機電一體化課程設計
目錄第一章系統的總體方案設計1
第二章機械部分設計2
2.1 工作台尺寸設計2
2.2 脈衝當量和傳動比的確定3
2.3 傳動系統等效轉矩慣量計算3
2.4 工作載荷分析及計算4
2.4 滾珠絲槓螺母副的選型和校核6
2.5 導軌的選型和計算8
2.6 驅動電機的選擇9
第三章控制系統設計12
3.1 控制系統硬體的基本組成12
3.1.1 微處理器選擇12
3.1.2 系統擴充套件12
3.1.3 顯示模組與鍵盤連線12
3.1.4 步進電機驅動電路設計13
3.2 介面程式初始化及步進電機控制程式15
3.3 直線圓弧插補程式設計16
參考文獻23
原始資料
設計乙個數控xy工作台及其控制系統。該工作台可安裝在銑床上，用於銑削加工。設計引數如下：
一、系統的總體方案設計
數控x—y工作台的總體方案設計應考慮以下幾點：
1.1．工作台應具有沿縱向和橫向往復運動、暫停等功能，因此數控控制系統採用連續控制系統。
1.2．在保證一定加工效能的前提下，結構應簡單、調整和維修都比較方便，以求降低成本。因為本次設計的系統精度不高，載荷不大，因此進給伺服系統採用步進電機開環控制系統。
採用步進電機來實現驅動，一般情況下多採用開環控制。因為步進電機的輸出轉角與控制器提供的脈衝數有著正比關係，電機轉速與控制器提供的脈衝頻率成正比。因此通常在精確度要求不是很高時，採用步進電機是合理的。
當然，由於步進電機具有高頻易失步，負載能力不強。
1.3．縱向和橫向進給是兩套獨立的傳動鏈，它們各自由各的步進電動機、聯軸器、絲槓螺母副組成。
1.4．為了保證進給伺服系統的傳動精度和平穩性，選用摩擦小、傳動效率高的滾珠絲槓螺母副，並應有預緊裝置，以提高傳動剛度和消除間隙。
1.5．為減少導軌的摩擦阻力，選用滾動直線導軌。
圖1-1 系統總體方案
圖1-2開環控制流程圖
二、機械部分設計
2.1、工作台尺寸確定:
工作台的行程為x＝250mm，y＝180mm。工作台尺寸一般為工作台行程的1.1倍。
所以：x＝250×1.1＝275mm, y＝180×1.
1＝198mm。圓整，取x＝270mm,y＝190mm。其厚度初定為30mm
選擇工作台的型槽為t型槽，查《袖珍機械設計師手冊》表3-25可得所選t型槽的引數：
a＝12mm
b＝21mm
c＝9mm
h＝20mm
間距取50mm
一取工作台厚度為t型槽厚度的2倍，
即2×20＝40mm。
工作台質量：м0＝＝ ,即縱向絲槓所承受的質量。因工作台有t型槽，故取м0＝ 15 kg。(減去3個t型槽的重量得到的大概數值)
橫向絲槓所要承受的質量м為工作台質量加上拖板質量，一般以工作台質量的3.5倍計。即м＝52.5kg
工作台外形尺寸及重量估算
3-1工作台簡圖
取x向導軌支撐鋼球的中心距為300mm,y向導軌支撐鋼球的中心距為250mm,設計工作台簡圖如下:
x向拖板（上拖板）尺寸：
長寬高300×250×50
重量：按重量=體積×材料比重估算
300×250×50××7.8×n=292.5n
y向拖板（下拖板）尺寸： 300×250×50
300×250×50××7.8×n=292.5n
2.2脈衝當量和傳動比的確定
每個脈衝對應的執行件（如工作台）的移距，稱為脈衝當量或解析度，記為δp，單位為mm|脈衝。根據工具機或工作台進給系統所需要的定位精度來選定脈衝當量。考慮到機械傳動系統的誤差存在，脈衝當量值必須小於定位精度值。
根據已知條件：x、y 方向的脈衝當量 δx 、δy 分別為
δx =δy = 0.01mm。
根據脈衝當量和系統總體方案，在網上（暫選57byg4503型的步進電動機。其具體引數如下：
步距角 =0.9°，相數選擇4相。初選滾珠絲槓初選導程的滾珠絲槓，型號為1604-3。
根據傳動比計算公式：
傳動比為1時，直接用聯軸器將電機和絲槓直接連線，有利於簡化結構，提高精度。
2.3傳動系統等效轉動慣量計算
傳動系統的轉動慣量是一種慣性負載，選用電機時必須加以考慮。由於傳動系統的各傳動部件並不都是與電機軸同軸線，還存在各轉動部件轉動慣量向電機軸的折算問題。最後，要計算整個傳動系統折算到電機軸上的總轉動慣量，即傳動系統等效轉動慣量
對於軸、軸承、齒輪、聯軸器、絲槓等圓柱體的轉動慣量計算公式為
2-2)
對於鋼材，材料密度為7.8*（kg*），代入式2-2，有
j=0.78l*（kg*）
式中：mc為圓柱體質量（kg）；d為圓柱體直徑（cm）;l為圓柱體長度（cm）.
各部件的等效轉動慣量如下：
2.3.1電機等效轉動慣量可由表2-18、2-19查出
2.3.2聯軸器等效轉動慣量
其中聯軸器直徑，長度
2.3.3滾珠絲槓等效轉動慣量
其中絲槓直徑，初步估計絲槓長度。
2.3.4工作台等效轉動慣量
工作台估計體積則其質量
由於除工作台以外還有其他，例如導軌，電機等因數，故取
2.3.5兩齒輪轉動慣量:
2.3.6傳動系統總的轉動慣量
j總=0.3+0.01534+0.153+0.081+0.126=0.67534
2.4工作載荷分析及計算
2.4.1銑削力的分析與計算
銑削運動的特徵是主運動為銑刀繞自身軸線高速迴轉，進給運動為工作台帶動工件在垂直於銑刀軸線方向緩慢進給（鍵槽銑刀可沿軸線進給）。銑刀的型別很多，但以圓柱銑刀和端銑刀為基本形式。圓柱銑刀和端銑刀的且學部分都可看做車道到頭的演變，銑刀的每一刀齒相當於一把車刀。
通常假定銑削時銑刀受到的銑削力是作用在刀尖的某點上。設刀齒上受到切削力的合理為f，將f沿銑刀軸線、徑向和切向經行分解，則分別為軸向銑削力 ，徑向銑削力和切向銑削力 。其中切向銑削力是沿銑刀主運動方向的分離，它消耗銑床電機功率（即銑削功率）最多。
根據《機械製造技術基礎課程設計指導教程》選銑刀。由表3－15，根據最大銑刀直徑d＝20mm，最大銑削寬度，最大銑削深度選擇直柄立銑刀，立銑刀各引數如下：
由《機械製造技術基礎課程設計指導教程》表5－11 高速鋼立銑刀銑平面的銑削進給量中選取選定銑刀轉速
，由《專業課程設計指導書》表2-3切削力公式中銑削力係數，因此銑削力為：
2.4.2進給工作台工作載荷計算
作用在工作台上的合力與銑刀刀齒上受到的銑削力的合力f大小相同，方向相反，合力就是設計和校核工作台進給系統時要考慮的工作載荷，它可以沿著銑床工作台運動方向分解為三個力：工作台縱向進給力方向載荷，工作台橫向進給方向載荷和工作台垂直進給方向載荷。
工作台工作載荷、和與銑刀的切向銑削力之間有一定的經驗比值。因此，求出後，由
《專業課程設計指導書》表2-4
即可計算出工作台的計算載荷、和。
2.5滾珠絲槓螺母副的選型和校核
2.5.1滾珠絲槓螺母副型別選擇
選用內迴圈，墊片式預緊方式的滾珠絲槓螺母副。預選南京工藝裝備製造廠的1604-3絲槓，表面硬度58~64hrc。
其引數具體如下：
2.5.2滾珠絲槓螺母副的校核
2.5.2.1最大工作載荷
滾珠絲槓上的工作載荷是指滾珠絲槓副在驅動工作台時滾珠絲槓所承受的軸向力，也叫進給牽引力。它包括滾珠絲槓的走刀抗力及與移動體重力和作用在導軌上的其他切削分力相關的摩擦力。綜合導軌的工作載荷，式中：
，，分別為工作台進給方向載荷、垂直載荷和橫向載荷（n）；g為移動部件的重力（n）；k和分別為考慮顛覆力矩影響的實驗係數和導軌上的摩擦係數，隨導軌形式的不同。
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數控臺銑x y工作台進給伺服系統設計 指導老師 班別 姓名學號 目錄 第一章系統的總體方案設計2 第二章機械系統設計3 2.1 脈衝當量和傳動比的確定3 2.2 傳動系統等效轉矩慣量計算3 2.3 工作載荷分析及計算4 2.4 滾珠絲槓螺母副的選型和校核5 2.5 導軌的選型和計算8 2.6 驅動電...
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