HEFEI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY
《机电一体化系统
设计
领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计
》课程
课 外 学 分
项 目 名 称 X-Y数控工作台
项 目 组 成 员 王扬2013210475
朱诚诚2013210484
李青岩2013210493
黄志鹏2013210502
成 绩
机械工程学院 机械电子工程系
二零一六年十一月
目录
1总体
方案
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设计 1
1.1设计任务 1
1.2总体方案确定 1
1.2.1系统的运动方式与伺服系统 1
1.2.2计算机系统 1
1.2.3X-Y工作台的传动方式 1
2机械系统设计 2
2.1工作台外形尺寸及重量估算 2
2.2滚动导轨的参数确定 2
2.2.1导轨型式 2
2.2.2导轨长度 2
2.2.3直线滚动轴承的选型 2
2.2.4滚动导轨刚度及预紧方法 3
2.3滚珠丝杠的设计计算 3
2.3.1最大动负载Q的计算 3
2.3.2滚珠丝杠螺母副几何参数计算 4
2.3.3传动效率计算 4
2.3.4刚度验算 4
2.4步进电机的选用 5
2.4.1步进电机的步距角 5
2.4.2步进电机启动力矩的计算 5
2.4.3步进电机的最高工作频率 6
2.5确定齿轮传动比 6
2.6确定齿轮模数及有关尺寸 6
2.7步进电机惯性负载的计算 7
3控制系统硬件设计 9
3.1CPU板 9
3.1.1CPU的选择 9
3.1.2CPU接口设计 9
3.2驱动系统 10
3.2.1步进电机驱动电路和工作原理 10
3.2.2电磁铁驱动电路 11
3.2.3电源设计 12
4控制系统软件设计 13
4.1总体方案 13
4.2主流程图 13
4.3X轴电机点动正转程序流程图 14
4.4步进电机步进一步程序流程图 15
参考文献 16
1总体方案设计
1.1设计任务
设计一个数控X-Y工作台及其控制系统。该工作台可用于铣床上坐标孔的加工和腊摸、塑料、铝合金零件的二维曲线加工,重复定位精度为±0.01mm,定位精度为0.025mm。
设计参数如下:负载重量G=150N;台面尺寸C×B×H=145mm×160mm×12mm;底座外形尺寸C1×B1×H1=210mm×220mm×140mm;最大长度L=388mm;工作台加工范围X=55mm,Y=50mm;工作台最大快移速度为1m/min。
1.2总体方案确定
1.2.1系统的运动方式与伺服系统
由于工件在移动的过程中没有进行切削,故应用点位控制系统。定位方式采用增量坐标控制。为了简化结构,降低成本,采用步进电机开环伺服系统驱动X-Y工作台。
1.2.2计算机系统
本设计采用了与MCS-51系列兼容的AT89S51单片机控制系统。它的主要特点是集成度高,可靠性好,功能强,速度快,有较高的性价比。
控制系统由微机部分、键盘、LED、I/O接口、光电偶合电路、步进电机、电磁铁功率放大器电路等组成。系统的加工程序和控制命令通过键盘操作实现。LED显示数控工作台的状态。
1.2.3X-Y工作台的传动方式
为保证一定的传动精度和平稳性,又要求结构紧凑,所以选用丝杠螺母传动副。为提高传动刚度和消除间隙,采用预加负荷的结构。
由于工作台的运动载荷不大,因此采用有预加载荷的双V形滚珠导轨。采用滚珠导轨可减少两个相对运动面的动、静摩擦系数之差,从而提高运动平稳性,减小振动。
考虑电机步距角和丝杆导程只能按标准选取,为达到分辨率的要求,需采用齿轮降速传动。
图1-1 系统总体框图
2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:
长
宽
高 145×160×50
重量:按重量=体积×材料比重估算
N
Y向拖板(下拖板)尺寸:
重量:约90N。
上导轨座(连电机)重量:
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
2.2.1导轨型式
选用x圆形截面滚珠导轨。
2.2.2导轨长度
上导轨(X向)
取动导轨长度
动导轨行程
支承导轨长度
下导轨(Y向)
选择导轨的型号:GTA16
2.2.3直线滚动轴承的选型
上导轨
下导轨
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。
2.2.4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。
2.3.1最大动负载Q的计算
查表得系数
,
,寿命值
查表得使用寿命时间T=15000h,初选丝杠螺距t=4mm,得丝杠转速
所以
X向丝杠牵引力
Y向丝杠牵引力
所以最大动负荷
X向
Y向
查表,取滚珠丝杠公称直径
,选用滚珠丝杠螺母副 的型号为 SFK1004,其额定动载荷为390N,足够用。
2.3.2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
10
螺距
接触角
钢球直径
螺纹滚道法面半径
偏心距
螺纹升角
螺杆
螺杆外径
螺杆内径
螺杆接触直径
螺母
螺母螺纹外径
螺母内径(外循环)
2.3.3传动效率计算
式中:
——摩擦角;
——丝杠螺纹升角。
2.3.4刚度验算
滚珠丝杠受工作负载P引起的导程
的变化量
Y向所受牵引力大,故应用Y向参数计算
所以
丝杠因受扭矩而引起的导程变化量
很小,可以忽略。
所以导程总误差
查表知E级精度的丝杠允许误差
,故刚度足够。
2.3.5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
2.4.1步进电机的步距角
取系统脉冲当量
,初选步进电机步距角
。
2.4.2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
式中:
——电机转角;
——移动部件的相应位移;
——机械传动效率。
若取
,则
,且
,所以
式中:
——移动部件负载(N);G——移动部件重量(N);
——与重量方向一致的作用在移动部件上的负载力(N);
——导轨摩擦系数;
——步进电机步距角,(rad);T——电机轴负载力矩(
)
本例中,取
(淬火钢滚珠导轨的摩擦系数),
,
为丝杠牵引力,
。考虑到重力影响,Y向电机负载较大,因此取
,所以
若不考虑启动时运动部件惯性的影响,则启动力矩
取安全系数为0.3,则
对于工作方式为三相六拍的三相步进电机
2.4.3步进电机的最高工作频率
查表选用两个45BF005-Ⅱ型步进电机。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
重量
步距角
最 大静转距
最高空载启动频率(
)
相数
电压
电流
外径
长度
轴径
45BF005-Ⅱ
1.5
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
,滚珠丝杠螺距
,要实现脉冲当量
,在传动系统中应加一对齿轮降速传动。齿轮传动比
选
,
。
2.6确定齿轮模数及有关尺寸
因传递的扭距较小,取模数
,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
17
28
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
式中:
——折算到电机轴上的惯性负载(
);
——步进电机转轴的转动惯量(
);
——齿轮 的转动惯量(
);
——齿轮 的转动惯量(
);
——滚珠丝杠的转动惯量(
);M——移动部件质量(
)。
对材料为钢的圆柱零件转动惯量可按下式估算
式中:D——圆柱零件直径(cm);L——零件长度(cm)。
所以
电机轴转动惯量很小,可以忽略,则
因为
,所以惯性匹配比较符合要求。
3控制系统硬件设计
X-Y数控工作台控制系统硬件主要包括CPU、传动驱动、传感器、人机交互界面。
硬件系统设计时,应注意几点:电机运转平稳、响应性能好、造价低、可维护性、人机交互界面可操作性比较好。
3.1CPU板
3.1.1CPU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。
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
钢结构制作工艺流程车尿素生产工艺流程自动玻璃钢生产工艺2工艺纪律检查制度q345焊接工艺规程
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。