双坐标十字滑台控制系统设计

1、郑州大学现代远程教育毕 业 设 计 题 目: 双坐标十字滑台控制系统设计（单片机） 入 学 年 月 2013年春 学 生 姓 名 郭向伟 学 号专 业 机电一体化 学 习 中 心 石 鸡 中 心 指 导 教 师 成 绩 完 成 时 间2015年01月4日目录一、机械部分1设计目的.32设计任务.33设计要求.34设计步骤.35工作量.36工作台的结构及参数设计.47步进电机选择.88减速器的参数设计.119联轴器的选择.14二、双坐标十字滑台控制系统设计1设计目的. .142设计任务. .153设计步骤. .164工作量. .165数控编程及电气控制部分设计过程. .

2、 . .166 程序清单. . . . . . . . . . 18三参考资料. . . . . . . . . .22四心得体会. . . . . . . . . .22双坐标十字滑台控制系统设计一机械部分1. 设计目的1.1 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。1.2 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2.1 组号 1.工作台长X宽（mm）：390X290。工作台工作重量：1800N2.2 工作台行程：Z=工作台长-100 Y=工作台宽-10

3、02.3 脉冲当量：0.0050.008mm/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。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=13

4、00（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）、丝杠的转速n（平均转速n=100 r/min或最大转速r/min），以及滚道硬度58-63HRC和运转精度。6.2.1计算载荷FcFc=KF*KH*KAFM=1.21.01.01150=1380N查表2-6取KF= 1.2 、查表2-7取KH= 1.0 、查表2-4取D级精度 、查表2-8取KA=1.0 。6.2.2 计算额定动载荷，计算值CaCa=1380=5125.3N6.2.3 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

5、： N N考虑各种因素选用 ，由表2-9得丝杠副数据：公称直径：导程：P=4mm螺旋角：滚珠直径：d=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)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：Fcr=式中，E为丝杠材料的弹性模量，对于钢E=206GPa；L为丝杠工作长度（m）；Ia为丝杠危险截面的轴惯性矩（m4）；u为长度系数，见表2-10Ia=取u=2/3，则Fcr=N安全系数S= 。查表2-10s=2.5-3.3,S>s,丝杠是安全的，不会失稳。6.2.4.2 高

6、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临界转速ncr。需求丝杠的最大转速nmax<ncr，临界转速ncr（r/min）可按下式计算：ncr= 9910 式中fc为临界转速系数，见表2-10，取Fc= 3.927 u= 2/3 ，则ncr= ncr>nmax=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D0n<7*104mmr/min， D0n=20 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）和转矩T（N*m）共同作用下起每个导程的变形量l0（m）为l0=

7、 式中A为丝杠截面积，A= ，Jc为丝杠的极惯性矩Jc= ，G为丝杠切变模量，对钢G=83.3，J（N*m）为转矩，T= 式中，为摩擦角，其正切函数值为摩擦系数，FM为平均工作载荷，按最不利的情况取（其中F=Fm） 则丝杠在工作长度上的弹性变形所引起的导程误差为l=通常要求丝杠的导程误差l应小于其传动精度的1/2，即该丝杠的l满足上式，所以其刚度可满足要求。6.2.4.5 效率验算滚珠丝杠副的传动效率为=n要求在90%-95%之间，所以该丝杠副合格。经上述计算验证， 各项性能均符合题目要求，可选用。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=

8、10000（h），丝杠的工作长度（或螺母的有效行程）L=0.31（m）、丝杠的转速n（平均转速n=100 r/min或最大转速r/min），以及滚道硬度58-63HRC和运转精度。同上述的计算及验算校核选取考虑各种因素选用 上丝杠的承受载荷比下丝杠小 顾选用 完全可以 上下丝杠 均选用 型号6.25丝杠轴承的选择 型号：52202 数量：2 参数及尺寸 d=12mm D=32mm =22mm =16.5KN A=0.003 =4800r/min B=5mm 型号： 6201 数量：4 参数及尺寸 d=12mm D= 32mm B= 10mm = 6.82KN = 1900r/min =18.3

9、mm =26.1mm = 0.6 6.26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= 由Th= 得Ts= 2=2=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 fW= 2 ，则由式（2-9）Ts=Ca= 其中F= Ca= 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

10、直线导轨上下导轨均选用 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 =0.005 7.1 减速器传动比的计算i=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 ，Z2= 40 ，模数m=2mm 齿宽= 25 mm =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Ø 。Jz1=Jz2=JS=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

11、惯量。 Jd=7.3 惯量匹配计算 满足 ，要求说明惯量匹配比较合理。7.4 步进电机负载能力校验步进电机轴上的总惯量J=Jm+Jd= ，空载启动时电动机轴上的惯性转矩：电动机轴上的当量摩擦转矩：其中伺服进给传动链的总效率取= 0.8设滚动丝杠螺母副的预紧力为最大轴向载荷的1/3则因预紧力而引起的折算到电动机轴上的附加摩擦力转矩为：T0=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：Tw=于是空载启动时电动机轴上的总负载转矩为 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=按表5-5查得空载启动时所需电动机最大转矩为：Ts1=按式5-39可求最大外载荷工作时所需电动机最大静转矩

12、为： Ts2= 根据以上的计算数据选的电机型号为：56BYG250E7.5技术参数及型号如下：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-SASSBL型号的步进电机符合要求。经上述计算和校核 上下电机均选用 56BYG250E-SASSBL型号的步进电机8.减速器的参数设计8.1 选用齿轮类型、精度等级、材料及齿数（1） 选用直齿圆柱齿轮传动（2） 用于机床工作台，选用5级精度（3） 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240HBS二

13、者材料硬度差为40HBS（4） 选小齿轮齿数Z1=20大齿轮齿数Z2=20 取m=2mm 按齿面接触强度设计（1）确定公式内各计算数值1) 选载荷系数=1.32) 计算小齿轮转矩3) 选取齿宽系数4) 查得材料弹性影响系数5) 按齿面硬度查得小齿轮接触疲劳强度极限 大齿轮的接触疲劳强度极限6) 计算应力循环次数（寿命10年） 7） 取接触疲劳强度影响系数 8） 计算接触疲劳许用应力，取失效概率为1% =1（2）计算计算小齿轮分度圆直径d1t，代入H中较小值 = =10.69mm 所选的齿轮强度满足要求 小齿轮： =20 m=2mm =25mm大齿轮： =40 m=2mm =20mm消隙方法：双

14、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：小轴：轴承的选择：型号:628 数量：4 参数及尺寸： d=8mm D=24mm B=8mm =3.35KN =24000r/min =12.8mm =19.2mm = 0.3mm 型号:6200 数量：4 参数及尺寸： d=10mm D=30mm B=9mm =5.1KN =26000r/min =17.4mm =23.8mm = 0.6mm 减速器箱体设计：箱座壁厚： 箱盖壁厚： 箱座凸缘厚度：b1=1.5mm 箱座底凸缘厚度：b2=2.5mm 箱盖凸缘厚度：b1-1.5mm 9.联轴器的选择查机械设计手册表5.1-87所选的两

15、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） L=30mm l=6mm c=0.3mm 圆锥销尺寸 GB/T17-2000 216 （2） L=35mm l=8mm c=0.5mm 圆锥销尺寸 GB/T17-2000 2.518 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

16、 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。2 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） G00 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G00 G01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

17、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。3 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4 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

18、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。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双向十字滑台的运动由向和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

19、。其中闭环伺服系统还可以根据检测位置的不同进一步细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。. 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，I/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

20、器，但不够大。所以选用速度高，容量大的芯片27256比较经济，并且还为软件的扩展留有余地。（2） 数据存储器及I/O接口根据系统应用场合不同。对需求差异比较大。对与常规普通控制器，可能需要较少容量的。大容量的不但体积小，而且性价比较高。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。（3） 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。并控制步

21、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组成，独占的地址空间。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/接口电路一般由多片芯片组成，而且数据区与/接口为编址。共占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。（）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 245,74LS244,7404,7406和7407等芯片。6 程序清单#include<r

22、eg51.h>#include<basacc.h>#define can XBYTE0x7fff#define DAT XBYTE0Xff7Ee#define pc8255 XBYTE0Xff7Ee#define COM8255 XBYTE0xec03;#define PB8255 XBYTE0XFF7D;uchar code fable=0X3f,0X06,0X5B,0X4F,0X66,0X6D,0X7D,0X07,0X7f,0X7f,0X6F,0X67;uint x0,y0;X0=0,y0=0;uchar I data diss8;Sbit dflay=ACC 7Ucha

23、r 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;diss2=0;disp(diss);G02();Default;break;Vo

24、id 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 x

25、e=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=abs(x0-xe)+abs(y0-ye);N=10*N;xe=10*xe,ye=10*ye;for(i=1;i<N;i+)if(f1>=0)x2=x1+1;f2=f1+xe;f1=f2;diss7+;diap(diss);movx();elsey2=y1+1;f2=f1+ye;f1=f2;diss6+;disp(diss);movy()