XY数控工作台课程设计说明书.docx

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XY数控工作台课程设计说明书

机电一体化系统综合课程设计

课题名称：

Ｘ－Ｙ数控工作台设计

学院：

机械工程学院

专业：

机械设计制造及其自动化

设计成员：

指导教师：

1、总体方案设计

1.1机电专业课程设计的任务

主要技术指标：

一定的规格要求〔负载重量G=500N；台面尺寸C×B×H=240×254×15mm；底座外形尺寸C1×B1×H1=500×500×184mm；最大长度L=628mm；工作台加工范围X=250mm；Y=250mm；工作台最快移动速度为1m/min；重复定位精度为±0.02mm，定位精度为±0.04mm；

设计具体要求完成以下工作：

〔1〕数控工作台装配图〔1：

1比例或0＃图幅〕1X；

〔2〕数控系统电气原理图〔2＃图幅〕1X；

〔3〕设计说明书〔10～20〕页1本；

所有图样均采用CAD绘制打印，设计说明书按规定撰写。

1.2总体方案确定

1.方案拟定

根据设计任务，参照参考资料结合实际，初步设定如下三个总体方案：

方案一：

机械局部

电机

交流伺服电机

减速器

一级齿轮减速器

丝杠

螺纹丝杠

导轨

直线滑动导轨

控制局部

控制器

PLC可编程控制器

反应

闭环驱动电路

方案二：

机械局部

电机

交流伺服电机

减速器

同步带轮

丝杠

滚珠丝杠

导轨

直线滚动导轨

控制局部

控制器

PLC可编程控制器

反应

半闭环驱动电路

方案三：

机械局部

电机

步进电机

减速器

一级齿轮减速器

丝杠

滚珠丝杠

导轨

直线滚动导轨

控制局部

控制器

单片机

反应

开环驱动电路

2.方案比拟

XY工作台系统可以设计为开环、半闭环和闭环伺服系统三种。

开环的伺服系统采用步进电机驱动,系统没有检测装置;半闭环的伺服系统中一般采用交流或直流伺服电机驱动,并在电机输出轴安装脉冲编码器,将速度反应信号传给控制单元;闭环的伺服系统也是采用交流或直流伺服电机驱动,位置检测装置安装在工作台末端,将位置反应信号传给控制单元。

闭环和半闭环伺服系统价格昂贵，构造复杂，同时其可控分辨率也很高，但在本次设计中，其位置精度〔±0.02mm〕要求不高，考虑到本钱低，维修方便，工作稳定等条件。

选用步进电机伺服系统就可以满足要求。

其通过单片机控制步进电机的驱动,经传动机构带开工作台运动。

比照以上三种方案：

●PLC价格比拟贵考虑本钱不选。

●直线滚动导轨副具有摩擦系数小，不易爬行、传动效率高、构造紧凑、安装预紧方便等特点。

●滚珠丝杠副有如下特点：

①传动效率高②系统刚性好③传动精度高④使用寿命长⑤运动具有可逆性〔既可将回转运动转变为直线运动，又可将直线运动变为回转运动，且逆传动效率几乎与正传动效率一样〕⑥不会自锁⑦可进展预紧和调隙。

●步进电机：

构造简单、价格低、转动惯量小、动态响应快、易起停，可满足快速移动和精度要求。

●同步带减速：

圆整脉冲当量，放大输出转矩，安装中心距精度要求较低。

●无隙齿轮箱减速：

可消除间隙，但设计和安装精度高。

●无减速装置：

构造简单，但输出转矩小，易受切削力影响。

●开环控制：

简单实用，但精度较半闭环和闭环低，不能检测误差，也不能校正误差。

●闭环控制：

控制精度和抑制干扰的性能都比拟差，而且对系统参数的变动很敏感。

所以方案三最适宜为最正确方案

3.系统组成

1.机械系统组成

机械系统由两个步进电机；两个无隙齿轮箱减速器；两个滚珠丝杠以及两个直线滚动导轨副作为主要的动力输出、传动以及机械控制局部，系统的组成还有其他一些机构。

2.控制系统组成

控制系统由AT89S52型单片机、一个2764存储器作为外部程序存储器、一个6264存储器作为外部数据存储器、并行I/O接口8255，8155、7407驱动显示器、以及键盘接口电路、步进电机接口电路和其他电源、限位开关等构成。

2、机械系统设计

2.1工作台外形尺寸及重量估算

工作台面尺寸：

长

宽

高〔mm）240×254×15

重量：

按重量=体积×材料比重估算

240×254×15×10-3×7.8×10-2≈71.323N

上导轨座〔连电机〕重量：

254×500×（184-15）≈1674.114N

夹具及工件重量：

约150N

累计重量：

1895N

2.2直线导轨副的计算与选型

1.滑块承受工作载荷Fmax（单个滑块所受最大垂直方向〕

Fmax=F+G/4=973.75N

查表3-41,初选直线滚动导轨副的型号为KL系列的JSA-LG15,其额定载荷Ca=7.94KN,额定静载荷Coa=9.5KN

任务书规定台面尺寸240mm×254mm，加工范围250mm×250mm,由表3-35选取导轨长度为520mm.

2.3滚珠丝杆的设计计算

1.最大工作载荷Fm的计算

移动部件总重量1895N，按矩形导轨进展计算，查表3-29，取颠覆力矩影响系数k1.1,滚动导轨上的摩擦因数μ=0.005

2.最大动载荷FQ

设工作台最快进给速度为1000mm/min,初选丝杠导程Ph=5mm

此时丝杠转速n=v/Ph=200r/min

求滚球丝杠的使用寿命T=15000h，代入LO=60nT/106,得丝杠寿命系数LO=180〔106r〕

查表3-30，取载荷系数fW=1.2,滚道硬度为60HRC，取硬度系数fH=1.0，代入

3.初选型号

根据计算出最大动载荷和初选的丝杠导程，查表3-31，选XX博特精细丝杠制造XX生产的G系列2505-4型滚珠丝杠副，为内循环固定反向器单螺母式，其公称直径25mm，导程5mm，循环滚珠为4圈×2列，精度等级取5级，额定动载荷大于FQ。

4.传动效率η的计算

将公称直径do=25mm,导程Ph=5mm,代入

，得丝杠螺旋升角λ=3°38‵，得传动效率η=95.6%.

5.刚度的验算

⑴X-Y工作台上两层滚珠丝杠副的支承切采用一对推力角接触球轴承，左右支承的中心距离为a=500mm，钢的弹性模量E=2.1×105MPa,查表3-31，得滚珠直径Dw=3.175mm,丝杠底径d2=21.2mm，丝杠截面积

，根据

，得在Fm作用下产生的拉/压变形量δ1=1.08×10-2mm

⑵根据公式

得单圈滚球数Z=20，该系列丝杠为单螺母，滚珠的圈数×列数为4×2.代入公式

，得滚球总量Z∑=160，丝杠预紧时，取轴向预紧力FYJ=Fm/3=535N,滚珠与螺纹滚道间的接触变形量δ2=0.0013×Fm/〔10×

〕=1.278×10-3mm，因为丝杠加有预紧力，且为轴向负载的1/3，实际变形量可减少一半，取

=6.388×10-4mm.

⑶丝杠的总变形量

，计算得丝杠的有效行程为250mm，由表3-27得，5级精度滚珠丝杠有效行程在≦315mm，行程偏差允许打到23μm,可见丝杠刚度足够。

⑷压杠稳定性校核：

根据公式

计算失稳时的临界载荷Fk。

查表，取支承系数

=1，由丝杠底径d2=21.2mm，求得截面惯性矩

=9910.44mm4；压杆稳定平安系数K取3〔丝杠卧式水平安装〕；滚动螺母至轴向固定处的距离

取最大值500mm。

代入

=27359.6N，远大于工作载荷Fm，故丝杠不会失稳。

2.4步进电动机减速箱设计

减速箱采用一级减速，大齿轮设计成双片构造，工作台脉冲当量δ=0.005mm/脉冲，滚珠丝杠导程Ph=5mm，初选步进电动机的步距角

=0.75°，减速比i=〔

Ph〕/〔360×δ〕=25：

12，大小齿轮模数都为1mm，齿数比75：

36，材料为45号调制钢，齿外表淬硬后达55HRC。

减速箱中心距为〔75+36〕/2=55.5mm，小齿轮厚度为20mm，双片大齿轮厚度均为10mm。

2.5步进电机的选型与计算

（1）计算加在步进电动机转轴上的总转动惯量Jeq

滚珠公称直径d=25mm，总长L=500mm，导程Ph=5mm，材料密度ρ=7.8×10-3kg/cm3,移动部件总重量G=1895N，小齿轮齿宽b1=20mm，直径d1=36mm，大齿轮齿宽b2=10mm，直径d2=75mm，滚珠丝杠的转动惯量

Js=πLρd4/32=1.946kg·cm2，

托板折算到丝杠的转动惯量

Jw=〔Ph/2π〕

m=1.223kg·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90BYG2602,二相四拍，步距角0.75°，该型号的转子的转动惯量Jm=4kg·cm2。

那么加在步进电动机转轴上的总转动惯量

Jeq=Jm+JZ1+〔JZ2+Jw+Js〕/i

=6.113kg·cm2

（2）计算加在步进电动机转轴上的等效负载转矩Teq

a、快速空载启动，电动机转轴承受的负载转矩Teq1=Tmax+Tf

Tmax=2πJeq

/〔60taη〕=0.952N·m

为对应空载最快移动速度的步进电动机的最高转速

=

α/360δ=416.7r/min

摩擦转矩

=μ（G+

）=Ph/2πηi=5.173×10

N·m

快速空载启动时的电动机转轴所承受的负载转矩Teq1=Tmax+Tf=0.957N·m

b、最大工作负载状态下电动机转轴所承受的负载转矩Teq2

Teq2=Tt+Tf

Tt=FfPh/2πηi=0.79N·m，Tf=5.173×10

N·m

那么Teq2=Tf+Tt=0.795N·m

得到加在步进电动机转轴上的最大等效负载转矩为

Teq=max{Teq1，Teq2}=0.957N·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，当输入电压低时，其输出转矩会下降，可能会造成丢步，甚至堵转。

因此根据Teq来选择步进电动机的最大静转矩时，要考虑平安系数。

此处平安系数K=4，那么步进电动机的最大静转矩应满足：

Tjmax≥4Teq=3.828N·m，而初选的步进电动机型号90BYG2602，Tjmax=6N·m，满足要求。

〔4〕步进电动机性能校核

a、电动机运行频率fmaxf=666.7HZ，从90BYG2602电动机的运行矩频特性曲线图可得，电动机的输出转矩Tmaxf=5.7N·m，远大于最大工作负载转矩

Teq2=0.795N·m，满足要求。

b、最快空载移动时电动机输出转矩校核

工作台最快空载移动速度vmax=1000mm/min，对应的运行频fmax=3333.3HZ。

此频率下，电动机输出转矩Tmax=4.6N·m,大于快速空载Teq1=0.957N·m。

c、最快空载移动时电动机运行频率校核

与vmax=1000mm/min对应的电动机fmax=3333.3HZ,而90BYG2602电动机的空载运行频率可达20000HZ，可见没超出上限。

d、起动频率的计算

步进电动机克制惯性负载的起动频率：

=

/

=1132HZ。

要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1132HZ。

综上所述，采用90BYG2602步进电动机时符合的。

2.6机械系统构造设计

我们采用一级齿轮减速箱实现电机到丝杠的速度传递，

用套筒联轴器连接减速箱齿轮轴和丝杠轴。

用滚珠丝杠将电机的回转运动转换成工作台的直线运动。

3、控制系统硬件设计

3.1控制系统硬件组成

根据总体方案及机械构造的控制要求，确定硬件电路的总方案，绘制系统电气控制的构造框图。

其中数控系统是由硬件和软件两局部组成。

此次电路系统所设定方案包括以下几个硬件局部：

（1）主控制器，即中央处理单元CPU。

方案采用MCS-51系列的8031单片机作为主控制器。

（2）总线。

包括数据总线、地址总线和控制总线。

（3）存储器。

包括程序存储器和数据存储器。

（4）接口。

Ｉ/Ｏ〔输入/输出〕接口电路。

（5）外围设备。

如键盘，显示器及光电输入机等。

3.2控制系统硬件选型

〔1〕单片机的选择：

本课程设计目的是设计一种经济型的二坐标数控工作台，其功能比拟简单，本钱低。

因而这里选用MCS-51系列的8031单片机作为CPU，它具有良好的性能价格比，且易扩展。

8031所具有的根本功能：

具有功能很强的8位中央处理单元

片内有时钟发生电路

的片内具有128字节RAM

具有21的特殊存放器

可扩展64Ｋ字节的外部数据存储器和64K字节的程序存储器

具有四个Ｉ/Ｏ口,32条Ｉ/Ｏ线

具有两个16位定时器/计数器

具有五个中断源，配备两个中断优先级

具有一个全双工串行接口

具有位寻址能力、适用于逻辑运算

〔2〕外部程序和数据存储器的扩展：

由于所选用的8031单片机为MCS-51系列单片机，其存储器空间为64K字节，而8031单片机片内没有ROM，当片内存储器容量不够时，进展存储器的扩展是必不可缺的。

由于此次设计存储容量不大，所以我们选择价格低廉，性能可靠的2764芯片作为外部程序和数据存储器。

〔3〕I/O口扩展电路：

此次课程设计因采用步进电机作为驱动装置。

为了降低本钱，特采用可编程外围并行接口芯片8155，使其完成驱动步进电机的功能，同时采用可编程外围并行接口芯片8255来完成与键盘/显示器的接口操作功能。

8155和8255所能实现的功能：

①并行输入或输出多位数据。

②实现输入数据锁存和输出数据缓冲。

③提供多个通道接口联络控制信号。

④通过读取状态字可实现程序对外设的询查。

〔4〕显示器和键盘电路的接口设计：

电气原理图中，由8片共阳极LED显示块拼成8位LED显示器。

为了简化硬件电路，采用动态显示方式。

即所有位的段选线相应地并联在一起，由8155的PA.0~PA.7口来控制LED显示器的段码，而各位的位选线分别由相应的I/O口线控制。

即PC0~PC7、PB6~PB7共8个I/O口线控制，实现各位的分时选通。

键盘实质上是一组按键开关的集合。

电气原理图中采用矩阵式键盘接口，键盘接口电路通过8155〔U5〕的PA0~PA3和PC0~PC4、PB0~PB7构成行、列线。

按照逐行逐列地检查键盘状态〔即扫描〕来确定闭合键的位置。

〔5〕步进电机的接口电路设计

对于此次课程设计中选用的步进电机，为两相，无论它工作在什么方式，都需要两路控制电路，并且每一路对应于步进电机的一相。

而每一路控制电路的构造是一样的。

而在电气原理图中通过8255〔U5〕的PA0~PA1分别控制X方向步进电机的两相。

对于Y轴步进电机通过8255的PA2~PA3分别控制Y方向步进电机的两相。

3.3控制系统硬件接口电路设计

3.4驱动系统设计

传动驱动局部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、工作时能带开工作台并克制外力〔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。

（1）步进电机驱动电路和工作原理

步进电机的速度控制比拟容易实现，而且不需要反应电路。

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。

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二相四拍的工作方式，二相四拍为AB—Ab—ab—Ab—AB，其中A和a代表A相绕组正端和负端功率桥信号，其中B和b代表B相绕组正端和负端功率桥信号。

（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。

其光电偶合局部采用的是达林顿管，因为驱动电磁铁的电流比拟大。

（3）电源转换

两电机同时工作再加上控制系统用电，所需电源容量比拟大，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，通过芯片进展电压转换得到所需的12V和5V电压。

电路中在转换芯片的前后有两个电容，前面电容起防止自激作用，后面电容起滤波作用。

此外，在具体应用的过程中，LM7805必须加上散热片。

4.控制系统软件设计

对于MCS-51系列的8031单片机的程序设计，由于所需实现的功能较简单，采用汇编的形式。

编译器采用Keil编译软件。

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。

4.1控制系统软件总体方案设计

流程图

4.2主流程设计

CTLEQU3FF8H;8255地址

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

AJMPTM1IS；定时器1中断入口

ORG0100H

MAIN：

ANLP1，0EFH

SETBIT0；外中断负跳沿触发

SETBIT1

MOVA，CTL

MOVDPTR，A

MOVXDPTR，CMD；A口输入，B口输出，C口输入

SETBEX0；允许外中断0

SETBEX1；允许外中断1

SETBPX0

SETBPX1；设置优先级

SETBEA；开总中断

LOOP：

AJMPLOOP；等待中断

在等待中断的过程中，如果有中断到来，先检查中断0的状态，是中断0那么进入中断0的中断效劳INT0IS，是中断1那么进入中断1的中断效劳INT1IS。

中断效劳0是由4个行程开关触发的，它触发后通过单片机读取PA口内容，然后将结果反应到PB口的LED上。

中断效劳1有6个中断源，这六个中断源分别是手动X正方向运行，手动X负方向运行，手动Y正方向运行，手动Y负方向运行，复位和绘制圆弧。

4.3中断效劳流程设计

4.31INT0中断效劳流程图

NT0IS：

PUSHACC

PUSHDPTL

PUSHDPTH

PUSHPSW

MOVA，PA

MOVDPTR，A

MOVXA，DPTR；读PA口内容

MOVR2，A

MOVA，PB

MOVDPTR,A

MOVDPTR,R2；A口状态输到B口LED灯

MOVA，R2

CPLA；A取反

ANLA，#03H；屏蔽高6位

JZA，TM2C

SETBP1.0

SETBP1.1

SETBP1.2

TM2C：

MOVA，R2

CPLA

ANLA，#0CH

JZA，RETIN

SETBP1.3

SETBP1.4

SETBP1.5

RETIN：

POPPSW

POPDPTH

POPDPTL

POPACC

RETI

4.32INT1中断效劳流程图

中断效劳流程图如下

图4-3效劳中断图

INT1IS：

CLREX1

PUSHACC

PUSHPSW

PUSHDPTL

PUSHDPTH

CLRP1.6

MOVA，PC

MOVDPTR，A

MOVXA，DPTR；读PC口内容

MOVR1，A

ANLR1，#0FH

MOVA，PB

MOVDPTR，A

MOVA，DPTR；读PB口内容

ANLA，#0FH

SWAPA

ORLA，R1

MOVR2，A

MOVA，PB

MOVDPTR，A

MOVXDPTR，R2；数据输入PB口

INCDPTL

MOVA，DPTR

JNBACC.4，RST

JNBACC.0，X+EN

JNBACC.1，X-EN

JNBACC.2，Y+EN

JNBACC.3，Y-EN

JNBACC.5，ARC

LOOP1：

POPDPTH

POPDPTL

POPPSW

POPACC

SETBEX1

RETI

4.4软件调试

4.4.1复位程序流程图

图4-4

DIRXEQU30H

DIRYEQU31H

RST：

CLRP1.6

RPA：

MOVA，PA

MOVDPTR，A

MOVXA，DPTR；读PA口内容

JNBACC.0，ACC2

MOVDIRX，#00H；表X电机反转

ACALLXMOTOR0；X电机反转一步

ACC2：

JNBACC.2，LOOP0

MOVDIRY，#00H；表Y电机反转

ACALLYMOTOR0；Y电机反转一步

AJMPRPA

LOOP0：

AJMPLOOP1

4.2.2X轴电机点动正转程序流程图

图4-2正转流程图

X+EN：

CLRP1.6

MOVA，PA

MOVDPTR，A

MOVXA，DPTR

JNBACC.0，LOOP2

MOTOR0：

MOVDIRX，#01H

ACALLXMOTOR0

MOVA，PC

MOVDPTR，A

MOVA，DPTR

JNBACC.0，MOTOR0

LOOP2：

AJMPLOOP1

这是X轴电机点动正转的程序，其他的X轴电机点动反转、Y轴电机点动正转、Y轴电机点动反转依次类推。

4.4.3绘制图弧程序流程图

图4-6逐点比拟法画圆弧

逐点比拟法原理：

假设所画圆弧在第一象限，圆心坐标为〔0，0〕，圆弧上点的坐标为〔X，Y〕，圆弧半径为R，每一点的坐标偏差为F=X*X+Y*Y-R*R，假设F＞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；假设F＜0，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。

插补程序见附录。

；/**圆弧插补程序**/

XLEQU18H

XHEQU19H

YLEQU28H

YHEQU29H

YeLEQU2AH

YeHEQU2BH

FLEQU2CH

FHEQU2DH

ARC：

MOVXL#0E8H

MOVXH#03H

MOVYL#00H

MOVYH#00H

MOVYeL#0E8H

MOVYeH#03H

MOVFL#00H

MOVFH#00H

LP1：

MOVA，FH

JNBACC.7，X0；

LCALLYMOTOR1；+Y一步

MOVR2，YH

MOVR3，YL

MOVR4，YH

MOVR5，YL

ACALLBADD；算Y+Y

MOVR2，