机电课程设计xy数控进给工作台设计.doc

1 大学 课程设计（论文）课程设计（论文）内容：X-Y 数控进给工 作台设计 院(系)部：机械工程学院 学生姓名：学 号:专 业：机械电子工程 班 级：指导教师：完成时间：2010-10-08 2 摘摘 要要 当今世界电子技术迅速发展，微处理器、微型计算机在各技术领域得到了广泛应用，对各领域技术的发展起到了极大的推动作用。一个较完善的机电一体化系统，应包含以下几个基本要素：机械本体、动力与驱动部分、执行机构、传感测试部分、控制及信息处理部分。机电一体化是系统技术、计算机与信息处理技术、自动控制技术、检测传感技术、伺服传动技术和机械技术等多学科技术领域综合交叉的技术密集型系统工程。新一代的 CNC 系统这类典型机电一体化产品正朝着高性能、智能化、系统化以及轻量、微型化方向发展。关键字：机电一体化的基础 基本组成要素 特点 发展趋势 3 目目 录录 第一章第一章 课程设计的目的、意义及要求课程设计的目的、意义及要求 4 第一节 课程设计的目的、意义 4 第二节 课程设计的要求 4 第二章第二章 课程设计的内容课程设计的内容 5 第一节 课程设计的内容 5 第二节 课程设计的内容 5 第四章第四章 数控系统总体方案的确定数控系统总体方案的确定 6 第五章第五章 机械部分设计机械部分设计 7 第一节 工作台外形尺寸及重量初步估算 7 第二节 滚动导轨副的计算、选择 8 第三节 滚珠丝杠计算、选择 10 第四节 直流伺服电机的计算选择 12 第五节 联轴器计算、设计 14 第六节 限位开关的选择 15 第七节 光电编码器的选择 15 第六章第六章 机床数控系统硬件电路设计机床数控系统硬件电路设计 15 第一节 设计内容 17 第二节 设计步骤 17 第三节 机床数控系统硬件电路设计 21 第七章第七章 系统控制软件设计系统控制软件设计 23 第八章第八章 参考文献参考文献 26 4 第一章第一章 课程设计的目的、意义及要求课程设计的目的、意义及要求 第一节第一节 课程设计的目的课程设计的目的,意义意义 机电一体化系统设计 课程设计是培养学生设计能力的重要实践性教学环节之一，是综合运用所学过的机械、电子、自动控制、计算机等知识进行的基本设计训练。其目的是：1.能够正确运用机电一体化系统设计课程的基本理论和相关知识，掌握机电一体化系统（产品）的功能构成、特点和设计思想、设计方法，了解设计方案的拟定、比较、分析和计算，培养学生分析问题和解决问题的能力，使学生具有机电一体化系统设计的初步能力；2.通过机械部分设计，掌握机电一体化系统典型机械零部件和执行元件的计算、选型和结构设计方法和步骤；3.通过测试及控制系统方案设计，掌握机电一体化系统控制系统的硬件组成、工作原理，和软件编程思想；4.通过课程设计提高学生应用手册、标准及编写技术说明书的能力，促进学生在科学态度、创新精神、专业技能等方面综合素质的提高。第二节第二节 课程设计的要求课程设计的要求：1.课程设计应在教师的指导下由学生独立完成，严格地要求自己，不允许相互抄袭；2.认真阅读课程设计指导书，明确题目及具体要求；3.认真查阅题目涉及内容的相关文献资料、手册、标准；4.大胆创新，确定合理、可行的总体设计方案；5.机械部分和驱动部分设计思路清晰，计算结果正确，选型合理；6.微机控制系统方案可行，硬件选择合理，软件框图正确；7.手工或电脑绘制机械系统装配图一张（A1），控制系统电气原理一张（A1），图纸符合国家标准，布图合理，内容完整表达清晰；8.课程设计说明书一份（不少于 8000 字），包括：目录，题目及要求，总体方案的确定，机械系统设计，控制系统设计，参考文献等。设计说明书应叙述清楚、表达正确、内容完整、技术术语符合标准。5 第二章第二章 课程设计的内容课程设计的内容 第一节第一节 课程设计题目课程设计题目：X-Y 数控进给工作台设计 已知条件：X 方向行程:300mm Y 方向行程:200mm 工作台面的参考尺寸:500X300mm 平均切削力:1500N 平均切削进给速度:600mm/min 最高运动速度:6m/min 定位精度:0.01mm 工作寿命:每天 8 小时,工作 8 年,250 天/年 第二节第二节 课程设计的内容课程设计的内容 1.1.数控装置总体方案的确定数控装置总体方案的确定 (1).数控装置设计参数的确定；(2).方案的分析，比较，论证。2.2.机械部分的设计机械部分的设计 (1).机械部件的总体尺寸及重量的初步估算；(2).传动元件及导向元件的设计，计算和选用；(3).确定直流电机；(4).绘制机械结构装配图；(5).系统等效惯量计算；(6).系统精度分析。3.3.数控系统的设计数控系统的设计(1).微机及扩展芯片的选用及控制系统框图的设计；(2).I/O 接口电路及伺服控制电路的设计和选用；(3).系统控制软件的设计 4.4.编写课程设计说明书编写课程设计说明书 (1).说明书是课程设计的总结性技术文件，应叙述整个设计的内容，包括总体方案的确定，系统框图的分析，机械传动设计计算，电气部分的设计说明，选用元器件参数的说明，软件设计及其说明；(2).说明书不少于 84 字，尽量用计算机完成。5.5.图纸图纸 (1).机械结构装配图，A0 图纸 1 张。要求视图基本完整，符合标准。其中至少要有一个坐标轴的完整剖视图；6 第三章第三章 数控系统总体方案的确定数控系统总体方案的确定 数控系统总体方案设计的内容包括：系统运动方式的确定，执行机构及传动方案的确定，伺服电机类型及调速方案确定，计算机控制系统的选择。进行方案的分析、比较和论证。1.1.系统运动方式的确定系统运动方式的确定 该系统要求工作台沿各坐标轴的运动有精确的运动关系因此采用连续控制方式。2.2.伺服系统的选择伺服系统的选择 考虑到运动精度要求不高，负载不大，适合采用开环控制方式或采用半闭环控制方式。半闭环伺服系统在负载不大时多采用直流电机作为伺服电机.半闭环控制系统有检测反馈部件，因而能纠正系统的传动误差。但半闭环系统结构较复杂，目前大多数数控机床和工业机器人中的伺服系统都采用半闭环控制。3.3.计算机系统的选择计算机系统的选择 采用 AT89C51 单片机扩展控制系统。该单片机的主要特点是集成度高，可靠性好，功能强，速度快，性价比高。控制系统由微机部分、键盘及显示器、I/O 接口及光电隔离电路、步进功率放大电路等组成。系统的工作程序和控制命令通过键盘操作实现。显示器采用数码管显示加工数据和工作状态等信息。4.4.X XY Y 工作台的传动方式工作台的传动方式 为保证一定的传动精度和平稳性以及结构的紧凑，采用滚珠丝杠螺母传动副。为提高传动刚度和消除间隙，采用有预加载荷的结构。根据机电一体化系统对传动系统的要求：采用低摩擦系数的传动器件：滚珠丝杠、滚动导轨；无间隙联轴器；消除反向传动间隙等。由于工作台的运动部件重量和工作载荷不大，故选用滚动直线导轨副，从而减小工作台的摩擦系数，提高运动平稳性。5.5.确定检测方案确定检测方案 半闭环系统采用增量式光电编码盘检测电机或丝杠转角、转速、零位。6.6.系统总体框图如下系统总体框图如下:7 第四章第四章 机械部分设计机械部分设计 机械部分设计内容包括：工作台外形及重量的初步估算，选择直流伺服电机，传动及导向元件的设计、计算与选择，绘制机械部分装配图等。第一节第一节 工作台外形尺寸及重量初步估算工作台外形尺寸及重量初步估算 根据给定的有效行程，画出工作台简图，估算 X 向和 Y 向工作台承载重量 WX和WY。取 X 向导轨支撑钢球的中心距为 300mm,Y 向导轨支撑钢球的中心距为 200mm,设计工作台简图如下:X 向拖板(上拖板)尺寸为:长*宽*高=630*185*25 重量:按重量=体积*材料比重估算为:Wx=10()20675.0026.063.0108.7025.0185.063.03=465N Y 向拖板(下拖板)尺寸为:415*312*25 重量:按重量=体积*材料比重估算为 Wy=10()2071.0046.0415.0108.7025.0312.0415.03=400N 工作台的尺寸为:500*300*35 重量为 2W=10(5.06014.0011.0025.0108.7035.03.05.023)=300N 夹具、工件重量约 135N 导轨(含电机)重量约 700N X-Y 工作台运动部分总重量为:W=465+400+300+700+135=2000 N 工作台简图 8 第二节第二节 滚动导轨副的计算、选择滚动导轨副的计算、选择 (1)Y 方向导轨 由所给条件得,该导轨的额定工作时间为8 250 816000hLh 由3102ShsTTl n 得3102nlTTsks 则kmnlTTsks57610605.12.016000210233 因滑座数 M=4,所以每根导轨上使用 2 个滑座,由表 2-15-2-18 确定 0.81112chTWffff 则由式 2-9,3)(FfCafffKTwcrhS 得3/SwhTcFTK fCaf f f 3102nlTTsks 50042000MFFN NCa3.27881181.0250/5765003 X 方向导轨 由所给条件得,该导轨的额定工作时间为8 250 816000hLh 由3102ShsTTl n 得kmnlTTsks438106012.016000210233 因滑座数 M=4,所以每根导轨上使用 2 个滑座,由表 2-15-2-18 确定 0.81112chTWffff 则由式 2-9,3)(FfCafffKTwcrhS 得3/SwhTcFTK fCaf f f 50042000MFFN 9 NCa25451181.0250/4385003 选用日本 THK 公司的 LM 导轨的 SSR-XW 型导轨,查表,其中 SSR-20XW 型号的导轨的Ca 值为 19600N,能满足八年的使用要求.基本参数如下:额定载荷/N 静态力矩/N*M 滑 座 重量 导 轨 重量 导轨长度 动载荷 aC 静载荷 oC AT BT CT gK/gKm L(mm)19600 23400 198 198 288 0.25 2.1 700/500 滑座个数 单向行程长度 每分钟往复次数 M Sl n 4 300/200 1.5/1 导轨的额定动载荷17500aC N 依据使用速度v（m/min）和初选导轨的基本动额定载荷aC(kN)验算导轨的工作寿命 Ln：额定行程长度寿命:()HTCaWff fCSfFTK 10 20004500MFMF 1,2,0.81,1,50oTWCHRdffffK kmFfCafffKTwcrhS21.20007550019600281.01150)(33 导轨的额定工作时间寿命:hhnlTTsH160008336467602.012102.200075210303 导轨的工作寿命足够.第三节第三节 滚珠丝杠计算、选择滚珠丝杠计算、选择 由技术要求,平均载荷 F=1500N,丝杠工作长度 L=400mm,工作寿命8 250 816000hLh ,传动精度要求mm01.0 设导程 P=5 mm,则max600120/min560001200/min5mnrnr(1)求计算载荷 NFKKKFmAHFc15000.10.12.1=1800N 由条件,查 机电一体化系统设计 表 2-6 取FK=1.2,查表 2-6 取HK=1.2,表 2-4取 D 精度,查表 2-6 取AK=1.0,(2)计算额定动载荷计算值/aC由式(2-4)NLnFChmca87531067.11600012018001067.13434(3)根据Ca选择滚珠丝杠副 假设选用 FC1 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,查表 2-9 选以下型号规格 FC1-3205-2.5 Ca=10689N 公称直径mmD320 导程5Pmm 螺旋角152 滚珠直径03.175dmm 按表 2-1 中尺寸计算 滚道半径 R=0.520d=0.523.175=1.651mm 11 偏心距)2(707.00dRe0.0449 mm 丝杠内径ReDd2201=32+20.0449-21.651=28.79 mm (4)稳定性验算 1 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 丝杠不会发生失稳的最大载荷称为临界载荷22()acrEIFl 其中 E=206Gpa L=0.3m 448410.021711.09 106464adIm 取23 则29852206 101.09 105.53 102(0.3)3crFN 安全系数535.53 10368.981.5 10crmFSF 查表 2-10 S=2.5-3.3 SS 丝杠是安全的,不会失稳 2高速长丝杠工作时可能发生共振,因此需验算其不会发生共振的最高转速-临界转速crn,要求丝杠的最大转速maxcrnn 221223.927 0.02821991099108293328/min2()(0.3)3ccrf dnrl maxcrnn 所以丝杠不会发生共振 3此外滚珠丝杠副还受0D n值的限制,通常要求 403407 10/min25 120/min3 10/min7 10/minD nmm rD nmm rmm rmm r (5)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0()L m为 202CpFp TLEAGJ 12 式中,A 为丝杠截面积,A=2211();4CdmJ为丝杠的极惯性矩,4411();32CJdmG 为丝杠切变模量,对钢 G=83.3GP a;T(Nm)为转矩.0tan()2mDTF 式中,为摩擦角,其正切函数值为摩擦系数;mF为平均工作载荷.取摩擦系数为 tan=0.003,则得8101 MNMNT 27.1)8101152tan(1023215003 按最不利的情况取(F=mF)mGdTpEdpFGJTpEApFLmC849223293412221201068.5)02879.0(103.83)14.3(27.1)105(16)02879.0(1020614.3150010541642则丝杠在工作长度上的弹性变形所引起的导程误差为 mmpLlL0045.01051068.54.0380 通常要求丝杠的导程误差小于其传动精度的 1/2,即 mmL005.001.02121 该丝杠的L满足上式,所以其刚度可满足要求.(6)效率验算 943.0)8101152tan()152tan()tan(tan 要求在 90%-95%之间,所以该丝杠副合格.经上述计算验证,FC13205-2.5 各项性能均符合题目要求,可选用.第四节第四节 电机的选择电机的选择 1.电机类型选择 在半闭环控制的中小型伺服系统中,可以采用直流电机。2.电动机轴上总当量负载转动惯量计算 滚珠丝杠的转动惯量 12411077.0LDJ 其中 D丝杠公称直径 D=31.5mm L丝杠长度 L=400mm 2412411003.3104005.3177.0mkgJ 滚珠丝杠折算到电机轴上的转动惯量 622102MsJ 13 其中 M工作台（包括工件）的质量 M=（300+135）/10=43.5kg S丝杠的螺距是 5mm 256221076.2105.4325mkgJ 3.直流伺服电机负载转矩的计算 电动机起动时的角加速度maxmaxK 其中max是电动机启起动后的最大角速度（rad/s）;是系统时间常数（s）;K 是系统开环增益（1s）。6.1 2 56012002602maxmaxn rad/s，取 K=251s 2/31406.12525srad 4.电动机最大转矩的确定 伺服电动机在快速起动时的负载转矩一般比正常运行时的负载转矩要大得多，即要求maxTTq 其中qT是电动机启动时的负载转矩；maxT是电动机的最大转矩 rTTmax，其中rT是电动机额定转矩；是电动机的瞬时过载系数，取=8。mNJJT038.131401076.21003.35421 则mNTTr3.8038.18max 5.电动机额定转矩的确定 伺服电动机额定转矩rT可按连续运行时作用在电动机上的负载转矩 T 来确定，即要求rTT 6.电机工作功率的确定 根据已经算出的转矩 T，以及工作要求的转速，可得功率WTP5.1296.125038.1.根据以求的额定转载和工作功率，选择电机为 SZ 系列直流伺服电机，型号为110sz51，具体参数如下表：14 第五节第五节 联轴器的选择联轴器的选择 联轴器额定转矩Ts可按电动机上的负载转矩T来确定，即sTT（mNT3.8）考虑到刚性和精度的要求，以及传动的功率要求不大，因而需要选择刚度高和可以满足无间隙传动的联轴器，因而选择波纹管联轴器，型号为 BK-L-30。该产品使用于编码盘和微型电机，而且可以无间隙传动，可以补偿径向，角向，轴向的误差，而且满足刚度要求，以及满足惯量要求。其基本参数如下表：15 第六节第六节 限位开关的选择限位开关的选择 第七节第七节 光电编码盘的选择光电编码盘的选择 光电编码盘的测量精度较高，它或者与电机的非负载端同轴连接，或者直接安装在电机的特定的部位。能够准确的反应电机的转子的机械位置，从而间接的反映出与电机连接的机械负载的准确的机械位置，从而达到精确控制电机位置的目的。根据定位精度（0.01mm）的要求，光电编码器的分辨率要满足（35）1000 P/R。选用上海精浦机电有限公司的欧系标准系列（4-20mA RS485 输出），能够达到精度要求。特性参数 工作电压:1030Vdc 极性保护 消耗电流:110mA（24Vdc）190mA（12Vdc）输出信号:420mA，RS485，（Easypro 自由协议），可设定长度、角度、速度应用输出 输出负载能力:600 欧姆，标准工作 200-250 欧姆 线性分辨度:1/4096FS EasyPro:编码器附缆线及软件，RS485 信号转 RS232 或转 USB 连接计算机，可EasyPro智能设定 工作温度:-2580 编程时温度范围：070 储存温度:-4080 防护等级:外壳 IP67,转轴 IP65 振动冲击:20g，102000Hz；100g，6ms 允许转速:2400 转/分 输出刷新周期:1ms 连接电缆:1 米屏蔽电缆径向侧出（其余形式可订货）外形特征:金属外壳，密封双轴承结构（见外形尺寸附图 P16）信号调整:可 4mA 输出微调，20 mA 输出微调；可方向设置；可预设位置，外部置位，例如外部置零 16 第六章第六章 控制系统部分设计控制系统部分设计 该控制系统采用的微型机为 89C51 单片机。执行元件采用直流电机。（一）面板的布置图（一）面板的布置图 （二）操作面板功能介绍（二）操作面板功能介绍 1.位移状态选择键 设置两个键分别表示手动或自动操作工作台的移动，通过这两个按键来改变工作台的移动状态。17 2.启动开关 按下此开关机床启动 3.停止键 按下此键机床停车 4进给轴选择按键 按此键切换 X/Y 方向输入 18 5复位键 按下此键工作台复位 6显示器 六位晶体管显示器，显示工作台的位置，精确到 0.01mm。X 向位置 Y 向位置 19 7.正常运行指示灯 灯亮表示机床正常工作 8.警报灯 出现紧急状况的时候报警 9.加减速按键 用于调节机床的转速 20 10.工进、快进按键 在对应的工作状态选择相对的速度 11.ENTER 键 用于表示一段输入完毕 21（三）（三）程序流程图程序流程图 1 主程序流程图 2 工作模式切换流程图 22 3 转速调整流程图 （四）电动机控制原理（四）电动机控制原理 23（五）光电编码盘辨向电路（五）光电编码盘辨向电路 四、程序四、程序 ;/;/自动进给调速自动进给调速/ORG 0000H;/*启动*/MOV TMOD,#10H;选择方式 1 计时 SETB P0.4 MOV 40H,#0D4H MOV 41H,#0D4H BEGIN:MOV A,40H ADD A,#01H MOV 40H,A MOV TL1,A MOV TH1,#0FEH SETB TR1 L1:JBC TF1,L2 SJMP L1 L2:CPL P0.4 MOV A,41H SUBB A,#01H MOV 41H,A MOV TH1,#0FEH MOV TL1,41H 24 SETB TR0 L3:JBC TF1,L4 SJMP L3 L4:CPL P0.4 MOV A,41H CJNE A,#0BBH,L5 SJMP BEGIN2 L5:SJMP BEGIN;/正常运行/BEGIN2:MOV TH1,#0FEH MOV TH1,#0FEH MOV TL1,#0EDH SETB TR1 L6:JBC TF1,L7 SJMP L6 L7:CPL P0.4 MOV TH1,#0FEH MOV TL1,#0BBH SETB TR1 L8:JBC TF1,L9 SJMP L8 L9:CPL P0.4 MOV TH1,#0FEH MOV TL1,#0EDH MOV A,R3 CJNE A,#02H,L10 SJMP BEGIN3 L10:SJMP BEGIN2;/减速，停止/BEGIN3:MOV TMOD,#10H SETB P0.4 MOV 40H,#0EDH MOV 41H,#0BBH MOV A,40H SUBB A,#01H MOV 40H,A MOV TL1,A MOV TH1,#0FEH SETB TR1 L11:JBC TF1,L12 SJMP L11 L12:CPL P0.4 MOV A,41H ADD A,#01H 25 MOV 41H,A MOV TH1,#0FEH MOV TL1,41H SETB TR0 L13:JBC TF1,L14 SJMP L13 L14:CPL P0.4 MOV A,41H CJNE A,#0D4H,L15 SJMP BEGIN3 ;/;/点动进给调速点动进给调速/ORG 0000H MOV TMOD,#10H;选择方式 1 计时 SETB P0.4 MOV 50H,#0FAH MOV A,#0EDH ADD A,R0;R0 为加（减）速要求计数，正脉冲相应的占空比加（减）MOV 40H,A MOV A,#0FEH ADDC A,#00H MOV 41H,A CLR C MOV TL1,40H MOV TH1,41H SETB TR1 L1:JBC TF1,L2 SJMP L1 L2:CPL P0.4 MOV A,#0BBH SUBB A,R0;R0 为加（减）速要求计数，正脉冲相应的占空比减（加)MOV 42H,A MOV A,#0FEH SUBB A,#00H MOV 43H,A MOV TH1,43H MOV TL1,42H SETB TR1 L3:JBC TF1,L4 SJMP L3 L4:CPL P0.4 MOV TH1,40H MOV TL1,41H 26 MOV A,50H SUBB A,#01H MOV 50H,A JNZ L5 SJMP L6 L5:SJMP L1 L6:RET 五、五、参考文献参考文献 1.尤丽华主编.测试技术.机械工业出版社,2006 2.张迎新等主编.单片机初级教程.北京航空航天大学出版社,1999.3.郑堤,唐可洪主编.机电一体化设计基础.机械工业出版社 4.成大先主编 机械设计图册 化学工业出版社,2000 5.吴宗泽，罗圣国主编.机械设计课程设计手册.高等教育出版社，1999 6.尹志强主编.机电一体化系统设计指导书.机械工业出版社 7.文怀兴 夏田主编 数控机床系统设计 化学工业出版社,2005 8.崇凯主编 机械制造技术基础课程设计指南.化学工业出版社,2006 9.郑堤 唐可洪主编机电一体化设计基础.机械工业出版社,1997