X-Y工作台课程设计说明书

目录一、设计任务 P1二、脉冲当量和传动比的确定 P1三、工作载荷分析及计算 P2四、滚珠丝杠螺母副的选型和校核 P3五、导轨的选型和计算 P5 六、电动机的选型和校核 P7七、步进电机控制电路设计 P15八、参考文献 P19附加一张数控系统框图和一张软件框图专业课程设计说明书一、设计任务 设计一个数控X-Y工作台及其控制系统。该工作台可安装在铣床上，用于铣削加工。1）设计要求1. 了解机电一体化化概念及机电一体化技术、机电一体化产品的含义。2. 领会机电综合设计训练的意义。3. 了解机电综合设计的几大步骤。 2）设计参数的确定 设计参数：系统分辨率为0.01mm，最大铣刀直径=16mm，最大铣削宽度ae=5mm,最大铣削深度ap=2mm,加工材料为碳钢，工作台加工范围X=200mm,Y=150mm，最大移动速度Vmax=3m/min. 3）方案的分析、比较、论证 本设计是一种经济型数控工作台，采用开环控制，主控装置为单片机，软件环形脉冲输出，驱动电路为高低压驱动电路，驱动电机为步进电动机，传动变换机构采用滚珠丝杠副。二、脉冲当量和传动比的确定 1）脉冲当量的确定：本设计采用步进电动机，等每脉冲代表电机一定的转角，这个转角经滚珠丝杠使工作台移动一定的距离。每个脉冲所对应的工作台的移距，称为脉冲当量或分辨率，记为p，单位为mm/脉冲。根据工作台进给系统所要求的精度来选定脉冲当量。考虑到机械传动系统的误差存在，脉冲当量值必须小于定位精度值。本次设计给定脉冲当量为0.01mm。2）传动比的计算：传动比的计算公式 其中，b为步进电动机的步距角，Lo为滚珠丝杠导程，p为系统脉冲当量，由公式可知，系统的传动比与b,p,Lo有关。因此，要计算系统传动比，必须先确定b,p和Lo，步进电动机步距角的选用原则为：定位精度要求不高的控制系统选用步距角大、运行频率低的步进电动机；定位精度要求较高、运行速度范围较广的控制系统，则应选用步距角较小，运行频率较高的步进电动机。本设计为简化结构、提高精度，采用联轴器将电动机和丝杠直接连接。所以i=1，则bLo=3.6，由于电动机与丝杠直接联接，为使所选电机的扭矩要求不至过大，则丝杠导程应选取较小值，经查各公司产品目录，初选南京华兴电机制造有限公司出产的混合式步进电动机86BYG4501,b=0.9，初选丝杠Lo=4mm，D=16mm。三、工作载荷分析及计算1 铣削力的分析与计算铣削运动的特征是主运动为铣刀绕自身轴线加速回转，进给运动为工作台带工件在垂直铣刀轴线方向缓慢进给。铣刀的类型很多，一般以圆柱铣刀和端铣刀为基本形式。这里选择圆柱形的立铣刀，它的每一个齿相当于一把车刀。 通常假定铣削时铣刀受到的铣削力作用在刀尖的某点上。设刀齿上受到切削力的合力为F，将F沿铣刀轴线、径向和切向进行分解，则分别为轴向铣削力FX，径向铣削力FY和切向铣削力FZ。其中切向铣削力FZ是沿铣刀主运动方向的分力，它消耗铣床电机功率（即铣削功率）最多。铣削力FZ可按指导书上P10表2-2查得为： Fz=9.811CFZae0.86af0.72do-0.86apZ其中，公式中CF为铣削力系数，由按指导书上P10表2-3可查为CF=68.2，ae=5mm，do=16mm，ap=2mm，查参考文献（1）P303查得：Z=4查参考文献（1）P135表2.4-6可得： af=0.05mm/z 所以FZ=9.8168.250.860.050.7216-0.8624 =228N 铣刀转速n=其中查参考文献（1）P190表2.4-11可得：Cv=30mm/min,d为铣刀直径 所以n=600r/min2 进给工作台工作载荷计算 作用在工作台上的合力F就是设计和校核工作台进给系统时要考虑的工作载荷，它可以沿着铣床工作台运动方向分解为三个力：工作台纵向进给方向载荷FL，工作台横向进给方向载荷Fc和工作台垂直进给方向载荷Fv。从而可按指导书上P11表2-4可查得： FL=1.2FZ=1.2228=274N FV=0.8Fz=0.8228=182.4N FC=0.4Fz=0.4228=91.2N 四、滚珠丝杠螺母副的选型和校核1、滚珠丝杠螺母副类型选择。这里初选深圳威远制造技术有限公司的内循环式的滚珠丝杠螺母副BRH15A。为了消除间隙和提高滚珠丝杠螺母副的刚度，这里对滚珠丝杠螺母副进行预紧，可使预紧后的刚度提高到为无预紧时的2倍。这一般由制造厂调好预加载荷，并且预加载荷往往与丝杠副的额定动载荷有一定的比例。2、滚珠丝杠螺母副参数计算和校核1）最大工作载荷 滚珠丝杠螺母副的工作载荷Fm是指滚珠丝杠螺母副在驱动工作台时滚珠丝杠螺母副所承受的轴向力，也叫做进给牵引力。这里选燕尾导轨，可按指导书上P14公式2-11可得： 其中G为移动部件的重力G=20Kg9.8=192N,颠覆力矩影响实验系数K=1.4，导轨上的摩擦系数f=0.0025。所以Fm=1.4274+0.0025(182.4+91.2+209.8)=385N2)、最大动负载C的计算及重要尺寸初选最大动载荷C=fmFm其中：L为为寿命，单位为106r，选fm=2.5 L=601000vt/106Lo而v为最大切削力时的进给速度：v=afnz=0.056004=120mm/min所以L=6010000.1215004106=27所以C=2.5385=2887.5而所选的丝杆的最大动载荷为4.35Nm,所以适合.3)传动效率计算滚珠丝杠螺母副的传动效率为： =其中：=arctan()=arctan(43.1416)=4.552o所以=tg4.552o/tg(4.552o+10)=0.9符合滚珠丝杠副的传动效率。 4）刚度验算 滚珠丝杆副的轴向变形将引起丝杆导程发生变化，从而影响定位精度和运动平稳性。滚珠丝杆副的轴向变形包括丝杆的拉压变形、丝杆和螺母之间滚道的接触变形、丝杆的扭转变形和滚珠丝杆轴承的轴向接触变形。滚珠丝杆的扭转变形较小，对纵向变形的影响更小，可忽略不计。螺母座只要设计合理其变形量也可忽略不计。丝杆轴承的轴向接触变形计算方法可参机械设计手册。可供滚珠丝杆支承使用的滚动轴承种类很多，目前占优势的有：接触角为60 的推力角接触球轴承，可以背靠背或面对面组配，还可以三联组配，四联组配等，提高刚度和承载能力；滚针-推力圆柱滚子组合轴承，从双向轴向支承丝杆，刚度高，多用于重载。因此，只要滚珠丝杆支承的刚度设计得好，轴承的轴向接触变形在此可以不予考虑。1、 丝杆的拉压变形量滚珠丝杆应计算满载时拉压变形量式中: 1为工作载荷,Fm作用下丝杆总长度上拉伸或压缩变形量(mm); Fm为丝杆的工作载荷(N)Fm=385N;L为滚珠丝杆在支承内的受力长度，按经验公式.1200+104=260mm;E为材料弹性模量E=20.6104Mpa,;A为滚珠丝杆按内径确定的截面积A=151.7mm2；“+”号用于拉伸，“-” 号用于压缩。2、滚珠与螺纹滚道间的接触变形量2该变形量与滚珠列、圈数有关，即与滚珠的总数量有关，与滚珠丝杆长度无关，可从工厂的产品样品中查出，或用下式计算 无预紧时 =0.0038 =0.0013工中:DW为滚珠直径DW=2.381mm;Z为滚珠总数量Z=2223-3；dm为滚珠丝杆的公称直径dm=16mm;）;Fm为滚珠丝杆工作载荷Fm=385N。3、滚珠丝杆副刚度的验算丝杆的总变形量=1+2应小于允许的变形量。一般不应大于机床进给系统规定的定位精度值的一半(即为0.005mm)。或者，由丝杆精度等级查出规定长度上允许的螺距误差，则相应长度上的变形量应该比它小，否则，应考虑选用较大公称直径的滚珠丝杆副。而总的变形量0.0032+0.0013=0.0045运行矩频特性校核 要对快速进给运行和工作进给运行两种工况分别校核，确快进和工进时均不丢步。1、快速进给运行矩频特性校核步进电机的最高快进运行频率可按式（2-33）计算。快速进给时已经不存在加速力矩项，并且一般快进时处于空载状态，故快进力矩的计算公式只保留了式（2-24）中的后两项，即=+=0.04+1.72=1.76Ncm式中： 为附加摩擦力矩（Ncm），见式（2-28）；为快进时，拍片到电机轴上的摩擦力矩（Ncm），见式（2-27）。从图2-22中可查到初选步进电机的运行矩频特性曲线。以已知快进力矩值找出对应允许快进频率。实际最高快进频率应小于允许快进频率，。否则，快进时要丢步。或者，对应查到的允许快进运行力矩值应大于步进电机快速进给力矩,否则步进电机快速进给时会丢步。不满足运行矩频特性要求时，要降低快速进给速度或重选更大的步进电机直到满足运行矩频特性要求 。就注意，运行矩频特性曲线与启动矩频特性曲线是不同的。2、工进运行矩频特性校核工进时步进电机的运行频率为= =200（Hz）式中： 为最大工作进给速度（m/min）工进时步进电机运行所需力矩可近下式计算 （Nm） (2-36)式中： 为附加摩擦力矩（Ncm），见式（2-27）；为摩擦力矩（Ncm），一般情况下， 工进时有切削力的，工作台上垂直进给方向载荷不等于零；为折算到电机轴上的工作负载力矩，对于数控机床进给系统则是切削力矩负载。NmNcm式中： 为沿进给方向的切削负载，=；Fv为垂直方向作用于工作台的载荷（N）。所以，1.720.067+79.4=21.187Ncm从图2-22中查到初选步进电机的运行矩频特性曲线。对应工进频率查到的允许工进运行力矩=1.6Nm大于步进电机工进时所需力矩七、步进电机控制电路设计1、控制系统硬件的组成步进电机开球伺服系统是由脉冲信号源、脉冲分配器、功率放大器和步进电动机四部分所组成的。2、 控制系统软件的组成及结构控制系统软件是为了完成机电设备的各项功能而编制的。由于各和机电设备所完成的功能和控制方法的不同，其软件在结构和规模上也不尽相同。以单片机为核心的数控微机控制系统软件一般包括监控模块、插补计算模块、步进电机控制模块、误差补偿模块等。监控程序一般包括系统初始化、命令处理循环、零件加工程序或作业程序输入、编辑、指令分析执行以及系统自检等。常用的机电系统控制软件结构有：子程序结构、主程序加中断程序结构以及中断程序结构。XY工作台的运动一般都由直线插补程序和圆弧插补程序来完成。每一象限逆圆弧插补程序如下： XL EQU 18H SH EQU 19H YL EQU 28H YH EQU 29H XeL EQU 1AH XeH EQU 1BH YeL EQU 2AHYeH EQU 2BHFL EQU 2CHFH EQU 2DHORG 2400HMAIN: MOV SP, #60H MOV 70H, #08H MOV XL,#80H;XLMOV XH, #0CH;XHMOV YeL,#80H;YeLMOV YeH,#0CH;YeHMOV XeL,#00H;XeLMOV XeH,#00H;XeHMOV YL,#00H;YLMOV YH,#00H;YHMOV FL,#00H;FLMOV FH,#00JH;FHLP3: MOV A,FHJNB ACC.7,LP1MIV A,70HSETB ACC.2CLR ACC.0;LCALL MOTR;MOV R1,#28H;MOV R0,#1CH;MOV R7,#02H;LCALL MULT2;2*YADD: CLR CMOV A,FLADDC A,1CHMOV FL,AMOV A,FHADDC A,1DH;F+2YMOV FH,AVLR CMOV A,ULADD A,#01HMOV 28H,AMOV A,YHADDC A,#00HMOV YH,ACLR C MOV A,FLADD A,#01HMOV FL,AMOV A,FHADDC A,#00HMOV FH,A; +2Y+1AJMP LP2LP1: MOV A,70HSETB ACC.0MOV 70H,A;LCALL MOTRMOV R1,#18H;XLMOV R0,#1CHMOV R7,#02HLCALL MULT2;0*XSUB: CLR CMOV A,FLSUBB A,1CHMOV FL,AMOV A,FHSUBB A,1DHMOV FH,A;F-2CLR C MOV A,XLSUVV A,#00HMOV XH,A;X-1CLR CMOV A,FLADD A,#01HMOV FH,A;F-2X+1Lp2: MOV A,YHCJNE A,YeH,LP3A;YH=YeH?MOV A,YLCJNE A,YeL,LP3A;YL=YeL?LP3: AJMP LP3ORG 2500HMULT2: PUSH PSW; PUSH A PUSH B CLR CMOV R2,#00HSH1: MOV A,R1MOV B,#02HMUL ABPOP PSWADDC A,R2MOV R0,AINC R0INC R1DJNZ R7,SH1POP BPOP PSWRET 参考文献、 吴国梁主编，铣工实用技术手册；江苏科学技术出版社。、 周开勤主编，机械零件手册；高等教育出版社。、 濮良贵 纪名刚主编，机械设计；高等教育出版社。、 王太辰主编，中国机械设计大典；江西科学技术出版社。、 周灏主编，机械设计手册；机械工业出版社。、 何立民主编，单片机高级教程；北京航空航天大学出版社。 20