数控XY工作台微机控制系统设计.docx

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1、机电一体化课程设计(论文)题目: 数控X-Y工作台微机控制系统设计 学生姓名 专 业 机械设计制造及其自动化 学 号 班 级 2009 级 3班 指导教师 成 绩_ 工程技术学院 2012年5月目 录机电一体化课程设计任务书2课程设计正文31 设计题目32 设计要求33 总体方案33.1 系统的运动方式与伺服系统33.2 计算机控制系统43.3 X-Y工作台的传动方式44 机械系统设计44.1 切削力的计算44.2 工作台外形尺寸及重量估算54.3 滚动导轨参数确定64.4 滚珠丝杠的设计计算74.5 步进电机的选用94.6 确定齿轮传动比104.7 确定齿轮模数及有关尺寸114.8 步进电机

2、惯性负载的计算115 控制系统硬件电路设计125.1 硬件电路总体方案的确定125.2 控制系统设计说明125.3 相关电路框图136课程设计心得13参考文献14指导教师评语15机电一体化课程设计任务书一、 课程设计题目1.数控车床工作台二维运动伺服进给系统设计（注：这里的二维运动指的是工作台在水平面内沿横轴和纵轴的运动）2. 数控铣床工作台三维运动伺服进给系统设计3自拟题目二、 设计要求1、 能用键盘输入命令控制工作台的运动方向2、 能实时显示当前运动位置3、 具有越程指示报警及停止功能4、 参照工具书，结合实际，自己设定系统定位精度，脉冲当量，空载启动时间，最大进给速度，各个方向的运动范围

3、，切削用量等参数三、 设计内容1、 总体方案确定（1）总体方案设计（2）绘制总体方案图2、机械系统设计（1）执行元件参数及规格的确定；（2）传动机构的具体结构及参数设计；（3）执行机构的具体结构及参数设计。（4）绘制进给传动系统示意图。3、控制系统硬件电路设计（1）微机的选用、存储器的选用与扩展、译码电路设计、接口电路设计等（2）绘制控制系统原理框图4、传感器的选择（适用于半闭环控制方式和全闭环控制方式）四、课程设计报告书内容（不少于3000字，要求计算准确、文字通顺、书写工整。要求图纸、图面布置合理、正确清晰。）1 设计题目和要求2 系统总体方案框图及分析说明3 机械系统设计计算、各部件类型

4、选择说明及进给传动系统的示意图与说明4 控制系统工作原理框图与设计说明5 传感器的选择与设计说明（适用于半闭环控制方式和全闭环控制方式）6 课程设计总结与心得体会7 参考资料五、主要参考书目机械原理、机械设计、电工电子技术、单片机原理与系统设计、机电一体化等相关书籍，如：1 尹志强等编著.机电一体化系统课程设计指导书.北京:机械工业出版社.2007.5 2 郑堤主编.机电一体化设计基础.北京:机械工业出版社.1997 3 曾励主编.机电一体化系统设计.北京:高等教育出版社，2004.44 张建民等编著.机电一体化系统设计（第二版）.北京:高等教育出版社.2001.8课程设计正文1 设计题目：数

5、控X-Y工作台微机控制系统设计2 设计要求：该工作台可安装在钻、铣床上用于钻孔或铣削加工，要求系统的分辨率为0.01mm。设计参数如下：最大钻孔直径d=5mm铣刀直径=15mm齿数Z=3铣削最大余量=2mm铣削最大深度=10mm工作台加工范围X=120mm,Y=120mm工作台最大移动速度为1000mm/min，技工材料为青铜，与其工作寿命2000h，重复定位精度10，定位精度为25。3 总体方案微机光电隔离功率放大步进电机X向工作台光电隔离功率放大步进电机Y向工作台系统总体方案框图如下图3.1 系统的运动方式与伺服系统由于要设计的工作台既能钻削又能铣削加工，故采用连续控制系统。定位方式采用增

6、量坐标控制。考虑到加工精度要求不高，为了简化结构，降低成本，采用步进电机开环控制系统驱动X-Y工作台。3.2 计算机控制系统本设计采用MCS-51系列中的8031单片机扩展控制系统。MCS-51单片机的主要特点是集成度高，可靠性好，功能强，运算速度快，具有很高的性能价格比。控制系统有微机部分、键盘显示部分、I/O接口及光电隔离电路、不仅电机功率放大电路等组成。系统的加工程序和控制指令通过键盘操作实现。显示器采用数码显示监控数据及机床状态信息。3.3 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，所以采用滚珠丝杆传动结构，为提高传动机构的刚度和消除间隙，采用预加负荷的结构。

7、由于工作台的运动部件重量和切削力不大，因此选用有预加载荷的双V型滚珠导轨。采用滚动导轨可减少两个相对运动面地动静摩擦系数之差，从而提高运动的平稳性，减小振动。考虑到电机步距角和丝杠导程只能按照标准选取，为达到分辨率0.01mm的要求，采用齿轮降速传动。4 机械系统设计机械系统的设计内容包括：确定系统脉冲当量，运动部件的惯性计算，确定私服电机传动及导向原件的设计、计算及选用。4.1 切削力的计算4.1.1 钻削力的计算式中 轴向力系数； 钻孔直径，mm； 钻削进给量，mm/r； ,修正系数。查机械加工手册，得=304.11，=0.8，=1，=1，取=0.05mm/r，则得：=138 N4.1.2

8、 铣削力的计算铣削圆周力式中 铣削宽度，mm；铣削深度，mm；每齿进给量，mm；铣刀直径，mm；铣刀齿数。将数据代入计算得 =224 N4.2 工作台外形尺寸及重量估算取X方向导轨支承钢球的中心距为130mm，Y向导轨支承钢球的中心距为180mm。4.2.1 X方向工作台尺寸确定托板尺寸：长宽高 200mm130mm55mm上导轨（X方向）取动导轨长度：=200mm动导轨行程：=180mm支承导轨长度：=380mm4.2.2 Y方向工作台尺寸托板尺寸：长宽高 485mm180mm20mm下导轨（Y方向）取动导轨长度：=140mm动导轨行程：=120mm支承导轨长度：=260mm保持器长度：=2

9、00mm4.2.3 重量估计上托板重量： （1）下托板重量： （2）X方向导轨重量： （3）Y方向动导轨重量： （4）夹具及工件重量：约160 （5）X工作台运动部分重量：X-Y工作台运动部分总重量：4.3 滚动导轨参数确定根据滚动要求，选取双V型滚珠导轨。4.3.1 滚动体尺寸与数目的确定滚珠直径取6mm,数目根据决定。上导轨所以X向动导轨长度，取，两滚珠之间的间距下导轨取=15，=9mm 4.3.2 许用负荷验算平均每个滚珠上的最大负荷,而式中 导轨的预加负荷，按最大负荷计算。 铣削时滚珠所售的负荷较钻削时小，因此，按钻削时的情况验算，所以X方向导轨最大负荷Y方向导轨最大负荷许用负荷查表得

10、，考虑到制造精度高，且导轨短，可提高50%，即取,查表得，得故导轨可用。4.4 滚珠丝杠的设计计算滚珠丝杠副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。4.4.1 滚珠丝杠副的导程确定由于该设计只对丝杠的移动速度有要求，对转速没有要求，故初选丝杠导程为，则丝杠转速。4.4.2 确定当量载荷该系统速度没有变化，其当量载荷即为起最大载荷，取其摩擦系数。X方向载荷：Y方向载荷：4.4.3 确定当量转速4.4.4 预期额定动载荷 按预期工作时间估算，并查表得：负载性质系数，轻微冲击，取；硬度系数取；可靠性系数，可靠度，取。已知：，则4.4.5 确定允许的最小螺纹直径a.估算

11、丝杠允许的最大轴向变形量已知：重复定位精度，定位精度。重复定位精度定位精度取两种结果的小值b.估算最小螺纹小径因为行程很短，取一端固定一端自由支承形式，已知：行程为，行程行程有4.4.6 确定滚珠丝杠副的规格代号选内循环浮动式法兰，直筒双螺母型垫片预紧形势。由计算出的、在样本中取相应规格的滚珠丝杠副，其相应参数为=5=9100=424316.9由于选取的丝杠直径较需要的直径大得多，行程较短，其他计算就不需要了。4.5 步进电机的选用4.5.1 步进电机的步距角取系统脉冲当量，初选步进电机步距角。4.5.2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，根据能量守恒原理，电机做的功

12、与负载力做的功有如下关系式中 电机转角； 移动部件的相应位移； 机械传动效率。若取，则，且，所以式中 移动部件负载，； 移动部件重量，； 与重力方向一致的作用在移动部件上的负载力，； 导轨副摩擦系数； 步进电机步距角，； 电机轴负载力矩，。本例中取（淬火钢滚珠导轨），。考虑到重力影响，Y方向电机负载比较大，可求得不考虑启动时运动部件的惯性影响，启动力矩为（取安全系数为0.3）步进电机为三相六拍的电机4.5.3 步进电机最高频率查步进电机表，选择两个55BF004型步进电机，有关参数见表1表1 55BF004步进电机主要参数型号主要技术参数外形尺寸/mm重量/N步距角/最大静转矩/NCM最高启动

13、频率/(step/s)相数电压/V电流/A外径长度轴颈55BF0041.549226.54.6 确定齿轮传动比因步进电机步距角为，滚珠丝杠螺距为，要实现脉冲当量为，则需要齿轮做降速传动，起传动比为，选4.7 确定齿轮模数及有关尺寸因传递转矩比较小，取模数，齿轮有关尺寸见表24.8 步进电机惯性负载的计算根据等效转动惯量的公式，得表2 齿轮尺寸Z2450d=Mz2450d0=d+2m2652d1=d-2*1.25m21.547.5b=(36)m55a=(d1+d2)/237式中 这算到电机轴上的惯性负载，； 步进电机转轴的转动惯量，； 齿轮的转动惯量，； 齿轮的转动惯量，； 滚珠丝杠的转动惯量，

14、； 移动部件的质量，；对材料为钢的圆柱形零件的转动惯量可按下式估算式中 零件直径； 零件长度。可得 电机轴上的转动惯量很小，可以忽略，则可求得5 控制系统硬件电路设计5.1 硬件电路总体方案的确定该系统的硬件电路由以下几部分组成：（1）主控制器。即中央处理单元CPU。（2）总线。包括数据总线，地址总线，控制总线。（3）存储器。包括只读可编程序存储器和随机读写数据存储器。（4）接口。即I/O输入输出接口。 数控系统的硬件框图如下所示：5.2 控制系统设计说明该系统选用MCS-51系列的8031作为主控制器。扩展存储器为一片2732EPROM和一片6264RAM。程序存储器扩展为，数据存储器扩展为

15、。2732的片选控制端直接接地，该电路始终处于选中状态。系统复位以后，CPU从0000H开始执行监控程序。6264的片选端由译码器（74LS138）的Y2输出提供。所以6264的空间地址为4000H5FFFH。系统的扩展I/O接口电路选用通用可编程并行输入/输出接口芯片8155。8155的片选端接至译码器（74LS138）的Y4的输出端，故8155控制命令寄存器及PA，PB，PC口的地址号分别为8000H及8001H，8002H，8003H。8155RAM区的地址为8000H80FFH。8155的A口为控制工作抬X，Y向电机的接口。为防止功率放大器高电压的干扰，不步进电机接口与功率放大器之间采

16、用光电隔离。键盘与显示器设计在一起，8155的PC口担任键盘的列线及显示器的扫描控制；PB口的PB0PB3为键盘的行线。8031的P1口为显示器的字形输出口。该系统采用46共24个行列式键盘和6位8段共阳极LED显示器。为了增加数码管显示亮度，分别在字形口和字位口加74LS07进行驱动。PB口剩余的I/O线PB4PB7分别作为工作台+X，+Y，-X，-Y四个方向的行程限位控制信号。在软件设计上8155的PA口，PC口设置为输出，PB口设置为输入。计算机随时巡回检测PB4PB7的电平，当某I/O线为0时，应立即停止X，Y向电机的驱动，并发出报警信号。5.3 相关电路框图 控制系统原理图见附图。6

17、课程设计心得机电一体化作为机制专业的必修课程，在整个学科体系中占有重要地位，课程结束后进行的课程设计，是对书本理论知识的升华，本课程设计从总体方案的确定、机械系统的设计以及控制系统硬件电路的设计等方面完成了数控X-Y工作台微机控制系统的设计，工作量包括总体方案设计及总体方案图的绘制、执行原件及传动机构等的参数设计和规格确定、微机及存储器的选择和扩展、接口电路的设计及控制原理图的绘制等。通过课程设计我学会了怎样查阅相关资料，在现有资料的基础上举一反三，加入自己的观点想法。同时，课程设计锻炼了我们综合运用各学科知识的能力，培养了我们理论联系实际、解决工程实际问题的能力，巩固深化了所学的知识。参考文献：1于金.机电一体化系统设计及实践M.北京：化学工业出版社，2008.229234.2尹志强.机电一体化系统设计课程设计指导书M.北京：机械工业出版社，2010.3张建民.机电一体化系统设计 M.北京：高等教育出版社，2010.4赵丁选.机电一体化使用手册M.北京：高等教育出版社，2003.指导教师评语：成绩评定： 指导教师： 年 月 日此表装订在报告（论文）的最后。