数控铣床X-Y工作台设计.docx

机电一体课程设计

说明书

设计题目：数控铣床X-Y工作台设计
班级： 机自0402班
设计者： 111
学号： 0400041024
指导教师： 1222

江南大学机械工程学院
2008年1月

目 录
设计任务…………………………………………………………………………3
一.系统总体方案设计………………………………………………………… 3
(一)机械系统………………………………………………………………… 3

(二)接口设计………………………………………………………………… 3

(三)伺服系统设计…………………………………………………………… 4

(四)控制系统设计…………………………………………………………… 4

二.机械系统的设计计算……………………………………………………… 4
(一) 滚珠丝杠的选型与计算…………………………………………………4

(二) 滚动直线导轨的选型与计算……………………………………………7　

(三) 电机的选择…………………………… ……………………………… 8

(四)光电开关的选择…………………………………………………………10

(五)限位开关的选择………………………………… ……………………10

三 控制系统设计………………………………………………………………12
1.操作面板的布置图…………………………………………………………12
2.操作面板功能介绍…………………………………………………………12
3.控制系统原理框图…………………………………………………………15
5、光电开关和限位开关信号采集原理…………………… ………………15

6、键盘、显示器接口电路分析…………………………………… ………15

四 程序………………………………………………………………… ……16

五 参考文献……………………………………………………………………19

设计任务: 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:
工作寿命:每天8小时,工作8年,250天/年
一.系统总体方案设计

由设计任务书知,本次设计可采用如下方案
(一)机械系统
1.传动机构采用滚珠丝杠副
2.导向机构采用滚动直线导轨
3.执行机构采用步进电机
(二)接口设计
1.人机接口
(1)采用键盘作为输入
(2)采用LED作为指示标志
(3)采用数码管作为显示器
2.机电接口
采用光电耦合器作为微型机与步进电动机驱动电路的接口,实现电气隔离.
(三)伺服系统设计
采用开环控制
(四)控制系统设计

二.机械系统的设计计算
(一)滚珠丝杠的选型与计算
由技术要求,平均载荷F=1500N,丝杠工作长度L=300mm,
工作寿命,传动精度要求
设导程P=5 mm ,则
(1) 求计算载荷

由条件,查《机电一体化系统设计》表2-6取=1.2, 查表2-6取=1.2, 表2-4取D精度, 查表2-6取=1.0,
(2)计算额定动载荷计算值Ca`由式(2-4)

(3)根据选择滚珠丝杠副 假设选用FC1型号,按滚珠丝杠副的额定动载荷Ca 等于或稍大于的原则,查表2-9选以下型号规格
FC1-2505-2.5 Ca=9610
公称直径 导程 螺旋角 滚珠直径
按表2-1中尺寸计算
滚道半径 R=0..52=0.523.175=1.651mm
偏心距
丝杠内径
(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
其中 E=206Gpa
L=0.3m

取 则
安全系数
查表2-10 [S]=2.5-3.3 S>[S] 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,要求丝杠的最大转速

所以丝杠不会发生共振
〈3〉此外滚珠丝杠副还受值的限制,通常要求

(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为

式中,A为丝杠截面积,A=为丝杠的极惯性矩, G为丝杠切变模量,对钢G=83.3GP a;T(Nm)为转矩.

式中, 为摩擦角,其正切函数值为摩擦系数; 为平均工作载荷.取摩擦系数为
,则得

按最不利的情况取(F=)

则丝杠在工作长度上的弹性变形所引起的导程误差为

通常要求丝杠的导程误差小于其传动精度的1/2,即

该丝杠的满足上式,所以其刚度可满足要求.
(6)效率验算

要求在90%---95%之间,所以该丝杠副合格.
经上述计算验证,FC1-2505-2.5各项性能均符合题目要求,可选用.
(二)滚动直线导轨的选型与计算
(1)Y方向导轨
由所给条件得,该导轨的额定工作时间为
由 得
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

则由式2-9,
得
X方向导轨
由所给条件得,该导轨的额定工作时间为
由 得
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

则由式2-9,
得

选用汉江机床厂的HJG-D系列滚动直线导轨,查表2-13,其中HJG-D26型号的导轨的Ca值为17600,能满足八年的使用要求.

(三)电机的选择
1. 电机类型选择
在开环控制的中小型伺服系统中,可以采用步进电机。
减速器传动比计算

选各传动齿轮齿数分别为=20, =40,模数m=2mm,齿宽b=20mm.。大齿轮采用双圆柱薄片齿轮错齿调整。强度强度检验略。
2. 电动机轴上总当量负载转动惯量计算
初选步进电机75BF001, =

将各传动惯量及工作台质量折算到电动机轴上，得总当量负载转动惯量。

惯量匹配验算
，满足要求。
4步进电机负载能力校验
步进电动机轴上得总惯量：

空载启动时，电动机轴上得惯性转矩：

电动机轴上得当量摩擦转矩：

设滚动丝杠螺母副得预紧力为最大轴向载荷得,则因预紧力而引起的、折算到电动机轴上的附加摩擦转矩为

工作台上的最大轴向载荷折算到电动机轴上的负载转矩为

于是空载启动时电动机轴上的总负载转矩为

在最大外载荷下工作时，电动机轴上的总负载转矩为

按表5-5查得空载启动时所需电动机最大静转矩为

按式5-39可求得在最大外载荷下工作时所需电动机最大静转矩为

　 （四）光电开关的选择  

产品简介
E3R型放大器内置型光电传感器，低成本，小型光电传感器，采用了耐药品、耐油性都很优秀的特氟龙（PFA）能够民晶圆片洗净槽的硫酸等高温液体的检测相对应。（-40 ~ +200℃），实现了0.5mm的高重复精度。采用了防止液体的结构。

应用范围
能为制造过程提供高性能的目标探测、定位和高分辨率检测,适用于半导体工业中的目标检测等应用

产品性能说明
检测方式：对射型检出距离：5M 动作模态：遮光时ON，入光时ON（可切换）
选择的产品型号：E3R-5E4 2M BY OMC
（五）接近开关的选择

选用CLJ-A系列M8*1非埋入式
来源于：
三、控制系统部分设计
该控制系统采用的微型机为80C51单片机。执行元件采用直流电机
（一）面板的布置图

图五、面板示意图
（二）操作面板功能介绍
1.位移状态选择开关
以手动或自动操作工作台的移动时，可通过旋转此开关来改变工作台的移动状态。

位移控制
2．启动开关（按下此开关机床启动）

3．停车开关（按下此开关机床停车。）

4．进给轴选择按钮开关
按下欲运动的轴的按钮。被选择的轴会以相应的倍率进行移动，松开按钮则轴停止移动。

5．回零位键（按下此键工作台回零位）

6．显示器
八位晶体管显示器，显示工作台的位置，精确到0.001mm。

X向位置

Y向位置
7.X零位指示灯
「ON」表示X向工作台回零位。
「OFF」表示X向工作台没有回零位。

8.X限位报警
「ON」表示X向工作台到达极限位置，需要紧急停车。
「OFF」表示X向工作台没有回零位

9.Y零位指示灯
「ON」表示Y向工作台回零位。
「OFF」表示Y向工作台没有回零位。

10.Y限位报警
「ON」表示Y向工作台到达极限位置，需要紧急停车。
「OFF」表示Y向工作台没有回零位

11.正常运行指示灯
「ON」表示机床正常运行。
「OFF」表示机床没有正常运行
（三）控制系统原理框图

图六、控制系统原理框图
（四）电动机控制原理
步进电机控制接口电路如图八所示。

图八、电动机接口电路图
（六）键盘、显示器接口电路分析
键盘、显示器接口电路如图十一所示。
8279的SL0用来判断显示X向或显示Y向位移，SL1-SL3经两片74LS138分成16路作为发光二极管的位选信号，OUTA0-OUTA4和OUTB0-OUTB4送出段选信号。在位选信号中选出5条作为键盘列扫描信号。

图十一、键盘、显示器接口电路
四、程序
（一）步进电机控制程序
ORG 8100H
ROUTN2: MOV R2, COUNT ;步进电机步数
LOOP0: MOV R3, #00H
MOV DPTR , #POINT ;送控制模型指针
JNB 00H,LOOP2 ；反转，转LOOP2
LOOP1： MOV A,R3 ;取控制模型
MOVC A ,@A+DPTR
JZ LOOP0
MOV P1,A
ACALL DELAY ;延时
INC R3
DJNZ R2,LOOP1 ;步数未走完，继续
RET
LOOP2: MOV A, R3 ;
ADD A,#07H
MOV R3,A
AJMP LOOP1
（二）键盘程序
MOV DPTR,#7FFFH ;指向8279控制口
MOV A ,#00H ;键盘设置为编码扫描，双键锁定方式
MOVX @DPTR, A ;输出控制字
MOV A ,#2FH ;置分频数为15
MOVX @DPTR , A ;输出控制字
KO: MOV 30H,#1
LCALL LS
LJMP KEY
K1: MOV 30H,#6
LCALL LS
LJMP KEY
K2: MOV A , #0EH
MOV DPTR , ##17FFH ;指向8355 C口，输出X向电机正转代码
MOVX @DPTR ,A
LJMP KEY
K3: MOV 30H,#2
LCALL LS
LJMP KEY
K4: MOV 30H,#7
LCALL LS
LJMP KEY
K5: MOV A , #0DH
MOV DPTR , ##17FFH ;指向8355 C口，输出X向电机反转代码
MOVX @DPTR ,A
LJMP KEY
K6: MOV 30H,#3
LCALL LS
LJMP KEY
K7: MOV 30H,#8
LCALL LS
LJMP KEY
K8: 回零位
K9: MOV 30H,#4
LCALL LS
LJMP KEY
K10: MOV 30H,#9
LCALL LS
LJMP KEY
K11: MOV A , #0BH
MOV DPTR , ##17FFH ;指向8255 C口，输出Y向电机正转代码
MOVX @DPTR ,A
LJMP KEY
K12: MOV 30H,#5
LCALL LS
LJMP KEY
K13: MOV 30H,#0
LCALL LS
LJMP KEY
K14: MOV A , #07H
MOV DPTR , ##17FFH ;指向8355 C口，输出Y向电机反转代码
MOVX @DPTR ,A
LJMP KEY
（三）显示程序
LS ：MOV DPTR,#7FFFH ;指向8279控制口
MOV A ,#08H ;16位显示，左入口
MOVX @DPTR, A ;输出控制字
MOV A ,#2FH ;置分频数为15
MOV A ,#90H
MOVX @DPTR , A ;输出控制字
MOV R0 ,#30H
MOV R2 ,#10H
MOV DPTR,#6FFFH ;指向8279数据口
AGAIN：MOV A ，@R0 ;从片内RAM中取出段选码
MOVX @ DPTR,A
INC R0
DJNZ R2 ,AGAIN ;16位未完，继续
五、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. 成大先主编 机械设计手册(减速器.电机与电器). 化学工业出版社,2004
6.机电一体化技术手册编委会编. 机电一体化技术手册(上.下). 机械工业出版社,1999
7.高学山编著. 光机电一体化系统典型实例. 机械工业出版社,2006
,
8.潘新民,王燕芳主编.微型计算机控制技术.电子工业出版社,2005.