《数控机床》课程设计说明书 XY数控工作台机电系统设计.doc

滨州学院自动化系数控机床课程设计说明书设计题目： X-Y数控工作台机电系统设计 班级： 08机械三班 姓名： 指导教师： 滨州学院自动化系 机械设计制造及其自动化专业机械三班2011年 6月 目录一、设计任务二、设计主要步骤 三、机械部分装配图的绘制四、控制系统的设计计五、参考文献六、总结体会一、总体方案设计1.1 设计任务题目：XY数控工作台的机电系统设计任务：设计一种供立式数控铣床使用的XY数控工作台，主要参数如下：1）工作台面尺寸C×B×H245mm×255mm×39mm；2）底座外形尺寸C1×B1×H1445mm×445mm×295mm；3）工作台加工范围X=99mm，Y=99mm；4） X、Y方向的脉冲当量均为0.005mm、脉冲；X、Y方向的定位精度均为±0.01mm；5）负载重量G=295N；6）工作台空载最快移动速度为3m/min；工作台进给最快移动速度为1m/min。7）立铣刀的最大直径d=20mm；8）立铣刀齿数Z=3；9）最大铣削宽度；10）最大背吃刀量。1.2 总体方案确定（1）机械传动部件的选择 导轨副的选择 丝杠螺母副的选择 减速装置的选择 伺服电动机的选择 检测装置的选择（2）控制系统的设计 图1-1 系统总体框图二、机械系统设计2.1、导轨上移动部件的重量估算重量：按重量=体积×材料比重估算 （45钢密度7.85g/立方厘米）工作台面尺寸：245mm×255mm×39mm ；重量：16.88kg；上导轨座（连电机）重量：(100.21kg+1.1kg)x10N/kg=1013.1N；夹具及工件重量：315N； X-Y工作台运动部分的总重量G：800N；2.2、铣削力的计算零件的加工方式为立式铣削，采用硬质合金立铣刀，工件的材料为碳钢。查表得立铣刀的铣削力计算公式为代入上式得：N；其中，每齿进给量，铣刀转速，可直接带入计算。采用立铣刀进行圆柱铣削时，各铣削力之间的比值可查表得出，考虑逆铣时的情况，可估算三个方向的铣削力分别为：=2082. 3 N； =719.34N； =473.25N；现考虑立铣，则工作台受到垂直方向的铣削力=719.34N，受到水平方向的铣削力分别为纵向铣削力=2082.3N（丝杠轴线方向），径向铣削力=473.2N。2.3、直线滚动导轨的参数确定、滑块承受工作载荷的计算及导轨型号的选取本设计中的XY工作台为水平布置，采用双导轨、四滑块的支承形式。考虑最不利的情况，即垂直于台面的工作载荷全部由一个滑块承担，则单滑块所受的最大垂直方向载荷为=1088.23N。其中，移动部件重量为G，外加载荷根据计算出的工作载荷，初选符合要求的直线滚动导轨副的型号：JSALG20。根据任务规定工作台面尺寸，加工范围及工作台整体尺寸的要求，选择导轨的长度为445mm;、额定寿命的L的校核计算(略)2.4、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。、 最大工作载荷的计算 在立铣时，工作台受到进给方向的载荷（与丝杠轴线平行）为，受到横向的载荷（与丝杠轴线垂直）为，受到垂直方向的载荷（与工作台面垂直）为。已知移动部件的总重量G，按矩形导轨进行计算，查表，取倾覆力矩影响系数K=1.1，滚动导轨上的摩擦因数。求得滚珠丝杠副的最大工作载荷为：=1.1×2082.3+0.005×(719.34+473.25+1476.93) 2303.54N、最大动载荷的计算工作台在承受最大铣削力时的最快进给速度，初选丝杠导程，则此时丝杠转速=220r/min;取滚珠丝杠的使用寿命T=15000h，代入，得丝杠寿命系： =180;查表，取载荷系数，滚道硬度为60HRC时，取硬度系数，代入式，求得最大动载荷=15607.54N.、初选型号根据计算出的最大动载荷和初选的丝杠导程，查表，选择济宁博特精密丝杠制造有限公司生产的系列型，其额定动载，大于，满足要求。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32螺距5接触角钢球直径3.175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）、传动效率计算式中：摩擦角；丝杠螺纹升角。2.5、步进电机的选用、步进电机的步距角根据系统脉冲当量脉冲，滚珠丝杠的导程，初选步进电机步距角、步进电机快速空载启动时转轴所承受的负载转矩的计算=20.3N.mm其中是快速空载启动时折算到电动机转轴上的最大加速转矩；是移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩。=2.3N.mm=54.2x10-3 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1的转动惯量（）；齿轮2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 J1=8.087x10-4；J2=15.2x10-3；J3=3.9x10-3；电机轴转动惯量很小，可以忽略。=1.25103;设步进电机由静止到加速至所需时间为，传动链总效率为=31.3N.mm;式中：导轨的摩擦系数，滑动导轨取0.16； 垂直方向的工作负载，空载时取0； 传动链总效率，取0.7； 传动比，；步进电机最大工作负载状态下转轴所承受的负载转矩的计算=（49.35+0.275）=49.6;是折算到电动机转轴上的最大工作负载转矩；是移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩。=49.35N.m;=0.275N.m;=49.6N.m；、步进电机的最高工作频率=10000Hz;查表选用两个86BYG350AH0201型的步进电机，电机的有关参数见表2-2。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86BYG350AH02010.75250300032728585693kg表2-2 步进电机参数2.5、确定齿轮传动比因步进电机步距角，滚珠丝杠的导程，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 Z1=12，Z2=25。2.6、确定齿轮模数及有关尺寸因传递的扭距较小，取模数m=2mm，齿轮有关尺寸见表2-3。表2-3 齿轮尺寸 12252428 19 6 505445637四、控制系统的设计4.1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（人机界面）；（2） 回零点操作；（3） 控制步进电动机的驱动器，并实现升降速；（4） 与PC机的串行通信，并实现直线圆弧插补。4.2控制部分硬件选取4.2.1 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RAM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（1）进给控制系统原理框图（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。 图6 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。由于步进电机采用的是五相十拍的工作方式（五个线圈A、B、C、D、E），其正转时通电顺序为：A-AB-B-BC-C-CD-D-DE-E-EA-A.其反转的通电顺序为：A-AE-E-ED-D-DC-C-CB-B-BA-A。 （3）、驱动电源的选用，及驱动电源与控制器的接线方式 设计中X、Y向步进电动机均为45BF005-型，生产厂家为常州宝马前杨电机电器有限公司。查步进电动机的资料，选择与之匹配的驱动电源为BD28Nb型，输入电压为50V AC，相电流为3A，分配方式为五相十拍。该驱动电源与控制器的接线方式如图7所示 图74.3人机界面操作面板功能介绍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4.4接口程序初始化（回零点）4.41 8255A初始化程序。INTT: MOV DX, 8155A控制端口MOV AL, 86HOUT DX, ALMOV AL, 05HOUT DX, AL4.4.2在零点处设置光电式碰撞开关，回到零点时，开关响应。4.5步进电机控制程序4.5.1步进电机驱动程序4.5.2电机的控制电路原理及控制字 节拍通电相控制字正转反转二进制十六进制110A0000000000H29AB0000000101H38B0000001103H47BC0000001002H55C0000011006H65CD0000011107H74D0000010105H83DE0000010004H92E000011000CH101EA0000011010DH设电机总的运行步数放在R4，转向标志存放在程序状态寄存器用户标志位F1（D5）中，当F1为0时，电机正转，为1时则反转。正转时P1端口的输出控制字00H,01H,03H,02H,06H,07H,05H,04H,0CH,0DH存放在片内数据存储单元20H29H中，2AH中存放结束标志00H，在2BH36H的存储单元内反转时P1端口的输出控制字00H,0DH,0CH,04H,05H,07H,06H,02H,03H,01H,00H存放在37H单元内存放结束标志00H。4.6直线圆弧插补程序设计在机电设备中，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。4.6.1直线插补程序的设计4.6.1.1用逐点比较法进行直线插补计算，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，第一象限直线插补程序的算法如图4.6.1.2程序设计设计程序时，在RAM数据区分别存放终点坐标值、，动点坐标值X,Y，偏差。对8位机，一般可用2字节，而行程较大时则需用3字节或4字节才能满足长度和精度要求。此外，所有的数据区必须进行初始化，如设置初始值、X、Y向步进电机初态（控制字）。插补程序所用的内存单元如下：28H29H2AH2BH2CH70HXY电机正反转控制字电机正反转控制字为：D0D1D2D3D4D5D6D7D1D0为X向电机控制位。D0=1运行，D0=0停止；D1=1正转，D1=0反转。D2D3为Y向电机控制位。D2=1运行，D2=0停止；D3=1正转，D3=0反转。4.6.2 圆弧插补程序的设计4.6.2.1逐点比较法逐点比较法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。第一象限逆圆弧插补程序算法如图五、参考文献 【1】、文怀兴、夏田 .数控机床系统设计 北京：北京化工出版社，2005. 【2】、韩荣第 .金属切削原理与刀具 哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2007. 【3】、李洪 .机床设计手册北京：辽宁科学技术出版社，1999. 【4】、陈家芳.金属切削工艺手册 上海：上海科学技术出版社, 2005. 【5】、杨建明. 数控加工工艺与编程北京：北京理工大学出版社，2009.【6】、濮良贵、纪名刚.机械设计，北京：高等教育出版社，2006【7】、张建民.机电一体化系统设计北京:高等出版社，2007.六、总结体会 通过这次机电一体化课程设计，增强了自己各方面的能力，比如自我思考，自己动手的能力。克服了很多困难，虽然花的时间比较多，还是觉得值得，感觉这是对这门课的一个很好的总结。收获颇丰。