机电一体化系统设计 XY数控工作台设计说明书.docx

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机电一体化系统设计XY数控工作台设计说明书

工程学院本科生

专业课程设计说明书

（机电一体化系统设计）

题目：

数控铣床X-Y工作台设计

学号：

姓名：

专业班级：

组别：

第1组

指导教师：

职称：

年月日

目录

设计任务书1

1系统总体设计2

1.1总体性能要求与整体方案2

1.2各系统方案确定2

1.2.1机械传动系统方案2

1.2.2控制系统总体方案2

1.3课程设计主要内容安排2

2机械系统设计3

2.1工作台外形尺寸及重量估算3

2.2滚动导轨的参数确定3

2.3滚珠丝杠的设计计算4

2.4步进电动机减速箱的选用6

2.5步进电机的计算与选型7

2.6步进电机的性能校核9

3控制系统硬件设计11

3.1微机系统选择11

3.1.1单片机选型11

3.1.2CPU接口设置11

3.2驱动系统12

3.2.1步进电机驱动电路和工作原理12

3.2.2电磁铁驱动电路12

3.2.3电源设计13

4控制系统软件设计14

4.1总体方案14

4.2程序流程图14

4.2.1X轴电机点动正转程序流程图15

4.2.2步进电机步进一步程序流程图16

5设计总结17

5.1结论17

5.2心得体会17

参考文献17

附录清单18

设计任务书

题目：

X-Y数控工作台机电系统设计

设计任务：

设计一个微机控制的立式铣床X-Y工作台，具体内容如下：

1、机械系统设计：

通过计算正确选择传动机构、导向机构、执行机构、驱动电机等，并给出计算依据，绘制机械系统装配图；

2、控制系统设计：

根据系统要求，选择正确控制策略，设计合理的控制系统，绘制控制系统原理电路图；

3、主程序设计：

在机械系统与控制系统设计基础上，开发控制主程序，列出程序清单；

4、设计说明书撰写

系统主要参数：

1、立铣刀最大直径d=15mm；

2、立铣刀齿数Z=4；

3、最大铣削宽度

；

4、最大背吃刀量

；

5、加工材料为碳素钢；

6、X、Y方向的脉冲当量

/脉冲；

7、X、Y方向的定位精度均为

；

8、工作台尺寸600mm×550mm,加工范围为320mm×280；

9、工作台空载最快移动速度

；

10、工作台进给最快移动速度

；

时间安排及任务：

1、系统功能介绍，总体方案设计（1天）

（1）机电一体化设计基本过程介绍；

（2）X-Y工作台功能介绍；

（3）总体方案确定。

2、单元功能模块介绍和设计任务落实（1天）

3、详细设计（8天）

（1）机械系统装配图设计；

（2）控制系统原理图设计；

（3）控制主程序设计。

一、总体方案设计

1.1设计任务

设计一个数控X-Y工作台及其控制系统。

该工作台可用于铣床上坐标孔的加工和腊摸、塑料、铝合金零件的二维曲线加工，重复定位精度为±0.01mm，定位精度为0.025mm。

设计参数如下：

负载重量G=150N；台面尺寸C×B×H＝145mm×160mm×12mm；底座外形尺寸C1×B1×H1＝210mm×220mm×140mm；最大长度L=388mm；工作台加工范围X=55mm，Y=50mm；工作台最大快移速度为1m/min。

1.2总体方案确定

（1）系统的运动方式与伺服系统

由于工件在移动的过程中没有进行切削，故应用点位控制系统。

定位方式采用增量坐标控制。

为了简化结构，降低成本，采用步进电机开环伺服系统驱动X-Y工作台。

（2）计算机系统

本设计采用了与MCS-51系列兼容的AT89S51单片机控制系统。

它的主要特点是集成度高，可靠性好，功能强，速度快，有较高的性价比。

控制系统由微机部分、键盘、LED、I/O接口、光电偶合电路、步进电机、电磁铁功率放大器电路等组成。

系统的加工程序和控制命令通过键盘操作实现。

LED显示数控工作台的状态。

（3）X-Y工作台的传动方式

为保证一定的传动精度和平稳性，又要求结构紧凑，所以选用丝杠螺母传动副。

为提高传动刚度和消除间隙，采用预加负荷的结构。

由于工作台的运动载荷不大，因此采用有预加载荷的双V形滚珠导轨。

采用滚珠导轨可减少两个相对运动面的动、静摩擦系数之差，从而提高运动平稳性，减小振动。

考虑电机步距角和丝杆导程只能按标准选取，为达到分辨率的要求，需采用齿轮降速传动。

图1-1系统总体框图

二、机械系统设计

2.1、工作台外形尺寸及重量估算

按照下导轨之上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、减速箱、滚珠丝杠副、直线滚动导轨副、导轨座等，估计重量约为1800N。

2.2、滚动导轨的参数确定

设零件的加工方式为立式铣削，采用硬质合金立铣刀，工件的材料为碳钢。

则由表3-7查得立铣时的铣削力计算公式为：

（6-11）

今选择铣刀直径d=15mm，齿数Z=4，为了计算最大铣削力，在不对称铣削情况下，取最大铣削宽度ae=15mm，铣削深度ap=8mm，每齿进给量fz=0.1mm，铣刀转速300r/min。

则由式（6-11）求得最大铣削力：

Fc=118×150.85×0.10.75×15-0.73×81.0×3000.13×4N≈1951N

采用立铣刀进行圆柱铣削时，各铣削力之间的比值可由表3-5查得，结合图3-4a，考虑逆铣时的情况，可估算三个方向的铣削力分别为：

Ff=1.1Fc≈2146N，Fe=0.38Fc≈741N，Ffn=0.25Fc≈488N图3-4a为卧铣情况，现考虑立铣，则工作台受到垂直方向的铣削力Fz=Fe=741N，受到水平方向的铣削力分别为Ff和Ffn。

今将水平方向较大的铣削力分配给工作台的纵向（丝杠轴线方向），则纵向铣削力Fx=Ff=2146N，径向铣削力Fy=Ffn=488N。

（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副使用寿命的重要因素。

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。

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向载荷为：

Fmax=G/4+F（6-12）

其中，移动部件重量G＝1800N，外加载荷F=Fz=741N，代入（6-12）式得最大工作载荷PC=1191N=1.191kN。

查表3-41，根据工作载荷PC=1.191kN，初选直线滚动导轨副的型号为KL系列的JSA-LG15型，其额定动载荷Ca=7.94kN，额定静载荷C0a=9.5kN。

任务书规定工作台面尺寸为600mm×550mm，加工范围为320mm×280mm，考虑工作行程应留有一定余量，查表3-35，按标准系列，选取导轨的长度为1240mm。

上述选取的KL系列JSA-LG15型导轨副的滚道硬度为HRC60，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。

查表3-36～表3-40，分别取硬度系数fH=1.0，温度系数fT=1.00，接触系数fC=0.81，精度系数fR=0.9，载荷系数fW=1.5，代入式（3-33），得距离寿命：

≈1700km

远大于期望值50km，故距离额定寿命满足要求。

2.3、滚珠丝杠的设计计算

（1）最大工作载荷Fm的计算承受最大铣削力时，工作台受到进给方向的载荷（与丝杠轴线平行）Fx=2146N，受到横向的载荷（与丝杠轴线垂直）Fy=488N，受到垂向的载荷（与工作台面垂直）Fz=741N。

已知移动部件总重量G=1800N，按矩形导轨进行计算，查表3-29，取颠覆力矩影响系数K=1.1，滚动导轨上的摩擦因数μ=0.005。

求得滚珠丝杠副的最大工作载荷

Fm=KFx+μ（Fz+Fy+G）=[1.1×2146+0.005×（741+448+1800）]N≈2375N

（2）最大动载荷FQ的计算

设工作台在承受最大铣削力时的最快进给速度v=450m/min，初选丝杠导程Ph=5mm，则此时丝杠转速n=v/Ph=90r/min。

取滚珠丝杠的使用寿命T=15000h，代入L0=60nT/106，得丝杠寿命系数L0=81（单位为：

106r）。

查表3-30，取载荷系数fW=1.2，滚道硬度为HRC60时，取硬度系数fH=1.0，代入式（3-23），求得最大动载荷：

FQ≈12295N

（3）初选型号

根据计算出的最大动载荷和初选的丝杠导程，查表3-31，选择济宁博特精密丝杠制造有限公司生产的G系列2506-4型滚珠丝杠副，为内循环固定反向器单螺母式，其公称直径为32mm，导程为5mm，循环滚珠为3圈×1列，精度等级取4级，额定动载荷为13675N，大于FQ，满足要求。

（4）传动效率η的计算

将公称直径d0=32mm，导程Ph=5mm，代入λ=arctan[Ph/（πd0）]，得丝杠螺旋升角λ=2°50′。

将摩擦角φ=10′，代入η=tanλ/tan（λ+φ）,得传动效率η=94.4%。

（5）刚度的验算

1）X-Y工作台上下两层滚珠丝杠副的支承均采用“单推-单推”的方式，见书后图6-23。

丝杠的两端各采用一对推力角接触球轴承，面对面组配，左、右支承的中心距离约为a=500mm；钢的弹性模量＝2.1×105Mpa；查表3-32，得滚珠直径d2=3.175mm，丝杠底径=28.2mm，丝杠截面积S=πd22/4=624.26mm2。

忽略式（3-25）中的第二项，算得丝杠在工作载荷Fm作用下产生的拉/压变形量δ1=Fma/（ES）=[2368×500/（2.1×105×624.26）]mm≈0.009mm。

2）根据公式Z＝（πd0/Dw）-3,求得单圈滚珠数Z=29；该型号丝杠为单螺母，滚珠的圈数×列数为3×1，代入公式：

Z∑=Z×圈数×列数，得滚珠总数量Z∑=87。

丝杠预紧时，取轴向预紧力FYJ=Fm/3=789N。

则由（3-27）式，求得滚珠与螺纹滚道间的接触变形量δ2≈0.0025mm。

因为丝杠加有预紧力，且为轴向负载的1/3，所以实际变形量可减小一半，取δ2=0.0013mm。

3）将以上算出的δ1和δ2代入δ总=δ1+δ2，求得丝杠总变形量（对应跨度500mm）δ总=0.0103mm=10.3μm。

由表3-27知,5级精度滚珠丝杠有效行程在315~400mm时，行程偏差允许达到25μm，可见丝杆刚度足够。

（6）压杆稳定性校核

根据公式（3-28）计算失稳时的临界载荷Fk。

查表3-31，取支承系数fk=1；由丝杠底径d2=28.2mm，求得截面惯性矩I=πd24/64≈31027.45mm4；压杆稳定安全系数K取3（丝杠卧式水平安装）；滚动螺母至轴向固定处的距离a取最大值500mm。

代入式（3-28），得临界载荷Fk≈85657N，远大于工作载荷Fm=2375N，故丝杠不会失稳。

综上所述，初选的滚珠丝杠副满足使用要求。

2.4、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构，采用图3-8所示的弹簧错齿法消除侧隙。

图3-8双片薄齿轮错齿调整机构

1、2、6—齿轮3—螺母4、5—螺钉7—拉簧

已知工作台的脉冲当量δ=0.008mm/脉冲，滚珠丝杠的导程Ph=5mm，初选步进电动机的步距角α=0.75°。

根据（3-12）式，算得减速比：

i=（αPh）/（360δ）=（0.75×6）/（360×0.005）=13/10

本设计选用常州市新月电机有限公司生产的JBF-3型齿轮减速箱。

大小齿轮模数均为1mm，齿数比为78:

60，材料为45号调质钢，齿表面淬硬后达HRC55。

减速箱中心距为[（78+60）×1/2]mm＝69mm，小齿轮厚度为20mm，双片大齿轮厚度均为10mm。

2.5、步进电动机的计算与选型

步进电动机的计算与选型参见第四章第三节相关内容。

（1）计算加在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d0=32mm，总长l=500mm，导程Ph＝5mm，材料密度ρ=7.85×10-3kg/cm3；移动部件总重量G=1800N;小齿轮宽度b1＝20mm，直径d1=60mm;大齿轮宽度b2＝20mm，直径b2=78mm；传动比i=13/10。

参照表4-1，算得各个零部件的转动惯量如下（具体计算过程从略）：

滚珠丝杠的转动惯量JS=0.617kg·cm2拖板折算到丝杠上的转动惯量Jw=0.517kg·cm2；小齿轮的转动惯量JZ1=0.259kg·cm2大齿轮的转动惯量JZ2=4.877kg·cm2。

初选步进电动机型号为90BYG2602，为两相混合式，由常州宝马集团公司生产，二相四拍驱动时步距角为0.75º，从表4-5查得该型号电动机转子的转动惯量Jm=4kg·cm2。

则加在步进电动机转轴上的总转动惯量为：

=Jm+JZ1+（JZ2+Jw+JS）/i2=14.4kg/cm2

2）计算加在步进电动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）快速空载起动时电动机转轴所承受的负载转矩Teq1由式（4-8）可知，Teq1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Tamax；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Tf；还有一部分是滚珠丝杠预紧后折算到电动机转轴上的附加摩擦转矩T0。

因为滚珠丝杠副传动效率很高，根据（4-12）式可知，T0相对于Tamax和Tf很小，可以忽略不计。

则有：

Teq1=Tamax+Tf（6-13）

根据式（4-9），考虑传动链的总效率η，计算快速空载起动时折算到电动机转轴上的最大加速转矩：

（6-14）

式中nm——对应空载最快移动速度的步进电动机最高转速，单位为r/min；

ta——步进电动机由静止到加速至nm转速所需的时间，单位为s。

其中：

（6-15）

式中nmax——空载最快移动速度，任务书指定为4000mm/min；

α——步进电动机步距角，预选电动机为0.75º；

δ——脉冲当量，本例δ=0.008mm/脉冲。

将以上各值代入式（6-15），算得nm=1050r/min。

设步进电动机由静止到加速至nm转速所需时间ta=0.4s，传动链总效率η=0.7。

则由式（6-14）求得：

由式（4-10）可知，移动部件运动时，折算到电动机转轴上的摩擦转矩为：

（6-16）

则由式（6-16），得：

最后由式（6-13），求得快速空载起动时电动机转轴所承受的负载转矩：

Teq1=Tamax+Tf=0.571N（6-17）

2）最大工作负载状态下电动机转轴所承受的负载转矩Teq2由式（4-13）可知，Teq2包括三部分：

一部分是折算到电动机转轴上的最大工作负载转矩Tt；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Tf；还有一部分是滚珠丝杠预紧后折算到电动机转轴上的附加摩擦转矩T0，T0相对于Tt和Tf很小，可以忽略不计。

则有：

Teq2=Tt+Tf（6-18）

其中，折算到电动机转轴上的最大工作负载转矩Tt由（4-14）式计算。

本例中在对滚珠丝杠进行计算的时候，已知沿着丝杠轴线方向的最大进给载荷Fx=1609N，则有：

再由式（4-10）计算垂直方向承受最大工作负载（Fz=556N）情况下，移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩：

最后由式（6-18），求得最大工作负载状态下电动机转轴所承受的负载转矩为：

Teq2=Tt+Tf=1.45N·m（6-19）

经过上述计算后，得到加在步进电动机转轴上的最大等效负载转矩应为：

Teq=max{Teq1，Teq2}=1.45N·m

（3）步进电动机最大静转矩的选定考虑到步进电动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，根据来选择步进电动机的最大静转矩时，需要考虑安全系数。

本例中取安全系数K=4，则步进电动机的最大静转矩应满足：

Tjmax≥4×=4×1.422N·m=5.9N·m（6-20）

上述初选的步进电动机型号为90BYG2602，由表4-5查得该型号电动机的最大静转矩Tjmax=6N·m。

可见，满足（6-20）式的要求。

2.6、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任务书给定工作台最快工进速度vmaxf=400mm/min，脉冲当量δ=0.008mm/脉冲由（4-16）式求出电动机对应的运行频率

fmaxf=[450/（60×0.008）]Hz≈937.5Hz。

从90BYG2602电动机的运行矩频特性曲线图6-24可以看出，在此频率下，电动机的输出转矩Tmaxf≈5.6N·m，远远大于最大工作负载转矩Tmaxf=1.45N·m，满足要求。

2）最快空载移动时电动机输出转矩校核任务书给定工作台最快空载移动速度vmax=4000mm/min，仿照（4-16）式求出电动机对应的运行频率fmax=[4000/（60×0.008）]Hz=10000Hz。

从图6-24查得，在此频率下，电动机的输出转矩Tmax=1.8N·m，大于快速空载起动时的负载转矩Teq1=0.571N·m，满足要求。

3）最快空载移动时电动机运行频率校核最快空载移动速vmax=4000mm/min对应的电动机运行频率fmax=10000Hz。

查表4-5可知90BYG2602电动机的极限运行频率为20000Hz，可见没有超出上限。

4）起动频率的计算已知电动机转轴上的总转动惯量Jeq=14.4kg·cm2电动机转子的转动惯量Jm=4kg·cm2，电动机转轴不带任何负载时的最高起动频率fq=1800Hz.

则由式（4-17）可以求出步进电动机克服惯性负载的起动频率：

=839Hz

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839Hz。

实际上，在采用软件升降频时，起动频率选得更低，通常只有100Hz（即100脉冲/s）。

综上所述，本例中工作台的进给传动选用90BYG2602步进电动机，完全满足设计要求。

三、控制系统硬件设计

3.1微机系统选择

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较好。

3.1.1单片机选型

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又显得过于浪费。

生产基于51为内核的单片机的厂家有Intel、ATMEL、Simens，其中在CMOS器件生产领域ATMEL公司的工艺和封装技术一直处于领先地位。

ATMEL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选用AT89S51，AT表示ATMEL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。

AT89S51的性能参数为：

Flash存储器容量为4KB、16位定时器2个、中断源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0和定时器1中断）、RAM为128B、14位的计数器WDT、I/O口共有32个。

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较好。

3.1.2CPU接口设计

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：

图3-1CPU外部接口示意图

图3-2AT89S51控制系统图

3.2驱动系统

传动驱动部分包括步进电机的驱动和电磁铁的驱动，步进电机须满足快速急停、定位和退刀时能快速运行、工作时能带动工作台并克服外力（如切削力、摩擦力）并以指令的速度运行。

在定位和退刀时电磁铁吸合使绘笔抬起，绘图时能及时释放磁力使笔尖压下。

3.2.1步进电机驱动电路和工作原理

步进电机的速度控制比较容易实现，而且不需要反馈电路。

设计时的脉冲当量为0.01mm，步进电机每走一步，工作台直线行进0.01mm。

步进电机驱动电路中采用了光电偶合器，它具有较强的抗干扰性，而且具有保护CPU的作用，当功放电路出现故障时，不会将大的电压加在CPU上使其烧坏。

图3-4步进电机驱动电路图

该电路中的功放电路是一个单电压功率放大电路，当A相得电时，电动机转动一步。

电路中与绕组并联的二极管D起到续流作用，即在功放管截止是，使储存在绕组中的能量通过二极管形成续流回路泄放，从而保护功放管。

与绕组W串联的电阻为限流电阻，限制通过绕组的电流不至超过额定值，以免电动机发热厉害被烧坏。

由于步进电机采用的是三相六拍的工作方式（三个线圈A、B、C），其正转的通电顺序为：

A-AB-B-BC-C-CA-A，其反转的通电顺序为：

A-AC-C-CB-B-BA-A。

3.2.2电磁铁驱动电路

该驱动电路也采用了光电偶合器，但其功放电路相对简单。

其光电偶合部分采用的是达林顿管，因为驱动电磁铁的电流比较大。

图3-6电磁铁驱动电路

3.2.3电源设计

两电机同时工作再加上控制系统用电，所需电源容量比较大，需要选择大容量电源。

此系统中用到的电源电压为27V、12V、5V，为了便于管理和电源容量需求，就采用了标准的27V电源作为基准，通过芯片进行电压转换得到所需的12V和5V电压。

四、控制系统软件设计

4.1总体方案

对于AT89S51的程序设计，由于所需实现的功能较简单，采用汇编的形式。

编译器采用Keil7.02b。

该编译器是51系列单片机程序设计的常用工具，既可用汇编，也支持C语言编译。

同时具有完善的调试功能。

4.2主流程图

CTLEQU3FF8H

PAEQU3FF9H

PBEQU3FFAH

PCEQU3FFBH

CMDEQU02H

ORG0000H

AJMPMAIN

ORG0003H

AJMPINT0IS；外部中断0入口

ORG000BH

AJMPTM0IS；定时器0中断入口

ORG0013H

AJMPINT1IS；外部中断1入口

ORG001BH

AJM