XY数控工作台课程设计说明书.docx
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XY数控工作台课程设计说明书.docx
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XY数控工作台课程设计说明书
机电一体化系统综合课程设计
课题名称:
X-Y数控工作台设计
学院:
机械工程学院
专业:
机械设计制造及其自动化
设计成员:
指导教师:
1、总体方案设计
1.1机电专业课程设计的任务
主要技术指标:
一定的规格要求〔负载重量G=500N;台面尺寸C×B×H=240×254×15mm;底座外形尺寸C1×B1×H1=500×500×184mm;最大长度L=628mm;工作台加工范围X=250mm;Y=250mm;工作台最快移动速度为1m/min;重复定位精度为±0.02mm,定位精度为±0.04mm;
设计具体要求完成以下工作:
〔1〕数控工作台装配图〔1:
1比例或0#图幅〕1X;
〔2〕数控系统电气原理图〔2#图幅〕1X;
〔3〕设计说明书〔10~20〕页1本;
所有图样均采用CAD绘制打印,设计说明书按规定撰写。
1.2总体方案确定
1.方案拟定
根据设计任务,参照参考资料结合实际,初步设定如下三个总体方案:
方案一:
机械局部
电机
交流伺服电机
减速器
一级齿轮减速器
丝杠
螺纹丝杠
导轨
直线滑动导轨
控制局部
控制器
PLC可编程控制器
反应
闭环驱动电路
方案二:
机械局部
电机
交流伺服电机
减速器
同步带轮
丝杠
滚珠丝杠
导轨
直线滚动导轨
控制局部
控制器
PLC可编程控制器
反应
半闭环驱动电路
方案三:
机械局部
电机
步进电机
减速器
一级齿轮减速器
丝杠
滚珠丝杠
导轨
直线滚动导轨
控制局部
控制器
单片机
反应
开环驱动电路
2.方案比拟
XY工作台系统可以设计为开环、半闭环和闭环伺服系统三种。
开环的伺服系统采用步进电机驱动,系统没有检测装置;半闭环的伺服系统中一般采用交流或直流伺服电机驱动,并在电机输出轴安装脉冲编码器,将速度反应信号传给控制单元;闭环的伺服系统也是采用交流或直流伺服电机驱动,位置检测装置安装在工作台末端,将位置反应信号传给控制单元。
闭环和半闭环伺服系统价格昂贵,构造复杂,同时其可控分辨率也很高,但在本次设计中,其位置精度〔±0.02mm〕要求不高,考虑到本钱低,维修方便,工作稳定等条件。
选用步进电机伺服系统就可以满足要求。
其通过单片机控制步进电机的驱动,经传动机构带开工作台运动。
比照以上三种方案:
●PLC价格比拟贵考虑本钱不选。
●直线滚动导轨副具有摩擦系数小,不易爬行、传动效率高、构造紧凑、安装预紧方便等特点。
●滚珠丝杠副有如下特点:
①传动效率高②系统刚性好③传动精度高④使用寿命长⑤运动具有可逆性〔既可将回转运动转变为直线运动,又可将直线运动变为回转运动,且逆传动效率几乎与正传动效率一样〕⑥不会自锁⑦可进展预紧和调隙。
●步进电机:
构造简单、价格低、转动惯量小、动态响应快、易起停,可满足快速移动和精度要求。
●同步带减速:
圆整脉冲当量,放大输出转矩,安装中心距精度要求较低。
●无隙齿轮箱减速:
可消除间隙,但设计和安装精度高。
●无减速装置:
构造简单,但输出转矩小,易受切削力影响。
●开环控制:
简单实用,但精度较半闭环和闭环低,不能检测误差,也不能校正误差。
●闭环控制:
控制精度和抑制干扰的性能都比拟差,而且对系统参数的变动很敏感。
所以方案三最适宜为最正确方案
3.系统组成
1.机械系统组成
机械系统由两个步进电机;两个无隙齿轮箱减速器;两个滚珠丝杠以及两个直线滚动导轨副作为主要的动力输出、传动以及机械控制局部,系统的组成还有其他一些机构。
2.控制系统组成
控制系统由AT89S52型单片机、一个2764存储器作为外部程序存储器、一个6264存储器作为外部数据存储器、并行I/O接口8255,8155、7407驱动显示器、以及键盘接口电路、步进电机接口电路和其他电源、限位开关等构成。
2、机械系统设计
2.1工作台外形尺寸及重量估算
工作台面尺寸:
长
宽
高〔mm)240×254×15
重量:
按重量=体积×材料比重估算
240×254×15×10-3×7.8×10-2≈71.323N
上导轨座〔连电机〕重量:
254×500×(184-15)≈1674.114N
夹具及工件重量:
约150N
累计重量:
1895N
2.2直线导轨副的计算与选型
1.滑块承受工作载荷Fmax(单个滑块所受最大垂直方向〕
Fmax=F+G/4=973.75N
查表3-41,初选直线滚动导轨副的型号为KL系列的JSA-LG15,其额定载荷Ca=7.94KN,额定静载荷Coa=9.5KN
任务书规定台面尺寸240mm×254mm,加工范围250mm×250mm,由表3-35选取导轨长度为520mm.
2.3滚珠丝杆的设计计算
1.最大工作载荷Fm的计算
移动部件总重量1895N,按矩形导轨进展计算,查表3-29,取颠覆力矩影响系数k1.1,滚动导轨上的摩擦因数μ=0.005
2.最大动载荷FQ
设工作台最快进给速度为1000mm/min,初选丝杠导程Ph=5mm
此时丝杠转速n=v/Ph=200r/min
求滚球丝杠的使用寿命T=15000h,代入LO=60nT/106,得丝杠寿命系数LO=180〔106r〕
查表3-30,取载荷系数fW=1.2,滚道硬度为60HRC,取硬度系数fH=1.0,代入
3.初选型号
根据计算出最大动载荷和初选的丝杠导程,查表3-31,选XX博特精细丝杠制造XX生产的G系列2505-4型滚珠丝杠副,为内循环固定反向器单螺母式,其公称直径25mm,导程5mm,循环滚珠为4圈×2列,精度等级取5级,额定动载荷大于FQ。
4.传动效率η的计算
将公称直径do=25mm,导程Ph=5mm,代入
,得丝杠螺旋升角λ=3°38‵,得传动效率η=95.6%.
5.刚度的验算
⑴X-Y工作台上两层滚珠丝杠副的支承切采用一对推力角接触球轴承,左右支承的中心距离为a=500mm,钢的弹性模量E=2.1×105MPa,查表3-31,得滚珠直径Dw=3.175mm,丝杠底径d2=21.2mm,丝杠截面积
,根据
,得在Fm作用下产生的拉/压变形量δ1=1.08×10-2mm
⑵根据公式
得单圈滚球数Z=20,该系列丝杠为单螺母,滚珠的圈数×列数为4×2.代入公式
,得滚球总量Z∑=160,丝杠预紧时,取轴向预紧力FYJ=Fm/3=535N,滚珠与螺纹滚道间的接触变形量δ2=0.0013×Fm/〔10×
〕=1.278×10-3mm,因为丝杠加有预紧力,且为轴向负载的1/3,实际变形量可减少一半,取
=6.388×10-4mm.
⑶丝杠的总变形量
,计算得丝杠的有效行程为250mm,由表3-27得,5级精度滚珠丝杠有效行程在≦315mm,行程偏差允许打到23μm,可见丝杠刚度足够。
⑷压杠稳定性校核:
根据公式
计算失稳时的临界载荷Fk。
查表,取支承系数
=1,由丝杠底径d2=21.2mm,求得截面惯性矩
=9910.44mm4;压杆稳定平安系数K取3〔丝杠卧式水平安装〕;滚动螺母至轴向固定处的距离
取最大值500mm。
代入
=27359.6N,远大于工作载荷Fm,故丝杠不会失稳。
2.4步进电动机减速箱设计
减速箱采用一级减速,大齿轮设计成双片构造,工作台脉冲当量δ=0.005mm/脉冲,滚珠丝杠导程Ph=5mm,初选步进电动机的步距角
=0.75°,减速比i=〔
Ph〕/〔360×δ〕=25:
12,大小齿轮模数都为1mm,齿数比75:
36,材料为45号调制钢,齿外表淬硬后达55HRC。
减速箱中心距为〔75+36〕/2=55.5mm,小齿轮厚度为20mm,双片大齿轮厚度均为10mm。
2.5步进电机的选型与计算
(1)计算加在步进电动机转轴上的总转动惯量Jeq
滚珠公称直径d=25mm,总长L=500mm,导程Ph=5mm,材料密度ρ=7.8×10-3kg/cm3,移动部件总重量G=1895N,小齿轮齿宽b1=20mm,直径d1=36mm,大齿轮齿宽b2=10mm,直径d2=75mm,滚珠丝杠的转动惯量
Js=πLρd4/32=1.946kg·cm2,
托板折算到丝杠的转动惯量
Jw=〔Ph/2π〕
m=1.223kg·cm2,
小齿轮的转动惯量JZ1=0.259kg·cm2,大齿轮的转动惯量JZ2=4.877kg·cm2,初选步进电动机型号90BYG2602,二相四拍,步距角0.75°,该型号的转子的转动惯量Jm=4kg·cm2。
那么加在步进电动机转轴上的总转动惯量
Jeq=Jm+JZ1+〔JZ2+Jw+Js〕/i
=6.113kg·cm2
(2)计算加在步进电动机转轴上的等效负载转矩Teq
a、快速空载启动,电动机转轴承受的负载转矩Teq1=Tmax+Tf
Tmax=2πJeq
/〔60taη〕=0.952N·m
为对应空载最快移动速度的步进电动机的最高转速
=
α/360δ=416.7r/min
摩擦转矩
=μ(G+
)=Ph/2πηi=5.173×10
N·m
快速空载启动时的电动机转轴所承受的负载转矩Teq1=Tmax+Tf=0.957N·m
b、最大工作负载状态下电动机转轴所承受的负载转矩Teq2
Teq2=Tt+Tf
Tt=FfPh/2πηi=0.79N·m,Tf=5.173×10
N·m
那么Teq2=Tf+Tt=0.795N·m
得到加在步进电动机转轴上的最大等效负载转矩为
Teq=max{Teq1,Teq2}=0.957N·m
〔3〕步进电动机最大静转矩的选定
考虑到步进电动机的驱动电源受电网电压影响较大,当输入电压低时,其输出转矩会下降,可能会造成丢步,甚至堵转。
因此根据Teq来选择步进电动机的最大静转矩时,要考虑平安系数。
此处平安系数K=4,那么步进电动机的最大静转矩应满足:
Tjmax≥4Teq=3.828N·m,而初选的步进电动机型号90BYG2602,Tjmax=6N·m,满足要求。
〔4〕步进电动机性能校核
a、电动机运行频率fmaxf=666.7HZ,从90BYG2602电动机的运行矩频特性曲线图可得,电动机的输出转矩Tmaxf=5.7N·m,远大于最大工作负载转矩
Teq2=0.795N·m,满足要求。
b、最快空载移动时电动机输出转矩校核
工作台最快空载移动速度vmax=1000mm/min,对应的运行频fmax=3333.3HZ。
此频率下,电动机输出转矩Tmax=4.6N·m,大于快速空载Teq1=0.957N·m。
c、最快空载移动时电动机运行频率校核
与vmax=1000mm/min对应的电动机fmax=3333.3HZ,而90BYG2602电动机的空载运行频率可达20000HZ,可见没超出上限。
d、起动频率的计算
步进电动机克制惯性负载的起动频率:
=
/
=1132HZ。
要保证步进电动机起动时不失步,任何时候的起动频率都必须小于1132HZ。
综上所述,采用90BYG2602步进电动机时符合的。
2.6机械系统构造设计
我们采用一级齿轮减速箱实现电机到丝杠的速度传递,
用套筒联轴器连接减速箱齿轮轴和丝杠轴。
用滚珠丝杠将电机的回转运动转换成工作台的直线运动。
3、控制系统硬件设计
3.1控制系统硬件组成
根据总体方案及机械构造的控制要求,确定硬件电路的总方案,绘制系统电气控制的构造框图。
其中数控系统是由硬件和软件两局部组成。
此次电路系统所设定方案包括以下几个硬件局部:
(1)主控制器,即中央处理单元CPU。
方案采用MCS-51系列的8031单片机作为主控制器。
(2)总线。
包括数据总线、地址总线和控制总线。
(3)存储器。
包括程序存储器和数据存储器。
(4)接口。
I/O〔输入/输出〕接口电路。
(5)外围设备。
如键盘,显示器及光电输入机等。
3.2控制系统硬件选型
〔1〕单片机的选择:
本课程设计目的是设计一种经济型的二坐标数控工作台,其功能比拟简单,本钱低。
因而这里选用MCS-51系列的8031单片机作为CPU,它具有良好的性能价格比,且易扩展。
8031所具有的根本功能:
具有功能很强的8位中央处理单元
片内有时钟发生电路
的片内具有128字节RAM
具有21的特殊存放器
可扩展64K字节的外部数据存储器和64K字节的程序存储器
具有四个I/O口,32条I/O线
具有两个16位定时器/计数器
具有五个中断源,配备两个中断优先级
具有一个全双工串行接口
具有位寻址能力、适用于逻辑运算
〔2〕外部程序和数据存储器的扩展:
由于所选用的8031单片机为MCS-51系列单片机,其存储器空间为64K字节,而8031单片机片内没有ROM,当片内存储器容量不够时,进展存储器的扩展是必不可缺的。
由于此次设计存储容量不大,所以我们选择价格低廉,性能可靠的2764芯片作为外部程序和数据存储器。
〔3〕I/O口扩展电路:
此次课程设计因采用步进电机作为驱动装置。
为了降低本钱,特采用可编程外围并行接口芯片8155,使其完成驱动步进电机的功能,同时采用可编程外围并行接口芯片8255来完成与键盘/显示器的接口操作功能。
8155和8255所能实现的功能:
①并行输入或输出多位数据。
②实现输入数据锁存和输出数据缓冲。
③提供多个通道接口联络控制信号。
④通过读取状态字可实现程序对外设的询查。
〔4〕显示器和键盘电路的接口设计:
电气原理图中,由8片共阳极LED显示块拼成8位LED显示器。
为了简化硬件电路,采用动态显示方式。
即所有位的段选线相应地并联在一起,由8155的PA.0~PA.7口来控制LED显示器的段码,而各位的位选线分别由相应的I/O口线控制。
即PC0~PC7、PB6~PB7共8个I/O口线控制,实现各位的分时选通。
键盘实质上是一组按键开关的集合。
电气原理图中采用矩阵式键盘接口,键盘接口电路通过8155〔U5〕的PA0~PA3和PC0~PC4、PB0~PB7构成行、列线。
按照逐行逐列地检查键盘状态〔即扫描〕来确定闭合键的位置。
〔5〕步进电机的接口电路设计
对于此次课程设计中选用的步进电机,为两相,无论它工作在什么方式,都需要两路控制电路,并且每一路对应于步进电机的一相。
而每一路控制电路的构造是一样的。
而在电气原理图中通过8255〔U5〕的PA0~PA1分别控制X方向步进电机的两相。
对于Y轴步进电机通过8255的PA2~PA3分别控制Y方向步进电机的两相。
3.3控制系统硬件接口电路设计
3.4驱动系统设计
传动驱动局部包括步进电机的驱动和电磁铁的驱动,步进电机须满足快速急停、定位和退刀时能快速运行、工作时能带开工作台并克制外力〔如切削力、摩擦力〕并以指令的速度运行。
在定位和退刀时电磁铁吸合使绘笔抬起,绘图时能及时释放磁力使笔尖压下。
(1)步进电机驱动电路和工作原理
步进电机的速度控制比拟容易实现,而且不需要反应电路。
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。
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二相四拍的工作方式,二相四拍为AB—Ab—ab—Ab—AB,其中A和a代表A相绕组正端和负端功率桥信号,其中B和b代表B相绕组正端和负端功率桥信号。
(2)电磁铁驱动电路
该驱动电路也采用了光电偶合器,但其功放电路相对简单。
其光电偶合局部采用的是达林顿管,因为驱动电磁铁的电流比拟大。
(3)电源转换
两电机同时工作再加上控制系统用电,所需电源容量比拟大,需要选择大容量电源。
此系统中用到的电源电压为27V、12V、5V,为了便于管理和电源容量需求,就采用了标准的27V电源作为基准,通过芯片进展电压转换得到所需的12V和5V电压。
电路中在转换芯片的前后有两个电容,前面电容起防止自激作用,后面电容起滤波作用。
此外,在具体应用的过程中,LM7805必须加上散热片。
4.控制系统软件设计
对于MCS-51系列的8031单片机的程序设计,由于所需实现的功能较简单,采用汇编的形式。
编译器采用Keil编译软件。
该编译器是51系列单片机程序设计的常用工具,既可用汇编,也支持C语言编译。
同时具有完善的调试功能。
4.1控制系统软件总体方案设计
流程图
4.2主流程设计
CTLEQU3FF8H;8255地址
PAEQU3FF9H
PBEQU3FFAH
PCEQU3FFBH
CMDEQU02H
ORG0000H
AJMPMAIN
ORG0003H
AJMPINT0IS;外部中断0入口
ORG000BH
AJMPTM0IS;定时器0中断入口
ORG0013H
AJMPINT1IS;外部中断1入口
ORG001BH
AJMPTM1IS;定时器1中断入口
ORG0100H
MAIN:
ANLP1,0EFH
SETBIT0;外中断负跳沿触发
SETBIT1
MOVA,CTL
MOVDPTR,A
MOVXDPTR,CMD;A口输入,B口输出,C口输入
SETBEX0;允许外中断0
SETBEX1;允许外中断1
SETBPX0
SETBPX1;设置优先级
SETBEA;开总中断
LOOP:
AJMPLOOP;等待中断
在等待中断的过程中,如果有中断到来,先检查中断0的状态,是中断0那么进入中断0的中断效劳INT0IS,是中断1那么进入中断1的中断效劳INT1IS。
中断效劳0是由4个行程开关触发的,它触发后通过单片机读取PA口内容,然后将结果反应到PB口的LED上。
中断效劳1有6个中断源,这六个中断源分别是手动X正方向运行,手动X负方向运行,手动Y正方向运行,手动Y负方向运行,复位和绘制圆弧。
4.3中断效劳流程设计
4.31INT0中断效劳流程图
NT0IS:
PUSHACC
PUSHDPTL
PUSHDPTH
PUSHPSW
MOVA,PA
MOVDPTR,A
MOVXA,DPTR;读PA口内容
MOVR2,A
MOVA,PB
MOVDPTR,A
MOVDPTR,R2;A口状态输到B口LED灯
MOVA,R2
CPLA;A取反
ANLA,#03H;屏蔽高6位
JZA,TM2C
SETBP1.0
SETBP1.1
SETBP1.2
TM2C:
MOVA,R2
CPLA
ANLA,#0CH
JZA,RETIN
SETBP1.3
SETBP1.4
SETBP1.5
RETIN:
POPPSW
POPDPTH
POPDPTL
POPACC
RETI
4.32INT1中断效劳流程图
中断效劳流程图如下
图4-3效劳中断图
INT1IS:
CLREX1
PUSHACC
PUSHPSW
PUSHDPTL
PUSHDPTH
CLRP1.6
MOVA,PC
MOVDPTR,A
MOVXA,DPTR;读PC口内容
MOVR1,A
ANLR1,#0FH
MOVA,PB
MOVDPTR,A
MOVA,DPTR;读PB口内容
ANLA,#0FH
SWAPA
ORLA,R1
MOVR2,A
MOVA,PB
MOVDPTR,A
MOVXDPTR,R2;数据输入PB口
INCDPTL
MOVA,DPTR
JNBACC.4,RST
JNBACC.0,X+EN
JNBACC.1,X-EN
JNBACC.2,Y+EN
JNBACC.3,Y-EN
JNBACC.5,ARC
LOOP1:
POPDPTH
POPDPTL
POPPSW
POPACC
SETBEX1
RETI
4.4软件调试
4.4.1复位程序流程图
图4-4
DIRXEQU30H
DIRYEQU31H
RST:
CLRP1.6
RPA:
MOVA,PA
MOVDPTR,A
MOVXA,DPTR;读PA口内容
JNBACC.0,ACC2
MOVDIRX,#00H;表X电机反转
ACALLXMOTOR0;X电机反转一步
ACC2:
JNBACC.2,LOOP0
MOVDIRY,#00H;表Y电机反转
ACALLYMOTOR0;Y电机反转一步
AJMPRPA
LOOP0:
AJMPLOOP1
4.2.2X轴电机点动正转程序流程图
图4-2正转流程图
X+EN:
CLRP1.6
MOVA,PA
MOVDPTR,A
MOVXA,DPTR
JNBACC.0,LOOP2
MOTOR0:
MOVDIRX,#01H
ACALLXMOTOR0
MOVA,PC
MOVDPTR,A
MOVA,DPTR
JNBACC.0,MOTOR0
LOOP2:
AJMPLOOP1
这是X轴电机点动正转的程序,其他的X轴电机点动反转、Y轴电机点动正转、Y轴电机点动反转依次类推。
4.4.3绘制图弧程序流程图
图4-6逐点比拟法画圆弧
逐点比拟法原理:
假设所画圆弧在第一象限,圆心坐标为〔0,0〕,圆弧上点的坐标为〔X,Y〕,圆弧半径为R,每一点的坐标偏差为F=X*X+Y*Y-R*R,假设F>0,应沿X轴负方向走一步,此时FX=〔X-1〕*〔X-1〕+Y*Y-R*R=F-2X+1,X=X-1;假设F<0,应沿Y轴正方向走一步,此时FY=X*X+〔Y-1〕*〔Y-1〕-R*R=F+2Y+1,Y=Y+1。
插补程序见附录。
;/**圆弧插补程序**/
XLEQU18H
XHEQU19H
YLEQU28H
YHEQU29H
YeLEQU2AH
YeHEQU2BH
FLEQU2CH
FHEQU2DH
ARC:
MOVXL#0E8H
MOVXH#03H
MOVYL#00H
MOVYH#00H
MOVYeL#0E8H
MOVYeH#03H
MOVFL#00H
MOVFH#00H
LP1:
MOVA,FH
JNBACC.7,X0;
LCALLYMOTOR1;+Y一步
MOVR2,YH
MOVR3,YL
MOVR4,YH
MOVR5,YL
ACALLBADD;算Y+Y
MOVR2,
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