1、X-Y數控工作臺課程設計 一、總體方案設計1.1 設計任務題目：XY數控工作臺的機電系統設計任務：設計一種供立式數控銑床使用的XY數控工作臺，主要參數如下：（1）工作臺面尺寸C×B×H185mm×195mm×27mm；（2）底座外形尺寸C1×B1×H1385mm×385mm×235mm；（3）工作臺加工范圍X=115mm Y=115mm；（4） X、Y方向的脈沖當量均為0.005mm、脈沖；X、Y方向的定位精度均為±0.01mm；（5）負載重量G=235N；（6）工作臺空載最快移動速度為3m/min；工作

2、臺進給最快移動速度為1m/min。（7）立銑刀的最大直徑d=20mm；（8）立銑刀齒數Z=3；（9）最大銑削寬度；（10）最大被吃刀量。12總體方案的確定 圖1-1 系統總體框圖（1）機械傳動部件的選擇 導軌副的選擇要設計的X-Y工作臺是用來配套輕型的立式數控銑床，需要承載的載荷不大，但脈沖當量小，定位精度高，因此，決定選用直線滾動導軌副，它具有摩擦系數小、不易爬行、傳動效率高、結構緊湊、安裝預緊方便等優點。 絲杠螺母副的選擇伺服電動機的旋轉運動需要通過絲杠螺母副轉換成直線運動，要滿足0.005mm的脈沖當量和±0.01mm的定位精度，滑動絲杠副無能為力，只有選用滾珠絲杠副才能達到。

3、滾珠絲杠副的傳動精度高、動態響應快、運轉平穩、壽命長、效率高、預緊后可消除反向間隙，而且滾珠絲杠已經系列化，選用非常方便，有利于提高開發效率。 減速裝置的選擇選擇了步進電動機和滾珠絲杠副以后，為了圓整脈沖當量，放大電動機的輸出轉矩，降低運動部件折算到電動機轉軸上的轉動慣量，可能需要減速裝置，且應有消除間隙機構。為此，系統中決定采用無間隙齒輪傳動減速箱。 伺服電動機的選擇任務書規定的脈沖當量尚未達到0.001mm，定位精度也未達到微米級。因此，本設計不必采用高檔次的伺服電動機，如交流伺服電動機或直流伺服電動機等，可以選用性能好一些的步進電動機，如混合式步進電動機，以降低成本，提高性價比。 檢測裝

4、置的選擇選用步進電動機作為伺服電動機后，可選開環控制，也可選閉環控制。任務書所給精度對于步進電動機來說還是偏高的，為了確保電動機在運轉過程中不受切削負載和電網的影響而失步，決定采用半閉環控制，并在電動機的尾部轉軸上安裝增量式旋轉編碼器，用以檢測電動機的轉角與轉速。增量式旋轉編碼器的分辨率應與步進電動機的步距角相匹配。考慮到X、Y兩個方向的加工范圍相同，承受的工作載荷相差不大，為了減少設計工作量，X、Y兩個坐標的導軌副、絲杠螺母副、減速裝置、伺服電動機，以及檢測裝置擬采用相同的型號與規格。（2）控制系統的設計設計的X-Y工作臺準備用在數控銑床上，其控制系統應該具有單坐標定位、兩坐標直線插補與圓弧

5、插補的基本功能，所以控制系統應該設計成連續控制型。對于步進電動機的半閉環控制，選用MCS-51系列的8位單片機AT89S51作為控制系統的CPU，應該能夠滿足任務書給定的相關指標。要設計一臺完整的控制系統，在選擇CPU之后，還需要擴展程序存貯器、數據存貯器、鍵盤與顯示電路、I/O接口電路、D/A轉換電路、串行接口電路等。選擇合適的驅動電源，與步進電動機配套使用，我們將自行設計。步進電動機減速器滾珠絲杠步進電動機減速器工作臺滾珠絲杠X方向傳動機構Y方向傳動機構微型機機電接口驅動電路人機接口系統總體方案結構框圖 二、機械系統設計2.1、導軌上移動部件的重量估算重量：按重量=體積×材料比重

6、估算 （45鋼密度7.85g/立方厘米）工作臺面尺寸：185mm×195mm×27mm 重量：76N。上導軌座（連電機）重量：600N夾具及工件重量：235N X-Y工作臺運動部分的總重量G：900N2.2、銑削力的計算零件的加工方式為立式銑削，采用硬質合金立銑刀，工件的材料為碳鋼。查表得立銑刀的銑削力計算公式為： 其中，每齒進給量，銑刀轉速，可直接帶入計算得1893N。采用立銑刀進行圓柱銑削時，各銑削力之間的比值可查表得出，考慮逆銑時的情況，可估算三個方向的銑削力分別為：=2082.3N；=719.34N；=473.25N。現考慮立銑，則工作臺受到垂直方向的銑削力，受到水

7、平方向的銑削力分別為縱向銑削力（絲杠軸線方向），徑向銑削力2.3、直線滾動導軌的參數確定、滑塊承受工作載荷的計算及導軌型號的選取本設計中的XY工作臺為水平布置，采用雙導軌、四滑塊的支承形式。考慮最不利的情況，即垂直于臺面的工作載荷全部由一個滑塊承擔，則單滑塊所受的最大垂直方向載荷為=944.3N。其中，移動部件重量為G，外加載荷根據計算出的工作載荷，初選符合要求的直線滾動導軌副的型號。根據任務規定工作臺面尺寸，加工范圍及工作臺整體尺寸的要求，選擇導軌的長度為2.4、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。1、 最大工作載荷的計算 在立銑

8、時，工作臺受到進給方向的載荷（與絲杠軸線平行）為，受到橫向的載荷（與絲杠軸線垂直）為，受到垂直方向的載荷（與工作臺面垂直）為。已知移動部件的總重量G，按矩形導軌進行計算，查表，取傾覆力矩影響系數K=1.1，滾動導軌上的摩擦因數。求得滾珠絲杠副的最大工作載荷為：=1.1×2082.3×(719.34+473.3+900)=2301.0N、最大動載荷的計算工作臺在承受最大銑削力時的最快進給速度，初選絲杠導程，則此時絲杠轉速=200r/min取滾珠絲杠的使用壽命T=15000h，代入，得絲杠壽命系數查表，取載荷系數，滾道硬度為60HRC時，取硬度系數，代入式，求得最大動載荷=15

9、590.3N。2、 初選型號規格型號 公稱直徑de基本導程 PH0絲杠外徑 d滾珠直徑 DW螺旋升角 B循環圈數 螺母安裝尺寸 額定開荷 接觸剛度 (N/um)DD1D2BMd2d3HdmL動載Ca靜載Cao1604-316415.32.3814°33 3325542104105.86.M6375744121743751605-5515.33.1755°41 3325542114105.86M6428640139604102004-320419.52.3813°39 3366048114105.86M6405295114746602004-443660481141

10、05.86M6446766152988652505-4519.53.1754°22 3366048114105.86M6469022184567202005-44366048114105.86M65111082233409552504-325424.52.3812°55 3406653114105.86M6606080162797802504-44406653114105.86M64477472167310202505-3524.53.1753°39 3406653114105.86M6469807228508702505-44406653114105.86M65

11、1125533049911452506-3624.53.1754°22 3406653114105.86M65212945290289002506-44406653114105.86M6601657338639根據計算出的最大動載荷和初選的絲杠導程，查表，選擇億誠部件有限公司生產的G系列2505-4型，其額定動載荷為，大于，滿足要求。表2-1 滾珠絲杠螺母副幾何參數名 稱符 號計算公式和結果螺紋滾道公稱直徑20螺距5接觸角鋼球直徑3.175螺紋滾道法面半徑R=1.651偏心距e=（R-dq/2）sin=0.045螺紋升角=arctg（t/d0）=4.34。螺桿螺桿外徑d=-（0.20

12、.25）dq=19.206螺桿內徑=+2e-2R=16.788螺桿接觸直徑=-cos=17.755螺母螺母螺紋外徑=-2e+2R=23.212螺母內徑（外循環）=+（0.20.255）=20.810、傳動效率計算tg/tg(+)=0.956式中：摩擦角；絲杠螺紋升角。2.5、步進電機的選用、步進電機的步距角根據系統脈沖當量脈沖，滾珠絲杠的導程，初選步進電機步距角×2=1.5。、步進電機快速空載啟動時轉軸所承受的負載轉矩的計算=4.255N其中是快速空載啟動時折算到電動機轉軸上的最大加速轉矩；是移動部件運動時折算到電動機轉軸上的摩擦轉矩。=3.875N=41.3×10-3cm

13、2式中： 折算到電機軸上的慣性負載（kg.cm2）； 步進電機轉軸的轉動慣量（kg.cm2）；齒輪1的轉動慣量（kg.cm2）；齒輪2的轉動慣量（kg.cm2）；滾珠絲杠的轉動慣量（kg.cm2）；M移動部件質量（kg）。對材料為鋼的圓柱零件轉動慣量可按下式估算J=0.78×10-3D4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。=2500設步進電機由靜止到加速至所需時間為，傳動鏈總效率為=0.38N步進電機最大工作負載狀態下轉軸所承受的負載轉矩的計算是折算到電動機轉軸上的最大工作負載轉矩；是移動部件運動時折算到電動機轉軸上的摩擦轉矩。、步進電

14、機的最高工作頻率=10000HZ查表選用兩個55BF004-型步進電機。電機的有關參數見下表。型號主要技術參數外形尺寸步距角最大靜轉矩（N.M）電壓（V）電流（A）外徑長度軸頸55BF004-1.5。49 300.54558 4 2.5、確定齒輪傳動比因步進電機步距角×2=1.5。，滾珠絲杠的導程，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i=Z1/Z2=12/50選 Z1=12，Z2=50 。2.6、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 125012149.5-3 505249.5-331三、控制部分設計3.1 人機界面設計此人機界面是

15、有上方的顯示屏幕以及旁邊的指令按鍵組成，處于黑框部分的就是顯示區域，操作人員可根據屏幕上的提示進行指令操作，另外，進給速度、坐標參數、加工模擬圖也會在屏幕上顯示，處于下方和右側的是操作面板。下圖是剛進入數控系統時的界面：主操作面板上第一排為自動加工、程序編輯、故障診斷、MDI、坐標相對值、顯示方式、和擴展功能。（1）程序編輯界面：按F2選擇界面編輯所需要加工工件程序在編輯面板中編輯 （2）自動加工：當我們按F1時選擇程序自動加工（3）選擇好程序后，對工件進行對刀。（4）在加工過程中可以控制機床的刀具的轉速，和進給速度。X-Y數控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。

16、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。3.2 CPU板 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。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。生產基于51為內核的單片機的廠家有Intel、ATMEL。ATMEL公司的AT89系列單片機內含Flas

17、h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AT89S52，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。 CPU接口設計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）

18、傳動驅動（步進電機）人機界面傳感器AT89S52（鍵盤、LED）CPU外部接口示意圖S52 I/O口分配 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。 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，使儲存在繞組中的能量通過二極管形成續流回路泄

19、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 三相六拍工作方式時相電壓波形（正轉）4.1 主流程設計外部中斷開總中斷開給P1口賦值中斷信號循環#include<reg52.h>#define uint unsigned int #define uchar unsigned char uchar num,temp;voi

20、d delay(uint z); /延時程序的聲明;void main()EA=1; / CPU開總中斷；EX0=1;/外部中斷開；P1=0xcf; /電機1的二個引腳交替通電;delay(1000); P1=0x9f; delay(1000); P1=0x3f; delay(1000); P1=0x6f; delay(1000);void delay(uint z) /延時程序；uint x,y;for(x=z;x>0;x-)for(y=110;y>0;y-);void zd()interrupt 0 /中斷程序； P1=0xfc; /電機2兩個引腳相繼通電； delay(100

21、0); P1=0xf9; delay(1000); P1=0xf3; delay(1000); P1=0xf6; delay(1000);4.2 中斷服務流程設計： 鍵盤按鈕產生電平變化，CPU外部中斷開啟，調用中斷程序，使電機1停止轉動，并保持當前狀態，中斷程序使得電機2轉動。以下是中斷子程序： void zd()interrupt 0 /中斷程序； P1=0xfc; /電機2兩個引腳相繼通電； delay(1000); P1=0xf9; delay(1000); P1=0xf3; delay(1000); P1=0xf6; delay(1000);4.3步進電機控制程序void motor

22、()#define uchar unsigned char#define uint unsigned intbit qianjinbit houtuiuchar jzaj(void);zheng=0x01,0x08,0x04,0x02;/正轉fan=0x01,0x02,0x04,0x08;/反轉void ajcl(uchar jz);void delay(uchar del);/延時子程序void timer() interrupt 1uchar jz;TH0=0xfe;TL0=0x18;jz=jzaj();if(jz);Void mian();uchar c;TMOD=0x01;TH0=0x

23、fc;TL0=0x18;TR0=1;ET0=1;EA=1;while(1)If(qianjin)P2=zhengc;delay(100);c+;if(c=8)c=0;If(houtui) P2=fanc;delay();c+;if(c=8)c=0uchar jajz(void)uchar hz,lz;P1=0xf0;/設置p1口為低電平掃描if(p1&0xf0!=0xf0);/掃描是否有鍵按下delay（10）；/延時去抖if(p1&0xf0!=0xf0);/再次判斷hz=0xfe;/掃描 p1=hz;return(hz);elsereturn0;/沒有按鍵按下 void ajcl(uchar jz)if(jz=0x11)houtui=0; qianjin=1;If(jz=0x21)houtui=0; qianjin=1;If(jz=0x1)P2=0x00;houtui=0; qianjin=0;void delay(uchar del )(uc