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数控工作台课程设计说明书电子教案 数控工作台课程设计 说明书 设计组号：A8课题号： 08 机电一体化系统综合课程设计课题名称：数控工作台设计 学院：机械工程学院 专业：机械设计制造及其自动化 设计成员： 指导老师： 日期： 2022年3月7日 目录 一、总体方案设计1 1.1设计任务1 1.2总体方案确定1 1.2.1方案确定思想1 1.2.2 方案对比分析与确定2 1.2.3 总体方案系统组成3 二、机械系统设计3 2.1 工作台外形尺寸及重量估算3 2.2 导轨参数确定4 2.3 滚珠丝杆的设计计算4 2.4步进电动机减速箱设计5 2.5 步进电机的选型与计算5 2.6 机械系统结构设计7 三、控制系统硬件设计8 3.1 控制系统硬件组成8 3.2 控制系统硬件选型8 3.3 控制系统硬件接口电路设计10 3.4 驱动系统设计错误!未定义书签。 3.4.1步进电机的驱动电路错误!未定义书签。 3.4.2电磁铁驱动电路错误!未定义书签。 3.4.3电源转换错误!未定义书签。 四、控制系统软件错误!未定义书签。 4.1控制系统软件总体方案设计错误!未定义书签。 4.2主流程设计错误!未定义书签。 4.3 INT0中断服务流程错误!未定义书签。 4.4 INT1中断服务流程图错误!未定义书签。 4.4.3 绘制图弧程序流程图20 4.4.4 步进电机步进一步程序流程图错误!未定义书签。 五、总结错误!未定义书签。 六、参考文献28 七、附录28 1、总体方案设计 1.1机电专业课程设计的任务 主要技术指标： 一定的规格要求（负载重量G=500N；台面尺寸C×B×H=240×254×15mm；底座外形尺寸C1×B1×H1=500×500×184mm；最大长度L=628mm；工作台加工范围X=250mm；Y=250mm；工作台最快移动速度为1m/min；重复定位精度为± 0.02mm，定位精度为±0.04mm； 设计具体要求完成以下工作： （1）数控工作台装配图（1：1比例或0图幅） 1张； （2）数控系统电气原理图（2图幅） 1张； （3）设计说明书（1020）页 1本； 所有图样均采用CAD绘制打印，设计说明书按规定撰写。 1.2 总体方案确定 1.方案拟定 根据设计任务，参照参考资料结合实际，初步设定如下三个总体方案： 2.方案比较 XY工作台系统可以设计为开环、半闭环和闭环伺服系统三种。开环的伺服系统采用步进电机驱动, 系统没有检测装置; 半闭环的伺服系统中一般采用交流或直流伺服电机驱动, 并在电机输出轴安装脉冲编码器, 将速度反馈信号传给控制单元; 闭环的伺服系统也是采用交流或直流伺服电机驱动, 位置检测装置安装在工作台末端, 将位置反馈信号传给控制单元。闭环和半闭环伺服系统价格昂贵，结构复杂，同时其可控分辨率也很高，但在本次设计中，其位置精度（±0.02mm）要求不高，考虑到成本低，维修方便，工作稳定等条件。选用步进电机伺服系统就可以满足要求。其通过单片机控制步进电机的驱动, 经传动机构带动工作台运动。 对比以上三种方案： PLC价格比较贵考虑成本不选。 直线滚动导轨副具有摩擦系数小，不易爬行、传动效率高、结构紧凑、安装预 紧方便等特点。 滚珠丝杠副有如下特点：传动效率高系统刚性好传动精度高使用寿命 长运动具有可逆性（既可将回转运动转变为直线运动，又可将直线运动变为回转运动，且逆传动效率几乎与正传动效率相同）不会自锁可进行预紧和调隙。 步进电机：结构简单、价格低、转动惯量小、动态响应快、易起停，可满足快 速移动和精度要求。 同步带减速：圆整脉冲当量，放大输出转矩，安装中心距精度要求较低。 无隙齿轮箱减速：可消除间隙，但设计和安装精度高。 无减速装置：结构简单，但输出转矩小，易受切削力影响。 开环控制：简单实用，但精度较半闭环和闭环低，不能检测误差，也不能校正 误差。 闭环控制：控制精度和抑制干扰的性能都比较差，而且对系统参数的变动很敏 感。 所以方案三最合适为最佳方案 3.系统组成 1.机械系统组成 机械系统由两个步进电机；两个无隙齿轮箱减速器；两个滚珠丝杠以及两个直线滚动导轨副作为主要的动力输出、传动以及机械控制部分，系统的组成还有其他一些机构。 2.控制系统组成 控制系统由AT89S52型单片机、一个2764存储器作为外部程序存储器、一个6264存储器作为外部数据存储器、并行I/O接口8255，8155、7407驱动显示器、以及键盘接口电路、步进电机接口电路和其他电源、限位开关等构成。2、机械系统设计 2.1 工作台外形尺寸及重量估算 工作台面尺寸： 长宽高（mm) 240×254×15 重量：按重量=体积×材料比重估算 240×254×15×10-3×7.8×10-271.323 N 上导轨座（连电机）重量： 254×500×(184-15)1674.114 N 夹具及工件重量：约150N 累计重量：1895 N 2.2 直线导轨副的计算与选型 1.滑块承受工作载荷 Fmax (单个滑块所受最大垂直方向） Fmax=F+G/4=973.75 N 查表3-41,初选直线滚动导轨副的型号为KL系列的JSA-LG15,其额定载荷 Ca=7.94 KN,额定静载荷Coa=9.5 KN 任务书规定台面尺寸240mm×254mm ，加工范围 250mm×250mm ,由表3-35选取导轨长度为520mm. 2.3 滚珠丝杆的设计计算 1.最大工作载荷Fm 的计算 移动部件总重量1895N ，按矩形导轨进行计算，查表3-29，取颠覆力矩影响系数k1.1,滚动导轨上的摩擦因数=0.005 ()21605m x y F kF F F G G N =+= 2.最大动载荷FQ 设工作台最快进给速度为1000mm/min,初选丝杠导程Ph=5mm 此时丝杠转速n=v/Ph=200r/min 求滚球丝杠的使用寿命T=15000h ，代入LO=60n T/106,得丝杠寿命系数LO=180（106r ） 查表，取载荷系数fW=1.2,滚道硬度为60HRC ，取硬度系数fH=1.0，代入 10874.6Q W H m F f f F N =? 3.初选型号 根据计算出最大动载荷和初选的丝杠导程，查表3-31，选济宁博特精密丝杠制造有限公司生产的G 系列2505-4型滚珠丝杠副，为内循环固定反向器单螺母式，其公称直径25mm ，导程5mm ，循环滚珠为4圈×2列，精度等级取5级，额定动载荷大于FQ 。 4.传动效率的计算 将公称直径do=25mm,导程Ph=5mm,代入arctan/()h o P d =，得丝杠螺旋升角 =3°38，得传动效率=95.6%. 5.刚度的验算 X-Y 工作台上两层滚珠丝杠副的支承切采用一对推力角接触球轴承，左右支承的中心距离为a=500mm ，钢的弹性模量E=2.1×105MPa,查表3-31，得滚珠 直径Dw=3.175mm,丝杠底径d2=21.2mm ，丝杠截面积2 22 /4352.8S d mm =，根据1/()m F a ES =，得在Fm 作用下产生的拉/压变形量1 =1.08×10-2mm 根据公式(/)3o w Z d D =- 得单圈滚球数Z=20，该系列丝杠为单螺母，滚珠的圈数×列数为4×2. 代入公式Z Z =?圈数列数，得滚球总量Z =160，丝杠预紧时，取轴向预紧力FYJ=Fm/3=535N, 滚珠与螺纹滚道间的接触变形量2=0.0013×Fm/（10×3210/Z YJ DwF ）=1.278×10-3 mm ，因为丝杠加有预紧力，且为轴向负载的1/3，实际变形量可减少一半，取=6.388×10-4mm. 丝杠的总变形量-212 1.14410S mm =+=?总，计算得丝杠的有效行程为250mm ，由表3-27得，5级精度滚珠丝杠有效行程在315mm ，行程偏差允许打到23m,可见丝杠刚度足够。 压杠稳定性校核： 根据公式 计算失稳时的临界载荷Fk 。查表，取支承系数=1，由丝杠底径d2=21.2mm ， 求得截面惯性矩64/4 2d I =9910.44mm4；压杆稳定安全系数K 取3（丝杠卧式 水平安装）；滚动螺母至轴向固定处的距离取最大值500mm 。代入 =27359.6N ，远大于工作载荷Fm ，故丝杠不会失稳。 2.4步进电动机减速箱设计 减速箱采用一级减速，大齿轮设计成双片结构，工作台脉冲当量=0.005mm/脉冲， 滚珠丝杠导程Ph=5mm ，初选步进电动机的步距角=0.75°，减速比i=（Ph ）/（360×）=25：12，大小齿轮模数都为1mm ，齿数比75：36，材料为45号调制钢，齿表面淬硬后达55HRC 。减速箱中心距为（75+36）/2=55.5mm ，小齿轮厚度为20mm ，双片大齿轮 厚度均为10mm 。 2.5 步进电机的选型与计算 (1)计算加在步进电动机转轴上的总转动惯量Jeq 滚珠公称直径d=25mm ，总长L=500mm ，导程Ph=5mm ，材料密度=7.8×10-3kg/cm3,移动部件总重量G=1895N ，小齿轮齿宽b1=20mm ，直径d1=36mm ，大齿轮齿宽b2=10mm ，直径d2=75mm ，滚珠丝杠的转动惯量 Js=L d4/32=1.946kg ·cm2， 托板折算到丝杠的转动惯量 Jw=（Ph/2）m=1.223kg ·cm2， 小齿轮的转动惯量JZ1=0.259kg ·cm2，大齿轮的转动惯量JZ2=4.877kg ·cm2，初选步进电动机型号90BYG2602,二相四拍，步距角0.75°，该型号的转子的转动惯量Jm=4kg ·cm2。则加在步进电动机转轴上的总转动惯量 Jeq=Jm+JZ1+（JZ2+Jw+Js ）/i=6.113kg ·cm2 (2)计算加在步进电动机转轴上的等效负载转矩Teq a 、快速空载启动，电动机转轴承受的负载转矩Teq1=Tmax+Tf Tmax=2Jeq/（60ta ）=0.952 N ·m 为对应空载最快移动速度的步进电动机的最高转速 =max v /360=416.7r/min 摩擦转矩=(G+)=Ph/2i=5.173×10N ·m 2 2 Ka EI f F k k = 快速空载启动时的电动机转轴所承受的负载转矩Teq1=Tmax+Tf=0.957N ·m b 、最大工作负载状态下电动机转轴所承受的负载转矩Teq2 Teq2=Tt+Tf Tt=FfPh/2i=0.79 N ·m ，Tf=5.173×10N ·m 则Teq2=Tf+Tt=0.795N ·m 得到加在步进电动机转轴上的最大等效负载转矩为 Teq=maxTeq1，Teq2=0.957N ·m （3）步进电动机最大静转矩的选定 考虑到步进电动机的驱动电源受电网电压影响较大，当输入电压低时，其输出转矩会下降，可能会造成丢步，甚至堵转。因此根据Teq 来选择步进电动机的最大静转矩时，要考虑安全系数。此处安全系数K=4，则步进电动机的最大静转矩应满足：Tjmax 4Teq=3.828N ·m ，而初选的步进电动机型号90BYG2602，Tjmax=6N ·m ，满足要求。 （4）步进电动机性能校核 a 、电动机运行频率fmaxf=666.7HZ ，从90BYG2602电动机的运行矩频特性曲线图可得，电动机的输出转矩Tmaxf=5.7N ·m ，远大于最大工作负载转矩 Teq2=0.795N ·m ，满足要求。 b 、最快空载移动时电动机输出转矩校核 工作台最快空载移动速度vmax=1000mm/min ，对应的运行频 fmax=3333.3HZ 。此频率下，电动机输出转矩Tmax=4.6N ·m,大于快速空载Teq1=0.957N ·m 。 c 、最快空载移动时电动机运行频率校核 与vmax=1000mm/min 对应的电动机fmax=3333.3HZ,而90BYG2602电动机的空载运行频率可达20000HZ ，可见没超出上限。 d 、起动频率的计算 步进电动机克服惯性负载的起动频率： L f =p f /1/Jeq Jm =1132HZ 。 要保证步进电动机起动时不失步，任何时候的 起动 频率都必须小于1132HZ 。 综上所述，采用90BYG2602步进电动机时符合 的。 2.6 机械系统结构设计 我们采用一级齿轮减速箱实现电机到丝杠的速度传 递， 用套筒联轴器连接减速箱齿轮轴和丝杠轴。 用滚珠丝杠将电机的回转运动转换成工作台的直线运 动。 3、控制系统硬件设计 3.1 控制系统硬件组成 根据总体方案及机械结构的控制要求，确定硬件电路的总方案，绘制系统电气控制的结构框图。其中数控系统是由硬件和软件两部分组成。此次电路系统所设定方案包括以下几个硬件部分： (1) 主控制器，即中央处理单元CPU。方案采用MCS- 51系列的8031单片机作为主控制器。 (2) 总线。包括数据总线、地址总线和控制总线。 (3) 存储器。包括程序存储器和数据存储器。 (4) 接口。/（输入/输出）接口电路。 (5) 外围设备。如键盘，显示器及光电输入机等。 3.2 控制系统硬件选型 （1）单片机的选择： 本课程设计目的是设计一种经济型的二坐标数控工作台，其功能比较简单，成本低。因而这里选用MCS-51系列的8031单片机作为CPU，它具有良好的 性能价格比，且易扩展。 8031所具有的基本功能： 具有功能很强的8位中央处理单元 片内有时钟发生电路 的片内具有128字节RAM 具有21的特殊寄存器 可扩展64字节的外部数据存储器和64K字节的程序存储器 具有四个/口,32条/线 具有两个16位定时器/计数器 具有五个中断源，配备两个中断优先级 具有一个全双工串行接口 具有位寻址能力、适用于逻辑运算 （2）外部程序和数据存储器的扩展： 由于所选用的8031单片机为MCS-51系列单片机，其存储器空间为64K字 节，而8031单片机片内没有ROM，当片内存储器容量不够时，进行存储器的 扩展是必不可缺的。由于此次设计存储容量不大，所以我们选择价格低廉，性能可靠的2764芯片作为外部程序和数据存储器。 （3）I/O口扩展电路： 此次课程设计因采用步进电机作为驱动装置。为了降低成本，特采用可编程外围并行接口芯片8155，使其完成驱动步进电机的功能，同时采用可编程外围并行接口芯片8255来完成与键盘/显示器的接口操作功能。 8155和8255所能实现的功能： 并行输入或输出多位数据。 实现输入数据锁存和输出数据缓冲。 提供多个通道接口联络控制信号。 通过读取状态字可实现程序对外设的询查。 （4）显示器和键盘电路的接口设计： 电气原理图中，由8片共阳极LED显示块拼成8位LED显示器。为了简化硬件电路，采用动态显示方式。即所有位的段选线相应地并联在一起，由8155的PA.0PA.7口来控制LED显示器的段码，而各位的位选线分别由相应的I/O口线控制。即PC0PC7、PB6PB7共8个I/O口线控制，实现各位的分时选通。 键盘实质上是一组按键开关的集合。电气原理图中采用矩阵式键盘接口，键盘接口电路通过8155（U5）的PA0PA3和PC0PC4、PB0PB7构成行、列线。按照逐行逐列地检查键盘状态（即扫描）来确定闭合键的位置。 （5）步进电机的接口电路设计 对于此次课程设计中选用的步进电机，为两相，无论它工作在什么方式，都需要两路控制电路，并且每一路对应于步进电机的一相。而每一路控制电路的结构是一样的。而在电气原理图中通过8255（U5）的PA0PA1分别控制X方向步进电机的两相。对于Y轴步进电机通过8255的PA2PA3分别控制Y方向步进电机的两相。 3.3 控制系统硬件接口电路设计