數(shù)控銑床X-Y工作臺方案設(shè)計(jì)書

1、機(jī)電一體課程設(shè)計(jì)說明書設(shè)計(jì)題目：數(shù)控銑床 X-Y 工作臺設(shè)計(jì)班級： 機(jī)自 0402 班設(shè)計(jì)者： 111學(xué)號： 0400041024指導(dǎo)教師： 1222江南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院2008 年 1 月目錄設(shè)計(jì)任務(wù) 3一. 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì) 3（一）機(jī)械系統(tǒng) 3（二）接口設(shè)計(jì) 3（三）伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì) 4（四）控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 4二. 機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算 4（一）滾珠絲杠的選型與計(jì)算 4（二）滾動直線導(dǎo)軌的選型與計(jì)算 7（三）電機(jī)的選擇8（四）光電開關(guān)的選擇 10（五）限位開關(guān)的選擇 10三控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 121. 操作面板的布置圖 122. 操作面板功能介紹 123. 控制系統(tǒng)原理框圖 155、光電開關(guān)和限位開關(guān)

2、信號采集原理156、鍵盤、顯示器接口電路分析 15四程序 16五參考文獻(xiàn) 19設(shè)計(jì)任務(wù):X方向行程:300mmY方向行程：200mm工作臺面的參考尺寸:500X300mm平均切削力:1500N平均切削進(jìn)給速度:600mm/min最高運(yùn)動速度:6m/min定位精度:-0.02mm工作壽命:每天8小時(shí),工作8年,300天/年一. 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)微型機(jī)機(jī)電接口驅(qū)動電路步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)電機(jī)X方向傳 動機(jī)構(gòu)X方向傳動機(jī)構(gòu)人機(jī)接口由設(shè)計(jì)任務(wù)書知，本次設(shè)計(jì)可采用如下方案（一）機(jī)械系統(tǒng)1. 傳動機(jī)構(gòu)采用滾珠絲杠副2. 導(dǎo)向機(jī)構(gòu)采用滾動直線導(dǎo)軌3. 執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用步進(jìn)電機(jī)(二) 接口設(shè)計(jì)1. 人機(jī)接口(1) 采用鍵

3、盤作為輸入(2) 采用LED作為指示標(biāo)志(3) 采用數(shù)碼管作為顯示器2. 機(jī)電接口,實(shí)現(xiàn)電采用光電耦合器作為微型機(jī)與步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動電路的接口氣隔離.(三) 伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用開環(huán)控制(四) 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)二. 機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算(一) 滾珠絲杠的選型與計(jì)算由技術(shù)要求，平均載荷F=1500N，絲杠工作長度L=300mm,工作壽命 .=8 250 8 =16000h,傳動精度要求廠-0.02mmnm600=120r /min設(shè)導(dǎo)程P=5 mm則nmax6000=1200r / min(1) 求計(jì)算載荷Fc = KF KH KA KM1 . 21 . 01 . 0 1 600 N由條件，查機(jī)電一體化系統(tǒng)

4、設(shè)計(jì)表2-6取Kf=1.2,查表2-6取Kh=1.2,表2-4取D精度,查表2-6取心=1.0,(2) 計(jì)算額定動載荷計(jì)算值Ca'由式(2-4)(3) 根據(jù)Ca選擇滾珠絲杠副假設(shè)選用FC1型號，按滾珠絲杠副的額定動載荷Ca等于或稍大于Ca的原則，查表2-9選以下型號規(guī)格FC1-2505-2.5Ca=9610公稱直徑D0 =25mm導(dǎo)程P=5mm 螺旋角 一338 滾珠直徑d0 = 3.175mm按表2-1中尺寸計(jì)算滾道半徑 R=O.52d0=O.52 3.175=1.651mm偏心距 e =0.07( R-d°) =0.07(1.651 -3.175) =0.0044mm2

5、2絲杠內(nèi)徑 d1 =D0 2e-2R=25 2 0.0044-2 1.651 =21.71mm(4) 穩(wěn)定性驗(yàn)算1由于一端軸向固定的長絲杠在工作時(shí)可能會發(fā)生失穩(wěn)，所以在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)驗(yàn)算其安全系數(shù)S,其值應(yīng)大于絲杠副傳動結(jié)構(gòu)允許安全系數(shù)絲杠不會發(fā)生失穩(wěn)的最大載荷稱為臨界載荷Fc廠-Ea其中 E=206GpaL=0.3m64二 0.02171464-84= 1.09 10 m9取則Fcr-：2206 109 1.09 10-8（3 0.3）2= 5.53 105N安全系數(shù)S二空Fm5.53 1051.5 103-368.98咼轉(zhuǎn)速-臨界轉(zhuǎn)速ncr,要求絲杠的最大轉(zhuǎn)速nmaxjcr2高速長絲杠工作時(shí)可能

6、發(fā)生共振，因此需驗(yàn)算其不會發(fā)生共振的最ncr =991°（屮）2fc2d13.92720.02821= 99108293328r/ min查表2-10 S=2.5-3.3S>S絲杠是安全的，不會失穩(wěn)（-X0.3）23nmaxEr所以絲杠不會發(fā)生共振3此外滾珠絲杠副還受D°n值的限制，通常要求4D0n ： 7 10 mm *r / min34D0n =25 120mm *r /min =3 10mmr/min : 7 10mmr/min(5) 剛度驗(yàn)算滾珠絲杠在工作負(fù)載F(N)和轉(zhuǎn)矩T(N *m)共同作用下引起每個(gè)導(dǎo)程的變形量L0(m)為丄。工EA 2二 GJC式中,A

7、為絲杠截面積,A= d12(m2);Jc為絲杠的極慣性矩,4Jc = 1 y4(m4)；G為絲杠切變模量，對鋼G=83.3GP a;T(Nm)為轉(zhuǎn)矩.32T 二 Fm%n( '62式中，為摩擦角，其正切函數(shù)值為摩擦系數(shù)；Fm為平均工作載荷.取摩擦系數(shù)為tan，=0.0025，貝S得，=8 40T =1500? 10-tan(3 38' 8 40 )Nm ： 1.25Nm按最不利的情況取(F二Fm) Lo2PF . p TEA 2GJc233 24pF 16p T _4 5 1500 1016 (5 10一)1.25二Ed： 二2Gd： _3.14 206 109 0.02171

8、2 3.142 83.3 109 0.0217142=9.84 10- "m則絲杠在工作長度上的彈性變形所引起的導(dǎo)程誤差為AL09.84x10 ,L =l - =0.3Lm：5.9Lmp5x10通常要求絲杠的導(dǎo)程誤差小于其傳動精度的1/2,即11L0.02 = 0.01mm =1022該絲杠的X滿足上式，所以其剛度可滿足要求.(6) 效率驗(yàn)算卄 tan 九tan38- _tan( ：) tan(3 38 8 40 )要求在90%-95%之間，所以該絲杠副合格.經(jīng)上述計(jì)算驗(yàn)證,FC1-2505-2.5各項(xiàng)性能均符合題目要求，可選用.(二) 滾動直線導(dǎo)軌的選型與計(jì)算(1)Y方向?qū)к売伤o

9、條件得，該導(dǎo)軌的額定工作時(shí)間為Lh=8 250 8 "6000h由丁”寄得5"32 16000 0.2 4 601000km =1536km因滑座數(shù)M=4,所以每根導(dǎo)軌上使用2個(gè)滑座，由表2-15-2-18確定fc =0.81fh =1fT =1仏=2則由式 2-9, Ts =K(fLfkfLCa)3fw F得CafJ鳴 425N4X方向?qū)к売伤o條件得，該導(dǎo)軌的額定工作時(shí)間為Lh=8 250 8 =16000h3Ts 1032 16000 0.3 4 601000由 Ths得 Ts =2Thls n/103km=2304km2lsn因滑座數(shù)M=4,所以每根導(dǎo)軌上使用2個(gè)滑

10、座，由表2-15-2-18確定fc =0.81fh 二1fT 二1fw =2則由式2-9, TsfwF得fcF，二僭=425NM 4Ca/253 .2304750 J3762.2N0.81 1 1選用漢江機(jī)床廠的HJG-D系列滾動直線導(dǎo)軌，查表2-13,其中HJG-D26型號的導(dǎo)軌的Ca值為17600,能滿足八年的使用要求.（三）電機(jī)的選擇1. 電機(jī)類型選擇在開環(huán)控制的中小型伺服系統(tǒng)中，可以采用步進(jìn)電機(jī)減速器傳動比計(jì)算:P360 p1.5 5360 0.01=2選各傳動齒輪齒數(shù)分別為Z-! =20, z2 =40，模數(shù)m=2mm,齒寬b=20mm.。大齒輪采用雙圓柱薄片齒32jz2 口34二

11、7.8 100.080.022kg *m32426.3 10 kg *m輪錯齒調(diào)整。強(qiáng)度強(qiáng)度檢驗(yàn)略。2. 電動機(jī)軸上總當(dāng)量負(fù)載轉(zhuǎn)動慣量計(jì)算初選步進(jìn)電機(jī) 75BF001, jm = 0.617 10kg.m23452：3.9 10 kg *m兀疋7.8疋10漢0.04疋0.02,2Jz1kg m將各傳動慣量及工作臺質(zhì)量折算到電動機(jī)軸上，得總當(dāng)量負(fù)載轉(zhuǎn)動慣量。H l £i2ni 丿論（如1。込皿1宀鵲2100)kg m2 ： 2.12 10km2慣量匹配驗(yàn)算_4川06#右0.34，滿足要求。4步進(jìn)電機(jī)負(fù)載能力校驗(yàn)步進(jìn)電動機(jī)軸上得總慣量:j = jm jd= (0.617 10” 2.12

12、 10 冷 kg2m= 8.29 10*kgm2空載啟動時(shí),電動機(jī)軸上得慣性轉(zhuǎn)矩:6 N *m 8.33N *m60L_L 如2L =8.29 10，-0.00525 沃10電動機(jī)軸上得當(dāng)量摩擦轉(zhuǎn)矩:0.0052二 0.8 2100 9.8 0.2N0.10N *m總功率取為r -0.8設(shè)滾動絲杠螺母副得預(yù)緊力為最大軸向載荷得1,則因預(yù)緊力而引起的、 折算到電動機(jī)軸上的附3加摩擦轉(zhuǎn)矩為T0=-F°(1_ 0) -0.00524802二 i2 二 0.8 232 二 0.8 22(1 0.9 )N m ： 0.078N *m工作臺上的最大軸向載荷折算到電動機(jī)軸上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩為TwFwma

13、x2二 i2480N *m : 1.23N *m2 二 0.8 2于是空載啟動時(shí)電動機(jī)軸上的總負(fù)載轉(zhuǎn)矩為Tq 二Tj T.i To =（8.33 0.10 0.078）N= 8.508N在最大外載荷下工作時(shí)，電動機(jī)軸上的總負(fù)載轉(zhuǎn)矩為T 二T TT0 =（1.23 0.10 0.078）N m = 1.408N按表5-5查得空載啟動時(shí)所需電動機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩為Tq8.508Ts1q9.820.866 0.866按式5-39可求得在最大外載荷下工作時(shí)所需電動機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩為Ts2衛(wèi) 2.816 4.69N *m0.3 0.5TsTs1=9.82,所取步進(jìn)電機(jī)能正常啟動（四）光電開關(guān)的選擇產(chǎn)品簡介E3R型

14、放大器內(nèi)置型光電傳感器，低成本，小型光電傳感器，采用了耐藥品、耐油 性都很優(yōu)秀的特氟龍（PFA能夠民晶圓片洗凈槽的硫酸等高溫液體的檢測相對應(yīng)。（-40 +200 C）,實(shí)現(xiàn)了 0.5mm的高重復(fù)精度。采用了防止液體的結(jié)構(gòu)。應(yīng)用范圍能為制造過程提供高性能的目標(biāo)探測、定位和高分辨率檢測，適用于半導(dǎo)體工業(yè)中的 目標(biāo)檢測等應(yīng)用產(chǎn)品性能說明檢測方式：對射型檢出距離：5M動作模態(tài)：遮光時(shí)ON入光時(shí)ON（可切換）選擇的產(chǎn)品型號：E3R-5E4 2M BY OMC（五）接近開關(guān)的選擇憾紋IS 柱曲安裳方式標(biāo)準(zhǔn)檢何陣i A3鋼）t*R安Nt*N腫1塩人式I mm00 8mm- JILE(獻(xiàn)幵 CU A8M IA

15、NAI:默両CLJ ASM1ANB 開:一pp i fii上畫4 飛施芯帀CU-ASM IAEA C1JASM-IAPBlOVDC2nun0-L6mni6*6* I mm3CU-A8-2ANACLJ*Ai2ANBCIW2APB1S3O¥DC：£200hiA皤til電壓降sl-5VMB-1爆人式I n*m0-0 8mm6 "6 Imm1CU-ASANbtANACIJ-AUAMJANB J-ARAMMPA CLMRAM-亦 U15V DC占 SmA& 200 mAMBh|2mm0-1.6mmC1J A8A-2ANACU-A8A-2ANRCI>A*A-2A

16、PA弓 13mAs 200mASi 5V知諾保滬DC« JFCIJ.ARM-1ALACU-A8-2ALA_CU-ASM-IAUJCU-A8-2ALB電掠電壓 tN30¥DCIQOVDC帝耗屯就slmA£ ImA* 500Hz-IOOQH1蘭 IOOOIIisSOOHi輸岀電說壬 $0mA±-50mA護(hù)保Lft間ff-500HzS7V輸岀電謂館出電頂障響國帀下AC4XLff幵恿性金笑 金艮/工程期料環(huán)境41匱防護(hù)結(jié)梅-25+7OVLP67CORONCAT： 2004A9選用CLJ-A系列M8*1非埋入式來源于： .c n/cp_show.asp?i nfo

17、_id=214三、控制系統(tǒng)部分設(shè)計(jì)該控制系統(tǒng)采用的微型機(jī)為80C51單片機(jī)。執(zhí)行元件采用直流電機(jī)（一）面板的布置圖Ox零位指示燈 Ox眼儻報(bào)彎© ¥零位指示燈O ¥限泣報(bào)書O正竄運(yùn)行指示打口!L3J1 0 1(E3E3圖五、面板示意圖（二）操作面板功能介紹1.位移狀態(tài)選擇開關(guān)以手動或自動操作工作臺的移動時(shí)，可通過旋轉(zhuǎn)此開關(guān)來改變工作臺的移動2.啟動開關(guān)（按下此開關(guān)機(jī)床啟動）啟動3. 停車開關(guān)（按下此開關(guān)機(jī)床停車。）4. 進(jìn)給軸選擇按鈕開關(guān)按下欲運(yùn)動的軸的按鈕。被選擇的軸會以相應(yīng)的倍率進(jìn)行移動，松開按鈕則 軸停止移動。Y+5. 回零位鍵（按下此鍵工作臺回零位）6.

18、顯示器八位晶體管顯示器，顯示工作臺的位置，精確到0.001mm。X向位置Y向位置7. X零位指示燈ON表示X向工作臺回零位。OFF表示X向工作臺沒有回零位。 X零位指示燈8. X限位報(bào)警ON表示X向工作臺到達(dá)極限位置，需要緊急停車。OFF表示X向工作臺沒有回零位 X限位報(bào)警9.Y零位指示燈ON表示Y向工作臺回零位。OFF表示Y向工作臺沒有回零位。10.Y限位報(bào)警ON表示丫向工作臺到達(dá)極限位置，需要緊急停車。OFF表示丫向工作臺沒有回零位11正常運(yùn)行指示燈ON表示機(jī)床正常運(yùn)行。 OFF表示機(jī)床沒有正常運(yùn)行（三）控制系統(tǒng)原理框圖r pki >m 芯片 *27C512r1_r I圖八、電動機(jī)接

19、口電路圖宜時(shí).、*向晝城電功札狀態(tài)指示燈眼垃帯號O圖六、控制系統(tǒng)原理框圖（四）電動機(jī)控制原理步進(jìn)電機(jī)控制接口電路如圖八所示VW*'*<*«Uh4*iCPU 8053抽口44- j J, 心斤8255I'定時(shí)堆 苦片 9253與屢 用* 口芯 n«279m主-=斗牙3亍9S ff»若：Sir;_ 嚴(yán)PL g<WUlttk （艱件面応稈挹/按!fl（8f號（六）鍵盤、顯示器接口電路分析鍵盤、顯示器接口電路如圖十一所示8279的SLO用來判斷顯示X向或顯示Y向位移，SL1-SL3經(jīng)兩片74LS138分成16路作為發(fā)光OUTB0-OUTB4送出

20、段選信號。信號。二極管的位選信號，OUTA0-OUTA4和在位選信號中選出5條作為鍵盤列掃描W1. 一二二i-«i.JU7圖十一、鍵盤、顯示器接口電路四、程序（一）步進(jìn)電機(jī)控制程序ORG 8100HROUTN2: MOV R2, COUNT ; 步進(jìn)電機(jī)步數(shù) LOOPO: MOV R3, #00HMOV DPTR , #POINT ;送控制模型指針JNB 00H,L OOP2;反轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn) LOOP2LOOP1 MOV A,R3 ;取控制模型MOVC A ,A+DPTRJZ LOOP0MOV P1,AACALL DELAY ; 延時(shí)INC R3步數(shù)未走完，繼續(xù)DJNZ R2,LOOP1R

21、ETLOOP2: MOV A, R3 ADD A,#07H MOV R3,AAJMP LOOP1鍵盤程序MOVDPTR,#7FFFH;指向 8279 控制口MOVA ,#00H; 鍵盤設(shè)置為編碼掃描，雙鍵鎖定方式MOVXDPTR, A;輸出控制字MOVA ,#2FH; 置分頻數(shù)為 15MOVXDPTR , A;輸出控制字KO:MOV 30H,#1LCALL LS LJMP KEYK1: MOV 30H,#6 LCALL LS LJMP KEYK2: MOV A , #0EH;指向8355 C 口，輸出X向電機(jī)正轉(zhuǎn)代碼MOV DPTR , #17FFH MOVX DPTR ,A LJMP KEY

22、K3:MOV 30H,#2LCALL LSK4:MOV 30H,#7LCALL LSLJMP KEYLJMP KEYK5:MOV A , #0DHMOV DPTR , #17FFHMOVX DPTR ,A;指向 8355 C 口，輸出 X 向電機(jī)反轉(zhuǎn)代碼K6:MOV 30H,#3LCALL LSLJMP KEYK7:MOV 30H,#8 LCALL LSLJMP KEYK8:回零位K9:MOV 30H,#4 LCALL LS LJMP KEYK10:MOV 30H,#9LJMP KEYLCALL LS LJMP KEYK11: MOV A , #0BHMOV DPTR , #17FFH MOVX DPTR ,A LJMP