x-y工作台课程设计.doc

课程设计说明书课程名称： 设计题专 班 姓 名学 号： 指导教设计时间：2016年12月29日2017年 1 月 6 日目录一、课程设计的题目及要求11、题目12、要求1二、总体方案的确定2三、XY二维工作台机械系统设计31、工作台的初步设计32、滚动导轨的参数确定33、滚珠丝杆计算、选择44、步进电机的选择75、齿轮计算、设计76、步进电机等效负载计算87、机械传动结构装配11四、XY二维工作台控制系统硬件电路设计121、硬件电路总体方案设计122、主控制器的选择133、键盘、显示接口电路设计144、步进电机驱动电路设计155、其它辅助电路设计15五、系统控制软件的设计161、开发环境和设计语言简介162、系统控制软件的主要内容183、键盘、显示子程序的设计194、步进电机控制子程序的设计20六、课程设计的心得和体会22参考文献23一、课程设计的题目及要求1、 题目：步进电机驱动的XY二维工作台设计已知条件：定位精度：0.01mm，滚珠丝杠及导轨使用寿命：T=15000h，中等冲击，各题目的有效行程、快速进给速度和工作载荷见下表：表1工作台运动要求表题号有效行程(mm)快速进给速度(mm/min)工作载荷Fz (N)LxLyvmaxvymax177005002000250012002、要求1.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，不允许互相抄袭。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.绘制机械系统零件图一张（A3）、装配图一张（A3），控制系统硬件电路原理图一张（A3），编写软件代码一份，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5000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。二、 总体方案的确定根据设计任务确定系统的总体机械和控制系统方案：进行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、系统运动方式与控制方式采用连续控制系统，开环或闭环控制方式。考虑到运动精度要求不高，为简化结构，建议大多数同学采用步进电机开环系统驱动。2、计算机系统建议采用教科书上的MSC-51系列单片机。控制系统应该包括微机部分、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。系统的工作程序和控制指令通过键盘操作实现。采用数码管显示加工和工作状态等信息。三、 XY二维工作台机械系统设计1、工作台的初步设计1.1、确定系统脉冲当量脉冲当量p是一个进给指令时工作台的位移量，应小于等于工作台的位置精度，一般为0.010.005mm，本次设计取值0.005mm.1.2、工作台的初步设计根据给定的有效行程，画出工作台简图，如下：图1 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400mm，y向导轨支撑钢球的中心距380mm,工作台的材料为号钢，其密度为，（取）。工作台重量的估算如下：X向拖板（工作台上拖板）的尺寸为：重量:Y向拖板（工作台下拖板）的尺寸为：重量:导轨座的尺寸依据XY向的行程选取：上导轨的重量主要包括了导轨座、导轨副以及电机的重量，查阅南京工艺装备制造有限公司的导轨副型号及其质量，得到上导轨的重量为：另外，包括滚珠丝杠、电机、联轴器、减速器等一些部件约重100NX-Y工作台运动部分的总重量为:2、滚动导轨参数的确定根据给定的工作载荷Fz和估算的Wx和Wy计算导轨的静安全系数fSL=C0/P，式中：C0为导轨的基本静额定载荷，kN；工作载荷P=0.5(Fz+W)；fSL=1.03.0(一般运行状况)，3.05.0（运动时受冲击、振动）。根据计算结果查有关资料初选导轨： 依据使用速度v（m/min）和初选导轨的基本动额定载荷C(kN)验算导轨的工作寿命Ln： (hour)由设计的要求知道，工作台工作时收到的是中等冲击，故静安全系数取4.0 由以上算出来的额定静载荷初选导轨，选择型号为GGC128AK（南京工艺装备制造有限公司制造）。表2 直线滚动导轨副相应参数导轨副尺寸滑块尺寸HWrB1L1B2L1Mil0B2M2L2168.5104046.42520M33.56M432.4导轨尺寸额定动载C(KN)额定静载C0(KN）重量B1H1dDh单根最大长度（mm）滑块/个导轨/米248.54.584.512004.454.60.061.87由公式计算得：由以上计算验证该导轨满足使用的要求。3、滚珠丝杆计算、选择初选丝杠材质：CrWMn钢，HRC5860，导程：l0=5mm。3.1、强度计算丝杠轴向力：(N)式中：K=1.15，滚动导轨摩擦系数f=0.0030005；在车床车削外圆时：Fx=(0.10.6)Fz，Fy=(0.150.7)Fz，可取Fx=0.5Fz，Fy=0.6Fz计算。取f=0.004，受到垂直载荷=1200N,则：=0.51200N=600N=0.61200=720N=1.15600+0.004(1200+376.6)N=763N=1.15720+0.004(1200+367)N=891N滚珠丝杠寿命系数：，其中丝杠转速(r/min) X方向：=r/min=400r/min=360Y方向：=r/min=500450最大动载荷：式中：fW为载荷系数，中等冲击时为1.21.5；fH为硬度系数，HRC58时为1.0。本设计中，根据设计要求取fW=1.3,fH=1.0X方向的滚珠丝杠：=7056.2N=8876.2N根据使用情况选择滚珠丝杠螺母的结构形式，并根据最大动载荷的数值可选择滚珠丝杠的型号,参考机电一体化课程设计指导书表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型滚珠丝杆副，相应的参数为：表3 2005-3型滚珠丝杆相应参数型号公称直径/mm基本导程/mm钢球直径/mm丝杠底径/mm丝杆外径/mm循环列数油环/m额定载荷/N动载荷静载荷2005-3GGDM2053.17516.219.3332930921569螺母安装尺寸 mm刚度N/umDLBHGGGD36604846801165.810234467为内旋坏固定反向单螺母式，它的公称直径是20mm，导程是5mm，循环滚珠为3圈1列，精度等级要求不高，可以取5级，额定动载荷为9309N，大于，满足要求。3.2、传递效率的计算丝杠螺母副的传动效率为：式中：=10，为摩擦角；为丝杠螺旋升角；已知公称直径=20mm，导程=5mm,带入螺旋角计算公式得=。将摩擦角=10带入效率计算公式得：=0.963）、稳定性验算若丝杠两端采用止推轴承时不需要稳定性验算，本次设计中丝杆两端选用深沟球轴承，故须进行稳定性验算：式中 ：实际承受载荷的能力，N； ：压杆稳定的支承系数，本次设计中为单推单推式，查阅表3-41，取1；：钢的弹性模量，E=2.1x1011Pa；：滚珠丝杆底径的抗弯截面惯性矩，；：压杆稳定安全系数，一般取为2.5-4，垂直安装时取最小值，本次为卧式安装，取3.：为丝杠长度，由设计要求知x方向和y方向的有效行程分别为700mm和500mm。由以上的计算可知,所以丝杆满足使用要求，合格。3.4、刚度验算滚珠丝杠受工作负载引起的导程变化量为：(cm)Y向收到的轴向力较大，故只需计算Y向的刚度，取=891N=2.1=1.01m=1.01cm=1.01=2m/mE级精度丝杠允许的螺距误差 =15m/m ,故满足刚度要求。4、步进电机的选择初选电机的步距角为：=0.75/step5、齿轮计算、设计初选电机的步距角为：=0.75/step，计算齿轮的传动比：传动比： 取大齿轮的齿数为75，小齿轮的齿数为36，大小齿轮的材料均为45号钢；由于齿轮生产工艺简单、生产率高，故选择软齿面齿轮；有前面的计算知齿轮传递的扭矩较小，选取齿轮的模数m=1mm，则齿轮相应的参数计算为：分度圆直径：36mm，75mm；齿顶圆直径：38mm，=77mm；齿根圆直径：=33.5mm，=72.5mm；中心距：a=m（）/2=50.5mm；分度圆直径：；大小齿轮均采用将开线标准圆柱齿轮。1、2-薄齿轮, 3弹簧, 4、8凸耳, 5调节螺钉, 6、7螺母图2 双片齿轮错齿消隙结构图6、步进电机等效负载计算6.1、等效转动惯量的计算折算到步进电机轴上的工作台的等效转动惯量Jw：=折算到步进电机轴上的齿轮1、齿轮2的等效转动惯量Jz1，Jz2：=3.21kg=5.41kg折算到步进电机轴上的丝杠的等效转动惯量Js:0.86Ckg折算到步进电机轴上的等效负载转动惯量为：(kgcm2)=(5.35+3.21+1.44)kg/=10.0kg6.2、等效负载转矩计算 计算加在步进电机转轴上的等效负载转矩，分为快速空载启动和承受最大工作负载两种情况进行计算。空载时的摩擦转矩： (Nm) u-导轨的摩擦因数，滚动导轨去0.005；W-工作台垂直方向受到的切削力载荷重量；-为考虑丝杠预紧时的传动效率，去0.8；带入上式计算的:(Nm)工作时的负载转矩：(Nm)X方向：=(Nm)=0.373(Nm)Y方向：=(Nm)=0.434(Nm)=0.434(Nm)6.3、起动惯性阻转矩计算:(Nm)式中电机转速m=2nm/60,t-起动加速时间，取值为0.025s；-对应空载最快移动速度的步进电机最高速度，单位为r/min;-空载最快移动速度，本次设计中给的是y方向最快为2500mm/min;-步进电机的步距角，预选电机为；带入相应的参数计算得：m=2nm/60=107rad/s=(Nm)=0.428(Nm)6.4、步进电机输出轴上总负载转矩计算(Nm)=0.011+0.434+0.428(Nm)=0.873(Nm)步进电机的选择：为使步进电机正常起动（不失步），其起动力矩应满足：取=2.18(Nm)步进电机的最高运行频率为：=8333Hz综合以上计算的参数，参照机电一体化课程设计设计指导书表4-5选择永磁式步进电动机，型号为90BYG2062，电机的主要参数如下：表4 90YG2062型电机相应参数型号相数步距角/()电压/V电流/A最大静转矩/（Nm）空载启动频率/Hz空载运行频率Hz转动惯量/(Kg)90BYG20622/40.75/1.51004618002000046.5、步进电动机的性能校核最快工进速度时电动机输出转矩的校核，任务书给定的工作平台的工作速度最大为2500mm/min，脉冲当量为0.005mm，由公式：查阅90BYG2602电动机的运行矩频特性图可以知道，在这个频率下，电动机的输出转矩Nm，远大于最大工作负载Nm满足工作要求。最快空载移动时电动机输出转矩校核：设工作台最快空载移动速度3000mm/min,求出相应：同理查的在该频率下的电动机输出转矩Nm,大于启动惯性转矩N，满足要求。最快空载移动时电动机运行频率校核：与Vmax=3000mm/min对应的电动机fmax=10000HZ,而90BYG2602电动机的空载运行频率可达20000HZ，可见没超出上限。起动频率的计算：已知电动机转轴上的总转动惯量，由电动机的参数知道电动机转子的转动惯量，电动机不带任何负载时的空载启动频率=1800Hz,计算得步进电机克服惯性负载的启动频率：=962Hz上式说明，要想保证步进电机启动时不失步，任何时候启动频率都必须小于962Hz，在实际的软件升降频时，启动频率选的更低，通常只有100Hz（即100脉冲/s）.综合上面的设计选择及验证，说明本次选用的步进电机满足设计的要求。7、 机械传动结构装配依据前面计算得工作台、导轨副、导轨座的尺寸，可以确定整个工作台的的整体尺寸，依据工作的加工要求、工况要求，计算得到直线导轨副、滚珠丝杆、步进电机的响应型号，最后确定画出X-Y工作平台的装配图和零件图。装配图和零件图见相应的CAD图纸。四 控制系统硬件电路设计1、硬件电路总体方案设计1.1设计步骤.按照总统方案以及机械结构的控制要求，确定硬件电路的方案，并绘制系统电气控制的结构框图；.选择计算机或中央处理单元的类型；.根据控制系统的具体要求设计存储器扩展电路；.根据控制对象以及系统工作要求设计检测电路，转换电路以及驱动电路等；.选择控制电路中各器件及电气元件的参数和型号；1.2确定硬件电路的总体方案数控系统的硬件电路由以下几部分组成：1)主控制器。即中央处理单元CPU2)总线。包括数据总线，地址总线，控制总线。3)存储器。包括只读可编程序存储器和随机读写数据存储器。4)接口。即I/O输入输出接口。数控系统的硬件框图如下所示：CPUI/O接口信号变换接口控制对象接口存储器RAMROM外设图3 数控系统的硬件框图2、主控制器选择MCS-51系列单片机是集中，端口及部分等为一体的功能性很强的控制器。只需增加少量外围元件就可以构成一个完整的微机控制系统，并且开发手段齐全，指令系统功能强大，编程灵活，硬件资料丰富。本次设计选用8052芯片作为主控芯片。3、键盘显示接口电路设计图4 键盘显示器4、步进电机驱动电路设计4.1、光电隔离电路在步进电机驱动电路中，单片机输出的信号经放大后控制步进电机的励磁绕组。如果将输出信号直接与功率放大器相连，将会引起电气干扰。因此在接口电路与功率放大器间加上隔离电路实现电气隔离，通常使用光电耦合器。图5 光电隔离电路4.2、功率放大器脉冲分配器的输出功率很小，远不能满足步进电机的需要，必须将其输出信号放大产生足够大的功率，才能驱动步进电机正常运转。因此必须选用功率放大器，需根据步进电机容量功率放大器。图6 ULN2803芯片5、其他辅助电路设计5.1、8052的时钟电路内部方式利用芯片的内部振荡电路，在XTAL1,XTAL2引脚上外接定时元件，如下图所示。晶体可以在1.212之间任意选择，耦合电容在533pF之间，对时钟有微调作用。采用外部时钟方式时，可将XTAL1直接接地，XTAL2接外部时钟源。图7 8052时钟电路5.2、复位电路单片机的复位都是靠外部电路实现。在时钟工作后，只要在RESET引脚上出现10ms以上的高电平，单片机就实现状态复位。图8 复位电路5.3、越界报警电路为了防止工作台越界，可分别在极限位置安装限位开关。8052利接成从光敏三极管的集电极输出接至8051的外部中断引脚（INT0或INT1），采用中断方式检查越界信号。五 系统控制系统软件设计1、开发环境设计语言简介Proteus ISIS是美国Labcenter公司开发的电路分析与实物仿真软件。它运行于Windows操作系统上，可以仿真、分析（SPICE）各种模拟器件和集成电路，该软件的特点是： 实现了单片机仿真和SPICE电路仿真相结合。具有模拟电路仿真、数字电路仿真、单片机及其外围电路组成的系统的仿真、RS232动态仿真、SPI调试器、键盘和LCD系统仿真的功能；有各种虚拟仪器，如示波器、逻辑分析仪、信号发生器等。 支持主流单片机系统的仿真。目前支持的单片机类型有：68000系列、8051系列、AVR系列、PIC12系列、PIC16系列、PIC18系列、Z80系列、HC11系列以及各种外围芯片。2、系统控制软件的主要内容 按照功能可将控制系统的控制软件分为以下几部分内容：系统管理程序：接收命令、执行命令及从命令处理程序返回到管理程序接收命令的环节， 使系统处于新的等待操作状态。伺服控制程序：根据插补运算的结果或操作者的命令控制伺服电转角及方向。诊断程序：超行程处理、紧急停机处理、系统故障诊断、查错等。键盘操作和显示处理程序：监视键盘操作、显示加工程序、操作命令等。3、键盘、显示子程序设计3.1时间常数的确定在步进电机控制程序中，利用单片机的定时器中断，延时产生进给脉冲的时间间隔。此间隔由送入定时器的时间常数决定。时间常数由下式计算：3.2程序设计框图系统初始化N按键？Yflag清零输出脉冲并计数显示移动位移等待key0关闭送入计数初值送入计数初值送入计数初值送入计数初值等待定时器中断等待定时器中断等待定时器中断等待定时器中断系统停止direction=1direction=2direction=3direction=4Key0按下Key1按下Key2按下Key3按下Key4按下Flag=3，y轴步进电机正转转Flag=2，x轴步进电机反转Flag=1，x轴步进电机正转Flag=4，y轴步进电机反转六、 课程设计的心得和体会这次的课程设计是一次综合性的设计，对我们的要求较高，需要我们掌握较好的机械知识和电气方面的，能将理论的知识运用实践之中，对我们的技能要求主要是：知识的正确运用、设计的整体思想、CAD软件、proteus软件、keil软件及相应专业相关软件的熟练运用，该课程设计是机械课程当中一个重要环节通过了2周的课程设计使我从各个方面都受到了机械设计的训练，对机械的有关各个零部件有机的结合在一起得到了深刻的认识，对CAD的运用能力和熟练程度有了很大的提升，同时也对电子方面，包括单片机、程序、电路都有了很大程度的学习和提高。由于在设计方面我们没有经验，理论知识学的不牢固，在设计中难免会出现这样那样的问题，如：在选择计算标准件是可能会出现误差，如果是联系紧密或者循序渐进的计算误差会更大，在查表和计算上精度不够准，通过本次课程设计，其一使我对本课程和本专业有了更深刻的认识。把我们大学四年所学知识的有机的结合起来，有很多标准需要我们耐心再设计手册上查找，要反复计算，并验算、修正计算结果，直至达到国家的设计标准和课程设计的设计要求，更进一步增强了我们严谨求实、不怕困难的学习态度，同时也增进了自己的知识量。总之，本次的课程设计对自己的培养作用非常的大，在这个过程中，积极思考，结合之前所学习的知识，不懂得查阅相应资料或与同学相互讨论，确保得到正确的结论，但在这个过程中热然还有许多的不足，在今后的学习或是工作中会更多的注意并加以改善。参考文献1 张建民.机电一体化系统设计.北京理工出版社,20042 濮良贵.记名刚.机械设计.北京:高等教育出版社,20033孙恒.陈作摸.机械原理.北京.高等教育出版社.20134杨入清.现代机械设计系统与结构.上海:上海科学技术文献出版社.20005王巍，机械制图，机械工业出版社.20006成大先, 机械设计手册, 机械工业出版社.2002.7 房小翠.单片微型计算机与机电接口技术.国防工业出版社,20028 郑学坚,周斌.微型计算机原理及应用.清华大学出版社.20038 李广弟.朱月秀.单片机基础.北京航空航天大学出版社.2007附件#include#define uchar unsigned char#define uint unsigned intuchar displaydate6;uchar code duan17=0xC0,0xF9,0xA4,0xB0,0x99,0x92,0x82,0xF8,0x80,0x90,0x88,0x83,0xC6,0xA1,0x86,0x8E; /段选码uchar code wei6=0x01,0x02,0x04,0x08,0x10,0x20; /位选码uchar code xz8=0xFE,0xFC,0xFD,0xF9,0xFB,0xF3,0xF7,0xF6;uchar code xf8=0xFE,0xF6,0xF7,0xF3,0xFB,0xF9,0xFD,0xFC;uchar code yz8=0xEF,0xCF,0xDF,0x9F,0xBF,0x3F,0x7F,0x6F;uchar code yf8=0xEF,0x6F,0x7F,0x3F,0xBF,0x9F,0xDF,0xCF;sbit key1=P34; /x正转sbit key2=P35; /x反转sbit key3=P36; /y正转sbit key4=P37; /y反转void display(uchar xc,uchar yc,uchar xq,uchar yq);void delay(uchar z) /延时1msuchar x,y;for(x=0;x0;y-); uchar direction=0,flag=0; uint xc=0,yc=0,xq=0,yq=0;void main() uchar i; P0=0x00; TMOD=0X01; TH0=65036/256; TL0=65036%256; EA=1; TR0=1; ET0=1; IT0=0; EX0=1; while(1) if(key1=0) delay(5); while(key1=0) direction=1; for(i=0;i8;i+)P1=xzi;while(flag!=1);flag=0;/delay(1); /x正转 direction=0;if(key2=0) delay(5); while(key2=0) direction=2; for(i=0;i8;i+) P1=xfi;while(flag!=2);flag=0; /delay(1); /x反转 direction=0; if(key3=0) delay(5); while(key3=0) direction=3; 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