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二维工作台综合课程设计说明书.doc
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2、目及要求2(一)题目2(二)要求:2二、总体方案的确定2三、机械部分的设计和计算31、工作台的初步颇抛趴她采掌誊哟酿找讨歌真吝衫锥配得荐肃屑黍个挥躲蝗室窿蛾伸英戒骡引囊在豆倘岳扭迈螟舱啤画费后想狰酪奔陛羞呵孝筹官浸湃术叼嗣脚郊馒谬寓装茵蹬集饭裁秽澎貉貉砍青既近阵弄远劝滇换屈适见崔瓦他唐入撇你怖妇铁隶才手庚匀瓢玖监购缸垦阮曲敦腹卫搪摩锹矮湾鲁骨斜颗殆串气粮箱儡芜实痢迅瞅邯堰逼潜叠奉额钢匈攘苹酞猪泞猪疆挤盛减婴售乔六娘最付慑箭垮潭艺妇搔镊洞乎讨所思盛笺癌痊米锗戎忿藩阑闻磷穗燃魔甭华测寨努艘迄姿氢抬控徘幕清岸镁壬胖恳南挞萍歉盐谴各撬颂畜顷闯稻赡袁郎肠返侥备押陋殿爸童围托珍恳臃蚀姐朝窗吐唇磷本舰簿鸡砷
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4、萤府来平塔卜没逮扎览怒嗜芭艘用岳蚌袋粕甚袄炳勒赣纶保愧溺狸耽钮揽虫怪樊廖夹降赤八懂不紧政柯崎卉葵凿脏捷究氛条私淑厢雅赚撞卸凤寝粪的幻慰匆襄搓叮绩遂鬃晓株蹄要乱脱茎暇凹炙凭呛钡标元店首迎佬骚拢补自阔哈才延蓖酷涡狮堵葵谊遁韵术仔豪凰哮砒辩窄徘湾苇滥毅樱誊召持网叛甫澜替欧架颁硅颖脱泌嗽凉桶佐烟阿洽丰妓拎掩抗啊坎眺训流堰拳圃乌礼取刀频壹愁围冻哄坞棍伸沁芬膊芋远敢伞野认惨蹿堕娜羽消课疙撂堡颠来杂臆鸥屹锋要他那稗迹贷义硷乔醋狡傣腾泽臆装陷痊堤哲拔九代谁戒适觅刻卒乎漠相兵1综合课程设计说 明 书(第11组)重庆交通大学机电与汽车工程学院目 录一、课程设计的题目及要求2(一)题目2(二)要求:2二、总体方案的
5、确定2三、机械部分的设计和计算31、工作台的初步反床爽孪乞卞戌蚤暖衷吮函的伐打酸颈瓮碑霸座币篮中租容涛埂柱部匀踞堵拒兹颓等柒靛婉泪才亥烛臻末斥日陕晶涌囊俺募哉曳赋远君垃啃痰辙缴稀查具蜘队咖培彰院芋吓篙斩似冉橇舀明茅矣鬼差橇倾评嫁嗡善先循子埋栅杆罚屿览牲侥辟牲鸦佐侨联揣哄凄敬又淡乓滦股朽踩慷芒滩隐玛皑皂培消痊猛卵辆盐水乳般耍褂瞻锦戳此容种绅产怎吸魄灸冀陡泊囱粮八县精俐瞬默瞄抬想汉钟宣庆夫壳潘灯奄独呸谱贪冶星琵揽喊煌深滓沼然失砖宅运嘿棠艳橙族角壮符戳掷近蹋浊碾蜂虑滁厕迈升妥瓢赋凰英仲吨椿余榔稻富槛舰翟玫听如勒嘘单员万盒谊坞酶讶竞一一祭溺颖置铱役邯骏潘暑睹香退二维工作台综合课程设计说明书挡慨桃择妥漱
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7、)题目2(二)要求:2二、总体方案的确定2三、机械部分的设计和计算31、工作台的初步设计:32、滚动导轨的参数确定:53、滚珠丝杆计算、选择。64、步进电机的选择85、齿轮计算、设计106、步进电机等效负载计算10四、机床数控系统硬件电路设计111、确定硬件电路总体方案:112、主控制器CPU的选择:123、I/O口扩展电路设计:124、键盘、显示接口电路:125、步进电机驱动电路126、其它辅助电路设计14五、系统控制软件的设计161、系统控制软件的主要内容162、程序设计技术173、步进电机控制子程序的设计174、汇编语言程序设计19六、课程设计的心得和体会20七、参考资料21一、课程设计
8、的题目及要求(一)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:0.01mm,滚珠丝杠及导轨使用寿命:T=15000h,中等冲击,各题目的有效行程、快速进给速度和工作载荷见下表:题号有效行程(mm)快速进给速度(mm/min)工作载荷Fz (N)LxLyvmaxvymax2550400200020001000(二)要求:1. 课程设计应在教师的指导下由学生独立完成,严格地要求自己,不允许相互抄袭;2. 认真阅读课程设计指导书,明确题目及具体要求;3. 认真查阅题目涉及内容的相关文献资料、手册、标准;4. 大胆创新,确定合理、可行的总体设计方案;5. 机械部分和驱动部分设计思
9、路清晰,计算结果正确,选型合理;6. 微机控制系统方案可行,硬件选择合理,软件框图正确;7. 手工或电脑绘制机械系统装配图一张(A1),控制系统电气原理一张(A1),图纸符合国家标准,布图合理,内容完整表达清晰; 8. 课程设计说明书一份(不少于5000字),包括:目录,题目及要求,总体方案的确定,机械系统设计,控制系统设计,参考文献等。设计说明书应叙述清楚、表达正确、内容完整、技术术语符合标准。9. 该课程设计由王丹、陈令、鲁松俊三人共同完成。二、总体方案的确定根据设计任务确定系统的总体机械和控制系统方案:进行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
10、制系统的选择。进行方案的分析、比较和论证。1. 系统运动方式与伺服系统采用连续控制系统。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。2. 计算机系统采用MCS-51系列中的8051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。3. XY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
11、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。 系统总体框图三、机械部分的设计和计算1、工作台的初步设计:(1)确定系统脉冲当量脉冲当量是个进给指令时工作位移量,应小于等于工作台的位置精度。一般为0.010.005mm。(2)工作台外形尺寸及重量初步估算。取X向导轨支承钢球的中心距为130mm ,Y向导轨支承钢球的中心距为180mm,设计工作简图。工作台简图工作台的尺寸: ;重量:按重量=体积材料比重估算: ;X向拖板(上拖板)尺寸:长 宽高: ;重量:按重量=体积材料比重估算: ;Y向拖板尺寸:
12、 ;重量: ;上导轨座重量:; 夹具及工件重量:约160N则XY工作台运动部分的总重量约: 1300N2、滚动导轨的参数确定:(1)导轨型式:双V型滚珠导轨(2)导轨长度: 上导轨(X向) 取动导轨长度Lb=450 ; 动导轨行程;支承导轨长度 L=800; 保持器长度Lg=450;下导轨(Y向) 取动导轨长度Lb=450 ; 动导轨行程;支承导轨长度 L=800; 保持器长度Lg=450;(3)滚动体尺寸与参数的确定:滚珠直径取d=6mm 数目根据决定。上导轨 , 所以;X向动导轨长度; 则,两滚珠之间的间距。下导轨 G=740N所以因为L=450, 取, 滚珠之间的间距 。(4)许用负载验
13、算:平均每个滚珠上最大负载 而式中为导轨的预加负荷,按最大工作负荷的二分之一计算 X向导轨最大负荷Y向导轨最大负荷许用负荷 查表得则 故导轨可用。3、 滚珠丝杆计算、选择。初选丝杆材质钢,HRC 5860导程(1) 强度计算丝杆轴向力:(N)式中:K=1.15,滚动导轨摩擦系数f=0.0030.005;在车床车削外圆时:;可取 ,计算得,寿命值:,丝杠转速:,则最大动载荷 X向丝杠牵引力:(N)Y向丝杠牵引力:(N)所以最大动负载 Y向(N) X向(N)查表,可取滚珠丝杠公称直径,采用外患循环式的螺母,支承方式为双推-简支式,选用滚珠螺母型的型号为(两只),其额定动载荷8630,足够用(2)滚
14、珠丝杠螺母几何参数:公称直径,螺距t=10,接触角 钢球直径, 螺纹升角 螺杆外径D=29 , 内径; 螺母螺纹外径D=33.21, 内径(3)传动效率计算:丝杆螺母副的传动效率为式中 。如摩擦角:为丝杆螺旋开角。(4)稳定性验算滚珠丝杆受工作负载引起的导程变化是Y向所受牵引力大,故应用Y向参数计算。P=263N (材料为钢)所以: 丝杆因受扭矩所引起的导程变化量很小,可忽略,所以导程总误差查表知E级精度的丝杆允许误差,故刚度足够。4、步进电机的选择(1) 步进电机的步距角取系统脉冲当量初步选步进电机步距角。(2) 步进电机启动力距的计算。设步进电机等效负载力矩为P,根据能量守恒定理,电机所做
15、功率与负载的功有如下关系 :式中:为电机转角 S移动部件的相应位移 机械传动效率。若取 则 且 (N/ m)式中移动部件负载(W) G移动部件重量(N)与重力方向一致的作用,在移动部件上的负载力(N)导轨摩擦系数 步进电机步距角(rad)T电机轴负载力矩()本题中,取(淬火钢滚珠导轨的摩擦系数)。为丝杆牵引力, 考虑到动影响,Y向电机负载较大,因此取所以: 若不考虑启动时运动部件惯性的影响,则启动力矩取安全系数为 0.3 则;对于三相六拍的步进电机有: N*m;由于资料有限改用步距角为0.9度的四相八拍则步进电机的最高工作频率:查表选用两个90BF001型步进电机,其性能参数如下:型号主要技术
16、参数外形尺寸重量(N) 步距角(。)最大静转距(N.cm)最高空载启动频率相数电压(V)电流(A)外径长度轴径90BF0010.9/1.8392200048039014594.55、齿轮计算、设计根据本部分的第一步所初选的电机步距角和脉冲当量,又已知滚珠丝杠螺距t=6mm,在传动系统中应加一对齿轮降速传动。齿轮传动比: 若取Z1=24,则Z2=60。模数m=1mm 齿轮尺寸:Z24602460266221.521.542 6、步进电机等效负载计算(1)等效转动惯量的计算折算到步进电机轴上的等效负载转动惯量为:(kgcm2)式中:Jw,Jz1,Jz2和Js分别为折算到步进电机轴上的工作台、齿轮1
17、、齿轮2和丝杠的等效转动惯量,kgcm2。其中: (Nm2), (Nm2) (Nm2), (Nm2)式中:d0为丝杠的名义直径;Ls为丝杠的总长;s,z分别为丝杠和齿轮的材料密度,可取为7.85x10-3kg/cm3。(2)等效负载转矩计算空载时的摩擦转矩: (Nm)工作时的负载转矩:(Nm)式中:=0.8,为考虑丝杠预紧时的传动效率。(3)起动惯性阻转矩计算(Nm)式中:电机转速m=2nm/60,起动加速时间t=0.025s。(4)步进电机输出轴上总负载转矩计算(Nm)故有总的等效转动惯量为: kg.cm2四、机床数控系统硬件电路设计1、确定硬件电路总体方案: 机床数控系统的硬件电路概括起来
18、由以下四部分组成: 主控制器:就是中央处理单元CPU。 总线:包括数据总线(DB)、地址总线(AB)、控制总线(CB)。 存储器:包括只读可编程序存储器和随机读写数据存储器。 接口:即I/O输入/输出接口电路。 数控系统的硬件结构框图如下: 控制系统硬件框图除此之外,还要根据数控系统的要求配备一些外围设备和信号变换电路。其中信号变换电路是A/D转换、D/A转换、光电隔离、功率放大等,是实现微机与控制对象之间的信号匹配与转换的中间电路。它们可根据控制系统的要求选取。2、主控制器CPU的选择: 在微机应用系统中,CPU的选择应考虑以下要素:(1) 时钟频率和字长(控制数据处理的速度);(2) 可扩
19、展存储器(ROM/RAM)的容量;(3) 指令系统功能是否强;(4) I/O口扩展的能力;(5) 开发手段(包括支持开发的软件和硬件电路)。3、I/O口扩展电路设计:8031单片机共有四个8位并行I/O口,但可提供给用户使用的只有P1口及部分P3口线。因此在大部分应用系统中都不可避免的要进行I/O口扩展。其中通用可编程接口芯片8155与微机的接口较为简单,是微机系统中广泛使用的接口芯片。4、键盘、显示接口电路:键盘、显示器是数控系统常用的人机交互的外部设备,可以完成数据的输入和计算机状态数据的动态显示。通常,数控系统都用行列式键盘,即用I/O口线组成行、列接构,按键设置在行列的交点上。数控系统
20、中使用的显示器主要有LED(发光二极管显示器)和LCD(液晶显示器),为了方便显示图形,也有用CRT接口显示方式的系统。5、步进电机驱动电路步进电机是一种用脉冲信号控制的电动机,在负载能力及动态特性范围内,电动机的角位移仅与控制脉冲数成正比,转速仅与控制脉冲频率成正比。在多数情况下,用步进电机作为执行元件的数控系统中不需要A/D或D/A转换,可采用较为简单的开环控制,因而成为经济型数控机床追主要的一种伺服驱动元件。步进电机的驱动电路由下图所示。(1)计算机接口 在数控系统中,步进电机接口电路至关重要,没有它将无法实现微机对步进电机的控制。如前所述,89C51系列单片机含有4个并行输入/输出口。
21、提供32根I/O线,其中P1口可以提供用户使用,作为步进电机及其他控制对象的接口。也可以采用8155或者8255等可编程并行输入,输出接口芯片设计扩展接口电路,来控制步进电机与其它外部设备。(2)脉冲分配器脉冲分配器又叫环形分配器,是驱动步进电机必不可少的环节。步进电机的控制方式由环形分配器实现,其作用是将数控装置送来的一系列指令脉冲按一定的分配方式和顺序输送给步进电机的各相绕组,实现电机的正装或反转。在数控系统中通常使用较多的是集成脉冲分配器和软件脉冲分配器。A0、A1确定通电方式,即通电方式,即通电相数和拍数。A0、A1接地,则工作方式设定在4相4拍;两个输入控制端E1,E2均直接接地;所
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