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XY数控工作台机电系统设计说明书

工程技术学院课程设计（论文）

X-Y数控工作台机电系统设计

xxxxx

xxxxxxxxxxxxxxx

摘要

当今世界电子技术迅速发展，微处理器、微型计算机在各技术领域得到了广泛应用，对各领域技术的发展起到了极大的推动作用。

一个较完善的机电一体化系统，应包含以下几个基本要素：

机械本体、动力与驱动部分、执行机构、传感测试部分、控制及信息处理部分。

机电一体化是系统技术、计算机与信息处理技术、自动控制技术、检测传感技术、伺服传动技术和机械技术等多学科技术领域综合交叉的技术密集型系统工程。

新一代的CNC系统这类典型机电一体化产品正朝着高性能、智能化、系统化以及轻量、微型化方向发展。

关键字：

机电一体化的基础控制自动化系统化

1引言

机电一体化是多学科领域综合交叉的技术密集型系统工程，它是融合检测传感技术，信息处理技术、自动控制技术、伺服驱动技术、精密机械技术、计算机技术和系统总体技术等多种技术于一体的新兴综合性学科。

随着机电一体化技术的产生和发展，在世界范围内掀起的机电一体化热潮，使机电一体化越来越显示出强大的威力，它使机械产品向着高技术密集——机电一体化的方向发展。

机电一体化课程设计在机电一体化专业教学中占有重要位置，它关系到学生知识的综合运用和学生动手能力的培养及机电产品开发的能力。

因此设计内容选择很重要。

基于微型计算机控制的X-Y工作台是典型的机电一体化系统，以此为设计内容有较强的教学研究意义。

培养我们理论联系实际，解决生产实际问题能力的重要步骤，它起到了设计的作用。

通过对X-Y工作台的设计总体方案的拟定，进给伺服系统机械部分结构设计.计算控制系统硬件电路的设计以及数控机床加工程序的编制，使我们综合运用所学的机械.电子和微机的知识,进行一次机电结合的全面训练。

从而培养了我们具有加工编程1

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能力，初步设计计算的能力以及分析和处理生产中所遇到的机电方面技术问题的能力。

工作台实验系统，它具有直线插补和圆弧平台为基础的数控X-Y本设计是以PC可靠控制精度相对较高,插补等数控系统所使用的常用功能，结构简单，操作方便，性、稳定性和实用性都很好。

工作台总体方案的设计X—Y2

2.1总体方案的分析

X—Y精密工作台的总体方案设计应考虑以下几点：

A．工作台应具有沿纵向和横向往复运动、暂停等功能，因此数控控制系统采用连续控制系统。

B．在保证一定加工性能的前提下，结构应简单，以求降低成本。

因此进给伺服统采用步进电机开环控制系统。

C．8031系列微机处理机的配套并行接口芯片,由于它是可编程的，可以通过软件来设置芯片的工作方式。

D．根据系统的功能要求，微机数控系统中除了CPU外，还应包括扩展程序存储器扩展数据存储器、I/O接口电路；包括电隔离电路和步进电机驱动电路。

E．纵向和横向进给是两套独立的传动链，它们各自由各的步进电动机、联轴器、丝杠螺母副组成。

F．为了保证进给伺服系统的传动精度和平稳性，选用摩擦小、传动效率高的滚珠丝杠螺母副，并应有预紧装置，以提高传动刚度和消除间隙。

G．为减少导轨的摩擦阻力，选用矩形滚动直线导轨。

2.2总体方案的确定

由于设计要求X-Y工作台具有定位、直线插补、圆弧插补、暂停、循环加工、螺纹加工等功能，所以应该选用连续控制系统。

考虑到加工精度要求不高，为了简化结构、降低成本，采用步进电机开环控制系统。

根据机床要求，采用8位机。

由于MCS—51系列单片机的特点之一是硬件设计简单，系统结构紧凑。

对于简单的应用场合，MCS—51系统的最小系统用一片8031外2

工程技术学院课程设计（论文）

的扩展对于复杂的应用场合，可以利用MCS—51扩一片EPROM就能满足功能的要求，功能，构成功能强、规模较大的系统。

所以应选用单片机。

8031为了保证为了实现机床所要求的分辨率，采用步进电机经齿轮减速再传动丝杠。

一定的传动精度和平稳性，尽量减小摩擦力，选用滚珠丝杠螺母副。

同时，为了提高传动齿轮也要采用消除齿侧间隙的传动刚度和消除间隙，采用有预加负载荷的结构。

结构。

开环伺服系统结构原理图：

图1开环伺服系统结构原理图

机械传动系统简图2.3轴的传动系统简图都如图所示轴与XY

传动系统简图图2

3系统脉冲当量和给定参数Y两方向的脉冲当量一样，所以设计时只计算一个方向。

X由于、确定系统脉冲当量3.1

应小于等于工作台的位置精度，脉冲当量δ是一个进给指令时工作台的位移量，p0.01mm由于定位精度为±因此选择脉冲当量为0.01mm。

3

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3.2工作台外形尺寸及重量初步估算

根据给定的有效行程，画出工作台简图，估算X向和Y向工作台承载重量W和XW。

取X向导轨支撑钢球的中心距为410mm,Y向导轨支撑钢球的中心距为400mm,设计Y工作台简图如下:

图3数控工作台简图

X向拖板（上拖板）尺寸为:

长?

宽?

高?

420?

410?

50

重量:

按重量=体积*材料比重估算为:

?

3?

2=WN1010671.58?

?

7.8?

?

420?

410?

50xY向拖板（下拖板）尺寸为:

50?

420?

400?

3?

2重量=WN?

10?

?

420400?

50?

10655.2?

7.8Y上导轨（含电机）重量为

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2?

3N?

101050）800?

2?

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35?

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7.8?

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487.978480（900?

?

夹具及工件重量:

约155N

X-Y工作台运动部分总重量为:

N2000155671.58655.2487.97W?

?

?

?

?

4

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4滚动导轨副的计算、选择

f=C/P，式中：

和W计算导轨的静安全系数根据给定的工作载荷F和估算的W0SLyxzf=1.0～3.0（一般运行状况）为导轨的基本静额定载荷；工作载荷P=0.5（F+W）；，CSL0z3.0～5.0（运动时受冲击、振动）。

根据计算结果查有关资料初选导轨：

因系统受中等冲击,因此取4.0?

fsLPfC?

YO,XSL）WF?

P?

0.5（YZXX,Y,）=0.5（2000+671.58）=1335.79N+WP=0.5（FXxZ）=0.5（2000+655.2）=1327.6N=0.5（F+WPYZY1335.79=5343.16N=4?

C=fPXSLOX1327.6=5310.4N=4?

C=fPYOYSL根据计算额定静载荷初选导轨:

选择汉机江机床厂HJG-D系列滚动直线导轨,其型号为:

HJG-D25

基本参数如表1所示:

表1滚动直线导轨基本参数

额定载荷/N

静态力矩/N*M

滑座重量

导轨重量

导轨长度

动载荷Ca

静载荷Co

TA

TB

TC

Kg

m/Kg

17500

26000

198

198

288

0.60

3.1

滑座个数

单向行程长度

每分钟往复次数

M

lS

n

4

0.6

4

L/（mm）760

C?

17500N导轨的额定动载荷avC（kN）验算导轨的工作（m/min）和初选导轨的基本动额定载荷依据使用速度a寿命L：

n5

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:

额定行程长度寿命3?

?

CfffaCHTK?

T?

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SfF?

?

WF2000M500?

F?

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4M1,f?

f?

2,f?

0.811f?

HTWCR50?

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K

d033?

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Cfff0.8117500?

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11?

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aHTC142409.58km?

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50T?

K?

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?

?

S5002fF?

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?

W:

导轨的额定工作时间寿命3310T?

10?

142409.58Sh?

15000h?

TT?

?

?

494477

H60?

0.6?

4n2l2?

0.

导轨的工作寿命足够

5滚珠丝杠螺母副的设计、计算、和选型

珠丝杠滚副的预紧方法有：

双螺母垫片式预紧，双螺母螺纹式预紧，双螺母齿差式预紧，单螺母变导程预紧以及过盈滚珠预紧等几种。

5.1计算进给牵引力

作用在滚珠丝杠上的进给牵引力主要包括切屑时的走刀抗力以及移动件的重量和切屑分力作用在导轨上的摩擦力。

因而其数值大小和导轨的形式有关。

纵向进给为三角形导轨

?

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GFkF?

?

f?

F（5-1）YmZ?

?

?

4150N5000?

?

1800?

0.04?

20001.15?

k?

1.15K:

—考虑颠覆力矩影响的实验系数.三角形导轨取式中0.03～0.05:

f—贴塑导轨摩擦系数200kg?

10N/kg?

2000N取,—溜板及刀架重力G

6

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计算最大动载荷5.2

100选用滚珠丝杠副的直径时，必须保证在一定轴向负载作用下，丝杠在回转）转后，在它的滚道上不产生点蚀现象。

这个轴向负载的最大值即称为该滚106万（，计算如下：

珠丝杠能承受的最大动负载C）（5-2FC?

fmw5-3）（/106nT）L?

（60（5-4）L）/n?

（1000Vos初选出查滚珠丝杠转动惯量表,L—为滚珠丝杠导程,选丝杠名义直径为40mm,o=6mm

Lo此处为～1/3,—最大切削力下的进给速度,可取最高进给速度的1/2Vs0.15m/min;

15000h;

按T—使用寿命1.5;

1.2～—运转系数f,如下表所示，按一般运转取w2电机运转状态与运转系数表

运转系数运转状态

1.0~1.2无冲击运转

1.2~1.5一般运转

1.5~2.5

有冲击运转

.

1L—寿命以转106单位为5-4根据（）公式可知：

5-2）（5-3）（?

?

?

?

min?

6?

0.1512.5r/V1000//L?

1000?

0.555?

nos?

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11.2515000?

/106/106?

60?

12.5?

L?

?

60n?

T

C?

fF?

?

1.2?

1775?

4772.7Nmw

5.3滚珠丝杠螺母副的选型

圈2.5列1W1L4006查表，可采用外循环螺纹调整预紧的双螺母滚珠丝杠副，精度等级按滚珠丝杠行程公差表，选为16400N,其额定动负载为3级7

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传动效率计算5.4?

?

?

?

?

?

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/?

tantan5-5）（

?

螺旋升角式中：

?

44?

2?

W1L4006，0.004

0.003～φ—摩擦角取10′，滚动摩擦系数

5-5）公式可知：

根据（?

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?

0.9410?

?

/tan?

/tan2?

44?

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tan2?

44?

tan?

稳定性校核5.5

.不需作稳定性校核,不会产生失稳现象,滚珠丝杠两端采用推力球轴承

进给伺服系统传动计算6

）齿轮传动比计算（纵向进给齿轮箱传动比计算6.1

?

初选步进电机步距角,,纵向进给脉冲当量滚珠丝杠导程6mm?

L0.01?

opi

°,可计算出传动比0.75?

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1.25?

360?

?

0.75?

i?

6L0.01//3606-1）（pob

齿轮齿数及技术参数6.2因为进给伺服系统传递功率降速级数决定采用一对齿轮降速,i后,计算出传动比。

铣床取ｍ=2,一般取ｍ=1～2,数控车床不大为了消除齿轮侧隙，采用双片齿轮。

步进电机的计算和选用7

初选步进电机7.1计算步进电机负载转矩7.1.1

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2360pF?

T/）（7-1bmm?

?

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cm?

141.26?

mm?

N0.990.990.980.723.1417750.01?

360?

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/2?

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N

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（mm/step）;

:

式中—脉冲当量p8

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（N）;

—进给牵引力Fm?

0.72°;—步距角,初选双拍制为b?

丝杠效率之积，分别为轴承,—电机-丝杠的传动效率为齿轮,0.98,0.99,0.99;

估算步进电机起动转矩7.1.2?

?

）（7-20.50.3/~T?

Tmqcm?

470.8N?

N?

mm?

4708.6N?

mm?

1412.5/0.3计算最大静转矩7.1.3

其输出当输入电压降低时，考虑到步进电动机的驱动电源受电网电压影响较大，来选择步进电动机的最大静转转矩会下降，可能造成丢步，甚至堵转。

因此，根据K，则步进电动机的最大静转矩应矩时，需要考虑安全系数。

本例中取安全系数=1.5满足：

（7-3）cmN?

N?

cm?

706.2T?

1.5?

?

1.5?

470.8jmax初选步进电机型号7.1.4

反应式步进电机技术数据表中查出BF根据估算出的最大静转矩Tjmax在国产考虑到此经济型数控车床有.130BF001最大静转矩为，可以满足要求T?

931N?

cmjmax,另一方面,应该选稍大转矩的步进电机以留有一定的余量.可能使用较大的切削用量.

步进电机,决定采用150BF002与国内同类型机床进行类比

根据草图校核步进电机转矩7.2

.;初选之后应该进行校核计算前面所述初选步进电机的转矩计算,均为估算等效转动惯量计算7.2.1

:

J∑可由下式计算运动件的转动惯量2?

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g/J2?

GL/J?

?

J?

/ZZ2J?

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）（7-4?

?

o2121sZ,Z的转动惯量式中：

J,J—齿轮2112J—滚珠丝杠转动惯量s?

?

22cm2.62kg2?

kgcm?

?

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?

30.78J?

?

10?

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dL?

0.78?

103?

6.441114?

?

22cmkgcm284310?

L?

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J0.78103d0.78?

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kg?

?

6.39?

22249

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22cm33.95170kgkg?

cm?

J?

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0.78?

10?

3?

44?

sN2000G?

齿轮惯量计算3刚材的密度为对于刚材:

J=0.78D4L×10-3cm3kg/7.8?

10?

（cm）；式中：

D—圆柱体直径；L—圆柱体长度（cm）

3刚材的密度为cmkg/7.8?

10?

3:

）式代入（7-42?

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g2LZ/Z/2J?

J/?

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o212s1?

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cm2/10kg?

0.6/?

2.62?

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20006.39?

33.95?

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2cmkg?

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29.6?

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4J?

J1~2

N取电机2cm?

29.6?

59.2kg?

2?

J?

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2?

J:

电机惯量电机2cm?

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88.8kg?

J?

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59.2?

29.6?

J?

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J总惯量:

电机

电机转矩计算7.2.2下面分别按各阶段计算:

在,机床在不同的工况下快速空载起动惯性矩1）?

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ta6010?

2T?

J?

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J?

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/2?

n）（7-5max惯?

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360）n?

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//）（7-6bmaxmaxp,

）式将前面数据代入（7-6?

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833.3/0.75）?

//360360?

4000/0.01bpmaxmaxta=200ms

起动加速时间?

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60

快速空载起动TT?

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TT7-7（）of惯1负T折算到电机轴上的摩擦转矩f10

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7-8）（Z/2FL/2Z?

f?

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1.25N5000?

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附加摩擦转矩To?

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0.81/30.6?

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10.741?

0.92?

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0.8；一般可取0.7～0.85此处取η—传动链总效率,,一般取≥0.9；η—滚珠丝杠未预紧时的传动效率oｉ－传动比；（N）；,一般取1/3Fm,Fm为进给牵引力F—滚珠丝杠预加负荷po（N）；F—垂直方向的切削力Ycm?

424.8N?

T?

26.75?

10.74?

387.311负快速移动时所需转矩2）cm?

?

37.49N?

26.75?

10.74N?

cmTT?

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T?

Tof摩负2）切削负载时所需转矩直线,匀速3）最大（?

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2FLT?

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0.8?

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2124.2?

cm?

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161.69N?

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124.2?

37.49NT切摩负3加速切削TT?

T?

T?

切惯摩4负cm?

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549N?

?

37.49387.31N?

cm?

124.2,以加速切削所需转矩最大四种工况下,,TT,T和T从上面计算可以看出4负13负2负负.即以此项作为校核步进电机转矩的依据?

?

T?

52~T4负电机静转矩:

则取2倍cm?

cm?

?

1098N?

T?

2549N电机静转矩型步进电机最大转矩为150BF002BF从国产反应式步进电机技术数据表中查出.

大于所需最大静转矩以满足此项要求13.72N?

m,完全可以满型步进电机运行矩频特性图，,当快速运动和切削进给时按150BF002150BF002,足要求所以初步选择型步进电机。

11

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8数控系统硬件电路设计

8.1确定硬件电路的总体方案。

数控系统的硬件电路由以下几部分组成：

1．主控制器。

即中央处理单元CPU

2．总线。

包括数据总线，地址总线，控制总线。

3．存储器。

包括只读可编程序存储器和随机读写数据存储器。

4．接口。

即I/O输入输出接口。

数控系统的硬件框图如下所示：

图4数控系统的硬件框图

8.2主控制器CPU的选择

MCS-51系列单片机是集中CPU，I/O端口及部分RAM等为一体的功能性很强的控制器。

只需增加少量外围元件就可以构成一个完整的微机控制系统，并且开发手段齐全，指令系统功能强大，编程灵活，硬件资料丰富。

本次设计选用803112

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芯片作为主控芯片。

8.3步进电机驱动电路设计

（1）脉冲分配器

步进电机的控制方式由脉冲分配器实现，其作用是将数控装置送来的一系列指令脉冲按一定的分配方式和顺序输送给步进电机的各相绕组，实现电机正反转。

数控系统中通常使用集成脉冲分配器和软件脉冲分配器。

本设计采用集成脉冲分配器YB013。

采用YB013硬件环行分配器的步进电机接口线路图如下：

（2）光电隔离电路

在步进电机驱动电路中，脉冲分配器输出的信号经放大后控制步进电机的励磁绕组。

如果将输出信号直接与功率放大器相连，将会引起电气干扰。

因此在接口电路与功率放大器间加上隔离电路实现电气隔离，通常使用光电耦合器。

光电耦合器接线图如下：

（3）功率放大器

脉冲分配器的输出功率很小，远不能满足步进电机的需要，，必须将其输出信号放大产生足够大的功率，才能驱动步进电机正常运转。

因此必须选用功率放大器，需根据步进电机容量选择功率放大器。

本设计选用功率放大器。

这里采用的功率放大电路如下图所示：

图5功率放大电路

13

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8.4其它辅助电路设计

（1）8031的时钟电路

单片机的时钟可以由两种方式产生：

内部方式和外部方式。

内部方式利用芯片的内部振荡电路，在XTAL1,XTAL2引脚上外接定时元件，如下图所示。

晶体可以在1.2～12之间任意选择，耦合电容在5～30pF之间，对时钟有微调作用。

采用外部时钟方式时，可将XTAL1直接接地，XTAL2接外部时钟源。

图68031的时钟电路

（2）复位电路

单片机的复位都是靠外部电路实现。

在时钟工作后，只要在RESET引脚上出现10ms以上的高电平，单片机就实现状态复位，之后CPU便从0000H单元开始执行程序。

在实际运用中，若系统中有芯片需要其复位电平与8031复位要求一致时，可以R?

F，R取C复位电路中取22200，时，当晶振频率选用。

1000取直接相连。

6MHz?

?

X实用复位电路图如下所示：

图78031复位电路

14

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3）越界报警电路（为了防止工作台越界，可分别在极限位置安装限位开关。

利用光电耦合电路，

。

当口P1.08031的I/O将行程开关接至发光二极管的阴极，光敏三极管的输出接至由低电平发光二极管就发光，使光敏三极管导通，任何一个行程开关被压下的时候，可利用软件设计成查询的方法随时检查有无越界信号。

也可接成变成高电平。

8031，采用中断方）INT0或INT1的外部中断引脚（从光敏三极管的集电极输出接至8031式检查越界信号。

9系统控制软件设计

9.1控制系统的设计

X-Y数控工作台的控制系统设计，可以参考本章第一节的车床数控系统，但在硬件电路上需要考虑步进电动机（编码器）反馈信号的处理，在软件上要实现半闭环的控制算法。

根据任务书的要求，设计控制系统的时主要考虑以下功能：

（1）接受操作面板的开关与按钮信息；

（2）接受限位开关信号；

（3）控制X，Y向步进电动机的驱动器；

（4）与PC机的串行通信。

CPU选用MCS-51系列的8位单片机AT89S52，采用8279，和W27C512，6264芯片做为I/O和存储器扩展芯片。

W27C512用做程序存储器，存放监控程序；6264用来扩展AT89S52的RAM存储器存放调试和运行的加工程序；8279用做键盘和LED显示器借口，键盘主要是输入工作台方向，LED显示器显示当前工作台坐标值；系统具有超程报警功能，并有越位开关和报警灯；其他辅助电路有复位电路，时钟电路，越位报警指示电路。

进给控制系统原理框图

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图8进给控制系统原理框图

9.2驱动电路流程设计

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，工作台直线行进给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。

程序流程图（如下图所示）

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程序流程图图9

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以及步进电机驱动电路图如下图所示。

图10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。

9.3直线插补及圆弧插补

在机电设备中，执行部件如要实现平面斜线和圆弧曲线的路径运动，必须通过两个方向运动的合成来完成。

在数控机床中，这是由X、Y两个方向运动的工作台，按照插补控制原理实现的。

9.3.1直线插补程序的设计