机电一体化系统课程设计X-Y 数控工作台设计说明书 学 校 名称： 湖北文理学院 班级学号：学生姓名：张亮班级：2015年11月、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，重复定位精度为土0.01mm,定位精度为0.025mm。设计参数如下：负载重量G=150 N；台面尺寸CXBXH=145mmX160mmX12m m；底座外形尺 寸 C1 XB1 XH1 = 210mmX220mmX 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X 向拖板（上拖板）尺寸：长X 宽x 高145X160X50重量：按重量=体积X材料比重估算145 x 160 x 50 x 10-3 x 7.8 x 10-2 90 NY 向拖板（下拖板）尺寸：1 4 5X 1 6X0 5 0重量：约 90N。上导轨座（连电机）重量：夹具及工件重量：约 150N 。X-Y工作台运动部分的总重量：约287N。2.2、滚动导轨的参数确定、导轨型式：圆形截面滚珠导轨 、导轨长度 上导轨（X向）取动导轨长度1二100B动导轨行程1 = 55支承导轨长度L = 1 +1 = 155B 下导轨（Y向）选择导轨的型号：GTA16 、直线滚动轴承的选型 上导轨 下导轨由于本系统负载相对较小，查表后得出LM10UU0P型直线滚动轴承的额定动载荷为370N，大于 实际动负载；但考虑到经济性等因素最后选择LM16UUOP型直线滚动轴承。并采用双排两列4个直 线滚动轴承来实现滑动平台的支撑。、滚动导轨刚度及预紧方法当工作台往复移动时，工作台压在两端滚动体上的压力会发生变化，受力大的滚动体变形大， 受力小的滚动体变形小。当导轨在位置I时，两端滚动体受力相等，工作台保持水平；当导轨移动 到位置II或III时，两端滚动体受力不相等，变形不一致，使工作台倾斜a角，由此造成误差。此外， 滚动体支承工作台，若工作台刚度差，则在自重和载荷作用下产生弹性变形，会使工作台下凹（有 时还可能出现波浪形），影响导轨的精度。2.3、滚珠丝杠的设计计算滚珠丝杠的负荷包括铣削力及运动部件的重量所引起的进给抗力。应按铣削时的情况计算。、最大动负载Q的计算查表得系数丁 1,fH二1 寿命值查表得使用寿命时间T=15000h，初选丝杠螺距t=4mm，得丝杠转速所以60 x 250 x 15000106=225X 向丝杠牵引力Y 向丝杠牵引力X向Q = 3225 x 1 x 1 x 3.39 = 20.6(N)xY向所以最大动负荷Q 二 3225 x 1 x 1 x 4.06 二 24.7(N)y查表，取滚珠丝杠公称直径d二10mm，选用滚珠丝杠螺母副的型0号为SFK1004，其额定动载荷为390N，足够用。、滚珠丝杠螺母副几何参数计算表 2-1 滚珠丝杠螺母副几何参数名称符号计算公式和结果螺纹滚道公称直径10螺距接触角钢球直径螺纹滚道法面半径偏心距螺纹升角螺杆螺杆外径螺杆内径螺杆接触直径螺母螺母螺纹外径螺母内径（外循环）见表 2-1。、传动效率计算式中：9 摩擦角；Y 丝杠螺纹升角。 、刚度验算滚珠丝杠受工乍负载P引起的导程L的变化量Y向所受牵引力大，故应用Y向参数计算所以=24.7 x 0.5=.2 x 10_6(cm)120.6 x 106 x 0.5丝杠因受扭矩而引起的导程变化量口L很小，可以忽略。 U 2所以导程总误差查表知E级精度的丝杠允许误差15卩m，故刚度足够。、稳定性验算由于丝杠两端采用止推轴承，故不需要稳定性验算。2.4、步进电机的选用、步进电机的步距角。b取系统脉冲当量8 = 0.01mm/step，初选步进电机步距角 = 1.5。pb。、步进电机启动力矩的计算设步进电机等效负载力矩为T，负载力为P，根据能量守恒原理，电机所做的功与负载力做功有如下关系式中：申 电机转角；s 移动部件的相应位移；耳 机械传动效率。若取申=，则s=8，且p = p +卩G，所以bpS式中：P 移动部件负载（N）； G移动部件重量（N）； P 与重量方向一致的作用在移 Sz动部件上的负载力（N）；卩一一导轨摩擦系数；0 步进电机步距角，（rad）； T电机轴负 b载力矩（Nfm）本例中，取卩=0.03 （淬火钢滚珠导轨的摩擦系数），n = 0.96， P为丝杠牵引力，Sp = Ph = 24.7N。考虑到重力影响，Y向电机负载较大，因此取G = Gy = 287N，所以若不考虑启动时运动部件惯性的影响，则启动力矩取安全系数为0.3，则133 = 4.420.3对于工作方式为三相六拍的三相步进电机、步进电机的最咼工作频率查表选用两个45BF005-II型步进电机。电机的有关参数见表2-2。 表 2-2 步进电机参数型号主要技术数据外形尺寸（mm）重量步距角（:0最大 静转距 （N严）最咼空载 启动频率 （step/ s）相 数电压电流外径长度轴径45BF005TI1.519.630003272.545584112.5、确定齿轮传动比因步进电机步距角5 = 1.5 ,滚珠丝杠螺距t = 4mm ,要实现脉冲当量S = 0.01mm/ step , 彷。p在传动系统中应加一对齿轮降速传动。齿轮传动比选 Z = 17, Z = 28。122.6、确定齿轮模数及有关尺寸因传递的扭距较小，取模数m = 1mm，齿轮有关尺寸见表3-3。2.7、步进电机惯性负载的计算表 2-3 齿轮尺寸17281728193014.525.55517.5根据等效转动惯量的计算公式，得式中： Jd折算到电机轴上的惯性负载（kgm2）；J0步进电机转轴的转动惯量（kg十m2）； J齿轮 的转动惯量（kg十m2）； J?齿轮 的转动惯量（kg十m2）； J 滚珠丝杠的转动惯量（kgfm2）； M移动部件质量（kg ）。对材料为钢的圆柱零件转动惯量可按下式估算式中：D圆柱零件直径（cm）； L零件长度（cm）。所以电机轴转动惯量很小，可以忽略，则因为 ； 纟=0.319 1，所以惯性匹配比较符合要求。4 JM 1.274三、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。3.1 CPU 板3.1.1 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。3.1.2 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。示意图如下所示：图 3-1 CPU 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，将当前行程开关状态和键盘状态反应到LED上，实现 人机交互作用。由于AT89S51只有P1 口和P3 口是准双向口，但P3 口主要以第二功能为主，并且在系统中要 用到第二功能的中断口，因此要进行I/O扩展。考虑到电路的简便性和可实现性，实际中采用内部 自带锁存器的8155，所以AT89S51的I/O 口线分配如下：（1）P1.0-P1.5控制X-Y两个方向步进电机的A、B、C线圈通电，形成A-AB-B-BC-C-CA-A 三相六拍正转模式和A-AC-C-CB-B-BA-A的反转模式。（2）P1.6 口输出控制电磁铁的吸合。（3）P3.2和P3.3两个中断源中INTO优先级最高，它读入行程开关的状态并触发中断；INT1 读入点动、复位、圆弧插补开关的状态而触发中断。（4）P0.0-P0.7外部I/O扩展的数据读取。（5）P2.7 和 P2.6 决定 8155 的 PA、PB、PC 口的地址。图 3-2AT89S51