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1、整理XY工作台系统课程设计机电系统课程设计设计说明书设计题目：二维水平数控滑台 设计者： 学号： 班级： 指定教师：完成时间：2013年3月13日一、设计任务书二维水平数控滑台1.设计内容该设计可分为两大块，机械系统设计、和驱动控制系统设计。机械系统的设计主要包括：整体结构设计；电机、丝杆、导轨、联轴器等标准器件的选择；底板、轴承座、电机座等零件的设计。驱动控制系统设计包括：设计简单的步进电机驱动电路或根据电机选择成品驱动器；选择控制器或自行设计控制器，控制器配套软件的设计。驱动控制系统最终要完成电气原理图。2.设计要求2.1机械系统设计要求： 结构轻巧合理两维的组合方式自拟 技术指标行程mm

2、脉冲当量mm中心负载最大速度重复定位精度1001000002515kg40mm/s0.005mm2.2驱动电路的设计或选择：针对所选择的的电机，设计符合负载要求的驱动电路或选择驱动器。2.3控制系统设计要求：要求实现的功能：1）电机的点动控制：电机正转、反转、停止等功能2）电机的轮廓控制：直线插补功能，圆弧插补功能3）电机的启停时的加减速控制3. 设计任务A总体方案设计，收集资料，明确设计任务、方案的设计及选择B机械部分设计，具体任务包括结构设计、设计计算、零件图绘制、装配图绘制C电气部分设计，包括驱动电路设计或选择，控制器软硬件设计或选择，强电部分设计，电器原理图绘制二、设计说明书1.引言1

3、.1数控机床的概念数控机床是数字控制机床（Computer numerical control machine tools）的简称，是一种装有程序控制系统的自动化机床。该控制系统能够逻辑地处理具有控制编码或其他符号指令规定的程序，并将其译码，用代码化的数字表示，通过信息载体输入数控装置。经运算处理由数控装置发出各种控制信号，控制机床的动作，按图纸要求的形状和尺寸，自动地将零件加工出来。它与普通机床相比，其优越性是显而易见的，不仅零件加工精度高，产品质量稳定，且自动化程度极高，可减轻工人的体力劳动强度，大大提高了生产效率，特别值得一提的是数控机床可完成普通机床难以完成或根本不能加工的复杂曲面的零

4、件加工，因而数控机床在机械制造业中的地位愈来愈显得重要。1.2数控机床的组成数控机床一般由控制介质、数控装置、伺服系统和机床本体组成。1.控制介质：以指令的形式记载各种加工信息；2.数控装置：接受输入的加工信息，经数控装置运算处理，向伺服系统发出相应的脉冲；3.伺服系统：把数控装置的脉冲信号转换成机床运动部件的机械位移；用于实现数控机床的进给伺服控制和主轴伺服控制。4.机械系统：包括，主轴部分、进给系统、刀库和自动换刀装置(ATC)、自动托盘交换装置(APC)等。1.3X-Y数控工作台X-Y数控工作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

5、、激光加工设备的工作台、电子元件表面贴装设备等。模块化的 X-Y 数控工作台，通常由导轨座、移动滑块、工作、滚珠丝杠螺母副，以及伺服电动机等部件构成。其中伺服电动机做执行元件用来驱动滚珠丝杠，滚珠丝杠螺母带动滑块和工作平台在导轨上运动，完成工作台在X、Y 方向的直线移动。导轨副、滚珠丝杠螺母副和伺服电动机等均以标准化，由专门厂家生产，设计时只需根据工作载荷选取即可。控制系统根据需要，可以选取用标准的工作控制计算机，也可以设计专用的微机控制系统。2.总体方案设计2.1 设计任务设计一个数控 X-Y 工作台及其控制系统。设计参数如下：中心负载 M=15kg；工作台行程X=150，Y=150；工作台

6、最大速度V=2.4m/min；脉冲当量S=0.0025mm；传动方式：丝杠直连。2.2 总体方案确定 数控机床进给传动装置的精度、灵敏度和稳定性，将直接影响工件的加工精度。为此，数控机床的进给传动系统必须满足:（1）传动精度高；（2）摩擦阻力小；（3）运动部件惯量小。此系统要求实现两个电机的协调运动，以及一定的正转反转停止等控制功能，采用单片机来控制步进电机，实现了软件与硬件相结合的控制方法。利用单片机的强大功能控制步进电机驱动电路，可以控制电机的加减速控制功能，设置正、反转、停止功能，因此采用基于单片机的控制方案。选用单片机、步进电机驱动芯片和键盘阵列，构建了集步进电机控制器和驱动器为一体的

7、步进电机控制系统。二维工作台作为被控对象通过步进电机驱动滚珠丝杆在X/Y 轴方向联动。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。3、机械系统设计3.1 导轨的选择或设计导轨是用金属或其它材料制成的槽或脊，可承受、固定、引导移动装置或设备并减少其摩擦的一种装置。导轨表面上的纵向槽或脊，用于导引、固定机器部件、专用设备、仪器等。导轨又称滑轨、线性导轨、线性滑

8、轨，用于直线往复运动场合，拥有比直线轴承更高的额定负载， 同时可以承担一定的扭矩，可在高负载的情况下实现高精度的直线运动。导轨按摩擦性质分为滑动摩擦导轨和滚动摩擦导轨。滑动导轨运动件与承导件直线接触。它的优点是结构简单、接触刚度大；缺点是摩擦阻力大、磨损快、低速运动时易产生爬行现象。滚动导轨在运动件和承导件之间放置滚动体（滚珠、滚柱、滚动轴承等）。它的特点有摩擦系数小、运动灵便，不易出现爬行现象；定位精度高；磨损较小，寿命长，润滑方便；结构较为复杂，加工较困难，成本较高；对脏物及导轨面的误差比较敏感。A. X向导轨选用为了达到较高的精度，X 向导轨选用滚动导轨，参照MISUMI 公司的产品，下

9、面确定导轨的型号。1）导轨的工作条件静载荷：中心负载安装方向：水平安装导轨数目：2滑块数目：2使用环境：工作环境为一般环境，必须进行润滑，无需对导轨进行防锈、防锈处理。2）导轨受力分析静态载荷：=73.5N根据所受静态载荷，选定导轨的型号为：SSEL2BL10。基本额定静载荷，基本额定动载荷3）导轨的额定寿命计算额定寿命的计算公式：其中，：额定寿命（km）；：基本动额定载荷（N）；：负荷计算值（N）； ：硬度系数，取值为1；：温度系数，取值为1；：接触系数，取值为1；：取值为1。 则，B. Z向导轨选用Z向导轨选用滑动导轨，导轨数目为2，根据机械设计手册上常用导轨性能比较(下表)，我们选用开式

10、“V”形导轨，一边为三角形导轨，一边为矩形导轨。三角形导轨的特点：该导轨在垂直载荷的作用下，磨损后能自动补偿，不会产生间隙，故导向精度比较高。但压板面仍需有间隙调整装置。为增加承载面积，减小比压，在导轨高度不变的条件下，应采用较大的顶角（110120）；为提高导向性，可采用较小的顶角（60）。矩形导轨特点：结构简单，制造、检验和修理方便，导轨面较宽，承载能力大，刚度高，故应用广泛。3.2 滚珠丝杠的选择选用HIWIN微小型滚珠丝杠3.2.1HIWIN滚珠丝杠的特点1) 高效率及可逆性由于滚珠丝杠（滚珠螺杆）螺杆轴及螺帽均是点接触之滚动运动，所以其效率可高达90%以上。因此其传动扭矩仅只有传统导

11、螺杆的1/3，滚珠螺杆的机械效率远高于传统导螺杆。HIWIN滚珠丝杠（滚珠螺杆）在牙型表面采以超精密加工，以降低珠槽与钢珠间的接触摩擦，又钢珠与珠槽间为点接触之滚动运动，有低摩擦力及高运转效率的优点。故可降低马达驱动力要求，进而降低成本。HIWIN以高精度测试仪器并依循标准测试步骤以确保滚珠螺杆的效率。 2)零背隙及高刚性 CNC工具机、IT及半导体设备对于传动螺杆的要求为零背隙、最小弹性变形（高刚性）及高顺畅感，经由我们的特别设计可以达成此一要求。滚珠丝杠（滚珠螺杆）及HIWIN直线导轨、HIWIN导轨采用施加预压力，来达到综欣机台的重现性及全行程的高刚性。但过大的预压力，会增加操作扭矩。如

12、此增加的摩擦扭矩将会产生热及降低预期寿命。透过我们特别的设计及制程，提供给您最佳化的滚珠螺杆零背隙和低热损失。 3) 高导程精度HIWIN滚珠丝杠精度等级依循ISO，JIS和DIN标准制造亦可依顾客需求生产所需精度等级。采用精密雷射量测仪器来保证滚珠螺杆精度并随每支研磨级滚珠螺杆均附上导程精度表，予以100%品质保证。 4) 寿命预测不同于传统导螺杆的寿命取决接触面之磨耗；HIWIN滚珠丝杠（滚珠螺杆）则取决于材料的疲劳破坏。为确保HIWIN滚珠丝杠（滚珠螺杆）在预期寿命之可靠度，不管设计、材质、热处理及导程等皆采以最严格的专业考量。滚珠丝杠（滚珠螺杆）的预期寿命必须参考设计品质及制程等几项的

13、安全因子，但最主要以动负荷（C）为依据。而影响动负荷的基本因素为牙型精度、材料特性及表面硬度。高品质的滚珠丝杠（滚珠螺杆），必须达到在统计学上的B级寿命（亦即90%螺杆均达到所设计的寿命），有50%的滚珠螺杆寿命超过设计寿命值的24倍。 5）低起动扭矩及顺畅度传统导螺杆因为是金属与金属间的面接触，所以为克服起动摩擦力，则必须采以较高的起动扭力。然后滚珠丝杠（滚珠螺杆）是由钢珠滚动接触，只须很小的起动扭矩力即可克服摩擦力。HIWIN采用最佳的牙型设计系数（形状系数）及专业制造技术达成最佳真实牙型。且HIWIN导轨使用牙型测量设备，来监测每一制程中的牙型。如此可确保符合设定之扭力范围。HIWIN直

14、线导轨亦使用电脑量测，以精确量测出滚珠丝杠（滚珠螺杆）的摩擦扭矩。 6）静音高品质机械设备于快速进给及重负荷操作下，依然必须要求低噪音。HIWIN严格控管循环系统及牙型设计，组装技术，并严密检测表面精密加工及尺寸，以达到低噪音的目标。 7）短交期HIWIN以最快速的制程安排及库存滚珠丝杠（滚珠螺杆）以达到短交期的目标。 8）优于气、液压制动器的优点若制动器中采用滚珠丝杠（滚珠螺杆）取代传统的气压或液压驱动可得到许多的优点如：不会渗漏，不须过滤，省能源及重现性高。3.2.2 滚珠丝杠的选型和校核1）选择导程根据导程计算公式其中，：马达和驱动器所需要的步进角()，取0.36；S：脉冲当量(mm)，

15、0.0025mm；：滚珠丝杠的导程(mm)；A：减速比，取1。计算的滚珠丝杠导程=2.5mm。2）选择型号行程为150mm选用HIWIN型号为R12-2.5T3-FSI-210-280-0.008的滚珠丝杠。额定静载荷，额定动载荷,丝杆外径12mm。3）选择丝杠轴的安装方法考虑到滚珠丝杠的刚性，选用两端固定的支撑方式。根据丝杠轴外径，选择支撑单元的型号为EK8，轴承的型号为60000型628/8-Z深沟球轴承。4）静态安全系数通常，基本静额定负荷等于滚珠丝杠的容许轴向负荷。根据使用条件，对于计算负荷有必要考虑以下静态安全系数。滚珠丝杠在静止或运动中，由于冲击或启动停止所产生的惯性力等，会有意想

16、不到的外力作用，务必注意。表1 静态安全系数使用机械负荷条件fs 的下限一般工业机械无震动或冲击时11.3有震动或冲击时23工具机无震动或冲击时11.5有震动或冲击时2.57轴向负荷的最大值计算公式：其中，：导向面上的摩擦系数,取最小值0.01；：运送质量(kg)，为整个上托板的质量加中心负载质量，为21.9kg；f ：导向面的阻力（无负荷时）(N)，为简化计算取；为加速度（），t为加速时间，取0.1s。静态安全系数计算公式：显然，X方向滚珠丝杠上所受到的力小于Z方向上的受力，因此，只需对Z方向上的进行校核，则根据上述两式计算得：，5）工作寿命的计算滚珠丝杠承受外部负荷运动时，在滚动面或钢球上

17、连续地承受循环应力的作用。当应力达到某个限度时，滚动面就出现疲劳破损，一部分表面产生鱼鳞状的剥落。这种现象称为表面剥落。滚珠丝杠的寿命是指，在滚动面或钢球的任何一方，由于材料的滚动疲劳而产生的最初的表面剥落出现时为止，滚珠丝杠所旋转的总转数。关于滚珠丝杠的工作寿命，即使同样方法制造出来的滚珠丝杠在相同运动条件下使用，其寿命也会有较大的差别。因此，作为滚珠丝杠寿命的基准，使用以下定义的额定寿命。所谓额定寿命是指，一批相同的滚珠丝杠在相同条件下分别运行时，其中的90%不产生表面剥落（金属表面的鳞片状剥落）所能达到的总转数。额定寿命（总转数）的计算公式：其中，L：额定寿命（总转数）(rev)；：基本

18、动额定负荷(N)；Fa ：承载轴向负荷(N), ；fw：负荷系数，取fw =1。则，额定寿命3.3 步进电机的选型步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元步进电机件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度，称为“步距角”，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。虽然步进电机已被广泛地应用，但步进电机并不能象普通的直流电

19、机，交流电机在常规下使用。它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。因此用好步进电机却非易事，它涉及到机械、电机、电子及计算机等许多专业知识。1）步进电机选型根据步进角，电路部分设计选用五相交流电，因此，选用90BYG550A。其技术指标如下：型号相数步距角/（）电压/V相电流/A最大静转矩/Nm空载起步频率/(步/s)最高运行频率/(步/s)分配方式90BYG550A50.36/0.725031.52000504-5/4-42）步进电机的校核最快工进速度时电动机的输出转矩校核设计任务书给定工作台最快工进速度，脉冲当量S=0.005mm /脉冲，电动机对应的运行频率。由于电机

20、的空载起动频率可以达到2000Hz，所以认为此时步进电机可以输出的最大功率接近起动频率是的值，所以符合要求。最快空载移动时电动机运行频率校核工作台最快工进速度，脉冲当量S=0.005mm /脉冲，电动机对应的运行频率。由步进电机技术参数最大空载运行频率为20KHz，所以肯定符合要求。负载起动频率的计算在步进电机矩频特性未知的情况下，用起动频率估算公式，其中，为空载起动频率，因此，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1000Hz。实际上，在采用软件升降频时，起动频率选得更低。3.4其余标准件选型零件明细表如下：总体设计三维图如下：4、控制部分设计4.1步进电机原理及

21、硬件总体设计方框图4.2设计原理分析4.2.1元器件介绍（1）步进电机步进电机是数字控制电机，它将脉冲信号转变成角位移，即给一个脉冲信号，步进电机就转动一个角度，因此非常适合于单片机控制。步进电机区别于其他控制电机的最大特点是：它是通过输入脉冲信号来进行控制的，即电机的总转动角度由输入脉冲数决定，而电机的转速由脉冲信号频率决定。步进电机分三种：永磁式（PM），反应式（VR）和混合式(HB)，步进电机又称为脉冲电机，是工业过程控制和仪表中一种能够快速启动，反转和制动的执行元件，其功用是将电脉冲转换为相应的角位移或直线位移，由于开环下就能实现精确定位的特点，使其在工业控制领域获得了广泛应用。步进电

22、机的运转是由电脉冲信号控制的，其角位移量或线位移量与脉冲数成正比，每个一个脉冲，步进电机就转动一个角度（不距角）或前进、倒退一步。步进电机旋转的角度由输入的电脉冲数确定，所以，也有人称步进电机为数字/角度转换器。1 五相步进电机的工作原理该设计采用五相步进电机，单极性直流电源供电。只要对步进电机的各相绕组按合适的时序通电，就能使步进电机转动。当某一相绕组通电时，对应的磁极产生磁场，并与转子形成磁路，这时，如果定子和转子的小齿没有对齐，在磁场的作用下，由于磁通具有力图走磁阻最小路径的特点，则转子将转动一定的角度，使转子与定子的齿相互对齐，由此可见，错齿是促使电机旋转的原因。2 步进电机的静态指标

23、及术语相数：产生不同队N、S磁场的激磁线圈对数，常用 m表示。拍数：完成一个磁场周期性变化所需脉冲用 n 表示，或指电机转过一个齿距角所需脉冲数，以五相电机为例，有四相四拍运行方式即 ABBCCDDAAB，四相八拍运行方式即 AABBBCCCDDDAA。步距角：对应一个脉冲信号，电机转子转过的角位移用表示。（转子齿角运行拍数），以常规二、四相，转子齿角为 50 齿角电机为例。四相运行时步距角为=360 度/（50*4）=1.8 度，八拍运行时步距角为=360 度/（50*8）=0.9 度。定位转矩：电机在不通电的状态下，电机转子自身的锁定力矩（由磁场齿形的谐波以及机械误差造成的）。静转矩：电机

24、在额定静态作业下，电机不做旋转运动时，电机转轴的锁定力矩。此力矩是衡量电机体积的标准，与驱动电压及驱动电源等无关。虽然静态转矩与电磁激磁匝数成正比，与定子和转子间的气隙有关。但过分采用减小气隙，增加励磁匝数来提高静转矩是不可取的，这样会造成电机的发热及机械噪音。3 步进电机的单片机控制步进电机的驱动电路根据控制信号工作。在步进电机的单片机控制中，控制信号由单片机产生，其基本控制作用如下：1、 控制换相顺序步进电机的通电换向顺序严格按照步进电机的工作方式进行。通常我们把通电换向这一过程称为脉冲分配，例如，三相步进电机的单三拍工作方式，其各相通电的顺序为A-B-C，通电脉冲必须严格按照这一顺序分别

25、控制A、B、C相的通电和断电。2、 控制步进电动机的转向通过前面介绍的步进电动机的原理，我们知道，如果按照给定的工作方式正序通电换相，步进电动机就正转；如果按反序通电换相，则电动机就反转。例如，四相步进电机工作在单四拍方式，通电换相的正序是A-B-C-D，电动机就正转；如果按照反序A-D-C-B，电动机就反转。3、 控制步进电动机的速度如果给步进电机一个脉冲，它就转一步，再发一个脉冲，就再转一步。两个脉冲间隔的时间越短，步进电机就转动的越快。因此，脉冲的频率决定了步进电动机的转速。调整单片机发送脉冲的频率，就可以对步进电机进行调速。4 五相十拍步进电机的脉冲分配规律目前，对步进电机的控制主要有

26、分散器件组成的环形脉冲分配器、软件环形脉冲分配器、专用集成芯片环形脉冲分配器等。本设计利用单片机进行控制，主要是利用软件进行环形脉冲分配。电机工作方式为五相十拍，根据步进电机的工作的时序和波形图，总结出其工作方式为五相十拍时的脉冲分配规律，在每一种工作方式中，脉冲的频率越高，其转速就越快，但脉冲频率高到一定程度，步进电机跟不上频率的变化后电机会出现失步现象，所以脉冲频率一定要控制在步进电机允许的范围内。五相十拍工作方式通电顺序为：AB-ABC-BC-BCD -CD-CDE-DE-DEA-EA-EAB，共有10个通电状态。用软件实现脉冲分配的接口示意图如果P1口输出的控制信号中，0代表使绕组通电

27、，1代表使绕组断电，则可用10个控制字来对应这10个通电状态。这10个控制字如下表所示：通电状态P1.4(E)P1.3(D)P1.2(C)P1.1(B)P1.0(A)控制字AB11100FCHABC11000F8HBC11001F9HBCD10001F1HCD10011F3HCDE00011E3HDE00111E7HDEA00110E6HEA01110EEHEAB01100ECH在程序中只要依次将这10个控制字送到P1口，步进电机就会转动一个齿距角。每送一个控制字，就完成一拍，步进电机就会转动一个步距角。程序就是根据这个原理设计的。（2）89C51单片机89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦

28、除只读存储器（FPEROMFalsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压、高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的89C51是一种高效微控制器，89C2051是它的一种精简版本。89C单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。主要特性：与MCS-51 兼容 4K字节可编程闪烁存储器寿命：1000写/擦循环 数据保

29、留时间：10年 全静态工作：0Hz-24MHz 三级程序存储器锁定 128*8位内部RAM 32可编程I/O线 两个16位定时器/计数器 5个中断源 可编程串行通道 低功耗的闲置和掉电模式 片内振荡器和时钟电路4.2.2方案论证系统由8个按钮作为输入，接到P0口上，分别控制X方向，Z方向的启动与停止，反转，直线插补，圆弧插补功能。系统的输出线与步进电机的绕组数有关。这里选步进电机，该电机共有五相绕组，工作电压为+5V，步进电机的五相绕组用P1 口的 P1.0P1.4 和P2.0P2.4 控制，由于 P1、P2口驱动能力不够，因而用一片ULN2803增加驱动能力。控制系统流程图为，4.2.3硬件

30、设计本设计的硬件电路只要包括控制电路、最小系统、驱动电路三大部分。控制电路只要由开关和按键组成，由操作者根据相应的工作需要进行操作。最小系统只要是为了使单片机正常工作。驱动电路主要是对单片机输出的脉冲进行功率放大，从而驱动电机转动。（1） 控制电路根据系统的控制要求，控制输入部分设置了X方向启动，X方向停止，X方向反转，Z方向启动，Z方向停止，Z方向反转，直线插补，圆弧插补等8个按钮，电路图如图所示，（2）最小系统单片机最小系统或者称为最小应用系统，素质用最少的元件组成的单片机可以工作的系统，对 51 系列单片机来说，最小系统一般应该包括：单片机、复位电路、晶振电路。复位电路：复位电路采用手动复位，所谓手动复位，是指通过接通一按钮开关，使单片机进入复位状态，晶振电路用 30PF 的电容和一 12M 晶体振荡器组成为整个电路提供时钟频率。如图示：晶振电路：8051 单片机的时钟信号通常用两种电路形式电路得到：内部震荡方式和外部中断方式。在引脚XTAL1 和