x-y数控工作台课程设计(1)修改版.doc

x-y数控工作台课程设计(1)修改版

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指导教师评定成绩：

审定成绩：

重 庆 邮 电 大 学
自 动 化 学 院

光机电一体化课程设计报告

(总体方案设计）

单位(二级学院)： 自 动 化 学 院
学 生 姓 名: 赵国强
专 业: 机械设计及其自动
班 级: 0841003
学 号: 2010213292
指 导 教 师： 赵双

设计时间： 2013 年 5 月

重庆邮电大学自动化学院制
目 录

1。　介 绍 2
1。1 设计的主要内容和任务 3
1。2 X-Y工作台的发展趋势及产业化的现状 4
1.3 数控X-Y工作台设计的意义和目的 4
2。　总体方案确定 5
2。1 机械传动部件的选择 5
2.1.1导轨副的选型 5
2。1。2丝杠螺母副的选型 6
2.1.3减速装置的选用 6
2.1。4伺服电动机的选用 6
2.1.5传感器检测装置的选用 8
2.1。6检测装置的选型 8
2。2 控制系统的设计 9
2.2。1系统的运动方式与伺服系统 10
2.2.2计算机系统 10
2.2.3 X—Y工作台的传动方式 10
3.　主流程图 11
3。1 绘制中断方案图 11
3.2 绘制总体方案图 11
3.3 CPU接口设计 12
4。 结束语 14

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1。　介 绍
摘　要：X-Y数控工作台机电系统设计是一个开环控制系统，其结构简单。实现方便而且能够保证一定的精度。降低成本，是微机控制技术的最简单的应用。它充分的利用了危机的软件硬件功能以实现对机床的控制；使机床的加工范围扩大,精度和可靠性进一步得到提高。X—Y数控工作台机电系统设计是利用8031单片机，及2764， 6264存储器及8155芯片等硬件组成,在控制系统的硬件上编写一定的程序以实现一定的加工功能.
其基本思想是通过圆弧或者直线插补程序以实现对零件进行几何加工，每进行一段加工都要产生一定的脉冲以驱动电机正反转，同时通8155将相应的加工进刀信息送至刀架库中以实现以之相应的走刀，电机和刀具的相对运动所以实现了刀具对工件的加工。该控制系统采用软件中断控制系统结构及子程序结构简单，条件明确在经济型数控中应用较多。中断结构采用模块化结构设计因为这种结构便于修改和扩充，编制较为方便,便于向多处理方向发展。X—Y数控工作台机电系统设计采用步进电机作为驱动装置.步进电机是一个将脉冲信号转移成角位移的机电式数模转换器装置。
其工作原理是每给一个脉冲便在定子电路中产生一定的空间旋转磁场;由于步进电机通的是三相交流电所以输入的脉冲数目及时间间隔不同，转子的旋转快慢及旋转时间的长短也是不同的。由于旋转磁场对放入其中的通电导体既转子切割磁力线时具有力的作用,从实现了旋转磁场的转动迫使转子作相应的转动，所以转子才可以实现转子带动丝杠作相应的运动.本题目是步进电机，微型计算机，插补原理，汇编语言的综合应用。
关键词：步进电机；数控系统；X-Y数控工作台

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1.1 设计的主要内容和任务
1。采用AT89C51单片机进行数据处理、采集和控制。主要考虑计算机的选择或单片机构成电路的选用、接口电路、软件编制等。
2.收集相关资料及图纸;
3。确定改造目标、X-Y工作台参数;
4.确定改造总体方案；
5.设计一个数控X—Y工作台及其控制系统；
6。选用驱动控制电路，对执行机构进行控制。主要考虑计算机的选择或单片机构成电路的选用，考虑电机选择及驱动力矩的计算，控制电机电路的设计。
7.确定机械改造方案；
a。确定系统脉冲当量；
b。运动部件惯性计算；
c.计算伺服电机参数；
d.传动及导向元件的设计、计算、校核；
e。其它相关零件的选型及计算.
8.确定驱动系统改造方案；主要是考虑数控机床工作台传动装置的设计问题:要弄清机构或机械执行元件的主要功能（传动运动、动力、位置装置、微调、精密定位或高速运转等），进行力矩、负载功率、惯性(转动惯量）、加（减)速控制和误差计算。

数控X—Y工作台外形

1.2 X—Y工作台的发展趋势及产业化的现状
目前工作台的种类繁多，传统的工作台只能安装在某一指定机床上，伴随着科技的与时俱进，它们的功能也由传统单一性向现代的多功能性方向发展，现在一些工作台，它不仅可以安装在钻床上，还可以安装在铣床和镗床等机床上.并且目前部分工作台还可以作为机床的第四回转轴，大大提高了机床的性能。
X-Y工作台作为数控机床的重要组成部分,也是影响加工精度的重要组成环节。从一开始为了满足加工简单的零件而设计的直线运动的X-Y工作台，到现在为了实现多工位加工而制造的分度工作台和回转工作台等。为了满足现代制造业的发展，也为了环境的要求,一作台的驱动装置从原来的机械驱动变为液旅驱动，现在更多的采用了气动装置,更好的保护了环境,节约了资源。由于工作台是一台机床的关键配套部件，因此世界各国都有对其进行研究，我国在工作台的 研究开发方面也取得了长足的进步。
另外也可用于非数控钻、铣、镗类机床上，独立完成等分和不等分的角度分度工作。国外工作台的功能与我国所生产的工作台功能基本相似,但是在其精度方面,国外的一些公司所生产的工作台要略高于我国所生产的工作台.因此我国与国外相比，还是有一定的差距,因此工作台的设计具有重要意义，我们要借助时代的步伐,与时俱进，开拓创新，使我国成为具有领先技术的综合性强国。
1.3 数控X-Y工作台设计的意义和目的
本设计所设计的X-Y工作台采用了低摩擦的直线滚动导轨和精密的丝杠，它的工作原理是通过MCS-51单片机来控制步进电机,使X-Y工作台实现了数控控制.工作台的自动化能大大减轻劳动强度，提高劳动生产效率。本设计的X-Y数控工作台机电系统设计是一个开环控制系统，其结构简单，实现方便而且能保证一定的精度。通过微机控制技术的简单的应用，实现对机床的控制,使机床的加工范围扩大，精度和可靠性进一步提高。本设计所设计的X-Y工作台不仅可用于铣床上进行数控铣削加工，而且还能够用于钻床上数控钻削加工，所以其功能远高于传统的普通工作台是新一代机电一体化的典型产品。
在本设计中着重介绍了如何对X-Y工作台进行设计，对导轨、丝杠、电机、选用和数控控制电路的设计和其控制程序的编制等方面进行了深入的分析。

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2.　总体方案确定
2。1 机械传动部件的选择
2。1.1导轨副的选型
腰设计数控车床工作台，需要承受的载荷不大，而且脉冲当量小，定位精度高，因此选用直线滚动导轨副，它具有摩擦系数小,不易爬行，传动效率高,结构紧，安装预紧方便等优点。

滚珠丝杆副外形

导轨型式:圆形截面滚珠导轨
选择导轨的型号:BRS35B
导轨长度:
上导轨(X向）：
取动导轨长度
动导轨行程
支承导轨长度
下导轨（Y向）:

直线滚动轴承的选型
选用角接触球轴承，型号为7004C
上导轨
下导轨
2。1.2丝杠螺母副的选型
伺服电动机的旋转运动需要通过丝杠螺母副转换成直线运动，需要满足0。004mm冲当量和mm的定位精度，滑动丝杠副为能为力，只有选用滚珠丝杆副才能达到要求,滚珠丝杆副的传动精度高、动态响应快、运转平稳、寿命长、效率高、预紧后可消除反向间隙.
2.1。3减速装置的选用
选择了步进电动机和滚珠丝杆副以后，为了圆整脉冲当量，放大电动机的输出转矩，降低运动部件折算到电动机转轴上的转动惯量,可能需要减速装置,且应有消间隙机构，选用无间隙齿轮传动减速箱。

无间隙齿轮传动减速箱外形
2.1.4伺服电动机的选用
脉冲当量尚未达到0。001mm,定位精度也未达到微米级,空载最快移动速度也只有因此3000mm/min,故本设计不必采用高档次的伺服电动机，因此可以选用混合式步进电动机。以降低成本,提高性价比.

混合式步进电动机外形
选反应式步进电机 130BYG350 EH—0602
（1）其转子转动惯量为J0=10.5
对材料为钢的圆柱零件转动惯量可按下式估算:

式中：D——圆柱零件直径（cm）；L—-零件长度(cm)。
所以:

G=4000N
（2）代入上式:
【】
=10.5+0.4+【0.98+13。98+】
=11。96（)
考虑步进电机与传动系统惯量匹配问题：
=0。88
因为： 0。881 所以惯性匹配比较符合要求.

对于工作方式为三相六拍的三相步进电机

（3）步进电机的最高工作频率

（备注：查表选用两个130BYG350 EH-0602型步进电机。）

电机的有关参数见下表：

型 号
主要技术数据
外形尺寸(mm）

重量

步距角
最 大静转距
最高空载启动频率（)
相数
电压

电流

外径
长度
轴径
130BYG350 EH—0602
1.2
35
18000
3
220
6
134
225
19
175
2.1。5传感器检测装置的选用
b。9200,74712速度传感器 Velomitor传感器
i。灵敏度系数20mV/mm/s ；环境温度:-29~121度； ii。 9513是其速度位移转换器,与压电晶体探头比，它对冲击不敏感,一般用途的运动绕组两线接头传感器，因为无须供电，多用于便携测量。

速度传感器外形
2.1。6检测装置的选型
选用步进电动机作为伺服电动机后，可选开环控制，也可选闭环控制。任务书所给的精度对于步进电动机来说还是偏高，为了确保电动机在运动过程中不受切削负载和电网的影响而失步,决定采用半闭环控制，拟在电动机的尾部转轴上安装增量式旋转编码器,用以检测电动机的转角与转速.增量式旋转编码器的分辨力应与步进电动机的步距角相匹配。
考虑到X、Y两个方向的加工范围相同,承受的工作载荷相差不大，为了减少设计工作量，X、Y两个坐标的导轨副、丝杠螺母副、减速装置、伺服电动机以及检测装置拟采用相同的型号与规格。

增量式旋转编码器外形
2.2 控制系统的设计
(1）设计的X-Z工作台准备用在数控车床上，其控制系统应该具有单坐标定位，两坐标直线插补与圆弧插补的基本功能，所以控制系统设计成连续控制型。
（2）对于步进电动机的半闭环控制，选用MCS-51系列的8位单片机AT89S52作为控制系统的CPU,能够满足任务书给定的相关指标。
（3）要设计一台完整的控制系统，在选择CPU之后，还要扩展程序存储器，键盘与显示电路，I/O接口电路，D/A转换电路,串行接口电路等。

AT89S51要完成的任务：

（1）将行程开关的状态读入CPU，通过中断进行处理，它的优先级别最高。
（2）通过程序实时控制电机和电磁铁的运行。
（3)接受键盘中断指令,并响应指令，将当前行程开关状态和键盘状态反应到LED上，实现人机交互作用.
由于AT89S51只有P1口和P3口是准双向口,但P3口主要以第二功能为主,并且在系统中要用到第二功能的中断口，因此要进行I/O扩展.考虑到电路的简便性和可实现性，实际中采用内部自带锁存器的8155,所以AT89S51的I/O口线分配如下：
（1）P1。0—P1。5控制X—Y两个方向步进电机的A、B、C线圈通电,形成A-AB-B-BC-C—CA-A三相六拍正转模式和A-AC—C—CB—B-BA—A的反转模式。
（2)P1.6口输出控制电磁铁的吸合。
（3)P3。2和P3。3两个中断源中INT0优先级最高，它读入行程开关的状态并触发中断;INT1读入点动、复位、圆弧插补开关的状态而触发中断。
(4）P0。0-P0.7外部I/O扩展的数据读取。
（5）P2。7和P2.6决定8155的PA、PB、PC口的地址。
2.2.1系统的运动方式与伺服系统
由于机床既能钻削又能铣削加工，故应采用连续控制系统。定位方式采用增量坐标控制。考虑到机床加工精度要求不高，为了简化结构，降低成本,采用步进电机开环伺服系统驱动X—Y工作台.钻头上下运动也由步进电机通过减速装置控制。
2。2。2计算机系统
本设计采用MCS—51系列中的8031单片机扩展控制系统.MCS-51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.
2。2。3 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。
机步距角和丝杠导程只能按标准选取，为达到分辨率0。01mm的要求，以及考虑步进电机负载匹配，采用齿轮减速传动。

3.　主流程图
3。1 绘制中断方案图

中断方案图
3。2 绘制总体方案图

总体方案图

3.3 CPU接口设计
CPU接口部分包括传感器部分、传动驱动部分、人机交互界面三部分.示意图如下所示：

CPU外部接口示意图

4。 结束语
通过这次的课程设计，我对学习了机电一体化系统设计方案的拟定有了一定的认识，对传动元件和导向元件如滚珠丝杠螺母副等的工作原理，设计总体方案，设计计算的选用原则,电动机的工作原则，选择控制驱动方式都有了一定的认识。在今后的学习生活中，这次课程设计的经历将起到重要帮助作用。通过设计使我更加接近生产实际,锻炼了将理论运用于实际的分析和解决实际问题的能力,巩固、加深了有关机械设计方面的知识。
在今后的学习生活中，这次课程设计的经历将起到重要帮助作用.最后对在过程中赵双老师认真、耐心辅导表示衷心的感谢。