综合课程设计

设计组号：9机电一体化系统综合课程设计X-Y数控工作台设计说明书学院: 信息工程学院班级：机械三班设计者：屠昊杰指导老师：李沛同完成日期：2015年11月5日目录一、总体方案设计1设计任务2 总体方案确定二、机械系统设计1 工作台外形尺寸及重量估算2 直线导轨副的计算与选型3 滚珠丝杠螺母副的计算与选型4 步进电机减速箱的选用5 步进电机的计算与选型三、控制系统硬件设计1 CPU的选择2 CPU接口设计3 驱动系统4 步进电机驱动电路和工作原理5 电磁铁驱动电路6 电源设计7本章小节四、控制系统软件设计1 总体方案2 主流程图3 INT0中断服务流程图4 INT1中断服务流程图5 复位程序流程图6 X轴电机点动正转程序流程图7 绘制圆弧程序流程图8 步进电机步进一步程序流程图五、附录一、总体方案设计1设计任务设计一个数控X-Y工作台及其控制系统。

该工作台可用于铣床上坐标孔的加工和腊摸、塑料、铝合金零件的二维曲线加工，重复定位精度为±0.02mm，定位精度为0.04mm。

设计参数如下：负载重量G=1500N；台面尺寸C×B×H＝240mm×254mm×15mm；底座外形尺寸C1×B1×H1＝550mm×450mm×184mm；最大长度L=678mm；工作台加工范围X=300mm，Y=200mm；工作台最大快移速度为1m/min。

2 总体方案确定（1）系统的运动方式与伺服系统由于工件在移动的过程中没有进行切削，故应用点位控制系统。

定位方式采用增量坐标控制。

为了简化结构，降低成本，采用步进电机开环伺服系统驱动X-Y 工作台。

（2）计算机系统本设计采用了与MCS-51系列兼容的AT89S51单片机控制系统。

它的主要特点是集成度高，可靠性好，功能强，速度快，有较高的性价比。

控制系统由微机部分、键盘、LED、I/O接口、光电偶合电路、步进电机、电磁铁功率放大器电路等组成。

系统的加工程序和控制命令通过键盘操作实现。

LED 显示数控工作台的状态。

（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，所以选用丝杠螺母传动副。

为提高传动刚度和消除间隙，采用预加负荷的结构。

由于工作台的运动载荷不大，因此采用有预加载荷的双V形滚珠导轨。

采用滚珠导轨可减少两个相对运动面的动、静摩擦系数之差，从而提高运动平稳性，减小振动。

考虑电机步距角和丝杆导程只能按标准选取，为达到分辨率的要求，需采用齿轮降速传动。

系统总体框图二、机械系统设计1、工作台外形尺寸及重量估算X 向拖板（上拖板）尺寸：长⨯宽⨯高 240×254×50重量：按重量=体积×材料比重估算238107.81050254240-2-3≈⨯⨯⨯⨯⨯NY 向拖板（下拖板）尺寸： 240×254×50重量：238107.81050254240-2-3≈⨯⨯⨯⨯⨯ 上导轨座（连电机）重量：()380101.1100.017.88620255184450-32≈⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯＋＋π()N 夹具及工件重量：约500N 。

X-Y 工作台运动部分的总重量：约856N 。

2、直线导轨副的计算与选型（1）、滑块承受工作载荷max F 的计算及导轨型号的选取单滑块所承受的最大垂直方向载荷为：kN F G F 714.071450048564max ==+=+= 查表3-41，根据工作载荷kN F 714.0max =，故初选直线滚动导轨副的型号为KL 系列的JSA-LG15型，其额定动载荷kN C a 94.7=，额定静载荷kN C 5.90a =。

上述导轨硬度为60HRC ，工作温度不超过100°C ，根据导轨上配有两只滑块，精度为4。

任务书规定工作台面尺寸为240mm ×254mm ，加工范围为300mm ×200mm ，考虑工作行程应留有一定余量，查表3-35，按标准系列，选取导轨的长度为600mm 。

（2）、距离额定寿命L 的计算503max ⨯⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=F C f f f f f L a W R C T H 查表3-36和表3-40，分别取硬度系数0.1=H f ，温度系数00.1=T f ，接触系数81.0=C f ，精度系数9.0=R f ，载荷系数5.1=W f ,代入上述公式得：km L 789350714.094.75.19.081.000.10.13≈⨯⎪⎭⎫ ⎝⎛⨯⨯⨯⨯= 远大于期望值50km ，故距离额定寿命满足要求。

3、滚珠丝杠螺母副的计算与选型（1）最大工作载荷m F 的计算工作台收到进给方向的载荷（与丝杠轴线平行）N F x 150=,受到横向的载荷（与丝杠轴线垂直）N F y 150=,受到垂直方向的载荷（与工作台面垂直）N F z 150=。

已知移动部件总重量856N =G ，按矩形导轨进行计算，查表3-29，取颠覆力矩影响系数K=1.1，滚动导轨上的摩擦因素0.005=μ，球的滚珠丝杠副的最大工作载荷：()()[]N N G F F KF F y z x 171856150150005.01501.1m ≈++⨯+⨯=+++=μ（2）最大动载荷Q F 的计算工作台在承受最大铣削力时的最快进给速度mim mm v /1000=，初选丝杠导程mm P h 5=，则此时丝杠转速：min /002/r P v n h ==。

取滚珠丝杠的使用寿命h T 15000=，代入610/60nT L =,得丝杠寿命系数0180=L （单位为：r 610）查表3-30，取动载荷系数2.1=W f ，滚道硬度为60HRC 时，取硬度系数0.1=H f ，代入下列式中，求得最大动载荷：N F f f L F m H W Q 115930≈=（3）初选型号根据最大动载荷和初选的丝杠导程，查表3-31，选择济宁博特精密丝杠制造有限公司生产的G 系列2005-3型滚珠丝杠副，为内循固定反向单螺母式，其公称直径为20mm ，导程为5mm ，循环滚珠为3圈×1列，精度等级取5级，额定动载荷为9309N ，大于Q F ，满足要求。

（4）传动效率η的计算mm d 200=，导程mm P h 5=，代入下式：()[]33'4/arctan0︒==d P h πλ 将摩擦角'10=ϕ代入下式：()%4.96tan /tan =+=ϕλλη（5）刚度计算1）X-Y 工作台上下两层滚珠丝杠副的支承均采用“单推-单推”的方式，见书后插页图6-23.丝杠的两端各采用一对推力角接触球轴承，面对面组配，左、右支承的中心距离为a=500mm ；钢的弹性模量E=2.1×10^5Mpa ；查表3-31，得滚珠直径mm D w 175.3=，丝杠底径mm d 2.162=，丝杠截面面积22212.2064/mm d S ==π。

拉/压变形量()()mm ES a F m 002.012.206101.2/500171/51≈⨯⨯⨯==δ2）根据公式3/0-=w D d Z π，求得单圈滚珠数Z=20，该型号丝杠为单螺母，滚珠圈数×列数为3×1，代入公式：∑Z =Z ×圈数×列数，得滚珠总数量∑Z =60.丝杠预紧力N F F m YJ 573/==。

可求得滚珠与螺纹滚道间的接触变形量 mm Z F D F YJ w m0006.010/100.0013322≈=∑δ因为丝杠加有预紧力，且为轴向负载的1/3，所以实际变形量可减少一半，取=0.0003mm 。

2ϑ3）m mm μδδδ 2.60.002621==+=总丝杠的有效行程为330mm ，由表3-27知，5级精度滚珠丝杠有效行程在315-400mm 时，行程偏差允许达到25，可见丝杠刚度足够（6）压杆稳定性校核查表3-34，取支承系数1=k f ，带入下式：44288.338064/mm d I ≈=π压杆稳定安全系数K 取3（丝杠卧式水平安装），代入下式：N KaEI f F k k 934322≈=π 远大于工作载荷171N ，故丝杠不会失稳。

综上所述，初选滚珠丝杠副满足使用要求。

4、步进电机减速箱的选用已知滚珠丝杠的导程为5mm ，初选步进电机的步距角0.75°，减速比25/12。

本设计选用常州市新月电机有限公司生产的JBF-3型齿轮减速箱。

大小齿轮模数均为1mm ，齿数比为75：36，材料为45调质钢，齿面淬硬后达55HRC.减速箱中心距为55.5mm ，小齿轮厚度为20mm ，双片大齿轮厚度均为10mm 。

5、步进电机的计算与选型（1）计算加在步进电机转轴上的总转动惯量eq J已知：滚珠丝杠的公称直径mm d 200=，总长l=500mm ，导程mm P h 5=，材料密度3-3/107.85cm kg ⨯=ρ，移动部件总重力G=865N ，小齿轮宽度b1=2mm ，直径d1=36mm ，大齿轮宽度b2=20mm ，直径d2=75mm ，传动比i=25/12。

如表4-1所示，算得各个零部件的转动惯量如下：滚珠丝杆的转动惯量2·617.0cm kg J s =拖板折算到丝杠上的转动惯量2·517.0cm kg J w =小齿轮的转动惯量21259.0cm kg J z ⋅=大齿轮的转动惯量22cm 4.877⋅=kg J z初选步进电机型号为90BYG2602，为两相混合式，由常州宝马集团公司生产，二相八拍驱动时步距角为0.75°，从表4-5查得该型号电动机转子的转动惯量24cm kg J ⋅=。

则加在步进电机转轴上的总转动惯量为：()222135.30/cm kg i J J J J J J S W z z m eq ⋅=++++=（2）计算加在步进电机转轴上的等效负载转矩eq T 分快速空载起动和承受最大工作负载两种情况进行计算。

1）快速空载启动时电动机转轴所承受的负载转矩1eq T 包括三部分：一部分是快速空载起动时折算到电动机转轴上的最大加速转矩max a T ，一部分是移动不禁暗运动史折算到电动机转轴上的摩擦转矩f T ，还有一部分时滚珠丝杠预紧后折算到电动机转轴上的附加摩擦转矩0T 。

因为滚珠丝杠副传动效率很高，0T 相对于max a T 和f T 很小，则有：f a eq T T T +=max考虑传动链的总效率η，计算快速空载启动时折算到电动机转轴上的最大加速转矩：ηπ1602max ⨯=a meq a t n J T 式中 m n --对应空载最快移动速度的步进电机最高转速，单位为r/min ； a t --步进电机由静止到加速至m n 转速所需的时间，单位为s 。