XY工作台设计说明书Word下载.doc
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1.2、传动比的确定
传动比计算公式：
（参考文献【1】式2－1）
其中：
为步进电机的步距角，为滚珠丝杠导程，为系统脉冲当量。
根据传动设计，采用联轴器，初选电机步距角，丝杠导程，。
则其传动比
2、机械部件（工作台）总体尺寸
由于工作台的加工范围为X＝250mm，Y＝200mm。
工作台尺寸一般为工作台加工范围的1.1倍。
所以：
X＝250×
1.1＝275mm,Y＝200×
1.1＝220mm，其厚度初定为30mm。
选择工作台的型槽为T型槽，查电子版《袖珍机械设计师手册》中的T型槽和相应螺栓（摘自GB/T158-1996）表3-25T型槽和相应螺栓尺寸，可得所选T型槽的参数：
A＝10mm B＝18mm
C＝8mm H＝21mm
间距取50mm
一取工作台厚度为T型槽厚度的2倍，即2×
21＝42mm。
工作台质量：
即纵向丝杠所承受的质量。
在工作台上的工件和夹具的质量估计为
所以总的移动部件的重量为
3、工作载荷分析及计算
3.1销削力的分析与计算
铣削运动的特征是主运动为铣刀绕自身轴线高速回转,进给运动为工作台带动工件在垂直于铣刀轴线方向缓慢进给（键槽铣刀可沿轴线进给）.铣刀的类型很多，但以圆柱铣刀和端铣刀为基本形式,此选用莫氏锥柄立铣刀,铣刀材料选择高速钢.根据工件材料为碳钢可确定铣削力的计算公式：
FZ=9.81CFz·
ae0.86·
af0.72·
d0-0.86·
ap·
Z（参考文献【1】表2-1）
式中各参数如下:
CFz———铣削力系数，CFz=68.2（参考文献【1】表2-3）
ae ———最大铣削宽度，本设计为10mm
ap ———背吃刀量，本设计为5mm
Z ———铣刀齿数，选择粗齿，齿数取3（参考文献【2】表3-23）
d0———铣刀直径，查得d0=20mm（已知）
af———每齿进给量（mm/齿），即铣刀每转一个齿间角时，工件与铣刀的相对移动量，查得af=0.04mm/齿（参考文献【2】表5-6）
故：
FZ=9.81×
68.2×
100.86×
0.040.72×
20-0.86×
5×
3=545N
由表2－1和表2－2中表示每齿进给量，即铣刀每转一个齿间角时，工件与铣刀的相对移动量，每齿进给量、每转进给量和工作台进给速度三者之间的关系为
式中z为铣刀齿数，n为铣刀转速
可得工作台进给速度
3.2进给工作台工作载荷计算
作用在工作台上的合力与铣刀刀齿上受到的铣削力的合力F大小相同，方向相反，合力就是设计和校核工作台进给系统时要考虑的工作载荷，它可以沿着铣床工作台运动方向分解为三个力：
工作台纵向进给力方向载荷，工作台横向进给方向载荷和工作台垂直进给方向载荷。
工作台工作载荷、和与铣刀的切向铣削力之间有一定的经验比值。
因此，根据参考文献【1】表2-4，查工作台载荷与切向铣削力的经验比值：
铣削条件
比值
不对称铣削
逆铣
顺铣
圆柱铣、立铣盘铣和成型铣
／
1.00～1.20
0.80～0.90
0.20～0.30
0.75～0.80
0.35～0.40
求出后，根据最大的经验比算，即可计算出工作台的计算载荷、和。
4、滚珠丝杠螺母副的选型和校核
4.1滚珠丝杠螺母副类型选择
4.1.1主要类型
采用回珠器处在螺母之内的钢珠内循环方式，另外，为了消除间隙和提高滚珠丝杠副的钢度，可以预加载荷，使它在过盈的条件下工作，初步选用垫片预紧式。
4.1.2主要参数及代号
4.1.2.1滚珠丝杠副的主要参数
①公称直径，数控机床常用的进给丝杠的公称直径为至，但这是X-Y工作台，不用太大，初选。
②基本导程（螺距），由步距角、脉冲当量和传动比确定。
③精度等级，一般选用4级~7级，数控机床及精密机械可选用2级~3级。
它是滚珠丝杠副的重要指标，直接影响定位精度、承载能力和接触刚度。
4.1.2.2滚珠丝杠副的标注
参考【2】表2-6，初步选择滚珠丝杠副为FDM1604-3，导轨面的硬度为58~64HRC。
参考【3】表12-1-17查出其具体参数如下：
规格代号
公称直径
公称导程
滚珠直径
螺旋升角
循环列数
额定动载荷
额定静载荷
接触刚度
1604-3
16
4
2.381
3
5.1
9.7
442
4.2滚珠丝杠螺母副的型号选择及校核步骤
4.2.1最大工作载荷（计算进给牵引力（N））
滚珠丝杠上的工作载荷Fm（N）是指滚珠丝杠副在驱动工作台时滚珠丝杠所承受的轴向力，也叫做进给牵引力。
选用矩形导轨，计算公式（参考文献【1】式2-10）：
Fm=KFL＋f，（Fv＋Fc＋G）
式中K———考虑颠覆力矩影响的实验系数，矩形导轨K=1.1
———滚动导轨摩擦系数:
0.0025～0.005；
这里取0.005
G———移动部件的重力（N）：
G=800N
FL———工作台纵向进给方向载荷
Fc———工作台横向进给方向载荷
Fv———工作台垂直进给方向载荷
故：
Fm=1.1×
545＋0.005×
（109＋218＋800）=605N
4.2.2最大动负载C的计算及主要尺寸初选
滚动丝杠最大动载荷C可用下式计算：
参考【1】
（2-14）
式中：
L为工作寿命，单位为，；
n为丝杠转速，；
v为最大切削力条件下的进给速度，为所预选的滚珠丝杠的导程，待刚度验算后再确定；
t为额定使用寿命（h），可取t=15000h；
为运转状态系数，无冲击取1~1.2，一般情况取1.2~1.5，有冲击振动取1.5~2.5；
为滚珠丝杠工作载荷（N）。
初选滚珠丝杠副的尺寸规格，相应的额定动载荷不得小于最大动载荷C；
。
取，而工作台进给速度，则工作寿命：
则
因为，所以所选滚珠丝杠螺母副符合最大动载荷要求。
4.2.3传动效率计算
滚珠丝杠螺母副的传动效率为：
参考【1】
（2-15）
其中，为丝杠螺旋升角，可由，为摩擦角，滚珠丝杠副的滚动摩擦系数，其摩擦角约等于。
滚珠丝杠副的传动效率较高，一般取0.8~0.9之间，可知，上式传动效率计算有效。
4.2.4刚度验算
4.2.4.1丝杠的拉压变形量
滚珠丝杠计算满载时拉压变形量：
参考【1】
为在工作载荷作用下丝杠总长度上拉伸或压缩变形量，为丝杠的工作载荷，L为滚珠丝杠在支承件的受力长度，取，E为材料弹性模量，对钢，A为滚珠丝杠按内径确定的截面积，
，“+”号用于拉伸，“-”号用于压缩。
则
4.2.4.2滚珠与螺纹滚道间的接触变形量
该变形量与滚珠列、圈数有关，即与滚珠总数量有关，与滚珠丝杠长度无关。
有预紧时，可以使用下式计算：
参考【1】
（2-17）
为滚珠直径，为滚珠总数量，Z为一圈的滚珠数，，，为滚珠丝杠的公称直径，为预紧力，为滚珠丝杠的工作载荷
查表可得
，
由于当滚珠丝杠有预紧力，且预紧力为轴向工作载荷的1/3时，值可减少一半左右。
4.2.4.3滚珠丝杠副刚度的验算
丝杠的总变形量应小于允许的变形量。
一般不应大于机床进给系统规定的定位精度值的一半。
或者，由丝杠精度等级查出规定长度上允许的螺距误差，则相应长度上的变形量应该比它小。
否则，应考虑选用较大公称直径的滚珠丝杠。
查机械设计手册，滚珠丝杠副行程精度，表12-1-19，在效行程L内平均行程变动量，根据机床的定位精度为可得为0.023mm，。
因此所选的滚珠丝杠副刚度符合要求。
4.2.5压杆稳定性验算
滚珠丝杠长度确定
根据经验公式
其中L由1604-3丝杠副中取L=65mm.
故=250+65+50=365mm圆整=365mm
=200+65+50=320mm圆整=320mm
滚珠丝杠通常属于受轴向力的细长杆，若轴向工作负载过大，将使丝杠失去稳定而产生纵向屈曲，即失去稳定。
失稳时的载荷为：
参考【1】
（2-18）
E为丝杠材料弹性模量，对钢，I为截面惯性矩，对丝杠圆截面，（丝杠承载方式系数，选用一端固定，一端简支方式）
则较验较长的丝杠：
临界载荷与丝杠工作载荷之比称为稳定性安全系数，如果大于需用稳定安全系数，则该滚珠丝杠就不会失稳。
因此，滚珠丝杠的压杆稳定条件为：
因此，所选滚珠丝杠符合稳定性要求。
4.2.6滚珠丝杠螺母副安装连接尺寸
在确定丝杠副类型及型号及进行了传动效率、刚度和稳定性校核后，还需要考虑其他一些设计事项。
比如：
避免丝杠外露；
螺母在有效行程内配置限位装置，以免越程滚珠流失；
滚珠丝杠必须润滑，常用锂树脂；
丝杠副螺母安装连接尺寸等。
参考【4】根据表2-12和图2-12内循环滚珠丝杠副（包括浮动反向器及固定反向器）滚珠螺母安装、连接尺寸：
滚珠螺母安装、连接尺寸
1604
28
50
38
10
5.8
5.7
5、导轨的选型和计算
5.1滚动导轨
本设计采用整体型直线滚动导轨，因为它是根据预紧订货，不需要自己调整。
5.2、直线滚动导轨副的计算
参考【1】表2-16列出了上海组合夹具厂两种型号（SGDA和SGDB）直线滚动导轨副的主要参数，其中为额定动载荷，为额定静载荷。
初选GDA20滚动导轨，根据指导书表2-16可得其导轨参数，其额定动载荷。
这个行走距离称为滚动导轨的距离额定寿命，它可根据滚动导轨的额定动载荷用下列公式进行计算：
参考【1】
（2-20）
L为滚动导轨副的距离寿命，F为每个滑块上的工作载荷，，为硬度系数，导轨面的硬度为58~64HRC时，＝1.0，为温度系数，当工作温度不超过时，，为接触系数，每根导轨条上装两个滑块时，为载荷/速度系数，无冲出振动或时，取。
则滚动导轨副的距离寿命L：
从产品样本中选定了滚动导轨副的型号，计算距离寿命L或小时额定寿命，若L或大于滚动导轨的期望寿命时，则满足设计要求，初选的滚动导轨副即可采用。
由于，所以初选的滚动导轨副满足要求。
6、联轴器的选择及计算
参考【5】初步选用LK系列夹紧螺丝固定微型刚性联轴器，其特点：
重量轻、超低惯性和灵敏度铝合金和不锈钢材料夹紧螺丝固定。
初选：
LK13-C32-□□□□，其中：
GH2表示系列号，19表示外径为42mm。
注:
口口口口表示两边孔径。
系列号后面不带C为顶紧固定方式
外型尺寸:
（单位为mm）
规格型号
D
L
L1
M
可做最大内径
LK13-C32-1014
32
19
M4
14
技术参数
扭矩（N/M）
纠缠能力
最高转速（rpm）
拧紧力矩（N.m）
额定
最大
径向（mm）
轴向（mm）
角度（0）
2
0.15
1
4600
2.5
LK13-C32-1014，1014由计算得出，其中一个为丝杠跟联轴器连接尺寸，另一个为电机轴跟联轴器的配合尺寸。
已知可做最大内径为14，则选丝杠端与联轴器配合尺寸为14mm。
7、传动系统等效转动惯量计算
由于传动部件并不都与电机轴同轴线，还存在各传动部件转动惯量向电机轴的折算问题。
最后，要计算整个传动系统折算到电机轴上的总转动惯量，即传动系统等效转动惯量。
7.1转动惯量的计算基本公式
对于轴、轴承、联轴器、丝杠等圆柱体的转动惯量计算公式，当钢材材料密度为时，有参考【1】
（2-3）P7
D为圆柱体直径，L为圆柱体长度。
7.2、转动惯量折算
7.2.1滚珠丝杠转动惯量折算
根据滚珠丝杠惯量折算到电机轴上为：
，为丝杠与电机轴之间的总传动比。
根据滚珠丝杠的公称直径，其长度
7.2.2工作台等效转动惯量折算
工作台是移动部件，其移动质量折算到滚珠丝杠轴（图2-2）上的转动惯量可按下式进行：
参考【1】
（2-6）P8
为丝杠导程，为工作台质量。
则其等效工作台转动惯量：
7.2.3联轴器等效转动惯量折算
对于联轴器按其外径计算，长度为，则其等效转动惯量：
7.2.4传动系统各部件折算到电机上的总等效转动惯量：
8、步进电机的选用
根据步进电机的优点，输出转角（步距角）无长期积累误差，每转一圈积累误差会自动消失。
启动、停止、反转及其他运行方式的改变，都可以在少量的脉冲周期内完成并且具有定位转矩。
8.1步距角的选择
定位精度要求较高，运行范围较广的控制系统，应选用步距角较小，运行频率较高的步进电机。
已知脉冲当量，丝杠的导程=4mm
由公式2-23
即步进电机的步距角
8.2步进电机输出转矩的选择
步进电机最大静转矩是指步进电机的定位转矩（静止状态），是选择步进电机的最基本的参数。
步进电机空载启动转矩可按下式计算 （2-24）
其中为空载启动力矩；
为空载启动时运动部件由静止上升到最大快进速度时，折算到电机上的力矩；
为空载时折算到电机轴上的摩擦力矩；
为由于丝杠预紧，折算到电机轴上的附加摩擦力矩。
①加速度力矩 由
初设运动部件从静止启动加速到最大快进速度所需的时间。
则加速度力矩
②空载摩擦力距
空载摩擦力矩：
参考【1】
（2-27）
G为运动部件的总重量（N），；
为导轨摩擦系数，；
为传动系统总效率，一般取=0.7~0.85。
③附加摩擦力距
附加摩擦力距：
专业课课程设计指导书（2-28）
为滚珠丝杠预加载荷，即预紧力，一般取的1/3；
为滚珠丝杠未预紧时的传动效率，一般取。
则：
步进电机空载启动转矩为：
根据表2-17步进电机启动转矩与最大静转矩关系
步进电机
相数
三相
四相
五相
六相
拍数
6
8
5
12
0.5
0.866
0.707
0.809
0.951
选取步进电机为四相八拍式，算出步进电机空载启动时所需的最大静转矩
则
8.3总负载转矩的计算
运动部件正常工作，电动机的启动为带负载启动，其总负载转矩可按下式计算：
参考【1】
为作用在工作台的合力F折算到电机上的转矩。
根据下式算出运动部件正常运行时所需的最大静转矩：
按和中的较大者选取步进电机的最大静转矩，并要求
根据最大静转矩和步距角在表2-18BF反应式步进电动机技术参数表中初选电动机型号：
电机
型号
步距角
最大静
转矩
最高空载启动频率
运行
频率
转子转
动惯量
分配方式
质量
外形尺寸
外径
长度
轴径
90BF001
0.9
3.92
2000
8000
17.64
四相八拍
4.5
90
145
9
8.4启动矩频特性校核
步进电机有三种工况：
启动，快速进给运行，工进运行。
8.4.1启动矩频特性进行校核
前面进行是对初选电机后检查电机最大静转矩是否满足要求，但是不能保证电机在快速启动时不丢步。
因此，还要对启动矩频特性进行校核。
如右图所以为90BF001步进电机的启动矩步特性曲线。
已知空载启动力矩
找得对应的允许启动频率，。
由于90BF001步进电机的最高空载启动频率为2000，所以，即电机不失步。
8.4.2运行矩频特性校核
要对快速进给运行和工作进给运行两种工况分别校核，确保快进和工进时均不丢步。
如右图所示为90BF001步进电机运行矩频特性曲线。
1、快速进给运行矩频特性校核
步进电机的最高快进运行频率可按式（2-33）
快速进给时已经不存在加速力矩项，并且一般快进时处于空载状态，故快进力矩的计算公式只保留了，则快进时，折算到电机轴上的摩擦力矩
从90BF001步进电机运行矩频特性曲线，根据可找得，而实际步进电机的最高快进运行频率，所以，快进时电机不丢步。
8.4.3工进运行矩频特性校核
工进时步进电机的运行频率
摩擦力矩
工作负载力矩折算到电机上的力矩
工进时电机运行力矩
根据工进频率，查90BF001步进电机运行矩频特性曲线，得，而电机，所以步进电机在驱动工作台时不会失步。
8.4.4验算惯量匹配
电动机轴上的总当量负载转矩惯量与电机轴自身转动惯量的比值应该控制在一定的范围内，既不应太大，也不应太少，即伺服系统的动态特性主要取决于负载特性，由于工作条件的变化而引起的负载质量、刚度、阻尼等的变化，将导致系统动态特性也随之产生较大变化，使伺服系统综合性能变差，或给控制系统设计造成困难。
如果该比值太小，说明电动机选择或传动比设计不太合理，经济性较差。
为使该系统惯量达到较合理的匹配，一般应将比值控制在之间。
，由此可见，，符合惯量匹配要求。
8.5步进电机的安装尺寸
步进电机的安装比较简单，不带机座，用定位止扣进行安装定位，以保证步进电机安装的同轴度。
小尺寸电机的安装面上有螺孔供安装，大尺寸电机的安装面上有通孔供安装。
三、控制系统设计
1、控制系统硬件的基本组成
1.1微处理器选择
在以单片机为核心的控制系统中，大多数采用MCS-51系列单片机的8031芯片，经过扩展存储器、接口和面板操作开关等，组成功能较完善、抗干扰性能较强的控制系统。
8031内部包含一个8位CPU，128字节的RAM，两个16位的定时器，四个8位并行口，一个全双工串行口，可扩展的程序和数据存储器各64K，有5个中断源。
1.2系统扩展
系统中采用键盘实现输入，并采用LED显示器，它们均需要占用较多芯片口线，所以该系统需要进行系统扩展。
可编程并行接口8255A是一种应用广泛的并行接口扩展器件。
它具有三个8位并行口PA、PB、PC，由此提供了24条口线。
1.3显示模块与键盘连接
如图3-2，通过P1口及译码器的键盘和显示接口电路。
这里由P1口的准双向口功能可以实现一口多用。
首先，使P1口的低4位输出字形代码；
P1口的高4位输出一个位扫描字，经3—8译码器后显示某一位，并持续1ms。
各位扫描一遍之后，关掉显示。
其次，使P1口的高4位转为输入方式，使P1口的低4位输出键扫描信号，有键按下时，转入键译码和处理程序。
图3—2通过P1口及译码器的键盘和显示接口电路
1.4步进电机驱动电路设计
步进电机的驱动电路设计主要涉及脉冲分配器的选择问题和驱动电路的选择问题。
时下脉冲分配器主要有两种：
一种是硬件脉冲分配器（国内主要有YB系列），另外一种是软件脉冲分配器。
软件脉冲分配器不需要额外的电路，相应的降低了系统的成本，虽然这种方法占用了一定的计算机运行时间，但是在该设备中计算机有足够的资源来担当买中分配任务。
该系统采用软件来经行脉冲分配更为合理。
单片机与步进电机的接口电路如图3—3。
图3—3单片机与步进电机的接口电路
2、接口程序初始化及步进电机控制程序
2.18255A初始化程序
INTT:
MOVDX,8255A控制端口
MOVAL,86H
OUTDX,AL
MOVAL,05H
2.240H类型中断服务程序
MOVDX,8255A
INAL,DX
IRET
2.3步进电机驱动程序
2.3.1电机的控制电路原理及控制字
节拍
通电相
控制字
正转
反转
二进制
十六进制
A
00000001
01H
7
AB
00000011
03H
B
00000010
02H
BC
00000110
06H
C
00000100
04H
CD
00000101
05H
DA
00000111
07H
设电机总的运行步数放在R4，转向标志存放在程序状态寄存器用户标志位F1（D5）中，当F1为0时，电机正转，为1时则反转。
正转时P1端口的输出控制字01H,03H,02H,06H,04H,05H存放在片内数据存储单元20H~27H中，28H中存放结束标志00H，在29H~2EH的存储单元内反转时P1端口的输出控制字01H,05H,04H,06H,02H,03H,在2DH单元内存放结束标志00H。
2.
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