简易数控XY工作台机电系统的设计课程设

简易数控XY工作台机电系统的设计课程设

课程设计义务书

丁宇宁

江西冶金职业技术学院机电工程系

二0逐一年十月

目 录

1课程设置目的、课程设计要求及本卷须知…………………… 1.1课程设置目的…………………………………………………… 1.2课程设计要求…………………………………………………… 1.3课程设计本卷须知……………………………………………… 2课程设计标题…………………………………………………… 2.1课程设计标题…………………………………………………… 2.2 设计参数内容及要求…………………………………………… 2.3 提交资料………………………………………………………… 3课程设计说明书要求…………………………………………… 4设计计算说明书封面…………………………………………… 5考核方式………………………………………………………… 6参考资料…………………………………………………………

1 课程设置目的、课程设计要求及本卷须知 1.1 课程设置目的

«机电一体化系统设计»课程设计是大先生在完成«机电一体化系统设计»等专业课学习后,停止综合性实际性教学环节，总的目的是在教员的指点下,使先生经过课程设计,对所学课程实际知识停止一次系统的回忆反省温习和提高,并运用所学实际,经过调研,设计一个机电控制方面的课题,遭到从实际到实际运用的综合训练，培育先生运用所学实际处置详细效果的才干,详细有以下几点： 1〕经过检索查阅运用有关手册、规范及参考资料，培育起先生检索查阅资料、运用资料的方法和才干。 2〕经过回忆查阅课程实际知识、运用所学的基础课,专业技术课和专业课知识，培育先生依据实践效果正确设计总体方案, 剖析详细效果、停止工程设计的才干。

课程设计将机电专业课程的相关内容无机结合起来，先生遭到完整的设计训练进程，使先生掌握机电工程设计的基本方法，提高其剖析和处置实践工程效果的才干，培育先生的全体观念，并将整个课程内容无机而系统地结合起来。经过拟定的设计方案、结构方案到结合消费和运用条件，完成精细机构部件的设计，片面思索设计内容及进程，熟习和运用设计资料，如国度及行业规范、设计规范等，加深对机电一体化系统设计的看法。 1.2课程设计要求

1、综合地思索运用、经济、工艺等方面的设计要求，确定合理设计方案； 2、经过火析比拟吸取现有结构中的优点，并在此基础上发扬自己的发明性； 3、细心计算和仔细作图，力图设计图纸和计算说明书到达实践消费水平。 1.3课程设计本卷须知

1、设计末尾之前应仔细研讨标题，明白设计要求，参阅相关资料； 2、设计方案确定后，将确定的结构方案用A4的图纸绘制成正式的设计图纸； 3、按规则编制课程设计计算说明书，将设计计算说明书和图纸交教员查阅； 4、仔细做好预备停止争辩。 2课程设计说明书的内容

编写课程设计说明书是先生对课程设计的总结，主要内容包括：

课程设计标题〔包括设计条件和要求〕，设计与运动方案确实定，系统框图的剖析、机械运动剖析，动力剖析及传动设计计算、电气执行元件的选用说明及计算，画出顺序框图，写出自编顺序，对机械和电气其它局部〔如传感器反应、测量等〕的说明，表格列出必要的计算式和计算结果，绘出主要的曲线对结果停止剖析和讨论列出主要的参考资料并编号等。

课程设计说明书长篇大论，文理迟滞，内容完整，由于要求先生对所停止的设计能系统明白的表达，说明书普通不少于10页。

2.1课程设计标题

简易数控X-Y任务台机电系统的设计

2.2.设计参数内容及要求

设计一个数控X-Y任务台及其控制系统。该任务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C×B×H＝145mm×160mm×12mm；底座外形尺寸C1×B1×H1＝210mm×220mm×140mm；最大长度L=388mm；任务台加工范围X=55mm，Y=50mm；任务台最大快移速度为1m/min。

2.3 提交资料

整理课程设计说明书，预备争辩。 3 课程设计说明书要求

课程设计说明书是项目设计的实际依据，是设计计算的整理和总结，是审核设计的技术文件之一，编写设计计算说明是课程设计的一个重要组成局部，它按次第包括以下几个方面内容： 1〕目录〔标题及页次〕； 2〕摘要与前言

3〕课程设计的目的及意义 4〕课程设计的要求 5〕课程设计的内容 6〕课程设计总体方案的设计 7〕机械传动局部设计计算 8〕步进电动机的选择计算 9〕系统硬件接口电路设计 10系统软件件电路设计 11〕团体总结与结论 12〕完毕语与致谢 13〕参考文献 4设计计算说明书封面

为便于一致整理和保管，设计计算说明书采用A4纸撰写，字体为宋体小四。规则设计计算说明书的封面如图〔1〕

«机电一体化系统设计»课程设计 说 明 书 设计标题＿＿＿＿＿＿＿ 设 计 者＿＿＿＿＿＿＿ 考 生 号＿＿＿＿＿＿＿ 班 级＿＿＿＿＿＿＿ 指点教员＿＿＿＿＿＿＿ 完成时间＿＿＿＿＿＿＿

江西冶金职业技术学院机电工程系 图1 5考核方式

考核方式详见«机电一体化系统设计»考核要求。 6课程设计参考书

[1] 郑学坚,周斌.微型计算机原理及运用.清华大学出版社,2003

[2] 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,2001 [3] 房小翠.单片微型计算机与机电接口技术.国防工业出版社,2002 [4] 王小明. 电动机的单片机控制. 北京航空航天大学出版社,2002 [5] 李建勇.机电一体化技术.迷信出版社.2004

[6] 王爱玲，白恩远，赵学良.现代数控机床.国防工业出版社,2001 [7] 徐灏.机械设计手册〔3〕.机械工业出版社,2003 [8] 张建民.机电一体化系统设计.北京理工出版社,2004 [9] 徐灏等.机械设计手册[M].北京:机械工业出版社,2000

[10] 濮良贵 ,记名刚.机械设计[M].北京:初等教育出版社,2003 [11] 吴振彪.机电综合设计指点[M].湛江:湛江陆地大学,1999

[12].杨入清.现代机械设计—系统与结构[M].上海:上海迷信技术文献出版社,2000

[13].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 不要写

«机电一体化系统设计»课程设计

说 明 书

设计标题：简易铣床X-Y任务台机电系统的设计

设 计 者：＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿

考 生 号： ＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿

班 级：＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿

指点教员：＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿

完成时间：＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿

江西冶金职业技术学院机电工程系

目录

一、总体方案设计……………………………………………………

二、机械系统设计……………………………………………………………………

三步进电动机的选择设计……………………………………………………………

四、控制系统软件设计……………………………………………………………

五、总结……………………………………………………………………

六、参考文献………………………………………………………………………

一、总体方案设计

1.1 设计义务

设计一个数控X-Y任务台及其控制系统。该任务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C×B×H＝145mm×160mm×12mm；底座外形尺寸C1×B1×H1＝210mm×220mm×140mm；最大长度L=388mm；任务台加工范围X=55mm，Y=50mm；任务台最大快移速度为1m/min。

1.2 总体方案确定

〔1〕系统的运动方式与伺服系统

由于工件在移动的进程中没有停止切削，故运用点位控制系统。定位方式采用增量坐标控制。为了简化结构，降低本钱，采用步进电机开环伺服系统驱动X-Y任务台。 〔2〕计算机系统

本设计采用了与MCS-51系列兼容的ATS51单片机控制系统。它的主要特点是集成度高，牢靠性好，功用强，速度快，有较高的性价比。

控制系统由微机局部、键盘、LED、I/O接口、光电巧合电路、步进电机、电磁铁功率缩小器电路等组成。系统的加工顺序和控制命令经过键盘操作完成。LED显示数控任务台的形状。

〔3〕X-Y任务台的传动方式

为保证一定的传动精度和颠簸性，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弭间隙，采用预加负荷的结构。

由于任务台的运动载荷不大，因此采用有预加载荷的双V形滚珠导轨。采用滚珠导轨可增加两个相对运动面的动、静摩擦系数之差，从而提高运动颠簸性，减小振动。

思索电机步距角和丝杆导程只能按规范选取，为到达分辨率的要求，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

设 计 计 算 与 说 明 主要结果 2.1、任务台外形尺寸及重量预算 X向拖板〔上拖板〕尺寸： 长宽高 145×160×50 重量：按重量=体积×资料比重预算 145160501037.810290N Y向拖板〔下拖板〕尺寸： 14516050 重量：约90N。 上导轨座〔连电机〕重量： (22014038215582)7.81021031.110107(N) 夹具及工件重量：约150N 。 X-Y任务台运动局部的总重量：约287N。 2.2、滚动导轨的参数确定 ⑴、导轨型式：圆形截面滚珠导轨 ⑵、导轨长度 ①上导轨〔X向〕 取动导轨长度 lB100 动导轨行程 l55 支承导轨长度 LlBl155 ②下导轨〔Y向〕 lB100 l55 l50 lB100 L150 选择导轨的型号：GTA16 ⑶、直线滚动轴承的选型 ①上导轨 GX240(N) ②下导轨 GY287(N) 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外动载荷为370N，大于实践动负载；但思索到经济性等要素最后选择LM16UUOP型直线滚动轴承。并采用双排两列4个直线滚动轴承来完成滑动平台的支撑。 ⑷、滚动导轨刚度及预紧方法 当任务台往复移动时，任务台压在两端滚动体上的压力会发作变化，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，任务台坚持水平；当导轨移动到位置Ⅱ或Ⅲ时，两端滚动体受力不相等，变形不分歧，使任务台倾斜α角，由此形成误差。此外，滚动体支承任务台，假定任务台刚度差，那么在自重和载荷作用下发生弹性变形，会使任务台下凹〔有时还能够出现波浪形〕，影响导轨的精度。 L=225mm 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惹起的进给抗力。应按铣削时的状况计算。 ⑴、最大动负载Q的计算 Q3LffHP 查表得系数f1，fH1，寿命值 L60nT 610查表得运用寿命时间T=15000h，初选丝杠螺距t=4mm，得丝杠转速 n所以 L1000Vmax10001250(r/min) t46025015000225mm 610X向丝杠牵引力 Px1.414f当Gx (f当——当量摩擦系数) 1.4140.012403.39(N) Y向丝杠牵引力 Px=3.39N Py1.414f当Gy1.4140.012874.06(N)所以最大动负荷 X向 QxY向 Qy3 Py=4.06N 225113.3920.6(N) 225114.0624.7(N) 3 查表，取滚珠丝杠公称直径 d010mm，选用滚珠丝杠螺母副 的型号为 SFK1004，其额外动载荷为390N，足够用。 ⑵、滚珠丝杠螺母副几何参数计算 螺纹滚道:公称直径d0=10mm 螺距t=4mm,接触角=45,钢球直径dq=2mm 螺纹滚道法面半径R0.52dq1.04mm 公允距eRdq/2sin0.03 螺纹升角arctg t7.26 d0p=0.01mm/step b1.5 螺杆：螺杆外径dd00.2~0.25dq9.5mm 螺杆内径dld02e2R7.98mm 螺杆接触直径dzd0dqcos8.59mm 螺母：螺母螺纹外径Dd02e2R12.02mm 螺母内径〔外循环〕D1d00.2~0.255dq10.5mm ⑶、传动效率计算 tgtg7.260.973 tg()tg(7.260.2)式中：——摩擦角；——丝杠螺纹升角。 ⑷、刚度验算 滚珠丝杠受任务负载P惹起的导程L0的变化量 =45° PLL10 EFY向所受牵引力大，故运用Y向参数计算 P24.7(N) L00.4(cm) E20.6106(N/cm2) 材料为钢 0.7982FR3.140.5cm 222所以 L124.70.51.2106(cm) 620.6100.5 i=0.6 p0.01mm/step 丝杠因受扭矩而惹起的导程变化量L2很小，可以疏忽。 所以导程总误差 100100L1.21063m/m L00.4 查表知E级精度的丝杠允许误差15m，故刚度足够。 ⑸、动摇性验算 由于丝杠两端采用止推轴承，故不需求动摇性验算。 三、步进电机的选用 3.1、步进电机的步距角b 取系统脉冲当量p0.01mm/step，初选步进电机步距角b1.5。 3.2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，依据能量守恒原理，电机所做的功与负载力做功有如下关系 T＝Ps 式中： ——电机转角；s ——移动部件的相应位移； ——机械传动效率。 假定取 b，那么sp，且PPSG，所以 T36pPSG2b(Ncm) 式中：PS ——移动部件负载〔N〕；G——移动部件重量〔N〕； Pz——与重量方向分歧的作用在移动部件上的负载力〔N〕； ——导轨摩擦系数；b——步进电机步距角，〔rad〕；T——电机轴负载力矩〔Ncm〕 本例中，取0.03〔淬火钢滚珠导轨的摩擦系数〕，0.96，PS为丝杠牵引力，PsPH24.7N。思索到重力影响，Y向电机负载较大， 因此取GGy287N，所以 T360.0124.70.0328721.50.961.33(Ncm) Tq=4.42N.km Jd=0.4kg.m 2假定不思索启动时运动部件惯性的影响，那么启动力矩 TqT 0.3~0.51.33取平安系数为0.3，那么 Tq4.42Ncm 0.3关于任务方式为三相六拍的三相步进电机 TjmaxTq0.8665.1 Ncm 3.3步进电机的最高任务频率 fmax1000Vmax100011667(Hz) 60p600.01查表选用两个45BF005-Ⅱ型步进电机 3.4确定齿轮传动比 因步进电机步距角b1.5，滚珠丝杠螺距 t4mm，要完成脉冲当量p0.01mm/step，在传动系统中应加一对齿轮降速传动。齿轮传动比 Z1p3600.01360i0.6 Z2bt1.54选 Z117 ，Z228 。 3.5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。 3.6步进电机惯性负载的计算 依据等效转动惯量的计算公式，得 2pZ1JdJ0J1J2J3M Z2b180式中： Jd ——折算到电机轴上的惯性负载〔kgcm〕； J0——步进电机转轴的转动惯量〔kgcm〕；J1——齿轮 的转动惯量〔kgcm〕；2222J2——齿轮 的转动惯量〔kgcm2〕；J3——滚珠丝杠的转动惯量〔kgcm〕；M——移动部件质量〔kg〕。 对资料为钢的圆柱零件转动惯量可按下式预算 2J0.78103D4Lkgcm2 式中：D——圆柱零件直径〔cm〕；L——零件长度〔cm〕。 所以 J10.781031.740.53.26103kgcm2 J20.781032.840.523.9103kgcm2 J30.781031453.9103kgcm2 电机轴转动惯量很小，可以疏忽，那么 217Jd3.261023.93.9103 2830.00152250.410kgm 3.141.5180由于求。 21Jd0.40.3191，所以惯性婚配比拟契合要4JM1.274

四、控制系统硬件设计

X-Y任务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，应留意几点：电机运转颠簸、照应功用好、造价低、可维护性、人机交互界面可操作性比拟好。

4.1 CPU板 4.1.1 CPU的选择

随着微电子技术水平的不时提高，单片微型计算机有了飞跃的开展。单片机的型号很多，而目前市场上运用MCS-51芯片及其派生的兼容芯片比拟多，如目前运用最广的8位单片机C51，价钱昂贵，而功用优秀，功用弱小。

在一些复杂的系统中就不得不思索运用16位单片机，MCS-96系列单片机普遍运用于伺服系统，变频调速等各类要务实时处置的控制系统，它具有较强的运算和扩展才干。但是定位合理的单片机可以浪费资源，取得较高的性价比。

从要设计的系统来看，选用较老的8051单片机需求拓展顺序存储器和数据存储器，无疑提高了设计价钱，而选用高功用的16位MCS-96又显得过于糜费。消费基于51为内核的单片机的厂家有Intel、ATMEL、Simens，其中在CMOS器件消费范围ATMEL公司的工艺和封装技术不时处于抢先位置。ATMEL公司的AT系列单片机内含Flash存储器，在顺序开发进程中可以十分容易的停止顺序修正，同时掉电也不影响信息的保管；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ATS51，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。

ATS51的功用参数为：Flash存储器容量为4KB、16位定时器2个、中缀源6个〔看门狗中缀、接纳发送中缀、外部中缀0、外部中缀1、定时器0和定时器1中缀〕、RAM为128B、14位的计数器WDT、I/O口共有32个。

4.1.2 CPU接口设计

CPU接口局部包括传感器局部、传动驱动局部、人机交互界面三局部。表示图如下所示：

〔电磁铁〕 〔行程开关〕 传感器 前向通道 ATS51 〔步进电机〕 后向通道 传动驱动 〔键盘、LED〕 人机界面

图3-1 CPU外部接口表示图

X步进电机 Y步进电机 电磁铁 驱动1 驱动2 驱动3 外部中缀1 P1.0-P1.2 P0.0-P0.7 P1.3-P1.5 P1.6 P3.2 P3.3 P2.7 AD0~AD7 PA口 CE PB 口 键盘 外部中缀2 P2.6 IO/M PC口 ATS51 8155

图3-2 ATS51控制系统图

4.2 驱动系统

传动驱动局部包括步进电机的驱动和电磁铁的驱动，步进电机须满足快速急停、定位和退刀时能快速运转、任务时能带动任务台并克制外力〔如切削力、摩擦力〕并以指令的速度运转。在定位和退刀时电磁铁吸合使绘笔抬起，绘图时能及时释放磁力使笔尖压下。

4.2.1 步进电机驱动电路和任务原理

步进电机的速度控制比拟容易完成，而且不需求反应电路。设计时的脉冲当量为0.01mm，步进电机每走一步，任务台直线行进0.01mm。

步进电机驱动电路中采用了光电巧合器，它具有较强的抗搅扰性，而且具有维护CPU的作用，当功放电路出现缺点时，不会将大的电压加在CPU上使其烧坏。

图3-4 步进电机驱动电路图

该电路中的功放电路是一个单电压功率缩小电路，当A相得电时，电动机转动一步。电路中与绕组并联的二极管D起到续流作用，即在功放管截止是，使贮存在绕组中的能量经过二极管构成续流回路泄放，从而维护功放管。与绕组W串联的电阻为限流电阻，经过绕组的电流不至超越额外值，以免电动机发热凶猛被烧坏。

由于步进电机采用的是三相六拍的任务方式〔三个线圈A、B、C〕，其正转的通电顺序为：A-AB-B-BC-C-CA-A，其反转的通电顺序为：A-AC-C-CB-B-BA-A。

步进时钟 A相波形 B相波形 C相波形

图3-5 三相六拍任务方式时相电压波形〔正转〕

4.2.2 电磁铁驱动电路

该驱动电路也采用了光电巧合器，但其功放电路相对复杂。其光电巧合局部采用的是达林顿管，由于驱动电磁铁的电流比拟大。

图3-6 电磁铁驱动电路

4.2.3 电源设计

两电机同时任务再加上控制系统用电，所需电源容量比拟大，需求选择大容量电源。此系统中用到的电源电压为27V、12V、5V，为了便于管理和电源容量需求，就采用了规范的27V电源作为基准，经过芯片停止电压转换失掉所需的12V和5V电压。

4.3 X轴电机点动正转顺序流程图

X+EN： CLR P1.6 MOV A，PA MOV DPTR，A MOVX A，@DPTR JNB ACC.0，LOOP2 MOTOR0： MOV DIRX，#01H ACALL XMOTOR0 MOV A，PC MOV DPTR，A MOV A，@DPTR

JNB ACC.0，MOTOR0 LOOP2： AJMP LOOP1

这是X轴电机点动正转的顺序，其他的X轴电机点动反转、Y轴电机点动正转、Y轴电机点动反转依次类推。

五、总结

本次课程设计是综合大学一切学科的一次练习，是最大的一次课程设计。这次课程设计跨越机械和电气两大学科。在设计时要联络机械局部和电气控制局部作为一个无机的全体来思索，本次设计是一个机械和电气无机组合的系统是一个全体。假设双方面思索其中一项肯定是做不出来的。

这次课程设计时我又一次亲手设计东西，与以前单纯的机械设计不一样，有了更多的收获，体会也很多。在这次设计中我也学会了很多新东西，包括一些软件的运用。当然最重要的是学到了基于运动控制卡的几点一体化系统设计的一些基本方法。加深了对机械系统设计的了解，初步了解了一些常用工业控制元器件和掌握它们的运用方法。知道了设计一个机电一体化的系统需求思索到哪些方面，做个局部设计时应该先哪里后哪里的先后顺序，让我在以后的设计中会有一个明晰地思绪，而防止走太多弯路。这次设计中那我了解了运动控制卡、驱动器、步进电机的基本特性、运用方法，以及它们之间所需求的婚配关系。

经过这次课程设计我深入的感到了实际和时间之间庞大的差异及其之间的联络。往常实际知识学的很好，但是在课程设计中并不能随心所欲，会遇到很多不能处置的实践效果，这就需求增强实际才干，一个同窗的知识变成多个同窗的知识，多个同窗的知识变成一个同窗的知识，这样才干相互促进、相互提高。另外，实际与实际也存在肯定的联络，在教员的协助下才干使课程设计最终成功。

在这里特别感谢教员对我们的悉心指点，正是应为有了你梦的指点和协助，我的设计才干停止并顺利完毕。

六、参考文献

[1] 郑学坚,周斌.微型计算机原理及运用.清华大学出版社,2003

[2] 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,2001 [3] 房小翠.单片微型计算机与机电接口技术.国防工业出版社,2002 [4] 王小明. 电动机的单片机控制. 北京航空航天大学出版社,2002 [5] 李建勇.机电一体化技术.迷信出版社.2004

[6] 王爱玲，白恩远，赵学良.现代数控机床.国防工业出版社,2001 [7] 徐灏.机械设计手册〔3〕.机械工业出版社,2003 [8] 张建民.机电一体化系统设计.北京理工出版社,2004 [9] 徐灏等.机械设计手册[M].北京:机械工业出版社,2000

[10] 濮良贵 ,记名刚.机械设计[M].北京:初等教育出版社,2003 [11] 吴振彪.机电综合设计指点[M].湛江:湛江陆地大学,1999

[12].杨入清.现代机械设计—系统与结构[M].上海:上海迷信技术文献出版社,2000

[13].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