X-Y工作臺課程設(shè)計說明書

1、目錄一、設(shè)計任務(wù) P1二、脈沖當(dāng)量和傳動比的確定 P1三、工作載荷分析及計算 P2四、滾珠絲杠螺母副的選型和校核 P3五、導(dǎo)軌的選型和計算 P5 六、電動機的選型和校核 P7七、步進電機控制電路設(shè)計 P15八、參考文獻 P19附加一張數(shù)控系統(tǒng)框圖和一張軟件框圖專業(yè)課程設(shè)計說明書一、設(shè)計任務(wù) 設(shè)計一個數(shù)控X-Y工作臺及其控制系統(tǒng)。該工作臺可安裝在銑床上，用于銑削加工。1）設(shè)計要求1. 了解機電一體化化概念及機電一體化技術(shù)、機電一體化產(chǎn)品的含義。2. 領(lǐng)會機電綜合設(shè)計訓(xùn)練的意義。3. 了解機電綜合設(shè)計的幾大步驟。 2）設(shè)計參數(shù)的確定 設(shè)計參數(shù)：系統(tǒng)分辨率為0.01mm，最大銑刀直徑=16mm，最大

2、銑削寬度ae=5mm,最大銑削深度ap=2mm,加工材料為碳鋼，工作臺加工范圍X=200mm,Y=150mm，最大移動速度Vmax=3m/min. 3）方案的分析、比較、論證 本設(shè)計是一種經(jīng)濟型數(shù)控工作臺，采用開環(huán)控制，主控裝置為單片機，軟件環(huán)形脈沖輸出，驅(qū)動電路為高低壓驅(qū)動電路，驅(qū)動電機為步進電動機，傳動變換機構(gòu)采用滾珠絲杠副。二、脈沖當(dāng)量和傳動比的確定 1）脈沖當(dāng)量的確定：本設(shè)計采用步進電動機，等每脈沖代表電機一定的轉(zhuǎn)角，這個轉(zhuǎn)角經(jīng)滾珠絲杠使工作臺移動一定的距離。每個脈沖所對應(yīng)的工作臺的移距，稱為脈沖當(dāng)量或分辨率，記為p，單位為mm/脈沖。根據(jù)工作臺進給系統(tǒng)所要求的精度來選定脈沖當(dāng)量?？紤]

3、到機械傳動系統(tǒng)的誤差存在，脈沖當(dāng)量值必須小于定位精度值。本次設(shè)計給定脈沖當(dāng)量為0.01mm。2）傳動比的計算：傳動比的計算公式 其中，b為步進電動機的步距角，Lo為滾珠絲杠導(dǎo)程，p為系統(tǒng)脈沖當(dāng)量，由公式可知，系統(tǒng)的傳動比與b,p,Lo有關(guān)。因此，要計算系統(tǒng)傳動比，必須先確定b,p和Lo，步進電動機步距角的選用原則為：定位精度要求不高的控制系統(tǒng)選用步距角大、運行頻率低的步進電動機；定位精度要求較高、運行速度范圍較廣的控制系統(tǒng)，則應(yīng)選用步距角較小，運行頻率較高的步進電動機。本設(shè)計為簡化結(jié)構(gòu)、提高精度，采用聯(lián)軸器將電動機和絲杠直接連接。所以i=1，則bLo=3.6，由于電動機與絲杠直接聯(lián)接，為使所選

4、電機的扭矩要求不至過大，則絲杠導(dǎo)程應(yīng)選取較小值，經(jīng)查各公司產(chǎn)品目錄，初選南京華興電機制造有限公司出產(chǎn)的混合式步進電動機86BYG4501,b=0.9，初選絲杠Lo=4mm，D=16mm。三、工作載荷分析及計算1 銑削力的分析與計算銑削運動的特征是主運動為銑刀繞自身軸線加速回轉(zhuǎn)，進給運動為工作臺帶工件在垂直銑刀軸線方向緩慢進給。銑刀的類型很多，一般以圓柱銑刀和端銑刀為基本形式。這里選擇圓柱形的立銑刀，它的每一個齒相當(dāng)于一把車刀。 通常假定銑削時銑刀受到的銑削力作用在刀尖的某點上。設(shè)刀齒上受到切削力的合力為F，將F沿銑刀軸線、徑向和切向進行分解，則分別為軸向銑削力FX，徑向銑削力FY和切向銑削力F

5、Z。其中切向銑削力FZ是沿銑刀主運動方向的分力，它消耗銑床電機功率（即銑削功率）最多。銑削力FZ可按指導(dǎo)書上P10表2-2查得為： Fz=9.811CFZae0.86af0.72do-0.86apZ其中，公式中CF為銑削力系數(shù)，由按指導(dǎo)書上P10表2-3可查為CF=68.2，ae=5mm，do=16mm，ap=2mm，查參考文獻（1）P303查得：Z=4查參考文獻（1）P135表2.4-6可得： af=0.05mm/z 所以FZ=9.8168.250.860.050.7216-0.8624 =228N 銑刀轉(zhuǎn)速n=其中查參考文獻（1）P190表2.4-11可得：Cv=30mm/min,d為銑刀

6、直徑 所以n=600r/min2 進給工作臺工作載荷計算 作用在工作臺上的合力F就是設(shè)計和校核工作臺進給系統(tǒng)時要考慮的工作載荷，它可以沿著銑床工作臺運動方向分解為三個力：工作臺縱向進給方向載荷FL，工作臺橫向進給方向載荷Fc和工作臺垂直進給方向載荷Fv。從而可按指導(dǎo)書上P11表2-4可查得： FL=1.2FZ=1.2228=274N FV=0.8Fz=0.8228=182.4N FC=0.4Fz=0.4228=91.2N 四、滾珠絲杠螺母副的選型和校核1、滾珠絲杠螺母副類型選擇。這里初選深圳威遠(yuǎn)制造技術(shù)有限公司的內(nèi)循環(huán)式的滾珠絲杠螺母副BRH15A。為了消除間隙和提高滾珠絲杠螺母副的剛度，這里

7、對滾珠絲杠螺母副進行預(yù)緊，可使預(yù)緊后的剛度提高到為無預(yù)緊時的2倍。這一般由制造廠調(diào)好預(yù)加載荷，并且預(yù)加載荷往往與絲杠副的額定動載荷有一定的比例。2、滾珠絲杠螺母副參數(shù)計算和校核1）最大工作載荷 滾珠絲杠螺母副的工作載荷Fm是指滾珠絲杠螺母副在驅(qū)動工作臺時滾珠絲杠螺母副所承受的軸向力，也叫做進給牽引力。這里選燕尾導(dǎo)軌，可按指導(dǎo)書上P14公式2-11可得： 其中G為移動部件的重力G=20Kg9.8=192N,顛覆力矩影響實驗系數(shù)K=1.4，導(dǎo)軌上的摩擦系數(shù)f=0.0025。所以Fm=1.4274+0.0025(182.4+91.2+209.8)=385N2)、最大動負(fù)載C的計算及重要尺寸初選最大動

8、載荷C=fmFm其中：L為為壽命，單位為106r，選fm=2.5 L=601000vt/106Lo而v為最大切削力時的進給速度：v=afnz=0.056004=120mm/min所以L=6010000.1215004106=27所以C=2.5385=2887.5而所選的絲桿的最大動載荷為4.35Nm,所以適合.3)傳動效率計算滾珠絲杠螺母副的傳動效率為： =其中：=arctan()=arctan(43.1416)=4.552o所以=tg4.552o/tg(4.552o+10)=0.9符合滾珠絲杠副的傳動效率。 4）剛度驗算 滾珠絲桿副的軸向變形將引起絲桿導(dǎo)程發(fā)生變化，從而影響定位精度和運動平穩(wěn)

9、性。滾珠絲桿副的軸向變形包括絲桿的拉壓變形、絲桿和螺母之間滾道的接觸變形、絲桿的扭轉(zhuǎn)變形和滾珠絲桿軸承的軸向接觸變形。滾珠絲桿的扭轉(zhuǎn)變形較小，對縱向變形的影響更小，可忽略不計。螺母座只要設(shè)計合理其變形量也可忽略不計。絲桿軸承的軸向接觸變形計算方法可參機械設(shè)計手冊。可供滾珠絲桿支承使用的滾動軸承種類很多，目前占優(yōu)勢的有：接觸角為60 的推力角接觸球軸承，可以背靠背或面對面組配，還可以三聯(lián)組配，四聯(lián)組配等，提高剛度和承載能力；滾針-推力圓柱滾子組合軸承，從雙向軸向支承絲桿，剛度高，多用于重載。因此，只要滾珠絲桿支承的剛度設(shè)計得好，軸承的軸向接觸變形在此可以不予考慮。1、 絲桿的拉壓變形量滾珠絲桿應(yīng)

10、計算滿載時拉壓變形量式中: 1為工作載荷,Fm作用下絲桿總長度上拉伸或壓縮變形量(mm); Fm為絲桿的工作載荷(N)Fm=385N;L為滾珠絲桿在支承內(nèi)的受力長度，按經(jīng)驗公式.1200+104=260mm;E為材料彈性模量E=20.6104Mpa,;A為滾珠絲桿按內(nèi)徑確定的截面積A=151.7mm2；“+”號用于拉伸，“-” 號用于壓縮。2、滾珠與螺紋滾道間的接觸變形量2該變形量與滾珠列、圈數(shù)有關(guān)，即與滾珠的總數(shù)量有關(guān)，與滾珠絲桿長度無關(guān)，可從工廠的產(chǎn)品樣品中查出，或用下式計算 無預(yù)緊時 =0.0038 =0.0013工中:DW為滾珠直徑DW=2.381mm;Z為滾珠總數(shù)量Z=2223-3；

11、dm為滾珠絲桿的公稱直徑dm=16mm;）;Fm為滾珠絲桿工作載荷Fm=385N。3、滾珠絲桿副剛度的驗算絲桿的總變形量=1+2應(yīng)小于允許的變形量。一般不應(yīng)大于機床進給系統(tǒng)規(guī)定的定位精度值的一半(即為0.005mm)?；蛘?，由絲桿精度等級查出規(guī)定長度上允許的螺距誤差，則相應(yīng)長度上的變形量應(yīng)該比它小，否則，應(yīng)考慮選用較大公稱直徑的滾珠絲桿副。而總的變形量0.0032+0.0013=0.0045運行矩頻特性校核 要對快速進給運行和工作進給運行兩種工況分別校核，確快進和工進時均不丟步。1、快速進給運行矩頻特性校核步進電機的最高快進運行頻率可按式（2-33）計算?？焖龠M給時已經(jīng)不存在加速力矩項，并且一

12、般快進時處于空載狀態(tài)，故快進力矩的計算公式只保留了式（2-24）中的后兩項，即=+=0.04+1.72=1.76Ncm式中： 為附加摩擦力矩（Ncm），見式（2-28）；為快進時，拍片到電機軸上的摩擦力矩（Ncm），見式（2-27）。從圖2-22中可查到初選步進電機的運行矩頻特性曲線。以已知快進力矩值找出對應(yīng)允許快進頻率。實際最高快進頻率應(yīng)小于允許快進頻率，。否則，快進時要丟步。或者，對應(yīng)查到的允許快進運行力矩值應(yīng)大于步進電機快速進給力矩,否則步進電機快速進給時會丟步。不滿足運行矩頻特性要求時，要降低快速進給速度或重選更大的步進電機直到滿足運行矩頻特性要求 。就注意，運行矩頻特性曲線與啟動矩頻

13、特性曲線是不同的。2、工進運行矩頻特性校核工進時步進電機的運行頻率為= =200（Hz）式中： 為最大工作進給速度（m/min）工進時步進電機運行所需力矩可近下式計算 （Nm） (2-36)式中： 為附加摩擦力矩（Ncm），見式（2-27）；為摩擦力矩（Ncm），一般情況下， 工進時有切削力的，工作臺上垂直進給方向載荷不等于零；為折算到電機軸上的工作負(fù)載力矩，對于數(shù)控機床進給系統(tǒng)則是切削力矩負(fù)載。NmNcm式中： 為沿進給方向的切削負(fù)載，=；Fv為垂直方向作用于工作臺的載荷（N）。所以，1.720.067+79.4=21.187Ncm從圖2-22中查到初選步進電機的運行矩頻特性曲線。對應(yīng)工進頻

14、率查到的允許工進運行力矩=1.6Nm大于步進電機工進時所需力矩七、步進電機控制電路設(shè)計1、控制系統(tǒng)硬件的組成步進電機開球伺服系統(tǒng)是由脈沖信號源、脈沖分配器、功率放大器和步進電動機四部分所組成的。2、 控制系統(tǒng)軟件的組成及結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)軟件是為了完成機電設(shè)備的各項功能而編制的。由于各和機電設(shè)備所完成的功能和控制方法的不同，其軟件在結(jié)構(gòu)和規(guī)模上也不盡相同。以單片機為核心的數(shù)控微機控制系統(tǒng)軟件一般包括監(jiān)控模塊、插補計算模塊、步進電機控制模塊、誤差補償模塊等。監(jiān)控程序一般包括系統(tǒng)初始化、命令處理循環(huán)、零件加工程序或作業(yè)程序輸入、編輯、指令分析執(zhí)行以及系統(tǒng)自檢等。常用的機電系統(tǒng)控制軟件結(jié)構(gòu)有：子程序結(jié)構(gòu)、

15、主程序加中斷程序結(jié)構(gòu)以及中斷程序結(jié)構(gòu)。XY工作臺的運動一般都由直線插補程序和圓弧插補程序來完成。每一象限逆圓弧插補程序如下： XL EQU 18H SH EQU 19H YL EQU 28H YH EQU 29H XeL EQU 1AH XeH EQU 1BH YeL EQU 2AHYeH EQU 2BHFL EQU 2CHFH EQU 2DHORG 2400HMAIN: MOV SP, #60H MOV 70H, #08H MOV XL,#80H;XLMOV XH, #0CH;XHMOV YeL,#80H;YeLMOV YeH,#0CH;YeHMOV XeL,#00H;XeLMOV XeH,

16、#00H;XeHMOV YL,#00H;YLMOV YH,#00H;YHMOV FL,#00H;FLMOV FH,#00JH;FHLP3: MOV A,FHJNB ACC.7,LP1MIV A,70HSETB ACC.2CLR ACC.0;LCALL MOTR;MOV R1,#28H;MOV R0,#1CH;MOV R7,#02H;LCALL MULT2;2*YADD: CLR CMOV A,FLADDC A,1CHMOV FL,AMOV A,FHADDC A,1DH;F+2YMOV FH,AVLR CMOV A,ULADD A,#01HMOV 28H,AMOV A,YHADDC A,#00H

17、MOV YH,ACLR C MOV A,FLADD A,#01HMOV FL,AMOV A,FHADDC A,#00HMOV FH,A; +2Y+1AJMP LP2LP1: MOV A,70HSETB ACC.0MOV 70H,A;LCALL MOTRMOV R1,#18H;XLMOV R0,#1CHMOV R7,#02HLCALL MULT2;0*XSUB: CLR CMOV A,FLSUBB A,1CHMOV FL,AMOV A,FHSUBB A,1DHMOV FH,A;F-2CLR C MOV A,XLSUVV A,#00HMOV XH,A;X-1CLR CMOV A,FLADD A,#01HMOV FH,A;F-2X+1Lp2: MOV A,YHCJNE A,YeH,LP3A;YH=YeH?MOV A,YLCJNE A,YeL,LP3A;YL=YeL?LP3: AJMP LP3ORG 2500HMULT2: PUSH PSW; PUS