X-Y数控工作台方案设计介绍说明

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1、总体方案设计课程设计任务：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X YC BHC1 B1 H1 长度L重量N移动速度位精度HXY-402540025024025415650 5001847785001M/分±0.020.04总体方案确定方案一：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：单片机伺服电机：步进电动机优点：步进电动机，响应快速而准确。缺点：动装置。开环控制精度比较低。：机械部分支撑：滑动导轨控制部分控制器件：单片机伺服电机：直流无刷电机优点：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。控制部分控制器件：单片机伺服电机：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。方案对比分析与确定0.04mm，500N，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±度和滚轴丝杠精度相当，但是安装较麻烦，安装精度要求高。1m/min,因此采用低档的步进电动机就能满足要求。500N滚轴丝杠传递动力，总体采用开环控制。总体方案系统组成组成。控制系统由单片机和计算机等组成。2、机械系统设计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。直线滚动导轨副的计算与选型Fmax

的计算方法及导轨型号的选取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工作台荷为；Fmax=G4

=225NFKLmaxJAS-LG15C=7.94kN，C=9.5kN。a 0a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。L60HRC，100℃，4f=1.0f=1.00f=0.81f=0.9H T C Rf=1.5，代入式子WLffLHTCR

350182619kmf FW max远远大于50km，故距离额定寿命满足要求。滚珠丝杠螺母副的选型与校核Fm

的计算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：FmFQ

=μG=0.004×900=3.6N的计算v=1000mm/min，P=5mm，则此时丝hn=v/P=200r/minT=15000h，代入hLo60nt/106Lo=180(。查表，取载荷系数f=1.2，滚道硬度60HRCW取硬度系数fH=1.0.，代入得滚动丝杠最大动载荷

F f F3LQ m 3L

≈24.4NG2005—3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传动效率η的计算d=20mmP=5mm，传动效率0 h tg 96.4%tg()刚度的验算a=600mm；D=3.175mm；丝杆底径WD=16.2mm；S=206.12mm²。滚珠丝杆满载时拉压变形量：2Fa 3.6560 m 0.0003mm；E2.1105Mpa1 ES 2.1105206.12/DZ=20；该型号丝杆为单螺母，滚珠0 W的圈数×列数为3×1，FYJ

=F/3=1.2N。得滚珠与螺纹滚道间的接触变形M量3) =+=0

.3um

2总 2 1丝杆行程为315—400mm，允许到25um，故丝杆刚度足够。压杆稳定性校核F，KId41

/64mm3380.88mmF=9343NFK m步进电动机的计算与选型Jeqd=20mm,Pp=7.85o h×103；移动部件总重力G=900N，传动比为1。J=mD2/8=0.69kg×cm²

s iJ=（P/2π）=0.57kg·cm²W h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J=4kg·cm²。m则加在步进电机转轴上的总转动惯量为：J =Jeq m

+（Jw

+J ）/i²=5.26kg·cm²STeq分快速空载起动和承受最大工作负载两种情况进行计算。快速空载起动时电机转轴所承受的负载转矩T=T +Teq1 amax fTamax

为快速空载起动时折算到电机转轴上的最大转矩；Tf

是移动部分折算到电机h转轴上的摩擦转矩。hT =2J

x10.07634n

208。

=(FG)22

0.004N·m；amax

eqm60t a

maxm

f Teq1

T Tamax

0.0803N·m。Teq=T+TT为折算到电动机转轴上的最大工作负载转矩;tTf

2 t fT=FP

0

不计；TFG

0.0036N·m；fht 2 i f

z hf T=T=0.036N·m；eq2 fT ,T 0.0803N·m。eq eq1 eq2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Teq

来选择步进电机的最大静转矩时，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：Tjmax

4Teq

4x1.4225.688N·m。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 =6N·m。可见，满足要求。jmax步进电动机的性能校核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 =1M/分，求得电动机对应的运行频率maxff =1000 =1667Hz，maxf

60x0.01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

=5.5N·m，

=0.0036N·m，满足要求。

maxf

eq2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 =1M/分，求得电动机对应的运行频率maxff =1000 =1667Hzmaxf

60x0.01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

=0.0803满足要求。

maxf

eq1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maxf=10000Hz90BYG2602max\\\\上限。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eqJ=4kg×cm2f=1800Hz。可求出步m q进电机克服惯性负载的起动频率：f fqL JeqJm

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1200Hz100Hz90BYG2602设计结构如图所示:x-y数控工作台结构（具体见装配图附录）3、控制系统硬件设计处理芯片DB9接头电路原理图步进电机驱动电路图电路原理图AT89C51ULN2003DB9电脑相连。\\\\4、控制系统软件设计控制系统软件总体方案设计AT89C52DB9定点的运动。制点动，实现功能。主流程设计总中断开总中断开外部中断开P1口赋值循环中断信号#include<reg52.h>#defineuintunsignedint#defineucharunsignedcharucharnum,temp;voiddelay(uintz); //voidmain(){EA=1; //CPUEX0=1; //外部中断开；P1=0xcf; //1delay(1000);P1=0x9f;delay(1000);P1=0x3f;delay(1000);P1=0x6f;delay(1000);}voiddelay(uintz) //延时程序；{uintx,y;for(x=z;x>0;x--)for(y=110;y>0;y--);}voidzd()interrupt0 //中断程序；{P1=0xfc; //2delay(1000);P1=0xf9;delay(1000);P1=0xf3;delay(1000);P1=0xf6;delay(1000);}中断服务流程设计：键盘按钮产生电平变化，CPU12以下是中断子程序：voidzd()interrupt0 //中断程序；{P1=0xfc; //2delay(1000);P1=0xf9;delay(1000);P1=0xf3;delay(1000);P1=0xf6;delay(1000);}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[1].尹志强.机电一体化课程设计指导书[M].北京：机械工业出版社，2007.7.[2].赵松年.机电一体化机械设计系统[M].北京：机械工业出版社，1997.6..[3].张建民等.机电一体化系统设计[M].北京：北京理工大学出版社，1996.8.[4].陈强，解云龙.机械系统的微机控制[M].北京：清华大学出版社，1999.8.[5]