双坐标十字滑台的设计

1、郑州大学现代远程教育毕业设计双坐标十字滑台的设计年 月 2012 年09月姓名 刘栋梁号 12130287037业机电一体化中心 石鸡中联系方式间2014年07月14日双坐标十字滑台的设计目录- 3 -机械部分1. 设计目的2. 设计任务3. 设计要求4. 设计步骤5. 工作量6. 工作台结构及参数设计7. 步进电机的选择118. 减速器的参数设计139. 联轴器的选择二双坐标十字滑台控制系统设计141. 设计目的142. 设计任务153. 设计步骤154. 工作量155. 数控编程及电气控制部分设计过程166. 程序清单18参考资料23四心得体会24五 评审表25机械部分9.4工作台行程：

2、Z=H作台长-1001. 设计目的9.1 加深理解和掌握机电一体化 、计算机接口设计、计算机控制技术 、数控技术等课程的基本知识，提高学生综合运用所学知识的能力。9.2 培养学生根据设计课题的需要，选用参考书，查阅有关工程手册的技术数 据、图标和文献资料的能力。2. 设计任务9.3组号1.工作台长X宽（mm： 390X29（。工作台工作重量：1800N 丫二工作台宽-1002.3脉冲当量： 0.005 0.008mm/p3. 设计要求3.1工作台进给运动采用滚珠丝杠螺母传动；3.2滚珠丝杠支承方式为双推简支型；3.3驱动电机为反应式步进电动机；3.4步进电机与滚珠丝杠间采用齿轮降速、要求消除齿

3、轮传动的间隙。4. 设计步骤4.1 总体方案的选择与确定；4.2 设计方案论证后查阅资料。5. 工作量5.1 零号装备图一张；5.2 设计说明书一个（ 30页以上）。6. 工作台结构及参数设计6.1数控工作台采用步进电机驱动的开环控位结构，其单项驱动系统结构简图如图1-1所示。工作台- 20 -滚道硬度58-63HRC和运转精度0.03mm。6.2滚珠丝杠设计下丝杠设计滚珠丝杠时，已知工作条件是：工作载荷F=900+400=130（N）使用寿命L，h=10000 （h），丝杠的工作长度（或螺母的有效行程）L=0.31（ m）、max丝杠的转速n （平均转速n=100 r/min或最大转速n m

4、ax 10000 r/min ），以及6.2.1计算载荷FcFc=Kf*Kh*KaFm=1.21.01.01150=1380N、查表2-4取D级精度、查查表2-6取Kf= 1.2、查表2-7取&= 1.0表 2-8 取 Ka=1.0。6.2.2计算额定动载荷，计算值CaCa=Fc3hL= 1380J100 10000=5125.3N叫1.64 104V 1.67 1046.2.3 根据Ca'选择滚珠丝杠副，假设选用Fc型号，按滚珠丝杠 副的额定动载荷等于或稍大于 Ca的原则，查表2-9选以下型号 规格：Fc12004 2.5, Ca 5393NFc1 2005 2.5,Ca86

5、30 N考虑各种因素选用Fci 2004 2.5,由表2-9得丝杠副数据:公称直径：D0 20mm导程：P=4mm螺旋角:0 "3038滚珠直径：do=2.381mm 按表2-1中尺寸公式计算：滚道半径：R=0.521d=1.238mm偏心距：e=(R-d/2)0.7073.36 10 mm6.2.4稳定性验算6.2.4.1丝杠不会发生失稳的最大载荷称为临界载荷Fcr（ N）,按下式计算:Fcrd(UC)2式中，E为丝杠材料的弹性模量，对于钢 E=206G Pa L为丝杠工作长度（m）； la 为丝杠危险截面的轴惯性矩（m）； u为长度系数，见表2-1044I = d13.14 (0

6、.0176)4 10 9m464I a 4 10 m64299怖 “ rn让 3.14206 104 10 门 “取 u=2/3，贝U Fcr= 6.39 104N2 2 (-0.19)23安全系数S=上逬泸710-72-10s=2.5-3.3,S>s,丝杠是安全的，不会失稳。6.2.4.2 高速长丝杠工作时，可能发生共振，因此需要验算其不会发生共振的最高转速 nmax<ncr，临界转速 Dcr ncr= 9910 汽夕(ul)2临界转速ncr。需求丝杠的最大转速(r/min )可按下式计算：式中fc为临界转速系数，见表2-10，取Fc= 3.927 u=则 ncr= 99103.

7、92720.017621178.9r/min(-0.19)23ncr>nma)=10000r/min所以丝杠工作时，不会发生共振。6.2.4.3此外滚珠丝杠副还受D0n值的限制，通常要求D0*7*104mmr/min,4D)n=20 1007 10 mm.r / min所以丝杠副工作稳定。6.2.4.4刚度验算滚珠丝杠在工作负载下F( N)形量l 0( 01)为 I 0 =pfEa和转矩T( N*m共同作用下起每个导程的变P2T2 GJc式中A为丝杠截面积，A=1 d24 d12.4 10 4m2Jc为丝杠的极惯性矩 Jc=4d1329 10，G为丝杠切变模量，对钢G=83.3, J(

8、N*m为转矩,t=f号an()0.509N.M式中，P为摩擦角，其正切函数值为摩擦系数,Fm为平均工作载荷,2/3 ,按最不利的情况取(其中F=F)42,4 109000.0040.509“2l094 99 9 10 um206 109 2.4 10 42 3.14 83.3 109 9 10 9则丝杠在工作长度上的弹性变形所引起的导程误差为P00.19需4.28um -丄 0.03 15um22通常要求丝杠的导程误差 I 式，所以其刚度可满足要求。应小于其传动精度的1/2，即该丝杠的 l满足上tan6.2.4.5 效率验算滚珠丝杠副的传动效率为n = 100%94.5%tan( )n要求在9

9、0%-95%之间，所以该丝杠副合格。经上述计算验证，Fc12004 2.5各项性能均符合题目要求，可L=0.31 ( m、滚道硬度58-63HRC和运转精度0.03mm。选用。下丝杠的设计要求如下：设计滚珠丝杠时，已知工作条件是：工作载荷F=900 ( N)使用寿命L，h=10000 (h),丝杠的工作长度(或螺母的有效行程)max丝杠的转速n (平均转速n=100 r/min或最大转速nmax 10000 r/min、，以及同上述的计算及验算校核选取考虑各种因素选用Fc12004 2.5上丝杠的承受载荷比下丝杠小 顾选用Fci 20042.5完全可以上下丝杠均选用Fci 2004 2.5 型

10、号6.2 . 5丝杠轴承的选择型号：52202数量：2参数及尺寸d=12mmD=32mmT1 =22mmCa=16.5KN A=0.003nmax=4800r/mi n B=5mm型号：6201数量：4参数及尺寸d=12mmD= 32mm B= 10mmCr = 6.82KNnmax = 1900r/mind2 =18.3mmD2 =26.1mmrmin = 0.66.2 . 6丝杠的消隙采用垫片调隙式调整垫片的厚度使螺母产生微量的轴向位移，已达到消除 轴向间隙和产生预紧力的目的。6.3滚动导轨有已知条件得，该导轨的额定工作时间寿命 Th为:Th= 6 300 5 9000h % T Ts 1

11、03由 Th=2lsn得 Ts= 2Thls%03 =2 9000 0.8 60 1000km=3456km因滑座数m=4所以每根导轨上使用2个滑座由表 2-15-2-18 确定 fc=0.81，fH= 1，fT= 1 f W= 2 ,贝U由式（2-9）Ts=kfh ftfc?C fw FCa=或dffhft fc其中F= F9001800 N 675N4675評45%0Ca= =2N 5898.46N0.81 1 1若选用 汉江机场床的HJG-D系列滚动直线导轨，查表2-13，其中HJG-D25 型号的导轨的Ca值为17500N能满足五年的使用要求，所以可选用 HJG-D25的 滚动直线导轨

12、上下导轨均选用HJG-D25的滚动直线导轨7. 步进电机的选择下电机的要求：工作台的重量m=220kg导轨摩擦系数0.2最大轴向力F=1100N=0.0057.1减速器传动比的计算P0.90 .0042360360 0.005按最小惯量条件，从图5-33、5-34查得减速器应用级传动，选各传动 齿轮齿数分别为Z1= 20 ，乙二40 ，模数m=2mm 齿宽bi = 25 mm b2=20mm7.2电动机轴上总当量，负载传动惯量计算按式5-26分别计算各传动件的转动惯性，其中齿数的等效值分别为分度圆 直径丝杠的等效直径为？。Jz1=32 = 4.47 10 5 kg.m2Jz2 =32-=9.4

13、10 5 kg.m2Js= 3325210 kg.m将各传动件的转动惯量及工作台质量计算到电动机轴上得总当量负载转动 惯量。1P 242J d= JZ1 (JZ2 JS)(yp) m=.547 10 kg.m7.3惯量匹配计算Jm 罟幣 0.716满足 1虫14 Jm,要求说明惯量匹配比较合理。7.4步进电机负载能力校验4j=jm+Jd=0.537 100.75442101.287 10 kg.m，空载启则因预紧力而引起的折To 0.506N.m动时电动机轴上的惯性转矩:-I-I 2 i Vmaxc c 八 ITJ J 0.34N.mP t电动机轴上的当量摩擦转矩:T -mg 0.143N.m

14、2 i 9其中伺服进给传动链的总效率取n= 0.8设滚动丝杠螺母副的预紧力为最大轴向载荷的1/3算到电动机轴上的附加摩擦力转矩为："六中 2) 0.023N.m工作台上的最大轴向载荷折算到电动机轴上的负载转矩为:于是空载启动时电动机轴上的总负载转矩为Tq Tj T在最大外载荷工作下工作时电动机轴上的总负载转矩为:T1=TW T T00.524N.m按表5-5查得空载启动时所需电动机最大转矩为:人爲 0.715N.m按式5-39可求最大外载荷工作时所需电动机最大静转矩为:TiT S2=(0r 1.751.08N.m根据以上的计算数据选的电机型号为：56BYG250E1.6*4.337.

15、5技术参数及型号4fl相料定诜a»物1*8 Hst号M电S电转If转矩a.JR TOsAPts方式*m()g g)bN)01 a(ZH1)000451 seaYGS ME SAS S B L 001-1 - 20加.ae 0.5i.a2.5o.u3.1U.STSO1SFEYGSSnS-SASSBLflSBYGTSnCSASSELflSEVSTSODSASSELL455A716由于 Ts= 2.5N.m>1.75N.m 所以步进电动机能正常启动。上面的电机要求与下面的电机相同 且载荷小些 顾上 电机选用 56BYG250E-SASSB型号的步进电机符合要求。经上述计算和校核 上下

16、电机均选用56BYG250E-SASSB型号的步进电机8.减速器的参数设计8.1（1）（2）（3）(4)选用齿轮类型、精度等级、材料及齿数 选用直齿圆柱齿轮传动 用于机床工作台，选用5级精度 材料选择：小齿轮材料为40Cr （调制），硬度为280HBS大齿轮为45钢（调制），硬度为240HBSC者材料硬度差为 选小齿轮齿数Z1=20大齿轮齿数 强度设计Z2=20 240HBS40取m=2mn按齿面接触I2dit2.32”旦* j 互V d u 6H（1）确定公式内各计算数值1)选载荷系数kt =1.32)9550* P小计算小齿轮转矩Tn小9550* 0.10.68N.m3)选取齿宽系数d 0

17、.54)查得材料弹性影响系数Ze5)13901189.8M Pa2按齿面硬度查得小齿轮接触疲劳强度极限Hlim1 600M Pa大齿轮的接触疲劳强度极限H lim 2550M Pa6)计算应力循环次数（寿命10年）9N1 60n1 jLn 60*1390*1* (2*8*300*10)4.01*1092.05*10N1 4.01* 109 N2 一 j 27）取接触疲劳强度影响系数ZHN1 0.93Z HN2 0.948）计算接触疲劳许用应力，取失效概率为 1%=1Khn1 lim1 0.93* 600 558MPa SKHN1 lim1 0.93* 600 558MPa S(2)计算计算小齿

18、轮分度圆直径d1t，代入H中较小值d1-2.32怜丫幫T十母器2=10.69mm所选的齿轮强度满足要求小齿轮:Zi=20 m=2mm bi=25mm大齿轮:Z2 =40 m=2mm b2 =20mm消隙方法:双片薄齿轮差齿调整法8.2 减速器的轴的设计及轴承的选侧大轴:L L1口if l>4-r4-J k1 1广A*±_r IIfLIrX1,小轴:轴承的选择:型号:628数量：4参数及尺寸： d=8mm D=24mmB=8mmCr =3.35KNnmax =24000r/mind2 =12.8mmD2=19.2mmrmin= 0.3mm型号:6200 数量：4 参数及尺寸： d

19、=10mm D=30mmB=9mmCr =5.1KNnmax =26000r/mind2 =17.4mmD2 =23.8mmrmin= 0.6mm减速器箱体设计:箱座壁厚：8mm 箱盖壁厚：1 8mm 箱座凸缘 厚度：b1=1.5mm12mm箱座底凸缘厚度：b2=2.5mm 20mm箱盖凸缘厚度：b1-1.5mm1 12mm9.联轴器的选择查机械设计手册表 5.1-87所选的两个联轴器均为：圆锥销套筒联轴器其主要技术参数和尺寸如下：1) d 8mm D0 15mm L=30mm d1 2.0mml=6mm c=0.3mmc1 0.3mm圆锥销尺寸 GB/T17-2000 2 16 TP 2.2

20、N.m2) d 10mm D0 18mm L=35mm d1 2.5mml=8mm c=0.5mmc1 0.5mm圆锥销尺寸 GB/T17-2000 2.5 18 TP 4.5N.m二双坐标十字滑台控制系统设计1 设计目的1.1 设计方案的分析和比较。设计计算器件选择及电路等环节初步掌握对有一定应用价值的小规模电路的设计方法。1.2 学会对简单实用电路的设计方法提高学生的设计能力。1.3 了解与课程有关的电路以及原器件结构工程设计规范。整理相关资料，按设计要求编写设计说明书和设计报告。正确绘制电路图原理图和编制控 制程序等。1.4 初步掌握有关工程设计的方法与步骤逐步熟悉开展技术设计的基本程序

21、。设计任务数控编程及电气控制系统的主要设计内容1) 控制系统设计设计要求以 8031 芯片为核心扩展程序存储器，数据存储器，键盘 和显示器等接口以及其他并行控制接口形成完整的控制系统。(2) GOO G 01G02功能程序实现G 指令是准备工艺指令时在数控系统中插补运算做好准备的工艺 指令。G功能从G00-G99共100种。本设计着重完成前三种即G00G01和G02其中G01为直线插补。G02为顺时针方向圆弧插补。设计要求使用 8031 系列单片机汇编语言实现以直线与圆弧插补为 核心的G功能。3) 步进电动机驱动电路设计步进电动机需要很大的电路控制由计算机及环形分配器送来的控 制脉冲信号一般为

22、弱信号。因此步进电动机需要有功率放大器以 得到所需电流。本设计要求设计一种控制方便调试容易开关速度 快及元件损耗小等优点的步进电动机驱动电路。设计步骤1. 总体设计方案的选择及确定2. 设计方案论证后查资料3. 对硬件系统的设计4. 对软件系统的设计5. 步进电动机伺服系统与设计6. 插补原理以及程序设计工作量1. 单片机控制系统电路图一张 0 号图纸2. G00功能实现程序代码一份要求完成程序代码清单以及程序代码注释3. 设计说明书一份。详细说明设计理论基础实现方法控制系统关键参数5 数控编程及电气控制部分设计过程一）总体设计方案的选择及确定总体设计阶段的任务是权衡利弊仔细划分硬件和软件功能

23、。单片机实用系统的硬件配置与软件设计是紧密相关的，硬件和软件功能上具有一定的互换性。如步进电动机驱动所必须的环形分配器，既可以由数字逻辑硬件完成功能，可以增加工作速度，降低软件工作量，但是提高了硬件成本。如果多使用软件完成功能，不但可以降低硬件开发，还可以简化硬件结构，但增加了软件的复杂性。因此总体设计阶段，硬件和软件的功能划分十分必要。二）硬件控制电路设计1. 步进电动机伺服控制系统设计XY双向十字滑台的运动由X向和Y向步进电动机来控制。 电机驱动滑台的各个运动部件。从而准确的控制它们的速度和位置。一般情况下，数控伺服系统分为开环和闭环两大类。其中闭环伺服系统还可以根据检测位置的不同进一步细

24、分为半闭环伺服系统和闭环伺服系统两类。由于开环伺服系统具有结构简单，调试维修方便和成本低的特点。因此虽然这种伺服的误差没有补偿和校正，精度较低。但广泛应用于中小型经济型数控机床。鉴于开环伺服系统的特点， 本次设计的总体设计方案拟采用开环伺服系统。并为XY运动方向加上极限位置检测及原点定位检测以实现基本运动位置控制。2 .数控系统及环形分配器的设计数控十字滑台数控系统是 8031系列单片机为核心部件， 外部扩展程序存贮器，数据存储器键盘显示器接口，1/ O接口，地址分配，总线驱动及其他并行接口实现的。1)程序存储器本设计选用8031单片机。内部没有ROM存储器，但不够大。所以选 用速度高，容量大

25、的芯片 27256 比较经济，并且还为软件的扩展留 有余地。数据存储器及 I/O 接口根据系统应用场合不同。对RAM需求差异比较大。对与常规普通 控制器，可能需要较少容量的RAM。大容量的RAM不但体积小, 而且性价比较高。1片62256芯片比16片芯片的性价比高很多。因 此,本设计采用 62256作为数据存储器。键盘/ 显示器接口键盘是由若干按键组成的开关矩阵。它是最简单单片机输入设备。单片机实用显示器有 16 段数码活点阵式显示器是最基本的输入设 备。单片机应用系统一般都要扩展 I/O 接口。选择 I/O 的应该从体积价 格负载功能等方面考虑。数控十字滑台设计 8255芯片扩展 I/O 口

26、。并控制步进电动机驱动器；采用 8279 芯片作为人机交互接口芯片。(4) 地址分配外部程序存储器一般由单片的EPROM组成， 独占64K的地址空间。此一般不要进行地址译码。只需将其片选端接地即可。由于扩展的数据存储器与I / O接口电路一般由多片芯片组成，而且数据区与I/O接口为编址。共占64K字节的数据存储空间。因此必须进行地址译码。一般采用地址译码器或线选法进行地址 分配。(5)总线驱动8031单片机CPU的扩展功能比较强。但如果扩展总线的负载超过了总线负载的能力。 系统便不能可靠的 工作。这时必须在总线上 装驱动器。常用的总线驱动器为 74LS 245,74LS244,7404,740

27、6 和 7407 等芯 片。- 30 -6 程序清单#include<reg51.h>#include<basacc.h>#define can XBYTE0x7fff#define DAT XBYTE0Xff7Ee#define pc8255 XBYTE0Xff7Ee#define COM8255 XBYTE0xec03;#define PB8255 XBYTE0XFF7D;codeuchar fable=0X3f,0X06,0X5B,0X4F,0X66,0X6D,0X7D,0X07,0X7f,0X7f,0X6F,0X67;uint x0,y0;X0=0,y0=0;u

28、char I data diss8;Sbit dflay=ACC 7Uchar keyin();Main()uint key;EX0=1;COM=0Xd1;doACC=COM;while dflay=1;COM=0X00;COM=2a;EA=1;While(1)key=keyin();Swich (key)case 10:diss0=0X0A;diss1=0;diss2=0;disp(diss);G00()break;Case 11:diss0=0X0A; diss1=0;diss2=0;disp(diss);G01()break;Case 12:diss0=0X0A; diss1=0;dis

29、s2=0;disp(diss);G02();Default;break;Void disp(d)Uchar idata*d;uchar I;COM=0X90;for(i=0;I<8;i+)DAT=table*d;d+;ucharkeyin(void)interrant()uchar I;While (deky()=0)COM=0X40;i=DAT;return(i)Uchar deky (void)uchar k;K=COM;Return(k&0X0f);G00(void)unit xe,ye;Xe=keyin();yte=keyin();diss3=xe;diss4=ye;disp(diss);linexy(xe,ye);G01(void)unit xe=keyin();xe=keyin();ye=keyin();diss4=xe;diss5=ye;disp(diss);linexy(xe,ye);G02(void)unit xe,ye;xe=keyin();ye=keyin();diss4=xe;diss5=ye;disp(diss);linexy(xe,ye);Unit linexy(unit xe,unit ye)Unit i,x1,x2,y2,f1,f2,N;diss6=x0;DISS7=y0;N=a