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1、X-Y数控工作台机电系统设计 ———————————————————————————————— 作者： ———————————————————————————————— 日期： 46 个人收集整理 勿做商业用途
2、 毕 业 论 文设 计 X-Y数控工作台机电系统设计 学生姓名 学 号 专 业 械设计制造及其自动化 班 级 指导教师 学 部 机电工程学部 答辩日期 黑龙江东方学院学士学位毕业论文 I X—Y数控工作台机电系统设计 摘 要 X-Y数控工作台机电系统设计 是一个开环控制系统，其结构简单.实现方便而且 能够保证一定的精度。降低成本,是微机控制技术的最简单的应用.它充分的利用
3、了 危机的软件硬件功能以实现对机床的控制；使机床的加工范围扩大,精度和可靠性进 一步得到提高。X—Y数控工作台机电系统设计是利用8031单片机，及2764,6264存储 器及8155芯片等硬件组成，在控制系统的硬件上编写一定的程序以实现一定的加工 功能。其基本思想是:通过圆弧或者直线插补程序以实现对零件进行几何加工,每进行 一段加工都要产生一定的脉冲以驱动电机正反转,同时通过8155（1）将相应的加工进 刀信息送至刀架库中以实现以之相应的走刀，电机和刀具的相对运动所以实现了刀具 对工件的加工.该控制系统采用软件中断控制系统结构及子程序结构简单条件明确
4、 在经济型数控中应用较多。中断结构采用模块化结构设计因为这种结构便于修改和扩 充编制较为方便便于向多处理方向发展。X—Y数控工作台机电系统设计采用步进 电机作为驱动装置。步进电机是一个将脉冲信号转移成角位移的机电式数模转换器装 置。其工作原理是每给一个脉冲便在定子电路中产生一定的空间旋转磁场由于步 进电机通的是三相交流电所以输入的脉冲数目及时间间隔不同转子的旋转快慢及旋 转时间的长短也是不同的.由于旋转磁场对放入其中的通电导体既转子切割磁力线时 具有力的作用从实现了旋转磁场的转动迫使转子作相应的转动所以转子才可以实 现转子带动丝杠作
5、相应的运动。本题目是步进电机微型计算机插补原理汇编语 言的综合应用本题目设计得到了老师的帮助和支持最后由董玉红老师审定在此 表示感谢.本题目由方世龙完成共分六章第一章主要设计总体方案设计第二章主 要设计了机械系统设计第三章主要设计了控制系统硬件设计第四章主要设计控制 系统软件设计第五章主要是本设计的附录。因本人水平有限错误和不足之处在所 难免处理问题也有不妥之处敬请相关老师批评指正。 关键词X-Y数控工作台机电系统微型计算机6264存储器黑龙江东方学院学士学位毕业论文 X—Y NC Worktable Mechatr
6、onics System Design Abstract CNC XY table is a mechanical and electrical systems design open—loop control system， its structure is simple。 Realization of convenience and can guarantee a certain accuracy。 Reduce costs, computer control technology is the most simple application. It full use of t
7、he software hardware crisis To achieve the functions of the machine control； to expand the scope of the processing machine tools, precision and reliability has been further improved. XY NC table is the use of mechanical and electrical systems design SCM 8031, 2764，6264 and 8155 and memor
8、y chips and other hardware components , In the control system of hardware on the preparation of certain procedures in order to achieve a certain processing functions。 The basic idea is: circular or linear interpolation procedures to achieve the geometry of the parts for processing, every se
9、ction of the processing should have a certain impulse to Electric drives positive and， through 8155 (1） corresponding to the processing of information sent to the turret into the knife in order to achieve the corresponding go to the knife， the electrical and tool to achieve the relative mov
10、ement of the tool so the processing of the workpiece. The control system uses software interrupt control system structure and subroutine is simple， clear in the economic conditions in the application of NC more。 Disruption of a modular structure because such a structure designed to facilita
11、te revision and expansion, the establishment of more convenient, easy to handle and more direction. CNC XY table designed by mechanical and electrical systems as a stepping motor-driven devices. Stepper motor is a pulse will be transferred into angular displacement of the Electrical and
12、Mechanical—DAC devices. Its working principle is： each to a pulse in the stator circuit will have a certain space in rotating magnetic field; because of the stepper motor is the three-phase AC—so enter the number of pulses and different time intervals， the rotation speed of the rotor and th
13、e length of rotation Are different. As the rotating magnetic field into which both the rotor cutting electricity conductor when a magnetic line of force， to achieve a rotating magnetic field from the force rotation for the corresponding rotor rotation， the rotor can achieve rotor lead screw
14、 for the corresponding movement。 This topic is the stepper motor, micro—computers， interpolation principle, the comprehensive application of assembly language， this topic has been designed with the help of teachers DONG Yu—hong and support, the final audited by DONG Yu—hong teacher, www.doc
15、in。com黑龙江东方学院学士学位毕业论文 expressed thanks for this。 This subject by Fang Long completed， is divided into six chapters， Chapter 1 overall design of the main design Chapter II of the mechanical design system design； Chapter III of the main design of the control system hardware design； Chapter
16、 IV of the main control system design software design; Chapter 5 is the design of the appendix. I level because of the limited mistakes and inadequacies of the inevitable and deal with the problem has its drawbacks， please related to the teacher criticized the correction。 KeywordsX-Y NC
17、 Worktable; Mechatronics system； micro—computers; 6264 memory 黑龙江东方学院学士学位毕业论文 目 录 X—Y数控工作台机电系统设计 。。。..。..。.。..。。..。.。。。.。。。。.。....。。.。..。。。 I 摘 要 。。.。。.。。。。。..。。.。。。.。.。.。。。。。.。.。。..。。。。。..。。..。。。。。....。。。 I Abstract 。。..。......。。。.
18、 2 X—Y数控工作台机电系统设计 。.。。.。.。..。.。...。..........。。。...。....。。。. 1 第1章 绪 论 ..。...。。.。..。.。。...。.。..。..。.。......。。。。。。。..。.。。.。。. 1 1. 1两坐标数控系统课题研究意义 ..。。。..。.。。。..。..。。。.。.。..。。..。.。..。.. 1 1.2 两坐标系数控工作台课题研究主要内容 。...。。.。..。。。。.。。...。。。。。。..。. 1
19、 1。2。1 两坐标系系统的组成 。。.。。..。..。.。.。..。。..。.。。.。.。。。.。.。。。。..。。.. 1 第2章 机械系统设计 ..。.。。。...。...。....。.。..。....。.。....。。..。..。.。.。 1 2。1 工作台外形尺寸及重量估算 ...。。.。.。.。.。...。。....。....。。.。..。。。。.。。 1 第3章 控制系统硬件设计 。.。。.。.....。。。。。。。.。.。.。....。..。。.....。。。。. 11 3。1 CPU板 。.。...。。.。....。。。.。。.。.。。。。。。。
20、 11 3.2 驱动系统 。.。.。。.。..。......。...。。。.。..。。.。.。.。。..。。...。。。.。.。。.。 13 3。2。1步进电机驱动电路和工作原理 。.。.。.。...。.。...。。。.....。。.。。。...。。。 14 3。2.3 电源转换 。...。.。.。。。..。..。.。.。。。.....。.。。.......。。。....。。...。 15 3。4 本章小节 ..。。。。。.。..。....。。.....。.。。。。。。...。.。。.。。..。.。。.。..。。.
21、17 第4章 控制系统软件设计 。.。。。。..。。.。..。。.。.。。。..。。。.。。.。。....。..。..。 18 4。1 总体方案 .。。..。。..。...。。......。。。.。...。。。..。....。..。.。..。.。.。。。 18 4.2 主流程图 。.。.。...。.......。.。.。。.。.。.。。.。..。.......。...。。..。。.。. 18 4。3 INT0中断服务流程图 ....。。。。....。。。.。。.。.。.。。.。。.。。。..。。。。...。. 19 4。4 INT1中断服务流程图 。。。。。.
22、 20 4。2.2 X轴电机点动正转程序流程图 .。。.。。....。.....。。。。.。。。.。..。。。..。。。 24 4。4。3 绘制图弧程序流程图 。.。..。.。..。.。。。.。.。。..。.。。。。.。..。。...。。.。.. 25 4.4.4 步进电机步进一步程序流程图 .。.。。。。。。......。。。。。。。...。。.。。。。..。 30 结 论 。。.。。。..。。..。.。.。。.。。.。。。...。..。.....。。。...。。.。。。。.。。。。。.。
23、 32 参考文献 。.....。...。。..。。。。.......。.。....。。....。。..。。....。.。..。。.。。 33 致 谢 。。。.....。。。.。.。。。.。。。。。。.。。.。。..。..。..。.。。。.。。..。。。。...。.。 34 附 录 。。..。.。。.。。。。.。。.。...。。。。。。。。。.。。。。。。。。..。。。。.。。..。.。。。..。 34 www。docin。com黑龙江东方学院学士学位毕业论文 1 X-Y数控工作台机电系统设计 第1章 绪 论 1。1两坐标数控系统课题研究意义 X—
24、Y数控工作台机电系统设计 是一个开环控制系统，其结构简单。实现方便而且 能够保证一定的精度.降低成本, 是微机控制技术的最简单的应用。它充分的利用了危 机的软件硬件功能以实现对机床的控制；使机床的加工范围扩大，精度和可靠性进一 步得到提高。 1.2 两坐标系数控工作台课题研究主要内容 X-Y数控工作台机电系统设计是利用8031单片机,及2764，6264存储器及8155 芯片等硬件组成，在控制系统的硬件上编写一定的程序以实现一定的加工功能.其基 本思想是：通过圆弧或者直线插补程序以实现对零件进行几何加工，每进行一段加工 都要产生一定的脉冲以驱动
25、电机正反转，同时通过8155(1）将相应的加工进刀信息送 至刀架库中以实现以之相应的走刀,电机和刀具的相对运动所以实现了刀具对工件的 加工。 1.2.1 两坐标系系统的组成 经济型数控机床驱动电机采用步进电机多数采用开环控制需要选择和计算主 要机械传动部件如滚珠丝杠螺母副和步进电机等绘制机床进给传动机构装配图 绘制单片机控制系统的硬件线路图。 第2章 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 www.docin。com黑龙江东方学院学士学位毕业论文 2 长宽高 145×
26、160×50 重量按重量=体积×材料比重估算 3214516050107.81090N Y向拖板下拖板尺寸 14516050 重量约90N。 上导轨座连电机重量 223 （2201403821558)7.810101。110107（) N 夹具及工件重量约150N 。 X—Y工作台运动部分的总重量约287N。 2.2滚动导轨的参数确定 导轨是数控机床的重要部件之一它在很大程度上决定数控机床的刚度精度与 精度保持性。目前的数控机床采用导轨形式的主要有滑
27、动导轨滚动导轨静压导 轨三类。 滑动导轨 滑动导轨主要有金属对金属金属对塑料后者较为常用。后者的化学稳定 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者无润滑条件下工作。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的稳定应选用在水或者油中 尺寸稳定且能耐酸和弱碱的塑料。 滚动导轨 1滚动导轨的技术要求 两导轨面见的不平行度不小于3μm 导轨平面度不小于5μm 滚动体的直径差一般机床全部滚动体为2μm.每组滚动体为1μm
28、精密机床全 部滚动体为1μm每组滚动体为05μm. 滚柱的锥度05—1μm。 表面粗糙度普通机床磨削不抵于040μm精密机床磨削不抵于020www.docin。com黑龙江东方学院学士学位毕业论文 3 μm 滚动导轨的结构形式按滚动体种类分可有以下几种 滚珠导轨。这种导轨的承载能力小刚度低。导轨面上容易出现凹坑但对加工 精度影响不大其材料一般为淬火钢。 滚柱导轨。它的承载能力比上述的大适合载荷较大的机床但滚柱导轨对安装 的偏斜较为灵敏易引起侧移和侧向滑动从而使导轨磨损加快或者降低精度。 滚针导轨。
29、这种导轨的特点是尺寸小结构紧凑。合适导轨受限的机床. 动导轨的支承 在数控机床上使用的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 这样导轨的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的运动不受负载和速度的限制且低速时运动均匀不出现 爬行现象。使用的寿命小。抗振性好承载能力大摩擦发热小导轨的温升小.它 的结构形式有开式和闭式两种. ⑴、导轨型式圆形截面滚珠导轨 ⑵、导轨长度 错误未找到引用源。①上导轨X向 取动导轨长度
30、 100Bl 动导轨行程 55 l 支承导轨长度 155BLll 错误未找到引用源.②下导轨Y向 50 l 100Bl 150L 选择导轨的型号GTA16 ⑶、直线滚动轴承的选型 错误未找到引用源。①上导轨 240（）XGN 黑龙江东方学院学士学位毕业论文 4 错误未找到引用源。②下导轨 287（）YGN 由于本系统负载相对较小查表后得出LM10UUOP型直线滚动轴承的额定动载荷 为370N大于实际动负载但考虑到经济性等因素
31、最后选择LM16UUOP型直线滚动轴 承.并采用双排两列4个直线滚动轴承来实现滑动平台的支撑。 错误未找到引用源.⑷、滚动导轨刚度及预紧方法 当工作台往复移动时工作台压在两端滚动体上的压力会发生变化受力大的滚 动体变形大受力小的滚动体变形小。当导轨在位置Ⅰ时两端滚动体受力相等工 作台保持水平当导轨移动到位置Ⅱ或Ⅲ时两端滚动体受力不相等变形不一致 使工作台倾斜α角由此造成误差。此外滚动体支承工作台若工作台刚度差则 在自重和载荷作用下产生弹性变形会使工作台下凹有时还可能出现波浪形影 响导轨的精度. 2。3 滚珠丝杠
32、的设计计算 滚珠丝杠的负荷包括铣削力及运动部件的重量所引起的进给抗力.应按铣削时 的情况计算。 ⑴、最大动负载Q的计算 3 HQLffP 查表得系数1 f1Hf寿命值 660 10 nT L 查表得使用寿命时间T=15000h初选丝杠螺距t=4mm得丝杠转速 max1000 10001 250(/min） 4 V nr t 所以 66025015000 225 10 L X向丝杠牵引力 1.414x
33、xPfG 当 (）f当-—当量摩擦系数 1。4140.012403。39（) N 黑龙江东方学院学士学位毕业论文 5 Y向丝杠牵引力 1。414 1。4140.012874。06(）yyPfGN 当 所以最大动负荷 X向 3225113.3920.6()xQN Y向 3225114。0624.7(）yQN 查表取滚珠丝杠公称直径 010 dmm选用滚珠丝杠螺母副 的型号为 SFK1004其额定动载荷为3
34、90N足够用。 ⑵、滚珠丝杠螺母副几何参数计算 表2 - 1 滚珠丝杠螺母副几何参数 名 称 符 号 计算公式和结果 螺纹滚道 公称直径 0d 10 螺距 t 4 接触角 45 钢球直径 qd 2 螺纹滚道法面半径 R 0.521。04qRd 偏心距 e /2sin0。03qeRd 螺纹升角 0arc7.26 t tg d 螺杆 螺杆外径 d 00.2~0。259。5qddd
35、 螺杆内径 ld 0 227.98lddeR 螺杆接触直径 zd 0cos8。59zqddd 螺母 螺母螺纹外径 D 0 2212.02DdeR 螺母内径外循环 1D 100。2～0.25510。5qDdd 见表2-1. ⑶、传动效率计算 黑龙江东方学院学士学位毕业论文 6 7.26 0。973 (）（7.260。2) tgtg tgtg 式中—-摩擦角—-丝杠螺纹升角。 ⑷、刚度验算 滚珠丝杠受工
36、作负载P引起的导程0L的变化量 0 1PLL EF Y向所受牵引力大故应用Y向参数计算 24。7()PN 00。4（） Lcm 62 20。610（/）ENcm 材料为钢 2 220。798 3.140。5 2 FRcm 所以 6 1 624。70。5 1. 210() 20。6100.5 Lcm 丝杠因受扭矩而引起的导程变化量2
37、L很小可以忽略。 所以导程总误差 6 0100100 1. 2103/ 0。4 Lmm L 查表知E级精度的丝杠允许误差15m故刚度足够。 ⑸、稳定性验算 由于丝杠两端采用止推轴承故不需要稳定性验算. 2。4 步进电机的选用 步进电动机又称脉冲电动机或为阶跃电动机目前随着电子技术控制技术以 及电动机本体的发展和变化传统的电机分类的间界面越来越模糊步进电动机的传 动定义为根据输入的脉冲信号每改变一次励磁状态就前进一定角落若不改变励 磁状态则保持一定的状态而静止广义的定义为步
38、进电动机是一种受电脉冲信号控 制的无刷式直流电动机也可看作是在一定频率范围内转速与控制脉冲频率同步的电 动机。 www.docin。com黑龙江东方学院学士学位毕业论文 7 步进电动机的机理是基于最基本的电磁铁作用其原始模型起源于1830年至 1860年间。在20世纪60年代后期随着永磁材料的发展各种实用型的步进电动 机应运而生半导体的发展使得步进电动机得到了广泛的应用。我国的步进电动机开 始于21世纪50年代后期其发展过程大致经历了四个阶段第一阶段从50年代后 期到60年代后期主要是高等院校和科研机构开发并使用少量的步进电机以多段结
39、 构三相反应式步进电动机为主第二阶段70年代初期反映在步进电机的生产和研 究发展到了一个水平第三阶段70年代中期至80年代后期新产品种高性能电动机 层出不穷各种混合式步进电动机及驱动器作为产品得到广泛应用。 步进电动机的特点 步进电机有三大部分组成步进电动机本体步进电动机控制器及步进电动机驱动 器。其特点如下 1用数字信号直接进行开环控制整个系统简单廉价。 2 位移与输入脉冲数相对应步距误差不长期积累可以组成结构简单又具有一定 精度的开环控制系统也可在要求更高组成闭环控制系统. 3无刷电动机本体部件少可靠性
40、高。 4抑郁启动正反转和变速停止影响性好. 5平滑性好步距角选择范围大停止时可有自锁能力 ⑴、步进电机的步距角b 取系统脉冲当量 0.01/pmmstep初选步进电机步距角1。5b。 ⑵、步进电机启动力矩的计算 设步进电机等效负载力矩为T负载力为P根据能量守恒原理电机所做的功 与负载力做功有如下关系 TPs 式中 ——电机转角s —-移动部件的相应位移 --机械传动效率. 若取 b则ps且SPPG所以 36 (） 2pS bPG TNcm
41、 式中SP --移动部件负载NG——移动部件重量N zP——与重量方向一www。docin。com黑龙江东方学院学士学位毕业论文 8 致的作用在移动部件上的负载力N -—导轨摩擦系数b——步进电机步距 角radT——电机轴负载力矩Ncm 本例中取0。03 淬火钢滚珠导轨的摩擦系数0.96SP为丝杠牵引力24。7sHPPN 。考虑到重力影响Y向电机负载较大因此取 287yGGN所 以 360。0124。70。03287 1. 33（)
42、 21。50.96 TNcm 若不考虑启动时运动部件惯性的影响则启动力矩 0。3～0.5qT T 取安全系数为0.3则 1。33 4。42 0。3qTNcm 对于工作方式为三相六拍的三相步进电机 max5。1 0.866q jTT Ncm ⑶、步进电机的最高工作频率 max max1000 10001 1667（) 60600.01pV fHz 查表选用两个45BF005—Ⅱ型步进电机
43、电机的有关参数见表2—2。 表2-2 步进电机参数 型 号 主要技术数据 外形尺寸(） mm 重量 () N 步 距 角 最 大 静转距Ncm 最高空载 启动频率 （/ steps) 相 数 电压 （) V 电流 () A 外径 长度 轴径 45BF005-Ⅱ 15 19。6 3000 3 27 2。5 45 58 4 11 2。5 确定齿轮传动比 因步进电机步距角 1. 5b滚珠丝杠螺距
44、 4 tmm要实现脉冲当量www.docin。com黑龙江东方学院学士学位毕业论文 9 0。01/pmmstep在传动系统中应加一对齿轮降速传动。齿轮传动比 1 2360 0.01360 0.6 1. 54p bZ i Zt 选 117 Z 228Z 2.6 确定齿轮模数及有关尺寸 因传递的扭距较小取模数1mmm齿轮有关尺寸见表3—3。 2。7 步进电机惯性负载的计算 表2—3 齿轮尺寸 Z
45、 17 28 dmZmm 2addmmm 21.25fddmmm 36bmmm 122 dd amm 17 19 14。5 5 28 30 25。5 5 17。5 根据等效转动惯量的计算公式得 2 2 1 0123 2180p d bZ JJJJJM Z
46、 黑龙江东方学院学士学位毕业论文 10 式中 dJ —-折算到电机轴上的惯性负载2kgcm 0J——步进电机转轴的转 动惯量2kgcm1J——齿轮 的转动惯量2kgcm2J——齿轮 的转动惯量 2kgcm3J——滚珠丝杠的转动惯量2kgcmM-—移动部件质量kg。 对材料为钢的圆柱零件转动惯量可按下式估算 3420.7810 JDLkgcm 式中D-—圆柱零件直径cmL——零件长度cm. 所以 3432 10。78101
47、70。53。2610 Jkgcm 3432 20.78102。80。523。910 Jkgcm 3432 30。7810153.910 Jkgcm 电机轴转动惯量很小可以忽略则 2 3317 3。261023。93。910 28dJ 2 520。001 250。410 3。14 1。5 180 kgm
48、 因为10.4 0。3191 41.274d MJ J 所以惯性匹配比较符合要求。 www。docin。com黑龙江东方学院学士学位毕业论文 11 第3章 控制系统硬件设计 3.1 CPU板 3.1。1 CPU的选择 随着微电子技术水平的不断提高单片微型计算机有了飞跃的发展。单片机的型 号很多而目前市场上应用MCS-51芯片及其派生的兼容芯片比较多如目前应用最 广的8位单片机89C51价格低廉而性能优良功能强大.
49、 在一些复杂的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的控制系统它具有较强的运算和扩展 能力。但是定位合理的单片机可以节约资源获得较高的性价比。 从要设计的系统来看选用较老的8051单片机需要拓展程序存储器和数据存储 器无疑提高了设计价格而选用高性能的16位MCS—96又显得过于浪费。生产基于 51为内核的单片机的厂家有Intel、ATMEL、Simens其中在CMOS器件生产领域ATMEL 公司的工艺和封装技术一直处于领先地位。ATMEL公司的AT89系列单片机内含Flash 存储器在程序开发过程中可以十分容易的进行程序修改同时掉电也不影响信息的 保存它和80C51插座兼容并且采用静态时钟方式可以节省电能。 因此硬件CPU选用AT89S51AT表示ATMEL公司的产品9表示内含Flash存储 器S表示含有串行下载Flash存储器。 AT89S51的性能参数为Flash存储器容量为4KB、16位定时器2个、中断源6 个看门狗中断、接收发送
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