XY数控工作台设计说明书.docx
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XY数控工作台设计说明书
何贤照07011095
1、总体方案设计
1.1 设计任务
课程设计任务:
设计两轴联动的数控 X-Y 运动平台,完成机械系统设计、控
制系统设计与相应软件编程,根据实验条件进行调试,完成整个开发系统。
主要参数见下表:
系列型号行程
台面尺寸
底座外形尺寸
最大
负载
XY 最大
重复定
定位
XY
C B H
C1 B1 H1
长度 重量 移动速
位
精度
L
HXY-402540025024025415650500184778
N
500
度
1M/分 ±0.02 0.04
1.2 总体方案确定
1.2.1 方案确定思想
方案一:
机械部分
传动:
滚珠丝杠螺母副
支撑:
双推-双推式 滑动导轨
控制部分
控制器件:
单片机
控制方式:
开环控制
伺服电机:
步进电动机
优点:
采用滚珠丝杠螺母副,可实现旋转运动与直线运动相互转换,在具有螺旋槽
的丝杠螺母中装有滚珠作为中间传动元件,以减少摩擦。
优点是摩擦系数小,传
动效率高,灵敏度高,传动平稳,不易产生滑行,传动精度和定位精度高;磨损
小,使用寿命长,精度保持性好。
双推式支撑实现高精度传动,采用单片机控制
步进电动机,响应快速而准确。
缺点:
滚珠丝杠螺母副的不足在于制造工艺复杂,成本高,不能自锁,故需附加制
动装置。
开环控制精度比较低。
方案二:
机械部分
传动:
同步带传动
支撑:
滑动导轨
控制部分
控制器件:
单片机
控制方式:
开环控制
伺服电机:
直流无刷电机
优点:
1
何贤照07011095
同步带传动无相对滑动,传动比准确,传动精度高,齿形带的强度高,厚度
小、重量轻,故可用于高速传动;传动比恒定,同步带无需特别涨紧,因而作用
于轴和轴承等上的载荷小,传动效率高。
单片机控制直流无刷电机,空载电流小,
效率高。
缺点:
同步带工作时候有温度要求,安装精度要求较高,中心间距要求较高,有时
候需要张紧,安装麻烦。
无刷直流电机启动时有震动,控制器要求高,价格高。
采用开环精度较低。
方案三:
机械部分
传动:
齿轮齿条
支撑:
直线导轨
控制部分
控制器件:
单片机
控制方式:
闭环控制
伺服电机:
直流无刷电机
优点:
齿轮齿条传动功率大,精度高,稳定性好,响应速度快。
单片机控制直流无
刷电机,无刷直流电机启动时有震动,控制器要求高,价格高。
采用开环精度较
低。
采用闭环控制,精度高。
双线导轨稳定。
缺点:
齿轮齿条无自锁,需要外加自锁机构。
噪音大,磨损较快。
1.2.2 方案对比分析与确定
综合课程设计要求,精度为 0.04mm,最大载荷是 500N,相比同步带和齿轮
齿条传动,滚珠丝杠传动更符合精度要求,因为丝杠传的动的精度可以达到±
0.01mm,而同步带传动时会产生弹性变形,具有一定的蠕变性。
齿轮齿条传动精
度和滚轴丝杠精度相当,但是安装较麻烦,安装精度要求高。
步进电动机和直流无刷电机相比,步进电动机控制简单,启动稳定,而直流
无刷电机控制要求高,成本高,课程设计要求精度未达到微米级别,空载转速要
求为 1m/min,因此采用低档的步进电动机就能满足要求。
开环控制结构简单控制容易,稳定性好,一般用于轻载变化不大的场合,根
据最大载荷 500N 的要求,可以满足。
综合以上分析,决定选择第一种方案。
采用单片机控制步进电动机提供动力,
滚轴丝杠传递动力,总体采用开环控制。
1.2.3 总体方案系统组成
机械系统由滚珠丝杠螺母副、直线滚动导轨副、步进电机、单列角接触球轴承等
组成。
控制系统由单片机和计算机等组成。
2
何贤照07011095
2、机械系统设计
2.1 导轨上移动部件的重量估算
按照下导轨上面移动部件的重量来进行估算。
包括工件、夹具、工作平台、
上层电动机、滚珠丝杆副、直线滚动导轨副、导轨座等,估计重量约为 900N。
2.2 直线滚动导轨副的计算与选型
(1)滑块承受工作载荷 F 的计算方法及导轨型号的选取
max
工作载荷是影响直线滚动导轨副使用寿命的重要因素。
本例中的 X-Y 工作台
为水平布置,采用双导轨、四滑块的支承形式。
单滑块所承受的最大垂直方向载
荷为;
Fmax==225N
4
查表,根据工作载荷 F =0.225kN,初选直线滚动导轨副的型号为 KL 系列的
max
JAS-LG15 型,其额定动载荷 C =7.94kN,额定静载荷 C =9.5kN。
a0a
任务书规定工作台面尺寸为 240mm×254mm,加工范围为 400mm×250mm,查
表,按标准系列选取导轨的长度为 640mm。
(2)距离额定寿命 L 的计算
所选导轨副的滚道硬度为 60HRC,工作温度不超过 100℃,精度为 4 级。
查
表取硬度系数 f =1.0、温度系数 f =1.00、接触系数 f =0.81、精度系数 f =0.9、
HTCR
载荷系数 f =1.5,代入式子
W
L =( fHfTfCfR
fW
Ca
Fmax
3
)×50 ≈ 182619km
远远大于 50km,故距离额定寿命满足要求。
2.3 滚珠丝杠螺母副的选型与校核
(1) 最大工作载荷 F 的计算
m
已知移动部件总重量 G=900N,滚动导轨上的摩擦因素 u=0.004。
求得滚珠丝
杆副的最大工作载荷:
F =μG=0.004×900=3.6N
m
(2) 最大动载荷 F 的计算
Q
该工作台的最快进给速度 v=1000mm/min,初选丝杆导程 P =5mm,则此时丝
h
杆转数 n=v/P =200r/min,取滚珠丝杆的使用寿命 T=15000h,代入
h
Lo = 60nt /10 6
得 Lo=180(单位为:
106r) 。
查表,取载荷系数f =1.2,滚道硬度 60HRC 时,
W
取硬度系数 f
H
=1.0.,代入得滚动丝杠最大动载荷
F = 3 L f F ≈24.4N
Qmm
(3) 初选型号
根据计算出的动载荷和丝杆导程,查表选择 G 系列 2005—3 型滚珠丝杆副,
为内循环固定反向器螺母式,其公称直径为 20mm,导程为 5mm,循环滚珠为 3
3
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圈×1 列,精度等级取 5 级,额定动载荷为 9309N,大于 F ,满足要求。
Q
(4) 传动效率η的计算
将公称直径 d =20mm,导程 P =5mm,传动效率
0h
η =
tgλ
tg (λ + ϕ )
= 96.4%
(5) 刚度的验算
1) 丝杠左右支承德中心距约为 a=600mm;滚珠直径 D =3.175mm;丝杆底径
W
D =16.2mm;丝杆截面积 S=206.12mm²。
滚珠丝杆满载时拉压变形量:
2
δ
3.6 ⨯ 560
m
ES 2.1⨯ 10 5 ⨯ 206.12
2) 根据 Z=(πd /D )-3,得单圈滚珠数 Z=20;该型号丝杆为单螺母,滚珠
0W
的圈数×列数为 3×1,F =F /3=1.2N。
得滚珠与螺纹滚道间的接触变形
YJM
量
3) δ =+ δ =0 δ .3um
总21
δ
2 = 0.00008mm
丝杆行程为 315—400mm,允许到 25um,故丝杆刚度足够。
(6) 压杆稳定性校核
滚珠丝杠通常属于受轴向力的细长杆,若轴向工作负载过大,将使丝杠失去
稳定而产生纵向屈曲,即失去稳定。
失稳时的载荷载荷为 F ,
K
I = π d 4 / 64mm = 3380.88mm
1
F =9343N 远大于工作载荷 F ,因此,所选滚珠丝杠符合稳定性要求。
Km
2.4 步进电动机的计算与选型
(1)计算加在步进电机转轴上的总转动惯量 J
eq
已知:
滚珠丝杆直径 d =20mm,总长 l=600mm,导程 P =5mm,材料密度 p=7.85
oh
×10 -3 ;移动部件总重力 G=900N,传动比为 1。
算得各个零部件的转动惯量如下:
滚珠丝杆的转动惯量 J =m D2/8=0.69kg×
si
cm²
拖板折算到丝杆上的转动惯量 J =(P /2π)=0.57kg·cm²
Wh
初选步进电机型号为 90BYG2602,为两相混合式,步距角为 0.75°,从表查
得该电机转子的转动惯量 J =4kg·cm²。
m
则加在步进电机转轴上的总转动惯量为:
J = J +( J + J )/i²=5.26kg·cm²
eqmwS
(2)计算加在步进电机转轴上的等效负载转矩 T
eq
分快速空载起动和承受最大工作负载两种情况进行计算。
1) 快速空载起动时电机转轴所承受的负载转矩 T =T
eq1
amax
+T
f
T
amax
为快速空载起动时折算到电机转轴上的最大转矩;T 是移动部分折算到电机
f
4
何贤照07011095
转轴上的摩擦转矩。
T
a max
m
T
eq1
= T
a max
+ T = 0.0803 N·m。
f
2) 最大负载状态下电动机转轴所承受的负载转矩 Teq =T +T
2tf
T 为折算到电动机转轴上的最大工作负载转矩;
t
T 是移动部件运动时折算到电机转轴上的摩擦转矩;
f
T =
t
Ff Ph
f f
T =T =0.036 N·m;
eq2f
T = max{T , T } = 0.0803 N·m。
eqeq1eq 2
(3)步进电机最大静转矩的选定
考虑到步进电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 T 来选择步进电机的最
eq
大静转矩时,需要考虑安全系数。
取安全系数 K=4.,则步进电动机的最大静转
矩应满足:
T
j max
≥ 4T = 4 x1.422 = 5.688 N·m。
eq
上述初选的步进电动机型号为 90BYG2602,由表得该型号电动机的最大静转
矩T
jmax
=6N·m。
可见,满足要求。
(4)步进电动机的性能校核
1)最快工进速度时电动机输出转矩校核
给定工作台最快工进速度 V
maxf
=1M/分,求得电动机对应的运行频率
f
maxf
=
1000
60 x0.01
=1667Hz,
从 90BYG2602 电动机的运行频率特性曲线图可以看出,在此频率下,电动机
的输出转矩 T
=5.5N·m,远远大于最大工作负载转矩 T =0.0036 N·m,满足
maxf eq2
要求。
2)最快空载移动时电动机输出转矩校核
给定工作台最快工进速度 V
maxf
=1M/分,求得电动机对应的运行频率
f
maxf
=
1000
60 x0.01
=1667Hz
从 90BYG2602 电动机的运行频率特性曲线图可以看出,在此频率下,电动机
的输出转矩 T=5.5N·m,远远大于快速空载启动时的负载转矩 T =0.0803 N·m,
maxfeq1
满足要求。
3) 最快空载移动时电动机运行频率校核
与 最 快 空 载 移 动 速 度 v =3000mm/min 对 应 的 电 动 机 运 行 频 率 为
max
f =10000Hz。
查表可知 90BYG2602 电动机的空载运行频率可达 20000Hz,没超出
max
5
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上限。
4) 启动频率的计算
已知电动机转轴上的总转动惯量 J =5.26kg×cm2,电动机转子的转动惯量
eq
J =4kg×cm2,电动机转轴不带任何负载时的空载起动频率 f =1800Hz。
可求出步
mq
进电机克服惯性负载的起动频率:
f =fq
L
Jm
= 1200Hz
上式说明,要想保证步进电机启动时不失步,任何时候的起动频率都必须小
于 1200Hz。
实际上,采用软件升降频时,起动频率选的更低,通常只有 100Hz。
综上所述,本例中工作台的进给传动选用 90BYG2602 步进电动机,完全满足设计
要求。
2.5 机械系统结构设计
设计结构如图所示:
x-y 数控工作台结构
此数控工作台主要由步进电机、丝杠螺母副、滚动导轨副、工作台、轴承座、
端盖、轴承、联轴套、键、垫圈等组成。
(具体见装配图附录)
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3、控制系统硬件设计
处理芯片
DB9接头电路原理图
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步进电机驱动电路图
电路原理图
硬件电路采用 AT89C51 单片机处理程序,采用 ULN2003 芯片驱动电机,整个
电路采用光电耦合,实现带暖气隔离,保护电路不受强点伤害。
采用 DB9 接头和
电脑相连。
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4、控制系统软件设计
4.1 控制系统软件总体方案设计
硬件电路采用 AT89C52 单片机作为处理器,ULN2003 驱动板作为电机驱动电
路,单片机和上位机采用 DB9 接头连接。
程序设计为点动控制,从原点开始到特
定点的运动。
通过控制单片机的相应引脚输出高低电平,利用单片机的中断,通过键盘控
制点动,实现功能。
4.2 主流程设计
总中断开
外部中断
开
给 P1 口赋值
循环
中断信号
#include
#define uint unsigned int
#define uchar unsigned char
uchar num,temp;
void delay(uint z);//延时程序的声明;
void main()
{
EA=1;// CPU 开总中断;
EX0=1;//外部中断开;
P1=0xcf;//电机 1 的二个引脚交替通电;
delay(1000);
P1=0x9f;
delay(1000);
P1=0x3f;
delay(1000);
P1=0x6f;
delay(1000);
}
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void delay(uint z)//延时程序;
{
uint x,y;
for(x=z;x>0;x--)
for(y=110;y>0;y--);
}
void zd()interrupt 0//中断程序;
{
P1=0xfc;//电机 2 两个引脚相继通电;
delay(1000);
P1=0xf9;
delay(1000);
P1=0xf3;
delay(1000);
P1=0xf6;
delay(1000);
}
4.3 中断服务流程设计:
键盘按钮产生电平变化,CPU 外部中断开启,调用中断程序,使电机 1 停
止转动,并保持当前状态,中断程序使得电机 2 转动。
以下是中断子程序:
void zd()interrupt 0//中断程序;
{
P1=0xfc;//电机 2 两个引脚相继通电;
delay(1000);
P1=0xf9;
delay(1000);
P1=0xf3;
delay(1000);
P1=0xf6;
delay(1000);
}
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5.总结
我们这次设计的是不考虑铣削力情况下的工作台结构,大大降低了设计难
度。
我做的是计算部分,主要是计算导轨、丝杆等。
通过本次课程设计,我大致
了解了铣床的构造和工作原理。
零部件的设计,要综合考虑安全、使用、经济等
方面因素。
不过最重要的还是团队合作,这将是一次重要的实践经验。
参考文献
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机械工业出版社,2007.7.
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北京理工大学出版社,1996.8.
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清华大学出版社,1999.8.
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清华大学出版社,2003.
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人民邮电出版社,2003.2.
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地震出版社,2002.6.
[10].各类机电产品设计手册.
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