XY工作台说明书上课讲义.doc

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1、Good is good, but better carries it.精益求精，善益求善。XY工作台说明书-目录一、设计说明（一）设计任务（二）总体方案的确定（三）系统总体方案设计二、机械部分设计（一）脉冲当量的选定（二）步进电机的选用（三）计算铣削力（四）滚珠丝杠副的选用（五）工作台尺寸确定:（六）滚珠丝杠长度确定（七）丝杠传动效率计算（八）丝杠稳定性验算（九）丝杠刚度验算（十）计算减速器传动比（十一）齿轮机构设计（十二）传动系统是转动惯量计算（十三）步进电动机负载能力校验（十四）导轨的选型及计算三、控制系统电路设计（一）接口设计（二）伺服系统设计（三）步进电机驱动电路设计（四）运动控制器

2、控制原理四、控制软件结构设计（一）直线插补程序（二）圆弧插补程序参考文献一、设计说明本设计是以PC平台为基础的数控X-Y工作台实验系统，它具有直线插补和圆弧插补等数控系统所使用的常用功能，结构简单，操作方便，控制精度相对较高,可靠性、稳定性和实用性都很好。X、Y两方向的运动各由一台步进电机控制。数控系统每发出一个信号，步进电机就走一步，并通过中间传动机构带动两方向的丝杠旋转，分别使得X、Y工作台进给。数控系统由单片机、键盘、变频检测系统构成，具有间隙补偿、直线插补、圆弧插补、断丝自动处理等主要功能。线切割的适用对象主要是难切割材料，如高强度、高韧性、高硬度、高脆性、磁性材料，以及精密细小和形状

3、复杂的零件。线切割技术、线切割机床正在各行各业中得到广泛的应用。因此研究和设计数控线切割有很强的现实意义。微机控制技术正在发挥出巨大的优越性。（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.设计参数如下:最在铣削直径：20mm最在铣削宽度：8mm最大铣削深度：5mm加工材料：碳钢工作台加工范围：X=250,Y=180最大移动速度：3m/min（二）总体方案的确定数控XY工作台的总体方案设计应考虑以下几点：1工作台应具有沿纵向和横向往复运动、暂停等功能，因此数控控制系统采用连续控制系统。2在保证一定加工性能的前提下，结构应简单，以求降低成本。因此进给伺

4、服统采用伺服电机开环控制系统。3纵向和横向进给是两套独立的传动链，它们各自由各的伺服电动机、联轴器、丝杠螺母副组成。4为了保证进给伺服系统的传动精度和平稳性，选用摩擦小、传动效率高的滚珠丝杠螺母副，并应有预紧装置，以提高传动刚度和消除间隙。5为减少导轨的摩擦阻力，选用滚动直线导轨。（三）系统总体方案设计二、机械部分设计（一）脉冲当量的选定根据已知条件：X、Y方向的脉冲当量x、y分别为x=y=0.01mm（二）步进电机的选用即脉冲当量较小，因此这里选用反应式步进电动机。其特点是：步距角小，运行频率高，价格较低，但功耗较大。BF反应式步进电动机技术参数(指导书表2-18)电机型号相数步距角最大静转

5、矩最高空载启动频率运行频率转子转动惯量分配方式90BF00142000HZ8000HZ四相八拍（1）步进电动机的脉冲频率计算典型工况下，步进电动机的脉冲频率fx和fy分别为（2）90BF001启动矩频特性（3）90BF001运行矩频特性（三）计算铣削力（1）切削力的请算选用高速钢直柄立铣刀，其铣削力公式为：查表5-11得68.2，20mm，8mm，0.09mm，5mm,=5代入公式可知（2）进给工作台工作载荷的计算进给工作载荷沿铣床工作台运动方向可分解为三个力:工作台纵向进给方向载荷，工作台垂直进给方向载荷，工作台横向进给方向载荷。（3）工作台载荷与铣削力的经验比算(指导书表2-4)铣削条件比

6、值不对称铣削逆铣顺铣圆柱铣,立铣,盘铣,和成型铣/1.001.200.80.90/0.200.300.750.80/0.350.400.350.40考虑最不利影响/=0.9/=0.8/=0.4所以=1211N=1076N=538N（四）滚珠丝杠副的选用（1）丝杠寿命的估算令两方向丝杠的工况均为：每天开机8小时；每年300个工作日；工作10年以上。丝杠材料：CrWMn钢；滚道硬度为5862HRC；丝杠传动精度为0.04mm丝杠寿命:初定丝杠的导程为P=5其平均转速为工作台最大移动速度一半时所对应的转速故平均转速（2）计算丝杠工作载荷计算载荷FC求解,其中取的较大值为Fm,故Fm,=1211NFC

7、=KFKHKAFm=1.11.01.0=1332N查机电一体化设计基础表2-6；2-7；2-8得KF=1.1;KH=1.0;KA=1.0查表2-4取C级精度。表2-6载荷系数载荷性质无冲击平稳运转一般运转有冲击和振动运转KF11.21.21.51.52.5表2-7硬度系数滚道实际硬度5855504540KH1.01.111.562.43.85表2-8精度系数精度等级C,DE,FGHKA1.01.11.251.43（3）额定动载荷计算Ca计算（4）滚珠丝杠副初选假设选用C1型号，按滚珠丝杠副的额定动载荷Ca等于或稍大于Ca的原则，选初定选用汉江机床生产的2005-3Ca=10493N其参数如下:

8、中径导程螺旋角滚珠直径滚道半径偏心距丝杠内径（五）工作台尺寸确定:工作台的行程为X250mm，Y180mm。工作台尺寸一般为工作台行程的1.1倍。所以：X2501.1275mm,Y1801.1198mm。圆整，取X270mm,Y190mm。其厚度初定为30mm选择工作台的型槽为T型槽，查袖珍机械设计师手册表3-25可得所选T型槽的参数：AHBCA12mmB21mmC9mmH20mm间距取50mm一取工作台厚度为T型槽厚度的2倍，即22040mm。工作台质量：0,即纵向丝杠所承受的质量。因工作台有T型槽，故取015kg。(减去3个t型槽的重量得到的大概数值)横向丝杠所要承受的质量为工作台质量加上

9、拖板质量，一般以工作台质量的3.5倍计。即52.5kg（六）滚珠丝杠长度确定根据经验公式其中L由2005-3丝杠副中取L=97mm.故=250+97+50=397mm圆整=400mm=180+97+50=327mm圆整=330mm（七）丝杠传动效率计算滚珠丝杠螺母副的传动效率为见机电综合设计指导公式（2-15）P15式中：为丝杠螺旋升角，为摩擦角，滚珠丝杠副的滚动摩擦系数0.0030.004,其摩擦角约等于。所以，（八）丝杠稳定性验算由于一端轴向固定的长丝杠在工作时可能会发生失稳，所以在设计时应验算其安全系数S，其值应大于丝杠副传动结构允许安全系数S,S是许用稳定性安全系数一般取2.54丝杠不

10、会发生失稳的最大载荷称为临界载荷Fcr（N）按下式计算：式中，E为丝杠材料的弹性模量，对于钢，E=206GPa；l为丝杠工作长度（m）；Ia为丝杠危险截面的轴惯性矩（m4）；为长度系数.丝杠初定支承方式如下故(一端固定.另一端铰支)X轴受到的临界力:Y轴受到的临界力:安全系数:临界载荷与丝杠工作载荷之比称为稳定性安全系数s,如果大于许用稳定性安全系数s,刚该滚珠丝杠不会失稳.一般取,考虑丝杠自重对水平滚珠丝杠的影响可取（九）丝杠刚度验算滚珠丝杠在工作负载F（N）和转矩T(Nm)共同作用下引起每个导程的变形量式中，A为丝杠截面积，为丝杠的极惯性矩G为丝杠切变模量，对钢G=83.3GPa；T(Nm

11、)为转矩。式中，为摩擦角，其正切函数值为摩擦系数；为平均工作负载由所选用选杠有按最不利的情况取（其中F=Fm）则丝杠在工作长度上的弹性变形所引起的导程误差为:取进行校验.通常要求丝杠的导程误差l应小于其传动精度的1/2，满足传动精度要求（十）计算减速器传动比减速器传动比：由所选电机型号和丝杠副参数可求得传动比如下:（十一）齿轮机构设计系统传递的功率很高，在要求不高时，以后各步的计算可省略。并采用经验法来设计各元部件。（1）选择材料及确定许用应力齿轮材料选择45钢（表面淬火），硬度为45HRC齿轮的接触疲劳强度极限lim1H=1130MPa（淬火处理）安全系数SH和SF安全系数软齿面硬齿面重要的

12、传动、渗碳淬火齿轮或铸造齿轮SH1.01.11.11.21.3SF1.31.41.41.61.62.2取安全系数齿轮的弯曲疲劳强度极限取（2）齿结构参数确定为简化结构选,模数m取1.5,则齿宽（十二）传动系统是转动惯量计算传动系统是转动惯量是一种惯性负载,在电机选用时必须加以考虑。由于传动系统的各传动部件并不都与电机轴同轴线，还存在各传动部件转动惯量向电机轴折算问题。最后，要计算整个传动系统折算到电机轴上的总转动惯量，即传动系统等效转动惯量。本设计需要对电机转子,联轴节,丝杠,工作台进行转动惯量的计算。两齿轮转动惯量:滚珠丝杠转动惯量的折算:工作台转动惯量折算到丝杠上:由电机参数可知:传动系统

13、等效转动惯量计算:惯量匹配验算:满足的要求,惯量匹配合理.（十三）步进电动机负载能力校验电机加速力矩:参考类似设计取t=0.04s电机最大转速:故参考指导书表2-17如下:步进电机相数三相四相五相六相拍数36485106120.50.8660.7070.7070.8090.9510.8660.866由表可求得电机空载启动时所选电机90BF001最大静转矩3.92N.m远大于所需的启动转矩.因此选择的步进电机的功能不能充分发挥,为提高经济效益可考虑重选.（十四）导轨的选型及计算导轨为直线滚动矩形导轨，本设计中共用4条导轨，每条导轨用2个滑块.考虑到切削工件时工作台受力不均产生起颠覆力矩初步确定选

14、用燕尾形直线滚动导轨.滚动导轨副的距离额定寿命可用下列公式计算：滚动体为球时一般滚子导轨的距离寿命定为100km.为硬度系数导轨面的硬度为5864HRC时，1.0；为温度系数，当工作温度不超过1000C时，1；为接触系数，每根导轨条上装二个滑块时0.81；为载荷/速度系数，无冲击振动或时，1-1.5取=1.5。求,其中F为丝杠工作台的重力:F=Mg=52.5*9.8N=514N=1.51.010.81计得:根据查设计指导书表2-16,选择型号的燕尾形导轨副.三、控制系统电路设计机电一体化控制系统由硬件系统和软件系统两大组成。在机床行业，控制系统的控制对象主要包括各种机床。在使用中各种控制对象各

15、不相同，但其控制系统硬件组成的基本原理是一致的。控制系统的硬件基本组成图如下键盘显示控制微机驱动系统控制对象（设备）辅助控制检测如果是开环控制系统，则没有反馈电路，不带检测装置。硬件设计主要包括微杨控帛系统的扩展、接口及控制电路。（一）接口设计因为本系统传输距离较短，数据传输率高，所以采用并行通讯方式。8255A是Intel180系列微处理机的配套并行接口芯片，它可以为8086/8088与外设之间提供并行输入/输出的通道，由于它是可编程的，可以通过软件来设置芯片的工作方式，所以，用8255A连接外设时，通常不用附加外部电路。本设计中采用的可编程并行接口8255A可为微处理器提供三个独立的并行输

16、入/输出端口，利用输出端口与运算放大器相连，可控制步进电机的运转及速度。利用模数转换器又可将工作台的位置及速度参数变换成数字量，通过并行输入端口送回微机系统中，从尔构成半闭环系统。8255A中端口A工作在方式0，完成输出功能，用来向x,y向步进电机输出8位脉冲信号。端口B工作在方式1，完成输入功能，用来接受由模数转换器输入的8位脉冲信号。端口C作控制用，PC7用作模数转换器ADC0809的启动信号，PC2用作输入的STB信号，PC0用作中断请求信号，INTR，通过中断控制器8259A可向CPU发中断请求，这些都要由初始化程序来定义。由8255A端口A输出的8位数字信息，经运算放大器放大后便将模

17、拟电流放大并转换为模拟电压，经过调整可达到，当CPU输出的数字量从00H-FFH时，运算放大器输出04.98V的模拟电压，该电压经传感器可调节控制不进电机的转动与速度。通过8255A并行接口和步进电机的驱动器电路连接，这样就可以用计算机的软件取代常规大的环形分配器。PA0-PA7的八个端口后接步进电机的各项绕组，光电隔离器TIL117是用作电平转换并防止电机电路对微处理器的干扰，驱动电路由复合功率放大，驱动步进电机的三个绕组A相，B相，C相,D相。（1）人机接口A、采用键盘或BCD码盘作为输入。B、采用LED作为电源等指示标志。C、采用蜂鸣器或扬声器作为警报装置。D、采用数码管作为显示器。（2

18、）机电接口采用光电偶合器作为微型机与步进电动机驱动电路的接口，实现电气隔离。（二）伺服系统设计（1）控制部分方案选择控制方案不外乎三种：开环控制、半闭环控制、闭环控制。若在“机械传动”机构中引出反馈给控制部分，再经过比较放大的则为“半闭环控制”。如若是在“机械执行机构中引出反馈则为闭环控制。采用步进电机来实现驱动，一般情况下多采用开环控制。因为步进电机的输出转角与控制器提供的脉冲数有着正比关系，电机转速与控制器提供的脉冲频率成正比。因此通常在精确度要求不是很高时，采用步进电机是合理的。当然，由于步进电机具有高频易失步，负载能力不强的缺点。本次设计的系统精度要求不高，载荷不大，因此采用开环控制。

19、（2）系统扩展系统中采用键盘实现输入，并采用LED显示器，它们均需要占用占用较多芯片口线，所以该系统是需要进行系统扩展的。可编程并行接口8255A是一种应用广泛的并行接口扩展器件。它具有三个8位并行口PA、PB、PC由此提供了24条口线。（三）步进电机驱动电路设计（1）步进电机的驱动电路设计主要涉及脉冲分配器的选择问题和驱动电路的选则问题。时下脉冲分配器主要有两种：一种是硬件脉冲分配器（国内主要有YB系列），另一种是软件脉冲分配器。软件脉冲分配器不需要额外的电路，相应的降低了系统的成本，虽然这种方法占用了一定的计算机运行时间，但是在该设备中计算机有足够的资源来担当脉冲分配任务。该系统采用软件来

20、进行脉冲分配更为合理。单片机与步进电机的接口电路见图3-5步进电机的驱动电路采用斩波限流驱动方式，这种电路采用单一高压电源供电，以加快电流的上升速度，并通过对绕组电流的检测，控制功放管的开和关，使电流在控制脉冲持续期间始终保持在规定值上下，这种电路出力大，功耗小，效率高，目前应用较广。（2）电机驱动程序电机的控制电路原理及控制字节拍通电相控制字正转反转二进制十六进制18A0000000101H27AB0000001103H36B0000001002H45BC0000011006H54C0000010004H63CD0000010105H72D0000011006H81DA0000011107H

21、设电机总的运行步数放在R4，转向标志存放在程序状态寄存器用户标志位F1（D5）中，当F1为0时，电机正转，为1时则反转。正转时P1端口的输出控制字01H,03H,02H,06H,04H,05H存放在片内数据存储单元20H27H中，28H中存放结束标志00H，在29H2EH的存储单元内反转时P1端口的输出控制字01H,05H,04H,06H,02H,03H,在2DH单元内存放结束标志00H。（3）电机正反转及转速控制程序PUSHA；保护现场MOVR4,#N；设步长计数器CLRC；ORLC,D5H；转向标志为1转移JCROTE；MOVR0,#20；正转控制字首址指针AJMPLOOP；ROTE:MO

22、VR0,#27H；反转控制字首地址LOOP:MOVA,R0；MOVP1,A；输出控制字ACALLDELAY；延时INCR0；指针加1MOVA,#00H；ORLA,R0；JZTRL；LOOP1:DJNZR4,LOOP；步数步为0转移POPA；恢复现场RET；;返回TPL:MOVA,R0；CLRA；SUBBA,#06H；MOVR0,A；恢复控制字首指针AJMPLOOP1；DELAY:MOVR2,#M；DELAY1:MOVA,#M1；LOOP:DECA；JNZLOOP；DJNZR2,DELAY1；RET；（四）运动控制器控制原理运动控制器由基卡和接口卡组成，如图4-1所示。单卡可以同时控制1-4轴伺

23、服电机的运动。基卡集成了PC机与DSP通信电路，DSP辅助电路，存储器扩展电路，CPLD译码、中断、正交编码处理电路，控制电压转换电路等。接口卡通过62针接头与基卡相连。伺服使能、报警清除等输出信号经过光电隔离后通过25针接头对电机进行控制或者连到I/O端子排进行输出；伺服电机编码器反馈信号经过差分处理和光电隔离后输入基卡，伺服使能、伺服报警信号，回零信号、限位信号和通用I/O信号等也通过光隔进行输入输出。运行过程中，PC机把粗插补的数据通过PC机与DSP通讯电路传递给DSP进行时间分割精插补。在每一个伺服周期中，CPLD器件EPM7128和DSP各处理两路反馈的正交编码信号进以获取实时位置和

24、速度，DSP进行参数曲线的自适应插补计算出理论插补位置，并与实际位置进行比较获取偏差值，以此作为输入基于速度和加速度前馈进行PID调节，计算获得速度控制量，产生的输出信号经DAC7625进行数模转换及放大电路放大后将模拟电压量送伺服驱动器以控制电机。外部的伺服报警信号、通用输入信号、回零信号、限位输入信号在CPLD中进行逻辑运算后输入DSP的XINT1，只要有一个信号输入就引起中断，由中断处理程序进一步判断后做出相应处理。与单片机、PLC相比，采用运动控制卡有以下优势：1）友好界面：PC平台控制系统受到机器操作员的普遍欢迎。与单片机和PLC方案的界面相比，PC机（显示器、键盘、鼠标、通讯端口、

25、硬盘、软驱等）具有无可比拟的输入输出能力。2）强大功能：由于PC机的强大功能以及雷赛控制卡的先进技术，基于PC机的运动控制系统能够实现单片机系统和PLC系统所无法应付的无数高级功能。3）开发便利：用户可使用VB、VC、C+Buider等高级编程语言，快速开发人机界面、调用成熟可靠的运动函数，在几天或几周时间内完成强大控制软件的开发。修改和添加功能十分便利，而且开发好的软件极易移植到类似的机器中。4）成本优势：由于PC机成本持续下跌且雷赛控制卡具有很高的性价比，使得由此构成的基于PC机和雷赛卡的控制系统在大多数运动控制场合中具有良好的综合成本优势。DSPTMS320LF2407核心处理芯片扩展R

26、AM伺服电机2CPLD译码、中断编码器处理电路JTAG下载口电源管理/时钟控制器原理框图PC-DSP通讯电路控制器基卡差分信号处理光电隔离电平转换电源输入控制电压转换62针接头62针接头25针接头2I/O端子排通用I/O限位信号回零信号外部电源接口卡四、控制软件结构设计一般机电控制系统中常用的软件结构有：子程序结构、主程序加中断程序结构及中断程序结构。本设计中由铣床的工作原理要进行直线插补程序设计和圆弧插补程序设计。（一）直线插补程序在机电设备中，执行部件如要实现平面斜线和圆弧曲线的路径运动，必须通过两个方向运动的合成来完成。在数控机床中，这是由X、Y两个方向运动的工作台，按照插补控制原理实现

27、的。第一象限直线插补计算子程序框图:直线插补程序第一象限直线插补：LP：,定义堆栈指针,偏差单元清零,初始化电动机,计算终点判别，Xe+Ye之低位,Xe+Ye之高位,低位相加，可能产生进位,电动机上电,2：延时子程序,取偏差的高位,偏差0，去，调电动机正转子程序计算新偏差值，e,可向高位字节借位,3：终判值减,可向高位字节借位,考虑低位字节借位,终判值判零,终判值不为零，去，否则插补结束4：调电动机正转子程序,计算新偏差值，e,，3：，取X电动机当前状态字移位法：，屏蔽无关位，保存电动机状态字，作为下次转动的基准，保存电动机原状态不变：，：，：，：，：，说明：）黑体字模块为软件环形分配器；）各

28、变量地址分配如下：终判值，e，e，偏差值，电动机状态字，电动机状态字；以大地址格式(最低字节地址单元存放最高位数据)存放各种数据；）上面的讨论只是第一象限,其他三个象限的插补程序可以根据上面给出的“直线插补计算公式及进给方向表”,然后仿照第一象限的插补程序获得,区别只在于控制进给运动的方向不同.第一象限圆弧插补计算子程序框图（二）圆弧插补程序和直线插补程序设计一样，也在内存中开辟存储单元用以存放有关数据。在RAM数据区分别存放动点坐标X和Y，其初始什为起点坐标值，其后依据坐标计算结果而变化。第一象限圆弧插补程序：RP：，单元清零，电动机初始化，电动机初始化，电动机上电，计算终判值，低位、e相减

29、，得a，保存结果于终判值单元低位字节，高位、e相减，得b，保存结果于终判值单元高位字节低位Ye、Y相减，得c，暂存Ye、Y低位相减产生的借位位，计算d=a+c，d为低位终判值，保存d于终判值单元低位字节，暂存d=a+c产生的进位位，恢复Ye、Y低位相减产生的借位位，高位Ye、Y相减，得e，恢复d=a+c产生的进位位，计算f=b+e，f为高位终判值，保存f于终判值单元高位字节：延时子程序，取高位字节，高位1，0，去高位，0，反转一步计算新偏差，计算g低位，g存入寄存器，计算h高位，低位存，高位存。内容为计算ig低位，内容为低位内容为高位，内容为高位，内容为，计算，内容为低位，内容为低位，内容为高

30、位，考虑的进位，的内容为高位计算，低位，高位，：终判值减，插补没结束，转至：电动机正转，此处“”，为“”的“”：，说明：）以大地址格式(最低字节地址单元存放最高位数据)存放各种数据；）各变量地址分配如下：，存放数据方式同直线，终判值）上面仅讨论了第一象限的情况，对于其他象限可以根据上面的“圆弧插补计算公式及进给方向表”按同样的方法类推。参考文献郑堤唐可洪机电一体化设计基础机械工业出版社2007邹青机械制造技术基础课程设计指导教程机械工业出版社2006王昆机械设计机械设计基础课程设计高等教育出版社2006刘杰赵春雨机电一体化技术基础与产品设计冶金工业出版社2003刘鸿文材料力学高等教育出版社2005机械设计手册编写组*机械设计手册（15册）*机械工业出版社；1998.5-