X-Y數(shù)控工作臺(tái)設(shè)計(jì)說明書[1]

1、何賢 1S 070110951、總體方案設(shè)計(jì)1.1.1 任務(wù)課程設(shè)計(jì)任務(wù)：設(shè)計(jì)兩軸聯(lián)動(dòng)的數(shù)控 X-Y運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，完成機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與相應(yīng)軟件編程，根據(jù)實(shí)驗(yàn)條件進(jìn)行調(diào)試，完成整個(gè)開發(fā)系統(tǒng) 主要參數(shù)見下表：系列型號(hào)行程臺(tái)面尺寸底座外形尺寸取大長度L重量NXY< 移動(dòng)速 度重復(fù)定 位定位 精度XYCBHC1B1H1HXY-4025400250240254156505001847785001M/分±0.020.041.2總體方案確定1.1.2 方案確定思想萬案一：機(jī)械部分傳動(dòng)：滾珠絲杠螺母副支撐：雙推-雙推式滑動(dòng)導(dǎo)軌控制部分控制器件：單片機(jī)控制方式：開環(huán)控制伺服電機(jī)：步進(jìn)電動(dòng)

2、機(jī)優(yōu)點(diǎn)：采用滾珠絲杠螺母副，可實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)與直線運(yùn)動(dòng)相互轉(zhuǎn)換，在具有螺旋槽 的絲杠螺母中裝有滾珠作為中間傳動(dòng)元件， 以減少摩擦。優(yōu)點(diǎn)是摩擦系數(shù)小，傳 動(dòng)效率高，靈敏度高，傳動(dòng)平穩(wěn)，不易產(chǎn)生滑行，傳動(dòng)精度和定位精度高；磨損 小，使用壽命長，精度保持性好。雙推式支撐實(shí)現(xiàn)高精度傳動(dòng)，采用單片機(jī)控制 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，響應(yīng)快速而準(zhǔn)確。缺點(diǎn)：滾珠絲杠螺母副的不足在于制造工藝復(fù)雜， 成本高，不能自鎖，故需附加制 動(dòng)裝置。開環(huán)控制精度比較低。萬案一：機(jī)械部分傳動(dòng)：同步帶傳動(dòng)支撐：滑動(dòng)導(dǎo)軌控制部分控制器件：單片機(jī)控制方式：開環(huán)控制伺服電機(jī)：直流無刷電機(jī)優(yōu)點(diǎn)：同步帶傳動(dòng)無相對(duì)滑動(dòng)，傳動(dòng)比準(zhǔn)確，傳動(dòng)精度高，齒形帶的強(qiáng)度

3、高，厚度 小、重量輕，故可用于高速傳動(dòng)；傳動(dòng)比恒定，同步帶無需特別漲緊，因而作用 于軸和軸承等上的載荷小，傳動(dòng)效率高。單片機(jī)控制直流無刷電機(jī)，空載電流小, 效率高。缺點(diǎn):同步帶工作時(shí)候有溫度要求，安裝精度要求較高，中心間距要求較高，有時(shí) 候需要張緊，安裝麻煩。無刷直流電機(jī)啟動(dòng)時(shí)有震動(dòng)，控制器要求高，價(jià)格高。 采用開環(huán)精度較低。方案二:機(jī)械部分傳動(dòng)：齒輪齒條支撐：直線導(dǎo)軌控制部分控制器件：單片機(jī)控制方式：閉環(huán)控制伺服電機(jī)：直流無刷電機(jī)優(yōu)點(diǎn)：齒輪齒條傳動(dòng)功率大，精度高，穩(wěn)定性好，響應(yīng)速度快。單片機(jī)控制直流無 刷電機(jī)，無刷直流電機(jī)啟動(dòng)時(shí)有震動(dòng)，控制器要求高，價(jià)格高。采用開環(huán)精度較 低。采用閉環(huán)控制，

4、精度高。雙線導(dǎo)軌穩(wěn)定。缺點(diǎn)：齒輪齒條無自鎖，需要外加自鎖機(jī)構(gòu)。噪音大，磨損較快。1.1.3 方案對(duì)比分析與確定綜合課程設(shè)計(jì)要求，精度為0.04mm最大載荷是500N,相比同步帶和齒輪 齒條傳動(dòng)，滾珠絲杠傳動(dòng)更符合精度要求，因?yàn)榻z杠傳的動(dòng)的精度可以達(dá)到土 0.01mm而同步帶傳動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生彈性變形， 具有一定的蠕變性。齒輪齒條傳動(dòng)精 度和滾軸絲杠精度相當(dāng)，但是安裝較麻煩，安裝精度要求高。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)和直流無刷電機(jī)相比， 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制簡單，啟動(dòng)穩(wěn)定，而直流 無刷電機(jī)控制要求高，成本高，課程設(shè)計(jì)要求精度未達(dá)到微米級(jí)別， 空載轉(zhuǎn)速要 求為1m/min,因此采用低檔的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)就能滿足要求。開環(huán)控制結(jié)構(gòu)簡

5、單控制容易，穩(wěn)定性好，一般用于輕載變化不大的場合，根 據(jù)最大載荷500N的要求，可以滿足。綜合以上分析，決定選擇第一種方案。采用單片機(jī)控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力， 滾軸絲杠傳遞動(dòng)力，總體采用開環(huán)控制。1.1.4 總體方案系統(tǒng)組成機(jī)械系統(tǒng)由滾珠絲杠螺母副、直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副、步進(jìn)電機(jī)、單列角接觸球軸承等 組成?？刂葡到y(tǒng)由單片機(jī)和計(jì)算機(jī)等組成。2、機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)2.1 導(dǎo)軌上移動(dòng)部件的重量估算按照下導(dǎo)軌上面移動(dòng)部件的重量來進(jìn)行估算。包括工件、夾具、工作平臺(tái)、 上層電動(dòng)機(jī)、滾珠絲桿副、直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副、導(dǎo)軌座等，估計(jì)重量約為900K2.2 直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副的計(jì)算與選型(1)滑塊承受工作載荷Fmax的計(jì)算方法及導(dǎo)軌

6、型號(hào)的選取工作載荷是影響直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副使用壽命的重要因素。本例中的X-Y工作臺(tái)為水平布置，采用雙導(dǎo)軌、四滑塊的支承形式。單滑塊所承受的最大垂直方向載 荷為；Fmax=G =225N4查表，根據(jù)工彳載荷FmaX=0.225kN,初選直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副的型號(hào)為 KL系列的 JAS-LG15型，其額定動(dòng)載荷 G=7.94kN,額定靜載荷Cca=9.5kN。任務(wù)書規(guī)定工彳臺(tái)面尺寸為 240mrK 254mm加工范圍為400mrK 250mm查 表，按標(biāo)準(zhǔn)系列選取導(dǎo)軌的長度為 640mm(2)距離額定壽命L的計(jì)算所選導(dǎo)軌副的滾道硬度為60HRC工作溫度不超過100C,精度為4級(jí)。查 表取硬度系數(shù)3=1.0、

7、溫度系數(shù)"=1.00、接觸系數(shù)fc=0.81、精度系數(shù)fR=0.9、 載荷系數(shù)fv=1.5,代入式子L (fHfffR 會(huì))3X50 182619km fW Fmax遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于50kmi故距離額定壽命滿足要求。2.3 滾珠絲杠螺母副的選型與校核(1)最大工作載荷Fm的計(jì)算已知移動(dòng)部件總重量G=900N滾動(dòng)導(dǎo)軌上的摩擦因素u=0.004。求得滾珠絲桿副的最大工作載荷：Fm =仙G=0.004X 900=3.6N(2)最大動(dòng)載荷Fq的計(jì)算該工作臺(tái)的最快進(jìn)給速度 v=1000mm/min初選絲桿導(dǎo)程 Ph=5mm則此時(shí)絲 桿轉(zhuǎn)數(shù)n=v/Ph=200r/min ,取滾珠絲桿的使用壽命 T=15

8、000h,代入Lo 60nt/106得Lo=180(單位為：106r)。查表，取載荷系數(shù)fw=1.2,滾道硬度60HRC寸， 取硬度系數(shù)3=1.0.,代入得滾動(dòng)絲杠最大動(dòng)載荷Fq VLfmFm-24.4N(3)初選型號(hào)根據(jù)計(jì)算出的動(dòng)載荷和絲桿導(dǎo)程，查表選擇G系列20053型滾珠絲桿副，為內(nèi)循環(huán)固定反向器螺母式，其公稱直徑為20mm導(dǎo)程為5mm循環(huán)滾珠為33何賢 1S 07011095圈X1歹I，精度等級(jí)取5級(jí)，額定動(dòng)載荷為9309N,大于Fq,滿足要求(4)傳動(dòng)效率”的計(jì)算將公稱直徑do=20mm導(dǎo)程R=5mm傳動(dòng)效率-96.4% tg( )(5)剛度的驗(yàn)算1)絲杠左右支承彳惠中心距約為 a=

9、600mm滾珠直徑Dw=3.175mrm絲桿底徑F maS3.6 560-5 72.1 10206.12D2=16.2mm絲桿截面積S=206.12mm。滾珠絲桿滿載時(shí)拉壓變形量：50.0003mm ; E 2.1 10 Mpa2)根據(jù)Z=(兀d°/Dw)-3 ,得單圈滾珠數(shù)Z=20;該型號(hào)絲桿為單螺母，滾珠 的圈數(shù)X列數(shù)為3X1, Fyj=F/3=1.2N。得滾珠與螺紋滾道間的接觸變形 量20.00008mm3)總=+ 2=0 1.3um絲桿行程為315400mm允許到25um,故絲桿剛度足夠。(6)壓桿穩(wěn)定性校核滾珠絲杠通常屬于受軸向力的細(xì)長桿，若軸向工作負(fù)載過大，將使絲杠失去穩(wěn)

10、定而產(chǎn)生縱向屈曲，即失去穩(wěn)定。失穩(wěn)時(shí)的載荷載荷為Fk, 4 .Id1 / 64mm 3380.88mmFk=9343N遠(yuǎn)大于工作載荷Fm,因此，所選滾珠絲杠符合穩(wěn)定性要求。2.4 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的計(jì)算與選型(1)計(jì)算加在步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jeq已知：滾珠絲桿直徑do=20mm總長l=600mm導(dǎo)程Ph=5mm材料密度p=7.85 X103;移動(dòng)部件總重力G=900N傳動(dòng)比為1。算得各個(gè)零部件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量如下：滾珠絲桿的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Js=mD2/8=0.69kg xcm2拖板折算到絲桿上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 J后(Ph/2兀)=0.57kg cm2初選步進(jìn)電機(jī)型號(hào)為90BYG2602為兩相混合式，步距角為0

11、.75 ° ,從表查 得該電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jm=4kg - cm2。則加在步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：Jeq=Jm+ ( Jw+Js ) /i 2=5.26kg - cm2(2)計(jì)算加在步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)軸上的等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩Teq分快速空載起動(dòng)和承受最大工作負(fù)載兩種情況進(jìn)行計(jì)算。1)快速空載起動(dòng)時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩Teq尸Tma+TfTamax為快速空載起動(dòng)時(shí)折算到電機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大轉(zhuǎn)矩；Tf是移動(dòng)部分折算到電機(jī)轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩。Tamax=Jmx2 0.07634;其中 nh=票 208。Tf =（：G）Ph 0.004NI-項(xiàng)Teql Ta max Tf0.0803NI- m2）最

12、大負(fù)載狀態(tài)下電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩Te4=T+TfTt為折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大工作負(fù)載轉(zhuǎn)矩；Tf是移動(dòng)部件運(yùn)動(dòng)時(shí)折算到電機(jī)轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩；Tt= 0, （Ff不計(jì)）；Tf= Fz GPh 0.0036NI-口Teq2=Tf =0.036 N 現(xiàn)Teq maxTeq1,Teq20.0803 N R!（3）步進(jìn)電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩的選定考慮到步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電源受電網(wǎng)電壓影響較大，當(dāng)輸入電壓降低時(shí)，其輸出轉(zhuǎn)矩會(huì)下降，可能造成丟步，甚至堵轉(zhuǎn)。因此，根據(jù)Teq來選擇步進(jìn)電機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩時(shí)，需要考慮安全系數(shù)。取安全系數(shù) K=4.,則步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的最大靜轉(zhuǎn) 矩應(yīng)滿足：Tjmax 4Teq 4x1.422 5

13、.688 N - m,上述初選的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)型號(hào)為90BYG2602由表得該型號(hào)電動(dòng)機(jī)的最大靜轉(zhuǎn) 矩Tjmax=6N nr可見，滿足要求。（4）步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的性能校核1）最快工進(jìn)速度時(shí)電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩校核給定工作臺(tái)最快工進(jìn)速度 將axf=1M份，求得電動(dòng)機(jī)對(duì)應(yīng)的運(yùn)行頻率fmax=1667H4從90BYG260即動(dòng)機(jī)的運(yùn)行頻率特性曲線圖可以看出，在此頻率下，電動(dòng)機(jī) 的輸出轉(zhuǎn)矩Tmaxf=5.5N - m,遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于最大工作負(fù)載轉(zhuǎn)矩 Teq2=0.0036 N - m,滿足 要求。2）最快空載移動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩校核給定工作臺(tái)最快工進(jìn)速度 將axf=1M份，求得電動(dòng)機(jī)對(duì)應(yīng)的運(yùn)行頻率fmaxf= =1667

14、Hz從90BYG260即動(dòng)機(jī)的運(yùn)行頻率特性曲線圖可以看出，在此頻率下，電動(dòng)機(jī) 的輸出轉(zhuǎn)矩Tmaxf=5.5N - m,遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于快速空載啟動(dòng)時(shí)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩 Teq1=0.0803 N-m, 滿足要求。3）最快空載移動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行頻率校核與最快空載移動(dòng)速度vma=3000mm/min對(duì)應(yīng)的電動(dòng)機(jī)運(yùn)行頻率為 fma=10000Hz查表可知90BYG260班動(dòng)機(jī)的空載運(yùn)行頻率可達(dá) 20000Hz,沒超出上限。4）啟動(dòng)頻率的計(jì)算已知電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jeq=5.26kg X cm2,電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jm=4kgX cm2,電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸不帶任何負(fù)載時(shí)的空載起動(dòng)頻率fq=1800Hz可求出步進(jìn)電機(jī)克服

15、慣性負(fù)載的起動(dòng)頻率：faf 二 1200HzL 1 Jeq ,Jm上式說明，要想保證步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)時(shí)不失步， 任何時(shí)候的起動(dòng)頻率都必須小 于1200H4實(shí)際上，采用軟件升降頻時(shí)，起動(dòng)頻率選的更低，通常只有 100Hz 綜上所述，本例中工作臺(tái)的進(jìn)給傳動(dòng)選用 90BYG2602進(jìn)電動(dòng)機(jī)，完全滿足設(shè)計(jì) 要求。2.5機(jī)械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖所示x-y數(shù)控工作臺(tái)結(jié)構(gòu)此數(shù)控工作臺(tái)主要由步進(jìn)電機(jī)、絲杠螺母副、滾動(dòng)導(dǎo)軌副、工作臺(tái)、軸承座、 端蓋、軸承、聯(lián)軸套、鍵、墊圈等組成。（具體見裝配圖附錄）113、控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)"加口1E"U卜 I iltTiJ 卜I 小 1，I 141M 1AL

16、1 口 D 0 0 1 . A ) 1 4Dlk FQ，* &P” < aCmi 0 +,工川 PQ « r昌LM卜 M f At>r> 加*uc IT加 步* J .二1 P/, 41-1 FJ 1 At > FJ 4 ,昌中上 7(ftf I 2 1 4*，* .才 t ! MlF STAVF (RKO| P$ « irm卜 pj iXW2 YTAt l (iMiOb n ? 產(chǎn)3 3 H«» PM* nn3 $Ghdvcc pi.r Pl” PL5I PI 4：PI 3 Fl ?P1-I | Al MHPI 0 lA

17、INOl 3 P3 7AT89C51AT89c2051處理芯片DB戢頭電路原理圖27VCCX PA:-9014e074150f'''vmwrjtTTLP-EHA步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路圖電LEmwaJBHIMIIln? 配由小03皿wkDT主上，Ekm -用uR!TPM用I Ml 叩.1卻|.*也 叩 Pi" r R L jM Pid 卡 Mh即.7聲P -PCZW 除I墀，PiHq 匕 P.'JJ| Pi早般 r.、 冉】性i -P?"斶ifii:他，.m u ：IC5> If*?*d u hbd.£ -搜 型 nrLE審=.八斗電

18、路原理圖硬件電品&采用AT89C51單片機(jī)處理程序，采用ULN2003K片驅(qū)動(dòng)電機(jī)，整個(gè) 電路采用光電耦合，實(shí)現(xiàn)帶暖氣隔離，保護(hù)電路不受強(qiáng)點(diǎn)傷害。采用DB9接頭和 電腦相連。4、控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)4.1 控制系統(tǒng)軟件總體方案設(shè)計(jì)硬件電品&采用AT89C52單片機(jī)作為處理器,ULN2004區(qū)動(dòng)板作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)電 路，單片機(jī)和上位機(jī)采用DB9S頭連接。程序設(shè)計(jì)為點(diǎn)動(dòng)控制，從原點(diǎn)開始到特 定點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)。通過控制單片機(jī)的相應(yīng)引腳輸出高低電平，利用單片機(jī)的中斷，通過鍵盤控 制點(diǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)功能。4.2 主流程設(shè)計(jì)#include<reg52.h>#define uint unsigne

19、d int#define uchar unsigned char uchar num,temp;void delay(uint z);/void main()EA=1;/ CPUEX0=1;P1=0xcf;delay(1000);P1=0x9f;delay(1000);P1=0x3f;delay(1000);P1=0x6f;delay(1000);延時(shí)程序的聲明開總中斷；外部中斷開；/電機(jī)1的二個(gè)引腳交替通電void delay(uint z)/uint x,y;for(x=z;x>0;x-) for(y=110;y>0;y-);void zd()interrupt 0/P1=0xfc;/delay(1000);P1=0xf9;delay(1000);P1=0xf3;delay(1000);P1=0xf6;delay(1000);延時(shí)程序；中斷程序；電機(jī)2兩個(gè)引腳相繼通電;4.3 中斷服務(wù)流程設(shè)計(jì)：鍵盤按鈕產(chǎn)生電平變化，CPU部中斷開啟，調(diào)用中斷程序，使電機(jī) 1停止轉(zhuǎn)動(dòng)，并保持當(dāng)前狀態(tài), 以下