X-Y数控工作台机电系统设计

X-Y数控工作台机电系统设计河北工程大学课程设计说明书摘要Ⅰ摘要X-Y数控工作台机电系统设计本次使用一个半闭环控制系统,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选用ATMEL公司的AT89系列单片机AT89S51作为控制系统的CPU,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,同时通过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，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，通过输入脉冲的数量、通电顺序以及输入脉冲的频率来使电动机获得不同的转数、方向以及快慢以实现所需的运动。本次的X-Y数控工作台机电系统设计是步进电机、微型计算机、插补原理、汇编语言以及CAD的综合应用。具体步骤大概分为以下几部分：一、总体方案的确定；二、机械部分的设计；三、硬件部分的设计；四、软件部分的设计。本次毕业设计的研究方案主要从已有资料与所学知识入手，以当今机械领域对x-y数控工作台的各种高技术指标需求为出发点，结合前人做出的相关文献来完成本次的毕业设计。作为一个刚刚毕业的大学生，我在此次的毕业设计过程中会遇到种种难题，这需要用心去翻阅相关资料，虚心向老师询问，在老师的指导下完成该毕业设计。关键词：X-Y数控工作台，机电系统，微型计算机，AT89S51单片机河北工程大学课程设计说明书目录目录摘要……………………………………………………………………………………IAbstract………………………………………………………………………………II1绪论……………………………………………………………………………………11.1两坐标数控系统课题研究意义………………………………………………………11.2两坐标系数控工作台课题研究主要内容……………………………………………11.2.1两坐标系系统的组成…………………………………………………………12任务描述及总体方案的确定…………………………………………………………22.1设计任务…………………………………………………………………………22.2总体方案的确定……………………………………………………………………22.2.1机械传动部件的选择…………………………………………………………22.2.2控制系统的设计………………………………………………………………33机械系统设计…………………………………………………………………………43.1导轨上移动部件的重量估算…………………………………………………………43.2铣削力的计算………………………………………………………………………43.3直线导轨副的计算与选型…………………………………………………………43.3.1滑块承受工作载荷Fmax的计算及导轨型号的选取……………………………43.3.2距离额定寿命L的计算………………………………………………………53.4滚珠丝杠螺母副的计算与选型………………………………………………………53.4.1最大工作载荷Fm的计算………………………………………………………53.4.2最大动载荷FQ的计算…………………………………………………………53.4.3初选型号………………………………………………………………………53.4.4传动效率η的计算……………………………………………………………63.4.5刚度验算………………………………………………………………………63.4.6压杆稳定性校核………………………………………………………………63.5步进电动机减速箱的选用…………………………………………………………63.6步进电动机的计算与选型…………………………………………………………73.6.1计算加在步进电动机转轴上的总转动惯量Jeq…………………………………73.6.2最大工作负载状态下电动机转轴所承受的负载转矩Teq2………………………83.6.3步进电动机最大静转矩的选定…………………………………………………83.6.4步进电动机的性能校核………………………………………………………93.7增量式旋转编码器的选用…………………………………………………………104控制系统硬件设计…………………………………………………………………11河北工程大学课程设计说明书目录4.1CPU板……………………………………………………………………………114.1.1CPU的选择……………………………………………………………………114.1.2CPU接口设计…………………………………………………………………114.2驱动系统…………………………………………………………………………134.2.1步进电机驱动电路和工作原理………………………………………………134.2.2电磁铁驱动电路……………………………………………………………144.2.3电源转换……………………………………………………………………154.2.4中断处理器的选择……………………………………………………………154.3传感器和人机界面………………………………………………………………164.4本章小节…………………………………………………………………………175控制系统软件设计…………………………………………………………………185.1总体方案…………………………………………………………………………185.2主流程图…………………………………………………………………………185.3INT0中断服务流程图……………………………………………………………205.4INT1中断服务流程图……………………………………………………………215.5复位程序流程图…………………………………………………………………235.6X轴电机点动正转程序流程图……………………………………………………245.7绘制图弧程序流程图………………………………………………………………255.8步进电机步进一步程序流程图……………………………………………………285.9X向步进电机运行指定距离的半闭环程序流程图和程序……………………………29结论……………………………………………………………………………………31参考文献………………………………………………………………………………32致谢……………………………………………………………………………………33河北工程大学课程设计说明书第1章绪论1第1章绪论1.1两坐标数控系统课题研究意义X-Y数控工作台作为许多机床上的一个重要组成部分，它与机床的发展有着同样重要的意义。X-Y数控工作台是许多机电一体化设备的基本部件，如数控车床的纵横向进刀机构、数控铣床和数控钻床的X-Y工作台、激光加工设备的工作台、电子元件表面贴装设备等。随着X-Y数控工作台的多样化，灵活化，自动化，相比于传统机床的X-Y工作台，它能加工出更加复杂的零件，满足更高的精度要求。对它的研究能增强我们对机床的更进一步认识，以便运用所学知识去设计出功能更加强大的数控工作台，为先进机床的设计打下坚实的基础。1.2两坐标系数控工作台课题研究主要内容X-Y数控工作台机电系统设计是选用ATMEL公司的AT89系列单片机AT89S51作为控制系统的CPU,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,同时通过8155(1)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。本课题的基本类容有：一、整体设计方案的拟定；二、机械部分的设计；三、控制系统的硬件、软件设计；四、重要图纸的绘制。1.2.1两坐标系系统的组成经济型数控机床驱动电机采用步进电机，此次采用半闭环控制，需要选择和计算主要机械传动部件，如滚珠丝杠、螺母副、步进电机、减速箱、半闭环检测器等，绘制机床进给传动机构装配图，绘制单片机控制系统的硬件线路图。河北工程大学课程设计说明书第2章任务描述及总体控制方案的确定2第2章任务描述及总体方案的确定2.1设计任务设计一种供立式数控铣床使用的X-Y数控工作台，主要参数如下：1、立铣刀最大直径d=20mm；2、立铣刀齿数Z=3；3、最大铣削宽度mm20ae；4、最大背吃刀量mmp10a；5、加工材料为碳素钢或有色金属；6、X、Y方向的脉冲当量0.005/xymm脉冲；7、X、Y方向的定位精度均为0.01mm；8、工作台面尺寸为C*B*H=245mm*225mm*39mm；底座外形尺寸C1*B1*H1=445mm*445mm*295mm;加工范围为99mm×99mm；9、工作台空载最快移动速度；10、工作台进给最快移动速度min/1maxmaxmvvfyfx;11、负载重量G=295N。2.2总体方案的确定2.2.1机械传动部件的选择（1）导轨副的选用导轨是数控机床的重要部件之一，它在很大程度上决定数控机床的刚度，精度与精度保持性。目前的数控机床采用导轨形式的主要有：滑动导轨，滚动导轨，静压导轨三类。要设计的X-Y工作是用来配套轻型的立式数控铣床的，需要承受的载荷不大，但脉冲当量小、定位精度高，因此，决定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、结构紧凑、安装预紧方便等优点。（2）丝杠螺母副的选择伺服电机的旋转运动需要通过丝杠螺母副转换成直线运动，由题目给出的要求，定位精度为±0.01mm，脉冲当量要达到0.005mm，滑动丝杠副不能达到此要求，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。河北工程大学课程设计说明书第2章任务描述及总体控制方案的确定3（3）减速装置的选用在选择了步进电机和滚珠丝杠副以后，为了简便起见，还需圆整脉冲当量，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，且应有消除间隙机构。为此，本次设计选用无间隙齿轮传动减速箱。（4）伺服电机的选用步进电动机又称脉冲电动机或为阶跃电动机，目前，随着电子技术，控制技术以及电动机本体的发展和变化，传统的电机分类的间界面越来越模糊；步进电动机的传动定义为：根据输入的脉冲信号，每改变一次励磁状态就前进一定角度，若不改变励磁状态则保持一定的状态而静止；广义的定义为，步进电动机是一种受电脉冲信号控制的无刷式直流电动机，也可看作是在一定频率范围内转速与控制脉冲频率同步的电动机。选用步进电动机作为伺服电动机后，可选开环控制，闭环控制和半闭环控制。，任务书初选的脉冲当量尚未达到0.001mm，定位精度也未达到微米级，空载最快移动速度也只有3m/min,故本设计不必采用高档次的伺服电机，因此可以选用混合式步进电机，以降低成本，提高性价比。（5）检测装置的选用选用步进电机作为伺服电机之后，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机来说还是偏高的，为了确保电动机在运转过程中不受切削负载和电网的影响而失步，决定采