1、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 ： 2013279129学 生 姓 名 ： 张 亮 班 级 ： 机 电 13212015年11月 一、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0.01mm，定位精度为 0.025mm。设计参数如下：负载重量 G=150N；台面尺寸 CBH145mm160mm12mm ；底座外形尺寸 C1B1H1210mm220mm140mm；最大长度 L=388mm；工作台加工范围
2、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）
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 宽 高 14516050重量：按重量=体积材料比重估算N321456017.809Y 向拖板（下拖板）尺寸： 14560重量：约
4、 90N。上导轨座（连电机）重量： 223(20143828)7.1.017()N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 10Bl动导轨行程 5支承导轨长度 BLl下导轨（Y 向）50l10Bl1选择导轨的型号：GTA16 、直线滚动轴承的选型上导轨 240()XGN下导轨 87()Y由于本系统负载相对较小，查表后得出 LM10UUOP 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
5、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；当导轨移动到位置或时，两端滚动体受力不相等，变形不一致，使工作台倾斜 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3HLfP查表得系数
6、， ，寿命值1f60nTL查表得使用寿命时间 T=15000h，初选丝杠螺距 t=4mm，得丝杠转速max10125(/min)4Vnrt所以 6250LX 向丝杠牵引力1.4xxPfG当 ()f当 当 量 摩 擦 系 数023.9)NY 向丝杠牵引力 1.402874.06()yyf当所以最大动负荷X 向 351.3920.6()xQNY 向 247y查表，取滚珠丝杠公称直径 ，选用滚珠丝杠螺母副 01dm的型号为 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 计算公式和结果公称直径 0d10螺距 t4接触角
7、5钢球直径 q2螺纹滚道法面半径 R0.1.4qd偏心距 e/sin0.3螺纹滚道螺纹升角 0arc726tg螺杆外径 d.59.qdd螺杆内径 l 08leR螺杆螺杆接触直径 z cos.zq螺母螺纹外径 D2102螺母 螺母内径（外循环） 110.5.qdd见表 2-1。、传动效率计算 7.260.973()()tgt式中： 摩擦角； 丝杠螺纹升角。、刚度验算滚珠丝杠受工作负载 P 引起的导程 的变化量0L01LEFAY 向所受牵引力大，故应用 Y 向参数计算24.7()PN0.4()Lcm6201/)cm材 料 为 钢2 2.798340.5FRc所以 616.1.().LmA丝杠因受扭
8、矩而引起的导程变化量 很小，可以忽略。2LA所以导程总误差60110.23/.4LmA查表知 E 级精度的丝杠允许误差 ，故刚度足够。5、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 ，初选步进电机步距角 。0.1/pmstep1.5b、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 s式中： 电机转角； 移动部件的相应位移； 机械传动效率。s若取 ，则 ，且 ，所以bpSPG36()2pSbPGTNcmA式中： 移动部件负载（N） ；G移动部件重量（N
9、） ； 与重量方向一致的作S zP用在移动部件上的负载力（N） ； 导轨摩擦系数； 步进电机步距角， （rad） ；Tb电机轴负载力矩（ ）cmA本例中，取 （淬火钢滚珠导轨的摩擦系数） ， ， 为丝杠牵引力，0.30.96S。考虑到重力影响，Y 向电机负载较大，因此取 ，所以24.7sHP 287yGN6.1247.081.3()596TNcmA若不考虑启动时运动部件惯性的影响，则启动力矩 0.3qT取安全系数为 0.3，则 1.4.2qcA对于工作方式为三相六拍的三相步进电机max5.10.86qjTNcmA、步进电机的最高工作频率 axmax17()6.1pVf Hz查表选用两个 45B
10、F005-型步进电机。电机的有关参数见表 2-2。表 2-2 步进电机参数主要技术数据 外形尺寸 ()m型 号 步距角最 大静 转 距NcmA最 高 空载 启 动频 率 ()/step相数电压 ()V电流 A外径 长度 轴径重量(N45BF005- 1519.6 3000 3 27 2.5 45 58 4 112.5、确定齿轮传动比因步进电机步距角 ，滚珠丝杠螺距 ，要实现脉冲当量1.5b 4tm，在传动系统中应加一对齿轮降速传动。齿轮传动比0.1/pmstep2360.360.154bZit选 ， 。17282.6、确定齿轮模数及有关尺寸因传递的扭距较小，取模数 ，齿轮有关尺寸见表 3-3。
11、1m2.7、步进电机惯性负载的计算表 2-3 齿轮尺寸Z17 28171914.55 283025.55dmZ2a1.5f36bm12da17.5根据等效转动惯量的计算公式，得 22103180pd bZJJM式中： 折算到电机轴上的惯性负载（ ） ； 步进电机转轴的转动惯量d 2kgcmA0J（ ） ； 齿轮 的转动惯量（ ） ； 齿轮 的转动惯量（ ） ；2kgcmA1J 2 2kgcmA滚珠丝杠的转动惯量（ ） ；M移动部件质量（ ） 。3J2kgcAkg对材料为钢的圆柱零件转动惯量可按下式估算 3420.781DLm式中：D圆柱零件直径（cm） ；L零件长度（cm） 。所以 34321
12、.5.2610J kgcA207829m34323.1.Jkc电机轴转动惯量很小，可以忽略，则 23 37.260.9108d 252.15.43480kgmA因为 ，所以惯性匹配比较符合要求。.0.31927dMJ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，
13、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
14、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：（行程开关）前向通道传动驱动（电磁铁）（步进电机）人机界面传 感 器 AT89S51（键盘、LED）后向通道
