机电一体化课程设计-X-Y数控工作台机电系统设计

1、全套图纸加153893706机电一体化课程设计说明书题 目: X-Y工作台机电系统设计姓 名 专 业 机械设计制造及其自动化 学 号 指导教师 信息与工程学院 2013年6月17日前 言课程设计是机床机电一体化系统课程的十分重要实践环节之一。通过课程设计可以初步树立正确的设计思想，了解有关的工业政策，学会运用手册、标准、规范等资料；培养学生分析问题解决问题的实际能力，并在教师的指导下，系统地运用课程和选修课程的知识，独立完成规定的设计任务。一种经济型数控机床的控制系统，包括机床伺服系统和对该伺服系统进行控制的；其特征在于，还包括通过通信接口与通信的触摸屏，所述触摸屏包括：数据输入模块，用于输入、修改被控参数的参数值和操作指令，读取触摸屏的操作界面；数据存储模块，用于存储输入、输出数据；数据处理计算模块，用于对输入、输出参数数据进行处理、计算；包括输入信号的编码运算；输出信号的解码运算；数据存储单元，用于存储移位单元传递来的数据；数据检测单元，用于实时检测坐标轴的当前运动状态参数值，包括距离、速度值，以及控制方式参数值；数据比较单元，用于将检测单元检测到的坐标轴当前运动状态参数值、控制方

2、式参数值与触摸屏存储模块的设定值进行比较； X-Y数控工作台机电系统设计采用步进电机作为驱动装置。步进电机是一个将脉冲信号转移成角位移的机电式数模转换器装置。其工作原理是：每给一个脉冲便在定子电路中产生一定的空间旋转磁场；由于步进电机通的是三相交流电所以输入的脉冲数目及时间间隔不同，转子的旋转快慢及旋转时间的长短也是不同的。由于旋转磁场对放入其中的通电导体既转子切割磁力线时具有力的作用，从实现了旋转磁场的转动迫使转子作相应的转动，所以转子才可以实现转子带动丝杠作相应的运动。本题目是步进电机，微型计算机，插补原理，汇编语言的综合应用，本题目设计得到了老师的帮助和支持，最后在此表示感谢。本题目由共分六章，第一章课程设计的目的、意义及要求；第二章课程设计的内容，第三章课程设计总体方案的确定；第四章主要涉及了机械系统设计；第五章主要涉及工作台机械装配图的绘制；第六章主要涉及控制系统软件设计；最后是结束语和参考文献。因本人水平有限，错误和不足之处在所难免，处理问题也有不妥之处，敬请相关老师批评指正。课程设计的目的、意义及要求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

3、机构、数控铣床和数控钻床的X-Y工作台、激光加工设备的工作台、电子元件表面贴装设备等。因此，选择X-Y数控工作台作为机电综合课程设计的内容，对于机电一体化专业的教学具有普遍意义。 模块化的X-Y数控工作台，通常由导轨座、移动滑块、工作平台、滚珠丝杠螺母副以及伺服电动机等部件构成。其外观形式如图1所示。其中，伺服电动机作为执行元件用来驱动滚珠丝杠，滚珠丝杠的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已标准化，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，可以选用标准的工业控制计算机，也可以设计专用的微机控制系统。图1 X-Y数控工作台外形机电一体化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，主要目的与要求：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

4、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。目录课程设计的目的、意义及要求31、总体方案设计51.1 设计任务51.2 总体方案确定51.2.1 方案确定思想51.2.3 总体方案系统组成52、机械系统设计72.1 工作台外形尺寸及重量估算72.2 导轨的设计计算与选择72.2.1对X轴向导轨的计算72.2.2对X轴导轨的选择82.2.3对Y轴导轨的计算92.2.4对Y轴导轨选择92.3 滚珠丝杆的设计计算102.3.1最大工作载荷的计算102.3.2滚珠丝杠的选取112.3.3滚道半径、偏心距122.3.4稳定性校核122.3.5刚度的验算122.3.6效率验算132.4步进电动机的计算、选型与校核132.4.1确定系统脉冲当量及步距角132.4.2电动机轴上的转动惯量J总132.4.3步进电机空载启动时，电机轴上的加速力矩132.4.4工作台移动部件折算到电机轴上的摩擦力矩142.4.5因丝杆副预紧力引起的电机轴上的附加摩擦转矩142.4.6负载转矩

5、计算142.4.7步进电机的选择条件142.5步进电机的选择如下142.5.1初选步进电机选型142.5.2步进电机参数验算152.6.联轴器及丝杆支撑座的选择162.6.1联轴器的介绍162.6.2联轴器的选择162.6.3丝杆支撑座的选择172.7 机械系统结构设计183、控制系统硬件设计193.1 控制系统硬件组成193.2 控制系统硬件选型193.3 控制系统硬件接口电路设计223.4 驱动系统设计244、控制系统软件设计244.1 控制系统软件总体方案设计244.2 主流程设计244.3 中断服务流程设计255总结25参考文献25附录261、总体方案设计1.1 设计任务题目：两坐标X-Y数控工作台设计任务：设计两轴联动的数控X-Y运动平台，完成机械系统设计、控制系统设计与相应软件编程。其主要技术指标如下：1） 工作台型号为HXY-2525；2） 行程要求X=60mm，Y=55mm；3） 工作台面尺寸为CBH160mm175mm12mm；4） 底座外形尺寸为C1B1H1225mm235mm12mm；5） 工作台负载重量N=150N；6） 工作台最大移动速度为1m/min；7）

6、X,Y方向的定位精度为0.02mm；8） 脉冲当量为0.01mm/step；9） 结构轻便，建议机座和滑台采用铝合金；10） 标准组件，独立产品；1.2 总体方案确定1.2.1 方案确定思想该工作台设计主要分为机械系统部件和控制系统部件，其中机械系统部件主要包括导轨副、丝杠螺母副、减速装置、伺服电动机和检测装置等，控制系统部件则包括CPU控制电路、电源设计电路、输入信号电路、输出信号电路、步进电机驱动控制电路等。因X向和Y向机械结构基本相同，故只绘制X向机械系统部分的结构简图，如下：考虑在满足设计要求的前提下，应尽可能采用简洁轻便的结构设计和廉价实用的可选材料，符合绿色环保的现代机械设计理念，由此来确定最终方案。1.2.3 总体方案系统组成（1）机械系统组成1）导轨副的选用该设计课题中所要求的X-Y工作台要求可直接应用于小型钻、铣床，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0.02mm的重复定位精度和

7、0.04mm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） 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。但本设计中要求系统结构紧凑，且依靠步进电动机和滚珠丝杠副已经可以达到所需的脉冲当量，因此不使用减速箱。4） 伺服电动机的选用任务书规定的X,Y方向重复定位精度为0.02mm，由此可以取脉冲当量为0.01mm，则其定位精度未达到微米级，最快移动速度也只要求为1000mm/min。因此，不必采用高档次的伺服电动机，只需要选用性能较好的步进电动机即可，故在本设计中选用混合式步进电动机，以降低成本，提高性价比。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

8、角与转速。增量式旋转编码器的分辨率应与步进电动机的步距角相匹配。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。（2）控制系统组成1）设计的X-Y工作台要求可直接应用于小型钻、铣床，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）鉴于此系统只考虑步进电机的控制，CPU的自身资源已经足够，不需要外部引入其它接口扩展电路。考虑控制电路与输出信号电平不一致以及减少干扰等因素，在输入和输出信号之间加入光电耦合器组成信号输入输出电路。4）选择合适的驱动电源，与步进电动机配套使用。（3）系统总体框图根据已确定的总体方案绘制系统总体框图如下：2、机械系统设计2.1 工作台外形尺寸及重量估算工作台（X向托板） 取Y向托板=X向托板 上导轨座重量根据题目底座外形尺寸为22523512因此： 所以根据上面所求，得XY工作台运动部分的总重量为： 设其最大加工工件为8kg，另外，还有丝杠、电机、联轴器等，大约3kg，因此： 2.2 导轨的设计计算与选择2.2.1对X轴向导轨的计算给定的恒定负载为150N，X向托板重26.4N，X轴向行程为60mm，假设导轨寿命是10年，一年工作300天，一天16小时，启动率为0.8，则：距离寿命 式中为Ls为行程长度，n为每分钟往返次数，且 ，V为工作台快速进给速度。由已知条件知V=1m/min，则 由此得设滑座数m=4，所以每根导轨上使用2个滑座，每根导轨上配有两只滑块，精度为3级，工作速度较低，载荷不大。查表分别取硬度系数=1.0，温度系数=1.00，接触系数=0.81，精度系数=1，载荷系数=1.5，代入得距离寿命：其中K=50则得 其中 2.2.2对X轴导轨的选择根据所计算的Ca值，选择中国南京工艺装备制造有限公司(http:/www.njyi

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