數(shù)控銑床XY工作臺與控制系統(tǒng)設計

1、 畢業(yè)設計（論文）報告紙數(shù)控銑床XY工作臺與控制系統(tǒng)設計摘 要隨著現(xiàn)代信息技術的發(fā)展，以提高產(chǎn)品加工的生產(chǎn)效率為主的高度自動化和提高產(chǎn)品質(zhì)量為主的精密化成為現(xiàn)代機械加工技術發(fā)展的兩個主要方向。人們對數(shù)控機床、精密儀器和儀表以及各種精密機械設備提出了越來 的精度要求，X-Y工作臺是這些設備實現(xiàn)高精密加工的重要部件，對于提高產(chǎn)品的加工起著尤為重要的作用。本論文針對銑床工作臺機構及其控制系統(tǒng)進行設計，主要包括伺服電動機的選型，滾珠絲杠的選型、強度校核及生產(chǎn)設計中應注意的問題,連接伺服電機和滾珠絲杠副的聯(lián)軸器的選型，導軌的設計。根據(jù)系統(tǒng)的功能要求，選擇數(shù)控系統(tǒng)的CPU，同時還需要擴展程序存儲器、數(shù)據(jù)存

2、儲器以及步進電機驅動電源的選擇。通過對工作臺機械傳動鏈的系統(tǒng)設計以期滿足機床進給系統(tǒng)的定位精度和靜動態(tài)性能，從而確保機床的加工精度。關鍵字：X-Y工作臺 ，伺服系統(tǒng)， 滾珠絲杠 ，步進電機The design of CNC milling machine system XY workbench and control system AbstractWith the development of modern information techniques, the high automation with the main purpose of improving the production

3、efficiency of product process and the accuracy with the accuracy with the main aim of improving the quality of product have been becoming the two major directions of the modern technique of mechanical process. People on the CNC machine tools, precision instruments and meters and all kinds of sophist

4、icated machinery and equipment raised higher and higher precision, X-Y workbench is that important components of these high-precision machining equipment to achieve the core components, for improving the quality of processed products play the particularly important role.The entire mechanical transmi

5、ssion chain for the system design,servo motor related to the selection, the selection of ball screws, checking strength and production design should pay attention to the problem of connecting the servo motor and the ball screw of the axis. The Telection and Verification, bearing pieces bearing the d

6、esign, rail and rack design. According to the function requirement of system, the selection of the CNC system CPU. It would also need to expand the program memory、data memory and the choice of stepper motor drive power.Through the table mechanical transmission chain system design to meet the machine

7、 into the system to the positioning accuracy and static and dynamic performance, so as to ensure the accuracy of processing machine.key words：The X-Y workbench ; Servo system; Ball screw;stepper motor 目 錄摘 要iAbstractii第一章 引 言- 1 -1.1  國內(nèi)外數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展概況- 1 -1.2 數(shù)控技術的發(fā)展趨勢- 1 -1.2.1 高速、高精加工技術及裝備的新趨勢- 1

8、 -1.2.2 多軸聯(lián)動加工和復合加工機床快速發(fā)展- 2 -1.2.3 智能化、開放式、網(wǎng)絡化成為當代數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展的主要趨勢- 2 -1.3 數(shù)控銑床X-Y工作臺概述- 2 -1.3.1 國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀分析- 3 -1.3.2 工作臺的應用- 3 -1.3.3 發(fā)展趨勢- 3 -1.4 數(shù)控銑床系統(tǒng)XY工作臺設計的目的- 4 -第二章 總體方案的確定- 5 -2.1 數(shù)控銑床XY工作臺設計的意義- 5 -2.2 工作臺設計任務- 5 -2.3 機械傳動部件的選擇- 5 -2.4 控制系統(tǒng)的設計- 6 -第三章 機械傳動部件的計算與選型- 7 -3.1 確定系統(tǒng)脈沖當量- 7 -3.2 工作臺

9、外形尺寸及重量初步估算- 7 -3.3 銑削力的計算- 8 -3.4 直線滾動導軌副的計算與選型（縱向）- 8 -3.5 滾珠絲杠螺母副的計算與選型- 10 -3.6 減速齒輪計算設計- 12 -3.7 角接觸球軸承的選用、校核- 14 -第四章 步進電動機的計算與選型- 16 -4.1 步進電機簡介及原理- 16 -4.2 步進電機的計算與選型- 17 -4.3 步進電動機驅動電源的選用- 22 -第五章 工作臺控制系統(tǒng)的設計- 23 -5.1 控制系統(tǒng)硬件電路設計- 23 -5.1.1 單片機的簡介與選用- 23 -5.1.2光耦合器- 23 -5.1.3 常用存儲器及其擴展電路設計- 2

10、4 -5.1.4 常用I/O接口芯片及其擴展電路設計- 26 -5.1.5 步進電動機的控制與驅動- 27 -5.2 控制系統(tǒng)的部分軟件設計- 27 -5.2.1 存儲器與I/O芯片地址分配- 27 -5.2.2 步進電動機運行程序設計- 27 -第六章總結與展望- 29 -參考文獻- 30 -致謝- 31 - 31 - 第一章 引 言1.1  國內(nèi)外數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展概況 隨著計算機技術的高速發(fā)展，傳統(tǒng)的制造業(yè)開始了根本性變革，各工業(yè)發(fā)達國家投入巨資，對現(xiàn)代制造技術進行研究開發(fā)，提出了全新的制造模式。在現(xiàn)代制造系統(tǒng)中，數(shù)控技術是關鍵技術，它集微電子、計算機、信息處理、自動檢測

11、、自動控制等高新技術于一體，具有高精度、高效率、柔性自動化等特點，對制造業(yè)實現(xiàn)柔性自動化、集成化、智能化起著舉足輕重的作用。目前，數(shù)控技術正在發(fā)生根本性變革，由專用型封閉式開環(huán)控制模式向通用型開放式實時動態(tài)全閉環(huán)控制模式發(fā)展。在集成化基礎上，數(shù)控系統(tǒng)實現(xiàn)了超薄型、超小型化；在智能化基礎上，綜合了計算機、多媒體、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡等多學科技術，數(shù)控系統(tǒng)實現(xiàn)了高速、高精、高效控制，加工過程中可以自動修正、調(diào)節(jié)與補償各項參數(shù)，實現(xiàn)了在線診斷和智能化故障處理。 1.2 數(shù)控技術的發(fā)展趨勢 數(shù)控技術的應用不但給傳統(tǒng)制造業(yè)帶來了革命性的變化，使制造業(yè)成為工業(yè)化的象征，而且隨著數(shù)控技術的不斷發(fā)展和

12、應用領域的擴大，他對國計民生的一些重要行業(yè)IT、汽車、輕工、醫(yī)療等的發(fā)展起著越來越重要的作用。從目前世界上數(shù)控技術及其裝備發(fā)展的趨勢來看，其主要研究熱點有以下幾個方面：1.2.1 高速、高精加工技術及裝備的新趨勢 效率、質(zhì)量是先進制造技術的主體。高速、高精加工技術可極大地提高效率，提高產(chǎn)品的質(zhì)量和檔次，縮短生產(chǎn)周期和提高市場競爭能力。從EMO2001展會情況來看，高速加工中心進給速度可達80m/min，甚至更高，空運行速度可達100m/min左右。目前世界上許多汽車廠，包括我國的上海通用汽車公司，已經(jīng)采用以高速加工中心組成的生產(chǎn)線部分替代組合機床。在加工精度方面，近10年來，已由10um提高到

13、5um，精密級加工中心則從3-5um，提高到1-1.5um并且超精密加工精度已開始進入納米級0.1um。為了實現(xiàn)高速、高精加工，與這配套的功能 部件如電主軸、直線電機得到了快速的發(fā)展，應用領域進一步擴大。1.2.2 多軸聯(lián)動加工和復合加工機床快速發(fā)展 采用5軸聯(lián)動對三維曲面零件的加工，可用刀具最佳幾何現(xiàn)狀進行切削，不僅光潔度高，而且效率也大幅度提高。但過去因5軸聯(lián)動數(shù)控系統(tǒng)、主機結構復雜等原因，其價格要比3軸聯(lián)動數(shù)控機床高出數(shù)倍，加之編程技術難度較大，制約了5軸聯(lián)動機床的發(fā)展。當前由于電主軸的出現(xiàn)，使得實現(xiàn)5軸聯(lián)動加工的復合主軸頭結構大為簡化，其制造難度和成本大幅度降低，數(shù)控系統(tǒng)的價格差距縮小

14、。1.2.3 智能化、開放式、網(wǎng)絡化成為當代數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展的主要趨勢 21世紀的數(shù)控裝備將是具有一定智能化的系統(tǒng)，智能化的內(nèi)容包括在數(shù)控系統(tǒng)中的各個方面：為追求加工效率和加工質(zhì)量方面的智能化，如加工過程的自適應控制，工藝參數(shù)自動生成；為提高驅動性能及使用連接方便的智能化，如前饋控制、電機參數(shù)的自適應運算、自動識別負載自動選定模型、自整定等。數(shù)控系統(tǒng)開放化已經(jīng)成為數(shù)控系統(tǒng)的未來之路。所謂開放式數(shù)控系統(tǒng)就是數(shù)控系統(tǒng)的開發(fā)可以在統(tǒng)一的運行平臺上，面向機床廠家和最終用戶，通過改變、增加或剪裁結構對象數(shù)控功能，形成系列化，并可方便地將用戶的特殊應用和訣竅集成到控制系統(tǒng)中，快速實現(xiàn)不同品種、不同檔次的開放式

15、數(shù)控系統(tǒng)，形成具有鮮明個性的名牌產(chǎn)品。目前開放數(shù)控系統(tǒng)的體系結構規(guī)范、通信規(guī)范、配置規(guī)范、運行平臺、數(shù)控系統(tǒng)功能庫以及數(shù)控系統(tǒng)功能軟件開發(fā)工具等是當前研究的核心。網(wǎng)絡化數(shù)控裝備是近兩年國際著名機床博覽會的一個新亮點。數(shù)控裝備的網(wǎng)絡化將極大地滿足生產(chǎn)線、制造系統(tǒng)、制造產(chǎn)業(yè)對信息集成的需求，也是實現(xiàn)新的制造模式如敏捷制造、虛擬企業(yè)、全球制造的基礎單元，反映了數(shù)控機床加工向網(wǎng)絡化方向發(fā)展的趨勢。1.3 數(shù)控銑床X-Y工作臺概述 X-Y數(shù)控工作臺是許多機電一體化設備的基本部件，如數(shù)控車床的縱橫向進刀機構、數(shù)控銑床和數(shù)控鉆床的X-Y工作臺、激光加工設備的工作臺、電子元件表面貼裝設備等。模塊化的X-Y數(shù)控

16、工作臺，通常由導軌座、移動滑塊、工作、滾珠絲杠螺母副，以及伺服電動機等部件構成。其外觀形式如圖1.1。其中伺服電動機做執(zhí)行元件用來驅動滾珠絲杠，滾珠絲杠螺母帶動滑塊和工作平臺在導軌上運動，完成工作臺在X、Y方向的直線移動。導軌副、滾珠絲杠螺母副和伺服電動機等均以標準化，由專門廠家生產(chǎn)，設計時只需根據(jù)工作載荷選取即可?？刂葡到y(tǒng)根據(jù)需要，可以選取用標準的工作控制計算機，也可以設計專用的微機控制系統(tǒng)。圖1.1 X-Y數(shù)控工作臺外形1.3.1 國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀分析國家的繁榮是以其先進機器作為輔助，機床包括床身、立柱、工作臺、進給機構等機械部件。工作臺作為數(shù)控機床的重要組成部分，也是影響加工精度的重要組

17、成環(huán)節(jié)。從一開始為了滿足加工簡單的零件而設計的直線運動的XY工作臺，到現(xiàn)在為了實現(xiàn)多工位加工而制造的分度工作臺和回轉工作臺等。為了滿足現(xiàn)代制造業(yè)的發(fā)展，也為了環(huán)境的要求，工作臺的驅動裝置從原來的機械驅動變?yōu)橐簤候寗?，現(xiàn)在更多的采用了氣動裝置，更好的保護了環(huán)境，節(jié)約了資源。由于工作臺是一臺機床的關鍵配套部件，因此世界各國都有對其進行研究，我國在工作臺的研究開發(fā)方面也取得了長足的進步。1.3.2 工作臺的應用目前工作臺的種類繁多，傳統(tǒng)的工作臺只能安裝在某一指定機床上，伴隨著科技的與時俱進，它們的功能也由傳統(tǒng)單一性向現(xiàn)代的多功能性方向發(fā)展，現(xiàn)在一些工作臺，它不僅可以安裝在鉆床上，還可以安裝在銑床和鏜

18、床等機床上。并且目前部分工作臺還可以作為機床的第四回轉軸，大大提高了機床的性能。1.3.3 發(fā)展趨勢隨著國際上各種技術的突飛猛進的發(fā)展，工作臺的功能也向多功能復合化發(fā)展，工作臺也會不斷采用數(shù)控技術、控制理論等領域的最新技術成就，使其朝著運行高速化、加工高精化、功能復合化、控制智能化等方向發(fā)展。1.4 數(shù)控銑床系統(tǒng)XY工作臺設計的目的 使工作臺實現(xiàn)數(shù)控控制：讓數(shù)控機床可以完成普通機床難以完成或根本不能加工的復雜零件的加工；提升機床的加工精度、柔性、生產(chǎn)率和操控，實現(xiàn)計算機控制，排除人為誤差，使零件的加工一致性好，質(zhì)量穩(wěn)定可靠；提升機床自動化程度，降低操作人員勞動強度。能夠正確運用機床數(shù)控系統(tǒng)等課

19、程的基本理論的有關知識，學會設備數(shù)控化改造方案的擬定、比較、分析及進行必要的計算；通過對設備改造機械部分設計，掌握數(shù)控設備典型零件的計算方法和步驟以及正確的結構設計方法；通過設備的數(shù)控系統(tǒng)硬件和軟件設計，掌握簡單的數(shù)控系統(tǒng)硬件及軟件設計的基本方法；通過畢業(yè)設計，初步樹立正確的設計思想，培養(yǎng)自己分析問題和解決問題的能力；提高自己應用手冊、標準以及編寫文件等資料的能力。第二章 總體方案的確定2.1 數(shù)控銑床XY工作臺設計的意義工作臺是機床上必不可少的部件，因此工作臺的設計具有重要意義，工作臺的自動化能大大減輕勞動強度，提高勞動生產(chǎn)效率。XY數(shù)控工作臺機電系統(tǒng)設計是一個開環(huán)控制系統(tǒng)，其結構簡單，實現(xiàn)

20、方便而且能保證一定的精度。降低成本，是微機控制技術的最簡單的應用，它充分的利用了微機的軟硬件功能以實現(xiàn)對機床的控制，使機床的加工范圍擴大，精度和可靠性進一步提高。隨著經(jīng)濟的發(fā)展，機械行業(yè)的許多普通機床和閑置設備，經(jīng)過數(shù)控改造以后，不但可以提高加工精度和勞動生產(chǎn)率，而且能有效的適應多種品種，小批量的市場經(jīng)濟的需要，使之更有效的發(fā)揮經(jīng)濟效益和社會效益。2.2 工作臺設計任務主要技術指標：（1）設計數(shù)控銑床工作臺機械系統(tǒng)；（2）設計參數(shù)：定位精度：±0.01mm，滾珠絲杠及導軌使用壽命：T=15000h，中等沖擊工作臺的有效行程為，快速進給速度 和工作載荷（3）驅動系統(tǒng)類型：電機選型、單片

21、機選型；2.3 機械傳動部件的選擇（1）導軌副的選用 要設計的XY工作臺需要承受的載荷不大，但脈沖當量小、定位精度高，因此，決定選用直線滾動導軌副，它具有摩擦系數(shù)小、不易爬行、傳動效率高、結構緊湊、安裝預緊方便等優(yōu)點。（2）絲杠螺母副的選用 伺服電動機的旋轉運動需要通過絲杠螺母副轉換成直線運動，要滿足0.005mm的脈沖當量和±0.01mm的定位精度，滑動絲杠副無能為力，只有選用滾珠絲杠副才能達到。滾珠絲杠副的傳動精度高、動態(tài)響應快、運轉平穩(wěn)、壽命長、效率高，預緊后可消除反向間隙。（3）減速裝置的選用 選擇了步進電動機和滾珠絲杠副以后，為了圓整脈沖當量，放大電動機的輸出轉矩，降低運動

22、部件折算到電動機轉軸上的轉動慣量，可能需要減速裝置，且應有消間隙機構。為此，本例決定采用無間隙齒輪傳動減速箱?？紤]到X、Y兩個方向的加工范圍相同，承受的工作載荷相差不大，為了減少設計工作量，X、Y兩個坐標的導軌副、絲杠螺母副、減速裝置、伺服電動機擬采用相同的型號和規(guī)格。2.4 控制系統(tǒng)的設計（1） 設計的XY工作臺準備用在數(shù)控銑床上，其控制系統(tǒng)應該具有單坐標定位、兩坐標直線插補與圓弧插補的基本功能，所以控制系統(tǒng)應該設計成連續(xù)控制型。（2） 根據(jù)技術指標中最高控制速度，以及數(shù)控系統(tǒng)的經(jīng)濟性要求，選用MCS-51系列的8位單片機AT89S52作為控制系統(tǒng)的CPU，應該能夠滿足任務書給定的相關指標。

23、（3） 要設計一臺完整的控制系統(tǒng)，在選擇CPU之后，還需要擴展程序存儲器、數(shù)據(jù)存儲器、I/O接口電路等。（4） 選擇合適的驅動電源，與步進電動機配套使用。圖2.1 步進電機控制XY軸系統(tǒng)總體框圖第三章 機械傳動部件的計算與選型 機械部分設計內(nèi)容包括：確定系統(tǒng)脈沖當量，運動部件慣性的計算，選擇步進電機，傳動及導向元件的設計、計算與選擇，繪制機械部分裝配圖等。3.1 確定系統(tǒng)脈沖當量脈沖當量是一個進給指令時工作臺的位移量，應小于等于工作臺的位置精度，由于定位精度為±0.01mm，因此選擇脈沖當量為0.005mm。3.2 工作臺外形尺寸及重量初步估算 根據(jù)給定的有效行程，畫出工作臺簡圖，估

24、算X向和Y向工作臺承載重量和。取X向導軌支撐鋼球的中心距為400mm，Y向導軌支撐鋼球的中心距為400mm，設計工作臺簡圖如下：圖3.1 X-Y工作臺簡圖X向拖板（上拖板）尺寸：長寬高 =420×400×50重量：按重量=體積×材料,比重估算為：Y向拖板（下拖板）尺寸：420×400×50上導軌（含電機）重量為：（900×480×82×800×35×50）×7.8××=487.97N夾具及工件重量約155N X-Y工作臺運動部分的總重量為W=487.97655.26

25、55.21552000N3.3 銑削力的計算根據(jù)任務書，切向銑削力=2000N，采用立銑刀進行圓柱銑削時，各銑削力之間的比值可由表查得，考慮逆銑時的情況，可估算三個方向的銑削力分別為：,，?，F(xiàn)考慮立銑，則工作臺受到垂直方向的銑削力，受到水平方向的銑削力分別為和。今將水平方向較大的銑削力分配給工作臺的縱向(絲杠軸線方向)，則縱向銑削力，徑向銑削力為。3.4 直線滾動導軌副的計算與選型（縱向）（1）滑塊承受工作載荷的計算及導軌型號的選取工作載荷是影響直線滾動導軌副使用壽命的重要因素。本例中的X-Y工作臺為水平布置，采用雙導軌、四滑塊的支承形式?？紤]最不利的情況，即垂直于臺面的工作載荷全部由一個滑塊

26、承擔，則單滑塊所受的最大垂直方向載荷為： （3-1）其中，移動部件重量W2000N，外加載荷，代入式得最大工作載荷=(500+750)N=1.25kN。查表根據(jù)工作載荷=1.25kN，初選直線滾動導軌副的型號為KL系列的JSA-LG15型，其額定動載荷，額定靜載荷。其結構形式如下：圖3.2 直線滾動導軌副1、導軌 2、滑塊 3、返向器 4、密封端蓋 5、注油杯圖其主要參數(shù)如下：表3.1 JSA-LG15型直線滾動導軌副參數(shù)額定載荷靜態(tài)力矩/N*m滑座重量Kg導軌重量Kg/m導軌長度L/mm動載荷KN靜載荷KN7949.55555880.603.10640滑座個數(shù)M單行程長度S（m）每分鐘往返次

27、數(shù)n474任務書規(guī)定工作臺的有效行程為, ,工作臺面尺寸280×280mm，考慮工作行程應留有一定余量，查表按標準系列，選取導軌的長度為640mm。（2）距離額定壽命L的計算上述所取的KL系列JSA-LG15系列導軌副的滾道硬度為60HRC，工作溫度不超過C，每根導軌上配有兩只滑塊，精度為4級，工作速度較低，載荷不大。分別取硬度系數(shù)=1.0，溫度系數(shù)=1.00，接觸系數(shù)=0.81，精度系數(shù)=0.9，載荷系數(shù)=1.5，代入式，得距離壽命： （3-2）工作壽命的計算 （3-3）故導軌工作壽命足夠。3.5 滾珠絲杠螺母副的計算與選型（1） 最大工作載荷的計算如前所述，在立銑時，工作臺受到進

28、給方向的載荷（與絲杠軸線平行）=2000N,受到橫向載荷（與絲杠軸線垂直），受到垂直方向的載荷（與工作臺面垂直）=750N。已知移動部件總重量W=2000N，按矩形導軌進行計算，取顛覆力矩影響系數(shù)K=1.1，滾動導軌上的摩擦系數(shù)=0.005。求得滾珠絲杠副的最大工作載荷： （3-4）（2）最大動工作載荷的計算設工作臺在承受最大銑削力時的最快進給速度v=2000mm/min，初選絲杠導程=6mm,則此時絲杠轉速。任務書給定滾珠絲杠的使用壽命T=15000h,代入,得絲杠壽命系數(shù)=300（單位為：106r）。查表，取載荷系數(shù),滾道硬度為60HRC時，取硬度系數(shù),代入式，求得最大動載荷： （3-5）

29、（3）初選型號根據(jù)計算出的最大動載荷和初選的絲杠導程，選擇濟寧博特精密絲杠制造有限公司生產(chǎn)的G系列3206-4型滾珠絲杠副，為內(nèi)循環(huán)固定反向器單螺母式，其公稱直徑=32mm，導程=6mm，循環(huán)滾珠為4圈×1系列，精度等級取5級，額定動載荷=18292N，大于，滿足要求。（4）傳動效率的計算將公稱直徑=32mm，導程=6mm，代入，得絲杠螺旋升角=。將摩擦角=10，代入,得傳動效率=95.5%。（5） 剛度的驗算1）X-Y工作臺上下兩層滾珠絲杠副的支承均采用“單推-單推”的方式。絲杠的兩端各采用-對推力角接觸球軸承，面對面組配，左、右支承的中心距約為a=600mm；鋼的彈性模量E=2.

30、1105Mpa;查表得滾珠直徑=3.969mm，絲杠底徑=27.2mm,絲杠截面積。絲杠的拉伸或壓縮變形量在總變形量中占的比重較大，按忽略式中的第二項，算得絲杠在工作載荷作用下產(chǎn)生的拉/壓變形量 （3-6）2）根據(jù)公式，求得單圈滾珠數(shù)Z=23；該型號絲杠為單螺母，滾珠的圈數(shù)列數(shù)為41，代入公式Z圈數(shù)列數(shù)，得滾珠總數(shù)量=92。絲杠預緊時，取軸向預緊力/3=739N。則由式，求得滾珠與螺紋滾道間的接觸變形量mm。因為絲杠有預緊力，且為軸向負載的1/3，所以實際變形量可以減少一半，取=0.001mm。3）將以上算出的和代入，求得絲杠總變形量（對應跨度600mm）=0.011+0.001=0.012m

31、m=12本例中，絲杠的有效行程為400mm，由表知，5級精度滾珠絲杠有效行程在315-400mm時，行程偏差允許達到25，可見絲杠剛度足夠。（6） 壓桿穩(wěn)定性校核根據(jù)公式計算失穩(wěn)時的臨界載荷。取支承系數(shù)=1；由絲杠底徑=27.2mm求得截面慣性矩26855；壓桿穩(wěn)定安全系數(shù)K取3（絲杠臥式水平安裝）；滾動螺母至軸向固定處的距離a取最大值600mm。代入式，得臨界載荷=51485N，遠大于工作載荷=2216.25，故絲杠不會失穩(wěn)。表3.2 G系列滾珠絲杠副尺寸參數(shù)規(guī)格代號公稱直徑導程滾珠直徑絲杠底徑絲杠外徑循環(huán)列數(shù)額定載荷/NG3206-43263.96927.231.241829247148螺

32、母安裝尺寸油杯LBhM50826760137712M6綜上所述，初選的滾珠絲杠副滿足使用要求。3.6 減速齒輪計算設計為了滿足脈沖當量的的設計要求，增大步進電動機的輸出轉矩，同時也為了使?jié)L珠絲杠和工作臺的轉動慣量折算到電動機軸上盡可能的小，今在步進電動機的輸出軸上安裝一套齒輪機減速，采用一級減速，步進電動機的輸出軸與齒輪相連，滾珠絲杠的軸頭與大齒輪相連。其中大齒輪設計成雙片結構。已知工作臺的脈沖當量=0.005mm/脈沖，滾珠絲杠的的導程Ph=6mm， 初選步進電動機的步距角=0.75°。根據(jù)式，算得減速比：=（0.756）/（3600.005）=2.5 （3-7）本設計選用常州市新

33、月電機有限公司生產(chǎn)的JBF-3型齒輪減速箱。因傳遞的扭矩較小，取大小齒輪模數(shù)均為1mm，齒數(shù)比為80：32，材料為45調(diào)質(zhì)鋼，齒表面淬硬后達到55HRC。減速箱中心距為（80+32）1/2mm=56mm,小齒輪厚度為20mm，雙片大齒輪厚度均為10mm。如圖3.3，薄片齒輪2與軸整體鍛造而成，保證了機構的強度，薄片齒輪1套裝在軸上，兩片薄齒輪之間可作相對回轉運動。圖3.3 雙片薄齒輪錯齒調(diào)整機構1、2-薄齒輪 3-彈簧 4、8-凸耳 5-調(diào)節(jié)螺釘 6、7-螺母小齒輪齒數(shù)=32 大齒輪齒數(shù)=80分度圓直徑： 齒頂圓直徑： 齒根圓直徑： 3.7 角接觸球軸承的選用、校核 初選角接觸球軸承7205C

34、J，其相關參數(shù)如下：內(nèi)徑d=15mm，外徑D=35mm，軸承寬度B=10mm，a=11.6mm，額定動載荷，額定靜載荷。軸承校核，受力圖如下：圖3.4 軸承部件受載示意圖徑向外載荷，軸向外載荷，軸向派生力，, , , 查得， ，查得，=1.2-1.8，取=1.4， （3-8）因為，所以只驗算軸承1，又軸承樣本可知：7205CJ軸承的額定動載荷。 （3-9）選用7205CJ軸承合適。第四章 步進電動機的計算與選型4.1 步進電機簡介及原理步進電機是開環(huán)伺服系統(tǒng)的驅動元件，其控制系統(tǒng)的結構簡單、控制容易、維修方便，控制為全數(shù)字化，。步進電機用電脈沖信號進行控制，并將電脈沖信號轉換成相應的機械角位移

35、。每給步進電機輸入一個電脈沖信號，其轉子軸就轉過一個角度，稱為步距角，轉子軸的角位移量與電脈沖數(shù)成正比，其轉速與電脈沖信號輸入的頻率成正比，通過改變頻率就可以調(diào)節(jié)電機的轉速。圖4.1 步進電機步進電機是一種感應電機，它的工作原理是利用電子電路，將直流電變成分時供電的，多相時序控制電流，用這種電流為步進電機供電，步進電機才能正常工作，驅動器就是為步進電機分時供電的，多相時序控制器。雖然步進電機已被廣泛地應用，但步進電機并不能象普通的直流電機，交流電機在常規(guī)下使用。它必須由雙環(huán)形脈沖信號、功率驅動電路等組成控制系統(tǒng)方可使用。因此用好步進電機卻非易事，它涉及到機械、電機、電子及計算機等許多專業(yè)知識。

36、 步進電機作為執(zhí)行元件，是機電一體化的關鍵產(chǎn)品之一, 廣泛應用在各種自動化控制系統(tǒng)中。隨著微電子和計算機技術的發(fā)展，步進電機的需求量與日俱增，在各個國民經(jīng)濟領域都有應用。4.2 步進電機的計算與選型（1） 計算加在步進電動機轉軸上的總轉動慣量 已知：滾珠絲杠的公稱直徑=32mm，總長L=600mm，導程=6mm，材料密度；移動部件總重力W=2000N；小齒輪齒寬=20mm.，直徑=32mm，大小齒輪齒寬=20mm，直徑=80mm；傳動比i=2.5。算得各個零部件的轉動慣量如下：滾珠絲杠的轉動慣量： （4-1）小齒輪的轉動慣量：大齒輪的轉動慣量：工作臺折算到絲杠上的慣量： （4-2）初選步進電動

37、機的型號為90BYG2602,為兩相混合式，由常州寶馬集團公司生產(chǎn)，二相八拍驅動時的步距角為0.75°，從表查得該型號的電動機轉子的轉動慣量=4 kg·cm2。則加在步進電動機轉軸上的總轉動慣量為： （4-3）（2）計算加在步進電動機轉軸上的等效負載轉矩 分快速空載起動和承受最大工作負載兩種情況進行計算。1) 快速空載起動時電動機轉軸所承受的負載轉矩包括三部分：一部分是快速空載起動時折算到電動機轉軸上的最大加速轉矩；一部分是移動部件運動時折算到電動機轉軸上的摩擦轉矩；還有一部分是滾珠絲杠預緊后折算到電動機轉軸上的附加摩擦轉矩。因為滾珠絲杠副傳動效率很高，根據(jù)式可知，相對于和

38、很小，可以忽略不計。則有：=+ （4-4）根據(jù)式 （4-5）考慮傳動鏈的總效率，計算快速空載起動時折算到電動機轉軸上最大加速轉矩：= （4-6）式中 對應空載最快移動速度的步進電動機最高轉速，單位為r/min； 步進電動機由靜止到加速至轉速所需的時間，單位為S。其中： =1250r/min （4-7）式中 空載最快移動速度，任務書指定為3000mm/min；步進電動機步距角，預選電動機為0.75；脈沖當量，本例=0.005mm/脈沖。將以上各值代人式，算得=1250r/min設步進電機由靜止加速至所需時間，傳動鏈總效率。則由式求得： （4-8）移動部件運動時，折算到電動機轉軸上的摩擦轉矩為：

39、（4-9）式中 導軌的摩擦因素，滾動導軌取0.005垂直方向的銑削力，空載時取0傳動鏈效率，取0.7則由式求得：最后求得快速空載起動時電動機轉軸所承受的負載轉矩：=+=0.298Nm （4-10） 2) 最大工作負載狀態(tài)下電動機轉軸所承受的負載轉矩包括三部分：一部分是折算到電動機轉軸上的最大工作負載轉矩；一部分是移動部件運動時折算到電動機轉軸上的摩擦轉矩；還有一部分是滾珠絲杠預緊后折算到電動機轉軸上的附加摩擦轉矩，相對于和很小，可以忽略不計。則有： =+ （4-11） 其中，折算到電動機轉軸上的最大工作負載轉矩由式計算。本例中在對滾珠絲杠進行計算的時候，已知沿著絲杠的軸線方向的最大進給載荷，則

40、有： （4-12）再由式計算垂直方向承受最大工作負載情況下，移動部件運動時折算到電動機轉軸上的摩擦轉矩： （4-13）最后由式，求得最大工作負載狀態(tài)下電動機轉軸所承受的負載轉矩：=+1.0975 （4-14）經(jīng)過上述計算后，得到加在步進電動機轉軸上的最大等效負載轉矩為： （4-15）（3）步進電動機最大靜轉矩的選定 考慮到步進電動機的驅動電源受電網(wǎng)電壓影響較大，當輸入電壓降低時，其輸出轉矩會下降，可能造成丟步，甚至堵轉。因此，根據(jù)來選擇步進電動機的最大靜轉矩時，需要考慮安全系數(shù)。取K=4, 則步進電動機的最大靜轉矩應滿足： （4-16）初選步進電動機的型號為90BYG2602，查得該型號電動機

41、的最大靜轉矩?？梢姡瑵M足要求。（4）步進電動機的性能校核1)最快工進速度時電動機的輸出轉矩校核 任務書給定工作臺最快工進速度=2000mm/min，脈沖當量/脈沖，電動機對應的運行頻率。從90BYG2602電動機的運行矩頻特性曲線圖可以看出在此頻率下，電動機的輸出轉矩4Nm，遠遠大于最大工作負載轉矩=1.0975Nm，滿足要求。2）最快空載移動時電動機輸出轉矩校核 任務書給定工作臺最快空載移動速度=3000mm/min，求出其對應運行頻率。從圖查得，在此頻率下，電動機的輸出轉矩，大于快速空載起動時的負載轉矩，滿足要求。3）最快空載移動時電動機運行頻率校核 與快速空載移動速度=3000mm/mi

42、n對應的電動機運行頻率為。查表知90BYG2602電動機的空載運行頻率可達20000，可見沒有超出上限。圖4.2 90BYG2602步進電動機的運行矩頻特性曲線4）起動頻率的計算已知電動機轉軸上的總轉動慣量，電動機轉子的轉動慣量，電動機轉軸不帶任何負載時的空載起動頻率。由式可知步進電動機克服慣性負載的起動頻率為： （4-17）表4.1 90BYG2602步進電動機參數(shù)型號主要技術參數(shù)相數(shù)步距角/（）電壓/V電流/A最大靜轉矩/（N.m）空載起動頻率/Hz空載運行頻率/Hz轉動慣量90BYG260220.75100461800200004主要安裝尺寸bEL鍵9092703814251341076

43、.6上式說明：要想保證步進電動機起動時不失步，任何時候的起動頻率都必須小于。實際上，在采用軟件升降頻時，起動頻率選得更低，通常只有100（即100脈沖/s）。綜上所述，本次設計中工作臺的進給傳動系統(tǒng)選用90BYG2602步進電動機，完全滿足設計要求。4.3 步進電動機驅動電源的選用從計算機輸出口或從環(huán)形分配器輸出的脈沖信號，電流只有幾個毫安，不能直接驅動步進電動機。因此，需要一個功率放大器將脈沖電流進行放大，這個功率放大器就叫步進電動機的驅動電源。步進電動機的運行性能與步進電動機和驅動電源兩者密切相關，設計或選擇性能良好的驅動電源，對于充分發(fā)揮步進電動機的性能是十分重要的。設計中X、Y向步進電

44、動機均為90BYG2602型，生產(chǎn)廠家為常州寶馬集團公司。選擇與之匹配的驅動電源為BD28Nb型，輸入電壓為1000VAC，相電流為4A，分配方式為二相八拍。該驅動電源與控制器的接線方式如圖所示。圖4.3 BD28Nb驅動電源接線圖第五章 工作臺控制系統(tǒng)的設計5.1 控制系統(tǒng)硬件電路設計X-Y數(shù)控工作臺硬件系統(tǒng)設計時，應注意幾點：電機運轉平穩(wěn)、響應性能好、造價低、可維護性、人機交互界面可操作性比較好。X-Y數(shù)控工作臺的控制系統(tǒng)設計，控制系統(tǒng)根據(jù)需要，可以選取用標準的工作控制計算機，也可以設計專用的微機控制系統(tǒng)。本設計CPU選用ATMEL公司的8位單片機AT89S52，由于AT89S52本身資源

45、有限，所以擴展了一片EPROM芯片W27C512用做程序存儲器，存放系統(tǒng)底層程序；擴展了一片SRAM芯片6264用做數(shù)據(jù)存儲器，存放用戶程序；輸入/輸出口的擴展選用了并行接口8255芯片，一些進/出的信號均做了隔離放大。5.1.1 單片機的簡介與選用 8位單片機是目前品種最為豐富、應用最為廣泛的微控制器，它在自動化裝置、智能儀器儀表、過程控制、通信。家用電器等許多領域得到了廣泛的應用。MCS-51系列是常用的8位單片機，Intel公司的MCS-51系列單片機硬件結構合理，指令系統(tǒng)規(guī)范，生產(chǎn)歷史悠久，是目前全球用量最大的系列微控制器之一。ATMEL、PHILIPS等著名的半導體公司，以51系列內(nèi)

46、核開發(fā)出許多具有特色的MCS-51系列兼容微控制器，并改善了51系列的許多特性，例如：提高了速度。降低了時鐘頻率、加寬了電壓范圍、降低了產(chǎn)品價格。目前最流行的要屬ATMEL公司推出的AT89C系列和AT89S系列，在本設計中選用AT89S52。5.1.2 光耦合器光電隔離是由光耦合器來完成的。光耦合器是以光為媒介傳輸信號的器件，其輸入端配置發(fā)光源，輸出端配置受光器，因而輸入和輸出在電氣上是完全隔離的。開關量電路在接入光耦合器之后，輸入側與輸出側的信號得到了電氣隔離，互不影響。光耦合器的作用：（1） 信號隔離 將輸入信號與輸出信號進行隔離（2） 電平轉換將輸入信號與輸出信號的幅值進行轉換（3）

47、驅動負載 一些隔離驅動用的光耦合器件，如達林頓晶體管輸出型和晶閘管輸出型，不但含有隔離功能，而且還具有較強的負載驅動能力。下圖為普通的信號隔離用光耦合器TLP521，以發(fā)光二極管為輸入端，光敏晶體管為輸出端，這種光耦合器一般用來隔離頻率在100kHz以下的信號。圖5.1 光耦合器TLP521TLP521系列光耦合器為目前廣泛使用的普通晶體管輸出的光耦合器。下圖為TLP5211在開關信號輸入電路中的應用。其輸入端由+12V電源供電，輸出端由+5V電源供電，且兩端電源不共地，這樣就達到了隔離的效果。圖中的限位開關斷開時，發(fā)光二極管無正向導通電流，不發(fā)光，輸出端的晶體管截止，輸出信號（送到8255的

48、PC0引腳）為高電平；限位開關閉合時，輸入端構成回路，二極管有正向導通電流，開始發(fā)光，光明晶體管的基極獲得電流，集電極和發(fā)射極導通，輸出信號被拉低，于是8255的PC0引腳變成低電平，CPU讀取后判斷限位信號有效。圖5.2 TLP521隔離輸入的開關量5.1.3 常用存儲器及其擴展電路設計1.程序存儲器在機電控制系統(tǒng)中，目前用來擴展程序存儲器的主要是EPROM芯片。EPROM芯片與CPU的連接分兩種情況，一種情況是CPU本身不含EPROM，另一種情況是CPU自帶EPROM。本設計選用CPU不含EPROM，選擇MCS-51系列單片機中的AT89S52作CPU，該芯片為無ROM型微控制器，現(xiàn)要擴展

49、64KB的EPROM。EPROM選用W27C512，它是64KB的芯片，共有16條地址線，其中低8位的A0A7不能直接連到AT89S52的P0口，必須經(jīng)過地址鎖存器74LS373，AT89S52的地址鎖存器允許信號ALE接至74LS373的LE端，用以傳遞鎖存信號。ALE信號的下降沿把P0口輸出的低8位A0A7鎖入74LS373中。W27C512的輸出允許信號OE是接地的，始終有效，故鎖存器與其QOQ7是直通的，沒有緩沖。應當注意：AT89S52的EA引腳必須接地；P2口已有部分引腳作地址線用，其余引腳就不能再作I/O口使用，只能閑置。AT89S52的PSEN接W27C512的輸出允許端OE,

50、用以傳遞片外程序存儲器的讀選通信號。W27C512的芯片允許引腳CE接地，芯片始終處于工作狀態(tài)。圖5.3 AT89S52單片機外擴64KB的EPROM2.數(shù)據(jù)存儲器在機電一體化設備的專用控制系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)存儲器通常選用靜態(tài)RAM（SRAM）。因為在使用SRAM時，武學考慮刷新問題，且與CPU的連接簡單。常用的SRAM芯片主要有6116（2K×8位）、6264（8K×8位）、62256（32K×8位）、628128（128K×8位）等。數(shù)據(jù)存儲器的擴展與程序存儲器的擴展，在地址線的處理上是相同的，所不同的是，除讀選通信號各異之外，尚需考慮寫選通的控制問題。本

51、設計選用6264芯片。5.1.4 常用I/O接口芯片及其擴展電路設計1.常用的I/O接口芯片常用的I/O接口芯片分為兩大類：簡單I/O接口芯片和可編程I/O接口芯片。（1）簡單I/O接口芯片 主要包括鎖存器和緩沖器。CPU在對這類芯片進行讀/寫操作前，不需要對其發(fā)命令字，功能比較單一，為不可編程型。在構成輸出口時，要求具有鎖存功能；在構成輸入口時，要求具有緩沖功能。數(shù)據(jù)的輸入、輸出通常由CPU的讀、寫信號來控制。常用的鎖存器有74LS273、74LS373、74LS374、74LS377等；常用的緩沖器有74LS244、74LS245、74LS240等。選用鎖存器74LS373。（2）可編程I

52、/O接口芯片 可編程I/O接口芯片種類很多，常用的有Intel公司的外圍器件，如可編程外圍并行接口8255A、可編程RAM/IO擴展接口8155、可編程鍵盤/顯示接口8279、可編程定時/計數(shù)器8253等。這些芯片都具有多種工作方式，可有CPU對其編程進行設定。選用可編程外圍并行接口8255A2.簡單I/O接口芯片的擴展電路設計選用74LS373擴展8為并行輸入口，74LS373是一個帶有三態(tài)門的8D鎖存器。當外設準備好數(shù)據(jù)后，發(fā)出一個控制信號XT加到74LS373的觸發(fā)端LE，使輸入數(shù)據(jù)在74LS373中鎖存。同時，XT信號加到AT89S52單片機的中斷請求端INT0。圖5.4 74LS37

53、3鎖存器3.可編程I/O接口芯片的擴展電路設計選用8255A可編程并行接口，8255A是Intel公司生產(chǎn)的可編程輸入/輸出接口芯片，它具有A、B、C三個8位的并行的I/O口，可選擇三種工作方式。方式0為基本的輸入輸出；方式1為選通輸入輸出；方式2 為雙向傳送。8255A還能對C端口的任一位進行置位/復位操作。5.1.5 步進電動機的控制與驅動步進電動機的控制與驅動流程如圖5.5所示。主要包括脈沖信號發(fā)生器、環(huán)形脈沖分配器和功率驅動電路三大部分。圖5.5 步進電動機的控制與驅動流程5.2 控制系統(tǒng)的部分軟件設計5.2.1 存儲器與I/O芯片地址分配根據(jù)電路圖中地址譯碼器U4（74LS138）的

54、連接情況，可以算出主板中存儲器與I/O芯片的地址分配，如表所示。表5.3 存儲器與I/O芯片的地址分配外圍器件地址選擇線（A15A0）片內(nèi)地址單元數(shù)地址編碼6264000×, ××××, ××××, ××××8K00000H1FFFH82550011,1111,1111,11××43FFCH3FFFH5.2.2 步進電動機運行程序設計步進電動機控制程序的任務是：判斷旋轉方向、依次送出控制字、根據(jù)運算速度實現(xiàn)一定的延時、判斷是否結束。圖5.6 步進電動機的控制程序框圖第六章 總結與展望本設計研究的重點是X-Y數(shù)控工作臺，工作臺需要承受的載荷不大，但脈沖當量小、定位精度高，因此，決定選用直線滾動導