机电一体化系统综合课程设计课题名称：Ｘ－Ｙ数控工作台设计（电气部分）学院：信息工程学院专业：机械设计制造及其自动化班级：机械三班*名：***学号： ********指导老师：季国顺金成柱聂欣目录一、总体方案设计 (1)1.1设计任务 (1)1.2总体方案确定 (1)二、机械系统设计 (4)2.1 工作台外形尺寸及重量估算 (4)2.2 导轨参数确定 (4)2.3 滚珠丝杆的设计计算 (4)2.4步进电动机减速箱设计 (6)2.5 步进电机的选型与计算 (6)三、控制系统硬件设计 (8)3.1 CPU (8)3.2 驱动系统设计 (10)3.2.1步进电机的驱动电路 (10)3.2.2电磁铁驱动电路 (12)3.2.3电源转换 (12)四、控制系统软件 (13)4.1控制系统软件总体方案设计 (13)4.2主流程设计 (13)4.3中断服务流程 (15)4.3.1 INTO中断服务流程图 (15)4.3.2 INTI 中断服务流程图 (16)4.4软件调试 (17)4.4.1 复位程序流程图 (17)4.4.2 X轴电机点动正转程序流程图 (19)4.4.3 绘制圆弧程序流程图 (20)4.4.4 步进电机步进一步程序流程图 (21)五、总结 (22)六、参考文献 (23)七、附录 (24)一、总体方案设计1.1机电专业课程设计的任务主要技术指标：一定的规格要求（负载重量G=500N；台面尺寸C×B×H=240×254×15mm；底座外形尺寸C1×B1×H1=550×550×184mm；最大长度L=678mm；工作台加工范围X=300mm；Y=300mm；工作台最快移动速度为1m/min；重复定位精度为±0.02mm，定位精度为±0.04mm；设计具体要求完成以下工作：（1）数控工作台装配图1张；（2）数控系统电气原理图1张；（3）设计说明书页1本；所有图样均采用CAD绘制打印，设计说明书按规定撰写。
1.2 总体方案确定图1-1 系统总体框图机械传动部件的选择①导轨副的选择要设计的X-Y工作台是用来配套轻型的立式数控铣床，需要承载的载荷不大，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动机的旋转运动需要通过丝杠螺母副转换成直线运动，要满足0.005mm的脉冲当量和±0.02mm的定位精度，滑动丝杠副无能为力，只有选用滚珠丝杠副才能达到。
滚珠丝杠副的传动精度高、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，而且滚珠丝杠已经系列化，选用非常方便，有利于提高开发效率。
③减速装置的选择选择了步进电动机和滚珠丝杠副以后，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，且应有消除间隙机构。
为此，系统中决定采用无间隙齿轮传动减速箱。
④伺服电动机的选择任务书规定的脉冲当量尚未达到0.001mm，定位精度也未达到微米级。
因此，本设计不必采用高档次的伺服电动机，如交流伺服电动机或直流伺服电动机等，可以选用性能好一些的步进电动机，如混合式步进电动机，以降低成本，提高性价比。
⑤检测装置的选择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。
任务书所给精度对于步进电动机来说还是偏高的，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，决定采用半闭环控制，并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率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。
二、控制系统的设计①设计的X-Y工作台准备用在数控铣床上，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，所以控制系统应该设计成连续控制型。
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AT89S51作为控制系统的CPU，应该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，还需要扩展程序存贮器、数据存贮器、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。
④选择合适的驱动电源，与步进电动机配套使用。
二、机械系统设计2.1 工作台外形尺寸及重量估算工作台面尺寸：长⨯宽⨯高（mm) 240×254×15重量：按重量=体积×材料比重估算240×254×15×10-3×7.8×10-2≈71.323 N上导轨座（连电机）重量：254×550×(184-15) ×10-3×7.8×10-2≈1841.5254 N夹具及工件重量：约150N累计重量：2060 N2.2 直线导轨副的计算与选型1.滑块承受工作载荷 Fmax (单个滑块所受最大垂直方向）Fmax=F+G/4=1015 N （2-1）查表3-41,初选直线滚动导轨副的型号为KL 系列的JSA-LG15,其额定载荷Ca=7.94 KN,额定静载荷Coa=9.5 KN任务书规定台面尺寸240mm×254mm ，加工范围 300mm×300mm ,由表3-35选取导轨长度为580mm2.3 滚珠丝杆的设计计算1.最大工作载荷F m 的计算移动部件总重量2060N ，按矩形导轨进行计算，查表3-29，取颠覆力矩影响系数k1.1,滚动导轨上的摩擦因数μ=0.005F m =μG=1664.3N （2-2）2.最大动载荷F Q设工作台最快进给速度为1000mm/min,初选丝杠导程P h =5mm此时丝杠转速n=v/P h =200r/min （2-3）求滚球丝杠的使用寿命T=15000h ，代入L O =60n T/106,得丝杠寿命系数L O =180（106r ）查表3-30，取载荷系数fW=1.2,滚道硬度为60HRC ，取硬度系数fH=1.0，代入F Q =N F f f L m H w 4.1127630≈ （2-4）3.初选型号根据计算出最大动载荷和初选的丝杠导程，查表3-31，选济宁博特精密丝杠制造有限公司生产的G 系列2505-4型滚珠丝杠副，为内循环固定反向器单螺母式，其公称直径25mm ，导程5mm ，循环滚珠为4圈×2列，精度等级取5级，额定动载荷大于FQ 。
4.传动效率η的计算将公称直径do=25mm,导程Ph=5mm,代入λ=arctan(P h /πd 0)，得丝杠螺旋升角λ=3°38′，得传动效率η=95.6%.5.刚度的验算⑴X-Y 工作台上两层滚珠丝杠副的支承切采用一对推力角接触球轴承，左右支承的中心距离为a=500mm ，钢的弹性模量E=2.1×105MPa,查表3-31，得滚珠直径Dw=3.175mm,丝杠底径d2=21.2mm ，丝杠截面积222/4352.8S d mm π==，根据1/()m F a ES δ=： （2-5） 得在Fm 作用下产生的拉/压变形量⑵根据公式0(/)3W Z d D π=- 得单圈滚球数Z=20，该系列丝杠为单螺母，滚珠的圈数×列数为4×2. 代入公式Z Z ∑=⨯⨯圈数列数，得滚球总量Z ∑=160，丝杠预紧时，取轴向预紧力F YJ =F m /3=555N, 滚珠与螺纹滚道间的接触变形量δ2=0.0013×Fm/（10×3210/Z ∑YJ DwF ）=1.31×10-3mm （2-6） 因为丝杠加有预紧力，且为轴向负载的1/3，实际变形量可减少一半，取δ2=6.55×10-4mm.⑶丝杠的总变形量S 总=δ1+δ2=1.12×10-2+6.55×10-4，计算得丝杠的有效行程为250mm ，由表3-27得，5级精度滚珠丝杠有效行程在≦315mm ，行程偏差允许打到23μm,可见丝杠刚度足够。
⑷压杠稳定性校核： 根据公式F K （2-7） 计算失稳时的临界载荷Fk 。
查表，取支承系数k f =1，由丝杠底径d 2=21.2mm ，求得截面惯性矩42/64I d π=≈9910.44mm 4；压杆稳定安全系数K 取3（丝杠卧式 水平安装）；滚动螺母至轴向固定处的距离a 取最大值500mm 。
代入得mm ES a F m 0112.08.352101.25003.166451≈⨯⨯⨯==δ22Ka EIk ⎰=πFk=27359.6N，远大于工作载荷Fm，故丝杠不会失稳。
2.4步进电动机减速箱设计减速箱采用一级减速，大齿轮设计成双片结构，工作台脉冲当量δ=0.005mm/脉冲，滚珠丝杠导程P h=5mm，初选步进电动机的步距角α=0.75°，减速比i=（αPh）/（360×δ）=25：12，大小齿轮模数都为1mm，齿数比75：36，材料为45号调制钢，齿表面淬硬后达55HRC。
减速箱中心距为（75+36）/2=55.5mm，小齿轮厚度为20mm，双片大齿轮厚度均为10mm。
2.5 步进电机的选型与计算(1)计算加在步进电动机转轴上的总转动惯量Jeq滚珠公称直径d=25mm，总长L=500mm，导程Ph=5mm，材料密度ρ=7.8×10-3kg/cm3,移动部件总重量G=2060N，小齿轮齿宽b1=20mm，直径d1=36mm，大齿轮齿宽b2=10mm，直径d2=75mm，滚珠丝杠的转动惯量Js=πLρd4/32=1.495kg·cm2，托板折算到丝杠的转动惯量Jw=（Ph/2π）2m=1.223kg·cm2，小齿轮的转动惯量J Z1=0.259kg·cm2，大齿轮的转动惯量J Z2=4.877kg·cm2，初选步进电动机型号90BYG2602,二相四拍，步距角0.75°，该型号的转子的转动惯量J m=4kg·cm2。
则加在步进电动机转轴上的总转动惯量Jeq=J m+J Z1+（J Z2+Jw+Js）/i2=6.034kg·cm2（2-8）(2)计算加在步进电动机转轴上的等效负载转矩Teq①、快速空载启动，电动机转轴承受的负载转矩T eq1=T max+T fT max=2πJ eq n m/（60t aη）=0.94 N·m （2-9）n m为对应空载最快移动速度的步进电动机的最高转速n m=V maxα/360δ=1000×0.75/360×0.005=416.7r/min摩擦转矩T f=μ(G+F z)=P h/2πηi=5.62×10 -3N·m （2-10）式中η——导轨的摩擦因素，滚动导轨取0.005Fz——垂直方向的铣削力，空载时取0η——传动链效率，取0.7最后求得快速空载启动时的电动机转轴所承受的负载转矩：T eq1=T max+T f=0.945N·m （2-11）②、最大工作负载状态下电动机转轴所承受的负载转矩T eq2T eq2=T t+T fTt=F f P h/2πηi=1500×0.005/2π×0.7×（25/12）=0.82 N·m；T f=5.62×10-3N·m则T eq2=T f+Tt=0.825N·m得到加在步进电动机转轴上的最大等效负载转矩为T eq=max{T eq1，T eq2}=0.945N·m（3）步进电动机最大静转矩的选定考虑到步进电动机的驱动电源受电网电压影响较大，当输入电压低时，其输出转矩会下降，可能会造成丢步，甚至堵转。