠两端支撑距离

E：

丝杠材料弹性模量

S：

丝杠按着底径确定的截面积

M：

转矩

I：

丝杠按着底径确定的惯性转矩

（2）、滚珠与螺纹滚道间接触变形

根据公式

求得单圈滚珠数Z=18；该型号丝杠为单螺母滚珠的圈数×列数为3×1，代入公式：

×圈数×列数，得滚珠总数量

=54。

丝杠预紧时，取轴向预紧力

代入下式得

δ=0.0013

因为丝杠加有预紧力，且为轴向负载的1／3，所以变形量可减小一半，取

=0.000513

。

（3）将以上算出的

和

代入

=

＋

，求得丝杠总变形量

=0.0024＋0.00051=0.00291

本课题中，丝杠的有效行程为303

，由《机电一体化系统设计课程设计指导书》表3-37可知，五级精度滚珠丝杠有效行程在315～400

时，行程偏差允许达到40

可见丝杠刚度足够，且

小于1／3的开环系统定位精度值0.025

，满足要求。

6、稳定性校核

查《机电一体化系统设计课程设计指导书》表3-34得，取支承系数

=1；由丝杠底径

，求得截面惯性矩I=1444.89

；压杆稳定安全系数K取3；滚动螺母至轴向固定处的距离a取最大值303

。

代入式得

9647.8N

﹥

=337不会失稳。

综上所述。

初选的滚珠丝杠副满足使用要求。

2.5计算减速比i

已知工作台的脉冲当量

，滚珠丝杠的导程

=4mm，初选步进电动机的步矩角a=0.9得

=1

2.6步进电动机的计算和选型

1、计算加在步进步进电动机转轴上的总转动惯量

已知滚珠丝杠的公称直径

总长L=340，

=4mm,料密度

；移动部件总重力G=800N,

得滚珠丝杠的转动惯量

；由公式

得拖板折算到丝杠上的转动惯

式中：

初选步进电动机型号为90BYG2602,为两相混合式，由宝马集团公生产，二相八拍驱动时步矩角为a=0.9，查《机电一体化系统设计课程设计指导书》表4-5得该型号电动机转子的转动惯量

。

则加在步进电动机转轴上的总转动惯量为：

2、计算加在步进电动机转轴上的等效负载转矩

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）快速空载起动时电动机转轴所承受的负载转矩由公式

可知,

包括三部分：

一部分是快速空载起动时折算到电动机转轴上的最大加速转矩

；一部分是移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩

；还有一部分是滚珠丝杠与今后折算到电动机转轴上的附加摩擦转矩

。

因为滚珠丝杠副传动效率很高，根据公式

可知，

相对于

和

很小，可以忽略不计。

则有：

=

﹢

根据公式

，考虑传动链的总效率

=0.94空载起动时折算到电动

机转轴上的最大加速转矩：

×

式中

----对应空载最快移动速度的步进电动机最高转速，单位为

；

----步进电动机由静止到加速至

转速所需的时间，单位为s。

其中：

式中

----空载最快移动速度，任务书指定为2000

；

----步进电动机步矩角，预选电动机为0.9

----脉冲当量，任务书指定为

（开环系统）。

将以上各值代入式

中，得

=500in。

设步进电动机由静止到加速至

转速所需时间

=0.23传动链总效率

=0.94由公式

×

求得

≈0.1253

m

由式

=

可知，移动部件运动时，折算到电动机转轴上的摩擦转矩为

=

式中

----导轨的摩擦因数，滚动导轨取0.005；

----垂直方向的铣削力，空载时取0

----传动链总效率，取0.94

则由式

=

求得

≈0.0027

最后由式

=

﹢

，求得快速空载起动时电动机转轴所承受的负载转矩：

=

﹢

=0.128

2）最大工作负载状态下电动机转轴所承受的负载转矩

由式

可知，

包括三部分：

一部分是折算到电动