机电课程设计XY数控进给工作台设计.doc

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1、大学 课程设计（论文）内容：X-Y数控进给工作台设计院(系)部：机械工程学院学生姓名： 学 号: 专 业：机械电子工程班 级： 指导教师： 完成时间：2010-10-08 摘 要当今世界电子技术迅速发展，微处理器、微型计算机在各技术领域得到了广泛应用，对各领域技术的发展起到了极大的推动作用。一个较完善的机电一体化系统，应包含以下几个基本要素：机械本体、动力与驱动部分、执行机构、传感测试部分、控制及信息处理部分。机电一体化是系统技术、计算机与信息处理技术、自动控制技术、检测传感技术、伺服传动技术和机械技术等多学科技术领域综合交叉的技术密集型系统工程。新一代的CNC系统这类典型机电一体化产品正朝着

2、高性能、智能化、系统化以及轻量、微型化方向发展。关键字：机电一体化的基础 基本组成要素 特点 发展趋势目 录第一章 课程设计的目的、意义及要求4第一节 课程设计的目的、意义4第二节 课程设计的要求4第二章 课程设计的内容5第一节 课程设计的内容5第二节 课程设计的内容5第四章 数控系统总体方案的确定6第五章 机械部分设计7第一节 工作台外形尺寸及重量初步估算7第二节 滚动导轨副的计算、选择8第三节 滚珠丝杠计算、选择10第四节 直流伺服电机的计算选择12第五节 联轴器计算、设计14第六节 限位开关的选择15第七节 光电编码器的选择15第六章 机床数控系统硬件电路设计15第一节 设计内容17第二

3、节 设计步骤17第三节 机床数控系统硬件电路设计21第七章 系统控制软件设计23第八章 参考文献26第一章 课程设计的目的、意义及要求第一节 课程设计的目的,意义机电一体化系统设计课程设计是培养学生设计能力的重要实践性教学环节之一，是综合运用所学过的机械、电子、自动控制、计算机等知识进行的基本设计训练。其目的是：1. 能够正确运用机电一体化系统设计课程的基本理论和相关知识，掌握机电一体化系统（产品）的功能构成、特点和设计思想、设计方法，了解设计方案的拟定、比较、分析和计算，培养学生分析问题和解决问题的能力，使学生具有机电一体化系统设计的初步能力；2. 通过机械部分设计，掌握机电一体化系统典型机

4、械零部件和执行元件的计算、选型和结构设计方法和步骤；3. 通过测试及控制系统方案设计，掌握机电一体化系统控制系统的硬件组成、工作原理，和软件编程思想；4. 通过课程设计提高学生应用手册、标准及编写技术说明书的能力，促进学生在科学态度、创新精神、专业技能等方面综合素质的提高。第二节 课程设计的要求：1. 课程设计应在教师的指导下由学生独立完成，严格地要求自己，不允许相互抄袭；2. 认真阅读课程设计指导书，明确题目及具体要求；3. 认真查阅题目涉及内容的相关文献资料、手册、标准；4. 大胆创新，确定合理、可行的总体设计方案；5. 机械部分和驱动部分设计思路清晰，计算结果正确，选型合理；6. 微机控

5、制系统方案可行，硬件选择合理，软件框图正确；7. 手工或电脑绘制机械系统装配图一张（A1），控制系统电气原理一张（A1），图纸符合国家标准，布图合理，内容完整表达清晰； 8. 课程设计说明书一份（不少于8000字），包括：目录，题目及要求，总体方案的确定，机械系统设计，控制系统设计，参考文献等。设计说明书应叙述清楚、表达正确、内容完整、技术术语符合标准。第二章 课程设计的内容第一节 课程设计题目：X-Y数控进给工作台设计已知条件： X方向行程:300mm Y方向行程:200mm 工作台面的参考尺寸:500X300mm 平均切削力:1500N 平均切削进给速度:600mm/min 最高运动速度:

6、6m/min 定位精度:0.01mm 工作寿命:每天8小时,工作8年,250天/年第二节 课程设计的内容 1.数控装置总体方案的确定 (1).数控装置设计参数的确定； (2).方案的分析，比较，论证。 2.机械部分的设计 (1).机械部件的总体尺寸及重量的初步估算；(2).传动元件及导向元件的设计，计算和选用；(3).确定直流电机；(4).绘制机械结构装配图；(5).系统等效惯量计算；(6).系统精度分析。3.数控系统的设计(1).微机及扩展芯片的选用及控制系统框图的设计；(2).I/O接口电路及伺服控制电路的设计和选用；(3).系统控制软件的设计4.编写课程设计说明书 (1).说明书是课程设

7、计的总结性技术文件，应叙述整个设计的内容，包括总体方案的确定，系统框图的分析，机械传动设计计算，电气部分的设计说明，选用元器件参数的说明，软件设计及其说明；(2).说明书不少于84字，尽量用计算机完成。5.图纸 (1).机械结构装配图，A0图纸1张。要求视图基本完整，符合标准。其中至少要有一个坐标轴的完整剖视图；第三章 数控系统总体方案的确定数控系统总体方案设计的内容包括：系统运动方式的确定，执行机构及传动方案的确定，伺服电机类型及调速方案确定，计算机控制系统的选择。进行方案的分析、比较和论证。1. 系统运动方式的确定该系统要求工作台沿各坐标轴的运动有精确的运动关系因此采用连续控制方式。2.

8、伺服系统的选择考虑到运动精度要求不高，负载不大，适合采用开环控制方式或采用半闭环控制方式。半闭环伺服系统在负载不大时多采用直流电机作为伺服电机. 半闭环控制系统有检测反馈部件，因而能纠正系统的传动误差。但半闭环系统结构较复杂，目前大多数数控机床和工业机器人中的伺服系统都采用半闭环控制。3. 计算机系统的选择采用AT89C51单片机扩展控制系统。该单片机的主要特点是集成度高，可靠性好，功能强，速度快，性价比高。控制系统由微机部分、键盘及显示器、I/O接口及光电隔离电路、步进功率放大电路等组成。系统的工作程序和控制命令通过键盘操作实现。显示器采用数码管显示加工数据和工作状态等信息。4. XY工作台

9、的传动方式为保证一定的传动精度和平稳性以及结构的紧凑，采用滚珠丝杠螺母传动副。为提高传动刚度和消除间隙，采用有预加载荷的结构。根据机电一体化系统对传动系统的要求：采用低摩擦系数的传动器件：滚珠丝杠、滚动导轨；无间隙联轴器 ；消除反向传动间隙等。由于工作台的运动部件重量和工作载荷不大，故选用滚动直线导轨副，从而减小工作台的摩擦系数，提高运动平稳性。5. 确定检测方案半闭环系统采用增量式光电编码盘检测电机或丝杠转角、转速、零位。6. 系统总体框图如下:第四章 机械部分设计机械部分设计内容包括：工作台外形及重量的初步估算，选择直流伺服电机，传动及导向元件的设计、计算与选择，绘制机械部分装配图等。第一

10、节 工作台外形尺寸及重量初步估算根据给定的有效行程，画出工作台简图，估算X向和Y向工作台承载重量WX和WY。取X向导轨支撑钢球的中心距为300mm,Y向导轨支撑钢球的中心距为200mm,设计工作台简图如下:工作台简图X向拖板(上拖板)尺寸为: 长*宽*高=630*185*25重量:按重量=体积*材料比重估算为: =10(=465NY向拖板(下拖板)尺寸为: 415*312*25重量:按重量=体积*材料比重估算为=10(=400N工作台的尺寸为: 500*300*35重量为 =10()=300N夹具、工件重量约135N导轨(含电机)重量约700NX-Y工作台运动部分总重量为:=465+400+3

11、00+700+135=2000 N第二节 滚动导轨副的计算、选择 (1)Y方向导轨由所给条件得,该导轨的额定工作时间为由 得则因滑座数M=4,所以每根导轨上使用2个滑座,由表2-15-2-18确定则由式2-9, 得 NX方向导轨由所给条件得,该导轨的额定工作时间为由 得因滑座数M=4,所以每根导轨上使用2个滑座,由表2-15-2-18确定则由式2-9, 得 N选用日本THK公司的LM导轨的SSR-XW型导轨,查表,其中SSR-20XW型号的导轨的Ca值为19600N,能满足八年的使用要求. 基本参数如下:额定载荷/N静态力矩/N*M滑座重量导轨重量导轨长度动载荷静载荷L(mm)19600234

12、001981982880.252.1700/500滑座个数单向行程长度每分钟往复次数M4300/2001.5/1导轨的额定动载荷N依据使用速度v（m/min）和初选导轨的基本动额定载荷 (kN)验算导轨的工作寿命Ln：额定行程长度寿命: 导轨的额定工作时间寿命: 导轨的工作寿命足够.第三节 滚珠丝杠计算、选择由技术要求,平均载荷F=1500N,丝杠工作长度L=400mm,工作寿命,传动精度要求设导程P=5 mm ,则(1) 求计算载荷 =1800N 由条件,查机电一体化系统设计表2-6取=1.2, 查表2-6取=1.2, 表2-4取D精度, 查表2-6取=1.0,(2)计算额定动载荷计算值由式

13、(2-4)(3)根据选择滚珠丝杠副 假设选用FC1型号,按滚珠丝杠副的额定动载荷Ca 等于或稍大于的原则,查表2-9选以下型号规格FC1-3205-2.5 Ca=10689N公称直径 导程 螺旋角 滚珠直径按表2-1中尺寸计算滚道半径 R=0.52=0.523.175=1.651mm偏心距0.0449 mm丝杠内径=32+20.0449-21.651=28.79 mm (4)稳定性验算1由于一端轴向固定的长丝杠在工作时可能会发生失稳,所以在设计时应验算其安全系数S,其值应大于丝杠副传动结构允许安全系数 丝杠不会发生失稳的最大载荷称为临界载荷其中 E=206Gpa L=0.3m 取 则安全系数查

14、表2-10 S=2.5-3.3 SS 丝杠是安全的,不会失稳2高速长丝杠工作时可能发生共振,因此需验算其不会发生共振的最高转速-临界转速,要求丝杠的最大转速 所以丝杠不会发生共振3此外滚珠丝杠副还受值的限制,通常要求(5)刚度验算滚珠丝杠在工作负载F(N)和转矩T(Nm)共同作用下引起每个导程的变形量为式中,A为丝杠截面积,A=为丝杠的极惯性矩, G为丝杠切变模量,对钢G=83.3GP a;T(Nm)为转矩. 式中, 为摩擦角,其正切函数值为摩擦系数; 为平均工作载荷.取摩擦系数为=0.003,则得按最不利的情况取(F=)则丝杠在工作长度上的弹性变形所引起的导程误差为通常要求丝杠的导程误差小于

15、其传动精度的1/2,即该丝杠的满足上式,所以其刚度可满足要求.(6)效率验算要求在90%-95%之间,所以该丝杠副合格.经上述计算验证,FC13205-2.5各项性能均符合题目要求,可选用.第四节 电机的选择1. 电机类型选择在半闭环控制的中小型伺服系统中,可以采用直流电机。2. 电动机轴上总当量负载转动惯量计算滚珠丝杠的转动惯量 其中D丝杠公称直径D=31.5mm L丝杠长度L=400mm滚珠丝杠折算到电机轴上的转动惯量 其中M工作台（包括工件）的质量M=（300+135）/10=43.5kgS丝杠的螺距是5mm3.直流伺服电机负载转矩的计算电动机起动时的角加速度其中是电动机启起动后的最大角

16、速度（rad/s）; 是系统时间常数（s）;K是系统开环增益（）。 rad/s，取K=254.电动机最大转矩的确定伺服电动机在快速起动时的负载转矩一般比正常运行时的负载转矩要大得多，即要求其中是电动机启动时的负载转矩；是电动机的最大转矩，其中是电动机额定转矩；是电动机的瞬时过载系数，取=8。则5.电动机额定转矩的确定伺服电动机额定转矩可按连续运行时作用在电动机上的负载转矩T来确定，即要求6.电机工作功率的确定根据已经算出的转矩T，以及工作要求的转速，可得功率.根据以求的额定转载和工作功率，选择电机为SZ系列直流伺服电机，型号为110sz51，具体参数如下表：第五节 联轴器的选择联轴器额定转矩T

17、s可按电动机上的负载转矩T来确定，即（）考虑到刚性和精度的要求，以及传动的功率要求不大，因而需要选择刚度高和可以满足无间隙传动的联轴器，因而选择波纹管联轴器，型号为BK-L-30。该产品使用于编码盘和微型电机，而且可以无间隙传动，可以补偿径向，角向，轴向的误差，而且满足刚度要求，以及满足惯量要求。其基本参数如下表：第六节 限位开关的选择第七节 光电编码盘的选择光电编码盘的测量精度较高，它或者与电机的非负载端同轴连接，或者直接安装在电机的特定的部位。能够准确的反应电机的转子的机械位置，从而间接的反映出与电机连接的机械负载的准确的机械位置，从而达到精确控制电机位置的目的。根据定位精度（0.01mm

18、）的要求，光电编码器的分辨率要满足（35）1000 P/R。选用上海精浦机电有限公司的欧系标准系列（4-20mA RS485输出），能够达到精度要求。特性参数工作电压:1030Vdc 极性保护消耗电流: 110mA（24Vdc） 190mA（12Vdc） 输出信号:420mA，RS485，（Easypro自由协议），可设定长度、角度、速度应用输出 输出负载能力: 600欧姆，标准工作200-250欧姆线性分辨度:1/4096FSEasyPro:编码器附缆线及软件，RS485信号转RS232或转USB连接计算机，可EasyPro智能设定工作温度:-2580 编程时温度范围：070储存温度:-40

19、80防护等级:外壳IP67,转轴IP65振动冲击:20g，102000Hz；100g，6ms允许转速:2400转/分 输出刷新周期:1ms连接电缆:1米屏蔽电缆径向侧出（其余形式可订货）外形特征:金属外壳，密封双轴承结构（见外形尺寸附图P16）信号调整:可4mA输出微调，20 mA输出微调；可方向设置；可预设位置，外部置位，例如外部置零第六章 控制系统部分设计该控制系统采用的微型机为89C51单片机。执行元件采用直流电机。（一）面板的布置图（二）操作面板功能介绍1.位移状态选择键设置两个键分别表示手动或自动操作工作台的移动，通过这两个按键来改变工作台的移动状态。 2.启动开关 按下此开关机床启

20、动 3.停止键按下此键机床停车 4进给轴选择按键按此键切换X/Y方向输入 5复位键按下此键工作台复位 6显示器六位晶体管显示器，显示工作台的位置，精确到0.01mm。 X向位置 Y向位置7.正常运行指示灯 灯亮表示机床正常工作 8.警报灯 出现紧急状况的时候报警 9.加减速按键用于调节机床的转速10.工进、快进按键在对应的工作状态选择相对的速度 11.ENTER键用于表示一段输入完毕 （三） 程序流程图1 主程序流程图2 工作模式切换流程图3 转速调整流程图（四）电动机控制原理（五）光电编码盘辨向电路四、程序;/自动进给调速/ORG 0000H;/*启动*/MOV TMOD ,#10H;选择方

21、式1计时SETB P0.4MOV 40H,#0D4HMOV 41H,#0D4HBEGIN:MOV A,40HADD A,#01HMOV 40H,AMOV TL1,AMOV TH1,#0FEHSETB TR1L1:JBC TF1,L2SJMP L1L2:CPL P0.4MOV A,41HSUBB A,#01HMOV 41H,AMOV TH1,#0FEHMOV TL1,41HSETB TR0L3:JBC TF1,L4SJMP L3L4:CPL P0.4MOV A,41HCJNE A,#0BBH,L5SJMP BEGIN2L5:SJMP BEGIN;/正常运行/BEGIN2:MOV TH1,#0FE

22、HMOV TH1,#0FEHMOV TL1,#0EDHSETB TR1L6:JBC TF1,L7SJMP L6L7:CPL P0.4MOV TH1,#0FEHMOV TL1,#0BBHSETB TR1L8:JBC TF1,L9SJMP L8L9:CPL P0.4MOV TH1,#0FEHMOV TL1,#0EDHMOV A,R3CJNE A,#02H,L10SJMP BEGIN3L10:SJMP BEGIN2;/减速，停止/BEGIN3:MOV TMOD,#10HSETB P0.4MOV 40H,#0EDHMOV 41H,#0BBHMOV A,40HSUBB A,#01HMOV 40H,AMO

23、V TL1,AMOV TH1,#0FEHSETB TR1L11:JBC TF1,L12SJMP L11L12:CPL P0.4MOV A,41HADD A,#01HMOV 41H,AMOV TH1,#0FEHMOV TL1,41HSETB TR0L13:JBC TF1,L14SJMP L13L14:CPL P0.4MOV A,41HCJNE A,#0D4H,L15SJMP BEGIN3;/点动进给调速/ORG 0000HMOV TMOD ,#10H;选择方式1计时SETB P0.4MOV 50H,#0FAHMOV A,#0EDHADD A,R0;R0为加（减）速要求计数，正脉冲相应的占空比加（

24、减）MOV 40H,AMOV A,#0FEHADDC A,#00HMOV 41H,ACLR CMOV TL1,40HMOV TH1,41HSETB TR1L1:JBC TF1,L2SJMP L1L2:CPL P0.4MOV A,#0BBHSUBB A,R0;R0为加（减）速要求计数，正脉冲相应的占空比减（加)MOV 42H,AMOV A,#0FEHSUBB A,#00HMOV 43H,AMOV TH1,43HMOV TL1,42HSETB TR1L3:JBC TF1,L4SJMP L3L4:CPL P0.4MOV TH1,40HMOV TL1,41HMOV A,50HSUBB A,#01HMO

25、V 50H,AJNZ L5SJMP L6L5:SJMP L1L6:RET五、参考文献1. 尤丽华主编. 测试技术. 机械工业出版社, 20062. 张迎新等主编.单片机初级教程.北京航空航天大学出版社,1999.3. 郑堤,唐可洪主编.机电一体化设计基础. 机械工业出版社4. 成大先主编 机械设计图册 化学工业出版社,20005.吴宗泽，罗圣国主编.机械设计课程设计手册.高等教育出版社，19996.尹志强主编.机电一体化系统设计指导书. 机械工业出版社7. 文怀兴 夏田主编 数控机床系统设计 化学工业出版社,20058. 崇凯主编 机械制造技术基础课程设计指南. 化学工业出版社,20069.郑堤 唐可洪主编机电一体化设计基础. 机械工业出版社,1997