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1、工程技术学院课程设计（论文）X-Y数控工作台机电系统设计xxxxxxxxxxxxxxxxxxxx摘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：机电一体化的基础控制自
2、动化 系统化1 引言机电一体化是多学科领域综合交叉的技术密集型系统工程，它是融合检测传感技术，信息处理技术、自动控制技术、伺服驱动技术、精密机械技术、计算机技术和系统总体技术等多种技术于一体的新兴综合性学科。随着机电一体化技术的产生和发展，在世界范围内掀起的机电一体化热潮，使机电一体化越来越显示出强大的威力，它使机械产品向着高技术密集机电一体化的方向发展。 机电一体化课程设计在机电一体化专业教学中占有重要位置，它关系到学生知识的综合运用和学生动手能力的培养及机电产品开发的能力。因此设计内容选择很重要。基于微型计算机控制的X-Y工作台是典型的机电一体化系统，以此为设计内容有较强的教学研究意义。培
3、养我们理论联系实际，解决生产实际问题能力的重要步骤，它起到了设计的作用。 通过对X-Y工作台的设计总体方案的拟定，进给伺服系统机械部分结构设计.计算控制系统硬件电路的设计以及数控机床加工程序的编制，使我们综合运用所学的机械.电子和微机的知识,进行一次机电结合的全面训练。从而培养了我们具有加工编程能力，初步设计计算的能力以及分析和处理生产中所遇到的机电方面技术问题的能力。2本设计是以PC平台为基础的数控X-Y工作台实验系统，它具有直线插补和圆弧插补等数控系统所使用的常用功能，结构简单，操作方便，控制精度相对较高, 可靠性、稳定性和实用性都很好。2 XY工作台总体方案的设计2.1 总体方案的分析X
4、Y精密工作台的总体方案设计应考虑以下几点：A工作台应具有沿纵向和横向往复运动、暂停等功能，因此数控控制系统采用连续控制系统。B在保证一定加工性能的前提下，结构应简单，以求降低成本。因此进给伺服统采用步进电机开环控制系统。C 8031系列微机处理机的配套并行接口芯片,由于它是可编程的，可以通过软件来设置芯片的工作方式。D 根据系统的功能要求，微机数控系统中除了CPU外，还应包括扩展程序存储器扩展数据存储器、I/O接口电路；包括电隔离电路和步进电机驱动电路。E 纵向和横向进给是两套独立的传动链，它们各自由各的步进电动机、联轴器、丝杠螺母副组成。F 为了保证进给伺服系统的传动精度和平稳性，选用摩擦小
5、、传动效率高的滚珠丝杠螺母副，并应有预紧装置，以提高传动刚度和消除间隙。G 为减少导轨的摩擦阻力，选用矩形滚动直线导轨。2.2 总体方案的确定由于设计要求X-Y工作台具有定位、直线插补、圆弧插补、暂停、循环加工、螺纹加工等功能，所以应该选用连续控制系统。考虑到加工精度要求不高，为了简化结构、降低成本，采用步进电机开环控制系统。根据机床要求，采用8位机。由于MCS51系列单片机的特点之一是硬件设计简单，系统结构紧凑。对于简单的应用场合，MCS51系统的最小系统用一片8031外扩一片EPROM就能满足功能的要求，对于复杂的应用场合，可以利用MCS51的扩展功能，构成功能强、规模较大的系统。所以应选
6、用8031单片机。为了实现机床所要求的分辨率，采用步进电机经齿轮减速再传动丝杠。为了保证一定的传动精度和平稳性，尽量减小摩擦力，选用滚珠丝杠螺母副。同时，为了提高传动刚度和消除间隙，采用有预加负载荷的结构。传动齿轮也要采用消除齿侧间隙的结构。开环伺服系统结构原理图：图1 开环伺服系统结构原理图2.3 机械传动系统简图X轴与Y轴的传动系统简图都如图所示图2 传动系统简图3 系统脉冲当量和给定参数由于X、Y两方向的脉冲当量一样，所以设计时只计算一个方向。3.1 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，由于定位精度为0.01mm因此选择脉冲当量为0.01
7、mm。3.2 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410mm,Y向导轨支撑钢球的中心距为400mm,设计工作台简图如下:图3 数控工作台简图X向拖板(上拖板)尺寸为: 重量:按重量=体积*材料比重估算为: = Y向拖板(下拖板)尺寸为: 重量=上导轨(含电机)重量为夹具及工件重量:约155NX-Y工作台运动部分总重量为:4 滚动导轨副的计算、选择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；工作载荷P=0.5(Fz+W)； fSL=1
8、.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：因系统受中等冲击,因此取 根据计算额定静载荷初选导轨:选择汉机江机床厂HJG-D系列滚动直线导轨,其型号为:HJG-D25基本参数如表1所示:表1 滚动直线导轨基本参数额定载荷/N静态力矩/N*M滑座重量导轨重量导轨长度动载荷静载荷L/(mm)17500260001981982880.603.1760滑座个数单向行程长度每分钟往复次数M40.64导轨的额定动载荷依据使用速度v（m/min）和初选导轨的基本动额定载荷(kN)验算导轨的工作寿命Ln：额定行程长度寿命: 导轨的额定工作时间寿命: 导轨的工
9、作寿命足够.5 滚珠丝杠螺母副的设计、计算、和选型珠丝杠滚副的预紧方法有：双螺母垫片式预紧，双螺母螺纹式预紧，双螺母齿差式预紧，单螺母变导程预紧以及过盈滚珠预紧等几种。5.1 计算进给牵引力作用在滚珠丝杠上的进给牵引力主要包括切屑时的走刀抗力以及移动件的重量和切屑分力作用在导轨上的摩擦力。因而其数值大小和导轨的形式有关。纵向进给为三角形导轨 （5-1）式中:K考虑颠覆力矩影响的实验系数.三角形导轨取 f贴塑导轨摩擦系数: G溜板及刀架重力,取5.2 计算最大动载荷选用滚珠丝杠副的直径时，必须保证在一定轴向负载作用下，丝杠在回转100万（106）转后，在它的滚道上不产生点蚀现象。这个轴向负载的最
10、大值即称为该滚珠丝杠能承受的最大动负载 C，计算如下： （5-2） （5-3） （5-4）Lo为滚珠丝杠导程,选丝杠名义直径为40mm,查滚珠丝杠转动惯量表,初选出Lo=6mmVs最大切削力下的进给速度,可取最高进给速度的1/21/3,此处为0.15m/min;T使用寿命,按15000h;fw运转系数,如下表所示，按一般运转取1.21.5;表2 电机运转状态与运转系数运转状态运转系数无冲击运转1.01.2一般运转1.21.5有冲击运转1.52.5L寿命以转106为1单位. 根据（5-2）（5-3）（5-4）公式可知： 5.3 滚珠丝杠螺母副的选型查表，可采用W1L4006外循环螺纹调整预紧的双
11、螺母滚珠丝杠副，1列2.5圈,其额定动负载为16400N,精度等级按滚珠丝杠行程公差表，选为3级5.4 传动效率计算 （5-5）式中：螺旋升角 摩擦角取10，滚动摩擦系数0.0030.004 根据（5-5）公式可知：5.5 稳定性校核滚珠丝杠两端采用推力球轴承,不会产生失稳现象,不需作稳定性校核.6 进给伺服系统传动计算6.1 齿轮传动比计算(纵向进给齿轮箱传动比计算)纵向进给脉冲当量,滚珠丝杠导程,初选步进电机步距角0.75,可计算出传动比i （6-1）6.2 齿轮齿数及技术参数计算出传动比i后,降速级数决定采用一对齿轮降速,因为进给伺服系统传递功率不大,一般取=12,数控车床,铣床取=2。
12、为了消除齿轮侧隙，采用双片齿轮。7 步进电机的计算和选用7.1 初选步进电机 7.1.1 计算步进电机负载转矩 （7-1） 式中: 脉冲当量 (mm/step);进给牵引力 (N);步距角,初选双拍制为0.72;电机-丝杠的传动效率为齿轮,轴承,丝杠效率之积，分别为0.98,0.99,0.99;7.1.2 估算步进电机起动转矩 （7-2） 7.1.3 计算最大静转矩考虑到步进电动机的驱动电源受电网电压影响较大，当输入电压降低时，其输出转矩会下降，可能造成丢步，甚至堵转。因此，根据 来选择步进电动机的最大静转矩时，需要考虑安全系数。本例中取安全系数K=1.5，则步进电动机的最大静转矩应满足： (
13、7-3) 7.1.4 初选步进电机型号根据估算出的最大静转矩Tjmax在国产BF反应式步进电机技术数据表中查出130BF001最大静转矩为，可以满足要求.考虑到此经济型数控车床有可能使用较大的切削用量,应该选稍大转矩的步进电机以留有一定的余量.另一方面,与国内同类型机床进行类比,决定采用150BF002步进电机.7.2 根据草图校核步进电机转矩前面所述初选步进电机的转矩计算,均为估算;初选之后应该进行校核计算.7.2.1 等效转动惯量计算运动件的转动惯量J可由下式计算: （7-4）式中：J1,J2齿轮Z1,Z2的转动惯量Js滚珠丝杠转动惯量 齿轮惯量计算对于刚材:J=0.78D4L10-3 刚
14、材的密度为式中： D圆柱体直径(cm)；L圆柱体长度 (cm)； 刚材的密度为代入（7-4）式: N取2电机惯量: 总惯量: 7.2.2 电机转矩计算机床在不同的工况下,在,下面分别按各阶段计算:1) 快速空载起动惯性矩 （7-5） （7-6）将前面数据代入（7-6）式,起动加速时间ta=200ms 快速空载起动 （7-7）折算到电机轴上的摩擦转矩Tf （7-8） 附加摩擦转矩To 传动链总效率,一般可取0.70.85此处取0.8；o滚珠丝杠未预紧时的传动效率,一般取0.9；传动比；Fpo滚珠丝杠预加负荷,一般取1/3Fm,Fm为进给牵引力(N)；FY垂直方向的切削力(N)； 2) 快速移动时
15、所需转矩 3) 最大(直线,匀速)切削负载时所需转矩 加速切削 从上面计算可以看出T负1 ,T负2,T负3和T负4四种工况下,以加速切削所需转矩最大,即以此项作为校核步进电机转矩的依据. 取2倍 则: 从国产BF反应式步进电机技术数据表中查出150BF002型步进电机最大转矩为13.72Nm,大于所需最大静转矩,以满足此项要求.当快速运动和切削进给时,按150BF002型步进电机运行矩频特性图，完全可以满足要求,所以初步选择150BF002型步进电机。8 数控系统硬件电路设计8.1 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
16、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：图4 数控系统的硬件框图8.2 主控制器CPU的选择MCS-51系列单片机是集中CPU，I/O端口及部分RAM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8031芯片作为主控芯片。8.3 步进电机驱动电路设计(1）脉冲分配器步进电机的控制方式由脉冲分配器实现，其作用是将数控装置送来的一系列指令脉冲按一定的分配方式和顺序输送给步进电机的各相绕组，
17、实现电机正反转。数控系统中通常使用集成脉冲分配器和软件脉冲分配器。本设计采用集成脉冲分配器YB013。采用YB013硬件环行分配器的步进电机接口线路图如下：（2）光电隔离电路在步进电机驱动电路中，脉冲分配器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。光电耦合器接线图如下：（3）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选择功率放大器。本设计选用功
18、率放大器。这里采用的功率放大电路如下图所示：图5 功率放大电路8.4 其它辅助电路设计（1）8031的时钟电路单片机的时钟可以由两种方式产生：内部方式和外部方式。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530pF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6 8031的时钟电路（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，之后CPU便从0000H单元开始执行程序。在实际运
19、用中，若系统中有芯片需要其复位电平与8031复位要求一致时，可以直接相连。当晶振频率选用6MHz时，复位电路中C取22F，R取200，取1000。实用复位电路图如下所示：图7 8031复位电路（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。利用光电耦合电路，将行程开关接至发光二极管的阴极，光敏三极管的输出接至8031的I/O口P1.0。当任何一个行程开关被压下的时候，发光二极管就发光，使光敏三极管导通，由低电平变成高电平。8031可利用软件设计成查询的方法随时检查有无越界信号。也可接成从光敏三极管的集电极输出接至8031的外部中断引脚（INT0或INT1），采用中断方式检查
20、越界信号。9 系统控制软件设计9.1 控制系统的设计X-Y数控工作台的控制系统设计，可以参考本章第一节的车床数控系统，但在硬件电路上需要考虑步进电动机（编码器）反馈信号的处理，在软件上要实现半闭环的控制算法。根据任务书的要求，设计控制系统的时主要考虑以下功能：（1） 接受操作面板的开关与按钮信息；（2） 接受限位开关信号；（3） 控制X，Y向步进电动机的驱动器；（4） 与PC机的串行通信。 CPU选用MCS-51系列的8位单片机AT89S52，采用8279，和W27C512，6264芯片做为I/O和存储器扩展芯片。W27C512用做程序存储器，存放监控程序；6264用来扩展AT89S52的RA
21、M存储器存放调试和运行的加工程序；8279用做键盘和LED显示器借口，键盘主要是输入工作台方向，LED显示器显示当前工作台坐标值；系统具有超程报警功能，并有越位开关和报警灯；其他辅助电路有复位电路，时钟电路，越位报警指示电路。进给控制系统原理框图图8 进给控制系统原理框图9.2 驱动电路流程设计步进电机的速度控制比较容易实现，而且不需要反馈电路。设计时的脉冲当量为0.01mm，步进电机每走一步，工作台直线行进给0.01mm。步进电机驱动电路中采用了光电偶合器，它具有较强的抗干扰性，而且具有保护CPU的作用，当功放电路出现故障时，不会将大的电压加在CPU上使其烧坏。程序流程图（如下图所示）图9
22、程序流程图以及步进电机驱动电路图如下图所示。图10 步进电机驱动电路图该电路中的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。电路中与绕组并联的二极管D起到续流作用，即在功放管截止是，使储存在绕组中的能量通过二极管形成续流回路泄放，从而保护功放管。与绕组W串联的电阻为限流电阻，限制通过绕组的电流不至超过额定值，以免电动机发热厉害被烧坏。9.3直线插补及圆弧插补在机电设备中，执行部件如要实现平面斜线和圆弧曲线的路径运动，必须通过两个方向运动的合成来完成。在数控机床中，这是由X、Y两个方向运动的工作台，按照插补控制原理实现的。9.3.1直线插补程序的设计用逐点比较法进行直线插补计
23、算，每走一步，都需要以下四个步骤：偏差判别：判别偏差或，从而决定哪个方向进给和采用哪个偏差计算公式。坐标进给：根据直线所在象限及偏差符号，决定沿+X、+Y、-X、-Y的哪个方向进给。偏差计算：进给一步后，计算新的加工偏差。终点判别：进给一步后，终点计算器减1.若为0，表示到达终点停止插补；不为0，则返回到第一步继续插补。终点计算判别可用两个方向坐标值来判断，也可由一个方向的坐标值来判断。当，可用X方向走的总步数作为终点判别的依据，如动点X等于终点则停止。当，则用Y方向走的总步数作为终点判别的依据。由此，直线插补程序的算法如图：图11 逐点比较法直线插补框图9.3.2圆弧插补程序的设计逐点比较法
24、的圆弧的插补计算过程和直线插补过程基本相同，也分为偏差判别、坐标进给、偏差计算和终点判别四个步骤。不同点在于：（1）偏差计算公式步进与前一点偏差有关，还与前一点的坐标有关，在计算偏差的同时要进行坐标计算。（2）终点的判别是以一个方向的坐标值与终点坐标值相比较判断其是否相等为判据。若，则以X是否等于作为终点判据；若，则以Y是否等于作为终点判据。逆圆弧插补程序算法如图：图12 第一象限逆圆插补程序框图总结通过此次设计，让我对于理论知识尤其是专业知识有了更深的了解和认识，并能将其进行一次比较全面系统的总结和应用；使我学会了如何查阅现有的技术资料、如何举一反三、如何通过改进并加入自己的想法与观点，使之
25、成为自己的东西，进一步加强了我综合分析解决实际问题和独立思考的能力。在这次设计中，经过查阅资料，从实际应用出发将设计完成的比较合理且具有实际的意义。并且结合生产知识，培养理论联系实际以及分析和解决工程实际问题的才能，并使大学三年所学的知识得到进一步巩固、深化和扩展。同时，也发现了一些问题。比如知识运用的熟练程度不够，知识面比较狭隘，导致在设计中的一些问题无法及时发现和解决。在此，我要感谢这三年里给我授课的所有老师。感谢你们传给我知识。最后还要感谢参考文献中所列书籍、文章及资料的作者。参考文献1 尹志强机电一体化系统设计课程设计指导书.机械工业出版社，20162 郑学坚,周斌微型计算机原理及应用
26、.清华大学出版社,20113 李朝青,单片机原理及接口技术.北京航空航天大学出版社,20124 张建民，唐水源，冯淑华机电一体化系统设计高等教育出版社20115 吴祖育, 秦鹏飞.数控机床上海科学技术出版社,20106 徐灏等.机械设计手册.机械工业出版社 20137 李芷,扬文显,卜艳萍.微机原理与接口技术.电子工业出版社,20138 谭浩强.C程序设计.北京:清华大学出版社,20109 沈美明 .温冬蝉汇编语言程序设计清华大学出版社201510 濮良贵 ,记名刚.机械设计高等教育出版社,201311 吴振彪.机电综合设计指导.湛江:湛江海洋大学,200912.杨入清.现代机械设计系统与结构
27、上海科学技术文献出版社,2012指导教师评语：成绩评定： 指导教师： 年 月 日此表装订在报告（论文）的最后。23目录摘要11引言12XY工作台总体方案的设计22.1总体方案的分析22.2总体方案的确定22.3机械传动系统简图33系统脉冲当量和给定参数33.1确定系统脉冲当量33.2工作台外形尺寸及重量初步估算44滚动导轨副的计算、选择55滚珠丝杠螺母副的设计、计算、和选型65.1计算进给牵引力65.2计算最大动载荷75.3滚珠丝杠螺母副的选型75.4传动效率计算85.5稳定性校核86进给伺服系统传动计算86.1齿轮传动比计算(纵向进给齿轮箱传动比计算)86.2齿轮齿数及技术参数87步进电机的计算和选用87.1初选步进电机87.1.1计算步进电机负载转矩87.1.2估算步进电机起动转矩97.1.3计算最大静转矩97.1.4初选步进电机型号97.2根据草图校核步进电机转矩97.2.1等效转动惯量计算97.2.2电机转矩计算108数控系统硬件电路设计128.1确定硬件电路的总体方案。128.2主控制器CPU的选择128.3步进电机驱动电路设计138.4其它辅助电路设计149系统控制软件设计159.1控制系统的设计159.2驱动电路流程设计169.3直线插补及圆弧插补189.3.1直线插补程序的设计189.3.2圆弧插补程序的设计19总结21参考文献22