机电一体化系统综合课程设计说明书

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=150N；台面尺寸CXBXH=145mmX160mmX12mm；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： 重量：约 90N。 上导轨座（连电机）重量： 夹具及工件重量：约 150NX-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145 160 50（1）、导轨型式：圆形截面滚珠导轨 、导轨长度上导轨（X向）取动导轨长度动导轨行程l 二 100B/ 二 55支承导轨长度L 二 l +1 二 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的计算查表得系数犷1,fH = 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 向丝杠牵引力所以最大动负荷X向Q = 3；225 x 1 x 1 x 3.39 = 20.6(N)xY向Q = 3225 x 1 x 1 x 4.06 = 24.7(N)y查表，取滚珠丝杠公称直径d = 10mm，选用滚珠丝杠螺母副的型号0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：申 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r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=1.2 x 10_6(cm)口 120.6 x 106 x 0.5丝杠因受扭矩而引起的导程变化量口匕很小，可以忽略。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eb取系统脉冲当量8二0.01mm / step，初选步进电机步距角二1.5。 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：9 电机转角；s 移动部件的相应位移；耳 机械传动效率。若取9 =e，则s = 8，且P = P +卩G，所以bpS式中： PS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动部件上的负载力（N）；卩z导轨摩擦系数；耳步进电机步距角，5）； T电机轴负载力矩（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 = P = 24.7N。考虑到重力影响，Y向电机负载较大，因此取G = G = 287N，所以 s Hy若不考虑启动时运动部件惯性的影响，则启动力矩1.33取安全系数为0.3,则 T = k = 4.42（Nm）q 0.3口对于工作方式为三相六拍的三相步进电机、步进电机的最高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（:O最大 静转距 （N严）最高空载 启动频率 （step/ s）相 数电压电流外径长度轴径45BF005-II1.519.630003272.545584112.5、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5 = 0.01mm/step , 勿。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： J 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（kgm2）； J?齿轮 的转动惯量（kgm2）； J3滚珠丝杠的转动惯量（kgm2）； 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 1 J 二=0.319 0,应沿X轴负方向走一步，此时FX=(X-1) * (X-1) +Y*Y-R*R=F-2X+1, X=X-1 ；若FVO,应沿Y 轴正方向走一步，此时FY=X*X+ (Y-1) * (Y-1) -R*R=F+2Y+1, Y=Y+1。插补程序见附录。4.4.4 步进电机步进一步程序流程图DEFEQU 12HSJMPLP3MOVDEF，#00HTAB： DBFEHXMOTOR1：JNE DIRX，#01H，XMOTOR0DBFCHJNEDEF，#05H，LP2DBFDHCLRDEFDBF9HLP2：MOVA，DEFDBFBHINCDEFDBFAHLP3：MOVDPTR，#TABMOVCA，A+DPTRANLP1，AACALLDELAYRETXMOTOR0：JNEDEF，#00H，LP4MOVA，#05HMOVDEF，ALP4：MOVA，DEFDECDEF五、附录参考文献1 郑学坚,周斌.微型计算机原理及应用.清华大学出版社,20032 李广弟,朱月秀，王秀山.单片机基础.北京航空航天大学出版社,20013 房小翠.单片微型计算机与机电接口技术.国防工业出版社,20024 王小明. 电动机的单片机控制. 北京航空航天大学出版社,20025 李建勇.机电一体化技术.科学出版社.20046 王爱玲，白恩远，赵学良.现代数控机床.国防工业出版社,20017 徐灏.机械设计手册（3）.机械工业出版社,20038 张建民.机电一体化系统设计.北京理工出版社,20049 徐灏等.机械设计手册M.北京:机械工业出版社,200010 濮良贵，记名刚机械设计M.北京:高等教育出版社,200311 吴振彪机电综合设计指导M.湛江:湛江海洋大学,199912 .杨入清.现代机械设计一系统与结构M 上海:上海科学技术文献出版社,200013 .张立勋，孟庆鑫，张今瑜.机电一体化系统设计M.哈尔滨:哈尔滨工程大学出版 社,2000