xy运动工作台控制系统设计-机械工程及自动化课程设计(编辑修改稿)

xy运动工作台控制系统设计-机械工程及自动化课程设计(编辑修改稿)内容摘要：

在我国对外开放进一步深化的新环境下 ,发展我国数控技术及装备、提高我国制造业信息化水平和国际竞争能力的重要性 ,并从战略和策略两个层面提出了发展我国数控技术及装备的几点看法。 装备工业的技术水平和现代化程度决定着整个国民经济的水平和现代化程度 ,数控技术及装备是发展新兴高新技术产业和尖端工业的使能技术和最基本的装备 ,又是当今先进制造技术和装备最核心的技术。 数控技术是用数字信息对机械运动和工作过程进行控制的技术 ,而数控装备是以数控技术为代表的新技术对传统制造产业和新兴制造业的渗透形成的机电一体化产品 ,其技术范围覆盖很多领域。 21 世纪的数控装备将是具有一定智能化的系统 ,智能化的内容包括在数控系统中的各个方面 :为追求加工效率和加工质量方面的智能化 ,如加工过程的自适应控制 ,工艺参数自动生成。 为提高驱动性能及使用连接方便的智能化 ,如前馈控制、电机参数的自适应运算、自动识别负载自动选定模型、自整定等。 数控装备的网络化将极大地满足生产线、制造系统、制造企业对信息集成的需求 ,也是实现新的制造模式如敏捷制造、虚拟企业、全球制造的基础单元 ,反映了数控机床加工向网络化方向发展的趋势。 课 程设计的目的和意义 课程设计是 培养学生设计能力的重要实践性教学环节之一，是综合运用所学过的机械、电子、自动控制、计算机等知识进行的基本设计训练。 其目的是： 1. 能够正确运用《机电一体化系统设计》课程的基本理论和相关知识，掌握机电一体化系统（产品）的功能构成、特点和设计思想、设计方法，了解设计方案的拟定、比较、分析和计算，培养学生分析问题和解决问题的能力，使学生具有机电一体化系统设计的初步能力； 2. 通过机械部分设计，掌握机电一体化系统典型机械零部件和执行元件的计算、选型和结构设计方法和步骤； 3. 通过测试及控制系统方案 设计，掌握机电一体化系统控制系统的硬件组成、工作原理，和软件编程思想； 4. 通过课程设计提高学生应用手册、标准及编写技术说明书的能力，促进学生在科学态度、创新精神、专业技能等方面综合素质的提高。 西安工程大学课程设计（报告） 2 第二章 课程设计的内容 第一节 课程设计题目 ： 单片机控制步进电机驱动的多用 XY 工作台。 已知条件： 定位精度： 177。 ， ，负载 G=150N，加工范围 500mm*50mm,最快移动速度 1m/min 第二节 课程设计的内容 装置总体方案的确定 (1).数控装置设计参数的确定； (2).方案 的分析，比较，论证。 (1).确定脉冲当量； (2).机械部件的总体尺寸及重量的初步估算； (3).传动元件及导向元件的设计，计算和选用； (4).确定伺服电机； (5).绘制机械结构装配图； (6).系统等效惯量计算； (7).系统精度分析。 (1).微机及扩展芯片的选用及控制系统框图的设计； (2).I/O 接口电路及伺服控制电路的设计和选用； (3).系统控制软件的设计 西安工程大学课程设计（报告） 3 第四章 数控系统总体方案的确定 数控系统总体方案设计的内容包括：系 统运动方式的确定，执行机构及传动方案的确定，伺服电机类型及调速方案确定，计算机控制系统的选择。 进行方案的分析、比较和论证。 系统运动方式的确定 该系统要求工作台沿各坐标轴的运动有精确的运动关系因此采用连续控制方式。 伺服系统的选择 开环伺服系统在负载不大时多采用功率步进电机作为伺服电机 .开环控制系统由于没有检测反馈部件，因而不能纠正系统的传动误差。 但开环系统结构简单，调整维修容易，在速度和精度要求不太高的场合得到广泛应用。 .考虑到运动精度要求不高，为简化结构，降低成本，宜采用步进电机开环 伺服系统驱动。 计算机系统的选择 采用 MCS51 系列中的 8031 单片机扩展控制系统。 MCS51 单片机的主要特点是集成度高，可靠性好，功能强，速度快，性价比高。 控制系统由微机部分、键盘及显示器、 I/O 接口及光电隔离电路、步进功率放大电路等组成。 系统的工作程序和控制命令通过键盘操作实现。 显示器采用数码管显示加工数据和工作状态等信息。 X— Y 工作台的传动方式 为保证一定的传动精度和平稳性以及结构的紧凑，采用滚珠丝杠螺母传动副。 为提高传动刚度和消除间隙，采用有预加载荷的结构。 由于工作台的运动部件重量 和工作载荷不大，故选用滚动直线导轨副，从而减小工作台的摩擦系数，提高运动平稳性。 考虑电机步距角和丝杠导程只能按标准选取，为达到分辨率的要求，以及考虑步进电机负载匹配，采用齿轮减速传动。 系统总体框图如下 : 图 31 系统总体框图 西安工程大学课程设计（报告） 4 第五章 机械部分设计 机械部分设计内容包括：确定系统脉冲当量，运动部件惯性的计算，选择步进电机，传动及导向元件的设计、计算与选择，绘制机械部分装配图等。 确定系统脉冲当量 脉冲当量 δp 是一个进给指令时工作台的位移量，应小于等于工作台的位置精度，由于定位精度为 177。 因此选择脉冲当量为。 工作台外形尺寸及重量初步估算 根据给定的有效行程，画出工作台简图，估算 X 向和 Y 向工作台承载重量WX和 WY。 取 X 向导轨支撑钢球的中心距为 410mm,Y 向导轨支撑钢球的中心距为400mm,设计工作台简图如下 : a. X 向拖板 (上拖板 )尺寸为 : 长 *宽 *高 =420*410*50 重量 :按重量 =体积 *材料比重估算为 : xW = 32420 410 50 10 10 N      b. Y 向拖板 (下拖板 )尺寸为 : 420 400 50 重量 YW = 32420 400 50 10 10 N      工作台简图 西安工程大学课程设计（报告） 5 c. 上导轨 (含电机 )重量为 23( 900 480 8 2 800 35 50) 10 10 487 .97 N          夹具及工件重量 :约 155N XY 工作台运动部分总重量为 : 155 20xxWN     滚动导轨副的计算、选择 根据给定的工作载荷 Fz和估算的 Wx和 Wy 计算导轨的静安全系数 fSL=C0/P，式中： C0为导轨的基本静额定载荷， kN；工作载荷 P=(Fz+W)； fSL=~(一般运行状况 )， ~（运动时受冲击、振动）。 根据计算结果查有关资料初选导轨： 因系统受中等冲击 ,因此取  ,0 .5 ( )O S L X YX Y Z X YC f PP F W x Z XY Z YO X S L XO Y S L YP = ( F +W ) = ( 20 00 +67 8)=133 9NP = ( F +W ) = ( 20 00 +65 ) =13 27 .6NC =f P =4 13 35 .79 =53 43 .16 NC =f P =4 13 27 .6=5 31 N 根据计算额定静载荷初选 导轨 : 选择汉机江机床厂 HJGD 系列滚动直线导轨 ,其型号为 :HJGD25 基本参数如下 : 额定载荷 /N 静态力矩 /N*M 滑座重量 导轨重量 导轨长度 动载荷 aC 静载荷 oC AT BT CT gK /gKm L (mm) 17500 26000 198 198 288 760 滑座个数 单向行程长度 每分钟往复次数 M Sl n 4 4 导轨的额定动载荷 17500aC  N 依据使用速度 v（ m/min）和初选导轨的基本动额定载荷 aC (kN)验算导轨的工作寿命 Ln： 额定行程长度寿命 : 西安工程大学课程设计（报告） 6 ()H T C aWf f f CS fFTK 20xx4 500MFMF    1 , 2 , 0 . 8 1 , 1 ,50oT W C HRdf f f fK    33 1 1 0 . 8 1 1 7 5 0 02 5 0 0( ) 5 0 ( ) 1 4 2 4 0 9 .5 8H T C aWf f f CS fFT K k m  导轨的额定工作时间寿命 : 3102S oTH lnT  3 31021 4 2 4 0 9 . 5 8 1 0 4 9 4 4 7 7 1 5 0 0 02 0 . 6 4 6 0SoTH lnT h T h        导轨的工作寿命足够 . 滚珠丝杠计算、选择 初选丝杠材质： CrWMn 钢， HRC58~60，导程： l0=5mm （ 1） 强度计算 丝杠轴向力： )( ,m a x yxzyx WFfKFF  (N) 其中： K=，滚动导轨摩擦系数 f=~0005；在车床车削外圆时 ： Fx=(~)Fz，Fy=(~)Fz，可取 Fx=， Fy=。 取 f=, 400ZF  则 : m a xm a xXF 200 0 100 0 200 0 120 0 100 0 ( 200 0 671 .58 ) 104 120 0 ( 200 0 655 .2) 125 ZYZXYFNF F NFN               寿命值：61060nTL，其中丝杠转速0maxlvn (r/min) m a x061500020xx 40 0 / m i n560 40 0 15 00 0 36010ThvnrlL   最大动载荷： FffLQ WH3 式中： fW 为载荷系数，中等冲击时为 ~； fH为硬度系数， HRC≥58 时为。 西安工程大学课程设计（报告） 7 查表得中等冲击时 , 1WHff则 : 333 6 0 1 . 2 1 1 0 4 5 . 6 8 6 7 0 7 9 . 5 83 6 0 1 . 2 1 1 2 5 2 . 6 2 1 1 0 6 8 6 . 5 4XYQN         根据使用情况选择滚珠丝杠螺母的结构形式，并根据最大动载荷的数值可选择滚珠丝杠的型号为 : CM 系列滚珠丝杆副 ，其型号为： CM20xx5。 其基本参数如下 : 其额定动载荷为 14205N yQ 足够用 .滚珠循环方式为外循环螺旋槽式 ,预紧方式采用双螺母螺纹预紧形式 . 滚珠丝杠螺母副的几何参数的计算如下表 名称 计算公式 结果 公称直径 0d ―― 20mm 螺距 t ―― ５ mm 接触角  ―― 045 钢球直径 bd ―― 螺纹滚道法向半径 R  偏心距 e ( 2) si nbe R d  。