1、課 程 設 計 說 明 書 設計題目：簡易銑床X-Y工作臺機電系統的設計 設 計 者：白澤 專 業：機械設計制造及其自動化 學 號： B13020501 班 級： B130205 指導老師：阮紅芳 完成時間：16.05.26 目錄一、課程設計目的，需求及設計要求 1二、總體方案設計 4三、機械系統設計 5四、步進電動機的選擇設計 9五、控制系統軟件設計 11 六、總結 16七、參考文獻 17 摘要 X-Y數控工作臺機電系統是一個開環控制系統，其結構簡單，實用，方便而且能夠保證一定的精度。X-Y數控工作臺是許多機電一體化設備的基本部件，如數控車床的縱一橫向進刀機構，數控銑床和數控鉆床的X-Y工作

2、臺，激光加工設備的工作臺，電子元件表面貼裝設備等。因此，選擇X-Y數控工作臺做為設計的內容，對機械專業的學生具有普遍意義。本文結合數控銑床的基本結構，設計了一臺X-Y簡易數控機床，為銑床的數控化奠定了基礎。首先確定了X-Y數控工作臺的總體設計方案，包括機械傳動部件的選擇和數控系統的設計，機械傳動部件的選擇如導軌副作用，絲杠螺母副的作用，減速裝置的選用，伺服電動機的選擇等。其次，對X-Y數控工作臺進行機械部分設計。包括直線導軌副的計算與選型，滾動絲杠螺母副的計算與選型等。最后，對X-Y數控工作臺系統設計。通過設計能夠滿足設計要求，達到數控工作臺的基本要求，因本人水平有限，錯誤和不足之處在所難免，

3、敬請老師批評指正。關鍵字：X-Y簡易數控工作臺，機電系統，滾珠絲杠螺母副，伺服電動機。一、總體方案設計1.1 設計任務設計一個數控X-Y工作臺及其控制系統。該工作臺可用于銑床上坐標孔的加工和臘摸、塑料、鋁合金零件的二維曲線加工，重復定位精度為±0.01mm，定位精度為0.025mm。設計參數如下：負載重量G=151；臺面尺寸C×B×H145mm×160mm×12mm；底座外形尺寸C1×B1×H1210mm×220mm×140mm；最大長度L=388mm；工作臺加工范圍X=55mm，Y=50mm；工作臺最大

4、快移速度為1m/min。1.2 總體方案確定（1）系統的運動方式與伺服系統由于工件在移動的過程中沒有進行切削，故應用點位控制系統。定位方式采用增量坐標控制。為了簡化結構，降低成本，采用步進電機開環伺服系統驅動X-Y工作臺。（2）計算機系統本設計采用了與MCS-51系列兼容的AT89S51單片機控制系統。它的主要特點是集成度高，可靠性好，功能強，速度快，有較高的性價比。控制系統由微機部分、鍵盤、LED、I/O接口、光電偶合電路、步進電機、電磁鐵功率放大器電路等組成。系統的加工程序和控制命令通過鍵盤操作實現。LED顯示數控工作臺的狀態。（3）X-Y工作臺的傳動方式為保證一定的傳動精度和平穩性，又要

5、求結構緊湊，所以選用絲杠螺母傳動副。為提高傳動剛度和消除間隙，采用預加負荷的結構。由于工作臺的運動載荷不大，因此采用有預加載荷的雙V形滾珠導軌。采用滾珠導軌可減少兩個相對運動面的動、靜摩擦系數之差，從而提高運動平穩性，減小振動。考慮電機步距角和絲桿導程只能按標準選取，為達到分辨率的要求，需采用齒輪降速傳動。 圖1-1 系統總體框圖二、機械系統設計設 計 計 算 與 說 明主要結果2.1、工作臺外形尺寸及重量估算X向拖板（上拖板）尺寸：長寬高 145×160×50重量：按重量=體積×材料比重估算NY向拖板（下拖板）尺寸： 重量：約90N。上導軌座（連電機）重量：夾具

6、及工件重量：約151N 。X-Y工作臺運動部分的總重量：約287N。2.2、滾動導軌的參數確定、導軌型式：圓形截面滾珠導軌、導軌長度上導軌（X向）取動導軌長度 動導軌行程 支承導軌長度 下導軌（Y向） 選擇導軌的型號：GTA16 、直線滾動軸承的選型上導軌Gx=241（N）下導軌由于本系統負載相對較小，查表后得出LM10UUOP型直線滾動軸承的額定動載荷為370N，大于實際動負載；但考慮到經濟性等因素最后選擇LM16UUOP型直線滾動軸承。并采用雙排兩列4個直線滾動軸承來實現滑動平臺的支撐。、滾動導軌剛度及預緊方法 當工作臺往復移動時，工作臺壓在兩端滾動體上的壓力會發生變化，受力大的滾動體變形

7、大，受力小的滾動體變形小。當導軌在位置時，兩端滾動體受力相等，工作臺保持水平；當導軌移動到位置或時，兩端滾動體受力不相等，變形不一致，使工作臺傾斜角，由此造成誤差。此外，滾動體支承工作臺，若工作臺剛度差，則在自重和載荷作用下產生彈性變形，會使工作臺下凹（有時還可能出現波浪形），影響導軌的精度。 2.3、滾珠絲杠的設計計算滾珠絲杠的負荷包括銑削力及運動部件的重量所引起的進給抗力。應按銑削時的情況計算。、最大動負載Q的計算查表得系數，壽命值查表得使用壽命時間T=15000h，初選絲杠螺距t=4mm，得絲杠轉速所以 mmX向絲杠牽引力 =1.414*0.01*241=3.41NY向絲杠牽引力所以最大

8、動負荷X向 Qx=20.74(N)Y向 查表，取滾珠絲杠公稱直徑 ，選用滾珠絲杠螺母副 的型號為 SFK1004，其額定動載荷為390N，足夠用。、滾珠絲杠螺母副幾何參數計算螺紋滾道:公稱直徑=10mm 螺距=4mm,接觸角=,鋼球直徑=2mm 螺紋滾道法面半徑mm 偏心距 螺紋升角螺桿：螺桿外徑mm 螺桿內徑mm 螺桿接觸直徑mm螺母：螺母螺紋外徑mm 螺母內徑（外循環）mm、傳動效率計算式中：摩擦角；絲杠螺紋升角。、剛度驗算滾珠絲杠受工作負載P引起的導程的變化量Y向所受牽引力大，故應用Y向參數計算 所以 絲杠因受扭矩而引起的導程變化量很小，可以忽略。所以導程總誤差查表知E級精度的絲杠允許誤

9、差，故剛度足夠。、穩定性驗算由于絲杠兩端采用止推軸承，故不需要穩定性驗算。三、步進電機的選用3.1、步進電機的步距角取系統脈沖當量，初選步進電機步距角。3.2步進電機啟動力矩的計算設步進電機等效負載力矩為T，負載力為P，根據能量守恒原理，電機所做的功與負載力做功有如下關系式中： 電機轉角； 移動部件的相應位移； 機械傳動效率。若取 ，則，且，所以式中： 移動部件負載（N）；G移動部件重量（N）； 與重量方向一致的作用在移動部件上的負載力（N）； 導軌摩擦系數；步進電機步距角，（rad）；T電機軸負載力矩（）本例中，取（淬火鋼滾珠導軌的摩擦系數），為絲杠牽引力，。考慮到重力影響，Y向電機負載較大

10、，因此取，所以若不考慮啟動時運動部件慣性的影響，則啟動力矩取安全系數為0.3，則 對于工作方式為三相六拍的三相步進電機 3.3步進電機的最高工作頻率查表選用兩個45BF005-型步進電機3.4確定齒輪傳動比因步進電機步距角，滾珠絲杠螺距 ，要實現脈沖當量，在傳動系統中應加一對齒輪降速傳動。齒輪傳動比選 ， 。3.5確定齒輪模數及有關尺寸因傳遞的扭距較小，取模數，齒輪有關尺寸見表3-3。3.6步進電機慣性負載的計算根據等效轉動慣量的計算公式，得式中： 折算到電機軸上的慣性負載（）； 步進電機轉軸的轉動慣量（）；齒輪 的轉動慣量（）；齒輪 的轉動慣量（）；滾珠絲杠的轉動慣量（）；M移動部件質量（）

11、。對材料為鋼的圓柱零件轉動慣量可按下式估算式中：D圓柱零件直徑（cm）；L零件長度（cm）。所以電機軸轉動慣量很小，可以忽略，則因為，所以慣性匹配比較符合要求。 L=225mmPx=3.41NPy=4.06N=0.01mm/step=45°i=0.6Tq=4.42N.kmJd=0.4kg.m2四、控制系統硬件設計X-Y工作臺控制系統硬件主要包括CPU、傳動驅動、傳感器、人機交互界面。硬件系統設計時，應注意幾點：電機運轉平穩、響應性能好、造價低、可維護性、人機交互界面可操作性比較好。4.1 CPU板4.1.1 CPU的選擇隨著微電子技術水平的不斷提高，單片微型計算機有了飛躍的發展。單片

12、機的型號很多，而目前市場上應用MCS-51芯片及其派生的兼容芯片比較多，如目前應用最廣的8位單片機89C51，價格低廉，而性能優良，功能強大。在一些復雜的系統中就不得不考慮使用16位單片機，MCS-96系列單片機廣泛應用于伺服系統，變頻調速等各類要求實時處理的控制系統，它具有較強的運算和擴展能力。但是定位合理的單片機可以節約資源，獲得較高的性價比。從要設計的系統來看，選用較老的8051單片機需要拓展程序存儲器和數據存儲器，無疑提高了設計價格，而選用高性能的16位MCS-96又顯得過于浪費。生產基于51為內核的單片機的廠家有Intel、ATMEL、Simens，其中在CMOS器件生產領域ATME

13、L公司的工藝和封裝技術一直處于領先地位。ATMEL公司的AT89系列單片機內含Flash存儲器，在程序開發過程中可以十分容易的進行程序修改，同時掉電也不影響信息的保存；它和80C51插座兼容，并且采用靜態時鐘方式可以節省電能。因此硬件CPU選用AT89S51，AT表示ATMEL公司的產品，9表示內含Flash存儲器，S表示含有串行下載Flash存儲器。AT89S51的性能參數為：Flash存儲器容量為4KB、16位定時器2個、中斷源6個（看門狗中斷、接收發送中斷、外部中斷0、外部中斷1、定時器0和定時器1中斷）、RAM為128B、14位的計數器WDT、I/O口共有32個。4.1.2 CPU接口

14、設計CPU接口部分包括傳感器部分、傳動驅動部分、人機交互界面三部分。示意圖如下所示：（行程開關）前向通道傳動驅動（電磁鐵）（步進電機）人機界面傳感器AT89S51（鍵盤、LED）后向通道 圖3-1 CPU外部接口示意圖P1.0-P1.2驅動1X步進電機驅動2Y步進電機P1.3-P1.5P1.6驅動3P3.2外部中斷1P3.3外部中斷2P0.0-P0.7AD0AD7P2.7CEP2.6IO/MPB 口PA口PC口AT89S51鍵盤電磁鐵8155 圖3-2 AT89S51控制系統圖4.2 驅動系統傳動驅動部分包括步進電機的驅動和電磁鐵的驅動，步進電機須滿足快速急停、定位和退刀時能快速運行、工作時能

15、帶動工作臺并克服外力（如切削力、摩擦力）并以指令的速度運行。在定位和退刀時電磁鐵吸合使繪筆抬起，繪圖時能及時釋放磁力使筆尖壓下。4.2.1 步進電機驅動電路和工作原理步進電機的速度控制比較容易實現，而且不需要反饋電路。設計時的脈沖當量為0.01mm，步進電機每走一步，工作臺直線行進0.01mm。步進電機驅動電路中采用了光電偶合器，它具有較強的抗干擾性，而且具有保護CPU的作用，當功放電路出現故障時，不會將大的電壓加在CPU上使其燒壞。圖3-4 步進電機驅動電路圖該電路中的功放電路是一個單電壓功率放大電路，當A相得電時，電動機轉動一步。電路中與繞組并聯的二極管D起到續流作用，即在功放管截止是，使

16、儲存在繞組中的能量通過二極管形成續流回路泄放，從而保護功放管。與繞組W串聯的電阻為限流電阻，限制通過繞組的電流不至超過額定值，以免電動機發熱厲害被燒壞。由于步進電機采用的是三相六拍的工作方式（三個線圈A、B、C），其正轉的通電順序為：A-AB-B-BC-C-CA-A，其反轉的通電順序為：A-AC-C-CB-B-BA-A。步進時鐘A相波形B相波形C相波形圖3-5 三相六拍工作方式時相電壓波形（正轉）4.2.2 電磁鐵驅動電路 該驅動電路也采用了光電偶合器，但其功放電路相對簡單。其光電偶合部分采用的是達林頓管，因為驅動電磁鐵的電流比較大。圖3-6 電磁鐵驅動電路4.2.3 電源設計兩電機同時工作再

17、加上控制系統用電，所需電源容量比較大，需要選擇大容量電源。此系統中用到的電源電壓為27V、12V、5V，為了便于管理和電源容量需求，就采用了標準的27V電源作為基準，通過芯片進行電壓轉換得到所需的12V和5V電壓。4.3 X軸電機點動正轉程序流程圖X+EN： CLR P1.6 MOV A，PA MOV DPTR，A MOVX A，DPTR JNB ACC.0，LOOP2MOTOR0： MOV DIRX，#01H ACALL XMOTOR0 MOV A，PC MOV DPTR，A MOV A，DPTR JNB ACC.0，MOTOR0LOOP2： AJMP LOOP1這是X軸電機點動正轉的程序，

18、其他的X軸電機點動反轉、Y軸電機點動正轉、Y軸電機點動反轉依次類推。五、總結本次課程設計是綜合大學所有學科的一次練習，是最大的一次課程設計。這次課程設計跨越機械和電氣兩大學科。在設計時要聯系機械部分和電氣控制部分作為一個有機的整體來考慮，本次設計是一個機械和電氣有機組合的系統是一個整體。如果單方面考慮其中一項必定是做不出來的。這次課程設計時我又一次親手設計東西，與以前單純的機械設計不一樣，有了更多的收獲，體會也很多。在這次設計中我也學會了很多新東西，包括一些軟件的應用。當然最重要的是學到了基于運動控制卡的幾點一體化系統設計的一些基本方法。加深了對機械系統設計的理解，初步了解了一些常用工業控制元器件和掌握它們的使