机电一体化系统综合课程设计.docx
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机电一体化系统综合课程设计
机电一体化系统综合课程设计
X-Y数控工作台设计说明书
学校名称:
杭州电子科技大学信息工程学院
学生姓名:
郑群波周益民朱建伟缪建立
专业:
机械设计制造及其自动化
张巨勇、金成柱、季国顺、刘薇指导老师:
二〇一一年一月
一、设计目的
机电一体化系统综合课程设计是一个重要的时间性教学环节，要求学生综合的运用所学的理论知识，独立进行的设计训练，主要目的:
1.通过设计，使学生全面地、系统地了解和掌握数控机床的基本组成及其想怪
知识，学习总体的方案拟定、分析与比较的方法。
2.通过对机械系统的设计，掌握几种典型传动元件与导向元件的工作原理、设
计计算及选用的方式。
3.通过对机械系统的设计，掌握常用伺服电机的工作原理、计算控制方法与控
制驱动方式。
4.培养学生独立分析问题和解决问题的能力，学习并树立“系统设计”的思想。
5.锻炼提高学生应用手册和标准、查阅文献资料及撰写科技论文的能力。
二、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?
0.02mm，定位精度为0.04mm。
;台面尺寸C?
B?
H,240mm?
254mm?
15mm;设计参数如下:
负载重量G=500N
底座外形尺寸C1?
B1?
H1,550mm?
500mm?
184mm;最大长度L=678mm;工作台加工范围X=300mm，Y=250mm;工作台最大快移速度为1m/min。
三、总体方案的设计
（一）机械传动部件的选择
1.导轨副的选用
导轨副的种类:
1）滚柱交叉导轨副是由两根具有V型滚道的导轨、滚子保持架、圆柱滚子等组
成，相互交叉排列的圆柱滚子在经过精密磨削的V型滚道面上作往复运动，
可承受各个方向的载荷，实现高精度、平稳的直线运动。
特点:
1.滚柱导轨块是一种精密的直线滚动导轨，具有较高的承载能力和较高的刚
性，对反复动作、起动、停止往复运动频率较高情况下可减少整机重量和传
动机构及动力费用。
2.滚柱导轨块可获得较高的灵敏度和高性能的平面直线运动。
在重载或变载
的情况下，弹性变形较小且能获得平稳的直线运动，没有爬行。
3.滚柱导轨块由于其滚动体--滚柱在滚动时导向好，能自动定心，故可提高
机械的定位精度。
4.滚柱导轨块中的滚柱在基体中循环运动，故采用滚动导轨块，不受机床床
身长度的限制，可根据承载大小及选用规格确定导
轨块数量。
5.滚柱导轨块的应用面较广，小规格的可用在模具、仪器等的直线运动部件
上，大规格的则可用于重型机床、精密仪器的平面直线运动，尤其适用于NC、
CNC数控机床。
6.滚动摩擦力阻力低，稳定性能好;
7.起动摩擦力小，随动性能好;
8.接触面积大，弹性变形量小，有效运动体多，易实现高刚性、高负荷运动;
结构设计灵活，安装使用方便。
2）直线滚动导轨副
特点:
具有摩擦因数小，不易爬行，便于安装和预紧，结构紧凑等优点，其缺点是抗振性较差，成本较高。
直线滚动导轨副有导轨和滑块两部分组成，一般滑块中装有两组滚珠，当滚珠从工作轨道滚到滑块短部时，会经端面挡板和滑块中的返回导轨返回在导轨和滑块之间的滚道内循环滚动。
3）静压导轨副
特点:
将具有一定压力的油或气体介质通入导轨的运动件与导向支承件之
间，运动件浮在压力油或气体薄膜之上，与导向支承件脱离接触至使摩擦阻
力大大降低。
运动件受外载荷作用后，介质压力会反馈升高，以支撑外载荷。
要设计的X-Y工作台是用来配套轻型的立式数控铣床的，需要承受的载荷不大，但脉冲当量小，定位精度高，因此，决定选用直线滚动导轨副，它具有摩擦系数小，不易爬行，传动效率高，结构紧凑，安装预紧方便等优点。
2.丝杠螺母副的选用
丝杠螺母副的种类:
滑动丝杠副:
特点:
1）结构简单、制造容易。
由于滑动丝杠副为一般的丝杠制造容易、螺母所组成，
故其结构简单。
2）减速传动比大，由于当丝杠转过一周时，做得很小，因此，采用滑动丝杠副。
3）摩擦力大、螺母只移动一个导程，而导程可以杠副可以得到很大的减速比。
f-D动效率低滑动丝杠副的工作面为滑动摩擦，故其摩擦阻力大，传动效率
低。
4）具有自锁性。
当使其螺旋升角小于摩擦角时，具有自锁性。
5）运转平稳则可以使滑动丝杠副具有自由于丝杠与螺母的啮合是连续的，而且
同时呛金多。
所以其运转平稳、无噪声。
但低速或微调时可能出现爬行。
滚珠丝杠副:
滚珠丝杠副是在丝杠和螺母的滚道之间放入适量的滚珠，使螺纹间产生滚动摩擦。
其作用是将旋转运动转变为直线运动或将直线运动转变为旋转运动。
丝杠或螺母转动时，带动滚球沿螺纹滚道滚动，螺母的螺旋槽两端设有滚球回程引导装置，滚球通过此装置自动返回其入口，形成循环回路。
特点:
传动效率高，运动平稳，使用寿命长等特征，广泛应用于各种工业设备，精密仪器和数控机床等。
选用滚珠丝杠副的理由:
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0.04mm的脉冲当量和?
0.02mm的定位精度,滑动丝杠副无能为力,只有选用滚珠丝杠副才能达到。
滚珠丝杠副的传动精度高，动态响应快，运转平稳，寿命长，效率高，预紧后可消除反向间隙。
3.伺服电动机的选择
1）直流伺服电动机:
直流无刷伺服电机特点:
转动惯量小、启动电压低、空载电流小;弃接触式换向系统，大大提高电机转速，最高转速高达100000rpm;无刷伺服电机在执行伺服控制时，无须编码器也可实现速度、位置、扭矩等的控制;不存在电刷磨损情况，除转速高之外，还具有寿命长、噪音低、无电磁干扰等特点。
直流有刷伺服电机特点:
体积小、动作快反应快、过载能力大、调速范围宽。
低速力矩大,波动小，运行平稳。
低噪音,高效率。
后端编码器反馈（选配）构成直流伺服等优点。
2）交流伺服电动机:
异步型交流伺服电动机特点:
异步型交流伺服电动机指的是交流感应电动机。
它有三相和单相之分，也有鼠笼式和线绕式，通常多用鼠笼式三相感应电动机。
其结构简单，与同容量的直流电动机相比，质量轻1/2，价格仅为直流电动机的1/3。
缺点是不能经济地实现范围很广的平滑调速，必须从电网吸收滞后的励磁电流。
因而令电网功率因数变坏。
同步型交流伺服电动机:
同步型交流伺服电动机虽较感应电动机复杂，但比直流电动机简单。
它的定子与感应电动机一样，都在定子上装有对称三相绕组。
而转子却不同，按不同的转子结构又分电磁式及非电磁式两大类。
非电磁式又分为磁滞式、永磁式和反应式多种。
其中磁滞式和反应式同步电动机存在效率低、功率因数较差、制造容量不大等缺点。
数控机床中多用永磁式同步电动机。
与电磁式相比，永磁式优点是结构简单、运行可靠、效率较高;缺点是体积大、启动特性欠佳。
但永磁式同步电动机采用高剩磁感应，高矫顽力的稀土类磁铁后，可比直流电动外形尺寸约小1/2，质量减轻60,，转子惯量减到直流电动机的1/5。
它与异步电动机相比，由于采用了永磁铁励磁，消除了励磁损耗及有关的杂散损耗，所以效率高。
又因为没有电磁式同步电动机所需的集电环和电刷等，其机械可靠性与感应（异步）电动机相同，而功率因数却大大高于异步电动机，从而使永磁同步电动机的体积比异步电动机小些。
这是因为在低速时，感应（异步）电动机由于功率因数低，输出同样的有功功率时，它的视在功率却要大得多，而电动机主要尺寸是据视在功率而定的。
3）步进电动机:
反应时步进电机:
反应式步进电动机的定子和转子不含永久磁铁，定子上绕有一定数量的绕组线圈，线圈轮流通电时，便产生一个旋转的磁场，吸引转子一步一步地转动。
绕组线圈一旦断电，磁场即消失，所以反应式步进电动机掉电后不自锁。
此类电动机结构简单，材料成本低，驱动容易，定子和转子加工方便，步矩角可以做得很小，但动态性能差一点，容易出现低频振荡现象，电动机温升较高。
永磁式步进电动机:
永磁式步进电动机的转子由永久磁钢制成，定子上的绕组线圈在换相通电时，不需要太大的电流，绕组断电时具有自锁能力，这种电动机的特点是动态性能好，输出转矩大，驱动电流小，电动机不易发热，但制造成本较高。
由于转子受磁钢加工的限制，因而步矩角较大，与之配套的驱动电源一般要求具有细分功能。
混合式步进电动机:
混合式步进电动机的转子上嵌有永久磁钢，可以说是永磁型，但是从定子和转子的导磁体来看，又和反应式相似，所以是永磁式和反应式相结合的一种形式，故称为混合式。
该类电动机的特点是输出转矩大，动态性能好，步矩角小，驱动电流小，功耗低，但结构稍复杂，成本相对较高。
因为混合式电动机的性能/价格比较高，所以目前得到了广泛的应用。
选择的理由:
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3000r/min，只能选用混合式步进电动机，以减低成本，提高性价比。
4.减速装置的选用
选择了步进电动机和滚珠丝杠副以后，为了圆整脉冲当量，放大电动机的输出转矩，降低运动部件折算到电动机转轴上的转动惯量，可能需要减速装置，且应有消间隙机构。
为此，决定采用无间隙齿轮传动减速器。
5.检测装置的选用
选用步进电动机作为伺服电动机后，可选用开环控制，也可选闭环控制，任务书所给的精度对于步进电动机来说还是偏高的，为了确保电动机在运转过程中不受切削力负载和电网的影响而失步，决定采用半闭环控制，拟在电动机的尾部转轴上安装增量式旋转编码器，用以检测电动机的转角与转速。
增量式旋转编码器的分辨力应与步进电动机的步矩角相匹配。
考虑到X,Y两个方向的加工范围相同，承受的工作载荷相差不大，为了减少设计工作量，X,Y两个坐标的导轨副，丝杠螺母副，减速装置，伺服电动机，以及检测装置拟采用相同的型号与规格。
6.控制系统的设计
1）设计的X-Y工作台准备用在数控铣床上，其控制系统应该具有单坐标定位，
两坐标直线插补与圆弧插补的基本功能，所以控制系统应该设计成连续控制
型。
2）对于步进电动机的半闭环控制，选用MCS-51系列的8位单片机AT89C52作
为控制系统的CPU，应该能够满足任务书给定的相关指标。
3）要设计一台完整的控制系统，在选择CPU之后，还需要扩展程序存储器，数
据存储器，键盘与显示电路。
4）选择合适的驱动电源，与步进电动机配套使用。
7.总体方案图
微接功执机执
型口放行械行
机电电元传机
路路件动构
开环控制流程图
四、机械传动部件的计算与选型
1.导轨上移动部件的重量估算
按照下导轨上面移动部件的重量来进行估算。
包括工件、夹具、工作台、上层电动机、减速箱、滚珠丝杠副、导轨座等,估计重量约为200N.
2.直线滚动导轨副的计算与选型
Fmax1）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。
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:
GFF,，max4
其中，移动部件重量,,200N，外加载荷F=N=500N代入式，得最大工作载F荷=70N=0.7kN。
max
F查表3-41，根据工作载荷=0.7kN，初选直线滚动导轨副的型号为KL系max
列的JSA-LG15型，其额定动载荷，额定静载荷。
C7.94kN,C9.5kN,a0a
任务书规定工作台面尺寸为240?
254mm，加工范围为300?
250mm，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520mm。
2）距离额定寿命L的计算
上述所取的KL系列JSA-LG15系列导轨副的滚道硬度为60HRC，工作温度不超过C，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。
100
查表3-36,表3-40，分别取硬度系数f=1.0，温度系数f=1.00，接触系数HT
f=0.81，精度系数f=0.9，载荷系数f=1.5，代入得距离寿命:
cwR
f，f，f，fC3htcraL=（，），50,6700Km
fFwmax
远大于期望值100Km，故距离额定寿命满足要求。
3.滚珠丝杠螺母副的计算与选型
1）最大工作载荷Fm的计算
工作台受到进给方向的载荷（与丝杠轴线平行）Fx=500N,受到横向载荷（与丝杠轴线垂直）Fy=500N，受到垂直方向的载荷（与工作台面垂直）Fz=500N。
已知移动部件总重量G=200N，按矩形导轨进行计算，查表取颠覆力矩影响系数K=1.1，滚动导轨上的摩擦系数,=0.005。
求得滚珠丝杠副的最大工作载荷:
，，Fm=KFx+,（Fz+Fy+G）=[1.1500+0.005（500+500+200）]N556N2）最大动工作载荷FQ的计算
设工作台的最快进给速度v=1000mm/min，初选丝杠导程Ph=4mm,则此时丝杠转速n=v/Ph=250r/min。
6取滚珠丝杠的使用寿命T=15000h,代入L0=60nT/10,得丝杠寿命系数
6L0=225（单位为:
10r）。
取载荷系数fw=1.2,滚道硬度为60HRC时，取硬度系数fH=1.0,代入求得最大动载荷:
3F=LffF,1244.41NQwHm0
3）初选型号
根据计算出的最大动载荷和初选的丝杠导程，查表选择G系列1604-3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16mm，导程为4mm，循环滚珠为3圈*1系列，精度等级取5级，额定动载荷为4612N，大于F，满足要Q求。
4）传动效率η的计算
将公称直径d=16mm,导程P=4mm,代入λ=arctan[P/（πd）]，得丝杠螺旋0hh0升角λ=4?
33′。
将摩擦角ψ=10′，代入η=tanλ/tan（λ+ψ）,得传动效率
η=96.4%。
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，丝杠的两端各采用-对推力角接触球轴承，面对面组配，左、右支承的中心距约为
5a=310mm;钢的弹性模量E=2.1х10Mpa;查表得滚珠直径D=2.381mm，丝杠底径w
22d=13.1mm,丝杠截面积S=/4=134.71。
dm22
忽略公式中的第二项，算得丝杠在工作载荷Fm作用下产生的拉/压变形量
Fa170.5，310m。
1,,,,0.00185ES2.1，10，134.71
（2）根据公式，求得单圈滚珠数Z=18;该型号丝杠为单螺母，ZdD,,（/）3,0W
，，，，Z滚珠的圈数列数为31，代入公式Z,Z圈数列数，得滚珠总数量=54。
,
丝杠预紧时，取轴向预紧力/3=185.3N。
则由公式求得滚珠与螺纹滚道间FF,YJm
Fm的接触变形量。
,0.0013,0.0021223DFZ/10*10WYJ,
因为丝杠有预紧力，且为轴向负载的1/3，所以实际变形量可以减少一半，取,=0.00105mm。
2
,（3）将以上算出的和代入，求得丝杠总变形量（对应跨度500mm）,,,,，1212总
=0.00285mm总
丝杠的有效行程为337mm，由表知，5级精度滚珠丝杠有效行程在315时，行程偏差允许达到23，可见丝杠刚度足够。
m
6）压杆稳定性校核
f根据公式计算失稳时的临界载荷F。
查表取支承系数=1;由丝杠底径Kk
44d=13.1mm求得截面惯性矩1444.89;压杆稳定安全系数K取3Id,,,/64mm22
（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310mm。
代入
2EI,,k得临界载荷F=21427N，远大于工作载荷，故丝杠不会失稳。
F,155NK,m2Ka
综上所述，初选的滚珠丝杠副满足使用要求。
4.步进电动机的计算与选型
1）计算加在步进电动机转轴上的总转动惯量Jeq
已知:
滚珠丝杠的公称直径d=16mm，总长l=337mm，导程Ph=4mm，材料密0
2,3度=kg/;移动部件总重力G=20N.,cm7.85，10
算得各个零部件的转动惯量如下:
24Pπl,R,,h,JmJ,,,iS22,,,
2滚珠丝杠的转动惯量J=4.57kg?
cm;初选步进电动机的型号为110BF003,s
为三相反应式，步距角为0.75?
，从表查得该型号的电动机转子的转动惯量
2J=5.5kg?
cm。
m
则加在步进电动机转轴上的总转动惯量为:
2=4.57kg?
cmJ,J，J，JeqmWS
2）计算加在步进电动机转轴上的等效负载转矩Teq
分快速空载和承受最大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T由公式可知，T包括三eq1eq1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T;一部amax
T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f
T杠预紧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0
TTT高，根据公式可知，相对于和很小，可以忽略不计。
则有:
0amaxf
TTT=+eq1amaxf
考虑传动链的总效率,，计算空载起动时折算到电动机转轴上最大加速转矩:
2,Jn1eqmT=，amax60t,a
v,max其中:
=166.67r/minnm360,
式中—空载最快移动速度，任务书指定为1000mm/min;Vmax
—步进电动机步距角，预选电动机为0.75;,
—脉冲当量，本例=0.02mm/脉冲。
,
设步进电机由静止加速至所需时间，传动链总效率。
则求得:
nt,0.5,,0.8ma
=T0.01968N,mamax
移动部件运动时，折算到电动机转轴上的摩擦转矩为:
F，GP0.005，0，800，0.004，，，，,3Zh=T,,3.18，10N,mf,2πi2π，0.8，1
式中——导轨的摩擦因素，滚动导轨取0.005,
F——垂直方向的铣削力，空载时取0z
——传动链效率，取0.8,
最后求得快速空载起动时电动机转轴所承受的负载转矩:
T=T+T=0.02286Nmeq1amaxf
（2）最大工作负载状态下电动机转轴所承受的负载转矩Teq2
TT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;一eq2t
T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f
TTTT丝杠预紧后折算到电动机转轴上的附加摩擦转矩，相对于和很小，可00tf以忽略不计。
则有:
TTT=+eq2tf
T其中折算到电动机转轴上的最大工作负载转矩由公式计算。
有:
t
FP150，0.004fhT,,,0.119N,mt,2πi2π，0.8，1
再计算垂直方向承受最大工作负载情况下，移动部件运动时折算到电动机转
轴上的摩擦转矩:
F，GP0.005，150，800，0.004，，，，,3zhT,,,3.78，10N,mf,2πi2π，0.8，1
最后求得最大工作负载状态下电动机转轴所承受的负载转矩:
=T+=0.1227TTN,meq2tf
最后求得在步进电动机转轴上的最大等效负载转矩为:
,T,maxT，T,0.2286N,meqeqeq12
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T来选择步进电动eq机的最大静转矩时，需要考虑安全系数。
取K=4,则步进电动机的最大静转矩应满足:
T,4T,0.914N,mjmaxeq
初选步进电动机的型号为75BC380A，由表查得该型号电动机的最大静转矩
T=0.98Nm。
可见，满足要求。
jmax
4）步进电动机的性能校核
（1）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
v1000maxv=1000mm/min，求出其对应运行频率。
在此f,,,3333Hmaxzmax,6060，0.005
T频率下，电动机的输出转矩大于快速空载起动时的负载转矩=0.02168Nm，满eq1足要求。
（2）最快空载移动时电动机运行频率校核与快速空载移动速度v=1000mm/min对应的电动机运行频率为。
查表可知75BC380Af,3333Hmaxmaxz
H电动机的空载运行频率可达22000，可见没有超出上限。
z
2（3）起动频率的计算已知电动机转轴上的总转动惯量J,1.182kg,cm，电动eq
2机转子的转动惯量，电动机转轴不带任何负载时的空载起动频率J,0.2kg,cmm
f,2200H。
由公式可知步进电动机克服惯性负载的起动频率为:
qZ
fqf,,836.9HLz1，J/Jeqm
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
。
实际上，在采用软件升降频时，起动频率选得更低，通常只有100。
H836.9Hzz
综上所述，本次设计中工作台的进给传动系统选用75BC380A步进电动机，完全满足设计要求。
5.绘制进给传动系统示意图
进给传动系统示意图如图5.1所示。
图5.1进给传动系统示意图
五、控制系统硬件设计
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。
1.CPU板
1）CPU的选择
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
-51芯片及其派生的兼容芯片比较多，如目的型号很多，而目前市场上应用MCS
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。
2）CPU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:
（电磁
（行程开关）铁）（步进电机）AT89S51传动驱传感器
后向通道前向通道动
（键盘、LED）
人机界面
图5-1CPU外部接口示意图
AT89S51要完成的任务:
（1）将行程开关的状态读入CPU，通过中断进行处理，它的优先级别最高。
（2）通过程序实时控制电机和电磁铁的运行。
3）接受键盘中断指令，并响应指令，
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