x-y工作臺課程設計.doc

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課程設計說明書 課程名稱： 設計題 專 班 姓 名 學 號： 指導教 設計時間：2016年12月29日—2017年 1 月 6 日 目錄 一、課程設計的題目及要求 1 1、題目 1 2、要求 1 二、總體方案的確定 2 三、XY二維工作臺機械系統(tǒng)設計 3 1、工作臺的初步設計 3 2、滾動導軌的參數(shù)確定 3 3、滾珠絲桿計算、選擇 4 4、步進電機的選擇 7 5、齒輪計算、設計 7 6、步進電機等效負載計算 8 7、機械傳動結(jié)構(gòu)裝配 11 四、XY二維工作臺控制系統(tǒng)硬件電路設計 12 1、硬件電路總體方案設計 12 2、主控制器的選擇 13 3、鍵盤、顯示接口電路設計 14 4、步進電機驅(qū)動電路設計 15 5、其它輔助電路設計 15 五、系統(tǒng)控制軟件的設計 16 1、開發(fā)環(huán)境和設計語言簡介 16 2、系統(tǒng)控制軟件的主要內(nèi)容 18 3、鍵盤、顯示子程序的設計 19 4、步進電機控制子程序的設計 20 六、課程設計的心得和體會 22 參考文獻 23 一、課程設計的題目及要求 1、 題目：步進電機驅(qū)動的XY二維工作臺設計 已知條件：定位精度：0.01mm，滾珠絲杠及導軌使用壽命：T=15000h，中等沖擊，各題目的有效行程、快速進給速度和工作載荷見下表： 表1工作臺運動要求表 題號 有效行程(mm) 快速進給速度(mm/min) 工作載荷Fz (N) Lx Ly vmax vymax 17 700 500 2000 2500 1200 2、要求 1.程設計應在教師的指導下由學生獨立完成，嚴格地要求自己，不允許互相抄襲。 2.認真閱讀《課程設計指導書》，明確題目及具體要求； 3.認真查閱題目涉及內(nèi)容的相關文獻資料、手冊、標準； 4.大膽創(chuàng)新，確定合理、可行的總體設計方案； 5.機械部分和驅(qū)動部分設計思路清晰，計算結(jié)果正確，選型合理； 6.微機控制系統(tǒng)方案可行，硬件選擇合理，軟件框圖正確； 7.繪制機械系統(tǒng)零件圖一張（A3）、裝配圖一張（A3），控制系統(tǒng)硬件電路原理圖一張（A3），編寫軟件代碼一份，圖紙符合國家標準，布圖合理，內(nèi)容完整表達清晰； 8.課程設計說明書一份（不少于5000字），包括：目錄，題目及要求，總體方案的確定，機械系統(tǒng)設計，控制系統(tǒng)設計，參考文獻等。設計說明書應敘述清楚、表達正確、內(nèi)容完整、技術(shù)術(shù)語符合標準。 2、 總體方案的確定 根據(jù)設計任務確定系統(tǒng)的總體機械和控制系統(tǒng)方案：進行系統(tǒng)運動方式的確定，執(zhí)行機構(gòu)及傳動方案的確定，伺服電機類型及調(diào)速方案確定，計算機控制系統(tǒng)的選擇。進行方案的分析、比較和論證。 1、系統(tǒng)運動方式與控制方式 采用連續(xù)控制系統(tǒng)，開環(huán)或閉環(huán)控制方式?？紤]到運動精度要求不高，為簡化結(jié)構(gòu)，建議大多數(shù)同學采用步進電機開環(huán)系統(tǒng)驅(qū)動。 2、計算機系統(tǒng) 建議采用教科書上的MSC-51系列單片機?？刂葡到y(tǒng)應該包括微機部分、鍵盤及顯示器、I/O接口及光電隔離電路、步進功率放大電路等。系統(tǒng)的工作程序和控制指令通過鍵盤操作實現(xiàn)。采用數(shù)碼管顯示加工和工作狀態(tài)等信息。 3、 XY二維工作臺機械系統(tǒng)設計 1、工作臺的初步設計 1.1、確定系統(tǒng)脈沖當量 脈沖當量δp是一個進給指令時工作臺的位移量，應小于等于工作臺的位置精度，一般為0.01~0.005mm，本次設計取值0.005mm. 1.2、工作臺的初步設計 根據(jù)給定的有效行程，畫出工作臺簡圖，如下： 圖1 工作臺簡圖 估算X向和Y向工作臺承載重量WX和WY， 取x向?qū)к壷武撉虻闹行木?00mm，y向?qū)к壷武撉虻闹行木?80mm,工作臺的材料為號鋼，其密度為，（?。?。 工作臺重量的估算如下： X向拖板（工作臺上拖板）的尺寸為： 重量: Y向拖板（工作臺下拖板）的尺寸為： 重量: 導軌座的尺寸依據(jù)XY向的行程選取： 上導軌的重量主要包括了導軌座、導軌副以及電機的重量，查閱南京工藝裝備制造有限公司的導軌副型號及其質(zhì)量，得到上導軌的重量為： 另外，包括滾珠絲杠、電機、聯(lián)軸器、減速器等一些部件約重100N X-Y工作臺運動部分的總重量為: 2、滾動導軌參數(shù)的確定 根據(jù)給定的工作載荷Fz和估算的Wx和Wy計算導軌的靜安全系數(shù)fSL=C0/P，式中：C0為導軌的基本靜額定載荷，kN；工作載荷P=0.5(Fz+W)；fSL=1.0~3.0(一般運行狀況)，3.0~5.0（運動時受沖擊、振動）。根據(jù)計算結(jié)果查有關資料初選導軌： 依據(jù)使用速度v（m/min）和初選導軌的基本動額定載荷C(kN)驗算導軌的工作壽命Ln： (hour) 由設計的要求知道，工作臺工作時收到的是中等沖擊，故靜安全系數(shù)取4.0 由以上算出來的額定靜載荷初選導軌，選擇型號為GGC128AK（南京工藝裝備制造有限公司制造）。 表2 直線滾動導軌副相應參數(shù) 導軌副尺寸 滑塊尺寸 H W r B1 L1 B2 L1 Mil0 B2 M2 L2 16 8.5 10 40 46.4 25 20 M33.5 6 M4 32.4 導軌尺寸 額定動載 C(KN) 額定靜載 C0(KN） 重量 B1 H1 dDh 單根最大長度（mm） 滑塊/個 導軌/米 24 8.5 4.584.5 1200 4.45 4.6 0.06 1.87 由公式計算得： 由以上計算驗證該導軌滿足使用的要求。 3、滾珠絲桿計算、選擇 初選絲杠材質(zhì)：CrWMn鋼，HRC58~60，導程：l0=5mm。 3.1、強度計算 絲杠軸向力： (N) 式中：K=1.15，滾動導軌摩擦系數(shù)f=0.003~0005；在車床車削外圓時：Fx=(0.1~0.6)Fz，F(xiàn)y=(0.15~0.7)Fz，可取Fx=0.5Fz，F(xiàn)y=0.6Fz計算。 取f=0.004，受到垂直載荷=1200N,則： =0.51200N=600N =0.61200=720N =1.15600+0.004(1200+376.6)N=763N =1.15720+0.004(1200+367)N=891N 滾珠絲杠壽命系數(shù)：，其中絲杠轉(zhuǎn)速(r/min) X方向：=r/min=400r/min ==360 Y方向：=r/min=500 450 最大動載荷： 式中：fW為載荷系數(shù)，中等沖擊時為1.2~1.5；fH為硬度系數(shù)，HRC≥58時為1.0。 本設計中，根據(jù)設計要求取fW=1.3,fH=1.0 X方向的滾珠絲杠： =7056.2N =8876.2N 根據(jù)使用情況選擇滾珠絲杠螺母的結(jié)構(gòu)形式，并根據(jù)最大動載荷的數(shù)值可選擇滾珠絲杠的型號,參考《機電一體化課程設計指導書》表3-31,選擇濟寧博特精密絲杠制造有限公司生產(chǎn)的G系列2005-3型滾珠絲桿副，相應的參數(shù)為： 表3 2005-3型滾珠絲桿相應參數(shù) 型號 公稱直徑/mm 基本導程/mm 鋼球直徑/mm 絲杠底徑/mm 絲桿外徑/mm 循環(huán)列數(shù) 油環(huán)/m 額定載荷/N 動載荷 靜載荷 2005-3 G GD M 20 5 3.175 16.2 19.3 3 32 9309 21569 螺母安裝尺寸 mm 剛度N/um D L B H G G GD 36 60 48 46 80 11 6 5.8 10 234 467 為內(nèi)旋壞固定反向單螺母式，它的公稱直徑是20mm，導程是5mm，循環(huán)滾珠為3圈1列，精度等級要求不高，可以取5級，額定動載荷為9309N，大于，滿足要求。 3.2、傳遞效率的計算 絲杠螺母副的傳動效率為： 式中：φ=10’，為摩擦角；γ為絲杠螺旋升角；已知公稱直徑=20mm，導程=5mm,帶入螺旋角計算公式得=。將摩擦角φ=10’帶入效率計算公式得： =0.96 3）、穩(wěn)定性驗算 若絲杠兩端采用止推軸承時不需要穩(wěn)定性驗算，本次設計中絲桿兩端選用深溝球軸承，故須進行穩(wěn)定性驗算： 式中 ：實際承受載荷的能力，N； ：壓桿穩(wěn)定的支承系數(shù)，本次設計中為單推—單推式，查閱表3-41，取1； ：鋼的彈性模量，E=2.1x1011Pa； ：滾珠絲桿底徑的抗彎截面慣性矩，； ：壓桿穩(wěn)定安全系數(shù)，一般取為2.5-4，垂直安裝時取最小值，本次為臥式安裝，取3. ：為絲杠長度，由設計要求知x方向和y方向的有效行程分別為700mm和500mm。 由以上的計算可知,所以絲桿滿足使用要求，合格。 3.4、剛度驗算 滾珠絲杠受工作負載引起的導程變化量為：(cm) Y向收到的軸向力較大，故只需計算Y向的剛度，取==891N =2.1 ==1.01m=1.01cm =1.01=2μm/m E級精度絲杠允許的螺距誤差[ Δ]=15μm/m <[ Δ],故滿足剛度要求。 4、步進電機的選擇 初選電機的步距角為：α=0.75?/step 5、齒輪計算、設計 初選電機的步距角為：α=0.75?/step，計算齒輪的傳動比： 傳動比： 取大齒輪的齒數(shù)為75，小齒輪的齒數(shù)為36，大小齒輪的材料均為45號鋼； 由于齒輪生產(chǎn)工藝簡單、生產(chǎn)率高，故選擇軟齒面齒輪； 有前面的計算知齒輪傳遞的扭矩較小，選取齒輪的模數(shù)m=1mm，則齒輪相應的參數(shù)計算為： 分度圓直徑：36mm，75mm； 齒頂圓直徑：38mm，=77mm； 齒根圓直徑：=33.5mm，=72.5mm； 中心距：a=m（）/2=50.5mm； 分度圓直徑：； 大小齒輪均采用將開線標準圓柱齒輪。 1、2--薄齒輪, 3—彈簧, 4、8—凸耳, 5—調(diào)節(jié)螺釘, 6、7—螺母 圖2 雙片齒輪錯齒消隙結(jié)構(gòu)圖 6、步進電機等效負載計算 6.1、等效轉(zhuǎn)動慣量的計算 折算到步進電機軸上的工作臺的等效轉(zhuǎn)動慣量Jw： = 折算到步進電機軸上的齒輪1、齒輪2的等效轉(zhuǎn)動慣量Jz1，Jz2： =3.21kg ==5.41kg 折算到步進電機軸上的絲杠的等效轉(zhuǎn)動慣量Js: 0.86Ckg 折算到步進電機軸上的等效負載轉(zhuǎn)動慣量為： (kgcm2)=(5.35+3.21+1.44)kg/=10.0kg 6.2、等效負載轉(zhuǎn)矩計算 計算加在步進電機轉(zhuǎn)軸上的等效負載轉(zhuǎn)矩，分為快速空載啟動和承受最大工作負載兩種情況進行計算。 空載時的摩擦轉(zhuǎn)矩： (Nm) u--導軌的摩擦因數(shù)，滾動導軌去0.005； W--工作臺垂直方向受到的切削力載荷重量； --為考慮絲杠預緊時的傳動效率，去0.8； 帶入上式計算的: (Nm) 工作時的負載轉(zhuǎn)矩： (Nm) X方向：=(Nm)=0.373(Nm) Y方向：=(Nm)=0.434(Nm) =0.434(Nm) 6.3、起動慣性阻轉(zhuǎn)矩計算: (Nm) 式中電機轉(zhuǎn)速ωm=2πnm/60, Δt--起動加速時間，取值為0.025s； --對應空載最快移動速度的步進電機最高速度，單位為r/min; --空載最快移動速度，本次設計中給的是y方向最快為2500mm/min; --步進電機的步距角，預選電機為； 帶入相應的參數(shù)計算得： ωm=2πnm/60=107rad/s =(Nm)=0.428(Nm) 6.4、步進電機輸出軸上總負載轉(zhuǎn)矩計算 (Nm)=0.011+0.434+0.428(Nm)=0.873(Nm) 步進電機的選擇： 為使步進電機正常起動（不失步），其起動力矩應滿足： 取=2.18(Nm) 步進電機的最高運行頻率為： =8333Hz 綜合以上計算的參數(shù)，參照《機電一體化課程設計設計指導書》表4-5選擇永磁式步進電動機，型號為90BYG2062，電機的主要參數(shù)如下： 表4 90YG2062型電機相應參數(shù) 型號 相數(shù) 步距角 /() 電壓 /V 電流 /A 最大靜轉(zhuǎn)矩/（Nm） 空載啟動頻率/Hz 空載運行頻率Hz 轉(zhuǎn)動慣量/(Kg) 90BYG2062 2/4 0.75/1.5 100 4 6 1800 20000 4 6.5、步進電動機的性能校核 最快工進速度時電動機輸出轉(zhuǎn)矩的校核，任務書給定的工作平臺的工作速度最大為2500mm/min，脈沖當量為0.005mm，由公式： 查閱90BYG2602電動機的運行矩頻特性圖可以知道，在這個頻率下，電動機的輸出轉(zhuǎn)矩Nm，遠大于最大工作負載Nm滿足工作要求。 最快空載移動時電動機輸出轉(zhuǎn)矩校核：設工作臺最快空載移動速度3000mm/min,求出相應： 同理查的在該頻率下的電動機輸出轉(zhuǎn)矩Nm,大于啟動慣性轉(zhuǎn)矩N，滿足要求。 最快空載移動時電動機運行頻率校核：與Vmax=3000mm/min對應的電動機fmax=10000HZ,而90BYG2602電動機的空載運行頻率可達20000HZ，可見沒超出上限。 起動頻率的計算：已知電動機轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動慣量，由電動機的參數(shù)知道電動機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量，電動機不帶任何負載時的空載啟動頻率=1800Hz,計算得步進電機克服慣性負載的啟動頻率： =962Hz 上式說明，要想保證步進電機啟動時不失步，任何時候啟動頻率都必須小于962Hz，在實際的軟件升降頻時，啟動頻率選的更低，通常只有100Hz（即100脈沖/s）. 綜合上面的設計選擇及驗證，說明本次選用的步進電機滿足設計的要求。 7、 機械傳動結(jié)構(gòu)裝配 依據(jù)前面計算得工作臺、導軌副、導軌座的尺寸，可以確定整個工作臺的的整體尺寸，依據(jù)工作的加工要求、工況要求，計算得到直線導軌副、滾珠絲桿、步進電機的響應型號，最后確定畫出X-Y工作平臺的裝配圖和零件圖。裝配圖和零件圖見相應的CAD圖紙。 四 控制系統(tǒng)硬件電路設計 1、硬件電路總體方案設計 1.1設計步驟 １.按照總統(tǒng)方案以及機械結(jié)構(gòu)的控制要求，確定硬件電路的方案，并繪制系統(tǒng)電氣控制的結(jié)構(gòu)框圖； ２.選擇計算機或中央處理單元的類型； ３.根據(jù)控制系統(tǒng)的具體要求設計存儲器擴展電路； ４.根據(jù)控制對象以及系統(tǒng)工作要求設計檢測電路，轉(zhuǎn)換電路以及驅(qū)動電路等； ５.選擇控制電路中各器件及電氣元件的參數(shù)和型號； 1.2確定硬件電路的總體方案 數(shù)控系統(tǒng)的硬件電路由以下幾部分組成： 1)主控制器。即中央處理單元CPU 2)總線。包括數(shù)據(jù)總線，地址總線，控制總線。 3)存儲器。包括只讀可編程序存儲器和隨機讀寫數(shù)據(jù)存儲器。 4)接口。即I/O輸入輸出接口。 數(shù)控系統(tǒng)的硬件框圖如下所示： CPU I/O 接口 信號變換 接口 控制 對象接口 存儲器 RAM ROM 外設 圖3 數(shù)控系統(tǒng)的硬件框圖 2、主控制器選擇 MCS-51系列單片機是集中ＣＰＵ，Ｉ／Ｏ端口及部分ＲＡＭ等為一體的功能性很強的控制器。只需增加少量外圍元件就可以構(gòu)成一個完整的微機控制系統(tǒng)，并且開發(fā)手段齊全，指令系統(tǒng)功能強大，編程靈活，硬件資料豐富。本次設計選用8052芯片作為主控芯片。 3、鍵盤顯示接口電路設計 圖4 鍵盤顯示器 4、步進電機驅(qū)動電路設計 4.1、光電隔離電路 在步進電機驅(qū)動電路中，單片機輸出的信號經(jīng)放大后控制步進電機的勵磁繞組。如果將輸出信號直接與功率放大器相連，將會引起電氣干擾。因此在接口電路與功率放大器間加上隔離電路實現(xiàn)電氣隔離，通常使用光電耦合器。 圖5 光電隔離電路 4.2、功率放大器 脈沖分配器的輸出功率很小，遠不能滿足步進電機的需要，必須將其輸出信號放大產(chǎn)生足夠大的功率，才能驅(qū)動步進電機正常運轉(zhuǎn)。因此必須選用功率放大器，需根據(jù)步進電機容量功率放大器。 圖6 ULN2803芯片 5、其他輔助電路設計 5.1、8052的時鐘電路 　　內(nèi)部方式利用芯片的內(nèi)部振蕩電路，在XTAL1,XTAL2引腳上外接定時元件，如下圖所示。晶體可以在1.2~12之間任意選擇，耦合電容在5~33pF之間，對時鐘有微調(diào)作用。采用外部時鐘方式時，可將XTAL1直接接地，XTAL2接外部時鐘源。 圖7 8052時鐘電路 5.2、復位電路 　　單片機的復位都是靠外部電路實現(xiàn)。在時鐘工作后，只要在RESET引腳上出現(xiàn)10ms以上的高電平，單片機就實現(xiàn)狀態(tài)復位。 圖8 復位電路 5.3、越界報警電路 為了防止工作臺越界，可分別在極限位置安裝限位開關。8052利接成從光敏三極管的集電極輸出接至8051的外部中斷引腳（INT0或INT1），采用中斷方式檢查越界信號。 五 系統(tǒng)控制系統(tǒng)軟件設計 1、開發(fā)環(huán)境設計語言簡介 Proteus ISIS是美國Labcenter公司開發(fā)的電路分析與實物仿真軟件。它運行于Windows操作系統(tǒng)上，可以仿真、分析（SPICE）各種模擬器件和集成電路，該軟件的特點是： ① 實現(xiàn)了單片機仿真和SPICE電路仿真相結(jié)合。具有模擬電路仿真、數(shù)字電路仿真、單片機及其外圍電路組成的系統(tǒng)的仿真、RS232動態(tài)仿真、SPI調(diào)試器、鍵盤和LCD系統(tǒng)仿真的功能；有各種虛擬儀器，如示波器、邏輯分析儀、信號發(fā)生器等。 ② 支持主流單片機系統(tǒng)的仿真。目前支持的單片機類型有：68000系列、8051系列、AVR系列、PIC12系列、PIC16系列、PIC18系列、Z80系列、HC11系列以及各種外圍芯片。 2、系統(tǒng)控制軟件的主要內(nèi)容 按照功能可將控制系統(tǒng)的控制軟件分為以下幾部分內(nèi)容： 系統(tǒng)管理程序：接收命令、執(zhí)行命令及從命令處理程序返回到管理程序接收命令的環(huán)節(jié)， 使系統(tǒng)處于新的等待操作狀態(tài)。 伺服控制程序：根據(jù)插補運算的結(jié)果或操作者的命令控制伺服電轉(zhuǎn)角及方向。 診斷程序：超行程處理、緊急停機處理、系統(tǒng)故障診斷、查錯等。 鍵盤操作和顯示處理程序：監(jiān)視鍵盤操作、顯示加工程序、操作命令等。 3、鍵盤、顯示子程序設計 3.1時間常數(shù)的確定 在步進電機控制程序中，利用單片機的定時器中斷，延時產(chǎn)生進給脈沖的時間間隔。此間隔由送入定時器的時間常數(shù)決定。時間常數(shù)由下式計算： 3.2程序設計框圖 系統(tǒng)初始化 N 按鍵？ Y flag清零 輸出脈沖并計數(shù) 顯示移動位移 等待key0關閉 送入計數(shù)初值 送入計數(shù)初值 送入計數(shù)初值 送入計數(shù)初值 等待定時器中斷 等待定時器中斷 等待定時器中斷 等待定時器中斷 系統(tǒng)停止 direction=1 direction=2 direction=3 direction=4 Key0按下 Key1按下 Key2按下 Key3按下 Key4按下 Flag=3，y軸步進電機正轉(zhuǎn)轉(zhuǎn) Flag=2，x軸步進電機反轉(zhuǎn) Flag=1，x軸步進電機正轉(zhuǎn) Flag=4，y軸步進電機反轉(zhuǎn)  6、 課程設計的心得和體會 這次的課程設計是一次綜合性的設計，對我們的要求較高，需要我們掌握較好的機械知識和電氣方面的，能將理論的知識運用實踐之中，對我們的技能要求主要是：知識的正確運用、設計的整體思想、CAD軟件、proteus軟件、keil軟件及相應專業(yè)相關軟件的熟練運用，該課程設計是機械課程當中一個重要環(huán)節(jié)通過了2周的課程設計使我從各個方面都受到了機械設計的訓練，對機械的有關各個零部件有機的結(jié)合在一起得到了深刻的認識，對CAD的運用能力和熟練程度有了很大的提升，同時也對電子方面，包括單片機、程序、電路都有了很大程度的學習和提高。 由于在設計方面我們沒有經(jīng)驗，理論知識學的不牢固，在設計中難免會出現(xiàn)這樣那樣的問題，如：在選擇計算標準件是可能會出現(xiàn)誤差，如果是聯(lián)系緊密或者循序漸進的計算誤差會更大，在查表和計算上精度不夠準，通過本次課程設計，其一使我對本課程和本專業(yè)有了更深刻的認識。把我們大學四年所學知識的有機的結(jié)合起來，有很多標準需要我們耐心再設計手冊上查找，要反復計算，并驗算、修正計算結(jié)果，直至達到國家的設計標準和課程設計的設計要求，更進一步增強了我們嚴謹求實、不怕困難的學習態(tài)度，同時也增進了自己的知識量。 總之，本次的課程設計對自己的培養(yǎng)作用非常的大，在這個過程中，積極思考，結(jié)合之前所學習的知識，不懂得查閱相應資料或與同學相互討論，確保得到正確的結(jié)論，但在這個過程中熱然還有許多的不足，在今后的學習或是工作中會更多的注意并加以改善。 參考文獻 [1] 張建民.機電一體化系統(tǒng)設計.北京理工出版社,2004 [2] 濮良貴.記名剛.機械設計.北京:高等教育出版社,2003 [3]孫恒.陳作摸.機械原理.北京.高等教育出版社.2013 [4]楊入清.現(xiàn)代機械設計—系統(tǒng)與結(jié)構(gòu).上海:上?？茖W技術(shù)文獻出版社.2000 [5]王巍，機械制圖，機械工業(yè)出版社.2000 [6]成大先, 機械設計手冊, 機械工業(yè)出版社.2002. 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