机电一体化课程设计.docx

专业：机电一体化班级：081班老师：刘顺东-.yv*T¼Ts*T¼T¼Ts姓名：*日期：2013年2月XY工作台部件及单片机控制设计目录1.序言32 .总体方案设计32. 1.设计任务33. 2.总体方案确定33. .机械系统设计44. 1.工作台外形尺寸及重量估算45. 2.滚动导轨的参数确定46. 3.滚珠丝杠的设计计算57. 4.步进电机的选用78. 5,确定齿轮传动比99. 6.确定齿轮模数及有关尺寸910. 7.步进电机惯性负载的计算93 .控制系统硬件设计104. 1.CPU板105. 2.驱动系统126. 3.控制系统软件的组成和结构134 .参考文献151 .序言据资料介绍，我国拥有400多万台机床，绝大局部都是多年累积生产的普通机床。这些机床自动化程度不高，加工精度低，要想在短时期内用自动化程度高的设备大量更新，替代现有的机床，无论从资金还是从我国机床制造厂的生产能力都是不可行的。但尽快将我国现有的局部普通机床实现自动化和精密化改造又势在必行。为此，如何改造就成了我国现有设备技术改造迫切要求解决的重要课题。在过去的几十年里，金属切削机床的根本动作原理变化不大，但社会生产力特别是微电子技术、计算机技术的应用开展很快。反映到机床控制系统上，它既能提高机床的自动化程度，又能提高加工的精度，现已有一些企业在这方面做了有益的尝试。实践证明，改造后的机床既满足了技术进步和较高生产率的要求，又由于产品精度提高，型面加工范围增多也使改造后的设备适应能力加大了许多。这更加突出了在旧机床上进行数控技术改造的必要性和迫切性。由于新型机床价格昂贵，一次性投资巨大，如果把旧机床设备全部以新型机床替换，国家要花费大量的资金，而替换下的机床又会闲置起来造成浪费，假设采用改造技术加以现代化，那么可以节省50%以上的资金。从我国的具体情况来讲，一套经济型数控装置的价格仅为全功能数控装置的1/3到1/5,一般用户都承当得起。这为资金紧张的中小型企业的技术开展开创了新路，也对实力雄厚的大型企业产生了极大的经济吸引力，起到了事半功倍的积极作用。据国内资料统计订购新的数控机床的交货周期一般较长，往往不能满足生产需要。因此机床的数控改造就成为满足市场需求的主要补充手段。在机械工业生产中，多品种、中小批量甚至单件生产是现代机械制造的根本特征，占有相当大的比重。要完成这些生产任务，不外乎选择通用机床、专用机床或数控机床，其中数控机床是最能适应这种生产需要的。从上述分析中不难看出数控技术用于机床改造是建立在微电子现代技术与传统技术相结合的根底之上。通过理论上的推导和实践使用的证明，把微机数控系统引入机床的改造有以下几方面的优点：1）可靠性高：柔性强；易于实现机电一体化；2）经济性可观。为此在旧的机床上进行数控改造可以提高机床的使用性能，降低生产本钱，用较少的资金投入而得到较高的机床性能和较大的经济效益。2 .总体方案设计2.1. 设计任务设计一个数控X-Y工作台及其控制系统。该工作台可用于铳床上坐标孔的加工和胎摸、塑料、铝合金零件的二维曲线加工，重复定位精度为±0.0Imm,定位精度为0.025mm。设计参数如下：负载重量G=150N;台面尺寸CXBXH=I45mmX160mmX12mm;底座外形尺寸Cl×Bl×Hl=210mm×220mm×140mm；最大长度L=388mm;工作台加工范围×=55mm,Y=50mm;工作台最大快移速度为Im/min。2.2.总体方案确定2.2.1.系统的运动方式与伺服系统数控系统按运动方式可分为点位控制系统，点位直线系统，连续控制系统。如果工件相对于刀具移动过程中不进行切削，可选用点位控制方式。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。对点位系统的要求是快速定位，保证定位精度。定位方式采用增量坐标控制。为了简化结构，降低本钱，采用步进电机开环伺服系统驱动X-Y工作台。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。控制系统由微机局部、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。2.2.3.X-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，为到达分辨率的要求，需采用齿轮降速传动。图2-1系统总体框图综上所述，本设计的总体方案确定为：采用MCS-51单片机对数据进行计算处理，由1/0接口输出步进脉冲步进电机经一级齿轮减速后，带动丝杠转动，从而实现工件的纵向、横向运动，同时为了防止意外事故，保护微机及其它设备，还设置报警，急停电路等。3.机械系统设计3.1. 工作台外形尺寸及重量估算X向拖板（上拖板）尺寸：长X宽X高145X160X50重量：按重量=体积X材料比重估算145×160×50×10-3x7.8×10-290nY向拖板（下拖板）尺寸：145x160x50重量:约90N。上导轨座（连电机）重量：夹具及工件重量：约150NOX-Y工作台运动局部的总重量：约287NO3.2.滚动导轨的参数确定3.2.1.导轨型式：圆形截面滚珠导轨3.2.2.导轨长度3.2.2.1.上导轨（X向）取动导轨长度=oo动导轨行程/=55支承导轨长度L=IB+1=1553.2.2.2.下导轨（Y向）选择导轨的型号：GTA163.2.3.直线滚动轴承的选型3.2.3.1.上导轨3.2.3.2.下导轨由于本系统负载相对较小,查表后得出LmOUUOP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LMI6UU0P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。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HI时，两端滚动体受力不相等，变形不一致，使工作台倾斜角，由此造成误差。此外，滚动体支承工作台，假设工作台刚度差，那么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。3.2.5.对导轨进行按下式进行校核：式中:L为滚动导轨副的距离额定寿命(km)本设计L定为50km；CI为额定载荷，查表C,=6.07kN;F为每个滑块上的工作载荷(N)F本设计设定为588N；fH为硬度系数，导轨面的硬度为58-64HRC时fH=1.0：分为温度系数，当工作温度不超过100°C时，f=lic为接触系数，每根导轨条上装二个滑块时人=0.81；为载荷/速度系数，无明显冲击振动或vW60mmin时，=1.5-2这里选择了比=2。=588×5T5×2÷(IXo.81X1)=1361N<Cj=6.07kN因此所选导轨满足要求。3.2.6.滚动导轨的润滑与防护滚动导轨采用润滑脂润滑。常用牌号为ZL-2锂基润滑脂(GB/7324-87,2号)。它的优点是不会泄漏，不需经常加油；缺点是尘屑进入后容易磨损导轨，因此防护要求较高。易被污染又难防护的地方，可用润滑油润滑。木设计的防护装置采用伸缩式。3.3.滚珠丝杠的设计计算滚珠丝杠的负荷包括铳削力及运动部件的重量所引起的进给抗力。应按铳削时的情况计算。3.3.1.最大动负载Q的计算查表得系数力=1,w=,寿命值查表得使用寿命时间T=15000h,初选丝杠螺距L4mm,得丝杠转速ULN,60×250×15000_所以L=225IO6X向丝杠牵引力Y向丝杠牵引力所以最大动负荷X向Qx=225X1×1×3.39=20.6(N)Y向Qy=225×l×l×4.06=24.7(0查表，取滚珠丝杠公称直径do=IOmm,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。3.3.2.滚珠丝杠螺母副几何参数计算表3-1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do10螺距t4接触角45钢球直径2螺纹滚道法面半径RR=0.524=1.04偏心距ee=(R-da2sin=O.O3螺纹升角Y=arcIg一=7.26螺杆螺杆外径dd=4-(0.20.25)%=9.5螺杆内径d4=d0+2e-2R=7.98螺杆接触直径dzd.-4)一dacos=8.59螺母螺母螺纹外径DD=d0-2e+2R=12.02螺母内径（外循环）D1=d0+(0.20.255)=10.5见表3-1。3.3.3.传动效率计算式中：一一摩擦角；/丝杠螺纹升角。3.3.4.刚度验算先画出此纵向进给滚珠丝杠支承方式草图如图4-20所示，最大牵引力为548N,支承间距LO=L=40Omm丝杠螺母及轴承均进行预紧，预紧力为最大轴向负荷的1/3。图4-20纵向进给系统计算简图珠丝杠受工作负载P引起的导程4的变化量Y向所受牵引力大，故应用Y向参数计算所以M=±三r"2xE（而丝杠因受扭矩而引起的导程变化量$4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15相，故刚度足够。3.3.5.稳定性验算验算滚珠丝杠尺寸和支承方式后，应验算丝杠在承受最大轴向载荷时是否会产生纵向弯曲。滚珠丝杠通常属于受轴向力的细长杆，假设轴向工作负载过大，将使丝杠失去稳定而产生纵向屈曲，即失稳。失稳时的临界载荷FK(N)为E一为材料的弹性模量，对钢E=20.6X10'Mpa;I一为截面惯性矩，对丝杠圆截面：T=11d764=3.14X16.9764=4002.2mm41.一丝杠最大工作长度(mm)；L=500mmfz一为丝杠支承方式系数，这里滚珠丝杠的支承方式采用一端固定一端简支的方式，所以fz=2F=fz2EI/1=2×3.142×20.6×10,X4002.2/500=2.0731×IO4Nnk=FFm=2.0731X107548=37.8>nJ=4所以，该滚珠丝杠不会失稳。nt许用稳定性平安系数，nJ=2.543.4.步进电机的选用3.4.1.步进电机的步距角优取系统脉冲当量%=0.01加%sfe.,初选步进电机步距角=1.5o3.4.2.步进电机启动力矩的计算设步进电机等效负载力矩为,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；s移动部件的相应位移；机械传动效率。假设取=h,那么S=K',且尸="+G,所以式中：Ps移动部件负载(N)；G移动部件重量(N)；Pz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；h步进电机步距角，(rad)；T电机轴负载力矩(Nc”)本例中，取以=0.