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工程学院本科生专业课程设计说明书（机电一体化系统设计）题 目： 数控铣床X-Y工作台设计 专业班级： 机械11X 组别：第 Y 组成 员： 指导老师： 赵大旭 职称： 讲师 年 月 日目 录设计任务书11 系统总体设计21.1总体性能要求和整体方案21.2各系统方案确定21.2.1机械传动系统方案21.2.2控制系统总体方案31.3课程设计关键内容安排32 机械系统设计42.1工作台外形尺寸及重量估算42.2滚动导轨参数确定42.3 滚珠丝杠设计计算52.4 步进电机选择52.5 齿轮传动系统设计计算52.6 步进电机惯性负载计算53 控制系统硬件设计73.1微机系统选择73.1.1单片机选型73.1.2电气接口73.2电机驱动系统设计83.2.1步进电机工作原理和驱动电路83.2.2电磁铁驱动电路93.2.3电源电路93.2.4传感器和人机界面94 程序设计104.1总体方案104.2程序步骤图104.2.1程序结构104.2.2程序模块104.2.3 XX子程序104.2.4 XX子程序104.3程序代码104.3.1子程序1104.3.2子程序2105 设计总结115.1结论115.2心得体会115.3组员分工11参考文件12附录清单13设计任务书题目：X-Y数控工作台机电系统设计设计任务：设计一个微机控制立式铣床X-Y工作台，具体内容以下：1、机械系统设计：经过计算正确选择传动机构、导向机构、实施机构、驱动电机等，并给出计算依据，绘制机械系统装配图；2、控制系统设计：依据系统要求，选择正确控制策略，设计合理控制系统，绘制控制系统原理电路图；3、主程序设计：在机械系统和控制系统设计基础上，开发控制主程序，列出程序清单；4、设计说明书撰写系统关键参数：1、立铣刀最大直径d=20mm；2、立铣刀齿数Z=3；3、最大铣削宽度；4、最大背吃刀量；5、加工材料为碳素钢；6、X、Y方向脉冲当量/脉冲；7、X、Y方向定位精度均为；8、工作台尺寸600mm700mm,加工范围为350mm450；9、工作台空载最快移动速度；10、工作台进给最快移动速度；时间安排及任务：1、系统功效介绍，总体方案设计（1天）（1）机电一体化设计基础过程介绍；（2）X-Y工作台功效介绍；（3）总体方案确定。2、单元功效模块介绍和设计任务落实（1天）3、具体设计（8天）（1）机械系统装配图设计；（2）控制系统原理图设计；（3）控制主程序设计。1 系统总体设计1.1总体性能要求和整体方案X-Y数控工作台机电系统被设计用于铣床数控化改造，其结构简单，轻易实现。该平台能够在确保一定精度前提下降低成本，是微机控制技术简单应用。本设计充足利用了机电一体化系统思想，结合机械本体和电气控制系统软硬件于一体，使机床加工范围扩大，精度和可靠性深入得到提升。总体结构图1-1所表示图1-1 系统总体方案图1.2各系统方案确定1.2.1机械传动系统方案（1）丝杠螺母副选择步进电动机旋转运动需要经过丝杠螺母副转换成直线运动，需要满足初选0.01mm脉冲当量，因为定位精度0.02mm，对于机械传动要有一定精度损失，大约是1/3-1/2定位精度，现取为1/2，即是0.01mm和0.02mm定位精度，滑动丝杠副无法做到，只有选择滚珠丝杆副才能达成要求，滚珠丝杆副传动精度高、动态响应快、运转平稳、寿命长、效率高、预紧后可消除反向间隙。同时选择内循环形式，因为这么摩擦损失小，传动效率高，且径向尺寸结构紧凑，轴向刚度高。因为定位精度不高，故选择调隙方法是垫片调隙式，这种调隙方法结构简单，刚性好，装卸方便。因为工作台最快移动速度 ，所需转速不高，故能够采取通常安装方法，即一端固定，一端游动轴承配置形式。（2）导轨副选择要设计数控铣床工作台，需要承受载荷不大，而且脉冲当量小，定位精度高，所以选择直线滚动导轨副，它含有摩擦系数小，不易爬行，传动效率高，结构紧，安装预紧方便等优点。（3）伺服电机选择选择步进电动机作为伺服电动机后，可选开环控制，也可选闭环控制。任务书所给精度对于步进电动机来说还是偏低，为了确保电动机在运动过程中不受切削负载和电网影响而失步，决定采取开环控制，任务书初选脉冲当量还未达成0.001mm，定位精度也未达成微米级，空载最快移动速度也只有3000mm/min,故本设计无须采取高级次伺服电机，所以能够选择混合式步进电机，以降低成本，提升性价比。（4）减速装置选择选择了步进电动机和滚珠丝杆副以后，为了圆整脉冲当量，放大电动机输出转矩，降低运动部件折算到电动机转轴上转动惯量，可能需要减速装置，且应有消间隙机构，假如要选择减速装置，则应选择无间隙齿轮传动减速箱。1.2.2控制系统总体方案（1）设计X-Y工作台准备用在数控铣床上，其控制系统应该含有轮廓控制，两坐标直线插补和圆弧插补基础功效，所以控制系统设计成连续控制型。（2）对于步进电动机开环控制系统，选择MCS-51系列8位单片机AT89S52作为控制系统CPU，能够满足任务书给定相关指标。（3）要设计一台完整控制系统，在选择CPU以后，还要扩展程序存放器，I/O接口电路，D/A转换电路，串行接口电路等。（4）选择适宜驱动电源，和步进电动机配套使用。1.3课程设计关键内容安排第一章 总体设计。依据任务书明确课程设计内容，确定总体及各子系统方案。第二章 机械系统设计。工作台外形尺寸及重量估算，电动机选择，机械传动系统设计计算，滚珠丝杠计算选择等。第三章 控制系统硬件设计。单片机选择，系统扩展硬件系统选择。第四章 控制系统程序设计。控制程序编写。第五章 对全文工作做了总结和对以后应该继续深入研究工作做了展望。附录 X-Y工作台总装图和控制系统电路图。2 机械系统设计2.1工作台外形尺寸及重量估算 X向拖板（上拖板）尺寸：长宽高 14516050重量：按重量=体积材料比重估算NY向拖板（下拖板）尺寸： 重量：约90N。上导轨座（连电机）重量：夹具及工件重量：约150N 。X-Y工作台运动部分总重量：约287N。2.2滚动导轨参数确定导轨是数控机床关键部件之一，它在很大程度上决定数控机床刚度，精度和精度保持性。现在数控机床采取导轨形式关键有：滑动导轨，滚动导轨，静压导轨三类。滑动导轨关键有：金属对金属，金属对塑料，后者化学稳定性好，摩擦系数抵，静摩擦系数小，耐磨损，耐腐蚀，吸振性好，比重小，强度大，加工成型简单，能在任何液体或无润滑条件下工作，所以较常见。其缺点是：耐热性差，导热率低，须注意散热，刚性也比较差，吸湿性大易影响尺寸稳定，应选择在水或油中尺寸稳定且能耐酸和弱碱塑料。滚动导轨1滚动导轨技术要求两导轨面见不平行度大于3m导轨平面度大于5m滚动体直径差通常机床全部滚动体为2m。每组滚动体为1m；精密机床全部滚动体为1m，每组滚动体为0，5m。滚柱锥度：0，5-1m。表面粗糙度：一般机床，磨削不抵于0，40（m），精密机床磨削不抵于0，20（m）滚动导轨结构形式按滚动体种类分，可有以下多个；滚珠导轨。这种导轨承载能力小，刚度低。导轨面上轻易出现凹坑，但对加工精度影响不大，其材料通常为淬火钢。滚柱导轨。它承载能力比上述大，适合载荷较大机床，但滚柱导轨对安装偏斜较为灵敏，易引发侧移和侧向滑动从而使导轨磨损加紧或降低精度。滚针导轨。这种导轨特点是尺寸小，结构紧凑。适宜导轨受限机床。动导轨支承，在数控机床上使用滚动导轨有两种形式；滚动滑块式滚柱导轨和组装式直线滚针导轨。静压导轨优点是：工作表面完全处于纯液体摩擦状态下，所以其摩擦系数极低，能使驱动功率降低；导轨运动不受负载和速度限制，且低速时运动均匀，不出现爬行现象。使用寿命小。抗振性好；承载能力大；摩擦发烧小，导轨温升小。它结构形式有开式和闭式两种。2.3 滚珠丝杠设计计算滚珠丝杠负荷包含铣削力及运动部件重量所引发进给抗力。应按铣削时情况计算。（1）最大动负载Q计算2.4 步进电机选择滚珠丝杠负荷包含铣削力及运动部件重量所引发进给抗力。应按铣削时情况计算。（1）最大动负载Q计算2.5 齿轮传动系统设计计算因步进电机步距角，滚珠丝杠螺距 ，要实现脉冲当量，在传动系统中应加一对齿轮降速传动。齿轮传动比选 ，2.6 步进电机惯性负载计算因步进电机步距角表2-3 齿轮尺寸 1728171914.55 283025.5517.5依据等效转动惯量计算公式，得式中： 折算到电机轴上惯性负载（）； 步进电机转轴转动惯量（）；齿轮 转动惯量（）；齿轮 转动惯量（）；滚珠丝杠转动惯量（）；M移动部件质量（）。对材料为钢圆柱零件转动惯量可按下式估算式中：D圆柱零件直径（cm）；L零件长度（cm）。所以电机轴转动惯量很小，能够忽略，则3 控制系统硬件设计3.1微机系统选择X-Y数控工作台控制系统硬件关键包含CPU、传动驱动、传感器、人机交互界面。硬件系统设计时，应注意几点：电机运转平稳、响应性能好、造价低、可维护性、人机交互界面可操作性比很好。3.1.1单片机选型伴随微电子技术水平不停提升，单片微型计算机有了飞跃发展。单片机型号很多，而现在市场上应用MCS-51芯片及其派生兼容芯片比较多，如现在应用最广8位单片机89C51，价格低廉，而性能优良，功效强大。在部分复杂系统中就不得不考虑使用16位单片机，MCS-96系列单片机广泛应用于伺服系统，变频调速等各类要求实时处理控制系统，它含有较强运算和扩展能力。不过定位合理单片机能够节省资源，取得较高性价比。3.1.2电气接口CPU接口部分包含传感器部分、传动驱动部分、人机交互界面三部分。示意图以下所表示：（行程开关）前向通道传动驱动（电磁铁）（步进电机）人机界面传感器AT89S51（键盘、LED）后向通道 图3-1 CPU外部接口示意图AT89S51要完成任务：（1）将行程开关状态读入CPU，经过中止进行处理，它优先等级最高。（2）经过程序实时控制电机和电磁铁运行。（3）接收键盘中止指令，并响应指令，将目前行程开关状态和键盘状态反应到LED上，实现人机交互作用。因为AT89S51只有P1口和P3口是准双向口，但P3口关键以第二功效为主，而且在系统中要用到第二功效中止口，所以要进行I/O扩展。考虑到电路简便性和可实现性，实际中采取内部自带锁存器8155，所以AT89S51I/O口线分配以下：（1）P1.0-P1.5控制X-Y两个方向步进电机A、B、C线圈通电，形成A-AB-B-BC-C-CA-A三相六拍正转模式和A-AC-C-CB-B-BA-A反转模式。（2）P1.6口输出控制电磁铁吸合。（3）P3.2和P3.3两个中止源中INT0优先级最高，它读入行程开关状态并触发中止；INT1读入点动、复位、圆弧插补开关状态而触发中止。（4）P0.0-P0.7外部I/O扩展数据读取。（5）P2.7和P2.6决定8155PA、PB、PC口地址。3.2电机驱动系统设计3.2.1步进电机工作原理和驱动电路步进电机速度控制比较轻易实现，而且不需要反馈电路。设计时脉冲当量为0.01mm，步进电机每走一步，工作台直线行进0.01mm。步进电机驱动电路中采取了光电偶合器，它含有较强抗干扰性，而且含有保护CPU作用，当功放电路出现故障时，不会将大电压加在CPU上使其烧坏。图3-2 步进电机驱动电路图该电路中功放电路是一个单电压功率放大电路，当A相得电时，电动机转动一步。电路中和绕组并联二极管D起到续流作用，即在功放管截止是，使储存在绕组中能量经过二极管形成续流回路泄放，从而保护功放管。和绕组W串联电阻为限流电阻，限制经过绕组电流不至超出额定值，以免电动机发烧厉害被烧坏。因为步进电机采取是三相六拍工作方法（三个线圈A、B、C），其正转通电次序为：A-AB-B-BC-C-CA-A，其反转通电次序为：A-AC-C-CB-B-BA-A。步进时钟A相波形B相波形C相波形图3-3 三相六拍工作方法时相电压波形（正转）3.2.2电磁铁驱动电路该驱动电路也采取了光电偶合器，但其功放电路相对简单。其光电偶合部分采取是达林顿管，因为驱动电磁铁电流比较大。3.2.3电源电路两电机同时工作再加上控制系统用电，所需电源容量比较大，需要选择大容量电源。此系统中用到电源电压为27V、12V、5V，为了便于管理和电源容量需求，就采取了标准27V电源作为基准，经过芯片进行电压转换得到所需12V和5V电压。图3-4 电源转换电路图电路中在转换芯片前后有两个电容，前面电容起预防自激作用，后面电容起滤波作用。另外，在具体应用过程中，LM7805必需加上散热片。3.2.4传感器和人机界面因为步进电机不需要反馈电路，不过要注意工作台不能超出最大行程。所以，必需在X、Y轴方向各加上两个行程开关。这里行程开关作用有两个：（1）预防工作台超出最大行程，使电机损坏（2）能够用和定位。所以这4个行程开关就充当了传感器。4 程序设计4.1总体方案 4.2程序步骤图4.2.1程序结构 4.2.2程序模块 4.2.3 XX子程序 4.2.4 XX子程序4.3程序代码4.3.1子程序14.3.2子程序25 设计总结5.1结论 5.2心得体会5.3组员分工参考文件1 秦爱中.基于ZMP双足步行机器人布态计划研究D.西北工业大学， 2 杨家军机械系统创新设计M武汉：华中理工大学出版社， 3 杨平，廉仲机械电子工程设计M北京：国防工业出版社， 4 吴宗泽.机械设计M北京：高等教育出版社，5Ceres R，Pons FL，Jimenez A RDesign and imp1ementat ion of an aided fruit-harvesting RobotJIndustria1 Robot,1998,25(5)：3373466 Spencer S. Robot milkmaids to become a commercial reality JIndustrial robot,1999,26(2):1121147 张建民，机械一体化系统设计.高等教育出版社.8 任烨.基于机器视觉设施农业内移栽机器人研究D.浙江:浙江大学.,6.9 方建军.移动式采摘机器人研究现实状况和进J.农业工程学报,10 汤修映,张铁中.果蔬收获机器人研究综述J.机器人, 11 王建军，武秋俊.机器人在农业中应用J.农机化研究,(7):17417612 田素博.中国外农业机器人研究进展J.农业机械化和电气化，（2）:35.13 张铁中,魏剑涛.蔬菜嫁接机器人视觉系统研究(I)J.中国农业大学学报,1999,4（4）:4547.14 李牧，陆怀民，方红根，郭秀荣.中国农林机器人研究现实状况及发展趋势J.森林工程, ,19(5):3941.附录清单1机械本体装配图2控制系统电路图3控制程序源代码附录1、工程图纸